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成果介绍：一种六自由度串联机械臂的研制
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&&&&作者：郑晓敏
&&&&结合核电站救援机器人关键系统开发项目，本文设计了一款六自由度串联机械臂，设计的机械臂为功能验证样机，暂不考虑核辐射的影响。
1&&机械臂本体结构的设计
&&&&核电站内部结构复杂，机械臂将执行旋拧阀门、打开／关闭开关、抓取物品、插拔开关等工作，特别是核电站内部管道很多，涉及很多旋拧阀门的工作，目前多数文献开发的救援机械臂为5个自由度且没有可以连续旋转的自由度，工作范围较小且不利于阀门的快速旋拧。本文开发的机械臂有6个自由度，并且有2个自由度可以连续旋转，6个自由度为非耦合的结构，末端可搭载多种操作手。
&&&&设计的六自由度机械臂采用关节型式，具有工作灵活和可达范围大等突出的优点[1-3]，其工作范围如下：第1轴（腰部）为00～3000；第2轴（肩部）为00～2250；第3轴（肘部）为00～2000；第4轴（手腕转动）为连续旋转；第5轴（腕部俯仰）为00～1800；第6轴（末
端旋转）为连续旋转。
&&&&按照设计参数确定的机械臂传动方案如图1所示。6个自由度全部为旋转关节，1轴、2轴和3轴采用蜗轮蜗杆的形式，具有自锁功能[4]&，可以在突发及断电情况下保持位置，从而保护机械臂；4轴、5轴和6轴为非耦合结构，各自由度的运动互不干涉，为后续的控制提供了很大的便利。6个自由度的驱动均采用Manxon直流伺服电机，它具有高精度和高可靠性，可作为机械臂的理想动力源，电机前部装配行星齿轮减速器，后部装配增量编码器。连续旋转自由度的实现可以使用滑环结构，用来解决有相对转动部件的电源以及信号的传输问题。机械臂本体结构示意图如图2所示。
1.1&&1轴、2轴和3轴的机械结构设计
&&&&由于1轴、2轴和3轴具有类似的结构，现以2轴为例进行结构设计，其结构示意图如图3所示。蜗轮与U型支撑件通过键连接固连，肩部关节运动时，蜗杆一方面绕着自身旋转轴旋转，另一方面带动相关部件绕着蜗轮轴轴线旋转，实现肩关节的旋转动作。由于蜗轮蜗杆的自锁，在断电及突发情况下，关节可保持原有姿态从而保护机械臂不受损坏。该方式相比于采用具有抱闸的电机而言，成本更低。由于蜗轮蜗杆中心距的精度对效率的影响很大[5]，因此设计了调整蜗轮蜗杆中心距的结构，蜗轮与机械臂本体固定，蜗杆轴的一端通过轴承与机械臂本体过盈装配，与蜗杆轴另一端装配的轴承与机械臂本体采用间隙配合，通过4个调整螺钉进行中心距的微调。微调结构可以保证蜗轮蜗杆具有准确的中心距，有效地提高工作效率。机械臂的腰部关节处留有安装孔，机械臂可以固定安装到地面、墙体或安装到移动平台上，其使用范围具有很好的可扩展性。
&&&&在1轴、2轴、3轴中，行星减速器的输出轴与蜗杆轴的键槽孔装配起来，从而将电机的动力输出给蜗杆。电机部分装配在机械臂的臂管内，不仅美观且节省了空间。
1.2&&4轴、5轴和6轴的机械结构设计
&&&&4轴、5轴和6轴采用非耦合的传动，3个自由度之间的运动互不影响，为后续的机械臂的正、逆解的计算以及控制带来很大的便利[6-8]&；此外，这种非耦合的传动方案，3个关节具有分段式的特点，只有一层轴承嵌套结构，很大程度上降低了对于加工精度的要求，结构上也相对简单，为机械臂的安装提供了便利。
&&&&4轴、5轴和6轴的结构示意图如图4所示。4自由度电机与4自由度电机安装套通过螺栓连接，4自由度电机安装套与机械臂小臂（图4中未示出）通过螺栓连接，联轴器与5自由度电机安装套通过螺栓连接，5自由度电机安装套通过轴承嵌套在机械臂的小臂内部．4自由度电机输出轴与联轴器采用键连接，联轴器与5自由度电机安装套采用键连接，机械臂的手腕部分与5自由度电机安装套采用螺钉连接的方式，从而使4自由度电机的动力可以传递到手腕部分，带动手藐前部的旋转。5自由度电机安装在相应的电机安装套中，5自由度电机的输出轴与锥齿轮1采用键连接，锥齿轮2与锥齿轮1为1：1传动。6自由度关节的
相应部件安装在6自由度电机安装套之上，6自由度电机安装套与锥齿轮2通过键连接固定，从而使5自由度电机的动力可以传递到手腕的前部，带动手腕前部的俯仰。
1．3&&连续旋转自由度走线的处理
&&&&为增强机械臂的工作能力，关节4与关节6可以实现连续旋转，为避免导线由于连续旋转而造成的拧断现象，使用了滑环结构。一对滑环结构由两片组成（称之为上片和下片），一片具有滑道，一片具有触点，通过触点与滑道的摩擦接触传递信号&[9]，本文采用的滑环可以通过低于10&A的电流。机械臂共有3处采用滑环结构，其14路滑环结构如图5所示。其中，夹持器的控制线需要滑环过渡，预留了6路信号；6自由度电机与夹持器的控制线需要滑环过渡，预留了14路信号；5自由度电机的控制线需要滑环过渡，预留了5路信号。
2&&控制系统设计
&&&&机械臂控制系统结构框图如图6所示。上位机采用PC机或工控机，下位机采用美国Delta&Tau公司PMAC多轴运动控制器，其本质上是一台基于Mo-torola&DSP芯片、具有独立内存、独立运算操作能力、实时的、多任务的计算机，满足作为机械臂运动控制器的要求[10]&。PMAC卡与PC机通过网卡通讯，PC端上运行系统控制软件，PMAC卡接收上位机指令进行相关算法的运算，最终输出控制信号给驱动器，驱动器驱动电机运动，电机编码器的反馈信号回馈给PMAC卡，形成闭环回路。PMAC卡将电机位置信息反馈给PC端，在PC端上显示。
&&&&机械臂预计搭配的三指灵巧手有独立的控制模&块，三指灵巧手直接与其控制模块通讯，控制模块与&PC机通讯，PC机端运行三指灵巧手的控制程序。
&&3&&实验验证
&&&&对机械臂本体及控制系统进行了搭建，如图7所示。记初始位置为00，在PC端输入各轴的运动指令，即相应的工作范围角度，控制各关节运动到极限位置。共进行3次实验，3次实验数据见表1。
&&&&实验结果表明：各轴的运动范围均可以达到设计
&&的要求，特别是第4轴与第6轴分别从初始位置正转10圈并反转10圈，运转良好，信号稳定、连续传递；编码器实际脉冲数与编码器指令脉冲数的误差很小，最大误差为0.&09%，可以认为满足工程需要。
本文设计的六自由度机械臂的实验结果表明：传动方案合理可行，蜗轮蜗杆机构的自锁功能方便实用，蜗轮蜗杆中心距调整结构的设计明显提高了其传递效率；4轴、5轴、6轴采用的非耦合方案降低了对加工精度的要求，更为重要的是给机械臂后续控制带来了很大的便利；滑环结构的使用可以稳定地传递控制及动力信号；基于PMAC多轴运动控制卡的控制系统具有良好的实时性与可扩展性，很好地满足了机械臂的控制要求。
设计了一款六自由度串联机械臂，并对其机械结构与控制系统进行了详尽的论述。机械臂采用关节式的结构，工作灵活，可达空间大；基于PMAC多轴运动控制器搭建了切实可行的运动控制方案，控制系统具有很好的实时性和可扩展性。实验结果表明研制出的机械臂各关节运转良好，控制系统稳定、可靠，达到了设计目标。
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专利名称空间机械臂平行式模块化关节的制作方法
技术领域本发明涉及一种空间机械臂的关节。
背景技术最近一二十年以来，我国空间技术发展迅速。未来我国将在空间建立自 己的空间站，需要空间机器人进行一些如空间站的搭建和维护，卫星的释放、 维修和回收等工作，但是，目前空间机器人还不能够完成这些工作。不久的 将来，我国就要探索月球、火星甚至其它的星体，需要在空间进行一些操作， 这些操作都离不开空间机械臂。模块化关节是空间机械臂的重要组成部分，
模块化关节的性能决定了整个机械臂的各项主要性能。DLR/HIT Joint Lab以前研制的空间机械臂模块化关节，它将驱动和控制都集成在一个关节里面， 关节的体积大、质量大、功耗大。国内，中国空间技术研究院502所在空间 机械臂关节的研制方面做了许多研究工作，但都只停留在实验室状态，没有 形成最终产品。据目前掌握的资料来看，国内还没有研制成功专门针对空间 强辐射、高真空、大温差环境，且具有低功耗、大输出力矩、高可靠性的空 间机械臂模块化关节。
本发明的目的是为解决现有关节的体积大、质量大、功耗大、单位质量 输出力矩小的问题，现提供一种空间机械臂平行式模块化关节。本发明由驱 动装置、关节机构和电气部分组成，所述的驱动装置由直流无刷电机、摩擦 式反向制动器、行星减速器、电机套筒和电机套筒盖组成，所述的关节机构 由内啮合齿轮装置、空心传动轴装置、谐波减速器、薄壁轴承一、薄壁轴承 二、薄壁轴承一内环支撑座、薄壁轴承一外环支撑座、薄壁轴承二内环支撑 座、关节后端盖、第一外壳、第二外壳、输出法兰盘、套筒、隔离支撑环、 调整垫片和毛毡组成，所述的电气部分由转接电路板、霍尔开关和位置传感 器组成，所述的内啮合齿轮装置由一个齿轮一和一个齿轮二组成，其中，齿 轮一是外齿轮，齿轮二是内齿轮，所述的空心传动轴装置由一个空心传动轴、
一对轴承、套筒一、套筒二、空心轴承盖、键一、键二、轴用弹性挡圈一和 轴用弹性挡圈二组成，所述的谐波减速器由柔轮、刚轮和波发生器组成，所 述摩擦式反向制动器由一个轴承垫板、三个销轴、三个轴承、 一个销轴板、 摩擦片一、摩擦片二、
一个输出齿轮轴、
一个输出齿轮轴套、 一个输出齿轮 轴套轴承、外壳一、外壳二和外壳三组成，所述霍尔开关由霍尔敏感元件和磁钢组成，所述位置传感器采用传统的电位计，由导电环和电刷组成；直流 无刷电机、摩擦式反向制动器和行星减速器依次串联在一起并安装在电机套 筒里面，电机套筒的后端和电机套筒盖的内壁都设有螺纹并且二者旋合，将 直流无刷电机、摩擦式反向制动器和行星减速器压在一起，电机套筒连接到 套筒的大端上，套筒和关节后端盖、第一外壳连接在一起，所述内啮合齿轮 装置中的齿轮一和直流无刷电机的输出轴粘在一起，齿轮二和空心传动轴的 输入端连接，并通过套筒一、键一和轴用弹性挡圈一实现轴向和周向定位， 波发生器和空心传动轴的输出端连接，并通过套筒二、键二和轴用弹性挡圈 二实现轴向和周向定位， 一对轴承套在空心传动轴上， 一对轴承的外环均和 第一外壳小端的内表面配合，内环均和空心传动轴的外圆柱面配合，由套筒 一、套筒二、空心轴承盖、第一外壳小端的孔肩和空心传动轴上的轴肩完成 轴承的轴向定位和轴向预紧。整个空心传动轴装置和第一外壳小端都布置在 柔轮里面；柔轮和薄壁轴承一外环支撑座、第一外壳连接在一起，薄壁轴承 一外环支撑座和第二外壳、调整垫片连接在一起，第二外壳和输出法兰盘之 间采用了两层周向迷宫式密封和毛毡密封两种密封方式，毛毡密封在内部， 两层周向迷宫式密封在外部，第二外壳的输入端为一号法兰盘，输出端为迷 宫式密封槽和机械限位结构，内部设有薄壁轴承二外环支撑座、第二外壳轴 承座孔肩和电刷座，输出法兰盘的输入端设有输入端法兰，输出端设有输出 端法兰、迷宫式密封槽和机械限位结构，输出法兰盘内孔里面设有台阶，第 二外壳和输出法兰盘上的迷宫式密封槽和机械限位结构相配合；薄壁轴承一 内环支撑座和薄壁轴承二内环支撑座配置在刚轮的两侧且三者连接在一起， 并用两个销实现周向的定位，薄壁轴承二内环支撑座和输出法兰盘连接在一 起，薄壁轴承一的外环、薄壁轴承二的外环分别和第二外壳薄壁轴承一外环 支撑座、第二外壳小轴承外环支撑座配合，薄壁轴承一的轴向定位由薄壁轴 承一内环支撑座和薄壁轴承一外环支撑座完成，薄壁轴承二的轴向定位由薄 壁轴承二内环支撑座和第二外壳轴承外环支撑座孔肩完成，输出法兰盘的输 入端法兰和薄壁轴承二内环支撑座连接在一起，隔离支撑环将薄壁轴承二内 环支撑座、输出法兰盘和套筒隔开，隔离支撑环通过薄壁轴承二内环支撑座 和输出法兰盘台阶定位，转接电路板连接到套筒的大端的内壁上，套筒的大 端有缺口，关节后端盖、第一外壳和套筒的大端连接在一起，套筒的小端穿 过齿轮二、空心传动轴、谐波减速器、薄壁轴承二内环支撑座、隔离支撑环， 最后从输出法兰盘伸出，导线从套筒的内部通过，所述的齿轮二、空心传动 轴、薄壁轴承一内环支撑座、薄壁轴承一外环支撑座、薄壁轴承二内环支撑座、波发生器、隔离支撑环和输出法兰盘都设有中心孔；外壳一、外壳二和 外壳三是空心的圆柱形零件，轴承垫板和销轴板均有三个周向均布的孔并与 三个销轴配合，三个轴承套在三个销轴上并配置在轴承垫板和销轴板之间， 外壳二将三个销轴、三个轴承和销轴板套住，外壳一在直流无刷电机和外壳 二之间并将轴承垫板套住用来支撑三个轴承的外环，销轴板上设有两个凸起 的立柱，立柱并插入相对平行布置的摩擦片一和摩擦片二的槽中，摩擦片一 和摩擦片二均为薄圆片，摩擦片一和摩擦片二沿直径方向开有两个对称的开 口槽，两槽之间圆片中心处开有一个矩形孔，矩形孔的长边与槽的方向平行， 矩形孔的长边只有一侧有直齿条，输出齿轮轴分别和摩擦片一、摩擦片二上 的直齿条啮合，输出齿轮轴套套在输出齿轮轴的外面，输出齿轮轴套轴承套 在输出齿轮轴套外面，外壳三套在销轴板、摩擦片一、摩擦片二、输出齿轮 轴、输出齿轮轴套和输出齿轮轴套轴承的外面，外壳一、外壳二和外壳三依 次串联安装在一起；磁钢安装在齿轮二的背面，霍尔敏感元件安装在第一外壳大端孔肩臂上，所述霍尔敏感元件和磁钢相对设置；导电环安装在输出法兰盘的背面，电刷安则装在电刷座上，导电环和电刷相对设置。本发明具有以下有益效果 一、本发明采用直流无刷电机，摩擦式反向 制动器，行星减速器，内啮合齿轮和谐波减速器的联合驱动方式，具有安装 方便、结构紧凑、质量轻、功耗低、输出力矩大、关节整体刚度大、传动可 靠的优点。二、为了使电缆和插头容易从关节中通过，在齿轮二和谐波减速 器的中心孔内装有套筒。机械臂的所有导线(包括电源线和信号线)及插头
都从套筒内穿过，可以抵抗空间环境变化(温度的高、低变化)、强辐射和机 械臂的运动对导线造成的损坏，同时也避免了外部走线而造成的导线磨损。 三、空间机械臂平行式模块化关节输出端安装了两个面对面的角接触球轴承， 抗倾覆力矩能力强。四、本发明的第二外壳和输出法兰盘之间采用了两层周 向迷宫式密封、毛毡密封和机械限位结构，结构简单、可靠性高，整个关节 防尘的能力强，可以有效避免轴承固体润滑剂在空间的挥发以及外部灰尘的 侵入。五、本发明的霍尔开关安装在齿轮二和第一外壳上，关节位置传感器 安装在第二外壳和输出法兰盘上。这种关节位置传感器的融合性设计方法可 以用来精确检测关节的旋转角度。这种关节位置的冗余设计，大大提高了系 统的可靠性。六、转接电路板用四个螺钉固定在套筒大端的内壁上，可以减 弱在发射和工作过程中的振动对电路板造成的损坏。拆掉关节后端盖，就可 以看到转接电路板，因此电路板的安装、调试及拆卸方便。七、本发明集成 化程度高、可靠性高、质量轻、功耗低、结构紧凑、输出力矩大、位置输出 精度高、整体抗弯刚度大，并能适应空间强辐射、高真空、大温差的环境。 具有可维护性好、工作可靠的优点。八、虽然本发明主要是针对空间环境设 计，但其设计方法也完全适应地面环境中。
图1是本发明的整体结构示意图，图2是本发明的整体结构主视剖面图， 图3是摩擦式反向制动器的剖面图，图4是驱动装置的剖面图，图5是第一 外壳2-7的结构示意图，图6是第一外壳2-7的剖视图，图7是第二外壳2-8 的主视图，图8是第二外壳2-8的剖视图，图9是第二外壳2-8的后视图，图 10是输出法兰盘2-9的主视图，图ll是输出法兰盘2-9的剖视图，图12是输 出法兰盘2-9的后视图，图13是位置传感器3-3的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式
一(参见图1 图13)本实施方式由驱动装置、关节机构 和电气部分组成，所述的驱动装置由直流无刷电机l-l、摩擦式反向制动器、 行星减速器l-3、电机套筒1-4和电机套筒盖1-5组成，所述的关节机构由内 啮合齿轮装置、空心传动轴装置、谐波减速器、薄壁轴承一2-4、薄壁轴承二2-5、薄壁轴承一内环支撑座2-4-1、薄壁轴承一外环支撑座2-4-2、薄壁轴承 二内环支撑座2-5-1、关节后端盖2-6、第一外壳2-7、第二外壳2-8、输出法 兰盘2-9、套筒2-10、隔离支撑环2-11、调整垫片2-12和毛毡2-13组成，所 述的电气部分由转接电路板3-l、霍尔开关和位置传感器3-3组成，所述的内 啮合齿轮装置由一个齿轮一 2-1-1和一个齿轮二 2-1-2组成，其中齿轮一 2-1-1 是外齿轮，齿轮二 2-1-2是内齿轮，所述的空心传动轴装置由一个空心传动轴 2画2隱1、 一对轴承〈2陽2-2、套筒一2-2國3、套筒二 2-2國4、空4&$由承盖2-2-5、键一 2-2-6、键二 2-2-7、轴用弹性挡圈一 2-2-8和轴用弹性挡圈二 2-2-9组成，所 述的谐波减速器由柔轮2-3-1、刚轮2-3-2和波发生器2-3-3组成，所述摩擦式 反向制动器由一个轴承垫板1-2-1、三个销轴1-2-2、三个轴承1-2-3、 一个销 轴板1-2-4、摩擦片一 1-2-5、摩擦片二 1-2-6、 一个输出齿轮轴1-2-7、 一个输 出齿轮轴套1-2-8、 一个输出齿轮轴套轴承1-2-9、外壳一 1-2-10、外壳二 1-2-11 和外壳三1-2-12组成，所述霍尔开关由霍尔敏感元件3-2-1和磁钢3-2-2组成， 所述位置传感器3-3采用传统的电位计，由导电环3-3-1和电刷3-3-2组成； 直流无刷电机1-1、摩擦式反向制动器和行星减速器1-3依次串联在一起并设 置在电机套筒1-4里面，电机套筒1-4的后端和电机套筒盖1-5的内壁都设有 螺纹并且二者旋合，将直流无刷电机l-l、摩擦式反向制动器和行星减速器1-3 压在一起，直流无刷电机l-l的输出是整个驱动装置的输入，行星减速器l-3 的输出是整个驱动装置的输出，电机套筒1-4通过两个螺钉连接到套筒2-10 的大端2-10-1上，套筒2-10和关节后端盖2-6、第一外壳的二号法兰盘2-7-2 连接在一起，所述内啮合齿轮装置中的齿轮一 2-1-1和直流无刷电机1-1的输 出轴粘在一起，齿轮二 2-1-2和空心传动轴2-2-1的输入端连接，并通过套筒 一 2-2-3、键一 2-2-6和轴用弹性挡圈一 2-2-8实现轴向和周向定位，波发生器 2画3-3和空心传动轴2-1的输出端连接，并通过套筒二 2-2-4、键二 2-2-7和 轴用弹性挡圈二 2-2-9实现轴向和周向定位， 一对轴承2-2-2套在空心传动轴 2-2_1上， 一对轴承2-2-2的外环均和第一外壳小端2-7-4的内表面配合，内环 均和空心传动轴入2-1的外圆柱面配合，由套筒一 2-2-3、套筒二 2-2-4、空心 轴承盖2-2-5、第一外壳小端的孔肩2-7-4-1和空心传动轴2-2-1上的轴肩完成 轴承的轴向定位和轴向预紧。整个空心传动轴装置和第一外壳小端2-7-4都布
置在柔轮2-3-1里面；谐波减速器的柔轮2-3-1起固定作用，刚轮2-3-2起输 出作用，柔轮2-3-1和薄壁轴承一外环支撑座2-4-2、第一外壳的三号法兰盘 2-7-3用八个周向均匀分布的螺钉连接在一起，薄壁轴承一外环支撑座2-4-2 和第二外壳的一号法兰盘2-8-1、调整垫片2-12用八个周向均匀分布的螺钉连 接，第二外壳2-8和输出法兰盘2-9之间采用了两层周向迷宫式密封和毛毡密 封两种密封方式，毛毡密封在内部，两层周向迷宫式密封在外部，第二外壳 2-8的输入端为一号法兰盘2-8-1 ，输出端为迷宫式密封槽2-8-4和机械限位结 构2-8-5，内部设有第二外壳薄壁齿轮二外环支撑座2-8-2、第二外壳薄壁轴承 二外环支撑座孔肩2-8-2-1和电刷座2-8-3，输出法兰盘2-9的输入端设有输入 端法兰2-9-1，输出端设有输出端法兰2-9-3、迷宫式密封槽2-9-4和机械限位 结构2-9-5，输出法兰盘2-9内孔里面设有台阶2-9-2，第二外壳2-8和输出法 兰盘2-9上的迷宫式密封槽和机械限位结构相配合，完成关节的密封和限位功 能，这种设计结构简单、可靠，整个关节防尘的能力强，既可以有效避免轴 承固体润滑剂在空间的挥发，又可以避免由于突然的掉电或者其它原因对关节造成的损害。薄壁轴承一内环支撑座2-4-1和薄壁轴承二内环支撑座2-5-1 设在刚轮2-3-2的两侧，三者通过八个均布的螺钉连接，并用两个销实现周向 的定位，薄壁轴承二内环支撑座2-5-1、调整垫片2-12和输出法兰盘2-9使用 圆周方向均布的八个螺钉连接在一起，薄壁轴承一2-4的外环、薄壁轴承二 2-5的外环分别和薄壁轴承一外环支撑座2-4-1、第二外壳薄壁轴承二外环支 撑座2-8-2配合，薄壁轴承一 2-4的轴向定位由薄壁轴承一内环支撑座2-4-1 和薄壁轴承一外环支撑座2-4-2完成，薄壁轴承二 2-5的轴向定位由薄壁轴承 二内环支撑座2-5-1和第二外壳薄壁轴承二外环支撑座孔肩2-8-2-1完成，输 出法兰盘2-9的输入端法兰2-9-1和薄壁轴承二内环支撑座2-5-1用八个周向 均布的螺钉连接在一起，隔离支撑环2-11将薄壁轴承二内环支撑座2-5-1、输 出法兰盘2-9和套筒2-10隔开，可以保证在工作的过程中，套筒2-10不和转 动件发生干摩擦，隔离支撑环2-11通过薄壁轴承二内环支撑座2-5-1和输出 法兰盘台阶2-9-2定位，转接电路板3-1通过四个螺钉连接到套筒2-10的大端 2-10-1的内壁上，拆掉关节后端盖2-6就可以看到转接电路板3-l，因此电路 板的安装、调试及拆卸方便。套筒2-10—端较大， 一端较小。为了各种线缆
转接到转接电路板3—i，套筒2-10的大端2-10-1有缺口，关节后端盖2-6、第 一外壳的二号法兰盘2-7-2和套筒2-10的大端2-10-1用十一个螺钉连接，套 筒2-10的小端2-10-2穿过齿轮二 2-1-2、空心传动轴2-2-1、谐波减速器、薄 壁轴承二内环支撑座2-5-1、隔离支撑环2-11，最后从输出法兰盘2-9伸出， 导线可以从套筒2-10的内部通过，所述的齿轮二2-l-2、空心传动轴2-2-1、 薄壁轴承一内环支撑座2-4-1、薄壁轴承一外环支撑座2-4-2、薄壁轴承二内环 支撑座2-5-1、被发生器2-3-3、隔离支撑环2-11和输出法兰盘2-9都设有大 的中心孔，采用上述结构，可以方便地将内孔尺寸较大的套筒小端2-10-2装 入到中心孔内，以便机械臂的电缆和导线可以从该模块化关节中间通过。夕卜 壳一 1-2-10、外壳二 1-2-11和外壳三1-2-12是空心的圆柱形零件，轴承垫板 1-2-1和销轴板1-2-4均有三个周向均布的孔并与三个销轴1-2-2配合，三个轴 承1-2-3套在三个销轴1-2-2上并设在轴承垫板1-2-1和销轴板1-2-4之间，外 壳二 1-2-11将三个销轴1-2-2、三个轴承1-2-3和销轴板1-2-4套住，外壳一 1-2-10在直流无刷电机1-1和外壳二 1-2-11之间并将轴承垫板1-2-1套住用来 支撑三个轴承1-2-3的外环，销轴板1-2-4上设有两个凸起的立柱并插入相对 平行布置的摩擦片一 1-2-5和摩擦片二 1-2-6的槽中，摩擦片一 1-2-5和摩擦 片二 1-2-6均为薄圆片，摩擦片一 1-2-5和摩擦片二 1-2-6沿直径方向开有两 个对称的开口槽，两槽之间圆片中心处开有一个矩形孔，矩形孔的长边与槽 的方向平行，矩形孔的长边只有一侧有直齿条，输出齿轮轴1-2-7分别和摩擦 片一 1-2-5、摩擦片二 1-2-6上的直齿条啮合，输出齿轮轴套1-2-8套在输出齿 轮轴1-2-7的外面，输出齿轮轴套轴承1-2-9套在输出齿轮轴套1-2-8外面， 外壳三1-2-12套在销轴板1-2-4、摩擦片一 1-2-5、摩擦片二 1-2-6、输出齿轮 轴1-2-7、输出齿轮轴套1-2-8和输出齿轮轴套轴承1-2-9的外面，外壳一1- 2-10、外壳二 1-2-11和外壳三1-2-12三者依次串联安装在一起；磁钢3-2-2 安装在齿轮二 2-1-2的背面，霍尔敏感元件3-2-1安装在第一外壳大端孔肩臂2- 7-5上，所述霍尔敏感元件3-2-1和磁钢3-2-2相对设置；导电环3-3-1安装 在输出法兰盘2-9的背面，电刷3-3-2安装在电刷座2-8-4上，导电环3-3-1 和电刷3-3-2相对设置，电位计确定关节的绝对位置，霍尔开关测量关节的相 对位置，两者组合即可以得到关节的最终位置。本实施方式所述的谐波减速.9说明书第8/8页器由德国Harmonic Drive公司生产，其型号为HFUS-14-100。
具体实施方式
二本实施方式所述的摩擦片一 1-2-5、摩擦片二 1-2-6和外壳三1-2-12的内壁间的摩擦系数要大于二」l-^ ，其中r为输出齿轮轴1-2-7的节圆半径，i 为外壳三1-2-12的内径，6为摩擦片上开口槽的宽度。其它与具体实施方式
具体实施方式
三本实施方式薄壁轴承一内环支撑座2-4-1的内孔半径比 柔轮2-3-1有齿端的最大半径大0.8mm。其它与具体实施方式
具体实施方式
四本实施方式电机套筒l-4、电机套筒盖l-5、空心传动轴 2國2-l、套筒一 2國2-3、套筒二 2國2-4、空心轴承盖2-2-5、键一 2画2-6、键二 2-2-7、 薄壁轴承一内环支撑座2-4-1、薄壁轴承一外环支撑座2-4-2、薄壁轴承二内环 支撑座2-5-1、关节后端盖2-6、第一外壳2-7、第二外壳2-8、输出法兰盘2-9 和套筒2-10均由钛合金材料制作而成。其它与具体实施方式
三相同。由于轴 承的材料为440C (不锈钢)与钛合金(TC4)的热膨胀系数相差很小，不会 因轴承内环座、轴承外环座和轴承内外环的热膨胀系数相差太大而使轴承卡 死。
具体实施方式
五本实施方式迷宫式密封相邻的间隔是0.5mm，毛毡2-13 的厚度是2mm。其它与具体实施方式
四相同。关节力矩的传递过程为驱动装置和第一外壳2-7连接在一起。无刷直流电机l-l的输出是驱动装置的输入，行星减速器l-3的输出是驱动装置的输出。行星减速器1-3把力矩传递给齿轮一 2-1-1，齿轮一 2-1-1通过齿轮二 2-1-2将力矩传递给通过空心传动轴2-2-1，空心传动轴2-2-1再把力矩传递给波发生器2-3-3，波发生器2-3-3通过柔轮2-3-1把力矩从传递给刚轮2-3-2，刚轮2-3-2通过小薄壁轴承内环支撑座2-5-1将力矩传递给输出法兰盘2-9，实现了整个关节的力矩输出。
1、一种空间机械臂平行式模块化关节，它由驱动装置、关节机构和电气部分组成，所述的驱动装置由直流无刷电机(1-1)、摩擦式反向制动器、行星减速器(1-3)、电机套筒(1-4)和电机套筒盖(1-5)组成，所述的关节机构由内啮合齿轮装置、空心传动轴装置、谐波减速器、薄壁轴承一(2-4)、薄壁轴承二(2-5)、薄壁轴承一内环支撑座(2-4-1)、薄壁轴承一外环支撑座(2-4-2)、薄壁轴承二内环支撑座(2-5-1)、关节后端盖(2-6)、第一外壳(2-7)、第二外壳(2-8)、输出法兰盘(2-9)、套筒(2-10)、隔离支撑环(2-11)、调整垫片(2-12)和毛毡(2-13)组成，所述的电气部分由转接电路板(3-1)、霍尔开关和位置传感器(3-3)组成，所述的内啮合齿轮装置由一个齿轮一(2-1-1)和一个齿轮二(2-1-2)组成，其中，齿轮一(2-1-1)是外齿轮，齿轮二(2-1-2)是内齿轮，所述的空心传动轴装置由一个空心传动轴(2-2-1)、一对轴承(2-2-2)、套筒一(2-2-3)、套筒(2-2-4)、空心轴承盖(2-2-5)、键一(2-2-6)、键(2-2-7)、轴用弹性挡圈一(2-2-8)和轴用弹性挡圈二(2-2-9)组成，所述的谐波减速器由柔轮(2-3-1)、刚轮(2-3-2)和波发生器(2-3-3)组成，所述摩擦式反向制动器由一个轴承垫板(1-2-1)、三个销轴(1-2-2)、三个轴承(1-2-3)、一个销轴板(1-2-4)、摩擦片一(1-2-5)、摩擦片二(1-2-6)、一个输出齿轮轴(1-2-7)、一个输出齿轮轴套(1-2-8)、一个输出齿轮轴套轴承(1-2-9)、外壳一(1-2-10)、外壳二(1-2-11)和外壳三(1-2-12)组成，所述霍尔开关由霍尔敏感元件(3-2-1)和磁钢(3-2-2)组成，所述位置传感器(3-3)采用传统的电位计，由导电环(3-3-1)和电刷(3-3-2)组成；其特征在于直流无刷电机(1-1)、摩擦式反向制动器和行星减速器(1-3)依次串联在一起并设置在电机套筒(1-4)里面，电机套筒(1-4)的后端和电机套筒盖(1-5)的内壁都设有螺纹并且二者旋合，将直流无刷电机(1-1)、摩擦式反向制动器和行星减速器(1-3)压在一起，电机套筒(1-4)连接到套筒(2-10)的大端(2-10-1)上，套筒(2-10)和关节后端盖(2-6)、第一外壳连接在一起，所述内啮合齿轮装置中的齿轮一(2-1-1)和直流无刷电机的输出轴粘在一起，齿轮二(2-1-2)和空心传动轴(2-2-1)的输入端连接，并通过套筒一(2-2-3)、键一(2-2-6)和轴用弹性挡圈一(2-2-8)实现轴向和周向定位，波发生器(2-3-3)和空心传动轴(2-2-1)的输出端连接，并通过套筒二(2-2-4)、键二(2-2-7)和轴用弹性挡圈二(2-2-9)实现轴向和周向定位，一对轴承(2-2-2)套在空心传动轴(2-2-1)上，一对轴承(2-2-2)的外环均和第一外壳小端(2-7-4)的内表面配合，内环均和空心传动轴(2-2-1)的外圆柱面配合，由套筒一(2-2-3)、套筒二(2-2-4)、空心轴承盖(2-2-5)、第二外壳小端的孔肩(2-7-4-1)和空心传动轴(2-2-1)上的轴肩完成轴承的轴向定位和轴向预紧。整个空心传动轴装置和第一外壳小端(2-7-4)都布置在柔轮(2-3-1)里面；柔轮(2-3-1)和薄壁轴承一外环支撑座(2-4-2)、第一外壳(2-7)连接在一起，薄壁轴承一外环支撑座(2-4-2)和第二外壳(2-8)、调整垫片(2-12)连接在一起，第二外壳(2-8)和输出法兰盘(2-9)之间采用了两层周向迷宫式密封和毛毡密封两种密封方式，毛毡密封在内部，两层周向迷宫式密封在外部，第二外壳(2-8)的输入端为一号法兰盘(2-8-1)，输出端为迷宫式密封槽(2-8-4)和机械限位结构(2-8-5)，内部设有薄壁轴承二外环支撑座(2-8-2)、第三外壳薄壁轴承二外环支撑座孔肩(2-8-2-1)和电刷座(2-8-3)，输出法兰盘(2-9)的输入端设有输入端法兰(2-9-1)，输出端设有输出端法兰(2-9-3)、迷宫式密封槽(2-9-4)和机械限位结构(2-9-5)，输出法兰盘(2-9)内孔里面设有台阶(2-9-2)，第二外壳(2-8)和输出法兰盘(2-9)上的迷宫式密封槽和机械限位结构相配合；薄壁轴承一内环支撑座(2-4-1)和薄壁轴承二内环支撑座(2-5-1)配置在刚轮(2-3-2)的两侧，三者连接在一起，并用两个销实现周向的定位，薄壁轴承二内环支撑座(2-5-1)和输出法兰盘(2-9)连接在一起，薄壁轴承一(2-4)的外环、薄壁轴承二(2-5)的外环分别和第二外壳薄壁轴承一外环支撑座(2-4-1)、第二外壳薄壁轴承二外环支撑座(2-8-2)配合，薄壁轴承一(2-4)的轴向定位由薄壁轴承一内环支撑座(2-4-1)和薄壁轴承一外环支撑座(2-4-2)完成，薄壁轴承二(2-5)的轴向定位由薄壁轴承二内环支撑座(2-5-1)和第二外壳薄壁轴承二外环支撑座孔肩(2-8-2-1)完成，输出法兰盘(2-9)的输入端法兰(2-9-1)和薄壁轴承二内环支撑座(2-5-1)连接在一起，隔离支撑环(2-11)将薄壁轴承二内环支撑座(2-5-1)、输出法兰盘(2-9)和套筒(2-10)隔开，隔离支撑环(2-11)通过薄壁轴承二内环支撑座(2-5-1)和输出法兰盘台阶(2-9-2)定位，转接电路板(3-1)连接到套筒(2-10)的大端(2-10-1)的内壁上，套筒(2-10)的大端(2-10-1)有缺口，关节后端盖(2-6)、第一外壳(2-7)和套筒(2-10)的大端(2-10-1)连接在一起，套筒(2-10)的小端(2-10-2)穿过齿轮二(2-1-2)、空心传动轴(2-2-1)、谐波减速器、薄壁轴承二内环支撑座(2-5-1)、隔离支撑环(2-11)，最后从输出法兰盘(2-9)伸出，导线从套筒(2-10)的内部通过，所述的齿轮二(2-1-2)、空心传动轴(2-2-1)、薄壁轴承一内环支撑座(2-4-1)、薄壁轴承一外环支撑座(2-4-2)、薄壁轴承二内环支撑座(2-5-1)、波发生器(2-3-3)、隔离支撑环(2-11)和输出法兰盘(2-9)都设有中心孔，外壳一(1-2-10)、外壳二(1-2-11)和外壳三(1-2-12)是空心的圆柱形零件，轴承垫板(1-2-1)和销轴板(1-2-4)均有三个周向均布的孔并与三个销轴(1-2-2)配合，三个轴承(1-2-3)套在三个销轴(1-2-2)上并安装在轴承垫板(1-2-1)和销轴板(1-2-4)之间，外壳二(1-2-11)将三个销轴(1-2-2)、三个轴承(1-2-3)和销轴板(1-2-4)套住，外壳一(1-2-10)在直流无刷电机(1-1)和外壳二(1-2-11)之间并将轴承垫板(1-2-1)套住用来支撑三个轴承(1-2-3)的外环，销轴板(1-2-4)上设有两个凸起的立柱并插入相对平行布置的摩擦片一(1-2-5)和摩擦片二(1-2-6)的槽中，摩擦片一(1-2-5)和摩擦片二(1-2-6)均为薄圆片，摩擦片一(1-2-5)和摩擦片二(1-2-6)沿直径方向开有两个对称的开口槽，两槽之间圆片中心处开有一个矩形孔，矩形孔的长边与槽的方向平行，矩形孔的长边只有一侧有直齿条，输出齿轮轴(1-2-7)分别和摩擦片一(1-2-5)、摩擦片二(1-2-6)上的直齿条啮合，输出齿轮轴套(1-2-8)套在输出齿轮轴(1-2-7)的外面，输出齿轮轴套轴承(1-2-9)套在输出齿轮轴套(1-2-8)外面，外壳三(1-2-12)套在销轴板(1-2-4)、摩擦片一(1-2-5)、摩擦片二(1-2-6)、输出齿轮轴(1-2-7)、输出齿轮轴套(1-2-8)和输出齿轮轴套轴承(1-2-9)的外面，外壳一(1-2-10)、外壳二(1-2-11)和外壳三(1-2-12)三者依次串联安装在一起；磁钢(3-2-2)安装在齿轮二(2-1-2)的背面，霍尔敏感元件(3-2-1)安装在第一外壳大端孔肩臂(2-7-5)上，所述霍尔敏感元件(3-2-1)和磁钢(3-2-2)相对设置；导电环(3-3-1)安装在输出法兰盘(2-9)的背面，电刷(3-3-2)安则装在电刷座(2-8-4)上，导电环(3-3-1)和电刷(3-3-2)相对设置。
2、 根据权利要求1所述的空间机械臂平行式模块化关节，其特征在于所 述的摩擦片一 (1-2-5)、摩擦片二 (1-2-6)和外壳三(1-2-12)的内壁间的摩擦系数大于二Jl-^，其中r为输出齿轮轴(1-2-7)的节圆半径，^ 为外壳 i
4及2三(1-2-12)的内径，6为摩擦片上开口槽的宽度。
3、 根据权利要求2所述的空间机械臂平行式模块化关节，其特征在于薄 壁轴承一内环支撑座(2-4-1)的内孔半径比柔轮(2-3-1)有齿端的最大半径 大0.8mm。
4、 根据权利要求3所述的空间机械臂平行式模块化关节，其特征在于电 机套筒(1-4)，电机套筒盖(1-5)，空心传动轴(2-2-1)，套筒一 (2-2-3)， 套筒二 (2-2-4)，空心轴承盖(2-2-5)，键一 (2-2-6)，键二 (2-2-7)，薄壁轴 承一内环支撑座(2-4-1)，薄壁轴承一外环支撑座(2-4-2)，薄壁轴承二内环 支撑座(2-5-1)，关节后端盖(2-6)，第一外壳(2-7)，第二外壳(2-8)，输 出法兰盘(2-9)和套筒(2-10)均由钛合金材料制作而成。
5、 根据权利要求4所述的空间机械臂平行式模块化关节，其特征在于迷 宫式密封相邻的间隔是0.5mm，毛毡(2-13)的厚度是2mm。
空间机械臂平行式模块化关节，它涉及一种空间机械臂的关节。本发明的目的是为了解决目前空间机械臂质量大、体积大、功耗大、单位质量输出力矩小的问题。本发明所述的齿轮一(2-1-1)和直流无刷电机的输出轴粘在一起，齿轮二(2-1-2)、波发生器(2-3-3)和空心传动轴(2-2-1)连接，刚轮(2-3-2)和薄壁轴承二内环支撑座(2-5-1)连接，薄壁轴承二内环支撑座(2-5-1)和输出法兰盘(2-9)连接。本发明集成化程度高、可靠性高、质量轻、体积小、功耗低、结构紧凑、单位质量输出力矩大、位置输出精度高、抗弯刚度大，并能适应空间强辐射、高真空、大温差的环境。具有可维护性好、工作可靠的优点。
文档编号B25J13/00GKSQ
公开日日 申请日期日 优先权日日
发明者宏 刘, 奎 孙, 李德伦, 谢宗武, 黄剑斌 申请人:哈尔滨工业大学