CN104827487B - 一种可变形空间操作臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变形的空间操作臂，包括定长杆、可伸缩杆、杆部仿生关节、机械爪组件、底座、转轴以及滑锁，可伸缩杆通过杆部仿生关节与定长杆相连接；机械爪组件通过底座内的转轴与可伸缩杆相连接；机械爪组件包括多个爪瓣，每个所述爪瓣又包括多个指节，指节间通过爪部仿生关节相连，爪部仿生关节能调节指节与指节间的角度；滑锁具有多个，且均包套在所述爪瓣上，其能在爪瓣上滑动，用于滑至所述爪部仿生关节处通过联合各个爪瓣上滑锁进行相互扣紧而将爪瓣收拢锁定。本发明操作臂结构简单、控制操作简单、能同时进行转动和三维机动、适应性强。

Description

一种可变形空间操作臂

技术领域

本发明属于空间操作技术领域，更具体地，涉及一种可变形的空间操作臂。

背景技术

航天技术是当今世界最有发展潜力的高新技术之一，是衡量一个国家科技实力、决定一个国家国际地位、保障国家安全的重要因素。进入新世纪以来，世界航天大国围绕着航天技术、应用及产业展开了激烈的竞争。

空间技术与应用主要以航天器为主要载体。美国、德国等发达国家均在这一领域进行了深入的研究。美国开展了“前端机器人技术近期演示”(FREND)项目；德国开展了“轨道服务任务”系统为代表的综合性卫星在轨操作系统，该系统将演示验证多种类型的在轨操作；类似的项目还有：“轨道快车”计划、在轨燃料加注计划，NASA的低温推进剂传输和储存验证任务、“出发点”计划等。此外，美国还规划有在轨发射技术相关研究计划。

空间技术与应用的发展使得人类的空间活动日益频繁，空间操作日益多样。深空探测采样、空间碎片清理、航天器在轨维修，在轨燃料加注，在轨软硬件替换、交会对接等多种空间操作均涉及机械臂操作。空间操作机械臂的智能性、高适应性、操作控制的简易性对于空间操作任务的有效完成具有重要意义。

目前，现有的空间操作臂存在较多问题：结构复杂，不能同时进行转动和三维机动，灵活性不足，适应性不强，相应造成操作控制复杂、可执行任务单一的问题，其不能满足目前航天操作的需求。因此，存在开发结构简单、可同时进行转动和三维机动、适应性强、控制操作简单的空间操作臂。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可变形的空间操作臂，其目的在于，通过设置可伸缩杆、转轴、机械爪组件相应实现机械爪空间位移变化，机械爪组件中设置有爪部仿生关节将多个指节进行连接，实现了机械爪组件对不同大小物体的抓握，还设置有能锁紧爪瓣的滑锁，相应能降低爪瓣自由度，进而能降低控制要求，由此解决现有技术中操作臂结构复杂，不能同时进行转动和三维机动，适应性不强的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种可变形的空间操作臂，包括定长杆、可伸缩杆、杆部仿生关节、机械爪组件、底座、转轴以及滑锁，其中

所述可伸缩杆长度能调节，其通过杆部仿生关节与长度固定的所述定长杆相连接，以能与所述定长杆间发生弯折或者转动，从而实现空间位移变化；

所述机械爪组件通过所述底座内的转轴与所述可伸缩杆相连接，以能绕所述可伸缩杆转动，从而实现机械爪的转动；该机械爪组件包括多个爪瓣，每个所述爪瓣又包括多个指节，指节间通过爪部仿生关节相连，爪部仿生关节能调节指节与指节间的角度，实现机械爪组件对不同大小物体的抓握；

所述滑锁具有多个，且均包套在所述爪瓣上，其能在爪瓣上滑动，用于滑至所述爪部仿生关节处通过各个爪瓣上滑锁相互扣紧而将爪瓣收拢锁定，从而能降低自身自由度。

通过以上发明构思，(1)设置的可伸缩杆长度能调节，其通过杆部仿生关节与长度固定的所述定长杆相连接，能实现机械爪组件空间位移变化，大大扩大操作区域；(2)机械爪通过转轴与所述可伸缩杆相连接，实现机械爪绕可伸缩杆的转动，增加了机械爪活动的灵活性；(3)机械爪组件包括多个爪瓣，每个所述爪瓣又包括多个指节，指节间通过爪部仿生关节相连，爪部仿生关节能调节指节与指节间的角度，实现机械爪组件对不同大小物体的抓握，增加了机械爪对不同大小目标的操作，大大提高了机械爪的适应性；(4)滑锁滑至所述爪部仿生关节处，各个爪瓣上滑锁相互扣紧而将爪瓣收拢锁定，能降低自身自由度，进而能降低控制要求。以上特征综合作用，使得本发明构思中所述空间操作臂机械结构简单，既能进行转动，也能进行伸长以及进行三维机动，大大增加了其灵活性、适应性以及操作的简易性。

进一步的，所述滑锁为横截面为优弧的筒状，其沿轴线的边部设置有凹口，两个相邻的滑锁的所述凹口能相互咬合以实现扣紧。

进一步的，所述机械爪组件包括三个爪瓣，所述爪瓣又包括三个指节。

进一步的，所述滑锁具有六个，该六个滑锁分别对应锁紧六个所述爪部仿生关节。

进一步的，所述滑锁包套在位于中间的指节上，该中间指节上设置有滑轨，用于供所述滑锁沿滑轨滑动。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)设置长度可调节的可伸缩杆，其通过杆部仿生关节与长度固定的所述定长杆相连接，能实现机械爪组件空间位移变化，大大扩大操作区域；进一步的，机械爪通过转轴与所述可伸缩杆相连接，实现机械爪绕可伸缩杆的转动，增加了机械爪活动的灵活性；更进一步的，机械爪每个爪瓣又包括多个指节，指节间通过爪部仿生关节相连，实现机械爪组件对不同大小物体的抓握，增加了机械爪对不同大小目标的操作，大大提高了机械爪的适应性；最后，各个爪瓣上滑锁相互扣紧而将爪瓣收拢锁定，能降低自身自由度，进而能降低控制要求。本发明构思中所述空间操作臂机械结构简单，既能进行转动，也能进行伸长以及进行三维机动，具有较强的灵活性、适应性以及操作的简易性，能满足不同尺寸航天器操作需要

(2)滑锁为横截面为优弧的筒状，其沿轴线的边部设置有凹口，两个相邻的滑锁的所述凹口能相互咬合以实现扣紧。多个滑锁的结构简单、巧妙，机械锁定的锁紧可靠稳定。

附图说明

图1是本发明实施例中可变形空间操作臂的结构示意图；

图2(a)是本发明实施例中机械爪上滑锁的结构示意图；

图2(b)是本发明实施例中机械爪上滑锁锁紧爪部仿生关节的横截面结构示意图；

图2(c)是本发明实施例中机械爪滑锁锁紧状态示意图；

图3是本发明实施例中机械爪滑锁的锁扣扣合状态示意图；

图4是本发明实施例中控制关系中数据流示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-定长杆2-杆部仿生关节3-可伸缩杆

4-底座5-机械爪组件6-第一指节

7-第二指节8-第三指节9-爪部仿生关节

10-滑锁11-凹口12-转轴

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明的优选实施例中可变形空间操作臂的结构示意图，由图可知，其包括定长杆1、可伸缩杆3、杆部仿生关节2、机械爪组件5、底座4、转轴12以及滑锁10。所述可伸缩杆3长度能调节，其结构譬如为类似雨伞杆部的套筒状伸缩杆，其通过杆部仿生关节2与长度固定的所述定长杆1相连接，仿生关节能实现定长杆与可伸缩杆间的弯折以及转动，从而实现空间位移变化。

所述机械爪组件5通过所述底座4内的转轴12与所述可伸缩杆3相连接，以能绕所述可伸缩杆转动，从而实现机械爪的转动。机械爪组件5包括多个爪瓣，作为优选的，所述爪瓣具有三瓣。机械爪瓣为三瓣式结构，完全对称布局，具有三瓣联合操作与单独操作能力。

每个所述爪瓣又包括多个指节，作为优选的，指节可为与转轴相连的第一指节6，位于中间的第二指节7，以及位于端部的第三指节8，指节间通过爪部仿生关节9相连，爪部仿生关节9能调节指节与指节间的角度，实现机械爪组件对不同大小物体的抓握。机械爪瓣为多关节仿生结构，中间安装有锁定装置，爪瓣收拢时可进行锁定，确保结构刚度，降低自由度与控制难度，提高控制精度与可操作性。实际情况下，第三指节8的端部安装有微型压力感应装置，用以感知机械爪对被操作物体的有效固定。

滑锁10具有多个，且均包套在所述爪瓣上，其能在爪瓣上滑动，用于滑至所述爪部仿生关节9处通过各个爪瓣上滑锁相互扣紧而将爪瓣收拢锁定，以降低自身自由度，进而能降低控制要求。滑锁10可为横截面为优弧的筒状，其沿轴线的边部设置有凹口11，两个相邻的滑锁的所述凹口11能相互咬合以实现扣紧。

图2(a)是本发明实施例中机械爪上滑锁的结构示意图，作为优选的，所述滑锁具有六个，该六个滑锁分别对应锁紧六个所述爪部仿生关节9。图2(b)是本发明实施例中机械爪上滑锁锁紧爪部仿生关节的横截面结构示意图；图2(c)是本发明实施例中机械爪滑锁锁紧状态示意图。由图可知，当机械爪瓣收拢时，滑锁位于爪瓣中间节两端的爪部仿生关节处，包覆关节，并与完成同样机动的另外两机械爪瓣的滑锁对接并通过凹口11锁定。实际中，滑锁可包套在位于中间的指节上，该中间指节上设置有滑轨，用于供所述滑锁沿滑轨滑动。滑锁可由嵌入式计算机控制沿机械爪瓣中间节滑动，滑动至中间节两端的爪部仿生关节处对爪部仿生关节进行锁定。机械爪组件中底座与机械臂相连，可带动机械爪进行转动机动。

图3是本发明实施例中机械爪滑锁的锁扣扣合状态示意图，由图可知，凹口11位于滑锁的两个边部上，卫星平台的中心计算机发出锁定要求后，操作臂控制系统根根据控制要求控制两爪瓣收拢使锁定装置完成对接，对接完成后两凹口相咬合形成锁定。解锁时操作臂控制系统控制伺服机构相扣合的滑锁向两侧移动，解除机械的锁合。滑锁滑动至第二指节7的中间位置处。

本发明中可变形的空间操作臂执行不同距离空间操作的过程为：伸长可伸缩杆，系统通过机械臂杆机动实现机械爪的空间位移进而完成空间操作。以机械臂固定支点为中心，X轴指向操作目标，重直X轴且指向地球方向反向为Y轴，由右手坐标系确定Z轴。将机械臂空间位移机动分解为YZ平面内位移与沿X轴方向位移，则机械爪YZ投影面的位移由两节定长杆变形得到，X方向位移由可伸缩杆变形得到。

本发明中可变形的空间操作臂执行不同尺寸空间操作的过程为：当机械爪有展开需要，如进行针对较大目标的空间机动操作时控制滑锁解锁，进行机械爪形变以满足抓取目标较大的物体。

为满足不同尺寸空间目标操作需求，机械爪瓣可部分展开，位于第一指节和第二指节间的爪部仿生关节被该处的滑锁锁定，第一指节和第二指节间的爪部仿生关节被该处的滑锁锁定，以降低操作臂自由度，降低控制要求，提高控制精度。

本发明中，控制可变形空间操作臂的控制执行系统内置于操作臂内，通过导线连接各机构与结构形成控制回路。控制执行系统主要由嵌入式计算机、各伺服机构、信号接口及相关电缆组成，系统集成于主干结构内，完成操作臂与空间平台之间的信息互联。平台中心计算机发出操作指令后操作臂计算机可单独按内部程序执行空间操作，也可由平台中心计算机联合平台传感器，进行实时感知与规划空间操作，完成自适应控制。

图4是本发明实施例中控制关系中数据流示意图。空间平台计算机与操作臂之间通过操作臂控制系统嵌入式计算机完成信息交互，操作臂与平台传感器之间可通过卫星平台进行信息交互。操作臂中嵌入式计算机可控制机械臂各组成系统执行机动控制操作，完成对机械爪底座的转动操作控制与机械臂定长杆转动、可伸缩杆长度控制，实现空间操作区域覆盖。其中机械爪压力传感器可与信息回传，与嵌入式计算机具有信息交互能力。

以卫星外表面板件拆卸为应用实例说明可变形空间操作臂操作性能，本实施例中，机械臂已处于可操作范围内，操作过程中所需观测数据均已知。可变形空间操作臂需要完成卫星外表面固定螺栓拆卸与表面板移除工作，该工作涉及空间三维机动操作与空间转动操作。机械臂操作全过程操作平台与被操作卫星相对位置与相对姿态固定。可变形空间操作臂初始状态为体积最小收缩状态，紧贴平台外表面，可伸缩杆收缩，机械爪收拢。其具体的操作过程如下:

(1)平台向可变形空间操作臂的嵌入式计算机发出操作指令并开始指令，唤醒可变形空间操作臂，输入初操作方式与初操作平台位置坐标与外形坐标。

(2)可变形空间操作臂上的嵌入式计算机接收空间操作开始指令，并检析操作要求，生成控制指令。

(3)由嵌入式计算机控制机械臂完成定长杆1的转动，使整个操可变形空间操作臂离开平台外表面，可伸缩杆伸缩并半弯折使机械爪靠近目标操作体，期间卫星平台保持稳定。

(4)卫星平台上的中心计算机控制机械爪瓣第三指节展开，精确控制靠近卫星外表面固定螺栓并抓取。

(5)完成抓取后，第三指节端部的压力感应装置确认已实现有效固定，向变形空间操作臂的嵌入式计算机发送抓取完成信号。

(6)可变形空间操作臂的嵌入式计算机收到信号后，控制机械爪底坐中转轴转动，完成螺栓拆卸，并控制可变形空间操作臂机动将螺栓置于指定位置。

(7)可变形空间操作臂的嵌入式计算机控制机械臂靠近表面板几何中心点，并进一步控制机械爪瓣上的滑锁解锁，并使滑锁滑动至第二指节的中间处，使得机械爪爪瓣能机动展开。机械爪抓取表面板，机械臂机动完成表面板移除工作，并将其置于指定位置。

(8)卫星平台的计算机通过传感器确认空间操作完成，并向可变形空间操作臂嵌入式计算机发现空间操作终止信号。可变形空间操作臂的嵌入式计算机确认后发出机械爪爪瓣收拢信号，爪瓣机动收拢，位于第二指节处的滑锁分别滑动至六个爪部仿生关节处，通过凹口的咬合完成锁紧，实现机械爪收拢。

(9)机械爪收拢完成后，机械臂机动，可伸缩杆收缩，定长杆转动，紧贴平台外表面，恢复可变形空间操作臂初始位置，并向平台计算发送操作完成信号。

本发明中，机械臂是指定长杆、杆部仿生关节以及可伸缩杆组成的臂部部分，机械爪组件也称为机械爪，是多个机械爪瓣、底座以及转轴组成的爪部。

本领域的技术人员容易理解，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。

Claims (4)

1.一种可变形的空间操作臂，其特征在于，包括定长杆(1)、可伸缩杆(3)、杆部仿生关节(2)、机械爪组件(5)、底座(4)、转轴(12)以及滑锁(10)，其中，

所述可伸缩杆(3)长度可调，其通过杆部仿生关节(2)与长度固定的所述定长杆(1)相连接，以能与所述定长杆(1)间发生转动，从而实现空间位移变化；

所述机械爪组件(5)通过所述底座(4)内的转轴(12)与所述可伸缩杆(3)相连接，以能绕所述可伸缩杆转动，从而实现机械爪的转动；该机械爪组件(5)包括多个爪瓣，每个所述爪瓣又包括多个指节，相邻指节间通过爪部仿生关节(9)相连，爪部仿生关节(9)能调节指节与指节间的角度，实现机械爪组件对不同大小物体的抓握；

所述滑锁(10)具有多个，且均包套在所述爪瓣上，其能在爪瓣上滑动，用于滑至所述爪部仿生关节(9)处通过联合各个爪瓣上滑锁进行相互扣紧而将爪瓣收拢锁定。

2.如权利要求1所述的一种可变形的空间操作臂，其特征在于，所述滑锁(10)为横截面为优弧的筒状，其沿轴线的边部设置有凹口(11)，两个相邻的滑锁的所述凹口能相互咬合以实现扣紧。

3.如权利要求1或2所述的一种可变形的空间操作臂，其特征在于，所述机械爪组件(5)包括三个爪瓣，每一个爪瓣均包括三个指节。

4.如权利要求3所述的一种可变形的空间操作臂，其特征在于，所述滑锁具有六个，该六个滑锁分别对应锁紧六个所述爪部仿生关节(9)。