CN104647396A - 可用于快速重构的模块化空间机械臂关节及机械臂 - Google Patents
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Abstract
一种可用于快速重构的模块化空间机械臂关节及机械臂，该关节包括：具有身部、肩部和颈部的柱状主壳体，安装在主壳体颈部顶端的谐波减速器，套设于谐波减速器外的上壳体，设置于主壳体颈部内的定轴齿轮传动***，固定于主壳体身部内的电机、制动***及电气***，以及设置于底板中心处且向上贯穿整个主壳体和上壳体的线管；所述肩部构成该关节的固定部，肩部设置多个第一连接孔；所述上壳体构成该关节的输出端，其上端与谐波减速器输出端固连且设置多个第二连接孔；定轴齿轮传动***通过其第一齿轮连接谐波减速器输入端，通过第二及第三齿轮连接电机及制动***。该机构臂包括上述关节。本关节具有结构紧凑、中心管走线、模块化可重构等优点。
Description
技术领域
本发明涉及空间机械臂，更具体地说，涉及一种可用于快速重构的模块化空间机械臂关节，以及采用这种关节的机械臂。
背景技术
空间机械臂可重构技术近年来快速发展，并且是空间机械臂的一个发展趋势。空间机械臂是空间机器人***的一部分，是空间机器人***任务的主要执行终端，其性能的好坏直接影响整个***的工作性能和结果，因此是空间机器人***的重要组成部分之一。空间机械臂关节集成了光、机、电等多个领域，是一个复杂的具有重要功能的机械结构，是空间机械臂的核心部件。随着国内外空间机器人技术的不断发展，特别是我国即将进行空间站建设等领域的任务需求，将会用到大量的空间机械臂来执行空间任务，机械臂的可重构和模块化可以降低空间机械臂的成本和提升空间机械臂的任务执行能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种可用于快速重构的模块化空间机械臂关节。
本发明的具体技术方案如下：
一种可用于快速重构的模块化空间机械臂关节，其包括：
主壳体，呈柱状，包括身部、肩部、颈部、以及身部和颈部之间的安装板，肩部构成该关节的固定部，肩部设置多个第一连接孔，主壳体的底端设置底板；
安装在主壳体颈部顶端的谐波减速器；
套设于谐波减速器外的上壳体，上壳体构成该关节的输出端，其上端与谐波减速器的输出端固定连接且设置多个第二连接孔；
定轴齿轮传动***，设置于主壳体的颈部内，包括：固定连接在谐波减速器输入端的第一齿轮，以及与第一齿轮啮合的第二齿轮和第三齿轮；
电机和制动***，二者通过所述安装板固定于主壳体的身部内，其转轴对应连接所述第二齿轮和第三齿轮；
电气***，安装于主壳体的身部内，与所述电机和制动***电气连接；以及
一个线管，设置于所述底板中心处且向上贯穿整个主壳体和上壳体。
在上述的可用于快速重构的模块化空间机械臂关节中，优选地，所述制动***包括失电制动器和增量式编码器，失电制动器包括外壳、设置于外壳两端中心处的两个轴承、支撑在所述两个轴承的转轴、以及固定在转轴上的摩擦旋片，所述增量式编码器固定在失电制动器的壳体末端且与失电制动器的转轴连接。
在上述的可用于快速重构的模块化空间机械臂关节中，优选地，所述电气***由驱动器和关节主板构成，关节主板通过插槽插在驱动器上，关节主板包括控制板和通信板，通信板通过若干间隔柱设置在控制板的一侧。
在上述的可用于快速重构的模块化空间机械臂关节中，优选地，所述电机、制动***和电气***三者在主壳体内围绕所述线管周向分布。
在上述的可用于快速重构的模块化空间机械臂关节中，优选地，所述上壳体的上端中部设置谐波减速器定位孔，定位孔的周沿先向上延伸再向内延伸形成一个凸台，凸台中心设置所述线管的安装孔，上壳体上端设置多个谐波减速器安装孔，上壳体上端的多个谐波减速器安装孔和多个第二连接孔对应分布于以上壳体上端中心为圆心的第一圆周和第二圆周上。
在上述的可用于快速重构的模块化空间机械臂关节中，优选地，所述第二齿轮和第三齿轮的直径均小于第一齿轮的直径。
在上述的可用于快速重构的模块化空间机械臂关节中，优选地，所述主壳体和上壳体的主体部分均呈圆柱形。
在上述的可用于快速重构的模块化空间机械臂关节中，优选地，所述线管贯穿所述第一齿轮和谐波减速器。
本发明还提供了一种机械臂，其整体呈平面3R形，该平面3R形机械臂包括顺次设置的基座、第一连杆和第二连杆，以及对应设置在基座与第一连杆的结合部、第一和第二连杆的结合部、第二连杆末端的三个关节，所述的三个关节均采用上述任意一项所述的关节，关节通过其上的第一连接孔和第二连接孔对应与待连接的两个部件固定连接。
本发明还提供了一种机械臂，其整体呈球形，该球形机械臂包括基座和三个关节，所述的三个关节均采用上述任意一项所述的关节，第一关节通过其上的第一连接孔与基座固定连接、且通过第二连接孔与第一法兰的座体固定连接，第二关节通过其上的第一连接孔和第二连接孔对应与第一法兰的盘体和第二法兰的座体固定连接，第三关节通过其上的第一连接孔与第二法兰的盘体固定连接。
本发明空间机械臂关节具有结构紧凑、中心管走线、模块化可重构等优点。在关节的中部位置和关节输出端(即上壳体)位置均提供了周向的连接孔(即第一连接孔和第二连接孔)方便连杆或法兰等与之配合，通过和不同形状的连杆装配可以获得不同构型的机械臂。
附图说明
图1为本发明可用于快速重构的模块化空间机械臂关节的一些实施例的结构示意图；
图2为其内部结构示意图；
图3为其定轴齿轮传动***的结构示意图；
图4为其内部布局及电气***的结构示意图；
图5为其上壳体的结构示意图；
图6为其主壳体的结构示意图；
图7为其底板的结构示意图；
图8为其电机、制动***、谐振减速器及电气***之间的布局及连接示意图；
图9为其制动***的结构示意图；
图10为其失电制动器的结构示意图；
图11为一种平面3R形机械臂的结构示意图；
图12为一种球形机械臂的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。这些更详细的描述旨在帮助理解本发明，而不应被用于限制本发明。根据本发明公开的内容，本领域技术人员明白，可以不需要一些或者所有这些特定细节即可实施本发明。而在其它情况下，为了避免将发明创造淡化，未详细描述众所周知的技术。
请参照图1-10，本可用于快速重构的模块化空间机械臂关节包括：主壳体1，谐波减速器2，上壳体3，定轴齿轮传动***4，电机5，制动***6，电气***7，线管8。
主壳体1整体呈圆柱状。主壳体1包括身部11、肩部12、颈部14、以及身部11和颈部14之间的安装板13。肩部12构成该关节的固定部，肩部12设置多个第一连接孔121，用于连接连杆、基座等部件构造机械臂。主壳体1的底端设置底板9。安装板13中心处设置有线管安装孔131，此外安装板13上还设置有电机5的转轴孔132及安装孔133，制动***6的转轴孔134及安装孔135。
在主壳体1颈部14顶端的内周沿处设置凹部141，且在该凹部141设置多个安装孔142。谐波减速器2安装在主壳体1的颈部14顶端，通过所述凹部141实现二者的定位并通过螺钉与所述多个安装孔142配合将二者锁紧为一体。
上壳体3整体呈圆柱形。上壳体3套设于谐波减速器2外，上端通过多个螺杆31与谐波减速器2的输出端固定连接，上壳体3构成该关节的输出端。上壳体3的上端还设置多个第二连接孔32，用于与连杆连接构造机械臂。进一步在上壳体3的上端中部设置谐波减速器定位孔33，定位孔33的周沿先向上延伸再向内延伸形成一个凸台34，凸台34中心设置所述线管8的安装孔35。上壳体3上端设置与所述多个螺杆31配合的多个谐波减速器安装孔36。上壳体3上端的多个谐波减速器安装孔36分布于以上壳体3上端中心为圆心的第一圆周上，上壳体3上端的多个第二连接孔32分布于以上壳体3上端中心为圆心的第二圆周上。
定轴齿轮传动***4设置于主壳体1的颈部14内。该定轴齿轮传动***4包括：固定连接在谐波减速器2输入端的第一齿轮41，以及与第一齿轮41啮合的第二齿轮42和第三齿轮43。第一齿轮41作为定轴齿轮传动***4的输出齿轮，设置于中心位置。第二齿轮42和第三齿轮4的直径均小于第一齿轮41的直径。图3中411为第一齿轮41上的固定孔。
电机5采用无刷直流电机，其设置于主壳体1的身部11内，通过安装板13上的电机安装孔133实现固定，电机5的转轴穿过安装板13上的电机转轴孔132与第二齿轮42固定连接。
制动***6设置于主壳体1的身部11内，通过所述安装板13上的制动***安装孔135实现固定，制动***6的转轴穿过安装板13上的制动***转轴孔134与第三齿轮43固定连接。制动***6包括失电制动器61和增量式编码器62。失电制动器61包括外壳611、设置于外壳611两端中心处的两个深沟球轴承612、支撑在所述两个深沟球轴承612的转轴613、以及固定在转轴613上的摩擦旋片614。增量式编码器62固定在失电制动器61的壳体611末端且与失电制动器61的转轴613连接。
电气***7安装于主壳体1的身部11内，与电机5和制动***6电气连接。更具体地说，电气***7由驱动器71和关节主板72构成，关节主板72通过插槽插在驱动器71上。关节主板72包括控制板721和通信板722，通信板722通过若干间隔柱723设置在控制板721的一侧。
线管8设置于所述底板9中心处且向上贯穿整个主壳体1和上壳体3。线管8还贯穿所述第一齿轮41和谐波减速器2。电源线和信号线可以通过线管8走线。
底板9上设置有通信孔91及电源孔92，电气***7上的通信连接件及电源连接件对应嵌于通信孔91和电源孔92。
上述电机5、制动***6和电气***7三者在主壳体1的身部11内围绕所述线管8周向分布。
上述主壳体1构成关节的固定端，上壳体3构成关节的动力输出端，主壳体1的肩部12位于整个关节的中段。该关节用于构造空间机件臂时实现两个部件(如：连杆与连杆、底座与连杆，等)之间的连接，具体是将一个部件与关节的主壳体1肩部12的第一连接孔121固定连接，而将另一个部件与关节的上壳体3端部的第二连接孔32固定连接。
图11示出了用上述关节构造的一种平面3R形机械臂。参照图11，该平面3R形机械臂包括顺次设置的基座100、第一连杆200和第二连杆300，以及对应设置在基座100与第一连杆200的结合部、第一和第二连杆的结合部、以及第二连杆300末端的第一关节400、第二关节500以及第三关节600。所述的三个关节均采用上述实施例的关节，关节通过其上的第一连接孔和第二连接孔对应与待连接的两个部件固定连接。更具体地说，基座100呈圆筒状，第一关节400的固定端(主壳体的身部)套于基座100内并通过第一关节肩部的第一连接孔将二者固定连接，第一关节400的动力输出端(上壳体)通过第二连接孔与第一连杆200左端固定连接；第二关节500的第一连接孔和第二连接孔对应与第一连杆200的右端和第二连杆300的左端固定连接；第三关节600的第一连接孔与第二连杆300的右端固定连接。
图12示出了用上述关节构造的一种球形机械臂。参照图12，该球形机械臂包括基座100、第一关节400、第二关节500以及第三关节600。所述的三个关节均采用上述实施例的关节，关节通过其上的第一连接孔和第二连接孔对应与待连接的两个部件固定连接。更具体地说，基座100呈圆筒状，第一关节400的固定端(主壳体的身部)套于基座100内并通过第一关节肩部的第一连接孔将二者固定连接，第一关节400的动力输出端(上壳体)通过其第二连接孔与第一法兰200’的座体固定连接；第二关节500通过其上的第一连接孔和第二连接孔对应与第一法兰200’的盘体和第二法兰300’的座体固定连接；第三关节600通过其上的第一连接孔与第二法兰300’的盘体固定连接。
Claims (10)
1.一种可用于快速重构的模块化空间机械臂关节，其特征在于，包括：
主壳体(1)，呈柱状，包括身部(11)、肩部(12)、颈部(14)、以及身部和颈部之间的安装板(13)，肩部构成该关节的固定部，肩部设置多个第一连接孔(121)，主壳体的底端设置底板(9)；
安装在主壳体颈部顶端的谐波减速器(2)；
套设于谐波减速器外的上壳体(3)，上壳体构成该关节的输出端，其上端与谐波减速器的输出端固定连接且设置多个第二连接孔(32)；
定轴齿轮传动***(4)，设置于主壳体的颈部内，包括：固定连接在谐波减速器输入端的第一齿轮(41)，以及与第一齿轮啮合的第二齿轮(42)和第三齿轮(43)；
电机(5)和制动***(6)，二者通过所述安装板(13)固定于主壳体的身部内，其转轴对应连接所述第二齿轮和第三齿轮；
电气***(7)，安装于主壳体的身部内，与所述电机和制动***电气连接；以及
一个线管(8)，设置于所述底板中心处且向上贯穿整个主壳体和上壳体。
2.根据权利要求1所述的可用于快速重构的模块化空间机械臂关节，其特征在于：所述制动***(6)包括失电制动器(61)和增量式编码器(62)，失电制动器包括外壳(611)、设置于外壳两端中心处的两个轴承(612)、支撑在所述两个轴承的转轴(613)、以及固定在转轴上的摩擦旋片(614)，所述增量式编码器固定在失电制动器的壳体末端且与失电制动器的转轴连接。
3.根据权利要求1所述的可用于快速重构的模块化空间机械臂关节，其特征在于：所述电气***(7)由驱动器(71)和关节主板(72)构成，关节主板通过插槽插在驱动器上，关节主板包括控制板(721)和通信板(722)，通信板通过若干间隔柱(723)设置在控制板的一侧。
4.根据权利要求1所述的可用于快速重构的模块化空间机械臂关节，其特征在于：所述电机、制动***和电气***三者在主壳体内围绕所述线管周向分布。
5.根据权利要求1所述的可用于快速重构的模块化空间机械臂关节，其特征在于：所述上壳体(3)的上端中部设置谐波减速器定位孔(33)，定位孔的周沿先向上延伸再向内延伸形成一个凸台(34)，凸台中心设置所述线管的安装孔(35)，上壳体上端设置多个谐波减速器安装孔(36)，上壳体上端的多个谐波减速器安装孔(36)和多个第二连接孔(32)对应分布于以上壳体上端中心为圆心的第一圆周和第二圆周上。
6.根据权利要求1所述的可用于快速重构的模块化空间机械臂关节，其特征在于：所述第二齿轮和第三齿轮的直径均小于第一齿轮的直径。
7.根据权利要求1所述的可用于快速重构的模块化空间机械臂关节，其特征在于：所述主壳体和上壳体的主体部分均呈圆柱形。
8.根据权利要求1所述的可用于快速重构的模块化空间机械臂关节，其特征在于：所述线管贯穿所述第一齿轮和谐波减速器。
9.一种机械臂，呈平面3R形，其特征在于：该平面3R形机械臂包括顺次设置的基座(100)、第一连杆(200)和第二连杆(300)，以及对应设置在基座与第一连杆的结合部、第一和第二连杆的结合部、第二连杆末端的三个关节(400、500、600)，所述的三个关节均采用权利要求1至8中任意一项所述的关节，关节通过其上的第一连接孔和第二连接孔对应与待连接的两个部件固定连接。
10.一种机械臂，呈球形，其特征在于：该球形机械臂包括基座(100)和三个关节(400、500、600)，所述的三个关节均采用权利要求1至8中任意一项所述的关节，第一关节(400)通过其上的第一连接孔与基座(100)固定连接、且通过第二连接孔与第一法兰(200’)的座体固定连接，第二关节(500)通过其上的第一连接孔和第二连接孔对应与第一法兰(200’)的盘体和第二法兰(300’)的座体固定连接，第三关节(600)通过其上的第一连接孔与第二法兰(300’)的盘体固定连接。
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