CN113606266A - 一种巡视器用制动装置及巡视器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种巡视器用制动装置及巡视器，本申请的巡视器用制动装置包括：支架、支撑组件、直流无刷电机、舵机、舵机摇臂以及环闸；其中，支撑组件，设于支架上；直流无刷电机，设于支架上，直流无刷电机具有转子壳；舵机，设于支架上；舵机摇臂，一端与舵机的转轴固定连接；环闸具有第一端口和第二端口，第一端口与舵机摇臂的另一端连接，第二端口与支撑组件连接；环闸套设于转子壳外，用于制动转子壳。本申请的巡视器用制动装置通过舵机带动舵机摇臂旋转一定角度，带动与舵机摇臂连接的环闸的第一端口旋转一定角度，进而拉动整个环闸抱紧高速旋转的直流无刷电机的转子壳，使得直流无刷电机可在极短的时间内停止抱死，快速制动。

Description

一种巡视器用制动装置及巡视器

技术领域

本申请涉及深空探测巡视器技术领域，具体而言，涉及一种巡视器用制动装置及巡视器。

背景技术

小行星表面地形复杂、引力微弱且极不规则。在小行星表面上因稍大的碰撞扰动，巡视器就会有极大地可能逃逸出小行星的引力场，因此，传统轮式探测器无法在其表面进行常规探测。经过美、日、欧洲等国的多方论证，以跳跃方式的行进能够更好地适应小行星表面微弱且不规则的引力场分布。经过近十年的发展，日本已经成功在小行星表面投放了跳跃巡视器，日本在龙宫小行星表面投放了MINERVAII跳跃巡视器，该巡视器外形近似圆柱体，内部有两个相互垂直的动量轮，以及两组与动量轮对应的制动装置，通过角动量守恒的原理，动量轮快速旋转后紧急制动致使跳跃巡视器执行跳跃与翻滚的动作。MINERVAII跳跃巡视器尺寸较大影响了运动的效率，内部只有两组动量轮存在只能进行一维方向上运动的问题，限制了整体的运动的效率。

发明内容

本申请的目的是提供一种巡视器用制动装置及巡视器，偏置动量轮结构可以使立方体巡视器的驱动模块在旋转时获得更大的转动惯量，从而在相对较小的转速下使得立方体巡视器执行翻滚，跳跃动作。

本申请的实施例是这样实现的：

第一方面，本申请提供一种巡视器用制动装置，包括：支架、支撑组件、直流无刷电机、舵机、舵机摇臂以及环闸；其中，支撑组件，设于支架上；直流无刷电机，设于支架上，直流无刷电机具有转子壳；舵机，设于支架上；舵机摇臂，一端与舵机的转轴固定连接；环闸具有第一端口和第二端口，第一端口与舵机摇臂的另一端连接，第二端口与支撑组件连接；环闸套设于转子壳外，用于制动转子壳。

于一实施例中，支撑组件包括：

至少一个连接柱，设于支架上；其中一个连接柱与第二端口连接；

辅助支架，与连接柱连接，辅助支架的端部相互连接形成箍套；

直流无刷电机的转轴能穿过并伸出箍套。

于一实施例中，巡视器用制动装置还包括：

圆盘法兰，设于支撑组件一侧，与伸出箍套的直流无刷电机的转轴连接。

于一实施例中，巡视器用制动装置还包括：

偏置动量轮，设于圆盘法兰上。

于一实施例中，巡视器用制动装置还包括：

偏置动量轮配重，设于偏置动量轮上。

第二方面，本申请提供一种巡视器，包括多个框架板、连接块和至少一个本申请第一方面任一实施例所述的巡视器用制动装置；

框架板之间通过连接块连接形成六面体立方结构；

相邻的巡视器用制动装置两两之间通过连接块连接，以使巡视器用制动装置设于框架板内。

于一实施例中，巡视器用制动装置设为三个。

于一实施例中，每个巡视器用制动装置上的支架上设有承接立柱；

承接立柱与框架板连接。

于一实施例中，巡视器还包括：

单片机控制柜，设于框架板上；

单片机，设于单片机控制柜内，单片机与直流无刷电机和舵机连接。

于一实施例中，巡视器还包括：

至少一个电池，设于框架板上，分别与单片机、直流无刷电机和舵机连接。

本申请与现有技术相比的有益效果是：本申请的巡视器用制动装置通过舵机带动舵机摇臂旋转一定角度，带动与舵机摇臂连接的环闸的第一端口旋转一定角度，进而拉动整个环闸的抱紧高速旋转的直流无刷电机的转子壳，使得直流无刷电机可在极短的时间内停止抱死，快速制动。采用三组本申请中的巡视器用制动装置设计而成的巡视器，整体结构的体积较小，质量较小，可以在任意时刻、任意位置可以沿着二维方向运动，满足小行星表面引力分布微弱且极其不规则只能采用跳跃或翻滚作为常规运动进行表面探测的基本情况。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请一实施例示出的巡视器用制动装置的立体图。

图2为本申请一实施例示出的巡视器用制动装置的前视图。

图3为本申请一实施例示出的巡视器用制动装置的右视图。

图4为本申请一实施例示出的巡视器的内部展示图一。

图5为本申请一实施例示出的巡视器的内部展示图二。

图6为本申请一实施例示出的巡视器的前视立体图。

图7为本申请一实施例示出的巡视器的后视立体图。

图标：

1-巡视器；11-巡视器用制动装置；12-框架板；13-连接块；14-承接立柱；15-单片机控制柜；151-单片机；16-电池；100-支架；110-舵机支架；200-支撑组件；210-连接柱；220-辅助支架；230-箍套；300-直流无刷电机；310-转子壳；400-舵机；500-舵机摇臂；600-环闸；610-第一端口；620-第二端口；700-圆盘法兰；710-通孔；800-偏置动量轮；900-偏置动量轮配重。

具体实施方式

术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，并不表示排列序号，也不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参照图1-图3，一种巡视器用制动装置11，包括：支架100、舵机支架110、支撑组件200、直流无刷电机300、舵机400、舵机摇臂500以及环闸600。其中，支撑组件200设于支架100上，支撑组件200包括至少一个连接柱210和辅助支架220，连接柱210一端与支架100连接，于一实施例中，连接柱210设为三个，可提高支撑组件200的支撑稳定性；辅助支架220与连接柱210的另一端连接，辅助支架220也设为三个，形成三角支架，辅助支架220的端部相互连接形成箍套230，直流无刷电机300设于支架100上，直流无刷电机300的转轴能穿过支架100并伸出箍套230，直流无刷电机300具有转子壳310。

于一实施例中，支架100和舵机支架110的材质均可选择强度较高的铝合金材质，连接柱210的材质可选择铝柱。

舵机支架110设于支架100上，舵机400设于舵机支架110上。具体地，舵机支架110设于支架100的顶部，舵机400和直流无刷电机300均设于支架100的同一侧。舵机支架110辅助将舵机400贯穿于支架100当中，这种装配方式壁将舵机400直接放于支架100上更加节省空间。

舵机400的转轴穿过支架100和舵机支架110，与舵机摇臂500的一端固定连接。舵机400相当于一个小型电机，它通过转轴输出扭矩，其转轴的转角范围为0°～180°。舵机摇臂500通过螺丝与舵机400的转轴相固定，并可以与舵机400的转轴一同旋转。

环闸600具有第一端口610和第二端口620，第一端口610与舵机摇臂500的另一端连接，第二端口620与其中一个连接柱210连接，使环闸600呈C字形，具有两个端口。环闸600套设于转子壳310外，直流无刷电机300工作时，当舵机摇臂500逆时针旋转时，带动与舵机摇臂500连接的环闸600的第一端口610顺时针旋转一定角度，进而带动整个环闸600的抱紧高速旋转的直流无刷电机300的转子壳310，使得直流无刷电机300在极短的时间内停止抱死，从而实现对转子壳310的快速制动。

请参照图4，其为本申请一实施例示出的巡视器1的内部展示图一。伸出箍套230的直流无刷电机300的转轴一端连接有圆盘法兰700，圆盘法兰700上连接有偏置动量轮800，于一实施例中，可通过在圆盘法兰700上设置四个通孔710，采用螺栓连接方式将偏置动量轮800安装到圆盘法兰700上，通孔710起到了固定偏置动量轮800，使偏置动量轮800能够与直流无刷电机300同轴转动的作用。

本实施例中，选择偏置动量轮800的原因是旋转转子在质量相同的情况下偏置的方式可以使得转动惯量更大，可以以较小的转速下突然刹车实现巡视器1的翻滚。在偏置动量轮800上还连接有偏置动量轮配重900。

本实施例中，舵机400、舵机摇臂500、环闸600共同组成了巡视器用制动装置11的制动模块。直流无刷电机300、圆盘法兰700、以及图4中的偏置动量轮800和偏置动量轮配重900共同组成了巡视器用制动装置11的驱动模块，直流无刷电机300是整个驱动模块的动力来源。连接柱210、辅助支架220组成的支撑组件200将舵机400、舵机摇臂500、环闸600共同组成的制动模块固定在支架100上，支架100起到将驱动模块和制动模块共同固定到一起的作用。

请参照图5、图6和图7，分别展示了不同视角的巡视器1的内部结构图以及各个结构的整体分布情况。一种巡视器1，包括至少一个巡视器用制动装置11、多个框架板12和连接块13。框架板12之间通过连接块13连接形成六面体立方结构。

于一实施例中，框架板12的材质可选择铝合金材质，连接块13与框架板12之间可通过螺栓连接或焊接的方式进行固定。

在一个完整的巡视器1中总共有六块框架板12，六块框架板12之间通过连接块13相互拼接、组合成为巡视器1的外壳、支撑和保护结构。图4和图5为分别取掉两块相邻的框架板12，取掉两块相邻的框架板12后可以比较清楚的观察到巡视器1内部结构分布情况。

于一实施例中，巡视器用制动装置11设为三个，即每个巡视器1中包含了三组如图1-图3的巡视器用制动装置11，相邻的巡视器用制动装置11两两之间通过连接块13连接，以使巡视器用制动装置11设于框架板12内。在每个巡视器用制动装置11上的支架100上设有承接立柱14，承接立柱14与框架板12连接，这种设计可以大大增加内部空间的使用率，并可以显著减少巡视器1的整体体积。

在框架板12上设有单片机控制柜15，在单片机控制柜15内设有单片机151，单片机151与直流无刷电机300和舵机400电性连接。单片机控制柜15设置在框架板12的内侧，使用杜邦线与舵机400连接，达到对舵机400的控制，使用排插式杜邦线与直流无刷电机300连接，达到对直流无刷电机300的控制。

在框架板12上设有至少一个电池16，电池16与单片机151、直流无刷电机300和舵机400电性连接，为单片机151、直流无刷电机300和舵机400供电。于一实施例中，电池16设为两块，两块电池16合计输出电压为24V。电池16通过稳压模块将电平进行转换进而给单片机151供电。

本申请中，巡视器1执行跳跃或者翻滚运动最关键的一点就是要满足巡视器用制动装置11的驱动模块与制动模块的良好适配，即要对旋转到限定值(可以使得巡视器1翻滚的偏置动量轮800转速值)的直流无刷电机300进行制动，通过单片机151起到控制直流无刷电机300和舵机400执行相应操作。具体的控制流程如下：

单片机151输出PWM信号，通过PWM信号来控制直流无刷电机300的加减速，偏置动量轮800连带偏置动量轮配重900与直流无刷电机300同轴旋转。偏置动量轮800是旋转转子在质量相同的情况下偏置的方式可以使得转动惯量更大，可以以较小的转速下突然刹车实现巡视器1执行翻滚、跳跃动作。所用到的直流无刷电机300上携带有电机驱动与光电编码器，在旋转的过程中可以向单片机151实时发送直流无刷电机300的转向与转速信息，单片机151根据捕获到光电编码器传输的转速信息通过PID控制算法调控直流无刷电机300转速，当转速到达限定值(以目前转速下突然制动可以使得巡视器1发生翻滚)时，单片机151发出指令控制舵机400执行动作，舵机摇臂500逆时针旋转，带动与舵机摇臂500连接的环闸600的第一端口610顺时针旋转一定角度，进而拉动整个环闸600的抱紧高速旋转的直流无刷电机300的转子壳310，使得直流无刷电机300在极短的时间内迅速抱死制动。根据角动量守恒的原理在执行制动操作的瞬间，巡视器1的姿态会发生快速的变化，从而整体执行翻滚与跳跃的动作。

巡视器1若要向某一方向运动时，单片机151只需要采用上述的控制流程，控制与该方向相对应的巡视器用制动装置11即可实现巡视器1往某一方向的跳跃运动。当需要改变行进方向时，单片机151再对下一方向相对应的巡视器用制动装置11进行上述所述的控制流程，即可实现巡视器1往另一方向的跳跃运动。

此外，本申请中，三组如图1-图3的巡视器用制动装置11中，两两之间相互垂直，可以实现巡视器1在三个方面上的独立运动。这一设计很好的改进了日本现有技术中MINERVAII跳跃巡视器在某些情况下只能进行一维方向上的运动的情况，本申请中巡视器用制动装置11两两相互垂直的设计保证了在任意位置，任意时刻都能进行二维方向上的运动。

本申请中的巡视器1的边长设为13cm，整体结构的体积较小，质量较小，巡视器1内部拥有三组两两之间相互垂直的巡视器用制动装置11，使巡视器1可以在任意时刻、任意位置可以沿着二维方向运动，满足小行星表面引力分布微弱且极其不规则只能采用跳跃或翻滚作为常规运动进行表面探测的基本情况。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种巡视器用制动装置，其特征在于，包括：

支架；

支撑组件，设于所述支架上；

直流无刷电机，设于所述支架上，所述直流无刷电机具有转子壳；

舵机支架，设于所述支架上；

舵机，设于所述舵机支架上；

舵机摇臂，一端与所述舵机的转轴固定连接；以及

环闸，所述环闸具有第一端口和第二端口，所述第一端口与所述舵机摇臂的另一端连接，所述第二端口与所述支撑组件连接；

所述环闸套设于所述转子壳外，用于制动所述转子壳。

2.根据权利要求1所述的巡视器用制动装置，其特征在于，所述支撑组件包括：

至少一个连接柱，设于所述支架上，其中一个所述连接柱与所述第二端口连接；

辅助支架，与所述连接柱连接，所述辅助支架的端部相互连接形成箍套；

所述直流无刷电机的转轴能穿过并伸出所述箍套。

3.根据权利要求2所述的巡视器用制动装置，其特征在于，还包括：

圆盘法兰，设于所述支撑组件一侧，与伸出所述箍套的所述直流无刷电机的转轴连接。

4.根据权利要求3所述的巡视器用制动装置，其特征在于，还包括：

偏置动量轮，设于所述圆盘法兰上。

5.根据权利要求4所述的巡视器用制动装置，其特征在于，还包括：

偏置动量轮配重，设于所述偏置动量轮上。

6.一种巡视器，其特征在于，包括多个框架板、连接块和至少一个如权利要求1至5任一项所述的巡视器用制动装置；

所述框架板之间通过所述连接块连接形成六面体立方结构；

相邻的所述巡视器用制动装置两两之间通过所述连接块连接，以使所述巡视器用制动装置设于所述框架板内。

7.根据权利要求6所述的巡视器，其特征在于，所述巡视器用制动装置设为三个。

8.根据权利要求6所述的巡视器，其特征在于，每个所述巡视器用制动装置上的所述支架上设有承接立柱；

所述承接立柱与所述框架板连接。

9.根据权利要求6所述的巡视器，其特征在于，还包括：

单片机控制柜，设于所述框架板上；

单片机，设于所述单片机控制柜内，所述单片机与所述直流无刷电机和所述舵机连接。

10.根据权利要求9所述的巡视器，其特征在于，还包括：

至少一个电池，设于所述框架板上，分别与所述单片机、所述直流无刷电机和所述舵机连接。

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