專利名稱：空間機(jī)器人軌道工具更換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種空間機(jī)器人軌道工具更換器，屬于空間機(jī)器人在軌服務(wù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著技術(shù)的進(jìn)步，人類的活動在不斷地向太空擴(kuò)展。據(jù)統(tǒng)計，全球平均每年發(fā)射 80 130顆衛(wèi)星，然而有2 3顆衛(wèi)星未能正確入軌，而正確入軌的衛(wèi)星中，又有5 10顆在壽命初期即失效，這導(dǎo)致了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為了盡可能挽回?fù)p失，各國正在研究以空間機(jī)器人為手段，以衛(wèi)星維修、生命延長及太空垃圾清除為目的的空間機(jī)器人在軌服務(wù)技術(shù)。然而，空間作業(yè)的復(fù)雜性決定了靠單一末端工具無法完成所有的在軌任務(wù)，因此， 需要研制一套多工具系統(tǒng)以適應(yīng)不同的任務(wù)。工具的多樣性決定了其在軌必須具有可更換性。因此，不僅要研制可更換末端操作器，更需要研制與其配套的軌道工具更換器，以實(shí)現(xiàn)不同在軌工具的更換。軌道工具更換器與末端工具有兩種接口形式，一種是電傳遞，包括電能的供給和控制信號的發(fā)送；另一種是機(jī)械傳遞，即末端工具更換器直接將電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩經(jīng)機(jī)械接口傳遞給末端工具。這兩種接口對于空間在軌服務(wù)均具有重要的作用，通常，軌道工具更換器要兼?zhèn)溥@兩種接口形式。受機(jī)械臂的精度所限，軌道工具更換器必須具有較大的位姿容差能力，以便順利實(shí)現(xiàn)與可更換末端器的對接。目前，經(jīng)在軌驗(yàn)證的軌道工具更換器主要包括兩種一種是加拿大研制的用 T SPDM(Special Purpose Dextrous Manipulator) ^ μ W OTCM(ORU Tool Changeout Mechanism)，一種是日本ETS VII演示驗(yàn)證項(xiàng)目上空間機(jī)械臂末端的工具接口。前者質(zhì)量達(dá)600kg(用于空間站)，這對于一個在軌服務(wù)機(jī)器人而言，如此大的質(zhì)量幾乎是不可接受的；后者包含三個手爪，結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，影響了空間作業(yè)的可靠性。據(jù)目前掌握的資料來看，現(xiàn)有技術(shù)中尚未成功研制質(zhì)量小、體積小、低功耗、大位姿容差以及高可靠性的空間機(jī)器人軌道工具更換器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的軌道工具更換器存在空間作業(yè)的可靠性差、無法實(shí)現(xiàn)大位姿容差、功耗高、質(zhì)量大、體積大等問題，而提提供了一種空間機(jī)器人軌道工具更換器，旨在為空間機(jī)器人在軌作業(yè)提供多種操作工具。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是本發(fā)明所述的空間機(jī)器人軌道工具更換器包括殼體、底端蓋、下支撐環(huán)、上支撐環(huán)、電路板支撐架、電氣系統(tǒng)、第一套驅(qū)動系統(tǒng)和第二套驅(qū)動系統(tǒng)，上支撐環(huán)、下支撐環(huán)、電路板支撐架由上至下依次安裝在殼體內(nèi)，電氣系統(tǒng)、第一套驅(qū)動系統(tǒng)和第二套驅(qū)動系統(tǒng)均置于殼體內(nèi)，電氣系統(tǒng)置于電路板支撐架上，殼體下端端面與底端蓋連接；所述第一套驅(qū)動系統(tǒng)包括第一輸入裝置、第一傳動裝置和第一輸出裝置，第一輸入裝置為第一含行星減速器電機(jī)，第一傳動裝置包括第一小齒輪、傳動軸齒輪和傳動軸，所述第一輸出裝置為螺栓套筒；第一含行星減速器電機(jī)固定在下支撐環(huán)上，第一小齒輪固定在第一含行星減速器電
4機(jī)的輸出軸上，傳動軸齒輪安裝在傳動軸上，第一小齒輪與傳動軸齒輪嚙合，傳動軸由一對深溝球軸承支撐，所述一對深溝球軸承分別嵌入到下支撐環(huán)和上支撐環(huán)上，螺栓套筒由壓縮彈簧、壓板固定在傳動軸上；在與工具端的螺栓頭對接時，通過壓緊壓縮彈簧以及旋轉(zhuǎn)傳動軸可使工具頭螺栓嵌入到螺栓套筒中；所述第二套驅(qū)動系統(tǒng)包括第二輸入裝置、用于工具端鎖緊的第二傳動裝置、用于電連接器對接的第二傳動裝置、用于工具端鎖緊的第二輸出裝置和用于電連接器對接的第二輸出裝置；第二輸入裝置為第二含行星減速器電機(jī)；用于工具端鎖緊的第二傳動裝置包括第二小齒輪、凸輪長軸齒輪、凸輪長軸、凸輪短軸兩個凸輪、兩個鋼絲輪和鋼絲，用于工具端鎖緊的第二輸出裝置為兩個鎖緊指；用于電連接器對接的第二傳動裝置包括第二小齒輪、凸輪長軸齒輪和兩套曲柄連桿機(jī)構(gòu)，用于電連接器對接的第二輸出裝置為滑塊；第二含行星減速器電機(jī)固定在電機(jī)座上，電機(jī)座固定在下支撐環(huán)上，第二小齒輪固定在第二含行星減速器電機(jī)的輸出軸上，凸輪長軸齒輪安裝在凸輪長軸上，第二小齒輪與凸輪長軸齒輪嚙合，凸輪長軸由一對軸承支撐，軸承嵌入到相應(yīng)的軸承座中，凸輪長軸由凸輪長軸軸承端蓋實(shí)現(xiàn)軸向定位，凸輪長軸軸承端蓋固定在軸承座上，軸承座固定在下支撐環(huán)上，凸輪短軸也由一對軸承支撐在軸承座上，并通過凸輪短軸軸承端蓋實(shí)現(xiàn)軸向固定，凸輪長軸和凸輪短軸上各安裝有一個凸輪；凸輪長軸和凸輪短軸上方各設(shè)置有一個鎖緊指心軸，每個鎖緊指通過滑動軸承支撐于鎖緊指心軸上并通過擋圈實(shí)現(xiàn)軸向定位，每個鎖緊指心軸固定于相應(yīng)的心軸座上，心軸座固定在上支撐環(huán)上，每個鎖緊指的根部裝有滾子，滾子通過滑動軸承安裝在相應(yīng)的滾子心軸上，使?jié)L子始終貼緊在凸輪上；通過凸輪的輪廓使鎖緊指按所設(shè)計的規(guī)律運(yùn)動，從而讓凸輪帶動從鎖緊指運(yùn)動，將工具端接口壓緊在殼體上；凸輪長軸和凸輪短軸上分別固裝有一個鋼絲輪，凸輪長軸一側(cè)鋼絲輪通過鋼絲帶動凸輪短軸一側(cè)鋼絲輪轉(zhuǎn)動，經(jīng)鋼絲傳動將凸輪長軸上的輸入力矩傳遞給凸輪短軸；每套曲柄連桿機(jī)構(gòu)包含曲柄和連桿，一套曲柄連桿機(jī)的曲柄固定在凸輪長軸上，連桿的一端與曲柄通過銷軸連接，在銷軸上與連桿相連的部位放置滑動軸承，兩套曲柄連桿機(jī)構(gòu)對稱布置，由凸輪短軸所驅(qū)動的另一套曲柄連桿機(jī)構(gòu)的連接定位方式與凸輪長軸的一側(cè)相同；滑塊與兩個連桿的另一端連接，滑塊上裝有電連接器。本發(fā)明的軌道工具更換器具有以下特點(diǎn)1.通過凸輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對工具端接口的壓緊固定；2.通過圓錐面與工具端口對接來實(shí)現(xiàn)大位姿容差的接納能力；3.通過鋼絲傳動來實(shí)現(xiàn)輸入力矩的多重分配；4.所有驅(qū)動、控制電路板布置在軌道工具更換器內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電系統(tǒng)的集成?？臻g機(jī)器人空間作業(yè)的復(fù)雜性決定了靠單一末端工具無法完成所有的在軌任務(wù)， 而工具的多樣性決定了其在軌必須具有可更換性。因此，必須軌道工具更換器，以實(shí)現(xiàn)不同在軌工具的更換。軌道工具更換器與末端工具有兩種接口形式，一種是電傳遞，一種是機(jī)械傳遞，本發(fā)明通過兩套驅(qū)動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了這兩種接口形式。對于機(jī)械傳遞，本發(fā)明利用第一套驅(qū)動系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動齒輪，由齒輪帶動傳動軸，并由傳動軸上的螺栓套筒與另一端的螺栓頭對接來實(shí)現(xiàn)此功能。對于電氣傳遞，本發(fā)明用第二套驅(qū)動系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動齒輪，齒輪帶動凸輪長軸，并將凸輪長軸上的力矩通過鋼絲傳動轉(zhuǎn)移到凸輪短軸，最后，通過固定于凸輪長軸和凸輪短軸的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將電連接器的兩部分對接。工具端鎖緊采用了運(yùn)動學(xué)耦合方式，即共用第二套驅(qū)動系統(tǒng)的電機(jī)，在電連接器實(shí)現(xiàn)對接之前，通過凸輪帶動鎖緊指實(shí)現(xiàn)工
5具端的鎖緊。該軌道工具更換器與可更換末端操作器的對接面為圓錐面，具有較大的位姿容差能力。本發(fā)明體積小、質(zhì)量輕、低功耗、大位姿容差以及高可靠性，可滿足空間機(jī)器人在軌道上自主更換末端工具的要求。為了適應(yīng)前述的兩種輸出接口，軌道工具更換器含兩套驅(qū)動系統(tǒng)，而每套系統(tǒng)由輸入裝置、傳動裝置、輸出裝置和電氣裝置組成；第一套驅(qū)動系統(tǒng)(機(jī)械傳遞)所述輸入裝置由電機(jī)組成，傳動裝置由直齒輪和傳動軸組成，輸出裝置為螺栓套筒(用于與可更換末端操作器對接)。電氣驅(qū)動、控制電路板(含兩套系統(tǒng))統(tǒng)一放在后部經(jīng)電路板架與殼體固定。所述電機(jī)為maxon電機(jī)，固定在下支撐環(huán)上，其與一套行星減速器連為一體；所述直齒輪包含一個小齒輪和一個輸出軸齒輪；所述傳動軸末端放置一個壓縮彈簧，用于將螺栓套筒壓入到另一端的螺栓頭中；所述螺栓套筒置于傳動軸上，內(nèi)部為正六邊形孔。第二套驅(qū)動系統(tǒng)包含兩個輸出，分別用于工具端鎖緊和電連接器對接。這兩個輸出共用一套輸入裝置。所述輸入裝置由maxon電機(jī)組成，其固定在下支撐環(huán)上，并與一套行星減速器連為一體。第一個輸出的傳動部分由直齒輪、凸輪長軸和凸輪組成，輸出部分為鎖緊指(擺動從動件)。所述直齒輪包含一個小齒輪和一個凸輪長軸齒輪(固定在凸輪長軸上)；所述凸輪也固定在凸輪長軸上；所述鎖緊指固定在上支撐環(huán)上，通過凸輪輪廓使鎖緊指按所設(shè)計的規(guī)律運(yùn)動，從而讓凸輪帶動從鎖緊指運(yùn)動，將工具端接口壓緊在殼體上；所述鎖緊指通過拉伸彈簧貼在凸輪上。第二個輸出的傳動部分由直齒輪、凸輪長軸、曲柄連桿機(jī)構(gòu)組成，輸出部分為滑塊，其上面固定電連接器的底座部分。所述直齒輪和凸輪長軸與第一個輸出的傳動部分一致，所述曲柄滑塊機(jī)構(gòu)由曲柄、連桿和滑塊組成，曲柄固定在凸輪長軸上面，連桿將曲柄與滑塊連接在一起，滑塊由一套導(dǎo)向機(jī)構(gòu)約束，使其僅能平動。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由掛板、導(dǎo)向桿和直線軸承組成，掛板一端固定在滑塊上面，另一端通過直線軸承套在導(dǎo)向桿上。為了改善工具端壓緊以及電連接器對接的作用效果，經(jīng)鋼絲輪傳動裝置將凸輪長軸上的電機(jī)作用力矩傳導(dǎo)到凸輪短軸上，由于凸輪短軸裝有另外一套凸輪和曲柄連桿機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)壓緊力和對接推力的對稱輸出。所述的鋼絲傳動裝置由鋼絲輪、鋼絲、鋼絲壓板、預(yù)緊塊組成，鋼絲輪共兩個，分別固定在凸輪長軸和凸輪短軸上，固定在凸輪長軸的為主動鋼絲輪，固定在凸輪短軸的為從動鋼絲輪，主動鋼絲輪通過鋼絲帶動從動鋼絲輪旋轉(zhuǎn)， 從而使凸輪短軸轉(zhuǎn)動。軌道工具更換器與可更換末端操作器的對接面為圓錐面，可以實(shí)現(xiàn)四個約束(兩個位置和兩個姿態(tài))。由于繞圓錐中軸線的轉(zhuǎn)動是自由的，其轉(zhuǎn)動約束可通過在圓錐面對稱布置兩個圓柱，并在工具端接口上開斜槽來實(shí)現(xiàn)。沿對接方向的位置約束通過用槽輪將工具端接口壓緊在殼體上實(shí)現(xiàn)。


圖1是本發(fā)明的主視剖視圖，圖2是本發(fā)明的左視剖視圖，圖3是本發(fā)明曲柄連桿機(jī)構(gòu)部分的局部剖視圖(圖3是圖2的C-C剖視圖)，圖4是本發(fā)明鋼絲傳動部分的局部剖視圖(圖4是圖5的G-G剖視圖)，圖5是本發(fā)明凸輪、凸輪長軸、凸輪短軸部分的剖面圖 (圖5是圖1的F-F剖視圖，拆去殼體)，圖6是本發(fā)明鎖緊指軸部分的剖面圖(圖6是圖 1的A-A剖視圖)，圖7是本發(fā)明第二套驅(qū)動系統(tǒng)的電機(jī)和齒輪傳動局部剖視圖(圖7是圖
64的H-H剖視圖)；圖8是本發(fā)明的立體參考圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一如圖1 8所示，本實(shí)施方式所述的空間機(jī)器人軌道工具更換器包括殼體A2、底端蓋A8、下支撐環(huán)A9、上支撐環(huán)A12、電路板支撐架A16、電氣系統(tǒng)、第一套驅(qū)動系統(tǒng)和第二套驅(qū)動系統(tǒng)，上支撐環(huán)A12、固定架A37、下支撐環(huán)A9、電路板支撐架A16由上至下依次安裝在殼體A2內(nèi)，電氣系統(tǒng)、第一套驅(qū)動系統(tǒng)和第二套驅(qū)動系統(tǒng)均置于殼體A2 內(nèi)，電氣系統(tǒng)置于電路板支撐架A16上，殼體A2下端端面與底端蓋A8 (通過螺釘B30)連接；所述第一套驅(qū)動系統(tǒng)包括第一輸入裝置、第一傳動裝置和第一輸出裝置，第一輸入裝置為第一含行星減速器電機(jī)B13，第一傳動裝置包括第一小齒輪A18、傳動軸齒輪A22 和傳動軸A10，所述第一輸出裝置為螺栓套筒A4 ；第一含行星減速器電機(jī)B13 (通過螺釘 B29)固定在下支撐環(huán)A9上，第一小齒輪A18(通過緊定螺釘)固定在第一含行星減速器電機(jī)B13的輸出軸上，傳動軸齒輪A22安裝在傳動軸AlO上(傳動軸齒輪A22通過鍵B3實(shí)現(xiàn)在傳動軸AlO的周向定位，通過螺母B4和套筒Al 1實(shí)現(xiàn)軸向定位)，第一小齒輪A18與傳動軸齒輪A22嚙合，傳動軸AlO由一對深溝球軸承B5支撐，所述一對深溝球軸承B5分別嵌入到下支撐環(huán)A9和上支撐環(huán)A12上，螺栓套筒A4由壓縮彈簧B2、壓板A3 (通過螺釘Bi)固定在傳動軸AlO上；在與工具端的螺栓頭對接時，通過壓緊壓縮彈簧B2以及旋轉(zhuǎn)傳動軸AlO 可使工具頭螺栓嵌入到螺栓套筒A4中；所述第二套驅(qū)動系統(tǒng)包括第二輸入裝置、用于工具端鎖緊的第二傳動裝置、用于電連接器對接的第二傳動裝置、用于工具端鎖緊的第二輸出裝置和用于電連接器對接的第二輸出裝置；第二輸入裝置為第二含行星減速器電機(jī)B37 ；用于工具端鎖緊的第二傳動裝置包括第二小齒輪A17、凸輪長軸齒輪A21、凸輪長軸A25、凸輪短軸A30、兩個凸輪A6、兩個鋼絲輪似6和鋼絲B25，用于工具端鎖緊的第二輸出裝置為兩個鎖緊指A5;用于電連接器對接的第二傳動裝置包括第二小齒輪A17、凸輪長軸齒輪A21和兩套曲柄連桿機(jī)構(gòu)，用于電連接器對接的第二輸出裝置為滑塊A13 ；第二含行星減速器電機(jī)B37固定在電機(jī)座A7上，電機(jī)座A7 (通過螺釘)固定在下支撐環(huán)A9上，第二小齒輪A17(通過緊定螺釘B10)固定在第二含行星減速器電機(jī)B37的輸出軸上，凸輪長軸齒輪A21安裝在凸輪長軸A25上(凸輪長軸齒輪A21通過鍵實(shí)現(xiàn)在凸輪長軸A25的周向固定，通過套筒hm實(shí)現(xiàn)軸向定位)，第二小齒輪A17與凸輪長軸齒輪A21 嚙合，凸輪長軸A25由一對軸承B22支撐，軸承B22嵌入到相應(yīng)的軸承座A24中，凸輪長軸 A25由凸輪長軸軸承端蓋A29實(shí)現(xiàn)軸向定位，凸輪長軸軸承端蓋A29(通過墊片B21和螺釘 B8)固定在軸承座AM上，軸承座AM (通過螺釘)固定在下支撐環(huán)A9上，凸輪短軸A30也由一對軸承B22支撐在軸承座AM上，并通過凸輪短軸軸承端蓋A31實(shí)現(xiàn)軸向固定，凸輪長軸A25和凸輪短軸A30上各安裝有一個凸輪A6 ；凸輪長軸A25和凸輪短軸A30上方各設(shè)置有一個鎖緊指心軸A35，每個鎖緊指A5通過滑動軸承B34支撐于鎖緊指心軸A35上并通過擋圈A36實(shí)現(xiàn)軸向定位，每個鎖緊指心軸A35(通過鎖定螺釘)固定于相應(yīng)的心軸座A40 上，心軸座A40 (通過螺釘)固定在上支撐環(huán)A12上，每個鎖緊指A5的根部裝有滾子A27，滾子A27通過滑動軸承B33安裝在相應(yīng)的滾子心軸A42上，使?jié)L子A27始終貼緊在凸輪A6上
7(鎖緊指A5通過彈簧貼于凸輪A6上)；通過凸輪A6的輪廓使鎖緊指A5按所設(shè)計的規(guī)律運(yùn)動，從而讓凸輪帶動從鎖緊指運(yùn)動，將工具端接口 Al壓緊在殼體A2上；凸輪長軸A25和凸輪短軸A30上分別固裝有一個鋼絲輪A^ (凸輪長軸A25上的鋼絲輪A^通過鍵實(shí)現(xiàn)周向固定，通過軸肩和套筒A28實(shí)現(xiàn)軸向定位。凸輪短軸A30上的鋼絲輪似6通過鍵實(shí)現(xiàn)周向固定，通過軸肩和套筒A28實(shí)現(xiàn)軸向定位)，凸輪長軸A25 —側(cè)鋼絲輪A^通過鋼絲B25帶動凸輪短軸A30 —側(cè)鋼絲輪A^轉(zhuǎn)動，經(jīng)鋼絲傳動將凸輪長軸A25上的輸入力矩傳遞給凸輪短軸A30 ；每套曲柄連桿機(jī)構(gòu)包含曲柄A20和連桿A19，一套曲柄連桿機(jī)的曲柄A20 (經(jīng)緊定螺釘)固定在凸輪長軸A25上，連桿A19的一端與曲柄A20通過銷軸A32連接，在銷軸A32 上與連桿A19相連的部位放置滑動軸承B41 (并在滑動軸承B41上安裝墊片A33將連桿A19 與曲柄A20隔開，墊片A33用聚四氟乙烯材料制成；銷軸A32的另一端有螺紋，通過螺母B12 鎖定，使銷軸A32與曲柄A20固定連接)，兩套曲柄連桿機(jī)構(gòu)對稱布置，由凸輪短軸A30所驅(qū)動的另一套曲柄連桿機(jī)構(gòu)的連接定位方式與凸輪長軸A25的一側(cè)相同；滑塊A13與兩個連桿A19的另一端連接，滑塊A13上裝有電連接器B15。所述滑塊A13的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由掛板A14、導(dǎo)向桿A15和直線軸承B9組成。掛板A14 一端固定在滑塊上面，另一端通過直線軸承B9套在導(dǎo)向桿A15上。所述直線軸承B9用兩個彈性擋圈B^固定在掛板A14上。所述導(dǎo)向桿A15的下端通過螺紋緊固于下支撐環(huán)A9， 上端通過端固架A38緊固于上支撐環(huán)A12。
具體實(shí)施方式
二 如圖1 8所示，本實(shí)施方式所述鎖緊指A5的推程能夠壓緊工具端接口 Al ；在鎖緊指A5遠(yuǎn)休程，凸輪A6能夠空轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)電連接器接口的對接。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三如圖1 8所示，本實(shí)施方式所述的第二套驅(qū)動系統(tǒng)的限位開關(guān)采用霍爾傳感器B35，霍爾傳感器B35通過膠接粘在軸承座AM上面的支撐塊A23上，磁鋼 B36鑲在凸輪長軸齒輪A21側(cè)面，第二套驅(qū)動系統(tǒng)采用電位計B40用于絕對位置傳感，電位計B40焊接在PCB板上。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
四如圖1 8所示，本實(shí)施方式所述軌道工具更換器的殼體A2的對接面為圓錐面；工具端接口 Al的側(cè)壁上開有為二者對接提供較大的位姿容差的圓柱孔； 殼體A2的錐面上伸出兩個可卡在工具端接口 Al的錐形槽內(nèi)的圓柱，使殼體A2和工具端接口 Al不發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)相對位姿固定。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一、二、三或四相同。針對本發(fā)明再進(jìn)行如下闡述機(jī)械傳遞方式結(jié)合圖1和圖2，本實(shí)施方式由輸入裝置、傳動裝置、輸出裝置和電氣裝置組成。所述輸入裝置由電機(jī)(含行星減速器)B13組成；所述傳動裝置由小齒輪A18、傳動軸齒輪A22 和傳動軸AlO組成；所述輸出裝置由螺栓套筒A4組成；電氣系統(tǒng)置于電路板支撐架A16上。 電機(jī)B13由螺釘似9固定在下支撐環(huán)A9上，小齒輪A18通過緊定螺釘固定在電機(jī)輸出軸上， 傳動軸齒輪A22通過鍵B3實(shí)現(xiàn)在傳動軸AlO的周向定位，通過螺母B4和套筒All實(shí)現(xiàn)軸向定位。傳動軸AlO由一對深溝球軸承B5支撐，這個兩個軸承分別嵌入到下支撐環(huán)A9和上支撐環(huán)A12上。螺栓套筒A4由壓縮彈簧B2、壓板A3和螺釘Bl固定在傳動軸AlO上。在
8與工具端的螺栓頭對接時，通過壓緊壓縮彈簧B2以及旋轉(zhuǎn)傳動軸AlO可使工具頭螺栓嵌入到螺栓套筒A4中。工具端接口壓緊方式結(jié)合圖1 圖7，同理，本實(shí)施方式由輸入裝置、傳動裝置、輸出裝置和電氣裝置組成。所述輸入裝置由電機(jī)(含行星減速器)B37組成；傳動裝置由齒輪A17、凸輪長軸齒輪 A21、凸輪長軸A25、凸輪A6(共兩個，本處指凸輪長軸一側(cè))組成；為了實(shí)現(xiàn)對稱壓緊，經(jīng)鋼絲傳動將凸輪長軸A25上的輸入力矩傳遞給凸輪短軸A30，凸輪短軸A30帶動另一側(cè)凸輪， 故傳動裝置還包括鋼絲輪A26、鋼絲B25、凸輪短軸A30和凸輪A6 (共兩個，本處指凸輪短軸一側(cè))；所述輸出裝置由鎖緊指A5(共兩個，凸輪長軸A25的凸輪和凸輪短軸A30的凸輪各驅(qū)動一個)組成，Al為工具端接口。同樣，電氣系統(tǒng)置于電路板支撐架A16上。電機(jī)B37固定在電機(jī)座A7上，電機(jī)座A7通過螺釘固定在下支撐環(huán)A9上，齒輪A17 通過緊定螺釘BlO固定在電機(jī)B37的輸出軸上，凸輪長軸齒輪A21通過鍵實(shí)現(xiàn)在凸輪長軸 A25的周向固定，通過套筒々28(與似8—致的套筒共5個)實(shí)現(xiàn)軸向定位。凸輪長軸A25 由一對軸承B22支撐，軸承B22嵌入到軸承座A24 (共4個)中，其由軸承端蓋A^實(shí)現(xiàn)軸向定位，軸承端蓋似9通過墊片B21和螺釘B8固定在軸承座上，軸承座通過螺釘固定在下支撐環(huán)A9上，下支撐環(huán)A9通過螺釘B6和墊圈Bll固定在殼體A2上。凸輪長軸A25上的凸輪A6通過鍵實(shí)現(xiàn)在凸輪長軸A25的周向固定，通過軸肩和套筒似8實(shí)現(xiàn)軸向定位。鎖緊指A5通過滑動軸承B34支撐于鎖緊指心軸A35上并通過擋圈A36實(shí)現(xiàn)軸向定位，鎖緊指心軸A35通過鎖定螺釘固定于心軸座A40。鎖緊指A5上裝有滾子A27、滑動軸承B33和滾子心軸A42，滾子A27通過彈性擋圈固定在鎖緊指A5上。心軸座A40通過螺釘固定在上支撐環(huán)A12上，上支撐環(huán)A12通過螺釘B6和墊圈Bll固定在殼體A2上。通過一個拉伸彈簧(圖中未畫出)作用于安裝在鎖緊指A5上的吊環(huán)螺釘B32，使?jié)L子A27始終貼緊在凸輪A6上。 鋼絲輪A^共兩個，分別固定在凸輪長軸A25和凸輪短軸A30上。凸輪長軸A25上的鋼絲輪似6通過鍵實(shí)現(xiàn)周向固定，通過軸肩和套筒似8實(shí)現(xiàn)軸向定位。凸輪短軸A30上的鋼絲輪似6通過鍵實(shí)現(xiàn)周向固定，通過軸肩和套筒實(shí)現(xiàn)軸向定位。凸輪長軸A25—側(cè)鋼絲輪通過鋼絲B25帶動凸輪短軸A30—側(cè)鋼絲輪轉(zhuǎn)動。鋼絲B25(兩側(cè)各有一小球)兩端分別通過鋼絲壓板A39和預(yù)緊塊A43安裝在兩個鋼絲輪上。通過使鋼絲B25的一側(cè)小球嵌入到鋼絲壓板A39(通過螺釘固定在鋼絲輪上)上，可讓此側(cè)鋼絲B25固定在鋼絲輪上。鋼絲的另一側(cè)小球嵌入到預(yù)緊塊A43中，預(yù)緊塊A43與螺釘B18 (其懸吊在鋼絲輪伸出的凸起處)通過螺紋連接，旋轉(zhuǎn)螺釘B18可實(shí)現(xiàn)預(yù)緊塊A43向螺釘一側(cè)運(yùn)動，從而使鋼絲B25被拉緊。凸輪短軸A30由與B22相同的一對軸承支撐在軸承座(與AM相同)上，并通過軸承端蓋實(shí)現(xiàn)軸向固定。凸輪短軸一側(cè)凸輪通過鍵BM實(shí)現(xiàn)周向固定，通過軸肩和套筒實(shí)現(xiàn)軸向定位。電連接器對接方式結(jié)合圖1 圖7，由于本實(shí)施方式與工具端接口壓緊方式共樣一套輸入裝置(運(yùn)動耦合)，故輸入裝置是相同的。下面來說明傳動裝置、輸出裝置和電氣裝置。傳動裝置由齒輪A17、凸輪長軸齒輪A21、凸輪長軸A25、曲柄A20和連桿A19組成；為了實(shí)現(xiàn)輸出裝置 (滑塊)的橫向受力平衡，經(jīng)鋼絲傳動將凸輪長軸A25上的輸入力矩傳遞給凸輪短軸A30， 凸輪短軸A30帶動另一側(cè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)，從而使兩套連桿對滑塊作用的橫向力抵消。故傳動裝置還包括鋼絲輪A26、鋼絲B25、凸輪短軸A30和另一側(cè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)；所述輸出裝置為
9滑塊A13。電氣系統(tǒng)的驅(qū)動、控制部分置于電路板支撐架A16上，用于絕對位置傳感的電位計B44通過焊接在PCB板上，其軸孔套在凸輪長軸A25上，用于限位的霍爾傳感器B35通過膠接粘在支撐塊A23上，磁鋼B36鑲在凸輪長軸齒輪A21側(cè)面。齒輪A17、凸輪長軸齒輪A21、凸輪長軸A25與實(shí)施方式2是相同的。曲柄A20經(jīng)緊定螺釘固定在凸輪長軸A25上，連桿A19與曲柄A20通過銷軸A32連接，由于二者之間存在相對運(yùn)動，在銷軸上與連桿相連的部位放置了滑動軸承B41，并在滑動軸承B41上安裝墊片 A33將連桿A19與曲柄A20隔開，銷軸A32的另一端有螺紋，通過螺母B12鎖定。滑塊A13與連桿A19通過也是銷軸連接。同樣，滑塊A13與連桿之間存在相對轉(zhuǎn)動，在銷軸上與連桿相連的部位放置了滑動軸承B41，并用墊片A33將連桿A19與滑塊A13的連接部位隔開?；瑝K A13上裝有電連接器(座孔)B15，通過螺釘B16固定在滑塊A13上。由前所述，曲柄連桿機(jī)構(gòu)對稱布置，在另一側(cè)，凸輪短軸A30所驅(qū)動曲柄連桿機(jī)構(gòu)的連接定位方式與凸輪長軸A25 的一側(cè)相同。凸輪A6為經(jīng)過特殊設(shè)計的凸輪結(jié)構(gòu)在其推程過程可驅(qū)動鎖緊指A5使工具端接口 Al壓緊在殼體A2上時；在鎖緊指A5的遠(yuǎn)休程，凸輪長軸A25和凸輪短軸A30上的曲柄連桿機(jī)構(gòu)繼續(xù)驅(qū)動，從而完成電連接座孔部分B15和頭針部分B14 (用螺釘固定在工具端接口上)的對接。就這樣，通過一套輸入裝置B37，實(shí)現(xiàn)了兩種功能(工具端接口壓緊和電連接器對接)。殼體與工具端接口的對接如圖1、圖2和圖4所示，本發(fā)明的殼體A2的對接面為由一對軸線相互垂直的錐體和圓柱體組成的組合曲面。殼體A2為錐體結(jié)構(gòu)，而工具端接口 Al為圓柱孔(底部除外)， 這樣在二者對接時可提供較大的位姿容差。另外，參見圖2，殼體A2的錐面上伸出兩個圓柱，可卡在圖4所示的工具端Al的錐形槽內(nèi)，從而使二者不發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)相對位姿固定。
10
權(quán)利要求
1. 一種空間機(jī)器人軌道工具更換器，所述軌道工具更換器包括殼體(A》、底端蓋 (A8)、下支撐環(huán)(A9)、上支撐環(huán)(A12)、電路板支撐架(A16)、電氣系統(tǒng)、第一套驅(qū)動系統(tǒng)和第二套驅(qū)動系統(tǒng)，上支撐環(huán)(A12)、下支撐環(huán)(A9)、電路板支撐架(A16)由上至下依次安裝在殼體(A2)內(nèi)，電氣系統(tǒng)、第一套驅(qū)動系統(tǒng)和第二套驅(qū)動系統(tǒng)均置于殼體(A2)內(nèi)，電氣系統(tǒng)置于電路板支撐架(A16)上，殼體m下端端面與底端蓋(A8)連接；其特征在于所述第一套驅(qū)動系統(tǒng)包括第一輸入裝置、第一傳動裝置和第一輸出裝置，第一輸入裝置為第一含行星減速器電機(jī)(B13)，第一傳動裝置包括第一小齒輪(A18)、傳動軸齒輪 (A22)和傳動軸(AlO)，所述第一輸出裝置為螺栓套筒(A4)；第一含行星減速器電機(jī)(B13) 固定在下支撐環(huán)(A9)上，第一小齒輪(A18)固定在第一含行星減速器電機(jī)(B13)的輸出軸上，傳動軸齒輪糊安裝在傳動軸(AlO)上，第一小齒輪(A18)與傳動軸齒輪(A22)嚙合，傳動軸(AlO)由一對深溝球軸承(BQ支撐，所述一對深溝球軸承(BQ分別嵌入到下支撐環(huán)(A9)和上支撐環(huán)(A12)上，螺栓套筒(A4)由壓縮彈簧(B2)、壓板(A3)固定在傳動軸 (AlO)上；在與工具端的螺栓頭對接時，通過壓緊壓縮彈簧(B》以及旋轉(zhuǎn)傳動軸(AlO)可使工具頭螺栓嵌入到螺栓套筒(A4)中；所述第二套驅(qū)動系統(tǒng)包括第二輸入裝置、用于工具端鎖緊的第二傳動裝置、用于電連接器對接的第二傳動裝置、用于工具端鎖緊的第二輸出裝置和用于電連接器對接的第二輸出裝置；第二輸入裝置為第二含行星減速器電機(jī)(B37)；用于工具端鎖緊的第二傳動裝置包括第二小齒輪(A17)、凸輪長軸齒輪(A21)、凸輪長軸(A25)、凸輪短軸(A30)兩個凸輪(A6)、兩個鋼絲輪(A26)和鋼絲(B25)，用于工具端鎖緊的第二輸出裝置為兩個鎖緊指 (A5)；用于電連接器對接的第二傳動裝置包括第二小齒輪(A17)、凸輪長軸齒輪(A21)和兩套曲柄連桿機(jī)構(gòu)，用于電連接器對接的第二輸出裝置為滑塊(A13)；第二含行星減速器電機(jī)(B37)固定在電機(jī)座(A7)上，電機(jī)座(A7)固定在下支撐環(huán) (A9)上，第二小齒輪(A17)固定在第二含行星減速器電機(jī)(B37)的輸出軸上，凸輪長軸齒輪 (A21)安裝在凸輪長軸(A25)上，第二小齒輪(A17)與凸輪長軸齒輪(A21)嚙合，凸輪長軸 (A25)由一對軸承￠2 支撐，軸承￠2 嵌入到相應(yīng)的軸承座(AM)中，凸輪長軸(A25) 由凸輪長軸軸承端蓋(A^)實(shí)現(xiàn)軸向定位，凸輪長軸軸承端蓋(A^)固定在軸承座(A24) 上，軸承座(AM)固定在下支撐環(huán)(A9)上，凸輪短軸(A30)也由一對軸承￠2 支撐在軸承座(A24)上，并通過凸輪短軸軸承端蓋(A31)實(shí)現(xiàn)軸向固定，凸輪長軸(A25)和凸輪短軸(A30)上各安裝有一個凸輪(A6)；凸輪長軸(A25)和凸輪短軸(A30)上方各設(shè)置有一個鎖緊指心軸(A35)，每個鎖緊指(AO通過滑動軸承(B34)支撐于鎖緊指心軸(A3。上并通過擋圈(A36)實(shí)現(xiàn)軸向定位，每個鎖緊指心軸(A35)固定于相應(yīng)的心軸座(A40)上，心軸座 (A40)固定在上支撐環(huán)(A12)上，每個鎖緊指(A5)的根部裝有滾子(A27)，滾子(A27)通過滑動軸承(B3!3)安裝在相應(yīng)的滾子心軸(A^)上，使?jié)L子(A27)始終貼緊在凸輪(A6)上；通過凸輪(A6)的輪廓使鎖緊指(AO按所設(shè)計的規(guī)律運(yùn)動，從而讓凸輪帶動從鎖緊指運(yùn)動，將工具端接口(Al)壓緊在殼體m上；凸輪長軸(A25)和凸輪短軸(A30)上分別固裝有一個鋼絲輪(A^)，凸輪長軸(A25) —側(cè)鋼絲輪(A26)通過鋼絲(B25)帶動凸輪短軸(A30) — 側(cè)鋼絲輪(A26)轉(zhuǎn)動，經(jīng)鋼絲傳動將凸輪長軸(A2Q上的輸入力矩傳遞給凸輪短軸(A30)； 每套曲柄連桿機(jī)構(gòu)包含曲柄(A20)和連桿(A19)，一套曲柄連桿機(jī)的曲柄(A20)固定在凸輪長軸(A25)上，連桿(A19)的一端與曲柄(A20)通過銷軸(A32)連接，在銷軸(A32)上與連桿(A19)相連的部位放置滑動軸承(B41)，兩套曲柄連桿機(jī)構(gòu)對稱布置，由凸輪短軸 (A30)所驅(qū)動的另一套曲柄連桿機(jī)構(gòu)的連接定位方式與凸輪長軸(A25)的一側(cè)相同；滑塊 (A13)與兩個連桿(A19)的另一端連接，滑塊(A13)上裝有電連接器(B15)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間機(jī)器人軌道工具更換器，其特征在于鎖緊指(AO的推程能夠壓緊工具端接口(Al)；在鎖緊指(AO遠(yuǎn)休程，凸輪(A6)能夠空轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)電連接器接口的對接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間機(jī)器人軌道工具更換器，其特征在于所述的第二套驅(qū)動系統(tǒng)的限位開關(guān)采用霍爾傳感器(B35)，霍爾傳感器￠3 通過膠接粘在軸承座(A24)上面的支撐塊(A2;3)上，磁鋼(B36)鑲在凸輪長軸齒輪(A21)側(cè)面，第二套驅(qū)動系統(tǒng)采用電位計(B40)用于絕對位置傳感，電位計(B40)焊接在PCB板上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的空間機(jī)器人軌道工具更換器，其特征在于軌道工具更換器的殼體m的對接面為圓錐面；工具端接口(Al)的側(cè)壁上開有為二者對接提供較大的位姿容差的圓柱孔；殼體m的錐面上伸出兩個可卡在工具端接口(Al)的錐形槽內(nèi)的圓柱，使殼體m和工具端接口(Al)不發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)相對位姿固定。
全文摘要
空間機(jī)器人軌道工具更換器，屬于空間機(jī)器人在軌服務(wù)領(lǐng)域，為了解決現(xiàn)有的軌道工具更換器存在空間作業(yè)的可靠性差、無法實(shí)現(xiàn)大位姿容差、功耗高、質(zhì)量大等問題。對于機(jī)械傳遞，利用第一套驅(qū)動系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動齒輪，由齒輪帶動傳動軸，并由傳動軸上的螺栓套筒與另一端的螺栓頭對接來實(shí)現(xiàn)此功能。對于電氣傳遞，利用第二套驅(qū)動系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動齒輪，齒輪帶動凸輪長軸，并將凸輪長軸上的力矩通過鋼絲傳動轉(zhuǎn)移到凸輪短軸，通過固定于凸輪長軸和凸輪短軸的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將電連接器的兩部分對接。工具端鎖緊采用了運(yùn)動學(xué)耦合方式，在電連接器實(shí)現(xiàn)對接之前，通過凸輪帶動鎖緊指實(shí)現(xiàn)工具端的鎖緊。該軌道工具更換器與可更換末端操作器的對接面為圓錐面，具有較大的位姿容差能力。
文檔編號B64G4/00GK102390548SQ20111023083
公開日2012年3月28日 申請日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月12日
發(fā)明者劉奇坤, 劉宇, 劉宏, 蔣再男, 韓鋒 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)