一种基于动静块的软接触关节.pdf

本发明涉及一种空间机器人结构，具体是一种基于动静块的软接触关节，包括驱动传动机构、阻尼组件和传感部件。所述的驱动传动机构主要包括电机驱动单元、控制器、内壳、外壳、滑块和滑轨等，阻尼组件主要包括直线式磁流变阻尼器、离合器、旋转式磁流变阻尼器、弹簧机构和扭簧机构等，传感部件包括编码器、直线位移传感器等。所述的机械臂关节主要利用离合器和阻尼组件中的磁流变阻尼器控制关节的总体柔性，根据操作任务可实现俯仰和偏航两自由度刚性驱动功能和空间六维动量卸载相互转换，从而实现空间操作的软接触。

权利要求书
1.  一种基于动静块的软接触关节，包括驱动传动机构、阻尼组件和传感部 件；
所述的驱动传动机构主要由电机驱动单元一(202)、电机驱动单元二(408)、 制动器X(204)、制动器Y(404)、制动器一(212)、制动器二(412)、电机轴 一(207)、电机轴二(410)、谐波减速器一(201)、谐波减速器二(409)、动块 外壳一(101)、动块外壳二(106)、静块外壳一(103)、静块外壳二(105)、动 块外壳端盖一(102)、动块外壳端盖二(107)、支架一(205)、支架二(406)、 制动器支架一(213)、制动器支架二(413)组成；
所述的阻尼组件包括直线阻尼组件和旋转阻尼组件；其中，
所述的直线阻尼组件由直线式磁流变阻尼器(502)、弹簧机构(513)、滑轨 一(505)、滑轨二(506)、滑轨三(507)、滑轨四(508)、电磁制动滑块一(509)、 滑块二(510)、滑块三(511)、滑块四(512)、滑动内壳(108)和支座(501) 组成；
所述的旋转阻尼组件由旋转式磁流变阻尼器X(208)、旋转式磁流变阻尼器 Y(402)、旋转式磁流变阻尼器Z(301)、扭簧机构X(211)、扭簧机构Y(411)、 扭簧机构Z(304)、旋转轴X(209)、旋转轴Y(405)、连接轴Z(305)、离合器 X(206)、离合器Y(403)、制动器Z(303)、连接板X(210)、连接板Y(401)、 连接外壳Z(104)、连接外壳端盖Z(109)组成；
所述的传感部件由线位移传感器(503)、编码器X(203)、编码器Y(407) 和编码器Z(302)组成。

2.  根据权利要求1所述的一种基于动静块的软接触关节，其特征在于：所 述的制动器X(204)固定于支架一(205)；所述的电机驱动单元一(202)、支 架一(205)固定在静块外壳一(103)上；所述的制动器一(212)固定于一制 动器支架一(213)上，该制动器支架一(213)固定于动块外壳一(101)上； 所述的谐波减速器一(201)、制动器(212)、电机驱动单元一(202)、制动器X (204)通过电机轴一(207)串联组合；所述的制动器Y(404)固定于支架二 (406)上；所述的电机驱动单元二(408)、支架二(406)固定在静块外壳一(103) 上；所述的制动器二(412)固定于一制动器支架二(413)上，该制动器支架二 (413)固定于动块外壳(106)上；所述的谐波减速器二(409)、制动器二(412)、 电机驱动单元二(408)、制动器Y(404)通过电机轴二(410)串联组合。

3.  根据权利要求1所述的一种基于动静块的软接触关节，其特征在于：所 述的滑轨一(505)、滑轨二(506)、滑轨三(507)和滑轨四(508)对称式分布 且固定于动块外壳二(106)上；与所述各滑轨对应的电磁制动滑块一(509)、 滑块二(510)、滑块三(511)和滑块四(512)设置于滑动内壳(108)上；通 过滑轨一(505)、滑轨二(506)、滑轨三(507)和滑轨四(508)、电磁制动滑 块一(509)、滑块二(510)、滑块三(511)和滑块四(512)使滑动内壳(108) 和动块外壳二(106)之间发生相对滑动，并通过电磁控制该相对滑动处于自由 滑动模式或锁定模式。

4.  根据权利要求1所述的一种基于动静块的软接触关节，其特征在于：所述 的直线式磁流变阻尼器(502)、线位移传感器(503)的基体固定于一支座(501) 上，所述的支座(501)固定于动块外壳二(106)上；所述的直线式磁流变阻尼 器(502)的导向杆(504)、线位移传感器的导杆固定于滑动内壳(108)上。

5.  根据权利要求1所述的一种基于动静块的软接触关节，其特征在于：所述 的旋转式磁流变阻尼器X(208)的基体安装在一连接板X(210)上，旋转式磁 流变阻尼器X的轴为旋转轴X(209)，编码器X(203)的基体固定在静块外壳一 (103)的端部上，旋转式磁流变阻尼器Y(402)的基体固定在连接板Y(401) 上，旋转式磁流变阻尼器Y的轴为旋转轴Y(405),编码器Y(407)的基体固定 在静块外壳二(105)的端部上；旋转式磁流变阻尼器Z(301)的基体固定在连 接板X(210)上，编码器Z(302)、制动器Z(303)的基体固定在静块外壳一 (103)上，旋转式磁流变阻尼器Z(301)的轴是连接轴Z(305)；所述的旋转 阻尼组件中的离合器X(206)的基体固定在支架一(205)上，支架一(205) 固定在静块外壳一(103上)，离合器Y(403)的基体固定在支架二(406)上， 支架二(406)固定在静块外壳二(105)上；所述的连接外壳Z(104)与静块 外壳一(103)固定，连接轴Z(302)与静块外壳二(105)固定，连接轴Z(302) 和连接外壳Z(104)之间通过角接触轴承连接，实现相对转动。

说明书一种基于动静块的软接触关节
技术领域
本发明涉及空间机器人研究和工程领域，具体是一种基于动静块的软接触关 节。
背景技术
随着空间科学技术的发展，未来对空间能源的开发和利用成为趋势，拓展以 空间交会对接技术为基础的新型航天装备已经形成共识，空间对接技术及其操作 机构已经成为航天技术的一个重要研究领域，是空间在轨服务的关键技术，也是 未来建设空间站的重要组成。实现空间交会对接技术，首先必须考虑两航天器的 对接机构相互碰撞问题。在空间交会对接过程中，两航天器往往会发生相互接触 碰撞，动量传递不对称，为避免航天器在碰撞过程中造成不必要的损伤变形，保 证两对接航天器的安全，实现可靠对接，在对接机构上设计阻尼缓冲系统，实现 具有动量卸载功能的软接触。
目前的空间对接技术所采用的对接机构中，主要有锥‐杆式对接系统、飞网技 术、电磁对接、刚性机械臂式等，以上对接机构特点是主要以柔性绳索为主要执 行元件或通过在末端执行器设计相关机构捕获子系统；在约束条件上要求两航天 器之间相对位姿测量、跟踪、保持等方面满足高精度要求，对空间接触的瞬间位 姿扰动要求也极高。
发明内容
本发明针对现有空间机器人接触操作过程中能量冲击，两航天器在各种复杂 空间条件下能量阶跃式传递的难题，提供一种基于动静块的软接触关节。本发明 不仅实现了现有空间机器人刚性关节的运动规划功能，也可实现航天器接触过程 中平稳软接触，降低当前空间操作硬接触带来的各种风险，拓展空间机器人操作 的应用性。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于动静块的软接触关节，包括驱动传动机构、阻尼组件以及传感部件 三部分。
所述的驱动传动机构主要由电机驱动单元一202、电机驱动单元二408、制 动器X204、制动器Y404、制动器一212、制动器二412、电机轴一207、电机轴 二410、谐波减速器一201、谐波减速器二409、动块外壳一101、动块外壳二 106、静块外壳一103、静块外壳二105、动块外壳端盖一102、动块外壳端盖二 107、支架一205、支架二406、制动器支架一(213)、制动器支架二(413)组 成；
所述的阻尼组件包括直线阻尼组件和旋转阻尼组件；其中，
所述的直线阻尼组件由直线式磁流变阻尼器502、弹簧机构513、滑轨一505、 滑轨二506、滑轨三507、滑轨四508、电磁制动滑块一509、滑块二510、滑块 三511、滑块四512、滑动内壳108和支座501组成，
所述的旋转阻尼组件由旋转式磁流变阻尼器X208、旋转式磁流变阻尼器 Y402、旋转式磁流变阻尼器Z301、扭簧机构X211、扭簧机构Y411、扭簧机构Z304、 旋转轴X209、旋转轴Y405、连接轴Z305、离合器X206、离合器Y403、制动器 Z303、连接板X210、连接板Y401、连接外壳Z104、连接外壳端盖Z109组成；
所述的传感部件由线位移传感器503、编码器X203、编码器Y407和编码器 Z302组成。
所述的制动器X204固定于支架一205；所述的电机驱动单元一202、支架一 205固定在静块外壳一103上；所述的制动器一212固定于制动器支架一213上， 该制动器支架一213固定于动块外壳一101上；所述的谐波减速器一201、制动 器一212、电机驱动单元一202、制动器X204通过电机轴一207串联组合；所述 的制动器Y404固定于支架二406上；所述的电机驱动单元二408、支架二406 固定在静块外壳一103上；所述的制动器二412固定于制动器支架二413上，该 制动器支架二413固定于动块外壳二106上；所述的谐波减速器二409、制动器 二412、电机驱动单元二408、制动器Y404通过电机轴二410串联组合。
进一步，所述的滑轨一505、滑轨二506、滑轨三507和滑轨四508对称式 分布且固定于动块外壳二106上；与各所述滑轨对应的电磁制动滑块一509、滑 块二510、滑块三511和滑块四512设置于滑动内壳108上；通过滑轨一505、 滑轨二506、滑轨三507和滑轨四508、电磁制动滑块一509、滑块二510、滑块 三511和滑块四512使滑动内壳108和动块外壳二106之间发生相对滑动，并通 过电磁控制该相对滑动处于自由滑动模式或锁定模式。
所述的直线式磁流变阻尼器502、线位移传感器503的基体固定于支座501 上，所述的支座501固定于动块外壳二106上；所述的直线式磁流变阻尼器502 的导向杆504、线位移传感器的导杆固定于滑动内壳108上。
进一步，所述的旋转式磁流变阻尼器X208的基体安装在一连接板X210上， 旋转式磁流变阻尼器X的轴为旋转轴X209，编码器X203的基体固定在静块外壳 一103的端部上，旋转式磁流变阻尼器Y402的基体固定在连接板Y401上，旋转 式磁流变阻尼器Y的轴为旋转轴Y405，编码器Y407的基体固定在静块外壳二105 的端部上；旋转式磁流变阻尼器Z301的基体固定在连接板X210上，编码器Z302、 制动器Z303的基体固定在静块外壳一103上，旋转式磁流变阻尼器Z301的轴是 连接轴Z305。
所述的旋转阻尼组件中的离合器X206的基体固定在支架一205上，支架一 205固定在静块外壳一103上，离合器Y403的基体固定在支架二406上，支架 二406固定在静块外壳二105上；所述的连接外壳Z104与静块外壳一103固定， 连接轴Z302与静块外壳二105固定，连接轴Z302和连接外壳Z104之间通过角 接触轴承连接，实现相对转动。
与现有技术相比本发明有以下特点：
1.关节具有实现空间刚性关节操作的能力，具备俯仰和偏航两自由度的运 动规划功能，同时具备接触操作的柔性特征。本发明由驱动传动机构组成，具有 一般关节的驱动传动装置，采用谐波减速器减速机构，关节运动角度范围为±180 度，使关节实现两自由度运动，为机构提供末端操作负载驱动能力。本发明通过 在刚性传动机构和阻尼组件之间设计的耦合部件—离合器、制动器和电磁制动滑 块，实现四个阻尼组件对接触过程中动量进行卸载。将本发明关节放置于空间笛 卡尔坐标系中，关节的俯仰和偏航两个方向分别作为X和Y轴；接触过程中，X、 Y、Z旋转方向的动量被三个旋转阻尼组件卸载，Z轴直线的动量被直线阻尼组件 卸载，X、Y轴直线方向的动量通过机械机构的传递与转换，被旋转阻尼组件卸 载，因此关节可实现空间六维的动量卸载。
2.本发明中采用具有柔性可控阻尼系数的磁流变阻尼器，从而实现对关节 的半主动控制。磁流变阻尼器具有能量消耗低、结构简单、阻尼力连续逆顺可调 并且可调范围大、响应快、良好的温度稳定性以及可与微机控制结合等优良特性， 因此可用于空间软接触关节中，从而减小冲击振动载荷、吸收碰撞动能。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的整体外观结构示意图。
图2是本发明具体实施方式的X轴部分内部结构示意图。
图3是本发明具体实施方式的Z轴部分内部结构示意图。
图4是本发明具体实施方式的Y轴部分内部结构示意图。
图5是本发明具体实施方式的Z轴直线部分内部结构示意图。
附图中的标号说明如下：
动块外壳一101、动块外壳端盖一102、静块外壳一103、连接外壳Z104、 静块外壳二105、动块外壳二106、动块外壳端盖二107、滑动内壳108、连接外 壳端盖Z109、谐波减速器一201、电机驱动单元一202、编码器X203、制动器 X204、支架一205、离合器X206、电机轴一207、旋转式磁流变阻尼器X208、旋 转轴X209、连接板X210、扭簧机构211、制动器一212、制动器支架一213、旋 转式磁流变阻尼器Z301、编码器Z302、制动器三303、扭簧机构Z304、连接轴 Z305、角接触轴承306、连接板Y401、旋转式磁流变阻尼器Y402、离合器Y403、 制动器Y404、旋转轴Y405、支架二406、编码器Y407、电机驱动单元二408、 谐波减速器二409、电机轴二410、扭簧机构411、制动器二412、制动器支架二 413、支座501、直线式磁流变阻尼器502、线位移传感器503、导向杆504、滑 轨一505、滑轨二506、滑轨三507、滑轨四508、电磁制动滑块一509、滑块二 510、滑块三511、滑块四512、弹簧机构513。
具体实施方式
下面结合附图1～5对本发明做进一步详细说明：
本发明节包括驱动传动机构、阻尼组件以及传感部件三部分。
所述的驱动传动机构主要包括由电机驱动单元一202、电机驱动单元二408、 制动器X204、制动器Y404、制动器一212、制动器二412、电机轴一207、电机 轴二410、谐波减速器一201、谐波减速器二409、动块外壳一101、动块外壳二 106、静块外壳一103、静块外壳二105、动块外壳端盖一102、动块外壳端盖二 107、支架一205、支架二406、制动器支架一213、制动器支架二413组成的机 械机构；阻尼组件包括由直线式磁流变阻尼器502、弹簧机构513、滑轨一505、 滑轨二506、滑轨三507、滑轨四508、电磁制动滑块一509、滑块二510、滑块 三511、滑块四512、滑动内壳108和支座501组成的直线阻尼组件，由旋转式 磁流变阻尼器X208、旋转式磁流变阻尼器Y402、旋转式磁流变阻尼器Z301、扭 簧机构X211、扭簧机构Y411、扭簧机构Z304、旋转轴X209、旋转轴Y405、连 接轴Z305、离合器X206、离合器Y403、制动器Z303、连接板X210、连接板Y401、 连接外壳Z104、连接外壳端盖Z109组成的旋转阻尼组件；传感部件由线位移传 感器503、编码器X203、编码器Y407和编码器Z302组成。
制动器X204固定于支架一205；所述的电机驱动单元一202、支架一205 固定在静块外壳一103上；所述的制动器一212固定于制动器支架一213上，该 制动器支架一213固定于动块外壳一101上；所述的谐波减速器一201、制动器 212、电机驱动单元一202、制动器X204通过电机轴一207串联组合；所述的制 动器Y404固定于支架二406上；所述的电机驱动单元二408、支架二406固定 在静块外壳一103上；所述的制动器二412固定于制动器支架二413上，该制动 器支架二413固定于动块外壳二106上；所述的谐波减速器二409、制动器二412、 电机驱动单元二408、制动器Y404通过电机轴二410串联组合。所述的滑轨一 505、滑轨二506、滑轨三507和滑轨四508对称式分布且固定于动块外壳二106 上；与所述各滑轨对应的电磁制动滑块一509、滑块二510、滑块三511和滑块 四512设置于滑动内壳108上；通过滑轨一505、滑轨二506、滑轨三507和滑 轨四508、电磁制动滑块一509、滑块二510、滑块三511和滑块四512使滑动 内壳108和动块外壳二106之间发生相对滑动，并通过电磁控制该相对滑动处于 自由滑动模式或锁定模式。
所述的直线式磁流变阻尼器502、线位移传感器503的基体固定于支座501 上，所述的支座501固定于动块外壳二106上；所述的直线式磁流变阻尼器502 的导向杆504、线位移传感器的导杆固定于滑动内壳108上；所述的旋转式磁流 变阻尼器X208的基体安装在一连接板X210上，旋转式磁流变阻尼器X的轴为旋 转轴X209，编码器X203的基体固定在静块外壳一103的端部上，旋转式磁流变 阻尼器Y402的基体固定在连接板Y401上，旋转式磁流变阻尼器Y的轴为旋转轴 Y405,编码器Y407的基体固定在静块外壳二105的端部上；旋转式磁流变阻尼器 Z301的基体固定在连接板X210上，编码器Z302、制动器Z303的基体固定在静 块外壳一103上，旋转式磁流变阻尼器Z301的轴是连接轴Z305；所述的旋转阻 尼组件中的离合器X206的基体固定在支架一205上，支架一205固定在静块外 壳一103上，离合器Y403的基体固定在支架二406上，支架二406固定在静块 外壳二105上；所述的连接外壳Z104与静块外壳一103固定，连接轴Z302与静 块外壳二105固定，连接轴Z302和连接外壳Z104之间通过角接触轴承连接，实 现相对转动。
在执行运动规划任务时，电磁制动滑块一509和制动器Z303均处于锁定状 态，使得动块外壳二106和滑动内壳108、连接外壳Z104和连接轴Z305之间保 持相对固定；各磁流变阻尼器处于掉电自由状态；离合器X206和离合器Y403 处于分离状态；制动器一212和制动器二412处于解除状态；电机驱动单元一 202经电机轴一207转动传递至谐波减速器一201，经谐波减速器一201减速后 的输出轴连接至动块外壳端盖一102，动块外壳端盖一102与动块外壳一101固 定，因此关节整体可随电机驱动单元一202的转动发生俯仰运动，且此运动范围 为±180°；同理，电机驱动单元二408经电机轴二410转动传递至谐波减速器 二409，经谐波减速器二409减速后的输出轴连接至动块外壳端盖二107，动块 外壳端盖二107与动块外壳二106固定，因此关节整体可随电机驱动单元二408 的转动发生偏航运动，且此运动范围为±180°。
在执行接触任务时，本发明通过在刚性传动机构和阻尼组件之间设计的耦合部件 —离合器、制动器和电磁制动滑块，实现四个阻尼组件对接触过程中动量进行卸 载。将本发明关节放置于空间笛卡尔坐标系中，关节的俯仰和偏航两个方向分别 作为X和Y轴；接触过程中，X、Y、Z旋转方向的动量被三个旋转阻尼组件卸载， Z轴直线的动量被直线阻尼组件卸载，X、Y轴直线方向的动量通过机械机构的传 递，被旋转阻尼组件卸载，因此关节实现空间六维的动量卸载。具体到每一个方 向的动量卸载实施原理如下：关节末端受到X轴旋转方向的动量冲击时，离合器 X206处于闭合状态，制动器X204处于解除状态，制动器一212处于制动状态， 角动量使电机轴一207与静块壳体一103发生相对转动，因而扭簧机构X211对 冲击转动起到被动缓冲作用，同时编码器X203监测运动变量，并将变量传输给 控制器，由设计的目标控制算法和旋转式磁流变阻尼器X208构成半主动控制器， 目标控制算法根据运动变量计算出缓冲碰撞的期望阻尼力矩，再由旋转式磁流变 阻尼器X208通过电磁控制输出相应阻尼力矩，从而实现X轴旋转方向对冲击角 动量的卸载控制。关节末端受到Y轴旋转方向的动量冲击时，和X轴旋转方向完 成角动量的卸载控制相同的原理，离合器Y403处于闭合状态，制动器Y404处于 解除状态，制动器二412处于制动状态，角动量使电机轴二410与静块壳体二 105发生相对转动，因而扭簧机构Y411对冲击转动起到被动缓冲作用，编码器 Y407监测运动变量，并将变量传输给控制器，由设计的目标控制算法和旋转式 磁流变阻尼器Y402构成半主动控制器，目标控制算法根据运动变量计算出缓冲 碰撞的期望阻尼力矩，再由旋转式磁流变阻尼器Y402通过电磁控制输出相应阻 尼力矩，从而实现偏航方向对冲击角动量的卸载控制。关节末端受到Z轴旋转方 向的动量冲击时，制动器Z303处于解除状态，角动量使连接外壳Z104和连接轴 Z305发生相对转动，故连接轴Z305与连接板X210发生相对运动，扭簧机构Z304 对此冲击转动起到被动缓冲作用，编码器Z302监测运动变量，并将变量传输给 控制器，由设计的目标控制算法和旋转式磁流变阻尼器Z301构成半主动控制器， 目标控制算法根据运动变量计算出缓冲碰撞的期望阻尼力矩，再由旋转式磁流变 阻尼器Z301通过电磁控制输出相应阻尼力矩，从而实现对关节轴向旋转冲击角 动量的缓冲与卸载控制；关节末端受到X轴直线方向的动量冲击时，由关节驱动 结构特点可知，此方向的动量将传递到Y轴旋转方向，动量被转换卸载；关节末 端受到Y轴直线方向的动量冲击时，由关节驱动结构特点可知，此方向的动量将 传递到X轴旋转方向，动量被转换卸载；关节末端受到Z轴直线方向的动量冲击 时，电磁制动滑块一509、滑块二510、滑块三511和滑块四512处于分离状态， 滑块与滑轨一505、滑轨二506、滑轨三507和滑轨四508可相对平动，关节的 滑动内壳108受到冲击，线性冲量使滑动内壳108和动块外壳二106发生相对平 动，弹簧机构513对冲击平动起到被动缓冲作用，线位移传感器503监测运动变 量，并将变量传输给控制器，由设计的目标控制算法和直线式磁流变阻尼器502 构成半主动控制器，目标控制算法根据运动变量计算出缓冲碰撞的期望阻尼力， 再由直线式磁流变阻尼器502通过电磁控制输出相应阻尼力，从而实现关节对Z 轴直线方向向线动量的卸载控制。
本发明不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据本发明揭示的内容， 在本发明基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改，都应该在本发明的保 护范围之内。