CN106002948B - 一种空间超冗余驱动机械臂及组装方法 - Google Patents

一种空间超冗余驱动机械臂及组装方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空间超冗余驱动机械臂，采用主机械臂级联辅助机械臂形式实现机械臂扩展功能，同时大幅提高机械臂冗余操作能力，实现形式相对简单、可靠，且不影响原机械臂的操作功能及操作性能；本发明的机械臂在轨组装方法，其中主机械臂和辅助机械臂的所有关节均可由主机械臂的中央控制器进行统一规划控制，可采用前7个自由度进行粗定位操作，后6个自由度进行精定位操作等分时控制方式，相比13自由度冗余操作可以在保证操作精度前提下大幅降低操作控制难度，同时由于中间三个关节采用共享方式，大大提高了空间资源利用率。

Description

一种空间超冗余驱动机械臂及组装方法
技术领域
本发明涉及空间机械臂技术领域，尤其涉及一种空间超冗余驱动机械臂及组装方法。
背景技术
目前在轨应用的空间机械臂主要采用单臂设计方式，其自由度数量一般不超过7个，具有相对固定的操作能力，受限于地面发射能力限制，其臂杆长度相对舱体一般较短，自由度数量也相对较少，导致机械臂基座固定时或者执行搬运货物操作时的工作空间受到很大限制，某些部位距离过远位置不可达，某些部位受障碍干涉约束姿态不可达。
发明内容
有鉴于此，为克服现有空间机械臂长度及冗余度方面的不足，本发明提供了一种简单、可靠的应用于空间扩展操作的超冗余驱动机械臂及组装方法。
一种空间冗余驱动机械臂，包括：主机械臂(10)和辅助机械臂(20)；
所述主机械臂(10)包括第一臂杆(131)、第二臂杆(132)、一个自由度的主臂肘部关节、三个自由度的主臂肩部关节、三个自由度的主臂腕部关节、中央控制器(14)、主臂肩部末端执行器(121)以主臂腕部末端执行器(122)；
所述第一臂杆(131)的一端通过主臂肘部关节(114)与所述第二臂杆(132)的一端连接；所述第一臂杆(131)的另一端连接所述主臂肩部关节一端，第二臂杆(132)的另一端连接所述主臂腕部关节的一端；主臂腕部关节的另一端连接主臂腕部末端执行器(122)；主臂肩部关节的另一端连接所述主臂肩部末端执行器(121)；
所述辅助机械臂(20)包括第三臂杆(231)、第四臂杆(232)、目标适配器(26)、具有一个自由度的辅臂肘部关节(24)、具有两个自由度的辅臂腕部关节以及辅臂腕部末端执行器(22)；所述第三臂杆(231)的一端通过辅臂肘部关节(24)连接第四臂杆(232)的一端；第三臂杆(231)的另一端连接目标适配器(26)的一端，目标适配器(26)的另一端连接主臂腕部末端执行器(122)；第四臂杆(232)的另一端连接所述辅臂腕部关节的一端，辅臂腕部关节的另一端连接辅臂腕部末端执行器(22)；
所述主臂腕部末端执行器(122)与所述目标适配器(26)连接后，主机械臂(10)与辅助机械臂(20)即实现电连接；
所述中央控制器(14)在主机械臂(10)与所述辅助机械臂(20)建立电连接之前，用于驱动所述主臂肩部关节、主臂肘部关节(114)和主臂腕部关节；在主机械臂(10)与所述辅助机械臂(20)建立电连接之后，还用于驱动所述辅臂肩部关节、辅臂肘部关节(24)和辅臂腕部关节。
较佳的，所述主臂肘部关节(114)用于控制第一臂杆(131)和第二臂杆(132)相对于主臂肘部关节(114)的回转运动。
较佳的，所述辅臂肘部关节(24)用于控制第三臂杆(231)和第四臂杆(232)相对于辅臂肘部关节(24)的回转运动。
进一步的，所述主臂肩部关节包括依次串联的主臂肩回转关节(111)、主臂肩偏航关节(112)和主臂肩俯仰关节(113)，分别用于控制回转、偏航和俯仰运动。
进一步的，所述主臂腕部关节包括依次串联的主臂腕回转关节(111)、主臂腕偏航关节(112)和主臂腕俯仰关节(113)，分别用于控制回转、偏航和俯仰运动。
进一步的，所述辅臂腕部关节包括辅臂腕回转关节(212)和辅臂腕俯仰关节(213)，分别用于控制回转和俯仰运动。
进一步的，所述主臂肩部末端执行器(121)上和主臂腕部末端执行器(122)上均安装有相机(151)。
进一步的，所述辅臂腕部末端执行器(22)上安装有相机(151)。
一种的空间冗余驱动机械臂的在轨组装方法，包括如下步骤：
步骤1、中央控制器(14)控制主臂肘部关节(114)驱动主机械臂(10)的第一臂杆(131)与第二臂杆(132)以爬行方式移动到能够接触到辅助机械臂(20)的基体预先铺设的基座适配器(30)位置；控制主机械臂(10)的肩部末端执行器(121)与基座适配器(30)连接；
步骤2、中央控制器(14)控制主臂肩部关节和主臂肘部关节(114)运动，进而驱动主臂腕部末端执行器(122)捕获辅助机械臂(20)的目标适配器(26)，实现主机械臂(10)与辅助机械臂(20)的机械连接、对准和锁紧；
步骤3、然后辅助机械臂(20)的辅臂腕部末端执行器(22)与舱体的基座断电，控制目标适配器(26)的电连接器加电，实现主机械臂(10)与辅助机械臂(20)的电气连接；
步骤4、在完成主机械臂(10)与辅助机械臂(20)的电连接状态正确性检查确认后，辅臂腕部末端执行器(22)释放与基座的连接，实现空间级联组装操作。
进一步的，组装方法还包括如下步骤：
机械臂完成空间任务后，主机械臂(10)将辅助机械臂(20)送回其在基体的初始位置，辅臂末端执行器(22)与基体进行机械连接；然后目标适配器(26)的电连接器断电，同时辅臂腕部末端执行器(22)的电连接器与基体通电；在完成辅助机械臂(20)与基体的电连接状态正确性检查确认后，主机械臂(10)的主臂腕部末端执行器(122)分离和释放辅助机械臂(20)的目标适配器(26)，最终实现主机械臂(10)与辅助机械臂(20)的解锁、分离和释放，此时主机械臂(10)与辅助机械臂(20)分别独立在轨工作。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的机械臂采用主机械臂级联辅助机械臂形式实现机械臂扩展功能，同时大幅提高机械臂冗余操作能力，实现形式相对简单、可靠，且不影响原机械臂的操作功能及操作性能。
(2)本发明的机械臂在轨组装方法，其中主机械臂和辅助机械臂的所有关节均可由主机械臂的中央控制器进行统一规划控制，可采用前7个自由度进行粗定位操作，后6个自由度进行精定位操作等分时控制方式，相比13自由度冗余操作可以在保证操作精度前提下大幅降低操作控制难度，同时由于中间三个关节采用共享方式，大大提高了空间资源利用率。
附图说明
图1是本发明专利的超冗余驱动机械臂立体外观图；
图2是本发明一的主机械臂立体外观图；
图3是本发明的辅助机械臂立体外观图；
其中，10-主机械臂，14-中央控制器，111-主臂肩回转关节，112-主臂肩偏航关节，113-主臂肩俯仰关节，114-主臂肘部关节，115-主臂腕回转关节，116-主臂腕偏航关节，117-主臂腕俯仰关节，121-主臂肩部末端执行器，122-主臂腕部末端执行器，131-第一臂杆，132-第二臂杆，151-相机，20-辅助臂，212-辅臂腕回转关节，213-辅臂腕俯仰关节，231-第三臂杆，232-第四臂杆，22-辅臂腕部末端执行器，24-辅臂肘部关节，26-目标适配器，30-基座适配器。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明的一种能够实现空间在轨组装的超冗余驱动机械臂包括：主机械臂10和辅助机械臂20；
如图2所示，所述主机械臂10包括第一臂杆131、第二臂杆132、一个自由度的主臂肘部关节、三个自由度的主臂肩部关节、三个自由度的主臂腕部关节、中央控制器14、主臂肩部末端执行器121以主臂腕部末端执行器122；
所述第一臂杆131的一端通过主臂肘部关节114与所述第二臂杆132的一端连接；所述第一臂杆131的另一端连接所述主臂肩部关节一端，第二臂杆132的另一端连接所述主臂腕部关节的一端；主臂腕部关节的另一端连接主臂腕部末端执行器122；主臂肩部关节的另一端连接所述主臂肩部末端执行器121；
如图3所示，所述辅助机械臂20包括第三臂杆231、第四臂杆232、目标适配器26、具有一个自由度的辅臂肘部关节24、具有两个自由度的辅臂腕部关节以及辅臂腕部末端执行器22；所述第三臂杆231的一端通过辅臂肘部关节24连接第四臂杆232的一端；第三臂杆231的另一端连接目标适配器26的一端，目标适配器26的另一端连接主臂腕部末端执行器122；第四臂杆232的另一端连接所述辅臂腕部关节的一端，辅臂腕部关节的另一端连接辅臂腕部末端执行器22；
所述主臂腕部末端执行器122与所述目标适配器26连接后，主机械臂10与辅助机械臂20即实现电连接；
所述中央控制器14在主机械臂10与所述辅助机械臂20建立电连接之前，用于驱动所述主臂肩部关节、主臂肘部关节114和主臂腕部关节；在主机械臂10与所述辅助机械臂20建立电连接之后，还用于驱动所述辅臂肩部关节、辅臂肘部关节24和辅臂腕部关节。
所述主臂肘部关节114用于控制第一臂杆131和第二臂杆132相对于主臂肘部关节114的回转运动。所述辅臂肘部关节24用于控制第三臂杆231和第四臂杆232相对于辅臂肘部关节24的回转运动。4所述主臂肩部关节包括依次串联的主臂肩回转关节111、主臂肩偏航关节112和主臂肩俯仰关节113，分别用于控制回转、偏航和俯仰运动。所述主臂腕部关节包括依次串联的主臂腕回转关节111、主臂腕偏航关节112和主臂腕俯仰关节113，分别用于控制回转、偏航和俯仰运动。所述辅臂腕部关节包括辅臂腕回转关节212和辅臂腕俯仰关节213，分别用于控制回转和俯仰运动。
所述主臂肩部末端执行器121上和主臂腕部末端执行器122上均安装有相机151。所述辅臂腕部末端执行器22上安装有相机151。
超冗余驱动机械臂1通过以下方式实现空间在轨组装操作。首先主机械臂10通过爬行方式移动到能够接触到辅助机械臂20的基体预先铺设的基座适配器30位置；控制主机械臂10的肩部末端执行器121与基座适配器30连接；主机械臂10采用不与基体连接的腕部末端执行器122捕获辅助机械臂20的目标适配器26，通过捕获装置1221、拖动装置1222以及锁紧装置1223依次正向动作实现两部分的高刚度机械连接、对准和锁紧；然后辅助机械臂20的末端执行器22电连接器与基体断电，接着其目标适配器26的电连接器加电，实现两部分的电气连接；在完成主机械臂10与辅助机械臂20的电连接状态正确性检查确认后，辅助机械臂20的末端执行器22释放与基体的连接，主机械臂和辅助机械臂的所有关节均由主机械臂的中央控制器进行10自由度的统一规划控制，进而实现主机械臂10和辅助机械臂20的空间级联组装操作。
在完成复杂空间任务后，主机械臂10将辅助机械臂20送回其在基体的初始位置，辅助机械臂20的末端执行器22与基体进行机械连接；然后辅助机械臂20目标适配器26的电连接器断电，同时其末端执行器22的电连接器与基体通电；在完成辅助机械臂20与基体的电连接状态正确性检查确认后，主机械臂10的腕部末端执行器122分离和释放辅助机械臂20的目标适配器26，通过锁紧装置1223、拖动装置1222以及捕获装置1221依次反向动作，最终实现两部分的解锁、分离和释放，此时主机械臂10与辅助机械臂20可以分别独立在轨工作。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空间冗余驱动机械臂，其特征在于，包括：主机械臂(10)和辅助机械臂(20)；
所述主机械臂(10)包括第一臂杆(131)、第二臂杆(132)、一个自由度的主臂肘部关节、三个自由度的主臂肩部关节、三个自由度的主臂腕部关节、中央控制器(14)、主臂肩部末端执行器(121)以及 主臂腕部末端执行器(122)；
所述第一臂杆(131)的一端通过主臂肘部关节(114)与所述第二臂杆(132)的一端连接；所述第一臂杆(131)的另一端连接所述主臂肩部关节一端，第二臂杆(132)的另一端连接所述主臂腕部关节的一端；主臂腕部关节的另一端连接主臂腕部末端执行器(122)；主臂肩部关节的另一端连接所述主臂肩部末端执行器(121)；
所述辅助机械臂(20)包括第三臂杆(231)、第四臂杆(232)、目标适配器(26)、具有一个自由度的辅臂肘部关节(24)、具有两个自由度的辅臂腕部关节以及辅臂腕部末端执行器(22)；所述第三臂杆(231)的一端通过辅臂肘部关节(24)连接第四臂杆(232)的一端；第三臂杆(231)的另一端连接目标适配器(26)的一端，目标适配器(26)的另一端连接主臂腕部末端执行器(122)；第四臂杆(232)的另一端连接所述辅臂腕部关节的一端，辅臂腕部关节的另一端连接辅臂腕部末端执行器(22)；
所述主臂腕部末端执行器(122)与所述目标适配器(26)连接后，主机械臂(10)与辅助机械臂(20)即实现电连接；
所述中央控制器(14)在主机械臂(10)与所述辅助机械臂(20)建立电连接之前，用于驱动所述主臂肩部关节、主臂肘部关节(114)和主臂腕部关节；在主机械臂(10)与所述辅助机械臂(20)建立电连接之后，还用于驱动所述辅臂肩部关节、辅臂肘部关节(24)和辅臂腕部关节。
2.如权利要求1所述的一种空间冗余驱动机械臂，其特征在于，所述主臂肘部关节(114)用于控制第一臂杆(131)和第二臂杆(132)相对于主臂肘部关节(114)的回转运动。
3.如权利要求1所述的一种空间冗余驱动机械臂，其特征在于，所述辅臂肘部关节(24)用于控制第三臂杆(231)和第四臂杆(232)相对于辅臂肘部关节(24)的回转运动。
4.如权利要求1所述的一种空间冗余驱动机械臂，其特征在于，所述主臂肩部关节包括依次串联的主臂肩回转关节(111)、主臂肩偏航关节(112)和主臂肩俯仰关节(113)，分别用于控制回转、偏航和俯仰运动。
5.如权利要求1所述的一种空间冗余驱动机械臂，其特征在于，所述主臂腕部关节包括依次串联的主臂腕回转关节(111)、主臂腕偏航关节(112)和主臂腕俯仰关节(113)，分别用于控制回转、偏航和俯仰运动。
6.如权利要求1所述的一种空间冗余驱动机械臂，其特征在于，所述辅臂腕部关节包括辅臂腕回转关节(212)和辅臂腕俯仰关节(213)，分别用于控制回转和俯仰运动。
7.如权利要求1所述的一种空间冗余驱动机械臂，其特征在于，所述主臂肩部末端执行器(121)上和主臂腕部末端执行器(122)上均安装有相机(151)。
8.如权利要求1所述的一种空间冗余驱动机械臂，其特征在于，所述辅臂腕部末端执行器(22)上安装有相机(151)。
9.一种基于权利要求1所述的空间冗余驱动机械臂的在轨组装方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、中央控制器(14)控制主臂肘部关节(114)驱动主机械臂(10)的第一臂杆(131)与第二臂杆(132)以爬行方式移动到能够接触到辅助机械臂(20)的基体预先铺设的基座适配器(30)位置；控制主机械臂(10)的肩部末端执行器(121)与基座适配器(30)连接；
步骤2、中央控制器(14)控制主臂肩部关节和主臂肘部关节(114)运动，进而驱动主臂腕部末端执行器(122)捕获辅助机械臂(20)的目标适配器(26)，实现主机械臂(10)与辅助机械臂(20)的机械连接、对准和锁紧；
步骤3、然后辅助机械臂(20)的辅臂腕部末端执行器(22)与舱体的基座断电，控制目标适配器(26)的电连接器加电，实现主机械臂(10)与辅助机械臂(20)的电气连接；
步骤4、在完成主机械臂(10)与辅助机械臂(20)的电连接状态正确性检查确认后，辅臂腕部末端执行器(22)释放与基座的连接，实现空间级联组装操作。
10.如权利要求9所述的在轨组装方法，其特征在于，还包括如下步骤：
机械臂完成空间任务后，主机械臂(10)将辅助机械臂(20)送回其在基体的初始位置，辅臂末端执行器(22)与基体进行机械连接；然后目标适配器(26)的电连接器断电，同时辅臂腕部末端执行器(22)的电连接器与基体通电；在完成辅助机械臂(20)与基体的电连接状态正确性检查确认后，主机械臂(10)的主臂腕部末端执行器(122)分离和释放辅助机械臂(20)的目标适配器(26)，最终实现主机械臂(10)与辅助机械臂(20)的解锁、分离和释放，此时主机械臂(10)与辅助机械臂(20)分别独立在轨工作。
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