專利名稱：一種導軌擺臂式位置機構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種導軌擺臂式位置機構，屬于深空探測技術領域和航天器機構技術領域。
背景技術：
美國先后在Surveyor (勘測者)月球探測任務、 Viking (海盜)和Phoenix (鳳凰)火星探測任務中使用淺層土壤取樣裝置對星體土壤進行取樣作業(yè)。這三種取樣裝置的位置機構都具有一些不足之處，例如Surveyor取樣裝置的伸縮臂鉸鏈過多，結構較復雜，剛度較低，導致鏟子對土壤的作用力也較?。籚iking取樣裝置的伸縮臂結構較復雜，靈活性不足，工作范圍有限，收攏后的體積仍較大；PhoeniX取樣裝置的四自由度兩級空間機械臂傳力路徑較長，剛度較低，對土壤的作用力較小，控制技術難度也比較大。以上任務中取樣裝置位置機構存在的不足之處都會對星體淺層土壤取樣任務的可靠性造成不良影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的上述目的在于克服現(xiàn)有技術的上述不足，提供一種導軌擺臂式位置機構，該位置機構剛度高，靈活性好，控制方式非常簡單，可用于完成目前常用的四自由度兩級空間機械臂的任務，具有廣闊的應用范圍，地外星體淺層土壤取樣裝置就是其典型應用
之一 O本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現(xiàn)的一種導軌擺臂式位置機構，包括導軌、運動單元、擺臂關節(jié)、擺臂和末端關節(jié)，其中導軌與運動單元連接，且運動單元可以沿導軌上下移動，擺臂關節(jié)包括水平部分和豎直部分，在運動單元內(nèi)置的第一驅(qū)動單元的驅(qū)動作用下，擺臂關節(jié)繞豎直部分的軸線轉動，從而帶動擺臂繞豎直部分的軸線轉動，水平部分與擺臂連接，在擺臂關節(jié)內(nèi)置的第二驅(qū)動單元的驅(qū)動作用下，水平部分繞自身軸線轉動并帶動擺臂繞水平部分的軸線轉動，末端關節(jié)嵌入在擺臂遠離擺臂關節(jié)的另一端，末端關節(jié)用于連接末端執(zhí)行機構，并驅(qū)動末端執(zhí)行機構繞末端關節(jié)(9)的軸線轉動。在上述導軌擺臂式位置機構中，運動單元沿導軌上下移動的實現(xiàn)方式有通過齒輪齒條傳動機構、同步帶傳動機構、絲杠傳動機構或鋼絲繩纏繞加載機構。在上述導軌擺臂式位置機構中，擺臂關節(jié)在運動單元內(nèi)置的第一驅(qū)動單元的驅(qū)動作用下，繞豎直部分的軸線轉動，并帶動擺臂繞豎直部分的軸線轉動的角度范圍大于120。。在上述導軌擺臂式位置機構中，擺臂關節(jié)帶動擺臂繞豎直部分的軸線轉動的方式，為電機及減速機構驅(qū)動的在任意角度工作的連續(xù)方式，或者為間歇運動機構驅(qū)動的在若干個指定角度工作的不連續(xù)方式。在上述導軌擺臂式位置機構中，在擺臂關節(jié)內(nèi)置的第二驅(qū)動單元的驅(qū)動作用下，水平部分繞自身軸線轉動并帶動擺臂繞水平部分的軸線轉動的角度范圍大于270°。
在上述導軌擺臂式位置機構中，末端關節(jié)驅(qū)動末端執(zhí)行機構繞末端關節(jié)軸線進行360。范圍的轉動。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的有益效果如下(I)本發(fā)明導軌擺臂式位置機構通過導軌和運動單元組件、擺臂關節(jié)、末端關節(jié)的聯(lián)動實現(xiàn)末端執(zhí)行機構的運動，機構各自由度之間的耦合大大減小，控制算法也大大簡化，因此控制方式非常簡單；
(2)本發(fā)明導軌擺臂式位置機構運動單元在導軌上的移動可以實現(xiàn)垂直于導軌的不同作業(yè)面之間的轉換，使臂桿數(shù)量只有一個，且長度大大減少，但位置機構的靈活性幾乎不受影響，且剛性獲得較大的改善，因此運動精度和可靠性均有較大提高；(3)本發(fā)明導軌擺臂式位置機構可用于完成目前常用的四自由度兩級空間機械臂的任務，尤其適合用于地外星體淺層土壤取樣裝置，具有較廣的應用和范圍；(4)本發(fā)明導軌擺臂式位置機構中導軌及運動單元組件有多種實現(xiàn)形式，如齒輪齒條傳動機構、同步帶傳動機構、絲杠傳動機構及鋼絲繩纏繞加載機構等，目標是使運動單元能夠在導軌上下端之間自由移動，并對運動單元在導軌上的位置進行比較精確的控制；(5)本發(fā)明導軌擺臂式位置機構中擺臂關節(jié)帶動擺臂繞豎直軸轉動的角度范圍大于120°，擺臂關節(jié)帶動擺臂上下擺動的角度范圍大于270°，末端關節(jié)可以帶動各種末端執(zhí)行機構進行360°范圍的轉動；(6)本發(fā)明導軌擺臂式位置機構可以根據(jù)需要驅(qū)動各種類型的取樣用末端執(zhí)行機構，形成不同的取樣裝置，可以有效獲得所需樣品，并將樣品快速準確的移送至所需位置，具有較高的可靠性，以滿足不同地外星體土壤取樣任務的需求；(7)本發(fā)明導軌擺臂式位置機構也可以根據(jù)需要驅(qū)動其它非取樣用的末端執(zhí)行機構，形成其它類型的空間機構，以滿足各種空間任務的需求；本發(fā)明導軌擺臂式位置機構已成功的研制出了一臺原理樣機，并進行了大量的實驗，取得了很好的效果。


圖I為本發(fā)明導軌擺臂式位置機構及使用了該位置機構的地外星體淺層土壤取樣裝置的示意圖；圖2為本發(fā)明地外星體淺層土壤取樣裝置所用末端執(zhí)行機構的示意圖；圖3為本發(fā)明地外星體淺層土壤取樣裝置在地外星體著陸器上的安裝示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述如圖I所示為本發(fā)明導軌擺臂式位置機構及使用了該位置機構的地外星體淺層土壤取樣裝置的示意圖，由圖可知導軌擺臂式位置機構包括導軌5、運動單元6、擺臂關節(jié)7、擺臂8和末端關節(jié)9，其中導軌5與運動單元6連接，且運動單元6可以沿導軌5上下移動，導軌5及運動單元6組件主要用于產(chǎn)生運動單元6沿導軌5上下移動的自由度，運動單元6相對導軌5的運動可通過多種方式來實現(xiàn)如齒輪齒條傳動機構、同步帶傳動機構、絲杠傳動機構及鋼絲繩纏繞加載機構等，著重要保證導軌5具有足夠的抗彎強度和剛度，運動單元6具有足夠的牽引力且在導軌5上的位置能夠得到比較精確的控制。擺臂關節(jié)7包括水平部分7a和豎直部分7b。運動單元6內(nèi)部設計有旋轉驅(qū)動組件，即第一驅(qū)動單元，第一驅(qū)動單元的輸出端連接擺臂關節(jié)7，可以驅(qū)動擺臂關節(jié)7繞豎直部分7b的軸線轉動，并帶動擺臂8繞豎直部分7b的軸線轉動，轉動的角度范圍大于120°，繞豎直部分7b的軸線轉動的方式可以為電機及減速機構等驅(qū)動的可在任意角度工作的連續(xù)方式 ，也可以為各種間歇運動機構驅(qū)動的在若干個指定角度工作的不連續(xù)方式。擺臂關節(jié)7內(nèi)部設計有旋轉驅(qū)動組件，即第二驅(qū)動單元，第二驅(qū)動單元可驅(qū)動水平部分7a繞水平部分7a的軸線轉動并帶動擺臂8繞水平部分7a的軸線上下擺動，擺動角度范圍大于270°，擺臂8向下可以擺動到與導軌5平行的位置，向上可以擺動到導軌5后側的水平位置。擺臂8遠離擺臂關節(jié)7的另一端設計有旋轉驅(qū)動組件，形成末端關節(jié)9，末端關節(jié)9嵌入在擺臂(8)中，可以驅(qū)動其它部件，如各種末端執(zhí)行機構，繞擺臂8末端水平軸進行360。范圍的轉動。在位置機構末端關節(jié)9的輸出端上連接取樣用末端執(zhí)行機構10即可形成取樣裝置2，以地外星體淺層土壤取樣為例，位置機構在取樣裝置2中的作用是帶動末端執(zhí)行機構10運動，以提供工作動力、實現(xiàn)運動規(guī)律并進行位置與剛度保持。如圖3所示為本發(fā)明地外星體淺層土壤取樣裝置在地外星體著陸器上的安裝示意圖，地外星體淺層土壤取樣裝置2安裝在著陸器3的側面，主要任務是在地外星體表面上獲得足夠的土壤樣品，并將其轉送至位于上升器4上的樣品密封封裝裝置I中。導軌擺臂式位置機構共有四個自由度運動單元6沿導軌5的上下移動，擺臂8繞豎直方向和水平方向的轉動，末端關節(jié)9用于驅(qū)動各種末端執(zhí)行機構的轉動。如圖2所示為本發(fā)明地外星體淺層土壤取樣裝置所用末端執(zhí)行機構的示意圖，由圖可知末端執(zhí)行機構10由鏟子11、棘輪12、樣品盒13和連接分離機構14組成，以地外星體淺層土壤取樣為例，末端執(zhí)行機構10是取樣裝置2中與土壤直接作用的部分，決定了取樣裝置2的作業(yè)方式，以鏟子11鏟挖為基本和主要作業(yè)方式，棘輪12旋挖為輔助破巖方式，棘輪12固定在伊子11如端，樣品盒13構成末端執(zhí)彳丁機構10上的樣品臨時存儲空間并且能夠?qū)悠愤M行初級封裝，連接分離機構14用于將樣品盒13固定在鏟子11后端，并形成土壤從鏟子11進入樣品盒13的通道，在樣品轉送時，可以使經(jīng)過初級封裝的樣品脫離末端執(zhí)行機構10，進入上升器4上的樣品密封封裝裝置1，如圖3所示。樣品盒13為筒形結構，入口處設置有單向機構和封ロ機構，單向機構用于防止取樣過程中樣品盒13內(nèi)的土壤流出，封ロ機構用于樣品盒13分離時防止盒內(nèi)的土壌樣品飛濺出來污染上升器4上的樣品密封封裝裝置I的密封面。擺臂8的長度可根據(jù)任務的不同靈活調(diào)節(jié)，如圖3，在地外星體淺層土壤取樣裝置中擺臂8長度確定的原則為運動單元6上升到導軌5上端，末端執(zhí)行機構10轉至樣品盒13軸線與擺臂8垂直，擺臂8回擺至水平位置吋，樣品盒13能正好與上升器4上的樣品密封封裝裝置I對正。本發(fā)明導軌擺臂式位置機構與圖2中末端執(zhí)行機構10組成的取樣裝置工作過程如下(I)起始準備階段，位置機構各部件協(xié)調(diào)運動，將末端執(zhí)行機構10置于星體表面附近，準備進行獲取土壌的作業(yè)；
(2)獲取土壤階段，位置機構通過運動單元6沿導軌5的上下移動，內(nèi)置在運動單元6內(nèi)的第一驅(qū)動單元和內(nèi)置在擺臂關節(jié)7內(nèi)的第二驅(qū)動單元對擺臂8的旋轉驅(qū)動，以及末端關節(jié)9對末端執(zhí)行機構10的旋轉驅(qū)動，使末端執(zhí)行機構10使用鏟挖和棘輪旋挖兩種取樣作業(yè)方式獲取足夠多的土壤樣品，完成標志是末端執(zhí)行機構10后部的樣品盒13盛滿樣品；(3)樣品轉運階段，位置機構在幾個關節(jié)協(xié)調(diào)運動的作用下，將盛滿土壤樣品的末端執(zhí)行機構10帶至上升器4的樣品密封封裝裝置I上方并與之對正；(4)樣品轉送階段，主要任務是將樣品從末端執(zhí)行機構10上轉送到上升器4上的樣品密封封裝裝置I中，即將末端執(zhí)行機構10上的樣品盒13分離，使樣品盒13整體進入樣品密封封裝裝置I中，并將樣品盒13機械鎖定；(5)避讓階段，樣品轉送完成后，位置機構驅(qū)動末端執(zhí)行機構10的其它部分(包括鏟子11、棘輪12和連接分離機構14)向著陸器3外側擺動，以避免在上升器4起飛時發(fā)生
碰撞干涉。以上所述，僅為本發(fā)明的ー種具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領域?qū)I(yè)技術人員的公知技木。
權利要求
1.一種導軌擺臂式位置機構，其特征在于包括導軌(5)、運動単元(6)、擺臂關節(jié)(7)、擺臂(8)和末端關節(jié)(9)，其中導軌(5)與運動單元(6)連接，且運動単元(6)可以沿導軌(5)上下移動，擺臂關節(jié)(7)包括水平部分(7a)和豎直部分(7b)，在運動單元￠)內(nèi)置的第一驅(qū)動單元的驅(qū)動作用下，擺臂關節(jié)(7)繞豎直部分(7b)的軸線轉動，從而帶動擺臂(8)繞豎直部分(7b)的軸線轉動，水平部分(7a)與擺臂(8)連接，在擺臂關節(jié)(7)內(nèi)置的第二驅(qū)動單元的驅(qū)動作用下，水平部分(7a)繞自身軸線轉動并帶動擺臂(8)繞水平部分(7a)的軸線轉動，末端關節(jié)(9)嵌入在擺臂⑶遠離擺臂關節(jié)(7)的另一端，末端關節(jié)(9)用于連接末端執(zhí)打機構，并驅(qū)動末端執(zhí)打機構繞末端關節(jié)(9)的軸線轉動。
2.根據(jù)權利要求I所述的ー種導軌擺臂式位置機構，其特征在于所述運動単元(6)沿導軌(5)上下移動的實現(xiàn)方式有通過齒輪齒條傳動機構、同步帶傳動機構、絲杠傳動機構或鋼絲繩纏繞加載機構。
3.根據(jù)權利要求I所述的ー種導軌擺臂式位置機構，其特征在干所述擺臂關節(jié)(7)在運動單元出)內(nèi)置的第一驅(qū)動單元的驅(qū)動作用下，繞豎直部分(7b)的軸線轉動，并帶動擺臂(8)繞豎直部分(7b)的軸線轉動的角度范圍大于120°。
4.根據(jù)權利要求I所述的ー種導軌擺臂式位置機構，其特征在干所述擺臂關節(jié)(7)帶動擺臂(8)繞豎直部分(7b)的軸線轉動的方式，為電機及減速機構驅(qū)動的在任意角度エ作的連續(xù)方式，或者為間歇運動機構驅(qū)動的在若干個指定角度工作的不連續(xù)方式。
5.根據(jù)權利要求I所述的ー種導軌擺臂式位置機構，其特征在干在擺臂關節(jié)(7)內(nèi)置的第二驅(qū)動單元的驅(qū)動作用下，水平部分(7a)繞自身軸線轉動并帶動擺臂(8)繞水平部分(7a)的軸線轉動的角度范圍大于270°。
6.根據(jù)權利要求I所述的ー種導軌擺臂式位置機構，其特征在于末端關節(jié)(9)驅(qū)動末端執(zhí)行機構繞末端關節(jié)(9)軸線進行360°范圍的轉動。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種導軌擺臂式位置機構，包括導軌、運動單元、擺臂關節(jié)、擺臂和末端關節(jié)，其中導軌與運動單元連接，且運動單元可以沿導軌上下移動，擺臂關節(jié)包括水平軸和豎直軸，其中擺臂關節(jié)在運動單元內(nèi)置的第一驅(qū)動單元的驅(qū)動作用下，繞豎直軸的軸線轉動，從而帶動擺臂掃取扇面，水平軸與擺臂連接，在擺臂關節(jié)內(nèi)置的第二驅(qū)動單元的驅(qū)動作用下，擺臂繞水平軸的軸線轉動，末端關節(jié)嵌入在擺臂的另一端，末端關節(jié)用于連接末端執(zhí)行機構，并驅(qū)動末端執(zhí)行機構繞末端關節(jié)的軸線轉動，該位置機構剛度高，靈活性好，控制方式非常簡單，可用于完成目前常用的四自由度兩級空間機械臂的任務，具有廣闊的應用范圍，地外星體淺層土壤取樣裝置就是其典型應用之一。
文檔編號B25J17/02GK102689301SQ201210169149
公開日2012年9月26日 申請日期2012年5月25日 優(yōu)先權日2012年5月25日
發(fā)明者劉碩, 孫京, 張鼐, 曾婷, 李永宣, 楊帥, 殷參, 王國欣, 范洪濤, 藥星宇, 董禮港, 譚旭 申請人:北京衛(wèi)星制造廠