專利名稱：一種宇航員空間活動可達域檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于航天領域，具體來說涉及一種檢測宇航員雙手可以達到的區域的裝置。
背景技術：
宇航員太空行走的目的是完成太空作業，比如修復載人航天器或其它航天器上的 受損部件。空間站的建設更是需要航天員進行多次出艙活動，才能在軌組裝建成。登月活 動更是體現了航天員在太空行走和太空作業的巨大作用，為人類進入外層空間和其它星球 打下了良好的基礎。宇航員身穿艙外服后對人體的操作能力不可避免地產生一些限制。穿 著艙外服的宇航員雙手可以達到的范圍，可以完成一定操作的范圍以及眼睛可以觀察的范 圍都應該經過詳細的檢測，以便為需在太空完成組裝以及維修的操作件的設計提供數據。200810063923. 6 “艙外航天服手套關節力學性能測試系統平臺”發明了一種艙外 航天服手套關節力學性能測試平臺。航天服手套加壓支撐裝置和立板設置在底座上，手套 腕部固定裝置、手掌位置調整裝置、電氣測控系統、拇指位置調整裝置、拇指測量裝置與立 板固接，食指測量裝置和中指測量裝置與手掌位置調整裝置連接，指尖真空吸附裝置與拇 指、食指、中指測量裝置連接，氣體控制系統與指尖真空吸附裝置連通。200510013035. 8 “坐標測量機”設計了一種坐標測量機，用于測定被測物體表面 上許多點的坐標，包括支承梁，其將測量頭支承在支承著坐標待測的測試物體的支撐臺的 表面上，該坐標測量機由分別制造的單元組成，所述單元包括至少一個支承梁、一個測量車 和一個測量頭，并且在支承梁支承測量車的地方被設置成使得它可以沿支承梁移動，該測 量車繼而支承著測量頭。機械連接點被設計成使得當所述單元連接到一起時不發生幾何變 形，并使得單獨制造的單元可以簡單地連接到坐標測量機上。200710064929. 0 “一種主被動關節臂式測量機器人”，設計了一種主被動關節臂式 測量機器人，它包括依次連接的I軸組件、II軸組件、III軸組件、IV軸組件和V軸組件；其 特征在于各軸組件分別設置有電機帶動的傳動裝置和主被動切換裝置，測量各軸輸出轉 角的編碼器分別直接連接各軸組件的輸出軸，或通過相應的幾何關系間接連接各軸組件的 輸出軸。該發明結合傳統三坐標測量機和現有被動關節臂式測量機兩者的優勢，同時彌補 了傳統工業機器人的精度問題和被動式關節臂式測量臂只能被動采集數據的不足，既具有 較高的測量精度，同時還可以主動進行軌跡規劃。編碼器可以采集到各關節軸的最后運動 轉角，而避免了步進電機丟步和諧波減速器各部件之間的機械誤差。
發明內容
本發明是一種檢測宇航員雙手可以達到的區域的裝置。本發明是這樣實現的一種宇航員空間活動可達域檢測裝置，該檢測裝置包括伺服升降機構組成、固定臂組成、第一動臂組成、第二動臂組成和第三動臂組成、關節軸組成、第一、第二和第三動臂轉角傳感器組成。固定臂組成中的固定臂底板通過螺釘連接在伺服升降機構組成中的兩側的滑動 導軌上安裝的兩個滑塊上，固定臂組成中的驅動螺母連接在伺服升降機構組成中的滾珠絲 杠上。關節軸組成中的關節軸穿過固定臂組成中的固定臂方管上的通孔，支撐于關節軸 組成中的關節軸錐軸承和關節軸球軸承中，通過螺釘和關節軸組成中的關節軸底板將關節 軸組成固定在固定臂組成中的固定臂方管上，形成固定臂組成和第一動臂組成間的轉動 副。第一動臂轉角傳感器組成中的第一動臂轉角傳感器通過雙頭螺紋軸與關節軸組 成中的關節軸連接，第一動臂轉角傳感器組成中的U形架通過螺釘將第一動臂轉角傳感器 組成固定在第一動臂組成的關節軸軸承套的法蘭上。第一動臂組成和第二動臂組成之間的連接，第二動臂組成和第三動臂組成之間的 連接與固定臂組成和第一動臂組成之間的連接相同，并形成轉動副。當第三動臂組成端部的扶手把被宇航員拉動時，第一動臂組成、第二動臂組成、第 三動臂組成都能繞其關節軸組成中的關節軸旋轉，所旋轉的角度被各自的轉角傳感器檢 測。本發明的有益效果本發明提供了一種宇航員空間活動雙手可以達到的區域的檢測裝置，可以用于檢 測宇航員的可操作范圍，為太空站建設的操作件布置提供依據，可以提高太空站建設時宇 航員在太空進行安裝操作的成功率。
圖1宇航員雙手可達域檢測裝置的結構示意圖。圖2三軸檢測臂結構示意圖。圖3關節軸、動臂、轉角傳感器連接局部放大圖。圖4固定臂正視圖。圖5固定臂剖視圖。圖6關節軸底板示意圖。圖7關節軸示意圖。圖8關節軸側視圖。圖9宇航員雙手可達域檢測裝置電控系統示意圖。附圖中伺服電機1，聯軸器2，滾珠絲杠3，滑動導軌4，固定底板5，螺栓6，上軸 承座7，扶手把8，下軸承座9，膨脹螺栓10，宇航員11，固定臂底板12，螺釘13，螺釘14，關 節軸底板15，關節軸錐軸承16，關節軸軸承套17，固定臂方管18，筋板19，關節軸20，螺釘 21，關節軸球軸承22，螺母23，U形架24，第一動臂轉角傳感器25，螺釘26，第一動臂27，第 二動臂轉角傳感器28，第二動臂29，第三動臂轉角傳感器30，第三動臂31，方端頭32，螺釘 33，雙頭螺紋軸34，緊定螺釘35，墊片36，滑塊37，螺釘38，驅動螺母39，螺釘40，軸承45， 固定臂組成50，第一動臂組成60，第二動臂組成70，第三動臂組成80。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步詳細說明。圖1為一種宇航員空間活動可達域檢測裝置，見圖1、2。該檢測裝置包括伺服升 降機構組成、固定臂組成50、第一動臂組成60、第二動臂組成70和第三動臂組成80、關節軸 組成、第一、第二和第三動臂轉角傳感器組成。首先介紹本發明的各個組成部分一、伺服升降機構組成包括伺服電機1、聯軸器2、滾珠絲杠3、滑動導軌4、固定底 板5、上軸承座7、下軸承座9、滑塊37、軸承45。所述零件的連接為固定底板5為一塊矩形鋼板，其四角設置四個通孔，并通過該通孔用膨脹螺栓10 將固定底板5豎直安裝在墻面上。在固定底板5的中心豎直方向上端通過螺栓6安裝上軸承座7，下端安裝下軸承座 9，滾珠絲杠3安裝在上軸承座7和下軸承座9各自的軸承45中，在上軸承座7的上端面開 有止口和通孔，伺服電機1安裝在該止口中，并用螺栓固定。伺服電機的驅動軸和滾珠絲杠 3的上端軸用聯軸器2連接。在滾珠絲杠3的兩側，對稱、平行地用螺栓安裝滑動導軌4，每 側的滑動導軌4上安裝兩個滑塊37，兩側共四個滑塊37用于通過螺釘38和固定臂底板12 連接。二、固定臂組成50見圖4、5，它包括固定臂底板12、固定臂方管18，筋板19、驅動 螺母39。見圖5，在固定臂方管18的端頭附近上下平面上同軸開有通孔b，并在下平面上沿 通孔的四周對稱開設4個螺孔，孔距和關節軸底板15的四周的通孔相同，用于其間的連接。所述零件的連接為固定臂底板12斷面為L形，固定臂方管18的無孔端焊接在固 定臂底板12的L形的長邊中心，四面焊接筋板19加強，驅動螺母39安裝于固定臂底板12 的L形短邊中心開的通孔a中，并通過四個螺釘40將驅動螺母39的法蘭固定在固定臂底 板12的短邊上。這樣當伺服電機1轉動時，通過聯軸器2驅動滾珠絲杠3旋轉，滾珠絲杠3上的驅 動螺母39帶動固定臂底板12移動，從而實現固定臂底板12的上下移動，所移動的距離由 伺服電機1中的旋轉編碼器測量。三、第一動臂組成60，見圖2、3，它包括關節軸錐軸承16、關節軸軸承套17、關節 軸球軸承22、第一動臂27。第一動臂27由方管制成，在其一端設一安裝關節軸軸承套17的通孔，其另一端設 用于安裝關節軸20的通孔，見圖3。關節軸軸承套17設一階梯內孔，其一階梯內孔和關節軸錐軸承16的外圈相配合， 另一階梯內孔和關節軸球軸承22的外圈相配合。所述零件的連接為關節軸軸承套17安裝在第一動臂27—端的通孔中，其法蘭焊 接在第一動臂27上，在關節軸軸承套17兩端的階梯孔中分別安裝關節軸錐軸承16和關節 軸球軸承22。第二動臂組成70中僅第二動臂29和第一動臂27長度不同外，其它結構和尺寸與 第一動臂組成60相同。
四、關節軸組成包括關節軸底板15、關節軸20，見圖6、7、8。關節軸20是一階梯軸，關節軸錐軸承16安裝在其軸肩上；關節軸20的一個端面 的中心設一螺孔d，另一端面上均布4個螺紋孔c，見圖7。關節軸底板15為四角有通孔的平板，在其中部圓周均布四個通孔，這五個通孔的 位置和圖7所示的關節軸20底部孔相對應。四個通孔用于關節軸組成與所述零件的連接為通過四個螺釘13與關節軸20 —端的均布的螺紋孔連接將關 節軸20與關節軸底板15固定在一起。五、第三動臂組成80包括扶手把8、、第三動臂31、方端頭32。所述零件的連接為第三動臂31的無孔端焊接正四方體的方端頭32的一個面上， 與其面垂直的四個面上各安裝一個扶手把8，便于宇航員11握住。在第三動臂31的另一端和第二動臂29的左端結構、尺寸及連接相同。六、第一動臂轉角傳感器組成包括倒放的U形架24、第一動臂轉角傳感器25、雙 頭螺紋軸34、緊定螺釘35、墊片36、螺母23，見圖3。雙頭螺紋軸34的一端的中心設一沉孔，其側面設置螺紋孔，沉孔用于安裝第一動 臂轉角傳感器25的軸，螺紋孔用于用緊定螺釘35固定第一動臂轉角傳感器25的軸。所述構成第一動臂轉角傳感器組成零件的連接為第一動臂轉角傳感器25的殼 體和倒放的U形架24用螺釘26連接，U形架24的法蘭和關節軸軸承套17的螺孔通過螺釘 21連接。雙頭螺紋軸34的無孔端擰入關節軸20的軸端螺孔中，通過墊片36和螺母23壓 緊關節軸球軸承22的內圈；雙頭螺紋軸34的軸端孔和第一動臂轉角傳感器25的軸配合， 并用緊定螺釘35固定。第二、三動臂轉角傳感器(28、30)型號與第一動臂轉角傳感器25相同。由其構成 的第二、三動臂轉角傳感器組成與第一動臂轉角傳感器組成也相同。這樣當第一動臂27被外力推動相對于關節軸20旋轉時，所轉的角度可以被第一 動臂轉角傳感器25檢測。第二和第三動臂轉角傳感器組成和第一動臂轉角傳感器組成相同。本發明各組成的裝配方式一種宇航員空間活動可達域檢測裝置，該檢測裝置包括伺服升降機構組成、固定 臂組成50、第一動臂組成60、第二動臂組成70和第三動臂組成80、關節軸組成、第一、第二 和第三動臂轉角傳感器組成。固定臂組成50中的固定臂底板12通過螺釘連接在伺服升降機構組成中的兩側的 滑動導軌4上安裝的兩個滑塊37上，固定臂組成中的驅動螺母39連接在伺服升降機構組 成中的滾珠絲杠3上。關節軸組成中的關節軸20穿過固定臂組成50中的固定臂方管18上的通孔，支撐 于關節軸組成中的關節軸錐軸承16和關節軸球軸承22中，通過螺釘14和關節軸組成中的 關節軸底板15將關節軸組成固定在固定臂組成中的固定臂方管18上，形成固定臂組成50 和第一動臂組成60間的轉動副。第一動臂轉角傳感器組成中的第一動臂轉角傳感器25通過雙頭螺紋軸34與關節 軸組成中的關節軸20連接，第一動臂轉角傳感器組成中的U形架24通過螺釘將第一動臂 轉角傳感器組成固定在第一動臂組成的關節軸軸承套17的法蘭上。
第一動臂組成60和第二動臂組成70之間的連接，第二動臂組成70和第三動臂組 成80之間的連接與固定臂組成50和第一動臂組成60之間的連接相同，并形成轉動副。當第三動臂組成80端部的扶手把8被宇航員11拉動時，第一動臂組成60、第二動 臂組成70、第三動臂組成80都能繞關節軸組成中的關節軸20旋轉，所旋轉角度被各自的轉 角傳感器檢測。本發明作用介紹如下當宇航員11握住扶手把8，并沿手臂的極限位置轉動時，第三動臂31、第二動臂29和第一動臂27都繞各自的關節軸轉動，所轉動的角度由各自的轉角傳感器檢測，通過數據 卡實時傳送給計算機。計算機的軟件計算出所有各點位置的坐標值，由計算機保存，并實時 顯示在計算機屏幕上。由計算機的軟件發出讓機械臂上升一定的距離的指令，通過數據卡傳輸給電機控制器，電機控制器發出信號驅動伺服電機1，伺服電機1轉動，驅動滾珠絲杠3轉動，驅動固 定臂底板12以及整個與之相連的三軸檢測臂一起向上移動一定的距離。在該高度上宇航 員11握住扶手把8，并沿手臂的極限位置轉動，則能檢測出該高度上的宇航員手的可達區 域。在多個高度上檢測到可達域，再由計算機軟件計算出空間的域，此空間域即為宇航員的 手的可達域。
權利要求
一種宇航員空間活動可達域檢測裝置，其特征在于該檢測裝置包括伺服升降機構組成、固定臂組成(50)、第一動臂組成(60)、第二動臂組成(70)和第三動臂組成(80)、關節軸組成、第一、第二和第三動臂轉角傳感器組成；固定臂組成(50)中的固定臂底板(12)通過螺釘連接在伺服升降機構組成中的兩側的滑動導軌(4)上安裝的兩個滑塊(37)上，固定臂組成中的驅動螺母(39)連接在伺服升降機構組成中的滾珠絲杠(3)上；關節軸組成中的關節軸(20)穿過固定臂組成(50)中的固定臂方管(18)上的通孔，支撐于關節軸組成中的關節軸錐軸承(16)和關節軸球軸承(22)中，通過螺釘(14)和關節軸組成中的關節軸底板(15)將關節軸組成固定在固定臂組成中的固定臂方管(18)上，形成固定臂組成(50)和第一動臂組成(60)間的轉動副；第一動臂轉角傳感器組成中的第一動臂轉角傳感器(25)通過雙頭螺紋軸(34)與關節軸組成中的關節軸(20)連接，第一動臂轉角傳感器組成中的U形架(24)通過螺釘將第一動臂轉角傳感器組成固定在第一動臂組成的關節軸軸承套(17)的法蘭上；第一動臂組成(60)和第二動臂組成(70)之間的連接，第二動臂組成(70)和第三動臂組成(80)之間的連接和固定臂組成(50)與第一動臂組成(60)之間的連接相同，并形成轉動副；當第三動臂組成(80)端部的扶手把(8)被宇航員(11)拉動時，第一動臂組成(60)、第二動臂組成(70)、第三動臂組成(80)都能繞其關節軸組成中的關節軸(20)旋轉，所旋轉的角度被各自的轉角傳感器檢測。
2.根據權利要求1所述的一種宇航員空間活動可達域檢測裝置，其特征在于伺服升 降機構組成包括伺服電機(1)、聯軸器(2)、滾珠絲杠(3)、滑動導軌(4)、固定底板(5)、上 軸承座(7)、下軸承座(9)、滑塊(37)、軸承(41)；所述零件的連接為四個滑塊(37)分別安裝在左、右滑動導軌(4)上，滑動導軌(4)固 定在固定底板(5)上；滾珠絲杠(3)支撐在安裝在上下軸承座(7)、(9)中各自的軸承中。
3.根據權利要求1所述的一種宇航員空間活動可達域檢測裝置，其特征在于第一動 臂組成(60)包括第一關節軸錐軸承(16)、第一關節軸軸承套(17)、第一關節軸球軸承 (22)、第一動臂(27)；所述零件的連接為第一關節軸軸承套(17)安裝在第一動臂(27) —端的通孔中，其法 蘭焊接在第一動臂(27)上，在第一關節軸軸承套(17)兩端的階梯孔中分別安裝第一關節 軸錐軸承(16)和第一關節軸球軸承(22)；第二動臂組成(70)中僅第二動臂(29)和第一動臂(27)長度不同外，其它結構尺寸與 第一動臂組成(60)相同。
4.根據權利要求1所述的一種宇航員空間活動可達域檢測裝置，其特征在于第三動 臂組成(80)包括扶手把(8)、第三動臂轉角傳感器(30)、第三動臂(31)、方端頭(32)；所述零件的連接為第三動臂(31)的無孔端焊接正四方體的方端頭(32)的一個面上， 與其面垂直的四個面上各安裝一個扶手把(8)；在第三動臂(31)另一端和第二動臂(29)的左端結構、尺寸及連接相同。
5.根據權利要求1所述的一種宇航員空間活動可達域檢測裝置，其特征在于固定臂組成(50)包括固定臂底板(12)、固定臂方管(18)，筋板(19)、驅動螺母(39)；所述零件的連接為固定臂方管(18)的無孔端焊接在固定臂底板(12)的L形的長邊 中心，四面焊接筋板(19)加強，驅動螺母(39)安裝于固定臂底板(12)的L形短邊中心開的 通孔(a)中，并通過螺釘(40)將驅動螺母(39)的法蘭固定在固定臂底板(12)的短邊上。
6.根據權利要求1所述的一種宇航員空間活動可達域檢測裝置，其特征在于關節軸 組成包括關節軸底板(15)、關節軸(20)；所述零件的連接為通過螺釘(13)與關節軸(20) —端的均布的螺紋孔連接將關節軸 (20)與關節軸底板(15)固定在一起。
7.根據權利要求1所述的一種宇航員空間活動可達域檢測裝置，其特征在于第一動 臂轉角傳感器組成包括倒放的U形架(24)、第一動臂轉角傳感器(25)、雙頭螺紋軸(34)、 緊定螺釘(35)、墊片(36)、螺母(23)；所述零件的連接為第一動臂轉角傳感器(25)的殼體和倒放的U形架(24)用螺釘 (26)連接，U形架(24)的外端法蘭和關節軸軸承套(17)的螺孔通過螺釘(21)連接；雙頭 螺紋軸(34)的無孔端擰入關節軸(20)的軸端螺孔中，通過墊片(36)和螺母(23)壓緊關節 軸球軸承(22)的內圈；雙頭螺紋軸(34)的軸端孔和第一動臂轉角傳感器(25)的軸配合， 并用緊定螺釘(35)固定。第二和第三動臂轉角傳感器組成和第一動臂轉角傳感器組成相同。
全文摘要
本發明公開了一種宇航員空間活動可達域檢測裝置，屬于航天檢測領域。該檢測裝置的固定臂底板連接在伺服升降機構中兩側的滑動導軌上安裝的滑塊上，固定臂組成中的驅動螺母連接在伺服升降機構組成中的滾珠絲杠上；固定臂、第一、第二、第三動臂之間用關節軸形成轉動副，轉角由轉角傳感器檢測。當第三動臂端部的扶手把被宇航員拉動時，第一、第二、第三動臂都能繞各自的關節軸旋轉，所旋轉角度可以被各自的轉角傳感器檢測。計算機根據所檢測的角度信號計算出扶手把的平面坐標，根據伺服電機的信號計算垂直坐標，從而畫出宇航員雙手可達到的空間區域，為太空站建設的操作件布置提供依據。
文檔編號B25J19/00GK101829999SQ20101016074
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月26日 優先權日2010年4月26日
發明者呂寵, 周明連, 張春, 張玉堃, 文劍, 王彥超, 趙鑫 申請人:北京交通大學