[发明专利]一种高比功率空间机械臂模块化旋转关节

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间机械臂模块化旋转关节。具体涉及一种轻型空间机械臂的中空式高比功率机电一体化集成的旋转关节。

背景技术

轻型空间机械臂应用于卫星或者空间站，一般采用模块化设计，由多个模块化旋转关节串联构成。而常用的旋转关节集成度较低，连接线缆外露，并且通过被动增加防护的方式适应空间中的特殊环境，因而不可避免的造成旋转关节重量的增加，从而引起有效负载能力较小、机械臂运动对本体姿态的干扰过大、发射成本较高等弊端。

由于卫星或空间站的体积有限，在发射过程中需要将机械臂折叠放置，而目前机械臂旋转关节输入端和输出端法兰15、16均为同轴设计，当组装需要折叠放置的机械臂时需要额外的直角连接件，不仅额外增加了重量也浪费了空间，尤其不利于空间机械臂的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于空间机械臂的偏置式中空结构的、采用高功率密度电机和高减速比传动系统的、集成传感系统和驱动器的、可多圈连续运动的、输入端和输出端法兰垂直的模块化旋转关节。

本发明的高比功率空间机械臂模块化旋转关节采用小直径高转速的无刷伺服电机作为驱动源，经行星齿轮、偏置齿轮谐波齿轮三级减速获得空间应用中所需的低转速和高扭矩，功率密度、总效率、系统总刚度和低转速性能高于采用大直径低转速盘式直驱电机经行星齿轮减速的旋转关节。对空间环境更加敏感的电机、传感器等元件均有独立的防护，从而降低了对旋转关节整体的空间防护等级要求，提高了可靠性并降低了旋转关节的总体重量。

同时，本发明的高比功率空间机械臂模块化旋转关节采用偏置式中空结构和机电一体式集成设计，不需要复杂的电缆网，仅需要一根通讯总线和一根电源线与卫星或空间站本体连接；由于电缆网结构简单，机械臂连接线缆可以从每个模块化旋转关节的中心孔穿过，受到模块化关节本身的保护，无需额外防护，节约了重量并提高了可靠性。

此外，本发明除了用于轻型空间机械臂的高比功率旋转关节外，还可用于其他要求高比功率、高可靠的轻型模块化机械臂的旋转关节。

附图说明

现在将结合附图对本发明的具体实施例进行描述，其中：

附图1为高比功率空间机械臂模块化旋转关节结构图；

附图2为附图1的关节结构俯视图；

附图3为旋转关节传动关系图；

附图4为旋转关节的控制流程图。

具体实施方式

本发明的旋转关节由壳体、关节驱动器、无刷伺服电机、传动系统和传感系统组成。

如附图1、4所示，关节驱动器1收到来自通讯总线的操作控制指令，依靠来自电源母线的输入能源，驱动小型无刷伺服电机4旋转，经传动系统三级减速后输出所需的低转速、高扭矩运动，并通过传感器系统提供高可靠性的速度环、位置环、力矩环三层闭环控制。如图所示，该关节驱动器1在图示实施例中位于旋转关节的下方，置于旋转壳体9的主轴线上。

如图2、3所示，所述壳体包括旋转壳体9和固定壳体13。其中旋转壳体9提供旋转关节的对外输出端法兰15，固定壳体13提供旋转关节固定端法兰16。固定壳体13为L形剖面，固定端法兰16位于关节主轴线(旋转壳体轴线)侧方，从而使输出端法兰15与固定端法兰16垂直。旋转壳体9和固定壳体13之间通过减磨垫圈动密封，与图示中位于旋转关节下方的关节驱动器1的外壳体共同构成整个旋转壳体的外壳，外表面经抗辐照涂覆处理，外包覆一层轻量的热防护层，为整个旋转关节提供初级的密封、热防护、辐射防护和主要的撞击防护。

所述关节驱动器1为小体积高密度集成式运动伺服驱动控制器，集成有高性能无刷伺服控制单元、直流电机驱动单元、温度控制单元和过载保护单元，拥有独立的空间环境防护。

所述无刷伺服电机4为小型空心杯正弦波无刷伺服电机，功率密度高，动态特性和低速控制性能好，拥有独立的空间环境防护。在图示所示实施例中，无刷伺服电机4置于旋转壳体9中，位于与固定壳体13相对的一侧，其输入端依次设置有霍尔元件3和旋转变压器2。所述无刷电机4与行星齿轮箱5，霍尔元件3和旋转变压器2串联集成，共同吊装于主固定安装板14上。主固定安装板14与固定壳体13固定连接。