一种无源式机械旋拧装置的制作方法

1.本发明属于机械技术领域，具体涉及一种无源式机械旋拧装置。


背景技术：

2.遥操作机械手在军事、海洋、航天等领域被广泛应用，对目标进行旋拧作业是遥操作机械手的一种常见需求。目前遥操作机械手执行旋拧作业尚存在不足：一方面，在人力不可达的作业环境中，通过更换末端执行器使遥操作机械手具有旋拧能力，重复性拆装操作耗时长、步骤繁杂；另一方面，由于旋拧作业对同轴度要求很高，而遥操作往往又存在较大误差，因此，常规工具难以保证操作精度，操作不当甚至会造成设备损坏。


技术实现要素：

3.本发明实施例提供一种无源式机械旋拧装置，能够直接与机械手及其他施力设备配合使用，无需额外的动力源，即可实现旋拧操作，操作简单，省时省力。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种无源式机械旋拧装置，包括：两块平行压板、棘轮传动单元、行星齿轮加速单元、两组弹性连杆单元、旋拧披头；棘轮传动单元位于两块所述压板之间，包括旋拧换向的换向执行组件；行星齿轮加速单元位于两块所述压板之间，且所述行星齿轮加速单元通过联轴器与所述棘轮传动单元同轴连接；所述弹性连杆单元包括多连杆组件和弹性组件，所述多连杆组件转动连接于所述棘轮传动单元与所述行星齿轮加速单元之间，且两组所述多连杆组件分别与对应一侧的所述压板转动连接；所述多连杆组件通过所述弹性组件的支撑使所述压板之间保持平行；旋拧披头可拆卸连接于所述行星齿轮加速单元上；旋拧操作时，以外部夹持力夹持所述压板，通过所述弹性连杆单元，推动所述棘轮传动单元转动，带动所述行星齿轮加速单元加速旋转，以使所述旋拧披头旋转。
5.在一种可能的实现方式中，所述棘轮传动单元包括：棘轮、第一长杆、换向执行组件、第二长杆，棘轮具有棘轮轴，所述棘轮通过所述棘轮轴与所述联轴器同轴连接；所述第一长杆的中间具有容纳并支撑所述棘轮旋转的容置槽，且所述容置槽的底部设有所述棘轮轴穿过的通孔；换向执行组件连接于所述第一长杆上，随所述第一长杆的转动，驱动所述棘轮正反旋转；第二长杆设置于所述第一长杆背离所述棘轮的一侧，所述第二长杆的中间设有所述棘轮轴穿过的通孔；所述多连杆组件与所述第二长杆和所述第一长杆转动连接，且借助所述弹性组件的弹性力，所述第二长杆与所述第一长杆呈交叉设置。
6.在一种可能的实现方式中，所述换向执行组件包括：换向棘爪以及拉簧，换向棘爪具有正向所述棘轮的正向驱动爪和反向驱动所述棘轮的反向驱动爪，所述换向棘爪靠近所述棘轮的一端设有滑槽，所述换向棘爪远离所述棘轮的一端设有定位杆；所述第一长杆上设有与所述滑槽滑动配合的限位杆，所述换向棘爪通过所述限位杆与所述第一长杆转动连接；所述第一长杆上还设有换向调节槽，所述换向调节槽内具有三个定位所述定位杆的定位槽，所述定位杆分处于三个所述定位槽时，所述换向棘爪能够正向驱动、脱离和反向驱动
所述棘轮；拉簧两端分别连接所述限位杆和所述定位杆，所述拉簧使所述换向棘爪处于不同的位置。
7.在一种可能的实现方式中，所述第一长杆的所述容置槽上设有封装所述棘轮的盖板。
8.在一种可能的实现方式中，所述行星齿轮加速单元包括：行星齿轮组件、封装板、夹持组件、第三长杆、第四长杆，行星齿轮组件包括行星齿圈、与所述行星齿圈同轴的太阳轮和围绕所述太阳轮的多个行星轮，所述行星轮同时与所述太阳轮和所述行星齿圈啮合；所述行星齿圈具有支撑所述太阳轮和所述行星轮的齿盘和齿轮轴，所述行星齿圈通过所述齿轮轴与所述联轴器同轴连接；封装板封装在所述行星齿圈上，所述封装板的内侧设有与所述行星轮的中心孔转动相连的定位柱；夹持组件包括快速夹头和连接于所述快速夹头一端的旋拧轴，所述旋拧轴穿过所述封装板的中心孔与所述太阳轮过盈配合连接；所述旋拧披头连接于所述快速夹头上；第三长杆中间具有所述齿轮轴穿过的通孔；所述第三长杆与所述第一长杆的轴向正投影重合，所述封装板通过螺栓与所述第三长杆相连；第四长杆中间具有所述齿轮轴穿过的通孔，所述第四长杆位于所述第三长杆远离所述太阳轮的一侧，所述第四长杆与所述第二长杆的轴向正投影重合；所述多连杆组件与所述第四长杆和所述第三长杆转动连接，且借助所述弹性组件的弹性力，所述第四长杆与所述第三长杆呈交叉设置。
9.在一种可能的实现方式中，所述多连杆组件包括：第一连杆、第二连杆和第三连杆，所述第一连杆的一端通过第一旋转轴与所述第一长杆转动连接；所述第二连杆的第一端通过第二旋转轴与所述第一长杆转动连接，所述第二连杆的第二端通过第三旋转轴与所述第二长杆转动连接；其中，所述第三旋转轴的两端转动连接在所述第二长杆与所述第四长杆上；所述第三连杆的第一端通过所述第一旋转轴与所述第三长杆转动连接，所述第三连杆的第二端通过所述第二旋转轴与所述第二连杆和所述第一连杆转动连接；其中，所述第一旋转轴的两端转动连接在所述第一长杆和所述第三长杆上，所述第二旋转轴的两端转动连接在所述压板上；所述弹性组件包括两个扭簧，两个所述扭簧均套装于所述第二旋转轴上，且所述第一连杆和第二连杆之间设有一所述扭簧，所述第二连杆和所述第三连杆之间设有一所述扭簧。
10.在一种可能的实现方式中，所述第一长杆和所述第三长杆的两端分别通过第四旋转轴相连；所述第二长杆和所述第四长杆的两端分别通过第五旋转轴连接。
11.在一种可能的实现方式中，所述第四旋转轴和所述第五旋转轴上分别设有可与所述压板滚动接触的滚轮。
12.在一种可能的实现方式中，所述压板的内侧设有限位所述滚轮的上限位块和下限位块。
13.在一种可能的实现方式中，所述第三长杆和所述第四长杆的中间均设有与所述行星齿圈的外径相同的支撑盘。
14.本发明实施例提供的无源式机械旋拧装置的有益效果在于：(1)设计了棘轮传动单元，通过弹性连杆单元的往复运动，将机械手或其他外力施加到压板的径向平移运动转化为旋拧披头的旋转运动；可借助机械手远距离遥控操作，对目标进行旋拧作业，操作简单方便；(2)采用行星齿轮加速单元将棘轮传动的慢速旋转调节为高度旋转，降低对机械手频
繁往复操作的要求，提高了旋拧作业的效率，省时省力；(3)无需额外的连接机构，仅需机械手末端执行器牢固夹持该旋拧装置即可，通用性强，使用方便；(4)具有旋拧方向换向执行组件，通过简单操作即可改变装置的旋拧方向。
附图说明
15.图1为本发明实施例提供的无源式机械旋拧装置的立体结构示意图一；
16.图2为图1提供的无源式机械旋拧装置的平面结构示意图(去掉封装板)；
17.图3为本发明实施例提供的无源式机械旋拧装置的立体结构示意图二；
18.图4为图3所示的无源式机械旋拧装置的平面结构示意图(去掉盖板)；
19.图5为图4中a处的局部放大结构示意图；
20.图6为本发明实施例提供的无源式机械旋拧装置的立体结构示意图三；
21.图7为本发明实施例提供的无源式机械旋拧装置的立体结构示意图四；
22.图8为本发明实施例提供的行星齿轮加速单元的爆炸分解结构图；
23.图9为本发明实施例提供的无源式机械旋拧装置的爆炸结构示意图一；
24.图10为本发明实施例提供的无源式机械旋拧装置的爆炸结构示意图二；
25.图11为本发明实施例提供的压板的立体结构示意图；
26.图12为本发明实施例提供的第一长杆的立体结构示意图；
27.图13为图12提供的第一长杆的b处的局部放大结构示意图；
28.图14为本发明实施例提供的换向棘爪的立体结构示意图；
29.图15为本发明实施例提供的无源式机械旋拧装置的换向棘爪在c1位置的运动示意图；
30.图16为本发明实施例提供的无源式机械旋拧装置的换向棘爪在c3位置的运动示意图；
31.附图标记说明：
32.1、压板；11、上限位块；12、下限位块；2、棘轮传动单元；21、棘轮；22、换向棘爪；23、盖板；24、拉簧；25、第一长杆；26、第二长杆；27、第三长杆；28、第四长杆；29、限位杆；291、定位杆；292、换向调节槽；293、滑槽；3、弹性连杆单元；31、第一旋转轴；32、第一连杆；33、第二旋转轴；34、第二连杆；35、第三旋转轴；36、扭簧；37、第四旋转轴；38、滚轮；39、第五旋转轴；391、第三连杆；4、行星齿轮加速单元；41、行星齿圈；42、封装板；43、太阳轮；44、行星轮；45、轴承；5、旋拧披头；6、联轴器；7、夹持组件；71、快速夹头；72、旋拧轴。
具体实施方式
33.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
34.请一并参阅图1至图16，现对本发明提供的无源式机械旋拧装置进行说明。所述无源式机械旋拧装置，包括两块平行压板1、棘轮传动单元2、行星齿轮加速单元4、两组弹性连杆单元3、旋拧披头5；棘轮传动单元2位于两块压板1之间，包括旋拧换向的换向执行组件；行星齿轮加速单元4位于两块压板1之间，且行星齿轮加速单元4通过联轴器6与棘轮传动单
元2同轴连接。利用联轴器进行同轴连接，能够提高旋拧作业对同轴度的高要求，降低遥控操作的作业误差，提高旋拧的效率。
35.弹性连杆单元3包括多连杆组件和弹性组件，多连杆组件转动连接于棘轮传动单元2与行星齿轮加速单元4之间，且两组多连杆组件分别与对应一侧的压板1转动连接；多连杆组件通过弹性组件的支撑使压板1之间保持平行；旋拧披头5可拆卸连接于行星齿轮加速单元4上；旋拧操作时，以外部夹持力夹持压板1，通过弹性连杆单元3，推动棘轮传动单元2转动，带动行星齿轮加速单元4加速旋转，以使旋拧披头5旋转作业。
36.本实施例提供的无源式机械旋拧装置，与现有技术相比，(1)通过弹性连杆单元3的往复运动，将机械手或其他外力施加到压板1的径向平移运动经棘轮传动单元2，转化为旋拧披头5的旋转运动；可借助机械手远距离遥控操作，实现目标的旋拧作业，操作简单方便。
37.(2)采用行星齿轮加速单元4将棘轮传动的慢速旋转调节为高度旋转，降低对机械手频繁往复操作的要求，提高了旋拧作业的效率，省时省力。
38.(3)机械手末端执行器可以直接夹持压板，即可实现旋拧操作，无需额外的连接机构，通用性强，使用方便。
39.(4)具有旋拧方向换向执行组件，通过简单操作即可改变装置的旋拧方向。
40.本实施例的传力过程如下：外部夹持力夹持压板1，压板1受力，传递到棘轮传动单元2，棘轮传动单元2将线性动力转换为旋转的动力，通过联轴器6传递到行星齿轮加速单元4，通过行星齿轮加速单元4的加速，使旋拧披头5得到高速旋转的速度，实现快速的旋拧作业。
41.在一些实施例中，参见图3至图5、图9、图12至图14，棘轮传动单元2包括：棘轮21、第一长杆25、换向执行组件、第二长杆26，棘轮21具有棘轮轴，棘轮21通过棘轮轴与联轴器6同轴连接；第一长杆25的中间具有容纳并支撑棘轮旋转的容置槽，且容置槽的底部设有棘轮轴穿过的通孔；换向执行组件连接于第一长杆25上，随第一长杆25的转动，驱动棘轮21正反旋转；第二长杆26设置于第一长杆25背离棘轮21的一侧，第二长杆26的中间设有棘轮轴穿过的通孔；多连杆组件与第二长杆26和第一长杆25转动连接，且借助弹性组件的弹性力，第二长杆26与第一长杆25呈交叉设置。其中，第一长杆25及第二长杆26的通孔处均设有轴承，第一长杆25和第二长杆26分别与轴承的外圈过盈配合，棘轮轴与对应的轴承内圈过盈配合。本实施例传力过程如下：压板1的径向夹持力经弹性连杆单元3带动第一长杆25转动，第一长杆25带动换向执行组件驱动棘轮旋转，并通过与棘轮轴连接的联轴器6将旋转的动力传递到行星齿轮加速单元4。
42.作为上述特征棘轮传动单元2的一种实施方式，参见图3至图5，上述换向执行组件包括：换向棘爪22以及拉簧24，换向棘爪22具有正向驱动棘轮的正向驱动爪和反向驱动棘轮的反向驱动爪，换向棘爪22靠近棘轮的一端设有滑槽293，换向棘爪22远离棘轮的一端设有定位杆291；第一长杆25上设有与滑槽293滑动配合的限位杆29，换向棘爪22通过限位杆29与第一长杆25转动连接；第一长杆25上还设有换向调节槽292，换向调节槽292内具有三个定位定位杆291的定位槽，定位杆291分处于三个定位槽时，换向棘爪22能够正向驱动、脱离和反向驱动棘轮；拉簧24两端分别连接限位杆29和定位杆291，拉簧24使换向棘爪22处于不同的位置。
43.本实施例中，可以通过改变棘轮和换向棘爪22的结构参数构成不同的传动比，从而改变棘轮的转速。
44.本实施例中，参见图3至图5、图9、图12至图14，当拉簧24初始处于拉伸状态，即第一长杆25和换向棘爪22之间初始受到拉力，使换向棘爪22的定位杆291能够被限位到第一长杆25的旋拧方向调节槽c1、c2、c3的对应位置中，而不会滑出；通过设置的滑槽293与限位杆29的配合，便于换向棘爪22的定位杆291在不同的定位槽之间的切换，实现旋拧方向的改变。
45.如图12至图13所示，示例说明：在第一长杆25上的换向调节槽292的三个定位槽，使换向棘爪22对应棘轮21上的依次排列的c1、c2、c3三个定位槽的位置，换向棘爪22的定位杆291在三个定位槽之间切换，当换向棘爪22的定位杆291处于c1定位槽时，实现棘轮21的正向旋转；当换向棘爪22的定位杆291处于c2定位槽，也即中间位置的定位槽时，换向棘爪22与棘轮分离，棘轮停止动作；当换向棘爪22的定位杆291处于c3定位槽时，实现棘轮的反向旋转。
46.作为上述特征棘轮传动单元2的另一种实施方式，参见图3，第一长杆25的容置槽上设有封装棘轮的盖板23。
47.在上述棘轮传动单元2的基础上，参见图1至图2、图6、图8及图10，上述行星齿轮加速单元4包括：行星齿轮组件、封装板42、夹持组件7、第三长杆27、第四长杆28，行星齿轮组件包括行星齿圈41、与行星齿圈41同轴的太阳轮43和围绕太阳轮43的多个行星轮44，行星轮44同时与太阳轮43和行星齿圈41啮合；行星齿圈41具有支撑太阳轮43和行星轮44的齿盘和齿轮轴，行星齿圈41通过齿轮轴与联轴器6同轴连接；封装板42封装在行星齿圈41上，封装板42的内侧设有与行星轮44的中心孔转动相连的定位柱；夹持组件7包括快速夹头71和连接于快速夹头71一端的旋拧轴72，旋拧轴72穿过封装板42的中心孔与太阳轮43过盈配合连接；旋拧披头5连接于快速夹头71上；第三长杆27中间具有齿轮轴穿过的通孔；第三长杆27与第一长杆25的轴向正投影重合，封装板42通过螺栓与第三长杆27相连；第四长杆28中间具有齿轮轴穿过的通孔，第四长杆28位于第三长杆27远离太阳轮43的一侧，第四长杆28与第二长杆26的轴向正投影重合；多连杆组件与第四长杆28和第三长杆27转动连接，且借助弹性组件的弹性力，第四长杆28与第三长杆27呈交叉设置。
48.本实施例传力过程如下：压板1的径向夹持力经弹性连杆单元3带动第一长杆25转动，第一长杆25带动换向棘爪22驱动棘轮旋转，并通过与棘轮轴连接的联轴器6将旋转的动力传递到行星齿圈41，行星齿圈41带动行星轮44，行星轮44带动太阳轮43转动实现加速，太阳轮43带动旋拧轴72，旋拧轴72带动夹持在快速夹头71上的旋拧披头5进行旋拧作业。
49.其中，第三长杆27和第四长杆28的通孔均设有轴承，第三长杆27和第四长杆28分别与轴承的外圈过盈连接，齿轮轴与轴承的内圈过盈配合。封装板的中心孔设有轴承45，旋拧轴与该轴承45的内圈过盈配合，该轴承的外圈与封装板过盈配合，实现旋拧轴随太阳轮的旋转。本文中，仅仅对封装板上的轴承45进行了标号，由于轴承的设置是常规的技术，因此，其他部位的轴承均不再标注。
50.本实施例通过行星齿轮加速单元4将棘轮传动单元2的低速旋转转化为旋拧轴72的高速旋转，行星齿圈41为主动轮，太阳轮43为被动轮，通过设置行星齿圈41与行星轮44的齿数比、行星轮44与太阳轮43的齿数比，可以对旋拧轴72的转速进行调节。
51.快速夹头为现有机械常用的备件，方便更换不同规格的螺丝刀旋拧披头或其他操作工具。
52.如图1至图10所示，在棘轮传动单元2及行星齿轮加速单元4的基础上，作为弹性连杆单元3的一种具体实施方式，包括：第一连杆32、第二连杆34和第三连杆391，第一连杆32的一端通过第一旋转轴31与第一长杆25转动连接；第二连杆34的第一端通过第二旋转轴33与第一长杆25转动连接，第二连杆34的第二端通过第三旋转轴35与第二长杆26转动连接；其中，第三旋转轴35的两端转动连接在第二长杆26与第四长杆28上；第三连杆391的第一端通过第一旋转轴31与第三长杆27转动连接，第三连杆391的第二端通过第二旋转轴33与第二连杆34和第一连杆32转动连接；其中，第一旋转轴31的两端转动连接在第一长杆25和第三长杆27上，第二旋转轴33的两端转动连接在压板1上；弹性组件包括两个扭簧36，两个扭簧36均套装于第二旋转轴33上，且第一连杆32和第二连杆34之间设有一扭簧36，第二连杆34和第三连杆391之间设有一扭簧36。本实施例中的第二连杆34处于第一连杆32和第三连杆391之间，且与第一连杆32和第三连杆391通过扭簧36的弹力支撑呈夹角设置，对第一长杆25和第二长杆26、第三长杆27和第四长杆28起到支撑的作用。
53.图1至图7、图9至图10所示为弹性连杆单元3的一种实施方式，第一长杆25和第三长杆27的两端分别通过第四旋转轴37相连；第二长杆26和第四长杆28的两端分别通过第五旋转轴39连接。通过第四旋转轴37和第五旋转轴39的连接，保证第一长杆25和第三长杆27、第二长杆26和第四长杆28的稳定性，从而保证整体的结构稳定性。
54.需要说明的是，本文中所出现的同轴，均为与联轴器6同轴，也即基于同一个轴线。
55.本实施例基于上述的弹性连杆单元3，图1至图7、图9至图10所示，第四旋转轴37和第五旋转轴39上分别设有可与压板1滚动接触的滚轮38。通过滚轮38与压板1的滚动接触，为第一长杆25、第二长杆26、第三长杆27及第四长杆28提供支撑，且滚动接触，各长杆与压板1为滚动摩擦，降低摩擦力，提高动作的灵敏性。滚轮38也可以采用轴承、滑轮替代。其中，第二长杆26、第三长杆27及第四长杆28的结构相同。
56.可选地，图1至图7、图11所示，本实施例中压板1的内侧设有限位滚轮38的上限位块11和下限位块12。设置了机械限位结构，压板1的内侧设有两组限位结构，分别对第一长杆25和第三长杆27端部的滚轮38、以及第二长杆26和第四长杆28端部的滚轮38进行限位，保证第一长杆25和第二长杆26之间合理的角度，防止外部施力过大而造成的旋拧装置的变形。
57.本实施例在棘轮传动单元2及行星齿轮加速单元4的基础上，参见图9及图10，第三长杆27和第四长杆28的中间均设有与行星齿圈41的外径相同的支撑盘。保证部件之间相互支撑相互配合的可靠性。
58.本发明通过棘轮传动单元2将机械手或其他施力设备(未示出)的径向直线运动转化为棘轮的旋转运动，在此过程中，通过改变换向棘爪22的定位杆291在第一长杆25的换向调节槽292中的位置，能够改变换向棘爪22和棘轮的传动方向，进而改变整个装置的旋拧方向，具体为：
59.(1)棘爪的定位杆291在第一长杆25的换向调节槽292中的c1位置，参见图15；
60.假设当前时刻机械手对旋拧装置的夹持力为f10；若该夹持力减小到f11(f11<f10)，在扭簧36反作用下，旋拧装置的两侧压板1之间的径向距离增大，则第一长杆25产生
逆时针旋转，带动换向棘爪22驱动棘轮21产生逆时针旋转；若该夹持力增大到f12(f12>f10)，扭簧36进一步受力，旋拧装置的两侧压板1之间的径向距离减小，则第一长杆25产生顺时针旋转，此时换向棘爪22不能驱动棘轮21产生旋转，旋拧披头5停止工作，即可将旋拧披头5离开旋拧的物体；由此，通过机械手对旋拧装置夹持力的反复增减变化，在机械手夹持力减小的过程，换向棘爪22驱动棘轮21持续逆时针旋转，从而带动旋拧披头5达到旋拧目的。
61.(2)换向棘爪22的定位杆291在第一长杆25的换向调节槽292中的c2位置
62.参见图4及图5，由于换向棘爪22与棘轮不发生接触，该位置下换向棘爪22不能驱动棘轮产生旋转，旋拧作业停止。
63.(3)换向棘爪22的定位杆291在第一长杆25的换向调节槽292中的c3位置
64.参见图16，假设当前时刻机械手对旋拧装置的夹持力为f20；若该夹持力增大到f21(f21<f20)，扭簧36进一步受力，旋拧装置的两侧压板1之间的径向距离减小，则第一长杆25产生顺时针旋转，带动换向棘爪22驱动棘轮21产生顺时针旋转；若该夹持力减小到f22(f22>f20)，在扭簧36反作用下，旋拧装置的两侧压板1之间的径向距离增大，则第一长杆25产生逆时针旋转，此时换向棘爪22不能驱动棘轮21产生旋转；由此，通过机械手对旋拧装置夹持力的反复增减变化，在机械手夹持力增大的过程中，换向棘爪22驱动棘轮21持续顺时针旋转，达到旋拧目的。
65.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。