CN104669289A - 一种带视觉传感器的空间机械臂末端执行器 - Google Patents

Abstract

一种带视觉传感器的空间机械臂的末端执行器，主要由电机安装板、手指驱动板、手指安装板、微型滑动丝杠、导向轴、伺服电机组合、行星齿轮组、手指连杆机构、上壳体、下壳体、手眼相机、绝对位置传感器、控制器和连接法兰构成。

Description

一种带视觉传感器的空间机械臂末端执行器

技术领域

本发明涉及一种带视觉传感器的空间机械臂末端执行器，特别涉及一种空间机械臂少自由度小型轻量化三指带视觉传感器的末端执行机构。

背景技术

随着航天事业的发展，尤其是在轨服务、空间攻防、深空探测等一系列计划的实施，复杂化功能强大的空间机械臂的研究和探索成为了空间研究的新方向。其中，末端执行器是空间机械臂的一个重要组成部分，末端执行器的操作水准直接关系到空间机械臂执行复杂任务的能力。

末端执行器是直接执行工作的装置，它对扩大空间机械臂的作业功能、应用范围和提高工作效率都有很大的影响。抓取不同特征的物体及其不同操作参数的要求，都影响到末端执行器的要素，即结构、抓取方式、抓取力的大小和驱动装置。

国内外当前的空间机械臂末端执行器大致可分为三种类型：多指手型末端执行器，柔性末端执行器，功能型末端执行器。

以上三种末端执行器以第一种多指手型末端执行器使用最多也最广泛。多指手型末端执行器一般采用连杆机构传递动力，抓取范围较小。柔性末端执行器可抓捕范围大，一般都难以反复使用，柔性机构会拉低总体基频，且控制难度大，动力学建模复杂。在微重力环境下可能出现持续震荡且在地面不宜验证。而功能型末端执行器则是根据特殊的任务要求设计的末端执行器，只针对单一的目标物以及目标任务，一般只在特殊功能场合使用。

本发明提出的是一种带视觉传感器的多指手末端执行器的创新设计方案。多指手末端执行器一般包络范围小，结构复杂，需要多电机控制，质量大。但为了减小空间机械臂动作对卫星本体的影响，空间机械臂的质量和体积一般要求小。尤其针对小型的空间机械臂，一种小型、轻量化的末端执行器设计尤为需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种少自由度、小型、轻量化、带视觉传感器的空间机械臂末端执行器，可抓取对称结构目标物，如球体等。

本发明的末端执行器主要由电机安装板、手指驱动板、手指安装板、微型滑动丝杠、导向轴、伺服电机组合、行星齿轮组、手指连杆机构、上壳体、下壳体、手眼相机、绝对位置传感器、控制器和连接法兰构成。

所述末端执行器的特点有：

(1)结构简单，与人手类似大小，体积小，质量轻。

(2)利用摇臂机构实现大包络空间。

(3)通过单自由度驱动的设计避免了由于控制精度导致的不同步问题。通过控制转轴的公差间隙避免了由于丝杆机构的间隙导致的不同步问题。通过单丝杠传动，刚性连接至丝杆机构避免了由于丝杠间隙导致的不同步问题。

(4)通过并联传动布置，即驱动电机通过直齿轮传动偏置于丝杠，并与丝杠同侧布置，可以极大的减小末端执行器的轴向长度，对降低重量、提高机械臂系统的刚度和运动灵活性都很有好处。

(5)利用滑动丝杠的自锁能力实现手爪的闭合状态保持，省去了复杂的姿态保持机构。

(6)伺服电机的前端集成有行星齿轮减速箱，避免了电机输出轴承受径向力能力较差的缺陷，提高了电机抵抗复杂力学环境的能力。

(7)鱼刺状的防逃逸结构增加了抓捕的可靠性，防止目标物从手指间飞出。

附图说明

现在将结合附图对本发明进行描述，其中：

附图1为末端执行器结构图；

附图2为电机安装板上各元件的安装位置示意图；

附图3为末端手指的防逃逸结构示意图；

附图4为末端执行器手指的设计原理图；

附图5为空间机械臂末端执行器的不同目标抓取示意图。

具体实施方式

本发明的带视觉传感器的空间机械臂末端执行器主要由以下部件组成：电机安装板16、手指驱动板8、手指安装板5、微型滑动丝杠19、导向轴17、伺服电机组合(即无刷伺服电机和行星齿轮减速箱组合)、行星齿轮组12、三套手指连杆机构、上壳体1、下壳体2、视觉传感器手眼相机、绝对位置传感器10、控制器15和连接法兰14。连接法兰14为末端执行器的固定端，与机械臂关节的输出端连接。控制器15底端与连接法兰14连接，其顶端与下壳体2连接，下壳体2上方固定有电机安装板16。伺服电机20、滑动丝杠19同侧倒装于电机安装板16上，并通过行星齿轮12啮合连接。手指安装板5通过三根导向轴17与电机安装板16连接，三根导向轴穿过手指驱动板8，从而该手指驱动板8由导向轴17导向。三套手指连杆机构通过转轴铰接在同一个手指驱动板和手指安装板上，三套手指相隔120°布置，如图3所示。这样当手指驱动板上下运动时，手指即发生相应的摆动。

其中，手指的个数可根据实际情况进行选择，例如4个或5个。

工作过程中，伺服驱动器根据控制器的控制指令给伺服电机20发送位置指令信号，驱动电机正反向旋转，电机输出的旋转运动经配套行星齿轮减速器18减速后通过顶丝带动行星齿轮组12的小齿轮旋转，行星齿轮组12的小齿轮与大齿轮啮合传动，大齿轮通过顶丝与滑动丝杠直接连接，通过滑动丝杠副带动丝杠螺母上下运动，丝杠螺母通过螺栓与驱动板固定连接，带动驱动板上下运动，从而改变了驱动板与手指安装板的间距，使由手指安装板、驱动板，三个手指和三个手指连杆构成的三个四杆机构同时摇摆运动，实现三个手指的打开与合拢动作。

本发明利用单套丝杠螺母传动一个手指驱动平台实现对三个机械手指的同步传动，提高了机构同步性。通过并联传动布置，如图2所示，即驱动电机通过直齿轮传动偏置于丝杠(附图2中位置A所示)，并与丝杠同侧布置，可以极大的减小末端执行器的轴向长度，对降低重量、提高机械臂系统的刚度和运动灵活性都很有好处。绝对位置传感器固定安装在电机安装板和手指安装板之间，通过检测手指驱动板的位置判断末端执行器手指机构的绝对位置状态。

为了降低研制风险，提高可靠性，应当尽量选择已有成熟的宇航级产品。例如电机组合可以选择MAXON公司的军品级无刷伺服电机及其配套的行星齿轮减速箱；丝杠可以选择THK公司的微型精密滑动丝杠，由于其丝杠螺母采用特殊的PPS树脂材料，不仅减小了体积和重量，还避免了真空中的冷焊接问题，可以在高真空度和宽温度范围内稳定工作；为了紧凑结构，增强力输出能力，降低传动间隙，减小因复杂环境变化造成机构完全卡死的几率，减速器均选择体积最紧凑的型号系列中最大的减速比。

下面以抓取目标为球体的情况为例说明本发明末端执行器的手指设计及抓取原理(如附图4所示)：

当抓捕目标物为圆形时，其结构各向对称，因此抓取比较简单，利用单自由度的手爪足以完成此任务。本发明的手指采用了双连杆结构，手指连杆做成一根，下面一根短连杆(手指驱动连杆)与其相连。手指的结构整体与圆形目标物外圆相切。手指上的旋转副1固定在手指安装板上，旋转副2连接手指3和手指驱动连杆7，手指驱动连杆的旋转副3连接手指驱动板8。手指驱动板向上移动，手指绕旋转副1逆时针转动，手爪合拢。反之，手指驱动板向下移动手指绕旋转副1顺时针转动，手爪张开。

此外，本发明手爪的防逃逸结构设计原理如附图3所示，为防止抓捕目标逃逸，可在手指两侧设置“鱼刺”结构，例如在球体最大圆截面外以80°拐角布置“鱼刺”结构，将目标物收拢在防逃逸结构内。

附图5展示了手爪对于不同形状的目标物进行抓取时的情况。

如果手指和抓捕目标都是金属材料，抓捕接触面硬度大，抓捕冲击力也相对比较大，容易产生干扰力和冲击力。因而为了减少冲击，需要把抓捕目标和手指二者中的一个包覆非金属材料，从而降低接触面硬度，增大缓冲性能，有效减少干扰力和冲击力。当抓捕目标比较小时，在其表面包覆非金属材料会比较困难，但可以在手指表面包覆非金属材料附层，增加接触面缓冲，从而抓捕目标还可以继续采用金属材料加工，如铝合金。此外，可以在手指外层包袱高温绝热布，以防止高温伤害手指。

为了简化系统复杂度，机械臂末端执行器主要采用位置控制，使用电机自带的霍尔元件实现简单的速度控制，且不做力矩控制，仅以电流检测作为过载保护条件。

在末端执行器上通过手眼相机接口安装有手眼相机。手眼相机也侧置安装于末端执行器的前端，并通过连接法兰与末端执行器上壳体连接，这种安装方式相机的视场更好，不会增加末端执行器的长度，简化了传动结构，对强度、可靠性、运动惯量和固有频率等指标有益。

本说明书仅对本发明优选的优选实施例进行了详细描述。应当意识到，在本说明书和权利要求的描述的基础上，本领域技术人员可以在不付出创造性努力的情况下经过改进或组合获得与本申请相近或相似的技术方案，而应当认识到，这种技术方案与本申请并无显著的进步和突出的实质性特点，因而应当落入本申请的范围之内。

Claims (7)

1.一种带视觉传感器的空间机械臂末端执行器，其主要由以下部件组成：电机安装板(16)、手指驱动板(8)、手指安装板(5)、微型滑动丝杠(19)、导向轴(17)、伺服电机组合、行星齿轮组(12)、手指连杆机构、上壳体(1)、下壳体(2)、手眼相机、绝对位置传感器(10)、控制器(15)和连接法兰(14)。

2.根据权利要求1所述的一种带视觉传感器的空间机械臂末端执行器，其中所述连接法兰(14)为末端执行器的固定端，与机械臂关节的输出端连接；控制器(15)底端与连接法兰(14)连接，其顶端与下壳体(2)连接，下壳体(2)上方固定有电机安装板(16)；伺服电机(20)、滑动丝杠(19)与导向轴(17)同侧倒装于电机安装板(16)上，并通过行星齿轮啮合连接。手指安装板(5)通过导向轴(17)与电机安装板(16)连接，手指驱动板(8)与一个滑动丝杠螺母连接，并由导向轴(17)导向；手指连杆机构通过转轴铰接在同一个手指驱动板和手指安装板上，当手指驱动板上下运动时，手指即发生相应的摆动。

3.根据权利要求1所述的一种带视觉传感器的空间机械臂末端执行器，其中所述手指连杆机构采用由手指连杆和手指驱动连杆组成的双连杆结构，手指上的旋转副1固定在手指安装板上，旋转副2连接手指(3)和手指驱动连杆(7)，手指驱动连杆的旋转副3连接手指驱动板(8)，从而当手指驱动板(8)向上移动时，手指绕旋转副1逆时针转动，手爪合拢，反之，手指驱动板(8)向下移动手指绕旋转副1顺时针转动，手爪张开。

4.根据权利要求1所述的一种带视觉传感器的空间机械臂末端执行器，其中采用三套手指连杆机构，且三套手指相隔120°布置。

5.根据权利要求1所述的一种带视觉传感器的空间机械臂末端执行器，其中所述手指两侧设置有“鱼刺”结构，用于将目标物收拢在手爪内，形成防逃逸结构。

6.根据权利要求1所述的一种带视觉传感器的空间机械臂末端执行器，其中所述手指表面覆有非金属附层，以增加接触面缓冲，同时在其外层包覆高温绝热布，以防止高温伤害手指。

7.根据权利要求1所述的一种带视觉传感器的空间机械臂末端执行器，其中手眼相机通过手眼相机接口侧置安装于末端执行器的前端，并通过连接法兰与末端执行器上壳体连接。