專利名稱：大型空間服務(wù)機(jī)器人在軌可更換關(guān)節(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人關(guān)節(jié)。
背景技術(shù)：
根據(jù)我國空間技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，建設(shè)自己的空間站已經(jīng)成為趨勢。雖然國內(nèi)在空 間機(jī)器人領(lǐng)域取得了一些進(jìn)展，但是應(yīng)用領(lǐng)域?qū)儆谛⌒偷目臻g維護(hù)機(jī)器人，其設(shè)計特點(diǎn)無 法應(yīng)用于大輸出力矩輸出，長壽命的作業(yè)。目前國內(nèi)尚沒有專門進(jìn)行空間站以及大型空間 物體建設(shè)、維護(hù)、抓捕，并能能幫助宇航員出艙進(jìn)行空間作業(yè)的大型機(jī)器人。能實現(xiàn)以上功 能的大型空間機(jī)器人就成為我國對太空進(jìn)一步探索的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。關(guān)節(jié)及其控制裝置是空間 機(jī)器人的重要組成部分，關(guān)節(jié)的性能直接決定了整個機(jī)器人的負(fù)載自重比、末端定位精度 以及可靠性。目前大型空間服務(wù)機(jī)器人關(guān)節(jié)，包括加拿大航天飛機(jī)機(jī)器人、歐空局大型空間機(jī) 器人以及日本實驗艙服務(wù)機(jī)器人傳動全部是行星齒輪傳動，不可避免的存在較高回差，帶 來固有的機(jī)械誤差影響控制精度；另外行星減速剛度差，也會影響整個機(jī)器人的控制精度， 并且行星齒輪傳動質(zhì)量大，機(jī)器人負(fù)載自重比小?？刂齐娐范及惭b在機(jī)器人外部，集成性 差。關(guān)節(jié)內(nèi)沒有力感知功能。大型空間機(jī)器人關(guān)節(jié)對力矩，控制精度，集成度，力矩感知能 力及壽命都有較高要求，設(shè)計出各方面滿足要求的關(guān)節(jié)是必然的趨勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決目前大型空間服務(wù)機(jī)器人關(guān)節(jié)控制精度差、采用行星齒 輪傳動導(dǎo)致關(guān)節(jié)質(zhì)量大以至于機(jī)器人負(fù)載自重比小、控制電路安裝在關(guān)節(jié)外部導(dǎo)致集成性 差的問題，提出了一種大型空間服務(wù)機(jī)器人關(guān)節(jié)。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是所述關(guān)節(jié)包括電氣裝置、驅(qū)動裝 置、關(guān)節(jié)前蓋、關(guān)節(jié)內(nèi)殼、關(guān)節(jié)輸出殼、關(guān)節(jié)外殼、關(guān)節(jié)后蓋、電路板連接件、圓柱形空心殼 體、諧波減速器、鍵、空心軸、力矩傳感器和軸向法蘭，關(guān)節(jié)前蓋裝在關(guān)節(jié)內(nèi)殼上，且二者可 拆卸連接，關(guān)節(jié)內(nèi)殼的尾部加工有軸向法蘭，關(guān)節(jié)內(nèi)殼設(shè)在關(guān)節(jié)外殼內(nèi)，且二者可拆卸連 接，關(guān)節(jié)輸出殼設(shè)在關(guān)節(jié)內(nèi)殼與關(guān)節(jié)外殼之間，且關(guān)節(jié)輸出殼轉(zhuǎn)動連接在關(guān)節(jié)外殼上，關(guān)節(jié) 后蓋裝在關(guān)節(jié)輸出殼內(nèi)，且二者可拆卸連接，關(guān)節(jié)后蓋的內(nèi)孔與圓柱形空心殼體連接；電氣裝置設(shè)在關(guān)節(jié)內(nèi)殼中，電氣裝置通過電路板連接件與關(guān)節(jié)內(nèi)殼連接，驅(qū)動裝 置與諧波減速器裝在關(guān)節(jié)內(nèi)殼上，所述驅(qū)動裝置包括抱間縮緊螺母、抱間、第一旋轉(zhuǎn)變壓 器、電機(jī)傳動軸、電機(jī)、小齒輪和大齒輪，抱閘縮緊螺母將抱閘鎖緊，抱閘和第一旋轉(zhuǎn)變壓器 套在電機(jī)傳動軸上，抱間和第一旋轉(zhuǎn)變壓器連接，電機(jī)傳動軸的輸出端與小齒輪傳動連接， 小齒輪與大齒輪嚙合；大齒輪通過鍵與空心軸傳動連接，空心軸與諧波減速器制成一體， 圓柱形空心殼體設(shè)在空心軸內(nèi)部，圓柱形空心殼體的尾部與關(guān)節(jié)后蓋連接，諧波減速器與 力矩傳感器的小直徑端連接，力矩傳感器設(shè)在關(guān)節(jié)輸出殼內(nèi)部且套在圓柱形空心殼體的外 部，且力矩傳感器的大直徑端與關(guān)節(jié)輸出殼可拆卸連接。
本發(fā)明具有以下有益效果1.本發(fā)明具有高負(fù)載自重比本發(fā)明采用特有的驅(qū)動 裝置帶動諧波減速器的傳動方案比國外同類裝置在體積、質(zhì)量相同的情況下，有著接近兩 倍的驅(qū)動能力；由于關(guān)節(jié)采用電機(jī)、小齒輪和大齒輪及諧波減速器的傳動方案，使得關(guān)節(jié)有 很高的輸出力矩。同時在相同輸出力矩的情況下，諧波減速器相比于行星減速器有著質(zhì)量 輕的特點(diǎn)，因此本關(guān)節(jié)的負(fù)載自重比相當(dāng)于其它大型空間機(jī)器人關(guān)節(jié)的兩倍；2.本發(fā)明具 有高機(jī)械精度和控制精度由于諧波減速器作為整個關(guān)節(jié)的輸出裝置，使得關(guān)節(jié)可以實現(xiàn) 零回差。而現(xiàn)有大型空間機(jī)械臂的回差最高為3角分；由于采用了第一旋轉(zhuǎn)變壓器來控制 電機(jī)，使得電機(jī)的正旋成為可能，并且提高了電機(jī)控制精度。此外高精度第二旋轉(zhuǎn)變壓器用 來檢測關(guān)節(jié)的實際位置，提高了關(guān)節(jié)的位置精度；3.本發(fā)明具有高智能電氣裝置作為關(guān) 節(jié)的控制部件，用來采集第一旋轉(zhuǎn)變壓器、第二旋轉(zhuǎn)變壓器、力矩傳感器的信號，經(jīng)過處理， 結(jié)合控制算法可以實現(xiàn)關(guān)節(jié)及機(jī)器人的柔順控制。而力矩傳感器用作大型空間機(jī)器人關(guān)節(jié) 的力感知部件，屬首次出現(xiàn)；4.本發(fā)明高度集成電氣裝置集成在關(guān)節(jié)內(nèi)部屬首次，關(guān)節(jié)殼 體內(nèi)集成了傳動部件、傳感部件以及控制電路，相比于其它大型空間機(jī)器人關(guān)節(jié)將電氣裝 置放在關(guān)節(jié)外部或者臂桿上，有很高的集成度；5.本發(fā)明具有在軌可更換功能關(guān)節(jié)內(nèi)殼 上加工有軸向法蘭，可以實現(xiàn)關(guān)節(jié)與臂桿的連接，或者是與關(guān)節(jié)的連接從而形成雙自由度 關(guān)節(jié)組件，且拆卸方便，可實現(xiàn)軌更換，延長機(jī)器人在軌服務(wù)壽命。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是驅(qū)動裝置2的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是電 氣裝置1的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一結(jié)合圖1-圖3說明本實施方式，本實施方式的關(guān)節(jié)包括電氣裝 置1、驅(qū)動裝置2、關(guān)節(jié)前蓋3、關(guān)節(jié)內(nèi)殼4、關(guān)節(jié)輸出殼5、關(guān)節(jié)外殼6、關(guān)節(jié)后蓋7、電路板連 接件8、圓柱形空心殼體9、諧波減速器10、鍵11、空心軸12、力矩傳感器13和軸向法蘭15， 關(guān)節(jié)前蓋3裝在關(guān)節(jié)內(nèi)殼4上，且二者可拆卸連接，關(guān)節(jié)內(nèi)殼4的尾部加工有軸向法蘭15， 關(guān)節(jié)內(nèi)殼4設(shè)在關(guān)節(jié)外殼6內(nèi)，且二者可拆卸連接，關(guān)節(jié)輸出殼5設(shè)在關(guān)節(jié)內(nèi)殼4與關(guān)節(jié)外 殼6之間，且關(guān)節(jié)輸出殼5轉(zhuǎn)動連接在關(guān)節(jié)外殼6上，關(guān)節(jié)后蓋7裝在關(guān)節(jié)輸出殼5內(nèi)，且 二者可拆卸連接，關(guān)節(jié)后蓋7的內(nèi)孔與圓柱形空心殼體9連接；電氣裝置1設(shè)在關(guān)節(jié)內(nèi)殼4中，電氣裝置1通過電路板連接件8與關(guān)節(jié)內(nèi)殼4連 接，驅(qū)動裝置2與諧波減速器10裝在關(guān)節(jié)內(nèi)殼4上，所述驅(qū)動裝置2包括抱間縮緊螺母2-1、 抱閘2-2、第一旋轉(zhuǎn)變壓器2-3、電機(jī)傳動軸2-4、電機(jī)2-5、小齒輪2_6和大齒輪2_7，抱閘縮 緊螺母2-1將抱間2-2鎖緊，抱間2-2和第一旋轉(zhuǎn)變壓器2-3套在電機(jī)傳動軸2_4上，抱閘 2-2和第一旋轉(zhuǎn)變壓器2-3連接，電機(jī)傳動軸2-4的輸出端與小齒輪2-6傳動連接，小齒輪 2-6與大齒輪2-7嚙合；大齒輪2-7通過鍵11與空心軸12傳動連接，空心軸12與諧波減 速器10制成一體，圓柱形空心殼體9設(shè)在空心軸12內(nèi)部，圓柱形空心殼體9的尾部與關(guān)節(jié) 后蓋7連接，諧波減速器10與力矩傳感器13的小直徑端連接，力矩傳感器13設(shè)在關(guān)節(jié)輸 出殼5內(nèi)部且套在圓柱形空心殼體9的外部，且力矩傳感器13的大直徑端與關(guān)節(jié)輸出殼5 可拆卸連接。
具體實施方式
二結(jié)合圖3說明本實施方式，本實施方式的電氣裝置1由關(guān)節(jié)驅(qū)動 電路板1-1、第一支架1-2、關(guān)節(jié)控制電路板1-3、第二支架1-4、關(guān)節(jié)電源電路板1-5第三支 架1-6、關(guān)節(jié)接口電路板1-7和關(guān)節(jié)接口電路板壓環(huán)1-8構(gòu)成，關(guān)節(jié)驅(qū)動電路板1-1通過第 一支架1-2固定在電路板連接件8上，關(guān)節(jié)控制電路板1-3通過第二支架1-4固定在關(guān)節(jié) 控制電路板支架1-2上，關(guān)節(jié)電源電路板1-5通過第三支架1-6固定在關(guān)節(jié)電源電路板支 架1-4上，關(guān)節(jié)接口電路板1-7通過關(guān)節(jié)接口電路板壓環(huán)1-8固定在關(guān)節(jié)接口電路板支架 1-6上，關(guān)節(jié)驅(qū)動電路板1-1、第一支架1-2、關(guān)節(jié)控制電路板1-3、第二支架1-4、關(guān)節(jié)電源電 路板1-5、第三支架1-6、關(guān)節(jié)接口電路板1-7和關(guān)節(jié)接口電路板壓環(huán)1-8上設(shè)有同軸走線 通孔，此結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了中心孔走線，高度集成。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式的關(guān)節(jié)還包括第二旋轉(zhuǎn) 變壓器14，第二旋轉(zhuǎn)變壓器14裝在關(guān)節(jié)外殼6內(nèi)，且二者固接。關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器14用來獲 得高精度關(guān)節(jié)位置信息，保證關(guān)節(jié)控制精度。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。工作原理電機(jī)2-5作為整個關(guān)節(jié)的動力裝置，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，給關(guān)節(jié)提供 所需的輸出功率。第一旋轉(zhuǎn)變壓器2-3用來檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，它的存在是電機(jī)高精度 伺服控制的前提。同時抱閘2-2提供緊急情況下的制動力矩。關(guān)節(jié)的功率由電機(jī)2-5的轉(zhuǎn) 子傳到電機(jī)傳動軸2-4，并由連接在電機(jī)傳動軸2-4上的小齒輪2-6傳遞給大齒輪2-7，起 到減速增扭的作用。大齒輪2-7再次將功率通過空心軸12傳遞給諧波減速器10，起到第二 次減速增扭的作用。力矩經(jīng)由諧波減速器10傳遞給力矩傳感器13，最終輸出到關(guān)節(jié)輸出殼 5。力矩傳感器13用來檢測工作過程中關(guān)節(jié)的輸出力矩，此數(shù)據(jù)可用于關(guān)節(jié)的柔順控制，與 此同時可以提供過載保護(hù)，這就是本關(guān)節(jié)的力感知功能。電氣裝置1作為關(guān)節(jié)的控制部件，用來采集第一旋轉(zhuǎn)變壓器2-3、第二旋轉(zhuǎn)變壓器 14、力矩傳感器13的信號，經(jīng)過處理，結(jié)合控制算法控制電機(jī)2-5、抱閘2-2。電氣裝置1、第 一旋轉(zhuǎn)變壓器2-3、第二旋轉(zhuǎn)變壓器14、力矩傳感器13提高了關(guān)節(jié)的智能程度，使關(guān)節(jié)的位 置控制以及柔順控制成為可能。
權(quán)利要求
一種大型空間服務(wù)機(jī)器人在軌可更換關(guān)節(jié)，其特征在于所述關(guān)節(jié)包括電氣裝置(1)、驅(qū)動裝置(2)、關(guān)節(jié)前蓋(3)、關(guān)節(jié)內(nèi)殼(4)、關(guān)節(jié)輸出殼(5)、關(guān)節(jié)外殼(6)、關(guān)節(jié)后蓋(7)、電路板連接件(8)、圓柱形空心殼體(9)、諧波減速器(10)、鍵(11)、空心軸(12)、力矩傳感器(13)和軸向法蘭(15)，關(guān)節(jié)前蓋(3)裝在關(guān)節(jié)內(nèi)殼(4)上，且二者可拆卸連接，關(guān)節(jié)內(nèi)殼(4)的尾部加工有軸向法蘭(15)，關(guān)節(jié)內(nèi)殼(4)設(shè)在關(guān)節(jié)外殼(6)內(nèi)，且二者可拆卸連接，關(guān)節(jié)輸出殼(5)設(shè)在關(guān)節(jié)內(nèi)殼(4)與關(guān)節(jié)外殼(6)之間，且關(guān)節(jié)輸出殼(5)轉(zhuǎn)動連接在關(guān)節(jié)外殼(6)上，關(guān)節(jié)后蓋(7)裝在關(guān)節(jié)輸出殼(5)內(nèi)，且二者可拆卸連接，關(guān)節(jié)后蓋(7)的內(nèi)孔與圓柱形空心殼體(9)連接；電氣裝置(1)設(shè)在關(guān)節(jié)內(nèi)殼(4)中，電氣裝置(1)通過電路板連接件(8)與關(guān)節(jié)內(nèi)殼(4)連接，驅(qū)動裝置(2)與諧波減速器(10)裝在關(guān)節(jié)內(nèi)殼(4)上，所述驅(qū)動裝置(2)包括抱閘縮緊螺母(2 1)、抱閘(2 2)、第一旋轉(zhuǎn)變壓器(2 3)、電機(jī)傳動軸(2 4)、電機(jī)(2 5)、小齒輪(2 6)和大齒輪(2 7)，抱閘縮緊螺母(2 1)將抱閘(2 2)鎖緊，抱閘(2 2)和第一旋轉(zhuǎn)變壓器(2 3)套在電機(jī)傳動軸(2 4)上，抱閘(2 2)和第一旋轉(zhuǎn)變壓器(2 3)連接，電機(jī)傳動軸(2 4)的輸出端與小齒輪(2 6)傳動連接，小齒輪(2 6)與大齒輪(2 7)嚙合；大齒輪(2 7)通過鍵(11)與空心軸(12)傳動連接，空心軸(12)與諧波減速器(10)制成一體，圓柱形空心殼體(9)設(shè)在空心軸(12)內(nèi)部，圓柱形空心殼體(9)的尾部與關(guān)節(jié)后蓋(7)連接，諧波減速器(10)與力矩傳感器(13)的小直徑端連接，力矩傳感器(13)設(shè)在關(guān)節(jié)輸出殼(5)內(nèi)部且套在圓柱形空心殼體(9)的外部，且力矩傳感器(13)的大直徑端與關(guān)節(jié)輸出殼(5)可拆卸連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述大型空間服務(wù)機(jī)器人在軌可更換關(guān)節(jié)，其特征在于電氣裝置 (1)由關(guān)節(jié)驅(qū)動電路板(1-1)、第一支架(1-2)、關(guān)節(jié)控制電路板(1-3)、第二支架(1-4)、關(guān) 節(jié)電源電路板(1-5)、第三支架(1-6)、關(guān)節(jié)接口電路板(1-7)和關(guān)節(jié)接口電路板壓環(huán)(1-8) 構(gòu)成，關(guān)節(jié)驅(qū)動電路板(1-1)通過第一支架(1-2)固定在電路板連接件(8)上，關(guān)節(jié)控制 電路板(1-3)通過第二支架(1-4)固定在關(guān)節(jié)控制電路板支架(1-2)上，關(guān)節(jié)電源電路板 (1-5)通過第三支架(1-6)固定在關(guān)節(jié)電源電路板支架(1-4)上，關(guān)節(jié)接口電路板(1-7) 通過關(guān)節(jié)接口電路板壓環(huán)(1-8)固定在關(guān)節(jié)接口電路板支架(1-6)上，關(guān)節(jié)驅(qū)動電路板 (1-1)、第一支架(1-2)、關(guān)節(jié)控制電路板(1-3)、第二支架(1-4)、關(guān)節(jié)電源電路板(1-5)、第 三支架(1-6)、關(guān)節(jié)接口電路板(1-7)和關(guān)節(jié)接口電路板壓環(huán)(1-8)上設(shè)有同軸走線通孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述大型空間服務(wù)機(jī)器人在軌可更換關(guān)節(jié)，其特征在于所述關(guān) 節(jié)還包括第二旋轉(zhuǎn)變壓器(14)，第二旋轉(zhuǎn)變壓器(14)裝在關(guān)節(jié)外殼(6)內(nèi)，且二者固接。
全文摘要
一種大型空間服務(wù)機(jī)器人在軌可更換關(guān)節(jié)，它涉及一種機(jī)器人關(guān)節(jié)。本發(fā)明的目的是為了解決目前大型空間服務(wù)機(jī)器人關(guān)節(jié)控制精度差、采用行星齒輪傳動導(dǎo)致關(guān)節(jié)質(zhì)量大以至于機(jī)器人負(fù)載自重比小、控制電路安裝在關(guān)節(jié)外部導(dǎo)致集成性差的問題。電機(jī)傳動軸的輸出端與小齒輪傳動連接，小齒輪與大齒輪嚙合；大齒輪通過鍵與空心軸傳動連接，空心軸與諧波減速器制成一體，圓柱形空心殼體設(shè)在空心軸內(nèi)部，圓柱形空心殼體的尾部與關(guān)節(jié)后蓋連接，諧波減速器與力矩傳感器的小直徑端連接，力矩傳感器設(shè)在關(guān)節(jié)輸出殼內(nèi)部且套在圓柱形空心殼體的外部，且力矩傳感器的大直徑端與關(guān)節(jié)輸出殼可拆卸連接。本發(fā)明用于大型空間服務(wù)機(jī)器人上。
文檔編號B25J17/00GK101913151SQ20101026378
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月26日
發(fā)明者劉宏, 史士財, 孫敬颋, 陳泓 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)