技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
航天器空间运动机构领域，特别是一种空间二维同心转动关节。
背景技术
[0002] 随着航天器在轨服役期间任务种类的增加和功能需求的提升，越来越多的航天器需要采用空间运动机构的协助来完成规定的任务，有些空间运动机构已成为航天器(如国际空间站机械手、火星探测
机器人等)在轨期间执行任务的核心和主要手段，大量空间运动机构的使用提高了航天器在轨执行任务的灵活性、自主性和时效性。
[0003] 空间展开机构是最为常见的一种空间运动机构，其工作原理是在动
力源的驱动下完成对结构件的展开、收拢和转动等功能，并通过多个结构件之间的运动配合来实现整套空间展开机构的预定功能。典型的空间展开机构都采用了人体
仿生学中对“手臂”模拟的设计思路，主结构多是由两根或多根杆结构组成，杆结构之间多采用运动关节进行连接，通过动力源驱动运动关节实现杆结构之间的相对运动，通过杆结构组之间的运动配合实现整套空间展开机构的系统运动，进而完成空间展开机构整体规定动作的执行，实现特定的功能。因此，运动关节决定了空间展开机构的运动特性，是整套系统的关键。
[0004] 由于航天器任务的特殊性，空间运动关节在设计上重点需要考虑的问题是如何提高可靠性、如何降低资源占用率以及如何提高任务执行的效率。根据目前在航天器上使用的各类运动关节的应用效果来看，普遍存在如下缺点：
[0005] (1)系统复杂：运动关节的功能多通过伺服
电机来实现，
伺服电机安装于两结构件之间，伺服电机以及所需的安装结构复杂，同时伺服电机需要供电、控制以及
信号采集等的
电路系统，进一步增加了系统的复杂性。
[0006] (2)使用环境受限：由于电机的存在，电机转动过程中必然会产生振动、噪声以及电
磁场，一些安装于展开机构上且对振动、噪声和电磁环境敏感的设备是无法适应的。另一方面，电机一般都会对航天器或展开机构所提供的安装环境(安装
精度、力学环境、热环境等)提出要求，在某些情况下要求很高，需要设计严格保证。这些特点都将使运动关节的使用环境受到限制。
[0007] (3)可靠性低：系统设计复杂、使用环境要求严格都将导致系统可靠性的降低，特别是对使用环境的依赖性，提高了外界环境因素对系统可靠性的影响程度，降低了系统的可靠性。
[0008] (4)资源占用率高：系统的复杂性必然带来重量、体积和电功耗的增加，这些资源对于任何航天器都是非常宝贵的；另一方面，对使用环境的高敏感度只能通过增加配置来克服，如增加系统冗余、结构加强等手段，进一步增加了系统资源的占用率。
发明内容
[0009] 本发明的目的在于克服
现有技术的上述不足，提供一种空间二维同心转动关节，结构形式简洁、环境适应性强、可靠性高、资源占用率低，可广泛应用于各类航天器上空间展开机构的运动关节机构单元上。
[0010] 本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
[0011] 一种空间二维同心转动关节，包括同心转动基体、2个关节支座、2个
滑轮组、滚珠
导向管和动作绳；其中，同心转动基体为一体成型的两个垂直交叉的轮胎状结构；两个轮胎状结构为中空结构，且交点位于两个轮胎状结构的中心
位置；2个关节支座分别固定安装在相邻两个轮胎状结构的圆弧外表面；2个滑轮组分别固定安装在2个关节支座的内部；滚珠导向管固定安装在关节支座上端的外壁；关节支座的外壁中部开有细长通孔；动作绳沿轮胎状结构轴向环绕在同心转动基体的外壁，且动作绳穿过细长通孔伸入关节支座内，环绕在滑轮组的滑轮外壁。
[0012] 在上述的一种空间二维同心转动关节，所述同心转动基体的2个轮胎状结构沿周向的中心位置设置有圆周凹槽状绳道；动作绳环绕嵌入在绳道的凹槽中。
[0013] 在上述的一种空间二维同心转动关节，所述绳道的两侧对称设置有两个凹槽状
滚道；滚道沿周向环绕设置在同心转动基体的2个轮胎状结构的外壁；滚道与绳道间隔为2-5mm。
[0014] 在上述的一种空间二维同心转动关节，所述同心转动基体中轮胎状结构的直径为50-100mm，轴向宽度为 的直径长度；同心转动基体的材料为
碳化
硅、
钛合金、
铝镁合金或铍
铝合金中的一种。
[0015] 在上述的一种空间二维同心转动关节，所述滑轮组包括动滑轮和2个定滑轮；其中，动滑轮和定滑轮直径均为10-15mm；2个定滑轮对称设置在动滑轮的两侧；动作绳分别环绕2个定滑轮的外壁下端和动滑轮的外壁上端。
[0016] 在上述的一种空间二维同心转动关节，所述动滑轮和2个定滑轮的轴心连线形成的圆弧与对应同心转动基体的轮胎状结构为同心圆；且动滑轮的外壁顶端与同心转动基体的轮胎状结构的外壁底端间隔15-18mm。
[0017] 在上述的一种空间二维同心转动关节，所述滚珠导向管为弓状结构，对应安装在同心转动基体中滚道所在位置；滚道与关节支座的上表面设置有滚珠；通过滚珠在滚道中的滚动，实现关节支座绕同心转动基体的周向转动；当关节支座转动到极限位置时，滚珠沿滚珠导向管顶端的入口流向出口，并最终再进入滚道，实现关节支座绕同心转动基体的周向继续转动。
[0018] 在上述的一种空间二维同心转动关节，所述滚道宽度为2-5mm；滚珠直径为1.8-4.8mm。
[0019] 在上述的一种空间二维同心转动关节，所述动滑轮在外部电机的驱动下转动，通过动作绳带动两侧的定滑轮转动，实现带动关节支座绕同心转动基体的轴向转动。
[0020] 在上述的一种空间二维同心转动关节，所述关节支座的转动范围为0-360°。
[0021] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0022] (1)本发明系统组成简洁、体积小、重量轻：设置二维同心转动基体，通过一个转动基体实现双轴转动功能，两转动轴之间不需要设置过渡
支撑，通过滚珠组实现二维同心转动基体与关节支座的转动匹配，不需要
轴承结构，且二维同心转动基体外形近似球形结构，减小了体积和重量、节约了安装空间；通过定滑轮组驱动动作绳系，从而驱动二维同心转动基体，不需要内置电机进行驱动，减小了体积和重量、节约了安装空间；
[0023] (2)本发明提高了系统传递精度：一个二维同心转动基体实现双轴转动功能，消除了由于加工、装配等因素引起的转动传递误差，提高了双轴转动之间的匹配精度；
[0024] (3)本发明提高了系统承载能力：二维同心转动基体外形近似球形结构，使二维同心转动基体转动过程中承受的
载荷通过几何中心(质心)，且二维同心转动基体与关节支座之间通过球形滚珠配合，受力均匀、转动平滑，提高了系统承载能力；
[0025] (4)本发明降低系统资源占用率：重量轻、体积小、内部无供电需求部件，使空间二维同心转动关节在重量、体积和电功耗需求方面具有明显的优势；
[0026] (5)本发明提高了环境适应性：空间二维同心转动关节内部无电性能产品，无类似轴承配合的高精度装配要求，降低了系统对使用环境的要求，使产品具有很好的环境适应性；
[0027] (6)本发明提高了产品的通用性、可维修性、适用性：单个关节支座可实现沿某一个方向的单轴转动，采用两个结构形式完全相同的关节支座可以实现沿某两个方向的双轴转动，提高了产品的通用性和可维修性；关节支座对外
接口设计简单，提高了系统的适用性，可广泛应用于各类航天器的空间展开机构上；
[0028] (7)本发明提高了系统可靠性：系统设计简洁、环境适应性强、产品通用性和可维修性高，提高了系统的可靠性。
附图说明
[0029] 图1为本发明空间二维同心转动关节示意图；
[0030] 图2为本发明滑轮组示意图；
[0031] 图3为本发明关节支座剖面示意图。
具体实施方式
[0032] 下面结合附图和具体
实施例对本发明作进一步详细的描述：
[0033] 空间二维同心转动关节的机构运动原理源于动作绳8被滑轮组5驱动的结果。通过关节支座2与二维同心转动基体1之间配合实现转动功能；通过二维同心转动基体1的两个
正交转轴可以实现二维同心转动功能；关节支座2的转动范围为0-360°
[0034] 如图1所示为空间二维同心转动关节示意图，由图可知，一种空间二维同心转动关节，包括同心转动基体1、2个关节支座2、2个滑轮组5、滚珠导向管6和动作绳8；其中，同心转动基体1为一体成型的两个垂直交叉的轮胎状结构；两个轮胎状结构为中空结构，且交点位于两个轮胎状结构的中心位置；同心转动基体1中轮胎状结构的直径为50-100mm，轴向宽度为15-13的直径长度；同心转动基体1的材料为碳化硅、钛合金、铝镁合金或铍铝合金中的一种。2个关节支座2分别固定安装在相邻两个轮胎状结构的圆弧外表面；2个滑轮组5分别固定安装在2个关节支座2的内部；滚珠导向管6固定安装在关节支座2上端的外壁；关节支座2的外壁中部开有细长通孔；动作绳8沿轮胎状结构轴向环绕在同心转动基体1的外壁，且动作绳8穿过细长通孔伸入关节支座2内，环绕在滑轮组5的滑轮外壁。
[0035] 其中，同心转动基体1的2个轮胎状结构沿周向的中心位置设置有圆周凹槽状绳道4；动作绳8环绕嵌入在绳道4的凹槽中。绳道4的两侧对称设置有两个凹槽状滚道3；滚道3沿周向环绕设置在同心转动基体1的2个轮胎状结构的外壁；滚道3宽度为2-5mm；滚道3与绳道
4间隔为2-5mm。
[0036] 如图2所示为滑轮组示意图，由图可知，滑轮组5包括动滑轮5-1和2个定滑轮5-2；其中，动滑轮5-1和定滑轮5-2直径均为10-15mm；2个定滑轮5-2对称设置在动滑轮5-1的两侧；动作绳8分别环绕2个定滑轮5-2的外壁下端和动滑轮5-1的外壁上端。
[0037] 其中，动滑轮5-1和2个定滑轮5-2的轴心连线形成的圆弧与对应同心转动基体1的轮胎状结构为同心圆；且动滑轮5-1的外壁顶端与同心转动基体1的轮胎状结构的外壁底端间隔15-18mm。动滑轮5-1在外部电机的驱动下转动，通过动作绳8带动两侧的定滑轮5-2转动，实现带动关节支座2绕同心转动基体1的轴向转动。
[0038] 如图3所示为关节支座剖面示意图，由图可知，滚珠导向管6为弓状结构，对应安装在同心转动基体1中滚道3所在位置；滚道3与关节支座2的上表面设置有滚珠7；通过滚珠7在滚道3中的滚动，实现关节支座2绕同心转动基体1的周向转动；当关节支座2转动到极限位置时，滚珠7沿滚珠导向管6顶端的入口6-1流向出口6-2，并最终再进入滚道3，实现关节支座2绕同心转动基体1的周向继续转动。滚珠7直径为1.8-4.8mm。
[0039] 运动过程：
[0040] 初始位置时其中一个关节支座2处于固定约束状态，另外一个关节支座2处于自由状态，当动作绳8在滑轮组5的驱动下围绕
旋转轴作顺
时针转动时，动作绳8将带动二维同心转动基体1围绕旋转轴进行顺时针旋转，从而使与二维同心转动基体1相连的关节支座2一同绕旋转轴进行顺时针旋转，进而使空间二维同心转动关节的机构运动具有正交轴单轴顺时针旋转的功能；同理，当动作绳8在滑轮组5的驱动下围绕旋转轴作逆时针转动时，动作绳8将带动二维同心转动基体1围绕旋转轴进行逆时针旋转，从而使与二维同心转动基体1相连的关节支座2一同绕旋转轴进行逆时针旋转，进而使空间二维同心转动关节的机构运动具有正交轴单轴逆时针旋转的功能。
[0041] 同样，初始位置时，原处于固定约束状态关节支座2处于自由状态，另一个关节支座2处于固定约束状态；当动作绳8在滑轮组5的驱动下围绕旋转轴作顺时针转动时，动作绳8将带动二维同心转动基体1围绕旋转轴进行顺时针旋转，从而使与二维同心转动基体1相连的关节支座2一同绕旋转轴进行顺时针旋转，进而使空间二维同心转动关节的机构运动具有正交轴单轴顺时针旋转的功能；同理，当动作绳8在滑轮组5的驱动下围绕旋转轴作逆时针转动时，动作绳8将带动二维同心转动基体1围绕旋转轴进行逆时针旋转，从而使与二维同心转动基体相连的关节支座2一同绕旋转轴进行逆时针旋转，进而使空间二维同心转动关节的机构运动具有正交轴单轴逆时针旋转的功能。
[0042] 本发明
说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
