CN115583364A - 一种单源电驱锁紧释放的驱动支柱及驱动行走机构 - Google Patents

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CN115583364A CN202211197877.5A CN202211197877A CN115583364A CN 115583364 A CN115583364 A CN 115583364A CN 202211197877 A CN202211197877 A CN 202211197877A CN 115583364 A CN115583364 A CN 115583364A
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张鹏
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Abstract

本发明公开了一种单源电驱锁紧释放的驱动支柱及驱动行走机构，该驱动支柱，包括：电机、丝母、丝杠、驱动外筒、驱动内筒、外筒端盖及锁紧单元；驱动外筒的端部安装有外筒端盖；驱动内筒同轴套装在驱动外筒内，并伸出于外筒端盖，且驱动内筒与外筒端盖的中心安装孔滑动配合；丝杠同轴安装在驱动外筒内；电机的输出轴与丝杠同轴连接；丝母与丝杠螺纹连接，且丝母被周向限位；所述丝母与驱动内筒固连；在电机正转时，驱动支柱伸长，电机反转时，驱动支柱收缩；所述锁紧单元用于对驱动支柱的收拢进行锁紧。本发明利用电机实现自身的收拢锁紧、解锁释放以及支柱的驱动伸缩功能，既可满足小包络发射空间及抗力学环境需求，又无需火工压紧措施。

Description

一种单源电驱锁紧释放的驱动支柱及驱动行走机构
技术领域
本发明属于航天器驱动机构技术领域，具体涉及一种单源电驱锁紧释放的驱动支柱及驱动行走机构。
背景技术
并联行走机器人因其运动的灵活性、承载能力强和对环境的较强适应性具有广阔的应用前景。在航天探测领域，机器人可以辅助宇航员完成任务，甚至替代宇航员完成相应的任务，能够显著降低航天系统的复杂程度，大幅降低航天探测风险，是航天技术发展的一个重要方向。
航天器发射过程中，需要机器人具有较小的收拢包络以及较强的主动段抗力学环境能力，一般需要采取额外的火工压紧措施，一是用于减小发射状态的机器人包络，二是减小振动响应，保护容易受损的电机驱动部件。所需的火工压紧措施既需考虑航天器上布局的安装可行性，又需整器提供控制通道，然而航天器系统的各种资源往往受限，不利于充分发挥航天器的有效载荷效用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种单源电驱锁紧释放的驱动支柱及驱动行走机构，利用驱动支柱中的电机实现自身的收拢锁紧、解锁释放以及支柱的驱动伸缩功能，既可满足小包络发射空间及抗力学环境需求，利于探测器的空间布局，又无需火工压紧措施。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种单源电驱锁紧释放的驱动支柱，包括：电机、连接外壳、轴承座、丝母、丝杠、驱动外筒、驱动内筒、外筒端盖及锁紧单元；
所述连接外壳与所述驱动外筒的一端同轴对接，驱动外筒的另一端安装有外筒端盖，所述外筒端盖加工有中心安装孔；驱动内筒同轴套装在驱动外筒内，并伸出于外筒端盖，且驱动内筒与外筒端盖的中心安装孔滑动配合；
所述电机安装在连接外壳内；丝杠通过轴承座同轴安装在驱动外筒内；电机的输出轴与丝杠同轴连接；丝母与丝杠螺纹连接，且丝母被限位部件A周向限位；所述丝母与位于驱动外筒内的驱动内筒端部固连；在电机正转时，驱动支柱伸长，电机反转时，驱动支柱收缩；所述锁紧单元用于对驱动支柱的收拢进行锁紧。
进一步的，所述锁紧单元包括：扭簧、转筒、若干碟簧、旋转卡环及锁紧环；
所述轴承座的外圆周面与驱动外筒的内壁面之间留有环形空间；
所述转筒位于驱动外筒内，其一端同轴套装在轴承座端部的外圆周面上，转筒可绕轴承座的轴线进行周向转动；所述扭簧位于轴承座的外圆周面与驱动外筒的内壁面之间的环形空间内，扭簧一端固定在轴承座上，另一端固定在转筒上，为转筒的周向转动提供动力；且转筒被限位部件B轴向限位；
所述锁紧环位于丝母和轴承座之间，并套装于丝杠外部，且与丝杠不接触，锁紧环与丝母同轴固连；
所述锁紧环的外圆周面加工有外花键；所述转筒的另一端的内圆周面固连有同轴的旋转卡环；旋转卡环的内圆周面加工有内花键，当所述内花键与锁紧环的外花键配合时，能够限制转筒的周向转动，但不限制转筒的轴向运动；
若干个碟簧并列位于转筒内部，并套装于丝杠外部，且与丝杠不接触，碟簧用于提供驱动支柱处于收拢状态时的预紧力，其一端挤压在限位部件B的端面，另一端挤压在锁紧环的端面。
进一步的，所述限位部件B包括：限位环及轴承座的台阶面；
所述限位环位于转筒内部，并同轴固定在轴承座端面；
所述转筒内圆周面设有沿其周向的环形凸台，所述转筒内圆周面的环形凸台的两端分别抵触在轴承座的台阶面和所述限位环上，轴承座的台阶面和限位环对转筒进行轴向限位，使得转筒在扭簧作用下可以周向转动，但不能轴向运动。
进一步的，所述锁紧单元还包括压盖，压盖为圆环构型，位于转筒内部，并套装于丝杠外部，且与丝杠不接触，压盖与碟簧的端部同轴固连，并碟簧通过压盖挤压在锁紧环的端面。
进一步的，所述驱动外筒的侧壁上预留有调整孔，通过该调整孔可以调节转筒和锁紧环的转动角度。
进一步的，所述电机断电时具有断电位置保持能力。
进一步的，所述限位部件A包括：驱动外筒的内壁面加工的两个沿其轴向的限位凹槽和丝母的外圆周面上设有的两个导向块；
两个导向块分别一一对应卡在驱动外筒内壁面的两个限位凹槽内，并分别与两个限位凹槽滑动配合。
进一步的，所述连接外壳包括：上接头和连接筒；
所述上接头与连接筒的同轴对接组成一体结构，连接筒与所述驱动外筒同轴对接；
伸出于外筒端盖的驱动内筒端部连接有下接头，上接头和下接头均用于实现驱动支柱与外部部件的连接。
一种单源电驱锁紧释放的驱动行走机构，包括：三个以上上述的驱动支柱、一个主缓冲器、两个以上辅缓冲器；
驱动支柱的个数比辅缓冲器的个数多一个；
一个驱动支柱的一端与航天器连接，另一端与主缓冲器同轴对接；
其余驱动支柱的一端分别与航天器连接，另一端与两个以上辅缓冲器的一端一一对应同轴对接，两个辅缓冲器的另一端均与主缓冲器的侧壁连接；
主缓冲器和辅缓冲器均用于对航天器的着陆冲击过程进行缓冲。
有益效果：
(1)本发明提出了一种单源电驱锁紧释放的驱动支柱，驱动支柱内的单电机驱动源实现了驱动支柱的自身收拢锁紧、解锁释放及伸缩功能，既可大幅减少行走机构的收拢包络空间，又不额外占用航天器系统资源，实现了行走机构优化设计。
(2)本发明的驱动支柱内的锁紧单元实现对驱动支柱收拢时的锁紧，锁紧单元利用碟簧保持收拢状态下的预紧力，在驱动支柱完成预紧力施加过程后，依靠旋转卡环花键及碟簧预紧力实现了驱动支柱收拢锁紧，电机无需再提供预紧载荷，无需参与传力及承载，解决了电机易受振动影响导致锁紧不安全可靠的问题，抗力学环境能力强，锁紧状态安全可靠。
(3)本发明驱动外筒的侧壁上预留有调整孔，通过该调整孔可以调节转筒和锁紧环的转动角度，进而调整旋转卡环的内花键是否与锁紧环的外花键配合，同时转筒转动时使得扭簧被扭转，产生回复力能够驱动转筒绕其自身轴线转动。
(4)本发明的驱动支柱的电机具有断电保持能力，在行走过程中可根据任务需要断电，行走机构仍可保持构型稳定，无需探测器持续供电。
(5)本发明提供了一种单源电驱锁紧释放的驱动行走机构，通过驱动支柱中的电机实现了驱动支柱的自身收拢锁紧、解锁释放及伸缩功能，仅利用碟簧预紧载荷作用，不额外占用航天器系统资源，满足了行走机构的小包络收拢锁紧及抗力学环境需求，且本发明提出了预紧力施加、卸载转移及解锁释放的工作流程，给出了过程中判据，可满足探测器自主控制下的解锁释放需求。
附图说明
图1为本发明的驱动支柱的收拢锁紧状态下组成示意图
图2为本发明的锁紧单元的组成示意图
图3为旋转卡环示意图
图4为锁紧环示意图
图5为驱动外筒角度调整孔示意图
图6为该驱动支柱并联组成的驱动行走机构示意图
图7为驱动支柱预紧力施加过程流程图
图8为驱动支柱解锁释放过程流程图
图9为驱动支柱解锁释放后状态示意图
其中，1-上接头，2-电机，3-连接筒，4-联轴器，5-扭簧，6-轴承座，7-转筒，8-限位环，9-碟簧，10-压盖，11-旋转卡环，12-锁紧环，13-丝母，14-丝杠，15-驱动外筒，16-驱动内筒，17-外筒端盖，18-下接头，19-调整孔，100-驱动支柱，200-主缓冲器，300-辅缓冲器。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：
本实施例提供了一种单源电驱锁紧释放的驱动支柱，参见附图1，所述驱动支柱100包括：上接头1、电机2、连接筒3、联轴器4、轴承座6、丝母13、丝杠14、驱动外筒15、驱动内筒16、外筒端盖17、下接头18及锁紧单元；
所述驱动外筒15为椭圆截面的长筒，驱动外筒15的内壁面加工有两个沿其轴向的限位凹槽，且两个限位凹槽分别位于椭圆截面的长轴处；
整体连接关系如下：
所述上接头1与连接筒3的一端通过螺钉同轴对接，连接筒3的另一端与所述驱动外筒15的一端同轴对接，即连接筒3和驱动外筒15的对接端面均设有法兰，连接筒3和驱动外筒15通过法兰连接；驱动外筒15的另一端通过螺钉安装有外筒端盖17，所述外筒端盖17加工有中心安装孔；
驱动内筒16同轴套装在驱动外筒15内，并伸出于外筒端盖17，且驱动内筒16与外筒端盖17的中心安装孔滑动配合，驱动内筒16可沿驱动外筒15的轴向进行直线往复运动，即伸出或缩回运动；其中，伸出于外筒端盖17的驱动内筒16端部连接有下接头18，上接头1和下接头18均用于实现驱动支柱与外部部件的连接；
所述电机2安装在上接头1内，上接头1作为电机2的保护壳体；丝杠14通过轴承座6同轴安装在驱动外筒15内；电机2的输出轴通过联轴器4与丝杠14同轴连接；丝母13套装在丝杠14的外部，并与丝杠14螺纹连接；丝母13的外圆周面上设有两个导向块，两个导向块分别一一对应卡在驱动外筒15内壁面的两个限位凹槽内，并分别与两个限位凹槽滑动配合；所述限位凹槽和导向块用于对丝母13进行周向限位，丝母13不可周向转动；所述丝母13还与位于驱动外筒15内的驱动内筒16端部固连；当电机驱动丝杠14转动时，丝杠14的转动转换为丝母13在丝杠14上的直线运动，进而带动驱动内筒16沿驱动外筒15的轴向进行直线往复运动，实现驱动支柱的伸缩，且在电机2正转时，驱动支柱伸长，电机2反转时，驱动支柱收缩，电机2断电时具有断电位置保持能力。
其中，轴承座6位于驱动外筒15内，其一端加工有法兰，轴承座6通过该法兰固连在驱动外筒15内，即轴承座6的法兰位于连接筒3的法兰和驱动外筒15的法兰之间，三个法兰通过长螺栓连接为一体；且轴承座6的外圆周面与驱动外筒15的内壁面之间留有环形空间；
所述锁紧单元用于对驱动支柱的收拢进行锁紧，参见附图2，锁紧单元包括：扭簧5、转筒7、限位环8、若干碟簧9、压盖10、旋转卡环11及锁紧环12；
所述转筒7位于驱动外筒15内，其一端同轴套装在轴承座6未设有法兰的端部的外圆周面上，且转筒7与轴承座6发生相对转动，即转筒7可绕轴承座6的轴线进行周向转动；所述扭簧5位于轴承座6的外圆周面与驱动外筒15的内壁面之间的环形空间内，并套装在轴承座6外部，扭簧5一端固定在轴承座6上，另一端固定在转筒7上，为转筒7的周向转动提供动力；
所述限位环8位于转筒7内部，并通过螺钉同轴固定在轴承座6端面，所述转筒7内圆周面设有沿其周向的环形凸台，环形凸台的两端分别抵触在轴承座6的台阶面和所述限位环8上，轴承座6的台阶面和限位环8对转筒7进行轴向限位，使得转筒7在扭簧5作用下可以周向转动，但不能轴向运动；
所述锁紧环12位于丝母13和轴承座6之间，并套装于丝杠14外部，且与丝杠14不接触，锁紧环12与丝母13同轴固连，锁紧环12可随丝母13进行同步的直线运动；
参见附图4-5，所述锁紧环12的外圆周面加工有外花键；所述转筒7的另一端的内圆周面安装有同轴的旋转卡环11，即旋转卡环11设有外螺纹，转筒7设有内螺纹，旋转卡环11通过螺纹与转筒7固连；旋转卡环11的内圆周面加工有内花键，当所述内花键与锁紧环12的外花键配合时，能够限制转筒7的周向转动，但不限制转筒7的轴向运动；其中，所述驱动外筒15的侧壁上预留有调整孔19，通过该调整孔19可以调节转筒7和锁紧环12的转动角度，进而调整旋转卡环11的内花键是否与锁紧环12的外花键配合；
若干个碟簧9并列位于转筒7内部，并套装于丝杠14外部，且与丝杠14不接触，碟簧9用于提供驱动支柱处于收拢状态时的预紧力，其一端挤压在限位环8端面，另一端同轴连接有压盖10，通过压盖10挤压在锁紧环12的端面，其中，压盖10为圆环构型，位于转筒7内部，并套装于丝杠14外部，且与丝杠14不接触。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上，提供了一种单源电驱锁紧释放的驱动行走机构，参见附图6，包括：三个以上实施例1的驱动支柱100、一个主缓冲器200、两个以上辅缓冲器300；
驱动支柱100的个数比辅缓冲器300的个数多一个，本实施例中采用三个驱动支柱100和两个辅缓冲器300；
一个驱动支柱100的一端与航天器连接，另一端与主缓冲器200同轴对接；
另外两个驱动支柱100的一端分别与航天器连接，另一端与两个辅缓冲器300的一端一一对应同轴对接，两个辅缓冲器300的另一端均与主缓冲器200的侧壁连接；
主缓冲器200和辅缓冲器300均用于对航天器的着陆冲击过程进行缓冲，实现航天器的软着陆。
工作原理：
参见附图7，航天器发射状态下，行走机构需处于收拢状态，即每个驱动支柱100均处于收拢状态，驱动支柱100的收拢过程如下：电机2反转带动丝杠14转动使得丝母13及驱动内筒16收拢，驱动支柱100长度缩短，锁紧环12同样随丝母13向电机2所在方向进行直线运动，在初始时(即扭簧5不受力的状态下)，旋转卡环11内花键的花键槽与锁紧环12的外花键的花键位置相对(同时，旋转卡环11内花键的花键与锁紧环12的外花键的花键槽位置相对)，进而使得锁紧环12能够穿过旋转卡环11(当锁紧环12的外花键与旋转卡环11的内花键配合时，二者可发生相对滑动)，锁紧环12穿过旋转卡环11后，锁紧环12运动至转筒7内部，依靠电机2反转的驱动作用，丝母13与锁紧环12继续向电机2所在方向运动并挤压碟簧9，使得碟簧9受压产生预紧力；通过电机2转动圈数判断驱动支柱100收拢至预定位置后，电机2断电并保持位置。
随后，通过驱动外筒15上预留的调整孔19，调整转筒7及旋转卡环11的转动角度，使得旋转卡环11内花键的花键槽与锁紧环12的外花键的花键槽位置相对(同时，旋转卡环11内花键的花键与锁紧环12的外花键的花键位置相对)，进而使得旋转卡环11能够对锁紧环12进行轴向限位，阻止锁紧环12从转筒7中脱出，在调整转筒7转动角度的过程中，扭簧5受力产生回复力；调整转筒7的转动角度到位后，电机2加电，正转驱动丝杠14，丝母13产生驱动支柱100伸长方向的运动，锁紧环12同样随丝母13向远离电机2所在方向进行直线运动，直至锁紧环12与旋转卡环11抵触(此时，旋转卡环11内花键的花键槽与锁紧环12的外花键的花键槽位置相对，旋转卡环11内花键的花键与锁紧环12的外花键的花键位置相对)，且锁紧环12与旋转卡环11抵触后，由于锁紧环12和旋转卡环11的对接端面均设有限位卡槽，转筒7在碟簧9和端面的限位卡槽的作用下位置固定，通过圈数判断电机2到位后停机，即可完成电机2的卸载，将预紧力施加动力源由电机2转移至碟簧9，从而完成驱动支柱100收拢及预紧力施加过程。在此状态下，锁紧环12被旋转卡环11及碟簧9实施了机械限位，被压缩后的碟簧9具有足够的预紧力，从而可保证驱动支柱100的构型稳定性，并且电机2不提供预紧载荷，确保了锁紧的安全可靠。
参见附图8，航天器着陆后，行走机构进入工作状态，驱动支柱100需要解锁释放，驱动支柱100的解锁释放过程如下：启动电机2反转进一步收缩丝母13，带动锁紧环12克服碟簧9预紧力，随丝母13向电机2所在方向进行直线运动，锁紧环12的端面与旋转卡环11的端面不再抵触，两者相脱离，转筒7解除约束，转筒7和旋转卡环11即可在扭簧5作用下自然转动，转动到初始位(即扭簧5不受力的状态下)后，旋转卡环11内花键的花键槽与锁紧环12的外花键的花键位置相对(同时，旋转卡环11内花键的花键与锁紧环12的外花键的花键槽位置相对)，为锁紧环12从转筒7中脱离提供条件；
随后电机2停机并再次启动正转，驱动支柱100长度伸长，带动锁紧环12穿过旋转卡环11，并从转筒7脱离，从而完成了驱动支柱100的解锁释放，在此过程中可通过电机2电流判断解锁释放过程是否符合预期。
如图9所示，为驱动支柱100解锁释放后状态示意图。解锁释放后的驱动支柱100，即可在电机2的驱动作用下顺利实现驱动支柱的伸缩，并带动行走机构实现展开以及行走。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种单源电驱锁紧释放的驱动支柱，其特征在于，包括：电机、连接外壳、轴承座、丝母、丝杠、驱动外筒、驱动内筒、外筒端盖及锁紧单元；
所述连接外壳与所述驱动外筒的一端同轴对接，驱动外筒的另一端安装有外筒端盖，所述外筒端盖加工有中心安装孔；驱动内筒同轴套装在驱动外筒内，并伸出于外筒端盖，且驱动内筒与外筒端盖的中心安装孔滑动配合；
所述电机安装在连接外壳内；丝杠通过轴承座同轴安装在驱动外筒内；电机的输出轴与丝杠同轴连接；丝母与丝杠螺纹连接，且丝母被限位部件A周向限位；所述丝母与位于驱动外筒内的驱动内筒端部固连；在电机正转时，驱动支柱伸长，电机反转时，驱动支柱收缩；所述锁紧单元用于对驱动支柱的收拢进行锁紧。
2.如权利要求1所述的一种单源电驱锁紧释放的驱动支柱，其特征在于，所述锁紧单元包括：扭簧、转筒、若干碟簧、旋转卡环及锁紧环；
所述轴承座的外圆周面与驱动外筒的内壁面之间留有环形空间；
所述转筒位于驱动外筒内，其一端同轴套装在轴承座端部的外圆周面上，转筒可绕轴承座的轴线进行周向转动；所述扭簧位于轴承座的外圆周面与驱动外筒的内壁面之间的环形空间内，扭簧一端固定在轴承座上，另一端固定在转筒上，为转筒的周向转动提供动力；且转筒被限位部件B轴向限位；
所述锁紧环位于丝母和轴承座之间，并套装于丝杠外部，且与丝杠不接触，锁紧环与丝母同轴固连；
所述锁紧环的外圆周面加工有外花键；所述转筒的另一端的内圆周面固连有同轴的旋转卡环；旋转卡环的内圆周面加工有内花键，当所述内花键与锁紧环的外花键配合时，能够限制转筒的周向转动，但不限制转筒的轴向运动；
若干个碟簧并列位于转筒内部，并套装于丝杠外部，且与丝杠不接触，碟簧用于提供驱动支柱处于收拢状态时的预紧力，其一端挤压在限位部件B的端面，另一端挤压在锁紧环的端面。
3.如权利要求2所述的一种单源电驱锁紧释放的驱动支柱，其特征在于，所述限位部件B包括：限位环及轴承座的台阶面；
所述限位环位于转筒内部，并同轴固定在轴承座端面；
所述转筒内圆周面设有沿其周向的环形凸台，所述转筒内圆周面的环形凸台的两端分别抵触在轴承座的台阶面和所述限位环上，轴承座的台阶面和限位环对转筒进行轴向限位，使得转筒在扭簧作用下可以周向转动，但不能轴向运动。
4.如权利要求2所述的一种单源电驱锁紧释放的驱动支柱，其特征在于，所述锁紧单元还包括压盖，压盖为圆环构型，位于转筒内部，并套装于丝杠外部，且与丝杠不接触，压盖与碟簧的端部同轴固连，并碟簧通过压盖挤压在锁紧环的端面。
5.如权利要求2所述的一种单源电驱锁紧释放的驱动支柱，其特征在于，所述驱动外筒的侧壁上预留有调整孔，通过该调整孔可以调节转筒和锁紧环的转动角度。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种单源电驱锁紧释放的驱动支柱，其特征在于，所述电机断电时具有断电位置保持能力。
7.如权利要求1-5任一项所述的一种单源电驱锁紧释放的驱动支柱，其特征在于，所述限位部件A包括：驱动外筒的内壁面加工的两个沿其轴向的限位凹槽和丝母的外圆周面上设有的两个导向块；
两个导向块分别一一对应卡在驱动外筒内壁面的两个限位凹槽内，并分别与两个限位凹槽滑动配合。
8.如权利要求1-5任一项所述的一种单源电驱锁紧释放的驱动支柱，其特征在于，所述连接外壳包括：上接头和连接筒；
所述上接头与连接筒的同轴对接组成一体结构，连接筒与所述驱动外筒同轴对接；
伸出于外筒端盖的驱动内筒端部连接有下接头，上接头和下接头均用于实现驱动支柱与外部部件的连接。
9.一种单源电驱锁紧释放的驱动行走机构，其特征在于，包括：三个以上权利要求1-8任一项的驱动支柱、一个主缓冲器、两个以上辅缓冲器；
驱动支柱的个数比辅缓冲器的个数多一个；
一个驱动支柱的一端与航天器连接，另一端与主缓冲器同轴对接；
其余驱动支柱的一端分别与航天器连接，另一端与两个以上辅缓冲器的一端一一对应同轴对接，两个辅缓冲器的另一端均与主缓冲器的侧壁连接；
主缓冲器和辅缓冲器均用于对航天器的着陆冲击过程进行缓冲。
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