CN119458453A - 一种工作空间可重构的空间机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工作空间可重构的空间机械臂，属于空间机械臂设计技术领域。该空间机械臂包括顺序连接的第一末端执行器、第一关节、第一连杆、第二关节、第二连杆、第三关节、第一伸缩臂杆、第三连杆、第四关节、第四连杆、第二伸缩臂杆、第五关节、第五连杆、第六关节、第六连杆、第七关节及第二末端执行器。其中，第一伸缩臂杆及第二伸缩臂杆均为可伸缩臂杆，通过改变上述两个臂杆长度，调整机械臂的工作空间以及灵活工作空间的范围，实现工作空间及灵活工作空间的重构，有效解决了有限安装空间下工作能力受限的问题。

Description

一种工作空间可重构的空间机械臂

技术领域

本发明涉及一种工作空间可重构的空间机械臂，属于空间机械臂设计技术领域。

背景技术

空间机械臂本身就是一个智能机器人，具备精确操作能力和视觉识别能力，既具有自主分析能力也可由航天员进行遥控，是集机械、视觉、动力学、电子和控制等学科为一体的高端航天装备。空间机械臂通常由关节、臂杆和末端执行器组成，为串联结构，多数情况下通过驱动各关节使机械臂的末端到达指定位置，进一步完成在轨任务。

目前国内外在本领域已有相关研究成果，但空间机械臂通常要在灵活工作空间内完成操作任务，灵活工作空间的范围受限于臂杆的长度，而空间机械臂的杆长是固定不变的，因此难以满足在有限安装空间内进行大范围工作的要求。针对这一问题有效的解决方案是使臂杆具有伸缩功能，中国专利CN211590188U提出了一种可折叠伸缩的空间机械臂，采用丝杠螺母传动方案，电机带动丝杠旋转进一步推动内臂杆完成伸缩运动，虽然使臂杆具有了伸缩功能，但采用了一级伸缩方案，因此存在伸缩效率低、展收比小的问题。中国专利CN102619945A提出了一种多级空心丝杠同步传动伸缩机械臂，采用多级同步空心丝杠的传动方式，虽然具有较大的展收比和较高的伸缩效率，但无法满足串联机械臂关节间走线的要求，且整体结构不够紧凑。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种工作空间可重构的空间机械臂，通过臂杆长度的改变，调整机械臂的工作空间以及灵活工作空间的范围，实现工作空间及灵活工作空间的重构，有效解决了有限安装空间下工作能力受限的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种工作空间可重构的空间机械臂，包括顺序连接的第一末端执行器、第一关节、第一连杆、第二关节、第二连杆、第三关节、第一伸缩臂杆、第三连杆、第四关节、第四连杆、第二伸缩臂杆、第五关节、第五连杆、第六关节、第六连杆、第七关节及第二末端执行器；

第一末端执行器与第一连杆通过第一关节连接，第一连杆在第一关节的带动下能够相对于第一末端执行器转动；

第一连杆与第二连杆通过第二关节连接，第二连杆在第二关节的带动下能够相对于第一连杆转动；

第二连杆与第一伸缩臂杆通过第三关节连接，第一伸缩臂杆在第三关节的带动下能够相对于第二连杆转动；

第一伸缩臂杆与第三连杆通过螺栓固定连接；第三连杆与第四连杆通过第四关节连接，第四连杆在第四关节的带动下能够相对第三连杆转动；

第四连杆与第二伸缩臂杆通过螺栓固定连接；第二伸缩臂杆与第五连杆通过第五关节连接，第五连杆在第五关节的带动下能够相对于第二伸缩臂杆转动；

第五连杆与第六连杆通过第六关节连接，第六连杆在第六关节的带动下能够相对第五连杆转动；

第六连杆与第二末端执行器通过第七关节连接，第二末端执行器在第七关节的带动下能够相对于第六连杆转动。

进一步地，第一伸缩臂杆与第二伸缩臂杆均能够独立进行伸缩运动，改变臂杆长度。

进一步地，第一伸缩臂杆与第二伸缩臂杆的结构相同，均包括驱动器、编码器、电机、支撑座、第一螺母、第一丝杠、第一螺母套、第一端盖、第一轴承、第二螺母、第二螺母套、第二丝杠、第一臂杆、第二臂杆、第三臂杆、第二轴承及连接件；

第一端盖为中空的凸台结构，底面固定在支撑座下方柱形结构的上端面的内翻边上；驱动器安装在第一端盖的底面上；

第一丝杠与第二丝杠顺序连接，相互之间无相对转动；两个丝杠结构相同，均包括顺序连接的第一轴段、第二轴段、第三轴段，在第三轴段的尾端为螺纹结构；第一轴承安装在第二丝杠的第一轴段，第二轴承安装在第二丝杠的第二轴段；

第一螺母与第一丝杠配合安装，第二螺母与第二丝杠配合安装，在第一丝杠、第二丝杠转动时第一螺母、第二螺母沿所在丝杠轴线移动；

第一臂杆、第二臂杆、第三臂杆从外到内套接；第三臂杆的尾端与连接件固定连接，连接件与第三连杆连接；

第一螺母套安装在第一螺母上，并与第一臂杆、第二臂杆分别连接；第二螺母套安装在第二螺母上，并于第二臂杆、第三臂杆连接；

编码器包括转动端、编码器固定端，编码器固定端安装在第一端盖的凸出面上；编码器转动端固定到第一丝杠的第一轴端并随其同步转动；

支撑座为两个上下连接的柱形结构，在下方的柱形结构的上端面有内翻边，在上方的柱形结构的上端面有外翻边凸起结构，上方柱形结构与第三关节连接；

电机定子固连在支撑座下方柱形结构内壁上，转子与第一丝杠的第二轴段固连。

进一步地，还设有一对角接触轴承，包括第一角接触轴承与第二角接触轴承，分别安装在第一丝杠的第一轴段和第三轴段，其中第一角接触轴承由第一端盖的端面与第一丝杠第二轴段的轴肩轴向压紧，第二角接触轴承由第一丝杠第三轴段的轴肩与支撑座轴向压紧。

进一步地，还设有固定螺母，固定螺母与第二丝杠第一轴段的轴肩将第一轴承固定，防止第一轴承沿轴向窜动。

进一步地，第一螺母上均布若干个通孔，第一臂杆内设有槽；第一螺母套由上下两个不同大小的圆环连接而成，底部的圆环上表面有翻边，翻边上设有螺纹孔，与第一螺母的对应通孔配合安装；位于底部圆环的外周设有多个均布的键，各键与第一臂杆内均布的槽配合安装；位于上部的圆环侧壁上设有螺纹孔，与第二臂杆上的通孔配合安装。

进一步地，还包括固定环，安装在第二轴承的径向，固定环的内壁与第二轴承外径配合，固定环的外壁与第三臂杆内臂接触起到支撑作用。

进一步地，第一端盖的凸出面上设有螺纹孔，底面上设有周向布设的螺纹孔与通孔，底面上的螺纹孔均位于通孔外侧；驱动器上设有通孔，通孔与第一端盖底面上的螺纹孔配合安装；编码器固定端上设有通孔，通孔与第一端盖凸出面上的螺纹孔配合安装。

进一步地，还包括第二端盖、第三端盖，第二端盖与第一螺母套固定，第三端盖与第二丝杠固定。

进一步地，空间机械臂以第四关节为中心呈对称分布。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用臂杆二级同步伸缩设计，由单个电机可驱动第二臂杆、第三臂杆同步伸缩，保证机械臂的臂杆有更大的展收比、伸缩速度更快。

(2)本发明设计了两对轴承支撑结构，伸缩时，丝杠一直被两对轴承支撑，有效避免悬臂梁结构的出现，保证臂杆有较强刚度。

(3)本发明提出了中空走线结构：由于在伸缩过程中臂杆长度是可变的，这要求线缆的长度在臂杆伸长时被拉伸，而臂杆收回时可主动缩短，因此，线缆选取具有弹性的螺旋线并从丝杠中心走线。

(4)本发明设计的机械臂是对称式构型，机械臂以第四关节呈对称结构进一步提升了机械臂的通用性。

(5)本发明提出了内嵌式的第一伸缩臂杆、第二伸缩臂杆设计，均将电机、驱动器、编码器内嵌到支撑座中，使第一伸缩臂杆、第二伸缩臂杆的结构更加紧凑。

(6)本发明重构机械臂的工作空间，通过改变臂杆的长度可以扩大机械臂的工作空间和灵活工作空间的范围。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例空间机械臂结构示意图；

图2为本发明实施例第一伸缩臂杆结构示意图；

图3为本发明实施例缩臂杆第一端盖连接关系示意图；

图4为本发明实施例编码器示意图；

图5为本发明实施例第一丝杠示意图；

图6为本发明实施例第一丝杠连接示意图；

图7为本发明实施例第一螺母套示意图；

图8为本发明实施例第二丝杠连接示意图；

图9为本发明实施例第二螺母套示意图；

图10为本发明实施例第二丝杠局部图；

图11为本发明实施例第一臂杆示意图；

图12为本发明实施例第二臂杆示意图；

图13为本发明实施例第三臂杆示意图；

图14为本发明实施例第一丝杠、第二丝杠端面结构示意图；

图15为本发明实施例第三臂杆与连接件连接示意图；

图16为本发明实施例线轴布设示意图；

图17为本发明实施例机械臂工作空间与灵活工作空间示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明提出了一种工作空间可重构的空间机械臂，如图1所示，包括第一末端执行器1、第一关节2、第一连杆3、第二关节4、第二连杆5、第三关节6、第一伸缩臂杆7、第四连杆8、第四关节9、第三连杆10、第二伸缩臂杆11、第五关节12、第五连杆13、第六关节14、第六连杆15、第七关节16、第二末端执行器17，以关节第四关节9为中心呈对称分布。

第一末端执行器1与第一连杆3通过第一关节2配合连接，第一连杆3在第一关节2的带动下可相对于第一末端执行器1转动。第一连杆3与第二连杆5通过第二关节4配合连接，第二连杆5在第二关节4的带动下可相对于第一连杆3转动。第二连杆5与第一伸缩臂杆7通过第三关节6配合连接，第一伸缩臂杆7在第三关节6的带动下可相对于第二连杆5转动。第一伸缩臂杆7与第三连杆10通过螺栓固定连接。第三连杆10与第四连杆8通过第四关节9配合连接，第四连杆8在第四关节9的带动下可相对第三连杆10转动。第四连杆8与第二伸缩臂杆11通过螺栓固定连接。第二伸缩臂杆11与第五连杆13通过第五关节12配合连接，第五连杆13在第五关节12的带动下可相对于第二伸缩臂杆11转动。第五连杆13与第六连杆15通过第六关节14配合连接，第六连杆15在第六关节14的带动下可相对第五连杆13转动。第六连杆15与第二末端执行器17通过第七关节16配合连接，第二末端执行器17在第七关节16的带动下可相对于第六连杆15转动。

第一伸缩臂杆7与第二伸缩臂杆11的结构相同，现以第一伸缩臂杆7为例展开介绍：如图2所示，第一伸缩臂杆7包括驱动器7-1、编码器7-2、第一端盖7-3、第一角接触轴承7-4、电机7-5、支撑座7-6、第二角接触轴承7-7、第一螺母7-8、第一丝杠7-9、第一螺母套7-10、固定螺母7-11、第一轴承7-12、第二端盖7-13、第二螺母7-14、第二螺母套7-15、第二丝杠7-16、第一臂杆7-17、第二臂杆7-18、第三臂杆7-19、固定环7-20、第二轴承7-21、第三端盖7-22、连接件7-23。

驱动器7-1上均布三个通孔7-101与第一端盖7-3上的螺纹孔7-302配合安装，如图3所示，第一端盖7-3上均布六个通孔7-303与支撑座7-6上的螺纹孔7-601配合安装，编码器7-2如图4所示，可分为编码器转动端7-202、编码器固定端7-203固定端上均布三个通孔7-201与与第一端盖7-3上的螺纹孔7-301配合安装，编码器转动端7-202上均布三个螺纹孔7-204通过顶丝固定到第一丝杠7-9的第一轴端7-901并随其同步转动，如图5所示。电机7-5分为转子与定子，其中定子部分与支撑座7-6的支撑座内臂7-601部分胶粘固连，转子部分与第一丝杠7-9的第二轴段7-902胶粘固连，工作时转子将带动第一丝杠7-9转动。

第一角接触轴承7-4与第二角接触轴承7-7是一对角接触轴承，分别安装在第一丝杠7-9的第一轴段7-901和第三轴段7-904，其中第一角接触轴承7-4由第一端盖7-3的右端面与第二轴段7-902的左侧轴肩轴向压紧，第二角接触轴承7-7由第一丝杠7-9的轴肩7-903的右端面与支撑座7-6轴向压紧，防止轴向窜动，此外，角接触轴承均与第一丝杠7-9配合安装，起到支撑作用。

第一丝杠7-9与第一螺母7-8配合安装，如图6所示，当第一丝杠转动时第一螺母将沿丝杠轴线移动。第一螺母套7-10如图7所示，第一螺母套由上下两个不同大小的圆环连接而成，底部的圆环上表面有翻边，翻边上均布六个螺纹孔1001，与第一螺母的对应通孔7-801配合安装；位于底部圆环的外周设有四个均布的键7-1002，各键与第一臂杆内均布的槽7-1702配合安装，如图11所示，防止第一螺母套与第一臂杆发生相对转动。位于上部的圆环侧壁上设有螺纹孔7-1003，与第二臂杆上的通孔7-1801配合安装，如图12所示。第二丝杠如图8所示，固定螺母7-11与第一轴承7-12安装在第二丝杠7-16的第一轴段7-1601，固定螺母与第一轴段的轴肩将第一轴承固定，防止第一轴承沿轴向窜动。第二端盖7-13上均布六个通孔7-1301与第一螺母套7-10上位于上部的圆环端面均布的螺纹孔7-1004配合安装，进而将第二丝杠7-16与第一螺母套7-10固定。

第一丝杠7-9的截面7-905与第二丝杠7-16的截面7-1603配合安装，如图10、图14所示，保证第一丝杠与第二丝杠之间无相对转动。第二丝杠7-16与第二螺母7-14配合安装，当第二丝杠转动时第二螺母将沿丝杠轴线移动。第二螺母7-14上均布六个通孔7-1401与第一螺母套7-15上均布的螺纹孔7-1501配合安装。第二螺母套如图9所示，与第一螺母套结构相同，第二螺母套上均布四个键7-1502与第二臂杆内均布的槽7-1802配合安装，防止第二螺母套与第二臂杆发生相对转动，第二螺母套上均布螺纹孔7-1503与第三臂杆7-19上的通孔7-1901配合安装，如图13所示。第二轴承7-21安装在第二丝杠7-16的第二轴段7-1601，第三端盖7-22上均布六个通孔7-2201与第二丝杠7-16上均布的螺纹孔7-1602配合安装，可防止第二轴承沿轴向窜动，固定环7-20安装在第二轴承的径向其内壁与第二轴承外径配合，外壁与第三臂杆内臂接触起到支撑作用。第三臂杆7-19上均布六个螺纹孔7-1902与连接件7-23上均布的通孔7-2301配合安装，如图15所示。在工作时，电机7-5的转子带动第一丝杠7-9旋转，在第一轴套与第一臂杆的配合作用下，第一螺母将沿轴线移动，进而推动第一螺母套所配合的部分移动，同时在第一丝杠7-9的截面7-905与第二丝杠7-16的截面7-1603配合安装作用下，第二丝杠将与第一丝杠做同步旋转运动，同理在第二轴套与第二臂杆的配合作用下，第二螺母将沿轴线移动，进一步推动第三臂杆沿轴向移动，实现了第二臂杆、第三臂杆的同步运动，运动过程中为了避免线缆7-24缠绕，采用中空走线的方式，如图16所示。

如图17所示，(a)为臂杆长度固定的空间机械臂，(b)为初始长度与(a)相同但臂杆具有伸缩功能的空间机械臂，实线为空间机械臂最大工作空间的边界，虚线包围区域为空间机械臂的灵活工作空间，臂杆的伸缩将有效提高工作空间和灵活工作空间的范围。

以上所述实施例只是本发明较优选具体实施方式，本领域技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种工作空间可重构的空间机械臂，其特征在于，包括顺序连接的第一末端执行器、第一关节、第一连杆、第二关节、第二连杆、第三关节、第一伸缩臂杆、第三连杆、第四关节、第四连杆、第二伸缩臂杆、第五关节、第五连杆、第六关节、第六连杆、第七关节及第二末端执行器；

第一末端执行器与第一连杆通过第一关节连接，第一连杆在第一关节的带动下能够相对于第一末端执行器转动；

第一连杆与第二连杆通过第二关节连接，第二连杆在第二关节的带动下能够相对于第一连杆转动；

第二连杆与第一伸缩臂杆通过第三关节连接，第一伸缩臂杆在第三关节的带动下能够相对于第二连杆转动；

第一伸缩臂杆与第三连杆通过螺栓固定连接；第三连杆与第四连杆通过第四关节连接，第四连杆在第四关节的带动下能够相对第三连杆转动；

第四连杆与第二伸缩臂杆通过螺栓固定连接；第二伸缩臂杆与第五连杆通过第五关节连接，第五连杆在第五关节的带动下能够相对于第二伸缩臂杆转动；

第五连杆与第六连杆通过第六关节连接，第六连杆在第六关节的带动下能够相对第五连杆转动；

第六连杆与第二末端执行器通过第七关节连接，第二末端执行器在第七关节的带动下能够相对于第六连杆转动。

2.根据权利要求1所述的一种工作空间可重构的空间机械臂，其特征在于，第一伸缩臂杆与第二伸缩臂杆均能够独立进行伸缩运动，改变臂杆长度。

3.根据权利要求1所述的一种工作空间可重构的空间机械臂，其特征在于，第一伸缩臂杆与第二伸缩臂杆的结构相同，均包括驱动器、编码器、电机、支撑座、第一螺母、第一丝杠、第一螺母套、第一端盖、第一轴承、第二螺母、第二螺母套、第二丝杠、第一臂杆、第二臂杆、第三臂杆、第二轴承及连接件；

第一端盖为中空的凸台结构，底面固定在支撑座下方柱形结构的上端面的内翻边上；驱动器安装在第一端盖的底面上；

第一丝杠与第二丝杠顺序连接，相互之间无相对转动；两个丝杠结构相同，均包括顺序连接的第一轴段、第二轴段、第三轴段，在第三轴段的尾端为螺纹结构；第一轴承安装在第二丝杠的第一轴段，第二轴承安装在第二丝杠的第二轴段；

第一螺母与第一丝杠配合安装，第二螺母与第二丝杠配合安装，在第一丝杠、第二丝杠转动时第一螺母、第二螺母沿所在丝杠轴线移动；

第一臂杆、第二臂杆、第三臂杆从外到内套接；第三臂杆的尾端与连接件固定连接，连接件与第三连杆连接；

第一螺母套安装在第一螺母上，并与第一臂杆、第二臂杆分别连接；第二螺母套安装在第二螺母上，并于第二臂杆、第三臂杆连接；

编码器包括转动端、编码器固定端，编码器固定端安装在第一端盖的凸出面上；编码器转动端固定到第一丝杠的第一轴端并随其同步转动；

支撑座为两个上下连接的柱形结构，在下方的柱形结构的上端面有内翻边，在上方的柱形结构的上端面有外翻边凸起结构，上方柱形结构与第三关节连接；

电机定子固连在支撑座下方柱形结构内壁上，转子与第一丝杠的第二轴段固连。

4.根据权利要求3所述的一种工作空间可重构的空间机械臂，其特征在于，还设有一对角接触轴承，包括第一角接触轴承与第二角接触轴承，分别安装在第一丝杠的第一轴段和第三轴段，其中第一角接触轴承由第一端盖的端面与第一丝杠第二轴段的轴肩轴向压紧，第二角接触轴承由第一丝杠第三轴段的轴肩与支撑座轴向压紧。

5.根据权利要求3所述的一种工作空间可重构的空间机械臂，其特征在于，还设有固定螺母，固定螺母与第二丝杠第一轴段的轴肩将第一轴承固定，防止第一轴承沿轴向窜动。

6.根据权利要求3所述的一种工作空间可重构的空间机械臂，其特征在于，第一螺母上均布若干个通孔，第一臂杆内设有槽；第一螺母套由上下两个不同大小的圆环连接而成，底部的圆环上表面有翻边，翻边上设有螺纹孔，与第一螺母的对应通孔配合安装；位于底部圆环的外周设有多个均布的键，各键与第一臂杆内均布的槽配合安装；位于上部的圆环侧壁上设有螺纹孔，与第二臂杆上的通孔配合安装。

7.根据权利要求3所述的一种工作空间可重构的空间机械臂，其特征在于，还包括固定环，安装在第二轴承的径向，固定环的内壁与第二轴承外径配合，固定环的外壁与第三臂杆内臂接触起到支撑作用。

8.根据权利要求3所述的一种工作空间可重构的空间机械臂，其特征在于，第一端盖的凸出面上设有螺纹孔，底面上设有周向布设的螺纹孔与通孔，底面上的螺纹孔均位于通孔外侧；驱动器上设有通孔，通孔与第一端盖底面上的螺纹孔配合安装；编码器固定端上设有通孔，通孔与第一端盖凸出面上的螺纹孔配合安装。

9.根据权利要求3所述的一种工作空间可重构的空间机械臂，其特征在于，还包括第二端盖、第三端盖，第二端盖与第一螺母套固定，第三端盖与第二丝杠固定。

10.根据权利要求1所述的一种工作空间可重构的空间机械臂，其特征在于，空间机械臂以第四关节为中心呈对称分布。