专利名称：基于绝对位置测量的探月机械臂模块化关节的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种探月机械臂模块化关节。
背景技术：
月球探测器通过环绕月球飞行对月球表面的矿石和空间环境等进行探测。要更加 精确的分析月球表面的矿石及土壤，需要诸如月球探测车这样的能行走在月球表面的探测 器。月球探测车上携带的机械臂可以通过在末端放置各种地质分析仪器实现对月球表面 的探测。月球探测车机械臂模块化关节是月球探测车机械臂的主要组成部分，性能决定了 整个机械臂的可靠性、末端输出力矩、末端位置精度等各项主要性能。但目前机械臂模块化 关节的绝对位置传感器多采用电位计。电位计由于其质量轻、电路简单等特点，作为关节绝 对位置传感器在一体化关节中使用比较普遍，然而，电位计具有线性度较低、测量噪声大、 分辨率又受到A/D转换器限制等缺点，只采用电位计测得关节绝对角度信息无法满足关节 测量精度的要求。因此，在实际使用过程中都需要将电位计测量的关节位置信息与电机位 置信息进行融合才能得到满足控制要求的关节绝对位置信息，而数据融合算法一般比较烦 琐。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前机械臂模块化关节的绝对位置传感器采用电位计 不能直接提供关节位置信息的全局反馈，需要进行信号融合和融合算法比较烦琐的问题， 提供一种基于绝对位置测量的探月机械臂模块化关节。 本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是所述机械臂模块化关节包括输 入装置、输出装置、密封装置和电机换向装置，所述输入装置由直流无刷电机和外壳构成， 所述直流无刷电机装在外壳内，所述输出装置包括第一径向轴承外座、关节限位块、内圈挡 板、外圈挡板、角接触轴承外座、角接触轴承内座、第二径向轴承压盖、第二径向轴承、第二 径向轴承支承座、输入轴、背靠背双联角接触轴承、输入接口、第一径向轴承、输出法兰盘、 旋转变压器和谐波减速器；所述密封装置由密封装置法兰盘与0型圈组成；所述直流无刷 电机的转子磁轭的小直径端与输入接口的一端连接，所述谐波减速器的刚轮与角接触轴承 内座的内圈法兰固接，所述谐波减速器的柔轮的小直径端设在轴承外座的小直径端和输出 法兰盘的小直径端之间且轴承外座、柔轮和输出法兰盘固接，所述输入轴的一端通过第一 径向轴承固装在轴承外座的大直径端内，所述输入轴的另一端通过第二径向轴承固装在支 承座内，所述输入轴固装在输入接口内，所述输入轴外套有套筒，所述套筒位于第二径向轴 承与输入接口之间，压盖与支承座固接，所述电机换向装置的霍尔传感器支架固定在第二 径向轴承支承座上，所述电机换向装置的磁钢装在转子磁轭大直径端的内孔壁上，所述角 接触轴承内座大直径端的外壁与角接触轴承外座的内壁之间装有背靠背双联角接触轴承， 背靠背双联角接触轴承的一端靠在角接触轴承内座和角接触轴承外座之间相应位置的凸 肩上，背靠背双联角接触轴承的另一端分别用内圈挡板和外圈挡板轴向紧固，且内圈挡板与角接触轴承内座的外壁螺纹连接，外圈挡板与角接触轴承外座的内壁螺纹连接，所述角 接触轴承内座小直径端的外壁上装有旋转变压器的转子，所述旋转变压器的转子的一侧与 角接触轴承内座的台肩靠紧，所述旋转变压器的转子的另一侧通过旋转变压器锁紧螺母与 角接触轴承内座的一端紧固，所述旋转变压器的定子的小直径端装在支架与输出法兰盘的 大直径端之间，且支架的一端与输出法兰盘固接，支架的另一端与角接触轴承外座固接，所 述关节限位块固定在角接触轴承外座的大直径端面上，所述密封装置法兰盘的一端上设有 第一限位块，所述关节限位块与密封装置法兰盘的第一限位块对应设置，密封装置法兰盘 的另一端与外壳的大直径端固接，且密封装置法兰盘与外壳的固接处与角接触轴承内座的 外圈法兰固接，0型圈设在密封装置法兰盘与角接触轴承外座的外壁之间。
本发明具有以下有益效果本方案采用旋转变压器作为关节绝对位置传感器，虽 然其重量、体积稍大，但其精度高、不受电磁干扰、信号处理简单，无需数据融合；获得的关 节绝对位置信息，可直接用于关节的控制，从而简化了关节控制器程序的设计。而且在进 行关节控制时，关节的位置信息尤为重要，因为关节位置信息好时，可以直接对位置信息微 分，从而得到关节速度信息；实现关节的全状态反馈控制。这样从总体来说更节约成本，因 为可以省掉关节速度传感器，使结构更紧凑
图1是本发明的关节整体结构立体图，图2是本发明的关节整体结构主视剖面图， 图3是输入装置主视剖面图，图4是输出装置主视剖面图，图5是旋转变压器传动装置主视 剖面图，图6是角接触轴承内座的立体图，图7是角接触轴承内座的主视剖面图，图8是角 接触轴承外座的立体图，图9是角接触轴承外座限位块的立体图，图10是密封装置法兰盘 的立体图，图11是外圈挡板的立体图，图12是外圈挡板的主视剖面图，图13是内圈挡板的 立体图，图14是内圈挡板的主视剖面图，图15是霍尔传感器支架的立体图，图16是磁钢的 立体图，图17是输出法兰盘的立体图，图18是输出法兰盘的主视剖面图，图19是输入装置 外壳23的立体图，图20是输入装置外壳23的主视剖面图。
具体实施例方式
具体实施方式
一 结合图l征？ O说明本实施方式，本实施方式的机械臂模块化关 节包括输入装置A、输出装置B、密封装置C和电机换向装置D，所述输入装置A由直流无刷 电机和外壳23构成，所述直流无刷电机装在外壳23内，所述输出装置B包括第一径向轴承 外座2、关节限位块3、内圈挡板4、外圈挡板5、角接触轴承外座8、角接触轴承内座9、第二 径向轴承压盖17、第二径向轴承18、第二径向轴承支承座19、输入轴26、背靠背双联角接触 轴承28、输入接口 31、第一径向轴承32、输出法兰盘36、旋转变压器和谐波减速器；所述密 封装置C由密封装置法兰盘27与0型圈29组成；所述直流无刷电机的转子磁轭24的小 直径端与输入接口31的一端连接，所述谐波减速器的刚轮7与角接触轴承内座9的内圈法 兰38固接，所述谐波减速器的柔轮30的小直径端设在轴承外座2的小直径端和输出法兰 盘36的小直径端之间且轴承外座2、柔轮30和输出法兰盘36固接，所述输入轴26的一端 通过第一径向轴承32固装在轴承外座2的大直径端内，所述输入轴26的另一端通过第二 径向轴承18固装在支承座19内，所述输入轴26固装在输入接口 31内，所述输入轴26外套有套筒IO，所述套筒10位于第二径向轴承18与输入接口 31之间，压盖17与支承座19 固接，所述电机换向装置D的霍尔传感器支架20固定在第二径向轴承支承座19上，所述电 机换向装置D的磁钢14装在转子磁轭24大直径端的内孔壁上，所述角接触轴承内座9大 直径端的外壁与角接触轴承外座8的内壁之间装有背靠背双联角接触轴承28，背靠背双联 角接触轴承28的一端靠在角接触轴承内座9和角接触轴承外座8之间相应位置的凸肩上， 背靠背双联角接触轴承28的另一端分别用内圈挡板4和外圈挡板5轴向紧固，且内圈挡板 4与角接触轴承内座9的外壁螺纹连接，外圈挡板5与角接触轴承外座8的内壁螺纹连接， 所述角接触轴承内座9小直径端的外壁上装有旋转变压器的转子34，所述旋转变压器的转 子34的一侧与角接触轴承内座9的台肩靠紧，所述旋转变压器的转子34的另一侧通过旋 转变压器锁紧螺母35与角接触轴承内座9的一端紧固，所述旋转变压器的定子33的小直 径端装在旋转变压器支架1与输出法兰盘36的大直径端之间，且旋转变压器支架1的一端 与输出法兰盘36固接，旋转变压器支架1的另一端与角接触轴承外座8固接，所述关节限 位块3固定在角接触轴承外座8的大直径端面39上，所述密封装置法兰盘27的一端上设 有第一限位块40，所述关节限位块3与密封装置法兰盘27的第一限位块40对应设置，密封 装置法兰盘27的另一端与外壳23的大直径端固接，且密封装置法兰盘27与外壳23的固 接处与角接触轴承内座9的外圈法兰37固接，O型圈29设在密封装置法兰盘27与角接触 轴承外座8的外壁之间。 本发明采用直流无刷电机和谐波减速器联合驱动方式，具有安装方便、结构紧凑、 质量轻、功耗低、单位质量输出力矩大、传动可靠、发射成本低和使用寿命长优点；直流无刷 电机具有制动器的功能，代替了传统制动器，进一步减轻了关节的重量，降低发射成本；背 对背角接触球轴承增加了关节的刚度，抗倾覆力矩能力强；角接触轴承外座与密封装置法 兰盘之间采用接触式填料密封结构和机械限位结构，结构简单、可靠性高、整个关节防尘能
力强，可以有效避免外部灰尘的侵入，又可以避免由于突然的掉电或者其他原因对关节造 成的损害；本发明集成化程度高、结构紧凑、可靠性高、位置输出精度高、整体抗弯刚度大，
不仅能适应月球表面强辐射、低重力、大温差的环境的需要，而且还能完全适应地面环境中 的需要。
具体实施方式
二 结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的直流无刷电机由 转子11、定子12和转子磁轭24构成，所述定子12与转子11间隙设置，所述转子磁轭24设 在定子12内，所述转子磁轭24设在定子12内，所述转子磁轭24内径为28mm。其他组成及 连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图2、图4和图5说明本实施方式，本实施方式的谐波减速 器由柔轮30、刚轮7和波发生器6构成，所述刚轮7套装在柔轮30上，所述波发生器6装在 柔轮30内，所述柔轮30外径为26mm，所述刚轮外径为40mm。其他组成及连接关系与具体 实施方式一相同。
具体实施方式
四结合图2、图15和图16说明本实施方式，本实施方式的所述电 机换向装置D由霍尔传感器支架20、霍尔传感器21、霍尔传感器电路板22、磁钢14和第一 垫片13构成，所述磁钢14与霍尔传感器21对应设置，所述霍尔传感器电路板22与霍尔传 感器21焊接在一起，霍尔传感器电路板22通过第一垫片13与霍尔传感器支架20固接。其 他组成及连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
五结合图2、图4和图5说明本实施方式，本实施方式的旋转变压器的转子34的内径为25mm。其他组成及连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六结合图8说明本实施方式，本实施方式的角接触轴承外座8的大直径端面39上设有一组的第一螺纹孔。此种结构是用于关节自身连接和与其他连接件连接。其他组成及连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
七结合图19说明本实施方式，本实施方式的外壳23的一侧端面41上设有一组的第二螺纹孔。此种结构是用于关节自身连接和与其他连接件连接。其他组成及连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
八结合图2、图6、图7、图8、图10、图11、图12、图13、图14、图19和图20说明本实施方式，本实施方式的内圈挡板4、外圈挡板5、角接触轴承外座8、角接触轴承内座9、输入轴26、外壳23、第二径向轴承压盖17、第二径向轴承支承座19和密封装置法兰盘27均由钛合金制成。此种结构的优点是钛合金与轴承材料热膨胀系数相差较小，不会因轴承内环座、轴承外环座与轴承内外钢圈的热膨胀系数相差太大而使轴承卡死。其他组成及连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
九结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的输出装置B还包括调整垫片16，所述压盖17与第二径向轴承18之间设有调整垫片16。其他组成及连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
十结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的输出装置B还包括键25，所述输入轴26通过键25固装在输入接口 31内。其他组成及连接关系与具体实施方式
一相同。 工作原理直流无刷电机转子11带动转子磁轭24旋转，输入接口 31随转子磁轭24旋转带动波发生器6旋转，波发生器6将运动传递至柔轮30和刚轮7即谐波减速器工作，柔轮30将运动传递至输出法兰盘36，输出法兰盘36带动旋转变压器支架1以及转变压器定子33旋转，因为旋转变压器的转子34被旋转变压器锁紧螺母35锁定在角接触轴承内座9上，则旋转变压器的定子33旋转即是相对于旋转变压器的转子34运动，旋转变压器工作，测量关节的绝对位置。 电机换向装置的工作过程直流无刷电机转子11带动转子磁轭24旋转，安装在转子磁轭24内孔的磁钢14随转子磁轭24旋转，因为霍尔传感器支架20固定在第二径向轴承支承座19上，则磁钢14的旋转即是对霍尔传感器21的相对运动，霍尔传感器开始工作，测量电机的相对位置。
权利要求
一种基于绝对位置测量的探月机械臂模块化关节，其特征在于所述机械臂模块化关节包括输入装置(A)、输出装置(B)、密封装置(C)、电机换向装置(D)、旋转变压器支架(1)、套筒(10)、转子磁轭锁紧螺母(15)和旋转变压器锁紧螺母(35)，所述输入装置(A)由直流无刷电机和外壳(23)构成，所述直流无刷电机装在外壳(23)内，所述输出装置(B)包括第一径向轴承外座(2)、关节限位块(3)、内圈挡板(4)、外圈挡板(5)、角接触轴承外座(8)、角接触轴承内座(9)、第二径向轴承压盖(17)、第二径向轴承(18)、第二径向轴承支承座(19)、输入轴(26)、背靠背双联角接触轴承(28)、输入接口(31)、第一径向轴承(32)、输出法兰盘(36)、旋转变压器和谐波减速器；所述密封装置(C)由密封装置法兰盘(27)与O型圈(29)构成；所述直流无刷电机的转子磁轭(24)的小直径端与输入接口(31)的一端连接，所述谐波减速器的刚轮(7)与角接触轴承内座(9)的内圈法兰(38)固接，所述谐波减速器的柔轮(30)的小直径端设在轴承外座(2)的小直径端和输出法兰盘(36)的小直径端之间且轴承外座(2)、柔轮(30)和输出法兰盘(36)固接，所述输入轴(26)的一端通过第一径向轴承(32)固装在轴承外座(2)的大直径端内，所述输入轴(26)的另一端通过第二径向轴承(18)固装在支承座(19)内，所述输入轴(26)固装在输入接口(31)内，所述输入轴(26)外套有套筒(10)，所述套筒(10)位于第二径向轴承(18)与输入接口(31)之间，压盖(17)与支承座(19)固接，所述电机换向装置(D)的霍尔传感器支架(20)固定在第二径向轴承支承座(19)上，所述电机换向装置(D)的磁钢(14)装在直流无刷电机的转子磁轭(24)大直径端的内孔壁上，所述角接触轴承内座(9)大直径端的外壁与角接触轴承外座(8)的内壁之间装有背靠背双联角接触轴承(28)，背靠背双联角接触轴承(28)的一端靠在角接触轴承内座(9)和角接触轴承外座(8)之间相应位置的凸肩上，背靠背双联角接触轴承(28)的另一端分别用内圈挡板(4)和外圈挡板(5)轴向紧固，且内圈挡板(4)与角接触轴承内座(9)的外壁螺纹连接，外圈挡板(5)与角接触轴承外座(8)的内壁螺纹连接，所述角接触轴承内座(9)小直径端的外壁上装有旋转变压器的转子(34)，所述旋转变压器的转子(34)的一侧与角接触轴承内座(9)的台肩靠紧，所述旋转变压器的转子(34)的另一侧通过旋转变压器锁紧螺母(35)与角接触轴承内座(9)的一端紧固，所述旋转变压器的定子(33)的小直径端装在支架(1)与输出法兰盘(36)的大直径端之间，且旋转变压器支架(1)的一端与输出法兰盘(36)固接，旋转变压器支架(1)的另一端与角接触轴承外座(8)固接，所述关节限位块(3)固定在角接触轴承外座(8)的大直径端面(39)上，所述密封装置法兰盘(27)的一端上设有第一限位块(40)，所述关节限位块(3)与密封装置法兰盘(27)的第一限位块(40)对应设置，密封装置法兰盘(27)的另一端与外壳(23)的大直径端固接，且密封装置法兰盘(27)与外壳(23)的固接处与角接触轴承内座(9)的外圈法兰(37)固接，O型圈(29)设在密封装置法兰盘(27)与角接触轴承外座(8)的外壁之间。
2. 根据权利要求1所述基于绝对位置测量的探月机械臂模块化关节，其特征在于所述 直流无刷电机由转子(H)、定子(12)和转子磁轭(24)构成，所述定子(12)与转子(11)间 隙设置，所述转子磁轭(24)设在定子(12)内，所述转子磁轭(24)内径为28mm。
3. 根据权利要求1所述基于绝对位置测量的探月机械臂模块化关节，其特征在于所述 谐波减速器由柔轮(30)、刚轮(7)和波发生器(6)构成，所述刚轮(7)套装在柔轮(30)上， 所述波发生器(6)装在柔轮(30)内，所述柔轮(30)外径为26mm，所述刚轮外径为40mm。
4. 根据权利要求1或2所述基于绝对位置测量的探月机械臂模块化关节，其特征在于所述电机换向装置(D)由霍尔传感器支架(20)、霍尔传感器(21)、霍尔传感器电路板(22)、 磁钢(14)和第一垫片(13)构成，所述磁钢(14)与霍尔传感器(21)对应设置，所述霍尔传 感器电路板(22)与霍尔传感器(21)焊接在一起，霍尔传感器电路板(22)通过第一垫片 (13)与霍尔传感器支架(20)固接。
5. 根据权利要求1或2所述基于绝对位置测量的探月机械臂模块化关节，其特征在于 旋转变压器的转子(34)的内径为25mm。
6. 根据权利要求1所述基于绝对位置测量的探月机械臂模块化关节，其特征在于所述 角接触轴承外座(8)的大直径端面(39)上设有一组的第一螺纹孔。
7. 根据权利要求1所述基于绝对位置测量的探月机械臂模块化关节，其特征在于所述 外壳(23)的一侧端面(41)上设有一组的第二螺纹孔。
8. 根据权利要求1所述基于绝对位置测量的探月机械臂模块化关节，其特征在于所述 内圈挡板(4)、外圈挡板(5)、角接触轴承外座(8)、角接触轴承内座(9)、输入轴(26)、外壳 (23)、第二径向轴承压盖(17)、第二径向轴承支承座(19)和密封装置法兰盘(27)均由钛合 金制成。
9. 根据权利要求1所述基于绝对位置测量的探月机械臂模块化关节，其特征在于所述 输出装置(B)还包括调整垫片(16)，所述压盖(17)与第二径向轴承(18)之间设有调整垫 片(16)。
10. 根据权利要求1所述基于绝对位置测量的探月机械臂模块化关节，其特征在于所 述输出装置(B)还包括键(25)，所述输入轴(26)通过键(25)固装在输入接口 (31)内。
全文摘要
一种基于绝对位置测量的探月机械臂模块化关节，它涉及一种探月机械臂模块化关节。本发明的目的是目前机械臂模块化关节的绝对位置传感器采用电位计不能直接提供关节位置信息的全局反馈，需要进行信号融合和融合算法比较烦琐的问题。直流无刷电机装在外壳内，直流无刷电机的转子磁轭的小直径端与输入接口的一端连接，谐波减速器与角接触轴承内座固接，轴承外座、柔轮和输出法兰盘固接，输入轴固装在轴承外座内，输入轴固装在支承座内，输入轴固装在输入接口内，压盖与支承座固接，霍尔传感器支架固定在第二径向轴承支承座上，角接触轴承内座与角接触轴承外座之间装有背靠背双联角接触轴承。本发明用于对月球表面的矿石和空间环境进行探测。
文档编号B64G4/00GK101722512SQ20091031055
公开日2010年6月9日 申请日期2009年11月27日 优先权日2009年11月27日
发明者刘宏, 孙奎, 李操, 谢宗武, 黎田 申请人:哈尔滨工业大学