基于十字轴结构的软接触关节的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及空间机器人研宄和工程领域，具体是基于十字轴结构的软接触关节。
【背景技术】
[0002]随着空间科学技术的发展，未来对空间能源的开发和利用成为趋势，拓展以空间交互对接技术为基础的新型航天装备已经形成共识，空间对接技术及其操作机构已经成为航天技术的一个重要研宄领域，是空间在轨服务的关键技术，也是未来建设空间站的重要组成。实现空间交会对接技术，首先必须考虑两航天器的对接机构相互碰撞问题。在空间交会对接过程中，两航天器往往会发生相互接触碰撞，动量传递不对称，为避免航天器在碰撞过程中造成不必要的损伤变形，保证两对接航天器的安全，实现可靠对接，在对接机构上设计阻尼缓冲系统，实现具有动量卸载功能的软接触。
[0003]目前的空间对接技术所采用的对接机构中，主要有锥-杆式对接系统、飞网技术、电磁对接、刚性机械臂式等，以上对接机构特点是主要以柔性绳索为主要执行元件或通过在末端执行器设计相关机构捕获子系统；约束条件上要求两航天器之间相对位姿测量、跟踪、保持等方面满足高精度要求，对空间接触的瞬间位姿扰动要求也极高。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有空间机器人接触操作过程中能量冲击，两航天器在各种复杂空间条件下能量阶跃式传递的难题，提供基于十字轴结构的软接触关节，不仅实现了现有空间机器人刚性关节的运动规划功能，也可实现航天器接触过程中平稳软接触，降低当前空间操作硬接触带来的各种风险，拓展空间机器人操作的应用性。
[0005]为达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现的:
[0006]基于十字轴结构的软接触关节包括驱动传动机构、阻尼组件以及传感部件三部分。
[0007]所述的驱动传动机构主要包括由电机驱动单元一(203)、电机驱动单元二(313)、离合器一 (202)、离合器二 (314)、齿轮组、十字轴(107)、控制器(219)、壳体(101、102、106、206)、支架一 (103)、支架二 (105)、支架三(108)、支架四(319)和电机基座(220)组成的机械机构；阻尼组件包括由直线式磁流变阻尼器(307)、弹簧机构(309)、滑轨一(207)、滑轨二(212)、滑轨三(213)、滑轨四(312)、电磁制动滑块一(208)、滑块二(211)、滑块三(210)、滑块四(311)、滑动内壳(206)、滑动外壳(106)和支座(310)组成的直线阻尼组件，由旋转式磁流变阻尼器X(318)、旋转式磁流变阻尼器Y(214)、旋转式磁流变阻尼器Z (402)、扭簧机构X (317)、扭簧机构Y (217)、扭簧机构Z (404)、离合器X (316)、离合器Y(218)、制动器(406)、连接板一 (104)、连接板二 (109)、旋转轴Z(401)、旋转内壳(101)和旋转外壳(102)组成的旋转阻尼组件；传感部件由力矩传感器Χ(407)、力矩传感器Υ(302)、线位移传感器(308)、编码器Χ(320)、编码器Υ(215)和编码器Ζ(403)组成。
[0008]所述的电机驱动单元一(203)、离合器一(202)和控制器(219)固定于电机基座(220)，电机基座(220)固定在支架二(108)上，电机驱动单元二(203)和离合器二(314)固定于支架四(319)上。电机驱动单元主要包括:电机、编码器、齿轮减速器，电机齿轮一
(201)和电机齿轮二 (305) ο
[0009]所述的齿轮组包括齿轮一(204)、齿轮二(205)和齿轮三(301)、齿轮四(304)，其齿轮轴分别安装于支架一(103)、支架二(108)上，电机齿轮一(201)和齿轮一(204)、啮合传动，齿轮一(204)和齿轮二(205)啮合，齿轮三(301)与电机齿轮二(305)和齿轮四(304)啮合。齿轮一(204)和齿轮三(301)的轴分别安装于支架一(103)和支架二(108)、支架三
(105)和支架四(319)，齿轮二 (204)和齿轮四(304)固接于十字轴(107)。十字轴(107)安装在支架一(103)和支架二(105)和支架三(108)和支架四(319)上，四个支架对称分布在十字轴(107)四个轴上。
[0010]所述力矩传感器X(407)和力矩传感器Y(302)输入轴固接于十字轴(107)，其基体固接于支架一(103)和支架三(303)。
[0011]所述的支架一(103)与旋转外壳(102)通过连接板一(104)固接。
[0012]进一步，所述的滑轨一(207)、滑轨二(212)、滑轨三(213)和滑轨四(312)对称式分布，固定于滑动内壳(206)上，对应的电磁制动滑块一(208)、滑块二(211)、滑块三(210)和滑块四(311)固定于滑动外壳(106)上;通过滑轨一 (207)、滑轨二 (212)、滑轨三(213)、滑轨四(312)、电磁制动滑块一(208)、滑块二(211)、滑块三(210)、滑块四(311)使滑动内壳(206)和滑动外壳(106)之间发生相对滑动，并通过电磁控制相对滑动处于自由滑动模式或锁定模式。
[0013]所述的直线式磁流变阻尼器(307)、线位移传感器(308)和弹簧机构(309)的基体固定于滑动外壳(106)，阻尼器的导向杆通过连接板三(306)固定于滑动内壳(206)。
[0014]进一步，所述的旋转式磁流变阻尼器Χ(318)和编码器Χ(320)的基体安装于支架四(319)，旋转式磁流变阻尼器Y (214)和编码器Y (215)的基体安装于支架二(108)，他们的旋转轴是由十字轴(107)充当；旋转式磁流变阻尼器Ζ(402)、编码器Ζ(403)、扭簧机构Ζ(404)、制动器(406)的基体固定于旋转旋转内壳(101)，通过连接板四(405)固定于支架三(105)，其轴是旋转轴Z (401) ο
[0015]所述的旋转阻尼组件中的离合器Χ(316)和离合器Υ(218)的固定支座Χ(315)和支座Υ(216)分别固定于支架四(319)和支架二(108)，主动轴分别由所述齿轮一(204)、齿轮三(301)的轴充当；扭簧机构Χ(317)和扭簧机构Υ(217)是一端分别固定于支架一(103)和支架四(319)，一端分别固定于离合器Χ(316)和离合器Υ(218)的从动盘。
[0016]所述的旋转外壳(102)通过连接板一(104)和连接板二(109)分别与支架一(103)和支架二(105)固定，旋转内壳(101)和旋转外壳(102)之间通过轴承连接，实现相对转动。
[0017]与现有技术相比本发明有以下特点:
[0018]1.关节具有实现空间刚性关节操作的能力，具备俯仰和偏航两自由度的运动规划功能，同时具备接触操作的柔性特征。本发明由驱动传动机构组成，具有一般关节的驱动传动装置，采用行星齿轮减速机构，齿轮组转换方向，且关节运动角度范围为±90度，使关节实现两自由度运动，为机构提供末端操作负载驱动能力。本发明通过在刚性传动机构和阻尼组件之间设计的耦合部件一离合器、制动器和电磁制动滑块，实现四个阻尼组件对接触过程中动量进行卸载。将本发明关节放置于空间笛卡尔坐标系中，关节的俯仰和偏航两个方向分别作为X和Y轴；接触过程中，X、Y、Z旋转方向的动量被三个旋转阻尼组件卸载，Z轴直线的动量被直线阻尼组件卸载，x、Y轴直线方向的动量通过机械机构的传递与转换，被旋转阻尼组件卸载，因此关节可实现空间六维的动量卸载。
[0019]2.本发明中采用具有柔性可控阻尼系数的磁流变阻尼器，从而实现对关节的半主动控制。磁流变阻尼器具有能量消耗低、结构简单、阻尼力连续逆顺可调并且可调范围大、响应快、良好的温度稳定性以及可与微机控制结合等优良特性，因此可用于空间软接触关节中，从而减小冲击振动载荷、动量卸载、吸收碰撞动能。
【附图说明】
[0020]图1是本发明【具体实施方式】的整体外观结构示意图。
[0021]图2是本发明【具体实施方式】的内部结构示意图。
[0022]图3、4是本发明【具体实施方式】的局部内部结构示意图。
[0023]附图中的标号说明如下:
[0024]旋转内壳(101)、旋转外壳(102)、支架一(103)、连接板一(104)、支架三(105)、滑动外壳(106)