专利名称：大型空间服务机器人在轨可更换关节的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人关节。
背景技术：
根据我国空间技术发展的现状，建设自己的空间站已经成为趋势。虽然国内在空 间机器人领域取得了一些进展，但是应用领域属于小型的空间维护机器人，其设计特点无 法应用于大输出力矩输出，长寿命的作业。目前国内尚没有专门进行空间站以及大型空间 物体建设、维护、抓捕，并能能帮助宇航员出舱进行空间作业的大型机器人。能实现以上功 能的大型空间机器人就成为我国对太空进一步探索的关键环节。关节及其控制装置是空间 机器人的重要组成部分，关节的性能直接决定了整个机器人的负载自重比、末端定位精度 以及可靠性。目前大型空间服务机器人关节，包括加拿大航天飞机机器人、欧空局大型空间机 器人以及日本实验舱服务机器人传动全部是行星齿轮传动，不可避免的存在较高回差，带 来固有的机械误差影响控制精度；另外行星减速刚度差，也会影响整个机器人的控制精度， 并且行星齿轮传动质量大，机器人负载自重比小。控制电路都安装在机器人外部，集成性 差。关节内没有力感知功能。大型空间机器人关节对力矩，控制精度，集成度，力矩感知能 力及寿命都有较高要求，设计出各方面满足要求的关节是必然的趋势。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前大型空间服务机器人关节控制精度差、采用行星齿 轮传动导致关节质量大以至于机器人负载自重比小、控制电路安装在关节外部导致集成性 差的问题，提出了一种大型空间服务机器人关节。本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是所述关节包括电气装置、驱动装 置、关节前盖、关节内壳、关节输出壳、关节外壳、关节后盖、电路板连接件、圆柱形空心壳 体、谐波减速器、键、空心轴、力矩传感器和轴向法兰，关节前盖装在关节内壳上，且二者可 拆卸连接，关节内壳的尾部加工有轴向法兰，关节内壳设在关节外壳内，且二者可拆卸连 接，关节输出壳设在关节内壳与关节外壳之间，且关节输出壳转动连接在关节外壳上，关节 后盖装在关节输出壳内，且二者可拆卸连接，关节后盖的内孔与圆柱形空心壳体连接；电气装置设在关节内壳中，电气装置通过电路板连接件与关节内壳连接，驱动装 置与谐波减速器装在关节内壳上，所述驱动装置包括抱间缩紧螺母、抱间、第一旋转变压 器、电机传动轴、电机、小齿轮和大齿轮，抱闸缩紧螺母将抱闸锁紧，抱闸和第一旋转变压器 套在电机传动轴上，抱间和第一旋转变压器连接，电机传动轴的输出端与小齿轮传动连接， 小齿轮与大齿轮啮合；大齿轮通过键与空心轴传动连接，空心轴与谐波减速器制成一体， 圆柱形空心壳体设在空心轴内部，圆柱形空心壳体的尾部与关节后盖连接，谐波减速器与 力矩传感器的小直径端连接，力矩传感器设在关节输出壳内部且套在圆柱形空心壳体的外 部，且力矩传感器的大直径端与关节输出壳可拆卸连接。
本发明具有以下有益效果1.本发明具有高负载自重比本发明采用特有的驱动 装置带动谐波减速器的传动方案比国外同类装置在体积、质量相同的情况下，有着接近两 倍的驱动能力；由于关节采用电机、小齿轮和大齿轮及谐波减速器的传动方案，使得关节有 很高的输出力矩。同时在相同输出力矩的情况下，谐波减速器相比于行星减速器有着质量 轻的特点，因此本关节的负载自重比相当于其它大型空间机器人关节的两倍；2.本发明具 有高机械精度和控制精度由于谐波减速器作为整个关节的输出装置，使得关节可以实现 零回差。而现有大型空间机械臂的回差最高为3角分；由于采用了第一旋转变压器来控制 电机，使得电机的正旋成为可能，并且提高了电机控制精度。此外高精度第二旋转变压器用 来检测关节的实际位置，提高了关节的位置精度；3.本发明具有高智能电气装置作为关 节的控制部件，用来采集第一旋转变压器、第二旋转变压器、力矩传感器的信号，经过处理， 结合控制算法可以实现关节及机器人的柔顺控制。而力矩传感器用作大型空间机器人关节 的力感知部件，属首次出现；4.本发明高度集成电气装置集成在关节内部属首次，关节壳 体内集成了传动部件、传感部件以及控制电路，相比于其它大型空间机器人关节将电气装 置放在关节外部或者臂杆上，有很高的集成度；5.本发明具有在轨可更换功能关节内壳 上加工有轴向法兰，可以实现关节与臂杆的连接，或者是与关节的连接从而形成双自由度 关节组件，且拆卸方便，可实现轨更换，延长机器人在轨服务寿命。
图1是本发明的整体结构示意图，图2是驱动装置2的整体结构示意图，图3是电 气装置1的整体结构示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的关节包括电气装 置1、驱动装置2、关节前盖3、关节内壳4、关节输出壳5、关节外壳6、关节后盖7、电路板连 接件8、圆柱形空心壳体9、谐波减速器10、键11、空心轴12、力矩传感器13和轴向法兰15， 关节前盖3装在关节内壳4上，且二者可拆卸连接，关节内壳4的尾部加工有轴向法兰15， 关节内壳4设在关节外壳6内，且二者可拆卸连接，关节输出壳5设在关节内壳4与关节外 壳6之间，且关节输出壳5转动连接在关节外壳6上，关节后盖7装在关节输出壳5内，且 二者可拆卸连接，关节后盖7的内孔与圆柱形空心壳体9连接；电气装置1设在关节内壳4中，电气装置1通过电路板连接件8与关节内壳4连 接，驱动装置2与谐波减速器10装在关节内壳4上，所述驱动装置2包括抱间缩紧螺母2-1、 抱闸2-2、第一旋转变压器2-3、电机传动轴2-4、电机2-5、小齿轮2_6和大齿轮2_7，抱闸缩 紧螺母2-1将抱间2-2锁紧，抱间2-2和第一旋转变压器2-3套在电机传动轴2_4上，抱闸 2-2和第一旋转变压器2-3连接，电机传动轴2-4的输出端与小齿轮2-6传动连接，小齿轮 2-6与大齿轮2-7啮合；大齿轮2-7通过键11与空心轴12传动连接，空心轴12与谐波减 速器10制成一体，圆柱形空心壳体9设在空心轴12内部，圆柱形空心壳体9的尾部与关节 后盖7连接，谐波减速器10与力矩传感器13的小直径端连接，力矩传感器13设在关节输 出壳5内部且套在圆柱形空心壳体9的外部，且力矩传感器13的大直径端与关节输出壳5 可拆卸连接。
具体实施方式
二结合图3说明本实施方式，本实施方式的电气装置1由关节驱动 电路板1-1、第一支架1-2、关节控制电路板1-3、第二支架1-4、关节电源电路板1-5第三支 架1-6、关节接口电路板1-7和关节接口电路板压环1-8构成，关节驱动电路板1-1通过第 一支架1-2固定在电路板连接件8上，关节控制电路板1-3通过第二支架1-4固定在关节 控制电路板支架1-2上，关节电源电路板1-5通过第三支架1-6固定在关节电源电路板支 架1-4上，关节接口电路板1-7通过关节接口电路板压环1-8固定在关节接口电路板支架 1-6上，关节驱动电路板1-1、第一支架1-2、关节控制电路板1-3、第二支架1-4、关节电源电 路板1-5、第三支架1-6、关节接口电路板1-7和关节接口电路板压环1-8上设有同轴走线 通孔，此结构实现了中心孔走线，高度集成。其它组成及连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图1说明本实施方式，本实施方式的关节还包括第二旋转 变压器14，第二旋转变压器14装在关节外壳6内，且二者固接。关节旋转变压器14用来获 得高精度关节位置信息，保证关节控制精度。其它组成及连接关系与具体实施方式
一相同。工作原理电机2-5作为整个关节的动力装置，将电能转化为机械能，给关节提供 所需的输出功率。第一旋转变压器2-3用来检测电机转子的位置，它的存在是电机高精度 伺服控制的前提。同时抱闸2-2提供紧急情况下的制动力矩。关节的功率由电机2-5的转 子传到电机传动轴2-4，并由连接在电机传动轴2-4上的小齿轮2-6传递给大齿轮2-7，起 到减速增扭的作用。大齿轮2-7再次将功率通过空心轴12传递给谐波减速器10，起到第二 次减速增扭的作用。力矩经由谐波减速器10传递给力矩传感器13，最终输出到关节输出壳 5。力矩传感器13用来检测工作过程中关节的输出力矩，此数据可用于关节的柔顺控制，与 此同时可以提供过载保护，这就是本关节的力感知功能。电气装置1作为关节的控制部件，用来采集第一旋转变压器2-3、第二旋转变压器 14、力矩传感器13的信号，经过处理，结合控制算法控制电机2-5、抱闸2-2。电气装置1、第 一旋转变压器2-3、第二旋转变压器14、力矩传感器13提高了关节的智能程度，使关节的位 置控制以及柔顺控制成为可能。
权利要求
一种大型空间服务机器人在轨可更换关节，其特征在于所述关节包括电气装置(1)、驱动装置(2)、关节前盖(3)、关节内壳(4)、关节输出壳(5)、关节外壳(6)、关节后盖(7)、电路板连接件(8)、圆柱形空心壳体(9)、谐波减速器(10)、键(11)、空心轴(12)、力矩传感器(13)和轴向法兰(15)，关节前盖(3)装在关节内壳(4)上，且二者可拆卸连接，关节内壳(4)的尾部加工有轴向法兰(15)，关节内壳(4)设在关节外壳(6)内，且二者可拆卸连接，关节输出壳(5)设在关节内壳(4)与关节外壳(6)之间，且关节输出壳(5)转动连接在关节外壳(6)上，关节后盖(7)装在关节输出壳(5)内，且二者可拆卸连接，关节后盖(7)的内孔与圆柱形空心壳体(9)连接；电气装置(1)设在关节内壳(4)中，电气装置(1)通过电路板连接件(8)与关节内壳(4)连接，驱动装置(2)与谐波减速器(10)装在关节内壳(4)上，所述驱动装置(2)包括抱闸缩紧螺母(2 1)、抱闸(2 2)、第一旋转变压器(2 3)、电机传动轴(2 4)、电机(2 5)、小齿轮(2 6)和大齿轮(2 7)，抱闸缩紧螺母(2 1)将抱闸(2 2)锁紧，抱闸(2 2)和第一旋转变压器(2 3)套在电机传动轴(2 4)上，抱闸(2 2)和第一旋转变压器(2 3)连接，电机传动轴(2 4)的输出端与小齿轮(2 6)传动连接，小齿轮(2 6)与大齿轮(2 7)啮合；大齿轮(2 7)通过键(11)与空心轴(12)传动连接，空心轴(12)与谐波减速器(10)制成一体，圆柱形空心壳体(9)设在空心轴(12)内部，圆柱形空心壳体(9)的尾部与关节后盖(7)连接，谐波减速器(10)与力矩传感器(13)的小直径端连接，力矩传感器(13)设在关节输出壳(5)内部且套在圆柱形空心壳体(9)的外部，且力矩传感器(13)的大直径端与关节输出壳(5)可拆卸连接。
2.根据权利要求1所述大型空间服务机器人在轨可更换关节，其特征在于电气装置 (1)由关节驱动电路板(1-1)、第一支架(1-2)、关节控制电路板(1-3)、第二支架(1-4)、关 节电源电路板(1-5)、第三支架(1-6)、关节接口电路板(1-7)和关节接口电路板压环(1-8) 构成，关节驱动电路板(1-1)通过第一支架(1-2)固定在电路板连接件(8)上，关节控制 电路板(1-3)通过第二支架(1-4)固定在关节控制电路板支架(1-2)上，关节电源电路板 (1-5)通过第三支架(1-6)固定在关节电源电路板支架(1-4)上，关节接口电路板(1-7) 通过关节接口电路板压环(1-8)固定在关节接口电路板支架(1-6)上，关节驱动电路板 (1-1)、第一支架(1-2)、关节控制电路板(1-3)、第二支架(1-4)、关节电源电路板(1-5)、第 三支架(1-6)、关节接口电路板(1-7)和关节接口电路板压环(1-8)上设有同轴走线通孔。
3.根据权利要求1或2所述大型空间服务机器人在轨可更换关节，其特征在于所述关 节还包括第二旋转变压器(14)，第二旋转变压器(14)装在关节外壳(6)内，且二者固接。
全文摘要
一种大型空间服务机器人在轨可更换关节，它涉及一种机器人关节。本发明的目的是为了解决目前大型空间服务机器人关节控制精度差、采用行星齿轮传动导致关节质量大以至于机器人负载自重比小、控制电路安装在关节外部导致集成性差的问题。电机传动轴的输出端与小齿轮传动连接，小齿轮与大齿轮啮合；大齿轮通过键与空心轴传动连接，空心轴与谐波减速器制成一体，圆柱形空心壳体设在空心轴内部，圆柱形空心壳体的尾部与关节后盖连接，谐波减速器与力矩传感器的小直径端连接，力矩传感器设在关节输出壳内部且套在圆柱形空心壳体的外部，且力矩传感器的大直径端与关节输出壳可拆卸连接。本发明用于大型空间服务机器人上。
文档编号B25J17/00GK101913151SQ20101026378
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月26日 优先权日2010年8月26日
发明者刘宏, 史士财, 孙敬颋, 陈泓 申请人:哈尔滨工业大学