一种多功能小型机械臂的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种多功能小型机械臂，该机械臂重量轻、体积小，适用于高真空、高低温、多尘土环境，特别适于作为月面探测使用，该机械臂依次通过若干紧固固定件连接安装接口、第一连接件、第一驱动关节、第二连接件、第二驱动关节、第三连接件、所述臂杆、第四连接件、第三驱动关节以及锁紧释放机构构成。该机械臂的锁紧释放机构设计，具备发射和着陆段锁紧、工作时释放的功能，适用于发射、着陆时的振动和冲击；定子拼装式的电机具有一定的定位保持力矩，可实现机械臂在任意位置的加电、断电姿态保持功能。
【专利说明】一种多功能小型机械臂
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种机械臂，尤其涉及一种的适用于月面探测器的多功能小型机械臂。
【背景技术】
[0002]目前，月面巡视探测器机械臂是国家探月工程重要项目。机械臂在空间领域有众多成功应用，尤其在空间站和火星探测中广泛使用。目前有加拿大、日本、欧空局的空间站机械臂和美国的火星车机械臂，但这些机械臂因其功能强大均有很大的体积和重量，不适应我国现有的运载能力。且在温度环境恶劣、高真空、多月尘的月球表面，针对我国探月任务实际情况需要，业界对小型机械臂有所希冀，特别希望研发出适用于我国探月工程使用的机械臂。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种多功能小型机械臂，实现月面探测器机械臂体积小、质量轻，具备发射和着陆段锁紧、工作时释放的功能，并在断电等突发情况下具有位置保持功能。
[0004]为了实现上述目的，本发明提供的一种多功能小型机械臂，1.一种多功能小型机械臂，其特征在于，包括第一驱动关节、第二驱动关节、第三驱动关节、锁紧释放机构和辅助部件，其中，
所述辅助部件包括安装接口、第一连接件、第二连接件、第三连接件、第四连接件、若干紧固固定件以及臂杆，依次通过所述若干紧固固定件连接所述安装接口、所述第一连接件、所述第一驱动关节、所述第二连接件、所述第二驱动关节、所述第三连接件、所述臂杆、所述第四连接件、所述第三驱动关节以及所述锁紧释放机构，构成所述多功能小型机械臂；所述第一驱动关节、所述第二驱动关节以及所述第三驱动关节中均包括直流无刷电机、谐波减速器、旋转变压器、密封圈组件和结构件；
所述结构件包括谐波输入轴，轴承内座，轴承外座，旋变过渡件以及输出接口 ；
所述直流无刷电机与所述谐波输入轴机械连接固定；
所述谐波减速器与所述直流无刷电机以及所述轴承内座固定；
所述旋转变压器由旋转变压器定子和旋转变压器转子组成，所述旋转变压器转子固定在所述轴承内座上，所述旋转变压器定子与输出接口、所述旋变过渡件以及所述轴承外座连接固定，且所述旋转变压器定子保持与所述输出接口同步运动；
所述密封圈组件与所述直流无刷电机相连接；
所述锁紧释放机构主要包括底座、火工切割器、连接板、压紧组件以及弹簧顶杆组件，其中:
所述火工切割器、所述连接板、所述压紧组件以及所述弹簧顶杆组件均固定连接在底座上，且所述连接板为所述多功能小型机械臂提供操作其他对象的外部装置的接口，所述底座为所述多功能小型机械臂提供固定于用于操作其他对象的外部装置的安装接口；通过所述紧固固定件将所述连接板与所述第三驱动关节相连接，将所述锁紧释放机构与所述第三驱动关节相连接，所述压紧组件至少包括自上而下连接的捕获帽、缓冲垫、冲击帽、第一弹簧、加载螺母、压紧杆以及铝蜂窝；所述火工攻切割器与所述压紧杆连接，所述压紧组件通过所述加载螺母的预紧力使所述连接板和所述底座压紧，所述第一弹簧处于压缩状态；
所述弹簧顶杆组件至少包括钢球、第二弹簧以及顶杆外壳；所述钢球以及所述第二弹簧均放置在上端开口的顶杆外壳内，且所述钢球放置在所述第二弹簧上，所述钢球的上端抵在所述连接板的下表面，所述第二弹簧处于压缩状态。
[0005]较佳地，所述直流无刷电机由电机定子组件、电机转子组件、电机端盖以及传感器组件组成；所述电机转子组件与所述谐波输入轴机械连接固定；
所述电机转子组件至少包括轴、主磁钢、跟踪磁钢，所述轴为圆筒形的空心轴，所述跟踪磁钢贴覆固定在所述轴的内壁上，所述主磁钢贴覆固定在所述轴的外表面上；
所述电机定子组件由电机定子壳体以及电枢组成，所述电枢由若干宽定子齿块以及若干窄定子齿块绕所述电机定子壳体内圈拼装而成，且所述电枢中的所述宽定子齿块以及所述窄定子齿块为均匀地间隔排布的，所述若干宽定子齿块以及所述若干窄定子齿块均为绕有绕组的铁芯，所述电枢放置在电机定子壳体内；
所述传感器组件由印制电路板、霍尔传感器以及霍尔支架组成；在所述印制电路板上焊接所述霍尔传感器，所述印制电路板通过所述霍尔支架固定。
[0006]较佳地，所述传感器组件镶嵌固定在所述轴的内孔中，且所述传感器组件固定在所述电机端盖上。
[0007]较佳地，在所述主磁钢的两端分别设有第一槽、第二槽以及锁紧螺母，通过所述锁紧螺母在所述第一槽处拧紧，对主磁钢进行机械固定，所述轴与所述主磁钢在所述第二槽处进行机械固定。
[0008]较佳地，所述电机定子壳体的外表面采用了微弧氧化的工艺处理。
[0009]较佳地，所述密封圈组件由密封圈、密封圈载体和密封圈压紧环组成，密封圈装于密封圈载体与密封圈压紧环之间，所述密封圈载体与所述电机定子的壳体固定连接。
[0010]较佳地，所述结构件中还包括至少两限位块，在所述密封圈载体上设有至少两凸±夹，所述限位块与轴承外座以及输出接口固定连接，且保持与所述输出接口同步运动；所述凸块设置在所述限位块的运动路径上，使当所述限位块运动至所述凸块旁时，所述限位块能被所述凸块卡住。
[0011]较佳地，谐波减速器由所述由波发生器、刚轮以及柔轮组成；所述谐波输入轴与所述波发生器机械连接固定，所述直流无刷电机与所述谐波输入轴机械连接固定；所述刚轮通过所述轴承内座与所述电机定子壳体固定；所述谐波减速器输出转矩以及运动传递给所述旋转变压器定子以及所述输出接口。
[0012]较佳地，一 V型支架倒扣固定在所述底座上以及在所述连接板上设有凸台，且所述多功能小型机械臂不工作收拢时，所述凸台卡合固定在所述V型支架内。
[0013]较佳地，在所述锁紧释放装置中还包括一微动开关，所述微动开关固定在所述底座上。[0014]本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果:
1)该机械臂重量轻、体积小，适用于高真空、高低温、多尘土环境；
2)该机械臂的锁紧释放机构设计，具备发射和着陆段锁紧、工作时释放的功能，适用于发射、着陆时的振动和冲击环境；
3)该机械臂的锁紧释放机构设计了V型支架以及凸台结构，适用于机械臂不工作收拢时，放置整个设备移动过程中的颠簸；
4)该机械臂的整个传感器组件嵌入电机的轴的内孔，减小电机体积，同时为驱动关节中其他的后续设备提供空间，减小机械臂的体积；
5)该机械臂的定子拼装式电机具有一定的定位保持力矩，可实现机械臂在任意位置的加电、断电姿态保持功能。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明一种多功能小型机械臂的结构示意图；
图2为图1中第一驱动关节、第二驱动关节或第三驱动关节的结构示意图；
图3为本发明一种多功能小型机械臂的锁紧释放机构的结构剖视图；
图4为本发明一种多功能小型机械臂的压紧组件的结构剖视图；
图5为本发明一种多功能小型机械臂的弹簧顶杆组件的结构剖视图；
图6为本发明一种多功能小型机械臂的驱动关节转角范围示意图；
图7为本发明一种多功能小型机械臂的直流无刷电机的结构剖视图；
图8为图7中电枢拼装意图；
图9为图7中主磁钢的安装剖视图。
【具体实施方式】
[0016]下面参照附图和具体实施例来进一步说明本发明。
[0017]参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本【技术领域】的技术人员完全了解本发明的范围。
[0018]附图1-9所示的，作为本发明提供的一种多功能小型机械臂的较佳实施例，该机械臂包括第一驱动关节1、第二驱动关节2、第三驱动关节3、锁紧释放机构4和辅助部件，其中，辅助部件包括安装接口 51、第一连接件52、第二连接件53、第三连接件54、第四连接件55、若干紧固固定件以及臂杆56，安装接口 51为机械臂提供外部接口，用于为机械臂提供外部的固定连接，依次通过紧固固定件连接安装接口 51、第一连接件52、第一驱动关节1、第二连接件53、第二驱动关节2、第三连接件54、臂杆56、第四连接件55、第三驱动关节3以及锁紧释放机构4，构成多功能小型机械臂。
[0019]第一驱动关节1、第二驱动关节2以及第三驱动关节3中均包括直流无刷电机、谐波减速器15、旋转变压器、密封圈组件和结构件。
[0020]结构件包括谐波输入轴24，轴承内座13，轴承外座19，旋变过渡件20，输出接口 22以及限位块18。[0021]直流无刷电机包括电机转子组件11、电机定子组件12、电机端盖49以及传感器组件。电机转子组件11至少包括轴44、主磁钢43、跟踪磁钢46，轴44为圆筒形的空心轴，跟踪磁钢46贴覆固定在轴的内壁上，主磁钢43贴覆固定在轴的外表面上。在主磁钢43较佳的固定方式为在其两端分别设有第一槽431、第二槽432以及锁紧螺母433，通过锁紧螺母433在第一槽431处拧紧，对主磁钢43进行机械固定，轴44与主磁钢43在第二槽432处进行机械固定。电机定子组件12由电机定子壳体41以及电枢42组成，电枢42由若干宽定子齿块421以及若干窄定子齿块422绕定子壳体41内圈拼装而成，且电枢42中的宽定子齿块421以及窄定子齿块422为均匀地间隔排布的，若干宽定子齿块421以及若干窄定子齿块422均为绕有绕组的铁芯，电枢42拼装后压装入电机定子壳体41内；传感器组件由印制电路板48、霍尔传感器以及霍尔支架47组成。在印制电路板48上焊接霍尔传感器，印制电路板48通过霍尔支架47固定。
[0022]传感器组件镶嵌固定在轴44的内孔中，且传感器组件固定在电机端盖49上，可以减小电机的体积以及轴向尺寸，。定子拼装使电机具有一定的定位保持力矩，可实现机械臂在任意位置的加电、断电姿态保持功能。
[0023]电机定子壳体41外表面采用微弧氧化的工艺处理使其在太阳照射下吸收率小于发射率，适用于月球表面恶劣的环境。
[0024]如图8所示，每个单独的定子齿块被设计成宽、窄两种尺寸，定子齿块绕线后拼装成定子电枢42。拼装时，各齿块空间排布按照一件宽齿块、一件窄齿块进行均匀排布。定子电枢42加工完成后与电机定子壳体41进行压装组合成电机定子组件。定子拼装使电机具有一定的定位保持力矩，可实现机械臂在任意位置的加电、断电姿态保持功能。
[0025]在电机工作时，采用可靠的印制电路板以及霍尔传感器作为位置传感器组件，将位置传感器组件与电机本体设计成一体，通过检测跟踪转子位置，印制电路板中的集成电路产生反映转子位置的脉冲信号，然后通过外部控制器的脉冲分配器，控制末级功率晶体管轮流导通，依次给电机绕组轮流通电，使电机定子产生一个跳跃式的旋转磁场，拖动转子旋转，从而使电机正常运行。
[0026]谐波减速器15由波发生器、刚轮以及柔轮组成；电机转子组件11与谐波输入轴24机械连接固定；谐波输入轴24将电机转子组件11的转矩以及运动传递给波发生器，刚轮通过轴承内座13与电机定子组件12中的电机定子壳体固定；谐波减速器15输出转矩以及运动传递给旋转变压器定子21以及输出接口 22。
[0027]旋转变压器由旋转变压器定子21和旋转变压器转子23组成，旋转变压器转子23固定在轴承内座13上，旋转变压器定子21与输出接口 22、旋变过渡件20以及轴承外座19连接固定，且旋转变压器定子21保持与输出接口 22同步运动。
[0028]机械臂工作时，通过控制第一驱动关节1、第二驱动关节2以及第三驱动关节3中的多个或一个驱动关节，电机转子组件11通过谐波输入轴24将转矩以及运动信息传递至谐波减速器15，经谐波减速器15减速后输出转矩和运动。谐波减速器的刚轮与轴承内座13固连，始终保持不动。谐波减速器15输出的转矩与运动信息经传递至旋转变压器定子21，旋转变压器定子21与输出接口 22同步转动，通过输出接口 22带动相关连接件及臂杆转动，以实现机械臂的运动。旋转变压器定子21和旋转变压器转子23的相对运动作为运动控制信号反馈给外部控制器，以控制电机的运动。[0029]密封圈组件由密封圈17、密封圈载体14和密封圈压紧环16组成，密封圈17装于密封圈载体14与密封圈压紧环16之间,密封圈载体14与电机定子组件12中的电机定子壳体41固定连接，且在密封圈载体14上设有至少两凸块141，限位块18与轴承外座19以及输出接口 22固定连接，且保持与输出接口 22同步运动；凸块141设置在限位块18的运动路径上，使当限位块18运动至凸块141旁时，限位块18能被凸块141卡住。
[0030]如图6所示多功能小型机械臂驱动关节的转动范围示意图。对转角起到限制作用的主要是密封圈载体14上的凸块141和限位块18。密封圈载体14通过紧固件与电机定子壳体41相连，始终保持静止，限位块18通过紧固件与轴承外座19和输出接口 22相连，保持与输出接口 22同步运动。通过密封圈载体14上的凸块141和限位块18之间的位置关系确定关节的转角范围。可以通过改变密封圈载体14上两凸块141的位置改变关节的转角范围，保证功能的实现。
[0031]锁紧释放机构4主要包括底座25、火工切割器26、微动开关27、连接板28、压紧组件29以及弹簧顶杆组件30，其中:
火工切割器26、微动开关27、连接板28、压紧组件29以及弹簧顶杆组件30均固定连接在底座25上，且连接板28为多功能小型机械臂提供操作其他对象的外部装置的接口，底座25为多功能小型机械臂提供用于固定于其他对象的安装接口。
[0032]通过紧固固定件将连接板28与第三驱动关节3相连接，将锁紧释放机构4与第三驱动关节3相连接，压紧组件29至少包括自上而下连接的捕获帽31、缓冲垫32、冲击帽33、第一弹簧454、加载螺母455、压紧杆36以及铝蜂窝37 ;火工切割器42与压紧杆36连接，压紧组件29通过加载螺母的预紧力使连接板28和底座25压紧，第一弹簧34处于压缩状态，在冲击帽33上扣有捕获帽31，且捕获帽31内固定装有缓冲垫32，冲击帽33、第一弹簧34、加载螺母35、压紧杆36以及铝蜂窝37由上至下依次连固定。
[0033]弹簧顶杆组件30至少包括钢球38、第二弹簧39以及顶杆外壳40 ;钢球38以及第二弹簧39均放置在上端开口的顶杆外壳40内，且钢球38放置在第二弹簧39上，钢球38的上端抵在连接板28的下表面，第二弹簧39处于压缩状态。
[0034]微动开关27通过紧固固定件连接在底座25上。
[0035]在发射状态下，机械臂处于收拢锁紧状态，通过压紧组件29将连接板28和底座25之间压紧，第二弹簧39被压缩。机械臂由微动开关27判断初始位置信号。压紧的加载力由加载螺母35的预紧力保证。
[0036]解锁时，火工切割器26点火，切刀将压紧杆36切断为两段，切断过程产生沿压紧杆36拉伸方向的两个冲击力，冲击力大部分由铝蜂窝37吸收，同时，压紧杆上半段将在第一弹簧34的作用下完全收纳于捕获帽31与连接板28形成的腔体内，便于连接板28和底座25沿压紧面实现切向分离，区别于一般的抽拔压紧杆的方式。第二弹簧39释放预紧力，推动钢球38克服机械臂驱动关节的自保持力，将连接板28从底座25压紧面顶开一定距离，实现连接板28和底座25压紧面之间无摩擦切向分离，钢球38突出顶杆外壳40的高度决定连接板28与底座25的分离距离。机械臂的锁紧释放机构设计，适用于发射、着陆时的振动、冲击环境。
[0037]机械臂解锁后，处于行进间收拢状态下，底座25上的V型支架251以及在连接板28上设有凸台281，且所述多功能小型机械臂不工作收拢时，凸台281卡合固定在V型支架251内。由底座上的V型支架和连接板上的凸台的卡合实现机械臂沿其所在的巡视器等设备的前进方向的前后限位，适用于机械臂在移动过程中的颠簸环境。
[0038]综上所述，该机械臂重量轻、体积小，适用于高真空、高低温、多尘土环境，特别适于作为月面探测器使用。
[0039]上述公开的仅为本发明的具体实施例，该实施例只为更清楚的说明本发明所用，而并非对本发明的限定，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在保护范围内。
【权利要求】
1.一种多功能小型机械臂，其特征在于，包括第一驱动关节、第二驱动关节、第三驱动关节、锁紧释放机构和辅助部件，其中， 所述辅助部件包括安装接口、第一连接件、第二连接件、第三连接件、第四连接件、若干紧固固定件以及臂杆，依次通过所述若干紧固固定件连接所述安装接口、所述第一连接件、所述第一驱动关节、所述第二连接件、所述第二驱动关节、所述第三连接件、所述臂杆、所述第四连接件、所述第三驱动关节以及所述锁紧释放机构，构成所述多功能小型机械臂；所述第一驱动关节、所述第二驱动关节以及所述第三驱动关节中均包括直流无刷电机、谐波减速器、旋转变压器、密封圈组件和结构件； 所述结构件包括谐波输入轴，轴承内座，轴承外座，旋变过渡件以及输出接口 ； 所述直流无刷电机与所述谐波输入轴机械连接固定； 所述谐波减速器与所述直流无刷电机以及所述轴承内座固定； 所述旋转变压器由旋转变压器定子和旋转变压器转子组成，所述旋转变压器转子固定在所述轴承内座上，所述旋转变压器定子与输出接口、所述旋变过渡件以及所述轴承外座连接固定，且所述旋转变压器定子保持与所述输出接口同步运动； 所述密封圈组件与所述直流无刷电机相连接； 所述锁紧释放机构主要包括底座、火工切割器、连接板、压紧组件以及弹簧顶杆组件，其中: 所述火工切割器、所述连接板、所述压紧组件以及所述弹簧顶杆组件均固定连接在底座上，且所述连接板为所述多功能小型机械臂提供操作其他对象的外部装置的接口，所述底座为所述多功能小型机械臂提供固定于用于操作其他对象的外部装置的安装接口；通过所述紧固固定件将所述连接板与所述第三驱动关节相连接，将所述锁紧释放机构与所述第三驱动关节相连接，`所述压紧组件至少包括自上而下连接的捕获帽、缓冲垫、冲击帽、第一弹簧、加载螺母、压紧杆以及铝蜂窝；所述火工攻切割器与所述压紧杆连接，所述压紧组件通过所述加载螺母的预紧力使所述连接板和所述底座压紧，所述第一弹簧处于压缩状态； 所述弹簧顶杆组件至少包括钢球、第二弹簧以及顶杆外壳；所述钢球以及所述第二弹簧均放置在上端开口的顶杆外壳内，且所述钢球放置在所述第二弹簧上，所述钢球的上端抵在所述连接板的下表面，所述第二弹簧处于压缩状态。
2.如权利要求1所述的一种多功能小型机械臂，其特征在于，所述直流无刷电机由电机定子组件、电机转子组件、电机端盖以及传感器组件组成；所述电机转子组件与所述谐波输入轴机械连接固定； 所述电机转子组件至少包括轴、主磁钢、跟踪磁钢，所述轴为圆筒形的空心轴，所述跟踪磁钢贴覆固定在所述轴的内壁上，所述主磁钢贴覆固定在所述轴的外表面上； 所述电机定子组件由电机定子壳体以及电枢组成，所述电枢由若干宽定子齿块以及若干窄定子齿块绕所述电机定子壳体内圈拼装而成，且所述电枢中的所述宽定子齿块以及所述窄定子齿块为均匀地间隔排布的，所述若干宽定子齿块以及所述若干窄定子齿块均为绕有绕组的铁芯，所述电枢放置在电机定子壳体内； 所述传感器组件由印制电路板、霍尔传感器以及霍尔支架组成；在所述印制电路板上焊接所述霍尔传感器，所述印制电路板通过所述霍尔支架固定。
3.如权利要求2所述的一种多功能小型机械臂，其特征在于，所述传感器组件镶嵌固定在所述轴的内孔中，且所述传感器组件固定在所述电机端盖上。
4.如权利要求2所述的一种多功能小型机械臂，其特征在于，在所述主磁钢的两端分别设有第一槽、第二槽以及锁紧螺母，通过所述锁紧螺母在所述第一槽处拧紧，对主磁钢进行机械固定，所述轴与所述主磁钢在所述第二槽处进行机械固定。
5.如权利要求2所述的一种多功能小型机械臂，其特征在于，所述电机定子壳体的外表面采用了微弧氧化的工艺处理。
6.如权利要求2所述的一种多功能小型机械臂，其特征在于，所述密封圈组件由密封圈、密封圈载体和密封圈压紧环组成，密封圈装于密封圈载体与密封圈压紧环之间，所述密封圈载体与所述电机定子的壳体固定连接。
7.如权利要求6所述的一种多功能小型机械臂，其特征在于，所述结构件中还包括至少两限位块，在所述密封圈载体上设有至少两凸块，所述限位块与轴承外座以及输出接口固定连接，且保持与所述输出接口同步运动；所述凸块设置在所述限位块的运动路径上，使当所述限位块运动至所述凸块旁时，所述限位块能被所述凸块卡住。
8.如权利要求2所述的一种多功能小型机械臂，其特征在于，谐波减速器由所述由波发生器、刚轮以及柔轮组成；所述谐波输入轴与所述波发生器机械连接固定，所述直流无刷电机与所述谐波输入轴机械连接固定；所述刚轮通过所述轴承内座与所述电机定子壳体固定；所述谐波减速器输出转矩以及运动传递给所述旋转变压器定子以及所述输出接口。
9.如权利要求1所述的一种多功能小型机械臂，其特征在于，一V型支架倒扣固定在所述底座上以及在所述连接板上设有凸台，且所述多功能小型机械臂不工作收拢时，所述凸台卡合固定在所述V型支架内。
10.如权利要求1所述的一种多功能小型机械臂，其特征在于，在所述锁紧释放装置中还包括一微动开关，所述微动开关固定在所述底座上。
【文档编号】B25J17/00GK103659834SQ201310586383
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月21日 优先权日:2013年11月21日
【发明者】叶亮, 张玉花, 胡震宇, 王治易, 姜洪, 杨新海, 张洋 申请人:上海宇航系统工程研究所