CN103395067A - 一种空间在轨服务机器人的自适应指爪机构 - Google Patents

Abstract

一种空间在轨服务机器人的自适应指爪机构，由自适应指爪、电机及其传动机构和基座部分组成；自适应指爪用于实现在轨捕获目标物的功能；电机及其传动机构用于传递力矩，电机提供主动力矩；支撑部分用于保持系统各部分的相对位置；本发明具有自适应性，可以根据目标物的形状自适应的选择抓取模式，通用性强；指爪机构具有自稳定性，接触目标物后，由于采用具有被动调节力矩作用的扭转弹簧，使后抓取过程趋于自稳定；机构采用单电机与扭转弹簧结合的主被动复合驱动设计，简化了控制策略，可有效缓冲冲击载荷；应用于空间在轨服务机器人，极大地提高了执行任务的效率。

Description

一种空间在轨服务机器人的自适应指爪机构

技术领域

本发明旨在服务于空间在轨服务领域，涉及一种空间在轨服务机器人的自适应指爪机构，这种指爪机构的通用性较强，应用范围较广，适用于多任务空间捕获与修复任务的需求，极大地提高了执行任务的效率。

技术背景

在轨服务包括航天器装配、卫星维护、航天器回收、在轨燃料加注及太空垃圾清理等。结构合理、功能可靠、控制简单的末端操作器能在很大程度上提高抓取的可靠性，降低整个机械臂系统的复杂度。面向在轨服务多任务操作的实际需求，具有自适应性和通用性的指爪机构应运而生。

随着研究的深入开展，国内外出现了各种用于在轨服务的指爪机构。主要分为螺纹轴方式、螺旋盘方式和多连杆方式。

螺纹轴方式是最常用的方式，包含一个左手和右手螺纹的螺纹轴，并且具有自锁性，通过电机传动螺纹轴，进而驱动指爪平行移动，实现抓取。其优点是结构简单、平稳可靠，指爪位置可精确控制，电机驱动形式应用较为广泛；但其抓取速度较慢，工作空间受限，适应能力不足，能够抓取的目标物种类较少。

螺旋盘方式的设计思想：通过带有螺旋槽的盘将电机的转动传递为两个对称指爪的平动，从而实现对目标的抓取。其优点是直接将电机的转动传递为指爪的平动，避免了使用螺纹轴，减小了体积，使得结构简单、紧凑，并且指爪位置可控、抓取速度快；但其适应能力仍然受限，为了抓取不同类型的目标物，往往需要制作多种形状的指爪。

多连杆方式的设计思想：将电机转动通过连杆机构转换为直线运动，并传递给末端指爪，实现对目标的抓取。其最大的优点在于工作空间大；但其抓取模式较少，无法达到通用性的程度。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种空间在轨服务机器人的自适应指爪机构，能够对目标物进行自适应抓取，之后完成自稳定锁死，满足空间多任务操作的需求。

本发明的技术解决方案：一种空间在轨服务机器人的自适应指爪机构，包括：自适应指爪1、电机及其传动机构2、基座部分3；自适应指爪1用于抓取目标物；电机及其传动机构2用于引导自适应指爪1张开与握紧；基座部分3用于保持整个机构各部分的相对位置；所述自适应指爪1由左右对称、完全相同的两个五杆机构组成，每个五杆机构均包括：接触杆101、中间杆102、主动杆103、从动杆104、从动销105、中间销106、主动销107、主动轴108、从动轴109、扭转弹簧110；接触杆101与从动杆104通过从动销105连接，接触杆101与中间杆102通过中间销106连接；中间杆102与主动杆103通过中间销106连接，并在中间杆102与主动杆103形成的关节连接处安装一对扭转弹簧110，中间销106从两个扭转弹簧110中穿过，这两个扭转弹簧110关于中间杆102对称分布，每个扭转弹簧110的两端分别与中间杆102和主动杆103固定，在自适应指爪1张开与握紧的过程中储存或释放能量；所述电机及其传动机构2包括：电机201、L型电机支架202、U型电机支架203、小齿轮204、大齿轮205、蜗杆轴206、蜗轮207；电机201固定于L型电机支架202和U型电机支架203上，给整个系统提供动力，带动小齿轮204转动；小齿轮204与大齿轮205形成啮合传动；大齿轮205与蜗杆轴206相连接；蜗杆轴206与蜗轮207形成啮合传动；蜗轮207与主动轴108通过键连接，将动力传递给主动杆103；所述基座部分3包括：手掌基体301、手掌前壳302、手掌前盖303、手掌后盖304、蜗杆轴定位基体305；手掌基体301、手掌前壳302与主动杆103通过主动轴108连接，并为主动轴108提供支撑；手掌基体301、手掌前壳302与从动杆104通过从动轴109连接，并为从动轴109提供支撑；蜗杆轴206的一端与手掌基体301通过轴承连接，另一端与蜗杆轴定位基体305通过轴承连接；手掌前盖303与手掌前壳302通过螺栓连接；L型电机支架202和U型电机支架203固定于手掌基体301上；手掌后盖304与手掌基体301通过螺栓连接。

所述蜗轮207有两个，并且旋向相反，通过与蜗杆轴206形成的啮合传动，将电机201提供的动力分别传递给自适应指爪1的两个五杆机构。

本发明的原理：自适应指爪机构采用主被动复合的方式驱动，主动驱动源是电机，被动驱动源是扭转弹簧。在该驱动方式下，自适应指爪具有自适应性和自稳定性。其中，自适应性表现在其独特的机械机构能根据目标物形状的不同，使得接触点在接触杆上的相对位置不同，从而自主选择抓取模式；自稳定性表现在目标物的后抓取阶段，此时接触点所在位置为平衡点，系统的势能处于局部最小值，保证抓取的可靠。这里考虑应用静力学来分析自适应指爪的自适应及自稳定性能，不失一般性，以单一五杆机构为例分析，如图2所示，其中，F₁为从动杆与物体间的接触力。

当F₁>0，从动杆于结点O₄处受向左法向力作用逆时针转动，O₃O₄O₆受力不共点，使得顺时针转动，接触点位于平衡点上方。主动杆的驱动力矩不能克服扭转弹簧提供的弹性力做功，中间杆与主动杆的相对位置不变，接触杆形成对目标物的平行抓取。此时处于平行抓取模式，如图2a所示。

当F₁<0，从动杆于结点O₄处受向右法向力作用顺时针转动，O₃O₄O₆受力不共点，使得逆时针转动，接触点位于平衡点下方。主动杆的驱动力矩克服扭转弹簧的弹性力做功，中间杆与主动杆之间能够相对运动，从动杆位置不变，接触杆形成对目标物的包络抓取。此时处于包络抓取模式，如图2c所示。

当F₁=0，从动杆于结点O₄处不受法向力作用，O₃O₄O₆受力共点，机构不转动，接触点位于平衡点处，指爪机构达到自稳定，如图2b、图2d所示。

综上所述，平行抓取的过程中，接触点在平衡点以上；包络抓取的过程中，接触点在平衡点以下；内部抓取与平行抓取特点相似，接触点也在平衡点以下，不同的是，力作用在指爪接触杆的背后。接触点在“平衡点”时，系统处于自稳定的锁死状态；接触点不在“平稳点”时，接触点会向“平稳点”移动，并且根据初始接触位置的不同，自主选择不同类型的抓取模式。

此外，在指爪各杆件运动的过程中，不会出现奇异点。因为杆O₂O₃上存在机械限位，以及杆O₁O₂和O₂O₃之间存在扭转弹簧，使得∠O₁O₂O₃不能小于90o，并能保证每个五杆机构的自由度唯一。机构还有一个特点，平行抓取的过程中，两个接触杆的接触面始终保持平行的状态。其原因在于，O₃O₄与O₁O₅长度相等，O₁O₃与O₄O₅长度相等。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明具有自适应性，抓取包络范围大，通用性强，能有效缓冲冲击载荷，并根据目标物形状的不同，自主选择抓取模式。

（2）本发明具有自稳定性，此特点针对目标物的后抓取阶段而言，不同抓取模式下均能实现机构的锁死，保证抓取的平稳可靠。

（3）本发明采用主被动复合方式驱动，主动驱动源是电机，可以正反转驱动，同时进行位置控制；被动驱动源是扭转弹簧。应用此种驱动方式，可以通过电机与扭转弹簧之间的力矩调节，实现该机构的自适应抓取和自稳定锁死。

附图说明

图1a为本发明的结构示意图；

图1b为本发明的结构示意图（续1）；

图1c为本发明的结构示意图（续2）；

图2a为本发明的平行抓取模式运动原理示意图；

图2b为本发明的平行抓取模式后抓取阶段运动原理示意图；

图2c为本发明的包络抓取模式运动原理示意图；

图2d为本发明的包络抓取模式后抓取阶段运动原理示意图；

图3为本发明平行抓取目标物的示意图；

图4为本发明包络抓取目标物的示意图。

注：附图中相同的结构只标注了一次，但是可以存在多个；如101有2个，102有2个，103有2个，104有2个，105有2个，106有2个，107有2个，108有2个，109有2个，110有4个，207有2个。

具体实施方式

如图1a、图1b、图1c所示，为本发明的空间在轨服务机器人自适应指爪机构的三维立体图，包括：自适应指爪1、电机及其传动机构2、基座部分3。

自适应指爪1由左右对称、完全相同的两个五杆机构组成，每个五杆机构均包括：接触杆101、中间杆102、主动杆103、从动杆104、从动销105、中间销106、主动销107、主动轴108、从动轴109、扭转弹簧110；所述电机及其传动机构2包括：电机201、L型电机支架202、U型电机支架203、小齿轮204、大齿轮205、蜗杆轴206、蜗轮207；所述基座部分3包括：手掌基体301、手掌前壳302、手掌前盖303、手掌后盖304、蜗杆轴定位基体305。

各组成部件之间的连接关系如下所述：将蜗杆轴定位基体305通过滚动轴承与蜗杆轴206连接，蜗杆轴206与大齿轮205相连接。接着将其作为一个整体，蜗杆轴206通过滚动轴承与手掌基体301连接，蜗杆轴定位基体305通过螺钉与手掌基体301连接。将小齿轮204与电机201相连接，电机201与手掌基体301通过L型电机支架202、U型电机支架203固定。

将主动轴108与蜗轮207通过圆头平键固定，接着使主动轴108与手掌基体301通过滚动轴承连接。将从动轴109与手掌基体301通过滚动轴承连接。之后，将主动轴108和从动轴109通过滚动轴承与手掌前壳302连接。

将主动杆103与主动轴108固定，中间杆102与主动杆103通过主动销107连接，扭转弹簧110的两端分别与中间杆102和主动杆103相固定。将从动杆104与从动轴109相固定。接触杆101与中间杆102和从动杆104分别通过中间销106和从动销105连接。

将手掌基体301与手掌前盖303和手掌后盖304用螺栓固定。

自适应指爪机构抓取目标物的动态工作过程分为三个阶段：目标物的接近阶段、目标物的抓取阶段、目标物的后抓取阶段。

在自适应指爪1接近目标物的运动过程中，由于扭转弹簧110的作用，中间杆102与主动杆103的相对位置不发生变化，系统只有一个自由度，两个指爪的接触杆101在主动杆103的作用下，相互平行的向目标物运动。

此后，接触目标物的情况有两种，分别对应不同的抓取模式。其一发生在接触杆101的上半部分先接触到目标物后，电机201传递到主动杆103的扭矩不能克服扭转弹簧110的弹性力做功，扭转弹簧110提供的弹性力仍能保证中间杆102与主动杆103的相对位置不变，这就形成了平行抓取与内部抓取模式，如图3所示。其二发生在接触杆101的下半部分或从动杆104先接触到目标物后，中间杆102与主动杆103之间能够相对运动，之后从动杆104位置基本不变，此时系统也只有一个自由度，电机201传递到主动杆103的扭矩克服扭转弹簧110的弹性力做功，通过中间杆102使接触杆101形成对目标物的包络运动，这就形成了包络抓取模式，如图4所示。

在自适应指爪1对目标物的后抓取阶段，电机201控制着转速的输出，直至最终停止转动，此时蜗轮207与蜗杆轴206进行自锁，保证主动杆103静止不动；同时在扭转弹簧110的作用下，中间杆102与主动杆103之间的位置关系保持不变，系统处于自锁死状态。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种空间在轨服务机器人的自适应指爪机构，其特征在于包括：自适应指爪（1）、电机及其传动机构（2）、基座部分（3）；自适应指爪（1）用于抓取目标物；电机及其传动机构（2）用于引导自适应指爪（1）张开与握紧；基座部分（3）用于保持整个机构各部分的相对位置；所述自适应指爪（1）由左右对称、完全相同的两个五杆机构组成，每个五杆机构均包括：接触杆（101）、中间杆（102）、主动杆（103）、从动杆（104）、从动销（105）、中间销（106）、主动销（107）、主动轴（108）、从动轴（109）、扭转弹簧（110）；接触杆（101）与从动杆（104）通过从动销（105）连接，接触杆（101）与中间杆（102）通过中间销（106）连接；中间杆（102）与主动杆（103）通过中间销（106）连接，并在中间杆（102）与主动杆（103）形成的关节连接处安装一对扭转弹簧（110），中间销（106）从两个扭转弹簧（110）中穿过，这两个扭转弹簧（110）关于中间杆（102）对称分布，每个扭转弹簧（110）的两端分别与中间杆（102）和主动杆（103）固定，在自适应指爪（1）张开与握紧的过程中储存或释放能量；所述电机及其传动机构（2）包括：电机（201）、L型电机支架（202）、U型电机支架（203）、小齿轮（204）、大齿轮（205）、蜗杆轴（206）、蜗轮（207）；电机（201）固定于L型电机支架（202）和U型电机支架（203）上，给整个系统提供动力，带动小齿轮（204）转动；小齿轮（204）与大齿轮（205）形成啮合传动；大齿轮（205）与蜗杆轴（206）相连接；蜗杆轴（206）与蜗轮（207）形成啮合传动；蜗轮（207）与主动轴（108）通过键连接，将动力传递给主动杆（103）；所述基座部分（3）包括：手掌基体（301）、手掌前壳（302）、手掌前盖（303）、手掌后盖（304）、蜗杆轴定位基体（305）；手掌基体（301）、手掌前壳（302）与主动杆（103）通过主动轴（108）连接，并为主动轴（108）提供支撑；手掌基体（301）、手掌前壳（302）与从动杆（104）通过从动轴（109）连接，并为从动轴（109）提供支撑；蜗杆轴（206）的一端与手掌基体（301）通过轴承连接，另一端与蜗杆轴定位基体（305）通过轴承连接；手掌前盖（303）与手掌前壳（302）通过螺栓连接；L型电机支架（202）和U型电机支架（203）固定于手掌基体（301）上；手掌后盖（304）与手掌基体（301）通过螺栓连接。

2.根据权利要求1所述的空间在轨服务机器人的自适应指爪机构，其特征在于：所述蜗轮（207）有两个，并且旋向相反，通过与蜗杆轴（206）形成的啮合传动，将电机（201）提供的动力分别传递给自适应指爪（1）的两个五杆机构。

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