CN109352675A - 一种空间机械臂用机电一体化快速更换接口 - Google Patents

一种空间机械臂用机电一体化快速更换接口 Download PDF

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Abstract

一种空间机械臂用机电一体化快速更换接口，属于空间机械臂技术领域。本发明通过紧凑型设计，实现了工具更换、能量传输、转动传动三种功能的一体化，弥补了传统的快速更换接口工具能力不全的缺陷，由广泛的应用空间和较强的适应性，可以应用于空间机械臂末端，为其提供丰富的工具更换能力；本发明主动端、被动端接口可根据对接的机械臂及末端工具进行改变，有广泛的适应性；本发明整体结构紧凑，适用于多种工作环境，使用寿命相对较长，在复杂工况下依然能够良好运转，具有适用范围广的特点，具备良好的市场应用前景。

Description

一种空间机械臂用机电一体化快速更换接口
技术领域
本发明涉及一种空间机械臂用机电一体化快速更换接口，属于空间机械臂技术领域。
背景技术
近年来，快速更换接口在机器人领域有很多的应用，用于完成机器人在工作过程中的对前端机械手或机械工具的更换工作。其中，大部分快速更换接口采用气动的模式，通过气泵工作完成对前端工具的释放与新工具的锁紧。同时，部分接口工具可提供电传输能力，完成从机械臂端到工具端的能量传输。
目前，电邮的快速更换接口大多数主要完成两项任务，：
一、工具更换，此项操作包括对工具的释放与锁紧；
二。能量传输，此项操作主要通过在快速更换接口工具上固联的接插件完成。
现有技术中，传统的存在如下问题：
第一、大多采用气动更换接口的方式，部分采取电驱动更换接口的快速更换接口也无法达到空间机械臂的使用要求；
第二、传统更换接口仅能完成对工具的更换固联和电能传输两种功能，无法同时完成对转动的传动，设计上无法满足空间机械臂在轨工作的多样化需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种空间机械臂用机电一体化快速更换接口，通过紧凑型设计，实现了工具更换、能量传输、转动传动三种功能的一体化，弥补了传统的快速更换接口工具能力不全的缺陷。
本发明的技术解决方案是：一种空间机械臂用机电一体化快速更换接口，包括主动端传动轴、轴承、电机转子、电机定子、芯轴安装柱、主动端壳体、支撑架安装座、第一套筒、第二套筒、被动端壳体、键套、第一弹簧、传动键、被动端传动轴、接插件、第二弹簧、第三弹簧、芯轴、螺纹轴和轴承座；
轴承座采用空心回转体结构，轴承座外侧设有用于配装电机转子的法兰，电机转子与电机定子配合，电机定子安装在主动端壳体上；轴承座内侧沿轴向设有台阶通孔，台阶一侧安装轴承，并穿设主动端传动轴，台阶另一侧攻有用于配合螺纹轴的内螺纹；
螺纹轴采用空心圆柱体结构，芯轴上套装第一套筒并同轴穿设在螺纹轴中，螺纹轴一端攻有外螺纹并穿设在轴承座中，螺纹轴另一端依次穿过支撑架安装座和第二套筒；螺纹轴上沿周向均布若干个腰形通孔，芯轴安装柱穿过所述腰形通孔后与芯轴固定连接，用于对螺纹轴径向限位；螺纹轴外侧设有用于安装第二弹簧的凸缘，凸缘至螺纹轴端面之间沿周向间隔设有两组用于盛放钢球的圆孔；
芯轴采用空心圆柱体结构，芯轴外侧分别设有用于安装第三弹簧的凸缘和用于安装第一套筒限位销的销孔；
支撑架安装座采用空心圆柱体结构，支撑架安装座一端设有用于配装主动端壳体的法兰，支撑架安装座另一端设有用于安装芯轴安装柱的通孔；
第一套筒采用空心圆柱体结构，第一套筒套装在芯轴上，第一套筒端面与芯轴外侧的凸缘之间压装第三弹簧；
第二套筒采用空心圆柱体结构，第二套筒套装在螺纹轴上，第二套筒内侧设有用于钢球导向的滚道；第二套筒与螺纹轴外侧的凸缘之间压装第二弹簧；
主动端壳体采用空心圆柱体结构，主动端壳体端面设有若干个用于配合被动端壳体周向限位的凸台；
主动端壳体与被动端壳体之间通过接插件电气连接；
被动端壳体采用空心圆柱体结构，被动端壳体端面设有若干个用于配合主动端壳体周向限位的凹槽；被动端壳体端面沿轴向设有台阶通孔；
被动端传动轴采用空心圆柱体结构，被动端传动轴侧面设有用于配合传动键的键槽，被动端传动轴端面设有用于配装键套的法兰；
键套采用弧形块状结构，键套端面设有用于配装被动端传动轴的法兰，键套内侧设有用于安装传动键的圆形沟槽；
传动键采用中空圆柱体结构，传动键一端设有半圆键头，传动键另一端设有用于安装第一弹簧的凹孔；
主动端传动轴采用实心圆柱体结构，主动端传动轴侧面设有用于配合传动键的半圆形键槽，主动端传动轴穿过芯轴后通过传动键与被动端传动轴固定连接。
进一步地，所述主动端传动轴、被动端传动轴、芯轴和螺纹轴的材料均采用钛合金。
进一步地，所述主动端壳体上设有接插件的过线孔。
进一步地，所述支撑架安装座上用于安装芯轴安装柱的通孔数量不少于四个。
进一步地，所述主动端壳体上的凸台数量不少于三个且沿圆周方向不等间隔分布。
进一步地，所述第一弹簧、第二弹簧和第三弹簧采用螺旋弹簧。
进一步地，所述接插件采用J36A接插件。
进一步地，所述螺纹轴上的腰形通孔长度大于螺纹轴的外螺纹长度。
进一步地，所述螺纹轴上用于盛放钢球的圆孔直径小于钢球直径。
进一步地，所述螺纹轴端面设有用于配合被动端壳体台阶通孔的倒角。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
【1】本发明为空间机械臂提供一种机电一体化快速更换接口，在紧凑的结构内将工具更换、能量传输、转动传动三大功能实现，由广泛的应用空间和较强的适应性，可以应用于空间机械臂末端，为其提供丰富的工具更换能力。
【2】本发明主动端、被动端接口可根据对接的机械臂及末端工具进行改变，有广泛的适应性。
【3】本发明整体结构紧凑，适用于多种工作环境，使用寿命相对较长，在复杂工况下依然能够良好运转，具有适用范围广的特点，具备良好的市场应用前景。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为空间机械臂用机电一体化快速更换接口剖视图
其中：主动端传动轴(1)、轴承(2)、电机转子(3)、电机定子(4)、芯轴安装柱(5)、主动端壳体(6)、支撑架安装座(7)、第一套筒(8)、第二套筒(9)、被动端壳体(10)、键套(11)、第一弹簧(12)、传动键(13)、被动端传动轴(14)、接插件(15)、第二弹簧(16)、第三弹簧(17)、芯轴(18)、螺纹轴(19)和轴承座(20)；
图2为空间机械臂用机电一体化快速更换接口的主动端视图；
图3为空间机械臂用机电一体化快速更换接口的被动端视图。
具体实施方式
为使本发明的方案更加明了，下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：
如图1～3所示，一种空间机械臂用机电一体化快速更换接口，包括主动端传动轴1、轴承2、电机转子3、电机定子4、芯轴安装柱5、主动端壳体6、支撑架安装座7、第一套筒8、第二套筒9、被动端壳体10、键套11、第一弹簧12、传动键13、被动端传动轴14、接插件15、第二弹簧16、第三弹簧17、芯轴18、螺纹轴19和轴承座20；轴承座20采用空心回转体结构，轴承座20外侧设有用于配装电机转子3的法兰，电机转子3与电机定子4配合，电机定子4安装在主动端壳体6上；轴承座20内侧沿轴向设有台阶通孔，台阶一侧安装轴承2，并穿设主动端传动轴1，台阶另一侧攻有用于配合螺纹轴19的内螺纹；螺纹轴19采用空心圆柱体结构，芯轴18上套装第一套筒8并同轴穿设在螺纹轴19中，螺纹轴19一端攻有外螺纹并穿设在轴承座20中，螺纹轴19另一端依次穿过支撑架安装座7和第二套筒9；螺纹轴19上沿周向均布若干个腰形通孔，芯轴安装柱5穿过所述腰形通孔后与芯轴18固定连接，用于对螺纹轴19径向限位；螺纹轴19外侧设有用于安装第二弹簧16的凸缘，凸缘至螺纹轴19端面之间沿周向间隔设有两组用于盛放钢球的圆孔；芯轴18采用空心圆柱体结构，芯轴18外侧分别设有用于安装第三弹簧17的凸缘和用于安装第一套筒8限位销的销孔；支撑架安装座7采用空心圆柱体结构，支撑架安装座7一端设有用于配装主动端壳体6的法兰，支撑架安装座7另一端设有用于安装芯轴安装柱5的通孔；第一套筒8采用空心圆柱体结构，第一套筒8套装在芯轴18上，第一套筒8端面与芯轴18外侧的凸缘之间压装第三弹簧17；第二套筒9采用空心圆柱体结构，第二套筒9套装在螺纹轴19上，第二套筒9内侧设有用于钢球导向的滚道；第二套筒9与螺纹轴19外侧的凸缘之间压装第二弹簧16；主动端壳体6采用空心圆柱体结构，主动端壳体6端面设有若干个用于配合被动端壳体10周向限位的凸台；主动端壳体6与被动端壳体10之间通过接插件15电气连接；被动端壳体10采用空心圆柱体结构，被动端壳体10端面设有若干个用于配合主动端壳体6周向限位的凹槽；被动端壳体10端面沿轴向设有台阶通孔；被动端传动轴14采用空心圆柱体结构，被动端传动轴14侧面设有用于配合传动键13的键槽，被动端传动轴14端面设有用于配装键套11的法兰；键套11采用弧形块状结构，键套11端面设有用于配装被动端传动轴14的法兰，键套11内侧设有用于安装传动键13的圆形沟槽；传动键13采用中空圆柱体结构，传动键13一端设有半圆键头，传动键13另一端设有用于安装第一弹簧12的凹孔；主动端传动轴1采用实心圆柱体结构，主动端传动轴1侧面设有用于配合传动键13的半圆形键槽，主动端传动轴1穿过芯轴18后通过传动键13与被动端传动轴14固定连接。
其中，主动端传动轴1、被动端传动轴14、芯轴18和螺纹轴19的材料均采用钛合金。
主动端壳体6上设有接插件15的过线孔。
支撑架安装座7上用于安装芯轴安装柱5的通孔数量不少于四个。
主动端壳体6上的凸台数量不少于三个且沿圆周方向不等间隔分布。
第一弹簧12、第二弹簧16和第三弹簧17采用螺旋弹簧。
接插件15采用J36A接插件。
螺纹轴19上的腰形通孔长度大于螺纹轴19的外螺纹长度。
螺纹轴19上用于盛放钢球的圆孔直径小于钢球直径。
螺纹轴19端面设有用于配合被动端壳体10台阶通孔的倒角。
空间机械臂用机电一体化快速更换接口依靠电机驱动，定子固定在主动端壳体上，转子旋转驱动轴承座旋转，轴承座带动螺纹轴运动，螺纹轴在芯轴安装柱及支撑架安装座限位下沿轴向运动。
快速更换接口的主动端与被动端的相对位置确定靠沿壳周不均匀分布的三个限位凸起和卡槽。
快速更换接口的主动端与被动端连接过程中，螺纹轴在电机的驱动下沿轴向向右运动，在被动端壳体的限位下，第二套筒被卡住，第二弹簧压缩，螺纹轴前端从第二套筒中伸出，钢球在第三弹簧和第一套筒推动下从孔中弹出，钢球卡住被动端壳体限位处，完成主动端与被动端的连接，同时接插件完成电连接，传动键滑入主动端传动轴上的键槽内，完成旋转传动连接，该传动连接仅在圆周方向上卡主，轴向上可沿滑槽滑入滑出。
快速更换接口的主动端与被动端分离过程中，在完成连接后，电机驱动螺纹轴继续沿轴向向右运动，芯轴上的第三弹簧持续放松至自由状态，第一套筒不再卡住钢球，钢球落回，快速更换接口主动端被动端不再被卡主，可自由分离，主动端传动轴可沿轴向向左与被动端传动轴分离，接插件的电气连接分离，分离后第二弹簧恢复自由状态，第二套筒重新套住螺纹轴前端，电机反向旋转驱动螺纹轴沿轴向向左运动，所有零件复位。
本发明的工作原理是：利用电机的正反向旋转，驱动螺纹轴在限位的作用下向右或向左运动，在内部弹簧及钢球的作用下，完成主动端与被动端的传动及接插件的连接与分离。
本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种空间机械臂用机电一体化快速更换接口，其特征在于：包括主动端传动轴(1)、轴承(2)、电机转子(3)、电机定子(4)、芯轴安装柱(5)、主动端壳体(6)、支撑架安装座(7)、第一套筒(8)、第二套筒(9)、被动端壳体(10)、键套(11)、第一弹簧(12)、传动键(13)、被动端传动轴(14)、接插件(15)、第二弹簧(16)、第三弹簧(17)、芯轴(18)、螺纹轴(19)和轴承座(20)；
轴承座(20)采用空心回转体结构，轴承座(20)外侧设有用于配装电机转子(3)的法兰，电机转子(3)与电机定子(4)配合，电机定子(4)安装在主动端壳体(6)上；轴承座(20)内侧沿轴向设有台阶通孔，台阶一侧安装轴承(2)，并穿设主动端传动轴(1)，台阶另一侧攻有用于配合螺纹轴(19)的内螺纹；
螺纹轴(19)采用空心圆柱体结构，芯轴(18)上套装第一套筒(8)并同轴穿设在螺纹轴(19)中，螺纹轴(19)一端攻有外螺纹并穿设在轴承座(20)中，螺纹轴(19)另一端依次穿过支撑架安装座(7)和第二套筒(9)；螺纹轴(19)上沿周向均布若干个腰形通孔，芯轴安装柱(5)穿过所述腰形通孔后与芯轴(18)固定连接，用于对螺纹轴(19)径向限位；螺纹轴(19)外侧设有用于安装第二弹簧(16)的凸缘，凸缘至螺纹轴(19)端面之间沿周向间隔设有两组用于盛放钢球的圆孔；
芯轴(18)采用空心圆柱体结构，芯轴(18)外侧分别设有用于安装第三弹簧(17)的凸缘和用于安装第一套筒(8)限位销的销孔；
支撑架安装座(7)采用空心圆柱体结构，支撑架安装座(7)一端设有用于配装主动端壳体(6)的法兰，支撑架安装座(7)另一端设有用于安装芯轴安装柱(5)的通孔；
第一套筒(8)采用空心圆柱体结构，第一套筒(8)套装在芯轴(18)上，第一套筒(8)端面与芯轴(18)外侧的凸缘之间压装第三弹簧(17)；
第二套筒(9)采用空心圆柱体结构，第二套筒(9)套装在螺纹轴(19)上，第二套筒(9)内侧设有用于钢球导向的滚道；第二套筒(9)与螺纹轴(19)外侧的凸缘之间压装第二弹簧(16)；
主动端壳体(6)采用空心圆柱体结构，主动端壳体(6)端面设有若干个用于配合被动端壳体(10)周向限位的凸台；
主动端壳体(6)与被动端壳体(10)之间通过接插件(15)电气连接；
被动端壳体(10)采用空心圆柱体结构，被动端壳体(10)端面设有若干个用于配合主动端壳体(6)周向限位的凹槽；被动端壳体(10)端面沿轴向设有台阶通孔；
被动端传动轴(14)采用空心圆柱体结构，被动端传动轴(14)侧面设有用于配合传动键(13)的键槽，被动端传动轴(14)端面设有用于配装键套(11)的法兰；
键套(11)采用弧形块状结构，键套(11)端面设有用于配装被动端传动轴(14)的法兰，键套(11)内侧设有用于安装传动键(13)的圆形沟槽；
传动键(13)采用中空圆柱体结构，传动键(13)一端设有半圆键头，传动键(13)另一端设有用于安装第一弹簧(12)的凹孔；
主动端传动轴(1)采用实心圆柱体结构，主动端传动轴(1)侧面设有用于配合传动键(13)的半圆形键槽，主动端传动轴(1)穿过芯轴(18)后通过传动键(13)与被动端传动轴(14)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种空间机械臂用机电一体化快速更换接口，其特征在于：所述主动端传动轴(1)、被动端传动轴(14)、芯轴(18)和螺纹轴(19)的材料均采用钛合金。
3.根据权利要求1所述的一种空间机械臂用机电一体化快速更换接口，其特征在于：所述主动端壳体(6)上设有接插件(15)的过线孔。
4.根据权利要求1所述的一种空间机械臂用机电一体化快速更换接口，其特征在于：所述支撑架安装座(7)上用于安装芯轴安装柱(5)的通孔数量不少于四个。
5.根据权利要求1所述的一种空间机械臂用机电一体化快速更换接口，其特征在于：所述主动端壳体(6)上的凸台数量不少于三个且沿圆周方向不等间隔分布。
6.根据权利要求1所述的一种空间机械臂用机电一体化快速更换接口，其特征在于：所述第一弹簧(12)、第二弹簧(16)和第三弹簧(17)采用螺旋弹簧。
7.根据权利要求1所述的一种空间机械臂用机电一体化快速更换接口，其特征在于：所述接插件(15)采用J36A接插件。
8.根据权利要求1所述的一种空间机械臂用机电一体化快速更换接口，其特征在于：所述螺纹轴(19)上的腰形通孔长度大于螺纹轴(19)的外螺纹长度。
9.根据权利要求1所述的一种空间机械臂用机电一体化快速更换接口，其特征在于：所述螺纹轴(19)上用于盛放钢球的圆孔直径小于钢球直径。
10.根据权利要求1所述的一种空间机械臂用机电一体化快速更换接口，其特征在于：所述螺纹轴(19)端面设有用于配合被动端壳体(10)台阶通孔的倒角。
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