專利名稱：空間機械臂垂直式模塊化關節(jié)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種空間機械臂的關節(jié)。
技術背景最近一二十年以來，我國空間技術發(fā)展迅速。未來我國將在空間建立自 己的空間站，需要空間機器人進行一些如空間站的搭建和維護，衛(wèi)星的釋放、 維修和回收等工作，但是，目前空間機器人還不能夠完成這些工作。不久的 將來，我國就要探索月球、火星甚至其它的星體，需要在空間進行一些操作， 這些操作都離不開空間機械臂。模塊化關節(jié)是空間機械臂的重要組成部分，模塊化關節(jié)的性能決定了整個機械臂的各項主要性能。DLR/fflT Joint Lab以前研制的空間機械臂模塊化關節(jié)，它將驅(qū)動和控制都集成在一個關節(jié)里面， 關節(jié)的體積大、質(zhì)量大、功耗大，并且大量采用了非商業(yè)用的零部件，價格 比較高。中國空間技術研究院502所在空間機械臂關節(jié)的研制方面做了許多 研究工作，但都只停留在實驗室狀態(tài)，沒有形成最終產(chǎn)品。據(jù)目前掌握的資 料來看，國內(nèi)還沒有研制成功專門針對空間強輻射、高真空、大溫差環(huán)境， 且具有低功耗、大輸出力矩、高可靠性的空間機械臂模塊化關節(jié)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有關節(jié)的體積大、質(zhì)量大、功耗大、單位質(zhì)量 輸出力矩小的問題，提供一種空間機械臂垂直式模塊化關節(jié)。本發(fā)明由驅(qū)動 裝置、關節(jié)機構和電氣部分組成，所述的驅(qū)動裝置由直流無刷電機、摩擦式 反向制動器、行星減速器、電機套筒和電機套筒蓋組成，所述的關節(jié)機構由 偏心式電機套筒固定板、皇冠齒輪裝置、空心傳動軸裝置、諧波減速器、薄 壁軸承一、薄壁軸承二、薄壁軸承一內(nèi)環(huán)支撐座、薄壁軸承一外環(huán)擋圈、薄 壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座、第一外殼、第二外殼、第三外殼、輸出法蘭盤、關節(jié) 后端蓋、套筒、隔離支撐環(huán)、調(diào)整墊片和毛氈組成，所述的電氣部分由霍爾 開關、位置傳感器和轉(zhuǎn)接電路板組成，所述的皇冠齒輪裝置由一個皇冠小齒 輪、 一個皇冠大齒輪、兩個軸承一、軸用彈性擋圈和孔用彈性擋圈組成，所
述的空心傳動軸裝置由一個空心傳動軸、軸承對二、套筒一、套筒二、空心 軸承蓋、鍵一、鍵二、軸用彈性擋圈一和軸用彈性擋圈二組成，所述的諧波 減速器由柔輪、剛輪和波發(fā)生器組成，所述摩擦式反向制動器由一個軸承墊 板、三個銷軸、三個軸承、 一個銷軸板、摩擦片一、摩擦片二、 一個輸出齒 輪軸、 一個輸出齒輪軸套、 一個輸出齒輪軸套軸承、外殼一、外殼二和外殼 三組成，所述霍爾開關由霍爾敏感元件和磁鋼組成，所述位置傳感器采用傳 統(tǒng)的電位計，電位計由導電環(huán)和電刷組成，直流無刷電機、摩擦式反向制動 器和行星減速器順次串聯(lián)在一起并放在電機套筒里面，電機套筒的后端和電 機套筒蓋的內(nèi)壁螺紋連接，二者旋合，將直流無刷電機、摩擦式反向制動器 和行星減速器壓在一起，電機套筒通過螺釘連接到偏心式電機套筒固定板的 一側，偏心式電機套筒固定板、第一外殼和第二外殼連接在一起，偏心式電 機套筒固定板通過圓周方向上的兩個銷實現(xiàn)軸向和徑向定位，所述皇冠齒輪 裝置中的皇冠小齒輪軸上套著緊密串聯(lián)的兩個軸承一，通過兩個軸承一兩端 的軸用彈性擋圈和孔用彈性擋圈使皇冠小齒輪定位在偏心式電機套筒固定板 另一側的孔內(nèi)，皇冠大齒輪和空心傳動軸的輸入端連接，并通過鍵一、套筒 一和軸用彈性擋圈一實現(xiàn)軸向和徑向定位，波發(fā)生器和空心傳動軸的輸出端 相連接，并通過鍵二、套筒二和軸用彈性擋圈二實現(xiàn)軸向和徑向定位，軸承 對二套在空心傳動軸上，軸承對二的內(nèi)環(huán)均和空心傳動軸的外圓柱面配合， 外環(huán)均和第二外殼小端的內(nèi)表面配合，諧波減速器的柔輪和第二外殼、薄壁 軸承一外環(huán)擋圈、調(diào)整墊片、第三外殼連接在一起，薄壁軸承一內(nèi)環(huán)支撐座 和薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座設在剛輪的兩側且三者連接在一起，并用兩個銷實 現(xiàn)周向的定位，薄壁軸承一的外環(huán)、薄壁軸承二的外環(huán)分別和第三外殼上的 第三外殼薄壁軸承一外環(huán)支撐座以及第三外殼薄壁軸承二外環(huán)支撐座配合， 薄壁軸承一的軸向定位由薄壁軸承一內(nèi)環(huán)支撐座和薄壁軸承一外環(huán)擋圈完 成，薄壁軸承二的軸向定位由薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座和第三外殼薄壁軸承二 外環(huán)支撐座孔肩完成，輸出法蘭盤和薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座連接在一起，隔 離支撐環(huán)將薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座、輸出法蘭盤和套筒隔開，隔離支撐環(huán)通 過薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座和隔離支撐環(huán)臺階定位，第三外殼和輸出法蘭盤之 間有毛氈密封、兩層周向迷宮式密封和機械限位機構，轉(zhuǎn)接電路板連接到套
筒大端的內(nèi)壁上，套筒一端較大， 一端較小，套筒大端和套筒小端的結合處 有個缺口，第二外殼、關節(jié)后端蓋和套筒連接在一起，套筒小端穿過皇冠大齒輪、空心傳動軸、諧波減速器、薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座、隔離支撐環(huán)，從 輸出法蘭盤伸出，導線從套筒內(nèi)部通過，所述的皇冠大齒輪、空心傳動軸、 薄壁軸承一內(nèi)環(huán)支撐座、薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座、波發(fā)生器、隔離支撐環(huán)和 輸出法蘭盤都設有中心孔，外殼一、外殼二和外殼三是空心的圓柱形，軸承 墊板和銷軸板均有三個周向均布的孔并和三個銷軸配合，三個軸承分別套在 三個銷軸上并安裝在軸承墊板和銷軸板之間，軸承墊板、三個銷軸、三個軸 承和銷軸板設置在外殼二內(nèi)，外殼一設在直流無刷電機和外殼二之間以支撐 三個軸承的外環(huán)，銷軸板上設有兩個凸起的立柱插入相對平行布置的摩擦片 一和摩擦片二的槽中，兩個摩擦片均為薄圓片，沿直徑方向設有兩個對稱的 開口槽，兩槽之間圓片中心處有一個矩形孔，矩形孔的長邊與槽的方向平行， 矩形孔的一側設有直齒條，輸出齒輪軸與摩擦片一以及摩擦片二上的直齒條 嚙合，輸出齒輪軸套套在輸出齒輪軸的外部，輸出齒輪軸套軸承套在輸出齒 輪軸套的外面，外殼三套在銷軸板、摩擦片一、摩擦片二、輸出齒輪軸、輸 出齒輪軸套和輸出齒輪軸套軸承的外面，外殼一、外殼二和外殼三依次串聯(lián) 連接在一起，導電環(huán)連接在輸出法蘭盤的背面，電刷安裝在電刷座上，所述 的導電環(huán)和電刷相對設置，霍爾開關的磁鋼安裝在皇冠大齒輪的背面，霍爾 敏感元件安裝在第二外殼大端孔肩壁上，所述的霍爾敏感元件和磁鋼相對設 置。本發(fā)明具有以下有益效果 一、本發(fā)明采用直流無刷電機，摩擦式反向 制動器，行星減速器，皇冠齒輪和諧波減速器的聯(lián)合驅(qū)動方式，具有安裝方 便、結構緊湊、質(zhì)量輕、功耗低、輸出力矩大、關節(jié)整體剛度大、傳動可靠 等優(yōu)點。二、為了使電纜和插頭容易從關節(jié)中通過，在皇冠大齒輪和諧波減 速器的中心孔內(nèi)裝有套筒。機械臂的所有導線(包括電源線和信號線)及插 頭都可以從套筒內(nèi)穿過，可以抵抗空間環(huán)境變化(溫度的高、低變化)，強輻 射和機械臂的運動對導線造成的損壞，同時也避免了外部走線而造成的導線 磨損。三、空間機械臂垂直式模塊化關節(jié)輸出端安裝了兩個面對面的角接觸 球軸承，抗傾覆力矩能力強。四、本發(fā)明的第三外殼和輸出法蘭盤之間采用
了兩層周向圓環(huán)式迷宮密封、毛氈密封和機械限位結構，結構簡單、可靠性 高，整個關節(jié)防塵的能力強，可以有效避免軸承固體潤滑劑在空間的揮發(fā)以 及外部灰塵的侵入。五、本發(fā)明的霍爾開關安裝在皇冠大齒輪和第二外殼上， 關節(jié)位置傳感器安裝在第三外殼和輸出法蘭盤上。這種關節(jié)位置傳感器的融 合性設計方法可以用來精確檢測關節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度。六、轉(zhuǎn)接電路板固定在套 筒大端的內(nèi)壁上，可以減弱空間機械臂垂直式模塊化關節(jié)在發(fā)射和工作過程 中的振動對電路板造成的損壞。拆掉關節(jié)后端蓋，就可以看到轉(zhuǎn)接電路板， 因此電路板的安裝、調(diào)試及拆卸方便。七、本發(fā)明集成化程度高、可靠性高、 質(zhì)量輕、功耗低、結構緊湊、輸出力矩大、位置輸出精度高、整體抗彎剛度 大，并能適應空間強輻射、高真空、大溫差的環(huán)境。關節(jié)具有可維護性好， 工作可靠等優(yōu)點。八、雖然本發(fā)明的模塊化關節(jié)主要是針對空間環(huán)境設計，但其也完全適應在地面環(huán)境中應用。


圖1是本發(fā)明的整體結構示意圖，圖2是本發(fā)明的整體結構主視剖面圖，圖3是關節(jié)機構的主視剖面圖，圖4是驅(qū)動裝置的剖面圖，圖5是驅(qū)動裝置 的結構示意圖，圖6是第二外殼2-8的結構示意圖，圖7是圖6的A向視圖， 圖8是第三外殼2-9的結構示意圖，圖9是圖8的B向視圖，圖10是輸出法 蘭盤2-10的三視圖，圖11是位置傳感器的三視圖。
具體實施方式
具體實施方式
一(參見圖1~圖11)本實施方式由驅(qū)動裝置、關節(jié)機構 和電氣部分組成，所述的驅(qū)動裝置由直流無刷電機l-l、摩擦式反向制動器、 行星減速器l-3、電機套筒l-4和電機套筒蓋l-5組成，所述的關節(jié)機構由偏 心式電機套筒固定板2-4、皇冠齒輪裝置、空心傳動軸裝置、諧波減速器、薄 壁軸承一2-5、薄壁軸承二2-6、薄壁軸承一內(nèi)環(huán)支撐座2-5-1、薄壁軸承一外 環(huán)擋圈2-5-2、薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座2-6-1、第一外殼2-7、第二外殼2-8、 第三外殼2-9、輸出法蘭盤2-10、關節(jié)后端蓋2-11、套筒2-12、隔離支撐環(huán) 2-13、調(diào)整墊片2-14和毛氈2-15組成，所述電氣部分由霍爾開關、位置傳感 器和轉(zhuǎn)接電路板3-l組成，所述的皇冠齒輪裝置由一個皇冠小齒輪2-1-1、 一 個皇冠大齒輪2-1-2、兩個軸承一 2-1-1-1、軸用彈性擋圈2-1-1-2和孔用彈性 擋圈2-1-1-3組成，所述的空心傳動軸裝置由一個空心傳動軸2-2-1、軸承對 二 2-2-2、套筒一2國2-3、套筒二 2-2-4、空心軸承蓋2-2-5、鍵一 2-2-6、鍵二 2-2-7、軸用彈性擋圈一 2-2-8和軸用彈性擋圈二 2-2-9組成，所述的諧波減速 器由柔輪2-3-1、剛輪2-3-2和波發(fā)生器2-3-3組成，所述摩擦式反向制動器 由一個軸承墊板1-2-1、三個銷軸1-2-2、三個軸承1-2-3、 一個銷軸板1-2-4、 摩擦片一 1_2-5、摩擦片二 1-2-6、 一個輸出齒輪軸1-2-7、 一個輸出齒輪軸套 1-2-8、 一個輸出齒輪軸套軸承1-2-9、外殼一 1-2-10、外殼二 1-2-11和外殼三1- 2-12組成，所述霍爾開關由霍爾敏感元件3-2-1和磁鋼3-2-2組成，所述位 置傳感器采用傳統(tǒng)的電位計，電位計由導電環(huán)3-3-1和電刷3-3-2組成，直流 無刷電機1-1、摩擦式反向制動器和行星減速器1-3順次串聯(lián)在一起并放在電 機套筒1-4里面，電機套筒1-4的后端和電機套筒蓋1-5的內(nèi)壁螺紋連接，二 者旋合，可將直流無刷電機l-l、摩擦式反向制動器和行星減速器l-3壓在一 起，直流無刷電機1-1的輸出是整個驅(qū)動裝置的輸入，行星減速器1-3的輸出 是整個驅(qū)動裝置的輸出，電機套筒1-4通過兩個螺釘連接到偏心式電機套筒 固定板2-4的一側，偏心式電機套筒固定板2-4和第一外売一號法蘭盤2-7-1 、 第二外殼的一號法蘭盤2-8-1使用六個周向均勻分布的螺釘連接在一起，所述 皇冠齒輪裝置中的皇冠小齒輪2-1-1軸上套著一對緊密串聯(lián)的兩個軸承一2- l-l-l，通過兩個軸承一兩端的軸用彈性擋圈2-1-1-2和孔用彈性擋圈2-1-1-3 使皇冠小齒輪2-1-1定位在偏心式電機套筒固定板2-4另一側的孔內(nèi)，皇冠大 齒輪2-1-2和空心傳動軸2-2-1的輸入端連接，并通過鍵一 2-2-6、套筒一 2-2-3 和軸用彈性擋圈一 2-2-8實現(xiàn)軸向和徑向定位，波發(fā)生器2-3-3和空心傳動軸 2-2-1的輸出端連接，并通過鍵二 2-2-7、套筒二 2-2-4和軸用彈性擋圈二 2-2-9 實現(xiàn)軸向和徑向定位，軸承對二 2-2-2套在空心傳動軸2-2-1上，其內(nèi)環(huán)均和 空心傳動軸2-2-1的外圓柱面配合，外環(huán)均和第二外殼小端2-8-4的內(nèi)表面配 合，空心傳動軸2-2-1上的軸肩、套筒一 2-2-3、套筒二 2-2-4、軸承壓蓋2-2-5 和第二外殼小端孔肩2-8-4-1實現(xiàn)軸承對二 2-2-2的軸向定位和預緊，諧波減 速器的柔輪和第二外殼的三號法蘭盤2-8-3、薄壁軸承一外環(huán)擋圈2-5-2、調(diào) 整墊片2-13、第三外殼的一號法蘭盤2-9-1用八個周向均勻分布的螺釘連接， 薄壁軸承一內(nèi)環(huán)支撐座2-5-1和薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座2-6-1設在剛輪2-3-2
的兩側，三者通過八個均布的螺釘連接，并用兩個銷實現(xiàn)周向的定位，薄壁軸承一 2-5的外環(huán)、薄壁軸承二 2-6的外環(huán)分別和第三外殼2-9上的第三外殼 薄壁軸承一外環(huán)支撐座2-9-2以及第三外殼薄壁軸承二外環(huán)支撐座2-9-3配 合，薄壁軸承一2-5的軸向定位由薄壁軸承一內(nèi)環(huán)支撐座2-5-1和薄壁軸承一 外環(huán)擋圈2-5-2完成，薄壁軸承二 2-6的軸向定位由薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座 2-6-1和第三外殼薄壁軸承二外環(huán)支撐座孔肩2-9-3-1完成，輸出法蘭盤2-10 和薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座2-6-1用八個周向均布的螺釘連接在一起，隔離支撐 環(huán)2-13設置在輸出法蘭盤2-10和薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座2-6-1之間，可以保 證在工作的過程中套筒2-12不和其它轉(zhuǎn)動件發(fā)生干摩擦，隔離支撐環(huán)2-13 通過薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座2-6-1和輸出法蘭盤2-10的隔離支撐環(huán)臺階 2-10-2定位，第三外殼2-9和輸出法蘭盤2-10之間有兩層周向迷宮式密封、 毛氈2-15密封和機械限位結構，這種設計結構簡單，可靠，整個關節(jié)防塵的 能力強，既可以有效避免軸承固體潤滑劑在空間的揮發(fā)，又可以避免由于突 然的掉電或者其它原因?qū)﹃P節(jié)造成的損害。轉(zhuǎn)接電路板3-1通過五個螺釘連 接到套筒大端2-12-1的內(nèi)壁上。拆掉關節(jié)后端蓋2-11，就可以看到轉(zhuǎn)接電路 板3-l，因此電路板的安裝、調(diào)試及拆卸方便。套筒2-12—端較大， 一端較 小。為了各種線纜轉(zhuǎn)接到轉(zhuǎn)接電路板3-l，套筒大端2-12-1和套筒小端2-12-2 的結合處有個缺口。第二外殼的二號法蘭盤2-8-2、關節(jié)后端蓋2-11和套筒 2-12用七個均勻分布的螺釘連接，套筒小端2-12-2穿過皇冠大齒輪2-1-2、空 心傳動軸2-2-1、諧波減速器、薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座2-6-1、隔離支撐環(huán)2-13， 最后從輸出法蘭盤2-10伸出，導線從套筒2-12內(nèi)部通過，所述的空心傳動軸 2-2-1、薄壁軸承一內(nèi)環(huán)支撐座2-5-1、薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座2-6-1、波發(fā)生 器2-3-3、隔離支撐環(huán)2-13和輸出法蘭盤2-10都設有大的中心孔，釆用上述 結構，可以方便地將內(nèi)孔尺寸較大的套筒小端2-12-2裝入到中心孔內(nèi)，以便 機械臂的電纜和導線可以從該模塊化關節(jié)中間通過，外殼一 1_2_10、外殼二 1-2-11和外殼三1-2-12是空心的圓柱形，軸承墊板1-2-1和銷軸板1-2-4均有 三個周向均布的孔并和三個銷軸1-2-2配合，三個軸承1-2-3分別套在三個銷 軸1-2-2上并安裝在軸承墊板1-2-1和銷軸板1-2-4之間，軸承墊板1-2-1、三 個銷軸1-2-2、三個軸承1-2-3和銷軸板1-2-4設置在外殼二 1-2-11內(nèi)，外殼一 1-2-10設在直流無刷電機1-1和外殼二 1-2-11之間，支撐三個軸承1-2-3 的外環(huán)，銷軸板1-2-4上有兩個凸起的立柱插入相對平行布置的摩擦片一 1-2-5 和摩擦片二 1_2_6的槽中，兩個摩擦片均為薄圓片，沿直徑方向有兩個對稱的 開口槽，兩槽之間圓片中心處有一個矩形孔，矩形孔的長邊與槽的方向平行， 矩形孔的一側設有直齒條，輸出齒輪軸1-2-7與摩擦片一 1-2-5以及摩擦片二 1-2-6上的直齒條嚙合，輸出齒輪軸套1-2-8套在輸出齒輪軸1-2-7的外部， 輸出齒輪軸套軸承1-2-9套在輸出齒輪軸套1-2-8的外面，外殼三1-2-12套設 在銷軸板1-2-4、摩擦片一 1-2-5、摩擦片二 1-2-6、輸出齒輪軸1-2-7、輸出齒 輪軸套1-2-8和輸出齒輪軸套軸承1-2-9的外面，外殼一 1-2-10、外殼二 1-2-11 和外殼三1-2-12依次串聯(lián)連接在一起，導電環(huán)3-3-1連接在輸出法蘭盤2-10 的背面，電刷3-3-2安裝在電刷座2-9-4上，所述的導電環(huán)3-3-1和電刷3-3-2 相對設置，霍爾開關的磁鋼3-2-2安裝在皇冠大齒輪2-1-2的背面，霍爾敏感 元件3-2-1安裝在第二外殼大端孔肩壁2-8-5上，所述的霍爾敏感元件3-2-1 和磁鋼3-2-2相對設置。本實施方式所述的諧波減速器由德國Harmonic Drive公司生產(chǎn)，其型號 為HFUS-14-100。
具體實施方式
二本實施方式所述的電機套筒l-4、電機套筒蓋l-5、空 心傳動軸2-2-1、套筒一 2-2-3、套筒二 2-2-4、空心軸承蓋2-2-5、鍵一 2-2-6、 鍵二 2-2-7、偏心式電機套筒固定板2-4、薄壁軸承一內(nèi)環(huán)支撐座2-5-1、薄壁 軸承一外環(huán)擋圈2-5-2、薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座2-6-1、第一外殼2-7、第二外 殼2-8、第三外殼2-9、輸出法蘭盤2-10、關節(jié)后端蓋2-11和套筒2-12均由 鈦合金材料制作而成。由于軸承的材料為440C (不銹鋼)與鈦合金(TC4) 的熱膨脹系數(shù)相差很小，不會因軸承內(nèi)環(huán)座和軸承外環(huán)座與軸承內(nèi)外鋼圈的 熱膨脹系數(shù)相差太大而使軸承卡死；同時也可以避免皇冠齒輪裝置中的兩個 軸承一 2-1-1-1和偏心式電機套筒固定板2-4由于熱膨脹系數(shù)相差太大而使軸 承卡死。(相關背景DLR (德國宇航中心)研制的空間機器人的關節(jié)結構簡 單，重量輕，但其關節(jié)軸承的內(nèi)環(huán)座與外環(huán)座采用的都是鋁合金材料，這樣 很容易在空間高低溫變化時使軸承卡死，導致關節(jié)不能正常工作。)具體實施方式
三本實施方式為了保證可以反向傳動時可靠制動，所述
的摩擦片一 1-2-5、摩擦片二 1-2-6和外殼三1-2-12內(nèi)壁間的摩擦系數(shù)大于 二Jl一^，其中r為輸出齒輪軸1-2-7的節(jié)圓半徑，R為外殼三1-2-12的內(nèi)徑，b為摩擦片上開口槽的寬度。摩擦式反向制動器制動時不消耗功率。所 述三個軸承1-2-3所形成的空腔與電機輸出軸之間有適當?shù)倪^盈配合，以使三 個軸承1-2-3可以擠緊直流無刷電機1-1的輸出軸。三個銷軸1-2-2和三個軸 承1-2-3內(nèi)環(huán)之間應選擇間隙配合。其它組成及連接關系與具體實施方式
一相 同。
具體實施方式
四本實施方式所述的隔離支撐環(huán)2-13由聚四氟乙烯制作而成o具體實施方式
五本實施方式薄壁軸承一內(nèi)環(huán)支撐座2-5-1的內(nèi)孔為橢圓形，短半軸長為柔輪2-3-1有齒端的最大半徑，長半軸比短半軸長0.5mm， 這樣設計是為了便于將薄壁軸承一內(nèi)環(huán)支撐座2-5-1套在柔輪2-3-1上。其它 組成及連接關系與具體實施方式
一相同。關節(jié)力矩的傳遞過程為驅(qū)動裝置，偏心式電機套筒固定板2-4，第一外 殼2-7和第二外殼2-8連接在一起。無刷直流電機1-1的輸出是驅(qū)動裝置的輸 入，行星減速器1-3的輸出是驅(qū)動裝置的輸出。行星減速器1-3把力矩傳遞給 皇冠小齒輪2-1-1，皇冠小齒輪2-1-1通過和皇冠大齒輪2-1-2嚙合，將力矩 傳遞給皇冠大齒輪2-1-2?；使诖簖X輪2-1-2通過空心傳動軸2-2-1把力矩傳 遞給波發(fā)生器2-3-3，波發(fā)生器2-3-3通過柔輪2-3-1把力矩傳遞給剛輪2-3-2。 剛輪2-3-2通過薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座2-6-1再將力矩傳遞給輸出法蘭盤 2-10，實現(xiàn)了整個關節(jié)的力矩輸出。
權利要求
1、一種空間機械臂垂直式模塊化關節(jié)，它由驅(qū)動裝置、關節(jié)機構和電氣部分組成，所述的驅(qū)動裝置由直流無刷電機(1-1)、摩擦式反向制動器、行星減速器(1-3)、電機套筒(1-4)和電機套筒蓋(1-5)組成，所述的關節(jié)機構由偏心式電機套筒固定板(2-4)、皇冠齒輪裝置、空心傳動軸裝置、諧波減速器、薄壁軸承一(2-5)、薄壁軸承二(2-6)、薄壁軸承一內(nèi)環(huán)支撐座(2-5-1)、薄壁軸承一外環(huán)擋圈(2-5-2)、薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座(2-6-1)、第一外殼(2-7)、第二外殼(2-8)、第三外殼(2-9)、輸出法蘭盤(2-10)、關節(jié)后端蓋(2-11)、套筒(2-12)、隔離支撐環(huán)(2-13)調(diào)整墊片(2-14)和毛氈(2-1 5)組成，所述電氣部分由霍爾開關、位置傳感器和轉(zhuǎn)接電路板(3-1)組成，所述的皇冠齒輪裝置由一個皇冠小齒輪(2-1-1)、一個皇冠大齒輪(2-1-2)、兩個軸承一(2-1-1-1)、軸用彈性擋圈(2-1-1-2)和孔用彈性擋圈(2-1-1-3)組成，所述的空心傳動軸裝置由一個空心傳動軸(2-2-1)、軸承對二(2-2-2)、套筒一(2-2-3)、套筒二(2-2-4)、空心軸承蓋(2-2-5)、鍵一(2-2-6)、鍵二(2-2-7)、軸用彈性擋圈一(2-2-8)和軸用彈性擋圈二(2-2-9)組成，所述的諧波減速器由柔輪(2-3-1)、剛輪(2-3-2)和波發(fā)生器(2-3-3)組成，所述摩擦式反向制動器由一個軸承墊板(1-2-1)、三個銷軸(1-2-2)、三個軸承(1-2-3)、一個銷軸板(1-2-4)、摩擦片一(1-2-5)、摩擦片二(1-2-6)、一個輸出齒輪軸(1-2-7)、一個輸出齒輪軸套(1-2-8)、一個輸出齒輪軸套軸承(1-2-9)、外殼一(1-2-10)、外殼二(1-2-11)和外殼三(1-2-12)組成，所述霍爾開關由霍爾敏感元件(3-2-1)和磁鋼(3-2-2)組成，所述位置傳感器采用傳統(tǒng)的電位計，電位計由導電環(huán)(3-3-1)和電刷(3-3-2)組成，其特征在于直流無刷電機(1-1)、摩擦式反向制動器和行星減速器(1-3)順次串聯(lián)在一起并設置在電機套筒(1-4)里面，電機套筒(1-4)的后端和電機套筒蓋(1-5)的內(nèi)壁螺紋連接，二者旋合，將直流無刷電機(1-1)、摩擦式反向制動器和行星減速器(1-3)壓在一起，電機套筒(1-4)連接到偏心式電機套筒固定板(2-4)的一側，偏心式電機套筒固定板(2-4)、第一外殼(2-7)和第二外殼(2-8)連接在一起，所述皇冠齒輪裝置中的皇冠小齒輪(2-1-1)軸上套著緊密串聯(lián)的兩個軸承一(2-1-1-1)，通過兩個軸承一(2-1-1-1)兩端的軸用彈性擋圈(2-1-1-2)和孔用彈性擋圈(2-1-1-3)使皇冠小齒輪(2-1-1)定位在偏心式電機套筒固定板(2-4)另一側的孔內(nèi)，皇冠大齒輪(2-1-2)和空心傳動軸(2-2-1)的輸入端連接，并通過鍵一(2-2-6)、套筒一(2-2-3)和軸用彈性擋圈一(2-2-8)實現(xiàn)軸向和徑向定位，波發(fā)生器(2-3-3)和空心傳動軸(2-2-1)的輸出端相連接，并通過鍵二(2-2-7)、套筒二(2-2-4)和軸用彈性擋圈二(2-2-9)實現(xiàn)軸向和徑向定位，軸承對二(2-2-2)套在空心傳動軸(2-2-1)上，軸承對二(2-2-2)的內(nèi)環(huán)均和空心傳動軸(2-2-1)的外圓柱面配合，外環(huán)均和第二外殼小端(2-8-4)的內(nèi)表面配合，空心傳動軸(2-2-1)上的軸肩、套筒一(2-2-3)、套筒二(2-2-4)、軸承壓蓋(2-2-5)和第二外殼小端孔肩(2-8-4-1)實現(xiàn)軸承對二(2-2-2)的軸向定位和預緊，諧波減速器的柔輪(2-3-1)和第二外殼(2-8)、薄壁軸承一外環(huán)擋圈(2-5-2)、調(diào)整墊片(2-13)、第三外殼(2-9)連接在一起，薄壁軸承一內(nèi)環(huán)支撐座(2-5-1)和薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座(2-6-1)設在剛輪(2-3-2)的兩側且三者連接在一起，并用兩個銷實現(xiàn)周向的定位，薄壁軸承一(2-5)的外環(huán)、薄壁軸承二(2-6)的外環(huán)分別和第三外殼(2-9)上的第三外殼薄壁軸承二外環(huán)支撐座(2-9-2)以及第三外殼薄壁軸承一外環(huán)支撐座(2-9-3)配合，薄壁軸承一(2-5)的軸向定位由薄壁軸承一內(nèi)環(huán)支撐座(2-5-1)和薄壁軸承一外環(huán)擋圈(2-5-2)完成，薄壁軸承二(2-6)的軸向定位由薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座(2-6-1)和第三外殼薄壁軸承二外環(huán)支撐座孔肩(2-9-3-1)完成，輸出法蘭盤(2-10)和薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座(2-6-1)連接在一起，隔離支撐環(huán)(2-13)設置在隔離支撐環(huán)(2-13)和薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座(2-6-1)之間，隔離支撐環(huán)(2-13)通過薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座(2-6-1)和隔離支撐環(huán)(2-13)的隔離支撐環(huán)臺階(2-10-2)定位，第三外殼(2-9)和輸出法蘭盤(2-10)之間有兩層周向迷宮式密封、毛氈(2-15)密封和機械限位機構，轉(zhuǎn)接電路板(3-1)連接到套筒大端(2-12-1)的內(nèi)壁上，套筒(2-12)一端較大，一端較小，套筒大端(2-12-1)和套筒小端(2-12-2)的結合處設有缺口，第二外殼(2-8)、關節(jié)后端蓋(2-11)和套筒(2-12)連接，套筒小端(2-12-2)穿過皇冠大齒輪(2-1-2)、空心傳動軸(2-2-1)、諧波減速器、薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座(2-6-1)、隔離支撐環(huán)(2-12)，最后從輸出法蘭盤(2-10)伸出，導線從套筒(2-12)內(nèi)部通過，所述的皇冠大齒輪(2-1-2)、空心傳動軸(2-2-1)、薄壁軸承一內(nèi)環(huán)支撐座(2-5-1)、薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座(2-6-1)、波發(fā)生器(2-3-3)、隔離支撐環(huán)(2-12)和輸出法蘭盤(2-10)都設有中心孔，外殼一(1-2-10)、外殼二(1-2-11)和外殼三(1-2-12)是空心的圓柱形，軸承墊板(1-2-1)和銷軸板(1-2-4)均有三個周向均布的孔并和三個銷軸(1-2-2)配合，三個軸承(1-2-3)分別套在三個銷軸(1-2-2)上并安裝在軸承墊板(1-2-1)和銷軸板(1-2-4)之間，軸承墊板(1-2-1)、三個銷軸(1-2-2)、三個軸承(1-2-3)和銷軸板(1-2-4)設置在外殼二(1-2-11)內(nèi)，外殼一(1-2-10)設在直流無刷電機(1-1)和外殼二(1-2-11)之間以支撐三個軸承(1-2-3)的外環(huán)，銷軸板(1-2-4)上設有兩個凸起的立柱插入相對平行布置的摩擦片一(1-2-5)和摩擦片二(1-2-6)的槽中，兩個摩擦片均為薄圓片，沿直徑方向設有兩個對稱的開口槽，兩槽之間圓片中心處有一個矩形孔，矩形孔的長邊與槽的方向平行，矩形孔的一側設有直齒條，輸出齒輪軸(1-2-7)與摩擦片一(1-2-5)以及摩擦片二(1-2-6)上的直齒條嚙合，輸出齒輪軸套(1-2-8)套在輸出齒輪軸(1-2-7)的外部，輸出齒輪軸套軸承(1-2-9)套在輸出齒輪軸套(1-2-8)的外面，外殼三(1-2-12)套設在銷軸板(1-2-4)、摩擦片一(1-2-5)、摩擦片二(1-2-6)、輸出齒輪軸(1-2-7)、輸出齒輪軸套(1-2-8)和輸出齒輪軸套軸承(1-2-9)的外面，外殼一(1-2-10)、外殼二(1-2-11)和外殼三(1-2-12)依次串聯(lián)連接在一起，導電環(huán)(3-3-1)連接在輸出法蘭盤(2-10)的背面，電刷(3-3-2)安裝在電刷座(2-9-4)上，所述的導電環(huán)(3-3-1)和電刷(3-3-2)相對設置，霍爾開關的磁鋼(3-2-2)安裝在皇冠大齒輪(2-1-2)的背面，霍爾敏感元件(3-2-1)安裝在第二外殼大端孔肩壁(2-8-5)上，所述的霍爾敏感元件(3-2-1)和磁鋼(3-2-2)相對設置。
2、 根據(jù)權利要求1所述的空間機械臂垂直式模塊化關節(jié)，其特征在于薄 壁軸承一內(nèi)環(huán)支撐座(2-5-1)的內(nèi)孔為橢圓形，短半軸長為柔輪(2-3-1)有 齒端的最大半徑，長半軸比短半軸長0.5mm。
3、 根據(jù)權利要求2所述的空間機械臂垂直式模塊化關節(jié)，其特征在于所述的摩擦片一 (1-2-5)、摩擦片二 (1-2-6)和外殼三(1-2-12)內(nèi)壁間的摩擦 系數(shù)大于;.]T^，其中r為輸出齒輪軸1-2-7的節(jié)圓半徑，R為外殼三1-2-12的內(nèi)徑，b為摩擦片上開口槽的寬度。
4、 根據(jù)權利要求3所述的空間機械臂垂直式模塊化關節(jié)，其特征在于所 述的隔離支撐環(huán)(2-13)由聚四氟乙烯制作而成。
5、 根據(jù)權利要求4所述的空間機械臂垂直式模塊化關節(jié)，其特征在于電 機套筒(1-4)、電機套筒蓋(1-5)、空心傳動軸(2-2-1)、套筒一 (2-2-3)、 套筒二 (2-2-4)、空心軸承蓋(2-2-5)、鍵一 (2-2-6)、鍵二 (2-2-7)、偏心式 電機套筒固定板(2-4)、薄壁軸承一內(nèi)環(huán)支撐座(2-5-1)、薄壁軸承一外環(huán)擋 圈(2-5-2)、薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座(2-6-1 )、第一外殼(2-7)、第二外殼(2-8)、 第三外殼(2-9)、輸出法蘭盤(2-10)、關節(jié)后端蓋(2-11)和套筒(2-12) 均由鈦合金材料制作而成。
全文摘要
空間機械臂垂直式模塊化關節(jié)，它涉及一種空間機械臂的關節(jié)。本發(fā)明的目的是為了解決目前空間機械臂質(zhì)量大、體積大、功耗大、單位質(zhì)量輸出力矩小的問題。本發(fā)明所述的驅(qū)動裝置和皇冠齒輪系裝置連接，皇冠齒輪系裝置、波發(fā)生器(2-3-3)都和空心傳動軸(2-2-1)連接，剛輪(2-3-2)和薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座(2-6-1)連接，薄壁軸承二內(nèi)環(huán)支撐座(2-6-1)和輸出法蘭盤(2-10)連接。本發(fā)明集成化程度高、可靠性高、質(zhì)量輕、體積小、功耗低、結構緊湊、單位質(zhì)量輸出力矩大、位置輸出精度高、抗彎剛度大，并能適應空間強輻射、高真空、大溫差的環(huán)境。具有可維護性好、工作可靠的優(yōu)點。
文檔編號B25J13/00GK101116972SQ20071007271
公開日2008年2月6日 申請日期2007年8月29日 優(yōu)先權日2007年8月29日
發(fā)明者宏 劉, 奎 孫, 李德倫, 謝宗武, 黃劍斌 申請人:哈爾濱工業(yè)大學