CN114955655B - 一种薄片弹性卷绕式直线驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种薄片弹性卷绕式直线驱动装置，包括卷绕有弹性薄片的卷绕轴，该卷绕轴外部圆周布置辊子，避免了储存状态下的弹性薄片受自身弹性引起膨胀松散的影响，限制了其膨胀程度。弹性薄片绕后方主动辊后，水平进入展开支架；展开支架为包括弧形支架和圆形支架；由圆形支架实现对完全卷曲的弹性薄片进行支撑，并限制杆状弹性薄片延伸展方向打开呈直筒状，使其沿一条固定的直线进行驱动；在圆形支架后方的弹性薄片未完全卷曲，未完全卷曲部分通过弧形支架进行支撑。本发明弹性薄片卷曲弹性直线在伸展过程中能够比较准确的控制展收速度和位置，同时避免卷收状态下弹性薄片因自身弹性导致的散开的影响。

Description

一种薄片弹性卷绕式直线驱动装置
技术领域
本发明涉及机器人学、机械技术领域，尤其涉及可收拢的管状空间伸展臂的驱动机构，具体是一种薄片弹性卷绕式直线驱动装置。
背景技术
空间伸展臂的轻质、高刚度、高精度、高稳定性、高收纳率一直是航天领域重点研究的方向。与常用的直线驱动机构如丝杠、直线电机等，卷绕式的薄壁杆伸展臂具有结构简单、质量轻、高收纳率的特点，它是支撑驱动柔性可展机构的重要保障，在当前航天领域有着广泛的应用。薄壁杆伸展臂主要利用薄片的弹性变形、弹性恢复以及电机卷绕实现展开和收拢。收拢阶段，管状杆在电机或其他力的作用下发生弹性形变，成板状卷绕收拢；展开阶段，在弹性恢复力的作用下，成板状卷绕状态的弹性拨片向内卷曲成直线管状，从而作为直线驱动的支撑结构。
现有的弹性薄片状伸展臂通常利用管自身的弹性力进行展开，或者依靠存储收拢状态弹性薄片的卷绕筒转动来驱动。存储状态的弹性薄片由于自身弹性可能发生在卷筒上散开的情况，这导致难以相对精确的控制直线管的展开速度和展开长度，甚至展开失败。
因此，如何提供一种能够控制伸展过程的速度和位置，减少展开过程的不确定性的机构这一领域需要解决的问题之一。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种薄片弹性卷绕式直线驱动装置，弹性直线筒在伸展过程中能够比较准确的控制展收速度和位置，同时避免卷收状态下弹性薄片因自身弹性导致的散开的影响。
本发明薄片弹性卷绕式直线驱动装置，包括卷绕轴、弹性薄片、主动辊与展开支架。
其中，弹性薄片卷绕于卷绕轴上，卷绕轴由收纳卷筒支架支撑。卷绕轴后方为主动辊，且主动辊位于卷绕轴下方。展开支架位于主动辊前方；主动辊与宅开支架由主动辊支架；卷绕轴及主动辊均由驱动电机驱动转动。上述卷绕轴周向上具有辊子，辊子安装于收纳卷筒支架上，且与卷绕间距可调节；通过辊子与卷绕后的弹性薄片外壁接触，限制弹性薄片卷绕部分膨胀。
弹性薄片绕后方主动辊后，水平进入展开支架；展开支架为包括弧形支架和圆形支架。
其中，弧形支架中部为弧形部分，圆形支架中部为圆环结构；弧形支架与圆形支架由后至前设置于主动辊前方，且弧形支架的弧型部分内弧面朝上，过弧形部分两端的弦与圆形支架的圆环部分的轴垂直并相交。
弹性薄片前端完全卷曲呈杆状后穿入圆形支架的圆环结构，由圆环结构实现对完全卷曲的弹性薄片进行支撑，并限制杆状弹性薄片延伸展方向打开，使其沿一条固定的直线进行驱动；在圆形支架后方的弹性薄片未完全卷曲，未完全卷曲部分通过弧形支架进行支撑。
上述弹性薄片与主动辊接触部分的中线上均匀的分布有圆形孔洞；同时，在主动辊周向上等角度间隔设计有球形凸起，各个球形凸起分别可与弹性薄片中间段上的圆形孔洞配合，使球形凸起插入圆形孔洞内，保证弹性薄片与主动辊间的同步运动。
本发明薄片弹性卷绕式直线驱动装置工作时，由连接在主动辊上的驱动电机进行外部控制，使薄壁杆伸长，伸出后弹性薄片受自身弹性，保持在薄壁杆状，并不断伸长，薄壁杆有一定的支撑能力，在微重力空间中可以携带负载直线运动，依靠其杆状保持支撑，从而不会弯折。在收回时，由卷绕轴上的驱动电机驱动，将外部的弹性薄片逐渐收回，弹性薄片依靠自身弹性形变，在外力的作用下从杆状撑开展为片状；回收过程中，主动辊随动，并将筒状的弹性薄片压平，从而将弹性薄片全部收回成卷。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
1、本发明一种薄片弹性卷绕式直线驱动装置，采用外置主动驱动展开的方式，与常规收纳弹性薄片卷的滚筒驱动不同，外置的主动辊驱动对收纳的状态没有要求，即使在没有压紧的弹性薄片发生膨胀成松散的状态下仍能正常展开。
2、本发明薄片弹性卷绕式直线驱动装置，通过在收纳卷绕的弹性薄片外部圆周布置辊子，避免了储存状态下的弹性薄片受自身弹性引起膨胀松散的影响，限制了其膨胀程度。
3、本发明薄片弹性卷绕式直线驱动装置，通过弹性薄片打孔和主动辊凸起的展开方案，将主动辊的凸起卡进弹性薄片的孔中，使弹性薄片随主动辊同步传动，避免了通过摩檫力驱动的不确定性和额外的压紧装置。
4、本发明薄片弹性卷绕式直线驱动装置，将存储薄片状薄壁筒的卷筒和主动辊，以及支撑结构三角形布局，缩短了结构整体的长度，节约了占用的空间。
5、本发明薄片弹性卷绕式直线驱动装置，存储卷绕的弹性薄片位置设有可调整位置的辊子，可以适应不同容量的弹性薄片的储存，适用性广。
6、本发明薄片弹性卷绕式直线驱动装置，能够以简单轻便的结构，实现依靠薄壁杆支撑的直线驱动。
附图说明
图1为本发明薄片弹性卷绕式直线驱动装置的整体结构示意图。
图2为本发明薄片弹性卷绕式直线驱动装置中弹性薄片收纳段安装方式示意图。
图3为本发明薄片弹性卷绕式直线驱动装置中弹性薄片中间段及展开段安装方式示意图。
图4为本发明薄片弹性卷绕式直线驱动装置辊子结构示意图。
图5为本发明薄片弹性卷绕式直线驱动装置主动辊和展开支撑结构的安装示意图。
图6为本发明薄片弹性卷绕式直线驱动装置的弹性薄片展开过程示意图；
图中：
1-收纳卷筒支架 2-辊子 3-弹性薄片
4-压平滚柱 5-主动辊压紧辊子 6-卷绕轴
7-主动辊支架 8-展开支架 9-主动辊
10-第一驱动电机 11-第二驱动电机 201-辊子外圈
202-辊子轴承 203-辊子挡圈 204-辊子双头螺柱
301-弹性薄片收纳段 302-弹性薄片中间段 303-弹性薄片展开段
801-弧形支撑 802-圆形支撑 901-主动辊主体
902-主动辊轴承
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明一种薄片弹性卷绕式直线驱动装置，包括收纳卷筒支架1，辊子2，弹性薄片3，压平滚柱4，主动辊压紧辊子5，卷绕轴6，主动辊支架7，展开支架8，主动辊9、第一驱动电机10与第二驱动电机11，如图1～图3所示。
所述的收纳卷筒支架1与主动辊支架7用于支撑整个直线驱动装置结构，两者均具有相互平行设置的板状左侧架与右侧架；其中收纳卷筒支架1的左侧架与右侧架的下边缘位置分别通过螺栓固定于主动辊支架7的左侧架和右侧中部上边缘位置，形成倒T形整体。
所述辊子2为5根，呈圆周排列于收纳卷筒支架1的左侧架与右侧架间；同时在辊子2所构成的圆周中心位置还设置有卷绕轴6。
其中，卷绕轴6两端分别置于左侧架于右侧架中心开孔内，形成转动副；卷绕轴6一端设计有D形孔，用于连接第一驱动电机10。第一驱动电机10通过电机支架固定安装于右侧架外壁上；第一驱动电机10的输出轴为D形轴，与卷绕轴6上的D形孔插接固连。
如图4所示，辊子2包括辊子外圈201，辊子轴承202，辊子挡圈203与辊子双头螺柱204。其中，辊子外圈201为筒状结构，两端设计为对称的大直径段。辊子外圈内部同轴设置双头螺柱204；双头螺柱204中间为光杆用于与辊子外圈201配合，两端具有外螺纹段。双头螺柱204两端与辊子外圈201间通过辊子轴承202连接；辊子轴承202置于辊子外圈2两端的环形槽内，环形槽的壁面及端面与轴承202的外圈配合。辊子挡圈203套于双头螺柱204上，与轴承202的内圈配合，限制其轴向自由度。上述结构辊子2中，四根辊子2的双头螺柱204两端分别插入左侧架与右侧架对应位置沿径向设计的滑槽内，通过辊子外圈201两端与左右侧架间的配合，通过辊子挡圈203与左右侧架配合，限制辊子2的轴向移动，且避免转动的摩擦。辊子双头螺柱204端部外螺纹段连接螺母，通过拧紧螺母，使辊子2两端压紧并依靠摩擦固定于左侧架于右侧架间。另一根辊子2位于卷绕轴6后方，其双头螺柱两端分别穿过左侧架与右侧架对应位置的开孔后，通过螺母拧紧固定。
通过上述设计，其中四根安装于滑槽内的辊子2易于安装，使其可在其它部件安装完成后最后进行安装；另外，四根安装于滑槽内的辊子2可以在滑槽内调整位置，从而容纳不同容量的弹性薄片3。而另一根辊子2设计位置不可调节，通过该辊子2来限制5根辊子2内部空间的最大容量.
所述弹性薄片3是一种具有弹性的薄片状结构，卷绕于前述卷绕轴6上呈筒状；其周向围绕4根辊子2，4根辊子2两端大直径段外壁与卷绕部分的弹性薄片外壁接触，用于提供限制弹性薄片3卷绕部分膨胀的功能。
由此，通过第一驱动电机10驱动卷绕轴6转动，向外输送弹性薄片3，使弹性薄片3通过后续机构传送过程中进行横向卷收呈薄壁杆状结构，使其具有支撑能力，可以作为空间环境中的直线支撑结构。
如图5所示，所述主动辊9、压平滚柱4与主动辊压紧辊子5均安装于主动辊支架7后部，位于左侧架与右侧架之间。其中，主动压紧辊子5为3根，沿主动辊9周向布置，两根位于主动辊9后方，一根位于主动辊9下方；且3根主动压紧辊子5均与主动辊9侧壁间贴合。压平滚柱4为2根，位于主动辊9上方；且两根压平滚柱4侧壁间贴合。上述压平滚柱4与主动辊压紧辊子5辊轴的两端分别插接于左侧架与右侧架上开设的开孔内形成转动副。主动辊9由主动辊主体901和主动辊轴承902组成。主动辊支架7上有圆筒形凸台，主动辊轴承902的外圈与凸台进行配合，内圈与主动辊主体901两端的辊轴配合。主动辊主体901两侧轴的底端具有凸台，与轴承内圈配合，限制其轴向自由度。主动辊主体901的轴端设计有D形孔，用于连接第二驱动电机11。第二驱动电机11通过电机支架固定安装于右侧架外壁上；驱动电机的输出轴为D形轴，与主动辊主体901的轴端设计有D形孔插接固连，从而通过第二驱动电机11驱动主动辊9转动。
通过上述结构，卷绕轴6上卷绕的弹性薄片3由主动辊9后方绕过，经主动辊下方到达主动辊前方，途中先经过两根压平辊柱4之间，由两根压平滚柱4将弹性薄片3夹在中间，保持弹性薄片3在传送过程的平直。随后经过3根主动压紧辊子5与主动辊9之间，由主动辊压紧辊子5将弹性薄片3压在主动辊9上，保证同步输送弹性薄片3的全过程不产生脱出和打滑。
所述展开支架8包括弧形支架801和圆形支架802。其中，弧形支架中部为弧形部分，弧形部分两端具有连接支撑。圆形支架802中部为圆环结构，两侧具有连接支撑。弧形支架801与圆形支架802由后至前设置于主动辊9前方，通过两端的连接支撑与主动辊支架7的左侧架与右侧架前部，且使弧形支架801的弧型部分内弧面朝上，过弧形部分两端的弦与圆形支架802的圆环部分的轴垂直且相交。通过弧形支架801和圆形支架802不仅实现对弹性薄片3的展开过程起到支撑作用，也实现主动辊支架7的左侧架与右侧架间的相对位置固定。
弹性薄片3前端完全卷曲呈杆状后穿入圆形支架802的圆环结构，由圆环结构实现对完全卷曲的弹性薄片进行支撑，并限制其延伸展方向打开，使其沿一条固定的直线进行驱动。而在圆形支架802后方的弹性薄片3未完全卷曲，此处通过弧形支架进行支撑。由此，经由主动辊9输送后，弹性薄片3在圆形支架处开始自发的向内卷曲，逐渐变为圆筒形状，从而提供沿筒轴线方向的支撑力，实现直线驱动机构的功能。圆筒形状由弹性薄片3自身的弹性恢复力保持。在弹性薄片3卷曲完成后，卷曲部分具有重叠部分，重叠部分可以通过摩擦力和向内卷曲的张力为弹性薄片3提供形状保持力，保持圆筒形状，从而使其能支撑负载直线运动。上述弹性薄片3所用材质可选用碳纤维或金属薄片，碳纤维质量轻、强度高，金属薄片的弹性力较大，都可以提供良好的支撑能力。
如图6所示，上述弹性薄片3在整个展开过程可分为三个部分，分别为弹性薄片收纳段301，弹性薄片中间段302，弹性薄片展开段303。其中，弹性薄片收纳段301为在卷绕轴6上卷绕部分(类似卷尺的卷绕状态)，此部分弹性薄片3呈带状卷绕收拢状态。弹性薄片3伸出部分绕主动辊9后，被主动辊9拉直部分为弹性薄片中间段302。在弹性薄片3中线上均匀的分布有圆形孔洞；同时，在主动辊9周向上等角度间隔设计有球形凸起，各个球形凸起分别可与弹性薄片3中间段302上的圆形孔洞配合，使球形凸起插入圆形孔洞内，保证弹性薄片3与主动辊9间的同步运动；且主动辊压紧辊子5的中间对应位置周向设计有凹槽，通过该凹槽避让主动辊9的球形凸起。在弹性薄片3绕过主动辊9后，由圆柱状转向水平方向向前伸出，此水平部分为弹性薄片展开段303。在实际工作时，弹性薄片3被预先展开一小段并穿过展开支架8；在弹性薄片3通过展开支架8后连接需要直线输送的负载。
综合上述，本发明一种薄片弹性卷绕式直线驱动装置的总体工作流程为，将卷绕状的弹性薄片3放入收纳卷筒支架1之间，并用辊子2压紧，将输出端穿过两根压平滚柱4之间；随后令弹性薄片3上的孔与主动辊9的凸起对齐，进一步穿过主动辊压紧辊子5与主动辊9之间，由主动辊压紧辊子5压紧，并伸出到展开支架8上提供由弧形渐变至圆形的支撑，并沿直线向外伸出。伸出后弹性薄片3受自身弹性，保持在薄壁杆状。驱动过程可由连接在主动辊9上的第二驱动电机11进行外部控制，使薄壁杆伸长，伸出后弹性薄片3受自身弹性，保持在薄壁杆状，并不断伸长，薄壁杆有一定的支撑能力，在微重力空间中可以携带负载直线运动，依靠其杆状保持支撑，从而不会弯折。在收回时，由卷绕轴6上的第一驱动电机10驱动，将外部的弹性薄片3逐渐收回，弹性薄片3依靠自身弹性形变，在外力的作用下从杆状撑开展为片状；回收过程中，主动辊9随动，并将筒状的弹性薄片3压平，从而将弹性薄片全部收回成卷。

Claims (1)

1.一种薄片弹性卷绕式直线驱动装置，其特征在于：包括收纳卷筒支架，辊子、弹性薄片、压平滚柱、主动辊压紧辊子、卷绕轴、主动辊支架、展开支架、主动辊、第一驱动电机与第二驱动电机；
所述收纳卷筒支架与主动辊支架两者均具有相互平行设置的板状左侧架与右侧架；其中收纳卷筒支架的左侧架与右侧架的下边缘位置分别通过螺栓固定于主动辊支架的左侧架和右侧中部上边缘位置，形成倒T形整体；
所述辊子呈圆周排列于收纳卷筒支架的左侧架与右侧架间；同时在辊子所构成的圆周中心位置还设置有卷绕轴；
其中，卷绕轴两端分别置于左侧架与右侧架中心开孔内，形成转动副；卷绕轴一端连接第一驱动电机；弹性薄片卷绕于所述卷绕轴上呈筒状；
所述卷绕轴周向上具有辊子，辊子安装于收纳卷筒支架上，且与卷绕轴间距可调节；通过辊子与卷绕后的弹性薄片外壁接触，限制弹性薄片卷绕部分膨胀；辊子两端具有外圈内部同轴设置双头螺柱，双头螺柱两端分别插入收纳卷筒支架两侧对应位置设计的滑槽内，并螺纹连接螺母，通过拧紧螺母，使辊子固定；且通过松开螺母改变辊子在滑槽内位置，适应卷绕后的不同直径弹性薄片；
所述主动辊、压平滚柱与主动辊压紧辊子均安装于主动辊支架后部，位于左侧架与右侧架之间；其中，主动压紧辊子为3根，沿主动辊周向布置，两根位于主动辊后方，一根位于主动辊下方；且3根主动压紧辊子均与主动辊侧壁间贴合；压平滚柱为2根，位于主动辊上方；且两根压平滚柱侧壁间贴合；所述压平滚柱与主动辊压紧辊子辊轴的两端分别插接于左侧架与右侧架上开设的开孔内形成转动副；主动辊连接第二驱动电机；
卷绕轴上卷绕的弹性薄片由主动辊后方绕过，经主动辊下方到达主动辊前方，途中先经过两根压平辊柱之间，由两根压平滚柱将弹性薄片夹在中间，保持弹性薄片在传送过程的平直；随后经过3根主动压紧辊子与主动辊之间，由主动辊压紧辊子将弹性薄片压在主动辊上，保证同步输送弹性薄片的全过程不产生脱出和打滑；
所述展开支架包括弧形支架和圆形支架；其中，弧形支架中部为弧形部分，弧形部分两端具有连接支撑；圆形支架中部为圆环结构，两侧具有连接支撑；弧形支架与圆形支架由后至前设置于主动辊前方，通过两端的连接支撑与主动辊支架的左侧架与右侧架前部连接，且使弧形支架的弧型部分内弧面朝上，过弧形部分两端的弦与圆形支架的圆环部分的轴垂直且相交；弹性薄片前端完全卷曲呈杆状后穿入圆形支架的圆环结构，由圆环结构实现对完全卷曲的弹性薄片进行支撑，并限制其延伸展方向打开；而在圆形支架后方的弹性薄片未完全卷曲；
所述弹性薄片在整个展开过程分为三个部分，分别为弹性薄片收纳段，弹性薄片中间段，弹性薄片展开段；其中，弹性薄片收纳段为在卷绕轴上卷绕部分，此部分弹性薄片呈带状卷绕收拢状态；弹性薄片伸出部分绕主动辊后，被主动辊拉直部分为弹性薄片中间段；在弹性薄片中线上均匀的分布有圆形孔洞；同时，在主动辊周向上等角度间隔设计有球形凸起，各个球形凸起分别可与弹性薄片中间段上的圆形孔洞配合，使球形凸起插入圆形孔洞内，保证弹性薄片与主动辊间的同步运动；且主动辊压紧辊子的中间对应位置周向设计有凹槽，通过该凹槽避让主动辊的球形凸起；在弹性薄片绕过主动辊后，由圆柱状转向水平方向向前伸出，此水平部分为弹性薄片展开段。
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