專利名稱：一種用于行星探測車的多功能機(jī)械臂的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)械臂，尤其是一種用于行星探測車的多功能機(jī)械臂。
背景技術(shù)：
目前太空探索的兩大熱點(diǎn)分別是月球和火星，其中月球探測美國在60年代就已多次實(shí)現(xiàn)載人登陸，中國也于2007年和2010年先后發(fā)射了 “嫦娥1號”和“嫦娥2號”月球探測器，實(shí)現(xiàn)了繞月探測，下一步“嫦娥3號”將實(shí)現(xiàn)無人探測車登月探測。探索火星對了解地球生命起源具有重要意義，中國目前正在研制面向火星探測的大推力運(yùn)載火箭，我國研制的首個(gè)火星探測器“螢火一號”將和俄羅斯的“火衛(wèi)一”探測器一起搭乘俄羅斯“福布斯”運(yùn)載火箭于2011年飛向火星。由于火星距地球更遙遠(yuǎn)，從地球發(fā)射至火星約需半年時(shí)間，根據(jù)美國宇航局(NASA)的太空探測計(jì)劃，至少未來20年內(nèi)人類還是要依靠無人登陸器(Lander)和探測車(Rover)探測火星。因此面向火星探測的無人探測車及其機(jī)械臂的研制受到各國的重點(diǎn)關(guān)注，在滿足火星探測任務(wù)的前提下，追求輕質(zhì)、 節(jié)能是關(guān)鍵，尤其是我國目前的火箭運(yùn)載能力只有美國的約十分之一，提升探測車的質(zhì)量效率至關(guān)重要。迄今為止，美國已登錄火星的無人探測車，如1997年發(fā)射的“火星探路者號”(Mars Pathfinder) ,2003 年升空的“機(jī)遇號”(Opportunity)和“勇氣號”(Spirit)、以及將于 2011 年發(fā)射的火星車“獵奇號”(Curiosity)均設(shè)有舉升立體相機(jī)的桅桿(Mast)和用于采集巖石樣本作業(yè)的機(jī)械臂(Arm)。立體相機(jī)用于拍攝環(huán)境照片并為機(jī)械臂捕捉目標(biāo)，機(jī)械臂用于采集巖石樣本。在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，機(jī)械臂處于待命的非工作狀態(tài)，而立體相機(jī)則需長時(shí)間工作，在機(jī)械臂工作的短暫時(shí)間內(nèi)暫停目標(biāo)捕捉。由于立體相機(jī)捕捉目標(biāo)與機(jī)械臂采集巖石樣本作業(yè)非同時(shí)工作，為桅桿與機(jī)械臂兩臂合一提供了可能性。發(fā)明專利“一種用于探測作業(yè)的三自由度機(jī)械臂結(jié)構(gòu)”(ZL200610134926. 5)，提出了一種將桅桿和機(jī)械臂合二為一的結(jié)構(gòu)，具有折疊構(gòu)型、舉升觀測構(gòu)型、就位探測構(gòu)型、地面探測四種構(gòu)型。但這種機(jī)械臂在進(jìn)行探測時(shí)各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器處于耗能狀態(tài)，雖然可以采用帶永磁制動(dòng)器的電機(jī)實(shí)現(xiàn)其探測姿態(tài)的保持，但當(dāng)機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)需消耗更多的電能來克服永磁制動(dòng)力矩。因此對火星車能源消耗極其苛刻的環(huán)境并非適宜，且火星探測車在車體內(nèi)一般另有相機(jī)負(fù)責(zé)車前近地觀測，立體相機(jī)主要負(fù)責(zé)周圍環(huán)境觀測，并不需要俯探近地觀測。因此，尋求一種在舉升立體相機(jī)時(shí)不耗能的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)用于火星探測車具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種用于行星探測車的多功能機(jī)械臂，采用4自由度的機(jī)械臂，將具有轉(zhuǎn)臺(tái)的立體相機(jī)設(shè)置于機(jī)械臂的肘部關(guān)節(jié)，利用三角形穩(wěn)定性原理，使機(jī)械臂構(gòu)成的三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)舉升立體相機(jī)不耗電能，只在機(jī)械臂進(jìn)行采集巖石樣本作業(yè)和進(jìn)出三角形穩(wěn)定構(gòu)型過程中耗電，除了省去桅桿以減輕重量，也省去了平時(shí)舉升相機(jī)的電能消耗，大大提高了火星探測車的能源效率。為達(dá)到上述技術(shù)目的，本發(fā)明的一種用于行星探測車的多功能機(jī)械臂，包括位于探測車30上的機(jī)械臂10，其由前臂11、后臂12、回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13、肩關(guān)節(jié)14、肘關(guān)節(jié)15、腕關(guān)節(jié) 16、挖勺17和鎖銷18構(gòu)成；在機(jī)械臂10肘關(guān)節(jié)16上設(shè)置了立體相機(jī)組件20，其由立體相機(jī)21、橫搖關(guān)節(jié)22和俯仰關(guān)節(jié)23組成；在探測車30車體31的上表面設(shè)有一鎖定裝置40， 其由支架41、托架42、鎖槽43、鎖栓44及撥銷45構(gòu)成。本發(fā)明所述機(jī)械臂10具有繞回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13軸線A、肩關(guān)節(jié)14軸線B、肘關(guān)節(jié)15軸線C和挖勺17腕關(guān)節(jié)16軸線D轉(zhuǎn)動(dòng)的四個(gè)回轉(zhuǎn)自由度I、II、III、IV。本發(fā)明所述機(jī)械臂10可通過將腕關(guān)節(jié)16上設(shè)置的鎖銷18置入鎖定裝置40的鎖槽43內(nèi)構(gòu)成三角形的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所述鎖定裝置40內(nèi)設(shè)有鎖栓44和與其連接的撥銷45，通過機(jī)械臂10的腕關(guān)節(jié)16上的左撥快19a和右撥快19b可撥動(dòng)撥銷45帶動(dòng)鎖栓44轉(zhuǎn)動(dòng)。本發(fā)明的一種用于行星探測車的多功能機(jī)械臂的主要特點(diǎn)是1、實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂與舉升立體相機(jī)的桅桿合二為一，簡化機(jī)構(gòu)，減輕重量；2、利用三角形穩(wěn)定性構(gòu)型實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在不耗電狀態(tài)下舉升立體相機(jī)；3、各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)可不帶制動(dòng)器，簡化電機(jī)結(jié)構(gòu)，降低能源消耗；4、挖勺挖掘火星土壤或巖石樣本時(shí)，機(jī)械臂肘部承載的立體相機(jī)及其云臺(tái)的重量有助于增加機(jī)械臂的挖掘力。


圖1是本發(fā)明機(jī)械臂探測狀態(tài)的視圖；圖2是本發(fā)明機(jī)械臂挖掘狀態(tài)視圖；圖3是本發(fā)明機(jī)械收起狀態(tài)視圖；圖4是圖1鎖定裝置處的視圖；圖5是圖1挖勺處將鎖定裝置移去后的視圖；圖6是圖3的A-A剖視圖。圖中10、機(jī)械臂，11、前臂，12、后臂，13、機(jī)體關(guān)節(jié)，14、肩關(guān)節(jié)，15、肘關(guān)節(jié)，16、腕關(guān)節(jié)，17、挖勺，18、鎖銷，19a、左撥塊，19b、右撥塊，20、立體相機(jī)組件，21、立體相機(jī)，22、橫搖關(guān)節(jié)，23、俯仰關(guān)節(jié)，30、探測車，31、車體，32、前部相機(jī)，33、擺桿，34、固定軸，35、轉(zhuǎn)軸， 36、搖桿，37、車輪，40、鎖定裝置，41、支架，42、托架，43、鎖槽，44、鎖栓，45、撥銷。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。以本發(fā)明用于火星探測為實(shí)施例，進(jìn)一步說明。實(shí)施例附圖1為機(jī)械臂10舉升立體相機(jī)21時(shí)的探測狀態(tài)，通過機(jī)械臂10的機(jī)體關(guān)節(jié)13、，肩關(guān)節(jié)14、，肘關(guān)15的轉(zhuǎn)動(dòng)，將腕關(guān)節(jié)16上設(shè)置的鎖銷18置入鎖定裝置40的鎖槽43內(nèi)，并由腕關(guān)節(jié)16的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鎖栓44使鎖銷18鎖定于鎖槽43內(nèi)，使得前臂11與后臂12與鎖定裝置40構(gòu)成三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。根據(jù)三角形穩(wěn)定性可知，只要將腕關(guān)節(jié)16上的鎖銷18與鎖定裝置40保持可靠固定，機(jī)械臂10的各關(guān)節(jié)相對于車體31位置就保持固定，為了提高立體相機(jī)21的舉升高度，這里構(gòu)成的三角形為等腰三角形。與立體相機(jī)21集成的橫搖關(guān)節(jié)22和俯仰關(guān)節(jié)23可驅(qū)動(dòng)立體相機(jī)21實(shí)現(xiàn)橫搖A 和俯仰B的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行周邊環(huán)境立體圖像探測。當(dāng)機(jī)械臂10處于鎖定狀態(tài)，肘關(guān)節(jié)15相對于車體30的位置是固定的，有利于立體相機(jī)20捕捉目標(biāo)的定位。機(jī)械臂10的4個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)均由帶行星減速器的電機(jī)通過諧波減速器實(shí)現(xiàn)大降速比降速驅(qū)動(dòng)并同時(shí)增大扭矩。而舉升立體相機(jī)20的機(jī)械臂10進(jìn)入或移出鎖定裝置40構(gòu)成三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)過程中肩部關(guān)節(jié) 14所需的扭矩應(yīng)小于其額定轉(zhuǎn)矩。探測車30由車體31、前部相機(jī)32以及兩側(cè)分別設(shè)置的 3個(gè)車輪、擺桿33、固定軸34、轉(zhuǎn)軸35、搖桿36組成，車體31的上表面可設(shè)置太陽能接收板， 車體31內(nèi)部空間用于設(shè)置控制裝置并裝備各種行星探測所需的分析儀器。探測車30由車體31、前部相機(jī)32和兩側(cè)布置的擺桿33、固定軸34、轉(zhuǎn)軸35、搖桿 36和6個(gè)車輪37組成，擺桿33可繞固定軸34轉(zhuǎn)動(dòng)，搖桿36可繞轉(zhuǎn)軸35轉(zhuǎn)動(dòng)，兩側(cè)擺桿 33的固定軸34之間為差動(dòng)連接。這樣使得探測車30在崎嶇地形行駛中，兩側(cè)的6個(gè)車輪 37可隨地形高低變化而跟隨調(diào)整。圖2為機(jī)械臂10的挖掘巖石樣本時(shí)的工作狀態(tài)，這時(shí)機(jī)械臂10脫離鎖定裝置40， 根據(jù)立體相機(jī)21鎖定的采樣目標(biāo)進(jìn)行樣本采集操作。此時(shí)，由控制系統(tǒng)控制機(jī)械臂10各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)施樣本采集作業(yè)，可通過車體31的前部相機(jī)32觀測樣本采集狀態(tài)。圖3為機(jī)械臂10收起平臥時(shí)的待命狀態(tài)，當(dāng)探測車處于非工作狀態(tài)，如夜晚或太陽能不足于工作需求時(shí)，可將機(jī)械臂10折疊收起平臥在固定于鎖定裝置40的托架42上。圖4為機(jī)械臂10與鎖定裝置40構(gòu)成三角形穩(wěn)定構(gòu)型時(shí)鎖定裝置40與挖勺17的局部視圖。通過將與腕關(guān)節(jié)16連接的鎖銷18置入鎖槽43內(nèi)，并利用腕部關(guān)節(jié)16的旋轉(zhuǎn)通過右撥快19b (圖幻撥動(dòng)撥銷45 (圖6)帶動(dòng)鎖栓44將鎖銷18的出口封住，以保證探測車30行駛在不平地形時(shí)引起的顛簸造成鎖銷18振出鎖槽43。圖5為圖1挖勺處將鎖定裝置40移去后的視圖，在腕關(guān)節(jié)16的端面設(shè)有鎖銷18、 左撥快19a和右撥快19b，鎖銷18用于機(jī)械臂10與鎖定裝置40鎖槽43之間的連接，右撥快19b用于順時(shí)針撥動(dòng)撥銷45(圖6)使鎖栓44鎖住鎖銷18，左撥快19a用于逆時(shí)針撥動(dòng)撥銷45使鎖栓44退出對鎖銷18的鎖定。圖6是圖3的A-A剖視圖，表示了機(jī)械臂10處于收起狀態(tài)時(shí)前臂11和后臂12與鎖定裝置的位置關(guān)系。托架42與鎖定裝置40通過螺釘連接，圓管狀的前臂11和后臂12 由托架42兩個(gè)圓弧形槽座支撐。由于在行星探測期間，機(jī)械臂各關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的能源來自太陽能，在滿足功能要求的前提下，減輕重量、節(jié)省能源至關(guān)重要，本實(shí)施例采用機(jī)械臂構(gòu)成三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，使得機(jī)械舉升立體相機(jī)時(shí)不耗電，省去了專門用于舉升立體相機(jī)的桅桿，降低了能源消耗。
權(quán)利要求
1.一種用于行星探測車的多功能機(jī)械臂，其特征在于位于探測車(30)上的機(jī)械臂 (10)由前臂(11)、后臂(12)、機(jī)體關(guān)節(jié)(13)、肩關(guān)節(jié)(14)、肘關(guān)節(jié)(15)、腕關(guān)節(jié)(16)、挖勺 (17)和鎖銷(18)構(gòu)成；在機(jī)械臂(10)肘關(guān)節(jié)(16)上設(shè)置了立體相機(jī)組件(20)，其由立體相機(jī)(21)、橫搖關(guān)節(jié)0 和俯仰關(guān)節(jié)組成；在探測車(30)車體(31)的上表面設(shè)有一鎖定裝置(40)，其由支架(41)、托架(42)、鎖槽(43)、鎖栓04)及撥銷05)構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于行星探測車的多功能機(jī)械臂，其特征在于所述的機(jī)械臂(10)具有繞機(jī)體關(guān)節(jié)(13)軸線A、肩關(guān)節(jié)(14)軸線B、肘關(guān)節(jié)(15)軸線C和挖勺(17) 腕關(guān)節(jié)(16)軸線D轉(zhuǎn)動(dòng)的四個(gè)回轉(zhuǎn)自由度(I、II、III、IV)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種用于行星探測車的多功能機(jī)械臂，其特征在于所述的機(jī)械臂(10)可通過將腕關(guān)節(jié)(16)上設(shè)置的鎖銷(18)置入鎖定裝置00)的鎖槽03) 內(nèi)構(gòu)成三角形的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和3所述的一種用于行星探測車的多功能機(jī)械臂，其特征在于所述的鎖定裝置GO)內(nèi)設(shè)有鎖栓G4)和與其連接的撥銷(45)，通過機(jī)械臂(10)的腕關(guān)節(jié)(16) 上的左撥快(19a)和右撥快(19b)可撥動(dòng)撥銷0 帶動(dòng)鎖栓G4)轉(zhuǎn)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開的一種用于行星探測車的多功能集成式機(jī)械臂，具有4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，將具有二維轉(zhuǎn)臺(tái)的立體相機(jī)設(shè)置于機(jī)械臂的肘部關(guān)節(jié)，利用三角形穩(wěn)定性原理，使機(jī)械臂與鎖定裝置構(gòu)成的三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂與舉升立體相機(jī)的桅桿合二為一，不僅省去用于舉升立體相機(jī)的桅桿，簡化機(jī)構(gòu)，減輕重量，也免去了桅桿所需的電能消耗，大大提高了火星探測車的能源效率。
文檔編號B25J9/08GK102189546SQ201110137930
公開日2011年9月21日 申請日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者劉冠軍, 張冰蔚, 張翊偉 申請人:江蘇科技大學(xué)