一种基于柔性带收放与刚柔转换机构的空间机械臂的制作方法

本发明涉及空间机械臂的技术领域，具体是一种基于柔性带收放与刚柔转换机构的空间机械臂。

背景技术：

现代航空工业发展极其迅速，人类探索航空的脚步正越来越深入，而利用空间机械臂安装在飞船舱外来辅助航天员完成空间站搭建和维护等任务，能够大大减轻了航空员的工作负担。当前的空间机械臂有加拿大的srms机械臂，安装在航空飞机上，臂长15m，重约410.5kg；日本的jemrms机械臂，主臂长约10m，小精细臂长约2.2m；欧洲的era机械臂，臂长约11m等。以上所述的主流空间机械臂均为刚性的串联机械臂结构，具有固定臂长、其所占空间和自身质量都比较大的特点。

正常情况下空间机械臂是安装在整船上搭载火箭进入轨道，而由于火箭燃料的限制，也限制了所运载的总质量与总空间。在空间应用时，我们又需要空间机械臂具有较大臂展，实现较大的操作范围。以主流的空间机械臂为例，运载其到太空就需要耗费较大的资源。

技术实现要素：

本发明为了弥补已有技术的不足，提供一种基于柔性带收放与刚柔转换机构的空间机械臂，在非工作状态能够收缩，尽可能减小所占空间，在工作状态又能伸长，满足较大操作范围，同时又具有质量轻、灵活特点的空间机械臂。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于柔性带收放与刚柔转换的空间机械臂，

包括软玻璃材质的柔性带1、收放机构2、第一转换机构、第二转换机构、第三转换机构和调整机构3；

所述收放机构通过转臂23转动连接在底座21的支座板22上，且收放机构包括壳体24和布置在壳体24内的收放辊筒28，收放辊筒28的一端通过减速器26连接有辊轴电机25，柔性带1通过收放辊筒28卷设于壳体24内；

所述第一转换机构、第二转换机构和第三转换机构结构相同，均包括塑形板314和用于固定塑形板314的固定架，塑形板314的一端为筒状，另一端水平展开；

每个所述固定架包括第一固定环315，第一固定环315上对应设有一对啮合挤压轮317，第一固定环套设在塑形板314筒状的一端，所述柔性带1贴合在塑形板314的内侧臂上，位于塑形板314筒状一端的柔性带1经过一对啮合挤压轮317挤压，柔性带1两侧边的链牙15对应咬合，柔性带1卷成筒状，位于塑形板314展开一端的柔性带1为带状；

所述第一转换机构的固定架固定连接在所述壳体24上；

所述调整机构3包括前臂框架和后臂框架，且前臂框架和后臂框架通过转轴31转动连接，

前臂框架包括一对前臂侧板308，一对前臂侧板308之间并列设有一对前臂辊筒306，后臂框架包括一对后臂侧板309，一对后臂侧板309之间并列设有一对后臂辊筒307；

所述一对前臂辊筒306和一对后臂辊筒307通过辊筒电机301实现同步转动，且一对前臂辊筒306和一对后臂辊筒307的布置方向和所述柔性带1的延伸方向垂直；

所述第二转换机构的固定架固定连接在所述一对前臂侧板308上，所述第三转换机构的固定架固定连接在所述一对后臂侧板309上；

所述柔性带1伸出所述壳体24的一端为第一带状柔性带11，第一带状柔性带11通过第一转换机构卷成第一筒状柔性带12，第一筒状柔性带12经第二转换机构展开成第二带状柔性带13，第二带状柔性带13依次经一对前臂辊筒306和一对后臂辊筒305的挤压传送，最后经第三转换机构卷成第二筒状柔性带14并延伸。

进一步，所述空间机械臂还包括增强机构4，增强机构4包括圆柱形吹塑式的一对气囊44，一对气囊44同轴布置且通过气管43连通，气管43通过气阀42和气罐41管道连通；

所述一对气囊44相对端通过一对支撑架45分别固定在前臂框架和后臂框架上；

所述一对气囊44分别插设在第一筒状柔性带12和第二筒状柔性带14的内腔中，用于提高第一筒状柔性带12和第二筒状柔性带14的刚度。

进一步，所述收放机构2还包括收放卷筒27，收放卷筒27和所述收放辊筒28轴向平行，且收放卷筒27布置在所述壳体24内，用于调整所述柔性带1在所述壳体24的伸出位置。

进一步，所述第二带状柔性带13一侧对应的调整机构3上设有转向机构，第二带状柔性带13另一侧对应的调整机构上设有传动机构；

所述转向机构包括转向电机310、第一传动齿轮312和转向齿轮313，转向电机310固定安装在对应的后臂侧板上，第一传动齿轮312通过轴承安装在对应后臂辊筒的辊轴上，转向齿轮313固定插设所述转轴31上，所述转轴31固定安装在对应的前臂侧板上；

转向电机310的输出轴上固定插设有转向电机齿轮311，转向电机齿轮311、第一传动齿轮312和转向齿轮313依次相啮合，使得转向电机310输出的扭矩通过齿轮传动传递至转轴31；

所述传动机构包括辊筒电机301、后臂辊筒齿轮303、第二传动齿轮304和前臂辊筒齿轮305，辊筒电机301固定安装在对应的后臂侧板上，后臂辊筒齿轮303固定插设在对应的后臂辊筒的辊轴上，第二传动齿轮304通过轴承安装在对应的后臂侧板上，前臂辊筒齿轮305固定插设在对应的前臂辊筒的辊轴上，

辊筒电机301的输出轴上固定插设有传动电机齿轮302，传动电机齿轮302、后臂辊筒齿轮303、第二传动齿轮304和前臂辊筒齿轮305依次相啮合，使得辊筒电机301输出的扭矩通过齿轮传动传递至一对后臂辊筒307和一对前臂辊筒306，即实现一对前臂辊筒306和一对后臂辊筒307同步转动，挤压传送所述第二带状柔性带13。

进一步，每个所述固定架还包括第二固定环316，第二固定环316和所述第一固定环315位于不同平面且相切，相切处设有一对第一支杆318，第一固定环315上对应一对第一支杆318设有一对第二支杆319，第二固定环316上设有一对第三支杆，且一对第三支杆和一对第二支杆319对应固定连接；

位于所述柔性带1同侧的第一支杆318和第二支杆319的伸出端上固定设有安装板；

所述第一转换机构的固定架上的一对安装板320固定连接在所述外壳24上；

所述第二转换机构的固定架上的一对安装板320固定连接在一对前臂侧板308的对应端；

所述第三转换机构的固定架上的一对安装板320固定连接在一对后臂侧板309的对应端。

本发明的有益技术效果：

1、本发明的空间机械臂，包括软玻璃材质的柔性带、收放机构、第一转换机构、第二转换机构、第三转换机构和调整机构；

收放机构用于收放柔性带；第一转换机构、第二转换机构和第三转换机构实现对柔性带刚与柔状态转换，即柔性带卷成筒状与平铺展开带状的转换，使得柔性带伸出壳体的一端为第一带状柔性带，第一带状柔性带通过第一转换机构卷成第一筒状柔性带，第一筒状柔性带经第二转换机构展开成第一筒状柔性带，第二带状柔性带依次经一对前臂辊筒和一对后臂辊筒的挤压传送，最后经第三转换机构卷成第二筒状柔性带并延伸，第一带状柔性带、第一筒状柔性带、第二筒状柔性带和第二带状柔性带构成了本发明空间机械臂的臂杆，柔性带作为空间机械臂的臂杆，相比于传统的空间机械臂的臂杆，大大减轻了其自身的质量。

2、本发明的调整机构包括前臂框架和后臂框架，且前臂框架和后臂框架通过转轴转动连接，使得第二带状柔性带可实现折叠，进而臂杆弯折改变延伸方向，

同时一对前臂辊筒和一对后臂辊筒通过辊筒电机实现同步转动，挤压式传送第二带状柔性带，控制辊轴电机和辊筒电机的转速和转向，能够在非工作状态将臂杆收缩，在工作状态根据需要调节第一筒状柔性带和第二筒状柔性带长度即控制臂杆长度，相比现有空间机械臂更节省所占的空间。

3、本发明的增强机构包括圆柱形吹塑式的一对气囊，一对气囊同轴布置且通过气管连通，气管通过气阀和气罐管道连通；一对气囊分别插设在第一筒状柔性带和第二筒状柔性带的内腔中，用于提高第一筒状柔性带和第二筒状柔性带的刚度。

附图说明

图1为本发明空间机械臂的结构示意图。

图2为本发明第二带状柔性带处空间机械臂的结构示意图。

图3为图2从左上方的俯视图。

图4为图2从右下方的仰视图。

图5为本发明增强机构的结构示意图。

图6为本发明调整机构、转向机构和传动机构的结构示意图。

图7为本发明第一转换机构、第二转换机构、第三转换机构的结构示意图。

图8为本发明固定架的结构示意图。

图9为图8的局部放大图。

图10为本发明塑形板的结构示意图。

图11为本发明柔性带的结构示意图。

图12为图11的后侧轴视图。

图13为图12的局部放大图。

图14为本发明底座和收放机构的结构示意图。

图15为图14的d-d剖视图。

其中：1柔性带、11第一带状柔性带、12第一筒状柔性带、13第二带状柔性带、14第二筒状柔性带、15链牙、2收放机构、21底座、22支座板、23转臂、24壳体、25辊轴电机、26减速器、27收放卷筒、28收放辊筒、3调整机构、31转轴、301辊筒电机、302传动电机齿轮、303后臂辊筒齿轮、304第二传动齿轮、305前臂辊筒齿轮、306一对前臂辊筒、307一对后臂辊筒、308一对前臂侧板、309一对后臂侧板、310转向电机、311转向电机齿轮、312第一传动齿轮、313转向齿轮、314塑形板、315第一固定环、316第二固定环、317一对啮合挤压轮、318一对第一支杆、319一对第二支杆、320一对安装板、4增强机构、41气罐、42气阀、43气管、44一对气囊、45一对支撑架。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种基于柔性带收放与刚柔转换的空间机械臂，

见图1，包括软玻璃材质的柔性带1、收放机构2、第一转换机构、第二转换机构、第三转换机构和调整机构3；

见图14和图15，所述收放机构通过转臂23转动连接在底座21的支座板22上，且收放机构包括壳体24和布置在壳体24内的收放辊筒28，收放辊筒28的一端通过减速器26连接有辊轴电机25，柔性带1通过收放辊筒28卷设于壳体24内；

见图7，所述第一转换机构、第二转换机构和第三转换机构结构相同，均包括塑形板314和用于固定塑形板314的固定架，塑形板314的一端为筒状，另一端水平展开；其中塑形板314见图10。

见图8和图9，每个所述固定架包括第一固定环315，第一固定环315上对应设有一对啮合挤压轮317，第一固定环套设在塑形板314筒状的一端，所述柔性带1贴合在塑形板314的内侧臂上，位于塑形板314筒状一端的柔性带1经过一对啮合挤压轮317挤压，柔性带1两侧边的链牙15对应咬合，柔性带1卷成筒状，位于塑形板314展开一端的柔性带1为带状；

所述第一转换机构的固定架固定连接在所述壳体24上；

见图2，所述调整机构3包括前臂框架和后臂框架，且前臂框架和后臂框架通过转轴31转动连接，

结合图3、图4和图5，前臂框架包括一对前臂侧板308，一对前臂侧板308之间并列设有一对前臂辊筒306，后臂框架包括一对后臂侧板309，一对后臂侧板309之间并列设有一对后臂辊筒307；

所述一对前臂辊筒306和一对后臂辊筒307通过辊筒电机301实现同步转动，且一对前臂辊筒306和一对后臂辊筒307的布置方向和所述柔性带1的延伸方向垂直；

所述第二转换机构的固定架固定连接在所述一对前臂侧板308上，所述第三转换机构的固定架固定连接在所述一对后臂侧板309上；

见图11、图12和图13，所述柔性带1伸出所述壳体24的一端为第一带状柔性带11，第一带状柔性带11通过第一转换机构卷成第一筒状柔性带12，第一筒状柔性带12经第二转换机构展开成第二带状柔性带13，第二带状柔性带13依次经一对前臂辊筒306和一对后臂辊筒305的挤压传送，最后经第三转换机构卷成第二筒状柔性带14并延伸。

见图5，所述空间机械臂还包括增强机构4，增强机构4包括圆柱形吹塑式的一对气囊44，一对气囊44同轴布置且通过气管43连通，气管43通过气阀42和气罐41管道连通；

所述一对气囊44相对端通过一对支撑架45分别固定在前臂框架和后臂框架上；

所述一对气囊44分别插设在第一筒状柔性带12和第二筒状柔性带14的内腔中，用于提高第一筒状柔性带12和第二筒状柔性带14的刚度。

见图15，所述收放机构2还包括收放卷筒27，收放卷筒27和所述收放辊筒28轴向平行，且收放卷筒27布置在所述壳体24内，用于调整所述柔性带1在所述壳体24的伸出位置。

见图3和图4，所述第二带状柔性带13一侧对应的调整机构3上设有转向机构，第二带状柔性带13另一侧对应的调整机构上设有传动机构；

所述转向机构包括转向电机310、第一传动齿轮312和转向齿轮313，转向电机310固定安装在对应的后臂侧板上，第一传动齿轮312通过轴承安装在对应后臂辊筒的辊轴上，转向齿轮313固定插设所述转轴31上，所述转轴31固定安装在对应的前臂侧板上；

转向电机310的输出轴上固定插设有转向电机齿轮311，转向电机齿轮311、第一传动齿轮312和转向齿轮313依次相啮合，使得转向电机310输出的扭矩通过齿轮传动传递至转轴31；

所述传动机构包括辊筒电机301、后臂辊筒齿轮303、第二传动齿轮304和前臂辊筒齿轮305，辊筒电机301固定安装在对应的后臂侧板上，后臂辊筒齿轮303固定插设在对应的后臂辊筒的辊轴上，第二传动齿轮304通过轴承安装在对应的后臂侧板上，前臂辊筒齿轮305固定插设在对应的前臂辊筒的辊轴上，

辊筒电机301的输出轴上固定插设有传动电机齿轮302，传动电机齿轮302、后臂辊筒齿轮303、第二传动齿轮304和前臂辊筒齿轮305依次相啮合，使得辊筒电机301输出的扭矩通过齿轮传动传递至一对后臂辊筒307和一对前臂辊筒306，即实现一对前臂辊筒306和一对后臂辊筒307同步转动，挤压传送所述第二带状柔性带13。

见图8，每个所述固定架还包括第二固定环316，第二固定环316和所述第一固定环315位于不同平面且相切，相切处设有一对第一支杆318，第一固定环315上对应一对第一支杆318设有一对第二支杆319，第二固定环316上设有一对第三支杆，且一对第三支杆和一对第二支杆319对应固定连接；

位于所述柔性带1同侧的第一支杆318和第二支杆319的伸出端上固定设有安装板；

所述第一转换机构的固定架上的一对安装板320固定连接在所述外壳24上；

所述第二转换机构的固定架上的一对安装板320固定连接在一对前臂侧板308的对应端；

所述第三转换机构的固定架上的一对安装板320固定连接在一对后臂侧板309的对应端。

因此本发明的空间机械臂，第一带状柔性带11、第一筒状柔性带12、第二筒状柔性带14和第二带状柔性带13构成了空间机械臂的臂杆，相比于传统的空间机械臂的臂杆，大大减轻了其自身的质量；

空间机械臂的前臂框架和后臂框架通过转轴31转动连接，使得第二带状柔性带13可实现折叠，进而使得伸出的臂杆弯折可再次改变延伸方向，满足较大操作范围；

一对前臂辊筒306和一对后臂辊筒307通过辊筒电机301实现同步转动，挤压式传送第二带状柔性带13，控制辊轴电机25和辊筒电机301的转速和转向，能够在非工作状态将臂杆收缩，在工作状态根据需要调节第一筒状柔性带12和第二筒状柔性带14长度即控制臂杆长度，相比现有空间机械臂更节省所占的空间。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。