一种单驱动双自由度驱动装置的制作方法

本发明属于空间机构领域，特别涉及一种单驱动双自由度驱动装置。

背景技术：

鉴于目前技术水平的发展水平，采用具备特定功能的空间机构或空间机器人开展太空探索是目前各个航天科研机构的首要选择，空间轻小型机构及空间机器人末端执行机构也成为空间技术的重要领域。目前空间在用的典型执行机构美国机器人宇航员robonaut2的末端执行工具及国际空间站机械臂的SPDM末端，上述两种执行末端的驱动系统均采用单个电机驱动单个自由度，本发明公开的驱动系统可以采用单个电机实现两个自由度的运动，在原理上与目前现有驱动方式均不相同。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种单驱动双自由度驱动装置，该装置在单一驱动电机的驱动下，即可实现机构输出端的直线运动、旋转运动及直线回零运动，可有效解决空间展开机构、空间小型执行机构及空间机器人末端执行部件等空间机构对运动自由度与重量轻量化间的需求问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种单驱动双自由度驱动装置，该装置包括从下至上依次设置的驱动电机、减速机、滚珠丝杠、丝杠螺母、传动机构、以及运动切换部件。

驱动电机的输出轴连接减速机。

减速机的输出轴连接滚珠丝杠。

滚珠丝杠上设置丝杠螺母，滚珠丝杠用于将减速机的输出轴的回转运动转化为直线运动；

丝杠螺母上端面固连传动机构；当驱动电机和减速机工作时，传动机构在丝杠螺母的推动下，实现上下直线运动的输出；

运动切换部件与传动机构周向相连，在传动机构的向上运动达到一定范围时，带动传动机构周向运动，实现周向运动的输出。

进一步地，传动机构为一个下端具有凸缘的中空圆柱体，传动机构的中空部分容纳滚珠丝杠；传动机构的凸缘上端面设置止转杆顶杆，凸缘的边缘设置有若干凸起的到位凸台，凸缘上同时开设用于和丝杠螺母相连的丝杠螺母连接孔、用于和丝杠螺母导杆相连的丝杠螺母导杆孔；传动机构(5)上端作为输出轴、开设输出端连接孔。

运动切换部件包括止转杆以及切换头，切换头为一个上端设置环形凹槽的中空的阶梯圆柱；环形凹槽内部沿圆周均匀开多个设止转杆孔，两相邻止转杆孔之间为螺旋滑道，每个螺旋滑道的高度和螺旋方向均一致；切换头的下方设置丝杠螺母导杆；传动机构的上端穿过切换头的中空部分并伸出，其中丝杠螺母导杆插入到丝杠螺母导杆孔中，且止转杆顶杆与止转杆孔一致。

切换头上端，与各止转杆孔对应位置处设置止转杆滑道，止转杆滑道与传动机构固连，止转杆滑道具有上下两个开口；止转杆中央凸起有卡台，止转杆被卡台分为上下两部分，其中止转杆的上部与卡台均置于止转杆滑道内，止转杆的上部套接弹簧，止转杆下部卡接在止转杆孔内；

进一步地，止转杆顶杆与止转杆孔数量一致且为2。

进一步地，装置还包括外壳，其中驱动电机固定于外壳底部，减速机通过支架支撑于外壳内部，滚珠丝杠与减速机的支架轴承连接；切换头为三级阶梯圆柱，其中第一级和第二级阶梯之间通过轴承固定于外壳内。

优选地，轴承均为角接触球轴承。

进一步地，传动机构的输出轴转动方向与螺旋滑道下降方向一致。

有益效果：

1本发明中采用单一驱动源即实现了机构输出端的直线运动、旋转运动及直线回零运动，且各运动阶段不存在运动耦合；

2)本发明中单驱动双自由度机构结构紧凑、重量轻、可靠性高，特别适合对运动自由度要求高且对机构重量要求苛刻的空间机构/空间机器人领域。

附图说明

图1为本发明中单驱动双自由度机构组成示意图；

图2为本发明中在月壤初级封装装置中的应用示意图；

图3为本发明中驱动机构传动系统组成示意图；

图4为本发明中驱动轴结构示意图；

图5为本发明中运动切换部件结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1、一种单驱动双自由度驱动装置，该装置包括从下至上依次设置的驱动电机7、减速机8、滚珠丝杠11、丝杠螺母12、传动机构5、以及运动切换部件。

驱动电机7的输出轴连接减速机8。

减速机8的输出轴连接滚珠丝杠11。

滚珠丝杠11上设置丝杠螺母12，滚珠丝杠11用于将减速机8的输出轴的回转运动转化为直线运动。

丝杠螺母12上端面固连传动机构5；当驱动电机7和减速机8工作时，传动机构5在丝杠螺母12的推动下，实现上下直线运动的输出。

运动切换部件与传动机构5周向相连，在传动机构5的向上运动达到一定范围时，带动传动机构5周向运动，实现周向运动的输出。

本实施例中，传动机构5如图4所示，为一个下端具有凸缘的中空圆柱体，传动机构5的中空部分容纳滚珠丝杠11；传动机构5的凸缘上端面设置止转杆顶杆20，凸缘的边缘设置有若干凸起的到位凸台21，凸缘上同时开设用于和丝杠螺母12相连的丝杠螺母连接孔18、用于和丝杠螺母导杆23相连的丝杠螺母导杆孔19；传动机构5上端作为输出轴、开设输出端连接孔22；

运动切换部件如图5所示，包括止转杆15以及切换头13，切换头13为一个上端设置环形凹槽的中空的阶梯圆柱；环形凹槽内部沿圆周均匀开多个设止转杆孔，两相邻止转杆孔之间为螺旋滑道，每个螺旋滑道的高度和螺旋方向均一致；切换头13的下方设置丝杠螺母导杆23；传动机构5的上端穿过切换头13的中空部分并伸出，其中丝杠螺母导杆23插入到丝杠螺母导杆孔19中，且止转杆顶杆20与止转杆孔一致；

切换头13上端，与各止转杆孔对应位置处设置止转杆滑道17，止转杆滑道17与传动机构5固连，止转杆滑道17具有上下两个开口；止转杆15中央凸起有卡台，止转杆15被卡台分为上下两部分，其中止转杆15的上部与卡台均置于止转杆滑道17内，止转杆15的上部套接弹簧，止转杆15下部卡接在止转杆孔内；

本实施例中，如图5所示止转杆顶杆20与止转杆孔数量一致且为2。

本实施例中，装置还包括外壳，如图3所示，其中驱动电机7固定于外壳底部，减速机8通过支架支撑于外壳内部，滚珠丝杠11与减速机8的支架轴承连接；切换头13为三级阶梯圆柱，其中第一级和第二级阶梯之间通过轴承固定于外壳内。如图1所示，可将外壳分为尾罩1、驱动组件壳体2、驱动组件壳体盖3、驱动组件支架4。

本实施例中，轴承均为角接触球轴承。

传动机构5的输出轴转动方向与螺旋滑道下降方向一致。

实施例2、

本套驱动机构的运动过程如下：

1.运动初始阶段：在运动初始阶段，丝杆螺母12的下端面与减速机连接支架10的上端面接触，丝杆螺母12与输出端驱动轴5的组合体位于下限位，丝杠螺母导杆23位于丝杠螺母导杆孔19中，限制丝杠螺母12与输出端驱动轴5组合体的圆周向运动；止转杆顶杆20与止转杆15无接触，在推杆弹簧16的作用下，2个止转杆15处于左运动切换孔26及右运动切换孔27中，限制运动切换部件13的圆周向运动；驱动组件支架4、驱动组件壳体3、大角接触球轴承14共同限制运动切换部件13的直线运动；

2.直线运动阶段：驱动电机7通过减速机8驱动滚珠丝杠11转动，丝杠螺母12与输出端驱动轴5组合体将在丝杠螺母导杆23的导向下，机构输出端做直线向上运动；随着运动位移的逐步增加，止转杆顶杆20将逐步运动并进入到左运动切换孔26及右运动切换孔27中，与止转杆15接触，并推动止转杆15向上运动；直到到位凸台21与运动切换部件13的下端面接触，直线运动停止，此时止转杆15将正好全部退出左运动切换孔26及右运动切换孔27，将不再对运动切换部件13的圆周向运动进行约束；

3.圆周运动阶段：在直线运动达到上限位后，当驱动电机7继续维持原有运动时，在到位凸台21与运动切换部件13的下端面接触摩擦力的作用下，运动切换部件13将与大角接触球轴承14的内圈一起开始圆周向转动；与此同时，止转杆15在推杆弹簧16的作用下，进入到前螺旋滑道24及后螺旋滑道25中沿螺旋滑道滑动；两个止转杆在螺旋滑道中滑动时，每半个圆周将出现一次台阶冲击，但只要电机转向不发生变化，机构输出端将持续旋转运动；

4.机构回零运动阶段：当机构输出端需要回归运动初始位置时，在圆周运动的基础上，驱动电机7仅需停止后反向运动，最大在半个圆周的回差范围内，止转杆15将滑动到左运动切换孔26及右运动切换孔27，处于止转顶杆20的正上方；驱动电机7继续反向运动时，受左运动切换孔26及右运动切换孔27反向台阶的约束限制，止转杆15将无法进入到前螺旋滑道24及后螺旋滑道25中，并限制运动切换部件13的反向圆周运动；与此同时，丝杠螺母12与输出端驱动轴5组合体将在丝杠螺母导杆23的导向下，机构输出端做直线向下的回零运动，直到丝杆螺母12的下端面与减速机连接支架10的上端面接触，机构回零运动完成，机构输出端将再次处于运动初始位置。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。