专利名称：一种宇航员空间活动可达域检测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于航天领域，具体来说涉及一种检测宇航员双手可以达到的区域的装置。
背景技术：
宇航员太空行走的目的是完成太空作业，比如修复载人航天器或其它航天器上的 受损部件。空间站的建设更是需要航天员进行多次出舱活动，才能在轨组装建成。登月活 动更是体现了航天员在太空行走和太空作业的巨大作用，为人类进入外层空间和其它星球 打下了良好的基础。宇航员身穿舱外服后对人体的操作能力不可避免地产生一些限制。穿 着舱外服的宇航员双手可以达到的范围，可以完成一定操作的范围以及眼睛可以观察的范 围都应该经过详细的检测，以便为需在太空完成组装以及维修的操作件的设计提供数据。200810063923. 6 “舱外航天服手套关节力学性能测试系统平台”发明了一种舱外 航天服手套关节力学性能测试平台。航天服手套加压支撑装置和立板设置在底座上，手套 腕部固定装置、手掌位置调整装置、电气测控系统、拇指位置调整装置、拇指测量装置与立 板固接，食指测量装置和中指测量装置与手掌位置调整装置连接，指尖真空吸附装置与拇 指、食指、中指测量装置连接，气体控制系统与指尖真空吸附装置连通。200510013035. 8 “坐标测量机”设计了一种坐标测量机，用于测定被测物体表面 上许多点的坐标，包括支承梁，其将测量头支承在支承着坐标待测的测试物体的支撑台的 表面上，该坐标测量机由分别制造的单元组成，所述单元包括至少一个支承梁、一个测量车 和一个测量头，并且在支承梁支承测量车的地方被设置成使得它可以沿支承梁移动，该测 量车继而支承着测量头。机械连接点被设计成使得当所述单元连接到一起时不发生几何变 形，并使得单独制造的单元可以简单地连接到坐标测量机上。200710064929. 0 “一种主被动关节臂式测量机器人”，设计了一种主被动关节臂式 测量机器人，它包括依次连接的I轴组件、II轴组件、III轴组件、IV轴组件和V轴组件；其 特征在于各轴组件分别设置有电机带动的传动装置和主被动切换装置，测量各轴输出转 角的编码器分别直接连接各轴组件的输出轴，或通过相应的几何关系间接连接各轴组件的 输出轴。该发明结合传统三坐标测量机和现有被动关节臂式测量机两者的优势，同时弥补 了传统工业机器人的精度问题和被动式关节臂式测量臂只能被动采集数据的不足，既具有 较高的测量精度，同时还可以主动进行轨迹规划。编码器可以采集到各关节轴的最后运动 转角，而避免了步进电机丢步和谐波减速器各部件之间的机械误差。
发明内容
本发明是一种检测宇航员双手可以达到的区域的装置。本发明是这样实现的一种宇航员空间活动可达域检测装置，该检测装置包括伺服升降机构组成、固定臂组成、第一动臂组成、第二动臂组成和第三动臂组成、关节轴组成、第一、第二和第三动臂转角传感器组成。固定臂组成中的固定臂底板通过螺钉连接在伺服升降机构组成中的两侧的滑动 导轨上安装的两个滑块上，固定臂组成中的驱动螺母连接在伺服升降机构组成中的滚珠丝 杠上。关节轴组成中的关节轴穿过固定臂组成中的固定臂方管上的通孔，支撑于关节轴 组成中的关节轴锥轴承和关节轴球轴承中，通过螺钉和关节轴组成中的关节轴底板将关节 轴组成固定在固定臂组成中的固定臂方管上，形成固定臂组成和第一动臂组成间的转动 副。第一动臂转角传感器组成中的第一动臂转角传感器通过双头螺纹轴与关节轴组 成中的关节轴连接，第一动臂转角传感器组成中的U形架通过螺钉将第一动臂转角传感器 组成固定在第一动臂组成的关节轴轴承套的法兰上。第一动臂组成和第二动臂组成之间的连接，第二动臂组成和第三动臂组成之间的 连接与固定臂组成和第一动臂组成之间的连接相同，并形成转动副。当第三动臂组成端部的扶手把被宇航员拉动时，第一动臂组成、第二动臂组成、第 三动臂组成都能绕其关节轴组成中的关节轴旋转，所旋转的角度被各自的转角传感器检 测。本发明的有益效果本发明提供了一种宇航员空间活动双手可以达到的区域的检测装置，可以用于检 测宇航员的可操作范围，为太空站建设的操作件布置提供依据，可以提高太空站建设时宇 航员在太空进行安装操作的成功率。
图1宇航员双手可达域检测装置的结构示意图。图2三轴检测臂结构示意图。图3关节轴、动臂、转角传感器连接局部放大图。图4固定臂正视图。图5固定臂剖视图。图6关节轴底板示意图。图7关节轴示意图。图8关节轴侧视图。图9宇航员双手可达域检测装置电控系统示意图。附图中伺服电机1，联轴器2，滚珠丝杠3，滑动导轨4，固定底板5，螺栓6，上轴 承座7，扶手把8，下轴承座9，膨胀螺栓10，宇航员11，固定臂底板12，螺钉13，螺钉14，关 节轴底板15，关节轴锥轴承16，关节轴轴承套17，固定臂方管18，筋板19，关节轴20，螺钉 21，关节轴球轴承22，螺母23，U形架24，第一动臂转角传感器25，螺钉26，第一动臂27，第 二动臂转角传感器28，第二动臂29，第三动臂转角传感器30，第三动臂31，方端头32，螺钉 33，双头螺纹轴34，紧定螺钉35，垫片36，滑块37，螺钉38，驱动螺母39，螺钉40，轴承45， 固定臂组成50，第一动臂组成60，第二动臂组成70，第三动臂组成80。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。图1为一种宇航员空间活动可达域检测装置，见图1、2。该检测装置包括伺服升 降机构组成、固定臂组成50、第一动臂组成60、第二动臂组成70和第三动臂组成80、关节轴 组成、第一、第二和第三动臂转角传感器组成。首先介绍本发明的各个组成部分一、伺服升降机构组成包括伺服电机1、联轴器2、滚珠丝杠3、滑动导轨4、固定底 板5、上轴承座7、下轴承座9、滑块37、轴承45。所述零件的连接为固定底板5为一块矩形钢板，其四角设置四个通孔，并通过该通孔用膨胀螺栓10 将固定底板5竖直安装在墙面上。在固定底板5的中心竖直方向上端通过螺栓6安装上轴承座7，下端安装下轴承座 9，滚珠丝杠3安装在上轴承座7和下轴承座9各自的轴承45中，在上轴承座7的上端面开 有止口和通孔，伺服电机1安装在该止口中，并用螺栓固定。伺服电机的驱动轴和滚珠丝杠 3的上端轴用联轴器2连接。在滚珠丝杠3的两侧，对称、平行地用螺栓安装滑动导轨4，每 侧的滑动导轨4上安装两个滑块37，两侧共四个滑块37用于通过螺钉38和固定臂底板12 连接。二、固定臂组成50见图4、5，它包括固定臂底板12、固定臂方管18，筋板19、驱动 螺母39。见图5，在固定臂方管18的端头附近上下平面上同轴开有通孔b，并在下平面上沿 通孔的四周对称开设4个螺孔，孔距和关节轴底板15的四周的通孔相同，用于其间的连接。所述零件的连接为固定臂底板12断面为L形，固定臂方管18的无孔端焊接在固 定臂底板12的L形的长边中心，四面焊接筋板19加强，驱动螺母39安装于固定臂底板12 的L形短边中心开的通孔a中，并通过四个螺钉40将驱动螺母39的法兰固定在固定臂底 板12的短边上。这样当伺服电机1转动时，通过联轴器2驱动滚珠丝杠3旋转，滚珠丝杠3上的驱 动螺母39带动固定臂底板12移动，从而实现固定臂底板12的上下移动，所移动的距离由 伺服电机1中的旋转编码器测量。三、第一动臂组成60，见图2、3，它包括关节轴锥轴承16、关节轴轴承套17、关节 轴球轴承22、第一动臂27。第一动臂27由方管制成，在其一端设一安装关节轴轴承套17的通孔，其另一端设 用于安装关节轴20的通孔，见图3。关节轴轴承套17设一阶梯内孔，其一阶梯内孔和关节轴锥轴承16的外圈相配合， 另一阶梯内孔和关节轴球轴承22的外圈相配合。所述零件的连接为关节轴轴承套17安装在第一动臂27—端的通孔中，其法兰焊 接在第一动臂27上，在关节轴轴承套17两端的阶梯孔中分别安装关节轴锥轴承16和关节 轴球轴承22。第二动臂组成70中仅第二动臂29和第一动臂27长度不同外，其它结构和尺寸与 第一动臂组成60相同。
四、关节轴组成包括关节轴底板15、关节轴20，见图6、7、8。关节轴20是一阶梯轴，关节轴锥轴承16安装在其轴肩上；关节轴20的一个端面 的中心设一螺孔d，另一端面上均布4个螺纹孔c，见图7。关节轴底板15为四角有通孔的平板，在其中部圆周均布四个通孔，这五个通孔的 位置和图7所示的关节轴20底部孔相对应。四个通孔用于关节轴组成与所述零件的连接为通过四个螺钉13与关节轴20 —端的均布的螺纹孔连接将关 节轴20与关节轴底板15固定在一起。五、第三动臂组成80包括扶手把8、、第三动臂31、方端头32。所述零件的连接为第三动臂31的无孔端焊接正四方体的方端头32的一个面上， 与其面垂直的四个面上各安装一个扶手把8，便于宇航员11握住。在第三动臂31的另一端和第二动臂29的左端结构、尺寸及连接相同。六、第一动臂转角传感器组成包括倒放的U形架24、第一动臂转角传感器25、双 头螺纹轴34、紧定螺钉35、垫片36、螺母23，见图3。双头螺纹轴34的一端的中心设一沉孔，其侧面设置螺纹孔，沉孔用于安装第一动 臂转角传感器25的轴，螺纹孔用于用紧定螺钉35固定第一动臂转角传感器25的轴。所述构成第一动臂转角传感器组成零件的连接为第一动臂转角传感器25的壳 体和倒放的U形架24用螺钉26连接，U形架24的法兰和关节轴轴承套17的螺孔通过螺钉 21连接。双头螺纹轴34的无孔端拧入关节轴20的轴端螺孔中，通过垫片36和螺母23压 紧关节轴球轴承22的内圈；双头螺纹轴34的轴端孔和第一动臂转角传感器25的轴配合， 并用紧定螺钉35固定。第二、三动臂转角传感器(28、30)型号与第一动臂转角传感器25相同。由其构成 的第二、三动臂转角传感器组成与第一动臂转角传感器组成也相同。这样当第一动臂27被外力推动相对于关节轴20旋转时，所转的角度可以被第一 动臂转角传感器25检测。第二和第三动臂转角传感器组成和第一动臂转角传感器组成相同。本发明各组成的装配方式一种宇航员空间活动可达域检测装置，该检测装置包括伺服升降机构组成、固定 臂组成50、第一动臂组成60、第二动臂组成70和第三动臂组成80、关节轴组成、第一、第二 和第三动臂转角传感器组成。固定臂组成50中的固定臂底板12通过螺钉连接在伺服升降机构组成中的两侧的 滑动导轨4上安装的两个滑块37上，固定臂组成中的驱动螺母39连接在伺服升降机构组 成中的滚珠丝杠3上。关节轴组成中的关节轴20穿过固定臂组成50中的固定臂方管18上的通孔，支撑 于关节轴组成中的关节轴锥轴承16和关节轴球轴承22中，通过螺钉14和关节轴组成中的 关节轴底板15将关节轴组成固定在固定臂组成中的固定臂方管18上，形成固定臂组成50 和第一动臂组成60间的转动副。第一动臂转角传感器组成中的第一动臂转角传感器25通过双头螺纹轴34与关节 轴组成中的关节轴20连接，第一动臂转角传感器组成中的U形架24通过螺钉将第一动臂 转角传感器组成固定在第一动臂组成的关节轴轴承套17的法兰上。
第一动臂组成60和第二动臂组成70之间的连接，第二动臂组成70和第三动臂组 成80之间的连接与固定臂组成50和第一动臂组成60之间的连接相同，并形成转动副。当第三动臂组成80端部的扶手把8被宇航员11拉动时，第一动臂组成60、第二动 臂组成70、第三动臂组成80都能绕关节轴组成中的关节轴20旋转，所旋转角度被各自的转 角传感器检测。本发明作用介绍如下当宇航员11握住扶手把8，并沿手臂的极限位置转动时，第三动臂31、第二动臂29和第一动臂27都绕各自的关节轴转动，所转动的角度由各自的转角传感器检测，通过数据 卡实时传送给计算机。计算机的软件计算出所有各点位置的坐标值，由计算机保存，并实时 显示在计算机屏幕上。由计算机的软件发出让机械臂上升一定的距离的指令，通过数据卡传输给电机控制器，电机控制器发出信号驱动伺服电机1，伺服电机1转动，驱动滚珠丝杠3转动，驱动固 定臂底板12以及整个与之相连的三轴检测臂一起向上移动一定的距离。在该高度上宇航 员11握住扶手把8，并沿手臂的极限位置转动，则能检测出该高度上的宇航员手的可达区 域。在多个高度上检测到可达域，再由计算机软件计算出空间的域，此空间域即为宇航员的 手的可达域。
权利要求
一种宇航员空间活动可达域检测装置，其特征在于该检测装置包括伺服升降机构组成、固定臂组成(50)、第一动臂组成(60)、第二动臂组成(70)和第三动臂组成(80)、关节轴组成、第一、第二和第三动臂转角传感器组成；固定臂组成(50)中的固定臂底板(12)通过螺钉连接在伺服升降机构组成中的两侧的滑动导轨(4)上安装的两个滑块(37)上，固定臂组成中的驱动螺母(39)连接在伺服升降机构组成中的滚珠丝杠(3)上；关节轴组成中的关节轴(20)穿过固定臂组成(50)中的固定臂方管(18)上的通孔，支撑于关节轴组成中的关节轴锥轴承(16)和关节轴球轴承(22)中，通过螺钉(14)和关节轴组成中的关节轴底板(15)将关节轴组成固定在固定臂组成中的固定臂方管(18)上，形成固定臂组成(50)和第一动臂组成(60)间的转动副；第一动臂转角传感器组成中的第一动臂转角传感器(25)通过双头螺纹轴(34)与关节轴组成中的关节轴(20)连接，第一动臂转角传感器组成中的U形架(24)通过螺钉将第一动臂转角传感器组成固定在第一动臂组成的关节轴轴承套(17)的法兰上；第一动臂组成(60)和第二动臂组成(70)之间的连接，第二动臂组成(70)和第三动臂组成(80)之间的连接和固定臂组成(50)与第一动臂组成(60)之间的连接相同，并形成转动副；当第三动臂组成(80)端部的扶手把(8)被宇航员(11)拉动时，第一动臂组成(60)、第二动臂组成(70)、第三动臂组成(80)都能绕其关节轴组成中的关节轴(20)旋转，所旋转的角度被各自的转角传感器检测。
2.根据权利要求1所述的一种宇航员空间活动可达域检测装置，其特征在于伺服升 降机构组成包括伺服电机(1)、联轴器(2)、滚珠丝杠(3)、滑动导轨(4)、固定底板(5)、上 轴承座(7)、下轴承座(9)、滑块(37)、轴承(41)；所述零件的连接为四个滑块(37)分别安装在左、右滑动导轨(4)上，滑动导轨(4)固 定在固定底板(5)上；滚珠丝杠(3)支撑在安装在上下轴承座(7)、(9)中各自的轴承中。
3.根据权利要求1所述的一种宇航员空间活动可达域检测装置，其特征在于第一动 臂组成(60)包括第一关节轴锥轴承(16)、第一关节轴轴承套(17)、第一关节轴球轴承 (22)、第一动臂(27)；所述零件的连接为第一关节轴轴承套(17)安装在第一动臂(27) —端的通孔中，其法 兰焊接在第一动臂(27)上，在第一关节轴轴承套(17)两端的阶梯孔中分别安装第一关节 轴锥轴承(16)和第一关节轴球轴承(22)；第二动臂组成(70)中仅第二动臂(29)和第一动臂(27)长度不同外，其它结构尺寸与 第一动臂组成(60)相同。
4.根据权利要求1所述的一种宇航员空间活动可达域检测装置，其特征在于第三动 臂组成(80)包括扶手把(8)、第三动臂转角传感器(30)、第三动臂(31)、方端头(32)；所述零件的连接为第三动臂(31)的无孔端焊接正四方体的方端头(32)的一个面上， 与其面垂直的四个面上各安装一个扶手把(8)；在第三动臂(31)另一端和第二动臂(29)的左端结构、尺寸及连接相同。
5.根据权利要求1所述的一种宇航员空间活动可达域检测装置，其特征在于固定臂组成(50)包括固定臂底板(12)、固定臂方管(18)，筋板(19)、驱动螺母(39)；所述零件的连接为固定臂方管(18)的无孔端焊接在固定臂底板(12)的L形的长边 中心，四面焊接筋板(19)加强，驱动螺母(39)安装于固定臂底板(12)的L形短边中心开的 通孔(a)中，并通过螺钉(40)将驱动螺母(39)的法兰固定在固定臂底板(12)的短边上。
6.根据权利要求1所述的一种宇航员空间活动可达域检测装置，其特征在于关节轴 组成包括关节轴底板(15)、关节轴(20)；所述零件的连接为通过螺钉(13)与关节轴(20) —端的均布的螺纹孔连接将关节轴 (20)与关节轴底板(15)固定在一起。
7.根据权利要求1所述的一种宇航员空间活动可达域检测装置，其特征在于第一动 臂转角传感器组成包括倒放的U形架(24)、第一动臂转角传感器(25)、双头螺纹轴(34)、 紧定螺钉(35)、垫片(36)、螺母(23)；所述零件的连接为第一动臂转角传感器(25)的壳体和倒放的U形架(24)用螺钉 (26)连接，U形架(24)的外端法兰和关节轴轴承套(17)的螺孔通过螺钉(21)连接；双头 螺纹轴(34)的无孔端拧入关节轴(20)的轴端螺孔中，通过垫片(36)和螺母(23)压紧关节 轴球轴承(22)的内圈；双头螺纹轴(34)的轴端孔和第一动臂转角传感器(25)的轴配合， 并用紧定螺钉(35)固定。第二和第三动臂转角传感器组成和第一动臂转角传感器组成相同。
全文摘要
本发明公开了一种宇航员空间活动可达域检测装置，属于航天检测领域。该检测装置的固定臂底板连接在伺服升降机构中两侧的滑动导轨上安装的滑块上，固定臂组成中的驱动螺母连接在伺服升降机构组成中的滚珠丝杠上；固定臂、第一、第二、第三动臂之间用关节轴形成转动副，转角由转角传感器检测。当第三动臂端部的扶手把被宇航员拉动时，第一、第二、第三动臂都能绕各自的关节轴旋转，所旋转角度可以被各自的转角传感器检测。计算机根据所检测的角度信号计算出扶手把的平面坐标，根据伺服电机的信号计算垂直坐标，从而画出宇航员双手可达到的空间区域，为太空站建设的操作件布置提供依据。
文档编号B25J19/00GK101829999SQ20101016074
公开日2010年9月15日 申请日期2010年4月26日 优先权日2010年4月26日
发明者吕宠, 周明连, 张春, 张玉堃, 文剑, 王彦超, 赵鑫 申请人:北京交通大学