具有力矩保持特性的探月機械臂模塊化關節的製作方法

2023-05-08 11:58:51 2

專利名稱：具有力矩保持特性的探月機械臂模塊化關節的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種探月機械臂模塊化關節。
背景技術：
月球探測器通過環繞月球飛行對月球表面的礦石和空間環境等進行探測。 要更加精確的分析月球表面的礦石及土壤，需要像月球探測車這樣的能行走在 月球表面的探測器。月球探測車上攜帶的機械臂可以通過在末端放置各種地質 分析儀器實現對月球表面的探測。月球探測車機械臂模塊化關節是月球探測車 機械臂的主要組成部分。其性能決定了整個機械臂的可靠性、末端輸出力矩、 末端位置精度等各項主要性能。為降低月球探測車的發射成本，月球探測車機 械臂關節首先應具有較輕的質量，同時又不影響強度。其次，為了延長機械臂 的壽命，在機械結構上需要在月球探測車機械臂關節的一些相對運動部分添加 密封結構。另外，由於月球表面具有相對於地球引力六分之一的重力，關節的
設計需要考慮到月球臂斷電後保持斷電前姿態的功能。美國宇航局(NASA) 的噴氣推進實驗室(JPL)為勘探技術(ET)漫遊車設計的機械臂質量輕、負 載能力強，具有關節限位且採用模塊化設計，但其關節部分都由鋁合金製成， 這樣很容易在空間高低溫變化時使軸承卡死，導致關節不能正常工作。

發明內容
本發明的目的是為了解決現有的月球探測車的機械臂模塊化關節存在的 發射成本高和月球探測車機械臂的使用壽命短的問題，進而提供一種具有力矩 保持特性的探月機械臂模塊化關節。
本發明的技術方案是具有力矩保持特性的探月機械臂模塊化關節由輸入 裝置、輸出裝置、密封裝置和電氣裝置組成；所述輸入裝置由驅動裝置和輸入 裝置外殼組成；所述驅動裝置安裝在輸入裝置外殼內，所述驅動裝置由直流無 刷電機定子、直流無刷電機轉子和電機轉子軸組成，直流無刷電機定子安裝在 輸入裝置外殼的內壁上，電機轉子軸設置在輸入裝置外殼內，直流無刷電機轉 子套裝在電機轉子軸上；所述密封裝置由密封裝置法蘭盤與O型圈組成，所 述輸出裝置由諧波減速器輸入端法蘭盤、旋轉變壓器傳動裝置、諧波減速器、諧波減速器輸出端法蘭盤、背靠背角接觸軸承對、角接觸軸承內座、角接觸軸 承內圈擋板、角接觸軸承外圈擋板、角接觸軸承外座、角接觸軸承外座限位塊 和輸出法蘭盤組成；諧波減速器輸入端法蘭盤與電機轉子軸固接，直流無刷電 機轉子的運動從輸入裝置傳入輸出裝置；所述輸入裝置外殼、角接觸軸承內座 和密封裝置法蘭盤三者在角接觸軸承內座的外圈法蘭處固接，通過將O型圈 壓在密封裝置法蘭盤與角接觸軸承外座之間實現接觸式填料密封；所述角接觸 軸承外座限位塊布置在角接觸軸承外座的右側端面上且固定在角接觸軸承外 座上，並與密封裝置法蘭盤右端伸出的限位塊形成機械限位結構；所述諧波減 速器由柔輪、剛輪和波發生器組成，波發生器套在諧波減速器輸入端法蘭盤外 壁上，柔輪、諧波減速器輸出端法蘭盤和輸出法蘭盤三者固接；剛輪套裝在柔 輪上，且與角接觸軸承內座的內圈法蘭固接，所述背靠背角接觸軸承對套在角 接觸軸承內座與角接觸軸承外座之間，左端軸承的內外圈分別靠在角接觸軸承 內座與角接觸軸承外座相應位置的凸肩上，右端軸承的內外圈分別用角接觸軸 承內圈擋板和角接觸軸承外圈擋板軸向緊固，角接觸軸承內圈擋板與角接觸軸 承內座螺紋連接，角接觸軸承外圈擋板與角接觸軸承外座螺紋連接；所述旋轉 變壓器傳動裝置通過旋轉變壓器傳動裝置的旋轉變壓器輸入軸與諧波減速器 輸入端法蘭盤的內圈以及旋轉變壓器轉子傳動連接，運動從諧波減速器輸入端 法蘭盤傳入旋轉變壓器傳動裝置；所述電氣裝置設置在角接觸軸承內座與輸出 法蘭盤之間。
本發明與現有技術相比具有以下有益效果 一、本發明採用直流無刷電機 和諧波減速器聯合驅動方式，具有斷電保護功能、安裝方便、結構緊湊、質量 輕、功耗低、單位質量輸出力矩大、傳動可靠、發射成本低和使用壽命長等優 點。二、本發明採用的具有力矩保持功能的直流無刷電機具有制動器的功能， 代替了傳統制動器，進一步減輕了關節的重量，降低發射成本。三、關節輸出 端安裝了兩個背對背布置的角接觸球軸承，增加了關節的剛度，抗傾覆力矩能 力強。四、角接觸軸承外座與密封裝置法蘭盤之間採用接觸式填料密封結構和 機械限位結構，結構簡單、可靠性高、整個關節防塵能力強，可以有效避免外 部灰塵的侵入，又可以避免由於突然的掉電或者其他原因對關節造成的損害。 五、本發明集成化程度高、結構緊湊、可靠性高、位置輸出精度高、整體抗彎剛度大，不僅能適應月球表面強輻射、低重力、大溫差的環境的需要，而且還 能完全適應地面環境中的需要。


圖1是本發明的關節整體結構立體圖，圖2是本發明的關節整體結構主視 剖面圖，圖3是輸入裝置主視剖面圖，圖4是輸出裝置主視剖面圖，圖5是旋 轉變壓器傳動裝置主視剖面圖，圖6是角接觸軸承內座的立體圖，圖7是角接 觸軸承內座的主視剖面圖，圖8是角接觸軸承外座的立體圖，圖9是角接觸軸 承外座限位塊的立體圖，圖IO是密封裝置法蘭盤的立體圖，圖ll是角接觸軸 承外圈擋板的立體圖，圖12是角接觸軸承外圈擋板的主視剖面圖，圖13是角 接觸軸承內圈擋板的立體圖，圖14是角接觸軸承內圈擋板的主視剖面圖，圖 15是位置傳感器的主視圖，圖16是位置傳感器的俯視圖，圖17是電刷組件 的立體圖，圖18是電刷座基座法蘭盤的立體圖，圖19是電刷座基座法蘭盤的 主視剖面圖，圖20是輸出法蘭盤的立體圖，圖21是輸出法蘭盤的主視剖面圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一結合圖1 14和圖20以及圖21說明本實施方式，本實 施方式的具有力矩保持特性的探月機械臂模塊化關節由輸入裝置A、輸出裝置 B、密封裝置C和電氣裝置D組成；所述輸入裝置A由驅動裝置和輸入裝置 外殼11組成；所述驅動裝置安裝在輸入裝置外殼11內，所述驅動裝置由直流 無刷電機定子12、直流無刷電機轉子13和電機轉子軸14組成，直流無刷電 機定子12安裝在輸入裝置外殼11的內壁上，電機轉子軸14設置在輸入裝置 外殼11內，直流無刷電機轉子13套裝在電機轉子軸14上；所述密封裝置C 由密封裝置法蘭盤22與O型圈23組成，所述輸出裝置B由諧波減速器輸入 端法蘭盤9、旋轉變壓器傳動裝置E、諧波減速器、諧波減速器輸出端法蘭盤 29、背靠背角接觸軸承對24、角接觸軸承內座6、角接觸軸承內圈擋板l、角 接觸軸承外圈擋板2、角接觸軸承外座4、角接觸軸承外座限位塊3和輸出法 蘭盤27組成；諧波減速器輸入端法蘭盤9與電機轉子軸14固接，直流無刷電 機轉子13的運動從輸入裝置A傳入輸出裝置B;所述輸入裝置外殼ll、角接 觸軸承內座6和密封裝置法蘭盤22三者在角接觸軸承內座6的外圈法蘭33 處固接，通過將O型圈23壓在密封裝置法蘭盤22與角接觸軸承外座4之間
6實現接觸式填料密封；所述角接觸軸承外座限位塊3布置在角接觸軸承外座4 的右側端面35上且固定在角接觸軸承外座4上，並與密封裝置法蘭盤22右端 伸出的限位塊38形成機械限位結構；所述諧波減速器由柔輪5、剛輪7和波 發生器8組成，波發生器8套在諧波減速器輸入端法蘭盤9外壁上，柔輪5、 諧波減速器輸出端法蘭盤29和輸出法蘭盤27三者固接；剛輪7套裝在柔輪5 上，且與角接觸軸承內座6的內圈法蘭32固接，所述背靠背角接觸軸承對24 套在角接觸軸承內座6與角接觸軸承外座4之間，左端軸承的內外圈分別靠在 角接觸軸承內座6與角接觸軸承外座4相應位置的凸肩上，右端軸承的內外圈 分別用角接觸軸承內圈擋板1和角接觸軸承外圈擋板2軸向緊固，角接觸軸承 內圈擋板1與角接觸軸承內座6螺紋連接，角接觸軸承外圈擋板2與角接觸軸 承外座4螺紋連接；所述旋轉變壓器傳動裝置E通過旋轉變壓器傳動裝置的 旋轉變壓器輸入軸10與諧波減速器輸入端法蘭盤9的內圈以及旋轉變壓器轉 子16傳動連接，運動從諧波減速器輸入端法蘭盤9傳入旋轉變壓器傳動裝置 E;所述電氣裝置設置在角接觸軸承內座6與輸出法蘭盤27之間。
具體實施方式
二結合圖2、圖4和圖5說明本實施方式，本實施方式的 旋轉變壓器傳動裝置由第一徑向軸承28、旋轉變壓器輸入軸IO、鍵21、旋轉 變壓器定子15、旋轉變壓器轉子16、第二徑向軸承18、第二徑向軸承支承座 20、調整墊片17和第二徑向軸承壓蓋19組成；所述第一徑向軸承28內圈支 撐在旋轉變壓器輸入軸10的右端，第一徑向軸承28外圈套在諧波減速器輸出 端法蘭盤29的軸承座內；旋轉變壓器輸入軸10的左端套在第二徑向軸承18 內圈內，第二徑向軸承18套在第二徑向軸承支承座20的軸承座內，第二徑向 軸承壓蓋19從左側壓入支承座20內且與支承座20固接，在壓蓋19與第二徑 向軸承18之間有調整墊片，實現軸承的預緊；所述旋轉變壓器定子15與第二 徑向軸承支承座20固接，旋轉變壓器轉子16套在旋轉變壓器輸入軸10上。 旋轉變壓器的旋轉變壓器定子15和旋轉變壓器轉子16，用於精確測量關節的 相對位置；這種關節位置傳感器的融合性設計方法可以用來精確檢測關節的旋 轉角度。如此設置，傳動更為可靠。其它組成和連接關係與具體實施方式
一相 同。
具體實施方式
三結合圖2、圖15 圖19說明本實施方式，本實施方式
7的電氣裝置D為電位計；所述電位計由電刷42、電刷座25、電刷座基座法蘭 盤26、導電環41和電位計板30組成，電刷42固定在電刷座25上，電刷座 25安裝在電刷座基座法蘭盤26的安裝孔46內，電刷座基座法蘭盤26與角接 觸軸承內座6固接，電刷座25與法蘭盤26與軸承內座6相抵靠，實現對電刷 座組件的固定，導電環41貼在電位計板30上，電位計板30與輸出法蘭盤27 固接。利用電刷42在導電環41上面滑動來測量關節的旋轉角度；電位計測量 關節的絕對位置，再由旋轉變壓器精確測量關節相對位置，這種關節位置傳感 器的融合性設計方法可以用來精確檢測關節的旋轉角度。其它組成和連接關係 與具體實施方式
二相同。
具體實施方式
四結合圖2、圖4和圖8說明本實施方式，本實施方式的 角接觸軸承內圈擋板1、角接觸軸承外圈擋板2、角接觸軸承外座4、角接觸 軸承內座6、旋轉變壓器輸入軸10、輸入裝置外殼11、第二徑向軸承壓蓋19、 第二徑向軸承支承座20和密封裝置法蘭盤22均由鈦合金製成，與軸承材料熱 膨脹係數相差較小，不會因軸承內環座、軸承外環座與軸承內外鋼圈的熱膨脹 係數相差太大而使軸承卡死。其它組成及連接關係與具體實施方式
一、二或三 相同。
關節力矩的傳遞過程為驅動裝置通過電機轉子軸14將動力傳遞給諧波 減速器輸入端法蘭盤9，諧波減速器輸入端法蘭盤9將力矩傳遞給波發生器8， 波發生器8帶動柔輪5轉動，剛輪7固定，動力由柔輪直接傳遞給輸出法蘭盤 27，從而實現了整個關節的力矩輸出。
權利要求
1、一種具有力矩保持特性的探月機械臂模塊化關節，它由輸入裝置(A)、輸出裝置(B)、密封裝置(C)和電氣裝置(D)組成；其特徵在於所述輸入裝置(A)由驅動裝置和輸入裝置外殼(11)組成；所述驅動裝置安裝在輸入裝置外殼(11)內，所述驅動裝置由直流無刷電機定子(12)、直流無刷電機轉子(13)和電機轉子軸(14)組成，直流無刷電機定子(12)安裝在輸入裝置外殼(11)的內壁上，電機轉子軸(14)設置在輸入裝置外殼(11)內，直流無刷電機轉子(13)套裝在電機轉子軸(14)上；所述密封裝置(C)由密封裝置法蘭盤(22)與O型圈(23)組成，所述輸出裝置(B)由諧波減速器輸入端法蘭盤(9)、旋轉變壓器傳動裝置(E)、諧波減速器、諧波減速器輸出端法蘭盤(29)、背靠背角接觸軸承對(24)、角接觸軸承內座(6)、角接觸軸承內圈擋板(1)、角接觸軸承外圈擋板(2)、角接觸軸承外座(4)、角接觸軸承外座限位塊(3)和輸出法蘭盤(27)組成；諧波減速器輸入端法蘭盤(9)與電機轉子軸(14)固接，直流無刷電機轉子(13)的運動從輸入裝置(A)傳入輸出裝置(B)；所述輸入裝置外殼(11)、角接觸軸承內座(6)和密封裝置法蘭盤(22)三者在角接觸軸承內座(6)的外圈法蘭(33)處固接，通過將O型圈(23)壓在密封裝置法蘭盤(22)與角接觸軸承外座(4)之間實現接觸式填料密封；所述角接觸軸承外座限位塊(3)布置在角接觸軸承外座(4)的右側端面(35)上且固定在角接觸軸承外座(4)上，並與密封裝置法蘭盤(22)右端伸出的限位塊(38)形成機械限位結構；所述諧波減速器由柔輪(5)、剛輪(7)和波發生器(8)組成，波發生器(8)套在諧波減速器輸入端法蘭盤(9)外壁上，柔輪(5)、諧波減速器輸出端法蘭盤(29)和輸出法蘭盤(27)三者固接；剛輪(7)套裝在柔輪(5)上，且與角接觸軸承內座(6)的內圈法蘭(32)固接，所述背靠背角接觸軸承對(24)套在角接觸軸承內座(6)與角接觸軸承外座(4)之間，左端軸承的內外圈分別靠在角接觸軸承內座(6)與角接觸軸承外座(4)相應位置的凸肩上，右端軸承的內外圈分別用角接觸軸承內圈擋板(1)和角接觸軸承外圈擋板(2)軸向緊固，角接觸軸承內圈擋板(1)與角接觸軸承內座(6)螺紋連接，角接觸軸承外圈擋板(2)與角接觸軸承外座(4)螺紋連接；所述旋轉變壓器傳動裝置(E)通過旋轉變壓器傳動裝置的旋轉變壓器輸入軸(10)與諧波減速器輸入端法蘭盤(9)的內圈以及旋轉變壓器轉子(16)傳動連接，運動從諧波減速器輸入端法蘭盤(9)傳入旋轉變壓器傳動裝置(E)；所述電氣裝置設置在角接觸軸承內座(6)與輸出法蘭盤(27)之間。
2、 根據權利要求l所述具有力矩保持特性的探月機械臂模塊化關節，其 特徵在於所述旋轉變壓器傳動裝置由第一徑向軸承(28)、旋轉變壓器輸入 軸(10)、鍵(21)、旋轉變壓器定子(15)、旋轉變壓器轉子(16)、第二徑向 軸承(18)、第二徑向軸承支承座(20)、調整墊片(17)和第二徑向軸承壓蓋(19)組成；所述第一徑向軸承(28)內圈支撐在旋轉變壓器輸入軸(10)的 右端，第一徑向軸承(28)外圈套在諧波減速器輸出端法蘭盤(29)的軸承座 內；旋轉變壓器輸入軸(10)的左端套在第二徑向軸承(18)內圈內，第二徑 向軸承(18)套在第二徑向軸承支承座(20)的軸承座內，第二徑向軸承壓蓋(19)從左側壓入支承座(20)內且與支承座(20)固接，在壓蓋(19)與第 二徑向軸承(18)之間設有調整墊片(17);所述旋轉變壓器定子(15)與第 二徑向軸承支承座(20)固接，旋轉變壓器轉子(16)套在旋轉變壓器輸入軸(10) 上。
3、 根據權利要求2所述具有力矩保持特性的探月機械臂模塊化關節，其 特徵在於所述電氣裝置(D)為電位計；所述電位計由電刷(42)、電刷座(25)、電刷座基座法蘭盤(26)、導電環(41)和電位計板(30)組成，電刷 (42)固定在電刷座(25)上，電刷座(25)安裝在電刷座基座法蘭盤(26) 的安裝孔(46)內，電刷座基座法蘭盤(26)與角接觸軸承內座(6)固接， 電刷座(25)與法蘭盤(26)與軸承內座(6)相抵靠，導電環(41)貼在電 位計板(30)上，電位計板(30)與輸出法蘭盤(27)固接。
4、 根據權利要求1、 2或3所述具有力矩保持特性的探月機械臂模塊化 關節，其特徵在於所述角接觸軸承內圈擋板(1)、角接觸軸承外圈擋板(2)、 角接觸軸承外座(4)、角接觸軸承內座(6)、旋轉變壓器輸入軸(10)、輸入 裝置外殼(11)、第二徑向軸承壓蓋(19)、第二徑向軸承支承座(20)和密封 裝置法蘭盤(22)均由鈦合金製成。
全文摘要
具有力矩保持特性的探月機械臂模塊化關節，它涉及一種探月機械臂模塊化關節。本發明解決了月球探測車的機械臂模塊化關節存在的，發射成本高和月球探測車機械臂的使用壽命短的問題。本發明的驅動裝置通過電機轉子軸與諧波減速器輸入端法蘭盤連接，剛輪與角接觸軸承內座固接，角接觸軸承內座與輸入裝置外殼固接，柔輪與諧波減速器輸出端法蘭盤和輸出法蘭盤固接，角接觸軸承內座與角接觸軸承外座之間有背靠背角接觸軸承，密封裝置法蘭盤與角接觸軸承外座之間設有接觸式填料密封結構和機械限位結構，電氣裝置固定在角接觸軸承內座與輸出法蘭盤之間。本發明具有斷電保護功能且結構緊湊、質量輕、功耗低、密封性能好，發射成本低和使用壽命長的優點。
文檔編號B25J17/00GK101659057SQ20091007293
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月18日 優先權日2009年9月18日
發明者倪風雷, 宇 劉, 宏 劉, 奎 孫, 謝宗武, 田 黎 申請人:哈爾濱工業大學