CN106275519B - 一种空间舱内货包取放机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间舱内货包取放机械手，包括机械臂和机械爪，机械臂的一端可滑动的安装在货舱的导轨上，另一端与机械爪相连；机械爪包括主爪和副爪，副爪与机械臂相连，包括可同步张开和收拢的至少三个附爪；主爪位于附爪端部连线所围成区域的中心，包括可开合的左爪钳和右爪钳。本发明所提供的空间舱内货包取放机械手，具有重量轻、体积小、灵活性高等特点，集成了机器视觉、压力传感器、货物识别等多功能于一身，集成度高；并采用多连杆，剪叉等多种运动机构，动作柔性大。不仅能够对货包进行抓/放、识别、定位、捆绑/解绑等多种操作，还能够对动作完成度进行闭环控制和检查。

Description

一种空间舱内货包取放机械手

技术领域

本发明属于空间站技术领域，具体涉及一种空间舱内货包取放机械手。

背景技术

空间站(Space Station)又称太空站、航天站、轨道站。是一种在近地轨道长时间运行，可供多名航天员巡访、长期工作和生活的载人航天器。空间站分为单一式和组合式两种。单一式空间站可由航天运载器一次发射入轨，组合式空间站则由航天运载器分批将组件送入轨道，在太空组装而成。

空间站的基本组成是以一个载人生活舱为主体，再加上有不同用途的舱段，如工作实验舱、科学仪器舱等。空间站外部必须装有太阳能电池板和对接舱口，以保证站内电能供应和实现与其他航天器的对接。空间站是一个由许多相互关联的子系统构成的复杂系统，一个功能完备的空间站通常会具备以下的模块：主体结构、电源供应系统、乘员生活设施以及乘员和货物运输系统等。

传统的空间站货包通常是放置在空间舱内，取放都是通过人工来实现，因此急需研发一种智能取放系统，完成货包取放的自动化，提高航天员工作的便利性，提高空间科学应用的规模和水平。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种结构合理，灵活性高的空间舱内货包取放机械手。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种空间舱内货包取放机械手，包括机械臂和机械爪，机械臂的一端可滑动的安装在货舱的导轨上，另一端与机械爪相连；机械爪包括主爪和副爪，副爪与机械臂相连，包括可同步张开和收拢的至少三个附爪；主爪位于附爪端部连线所围成区域的中心，包括可开合的左爪钳和右爪钳。

优选地，所述副爪包括与机械臂相连的套筒，套筒外圆周面上套设有套筒外滑环，套筒外滑环可沿着套筒的轴线滑动；套筒外滑环与附爪的根部转动连接；套筒的端部与副爪连杆的一端转动连接，副爪连杆的另一端与附爪的中部转动连接。

优选地，所述套筒内设有丝杆，套筒外滑环与丝杆形成丝杆副。

优选地，所述主爪包括与副爪相连的主爪底盘，主爪底盘的一侧面上设有啮合的左盘齿和右盘齿，左盘齿与左爪钳转动连接，左连杆的一端与主爪底盘转动连接，另一端与左爪钳中部转动连接；右盘齿与右爪钳转动连接，右连杆的一端与主爪底盘转动连接，另一端与右爪钳中部转动连接。

优选地，所述主爪底盘的另一侧面上设有舵机，舵机的输出端穿过主爪底盘与右盘齿的圆心相连。

优选地，所述主爪底盘的前端与卡扣固定块相连，卡扣固定块的前端开设有固定槽，固定槽内设有光电传感器。

优选地，所述附爪、左爪钳和右爪钳的端部均设有压力传感器。

优选地，所述机械臂具有八个自由度，包括八个顺次安装的电机，前一个电机安装在后一个电机的转动端上，相邻的电机两两之间轴线垂直，第一个电机安装在导轨上，最后个电机的转动端与机械爪相连。

优选地，所述机械臂的一端安装在机械臂座上，机械臂座与导轨形成移动副。

优选地，所述机械爪上设有图像识别装置，图像识别装置包括伸缩机构、摄像头和摄像平台，伸缩机构的一端与机械爪相连，另一端与摄像平台相连，摄像头安装在摄像平台上；伸缩机构的伸缩方向与机械爪的轴线垂直。

本发明的有益效果是：本发明所提供的空间舱内货包取放机械手，具有重量轻、体积小、灵活性高等特点，集成了机器视觉、压力传感器、货物识别等多功能于一身，集成度高；并采用多连杆，剪叉等多种运动机构，动作柔性大。不仅能够对货包进行抓/放、识别、定位、捆绑/解绑等多种操作，还能够对动作完成度进行闭环控制和检查。

附图说明

图1是本发明空间舱内货包取放系统的结构示意图；

图2是本发明空间舱内货包取放系统的侧视图；

图3是本发明空间舱内货包取放机械手的结构示意图；

图4是本发明空间舱内货包取放机械手的局部示意图；

图5是本发明机械爪的结构示意图；

图6是本发明机械爪另一角度的结构示意图；

图7是本发明机械手收纳状态示意图；

图8是本发明方形货包的结构示意图；

图9是本发明母扣的结构示意图；

图10是本发明卡扣的结构示意图；

图11是本发明机械手将货包推入仓位的流程图；

图12是本发明机械爪收回的流程图；

图13是本发明主爪抓住卡扣的流程图；

图14是本发明机械手取出卡扣的流程图；

图15是本发明机械手抓取货包的流程图。

附图标记说明：11、货架；12、仓位；13、导轨；14、机械臂座；15、把手；16、卡扣；17、母扣；21、机械臂；2101、延长臂；2102、末端电机；22、机械爪；2201、套筒；2202、套筒外滑环；2203、附爪；2204、副爪连杆；2205、主爪底盘；2206、左爪钳；2207、右爪钳；2208、左盘齿；2209、右盘齿；2210、左连杆；2211、右连杆；2212、卡扣固定块；2213、舵机；23、图像识别装置；2301、剪叉机构；2302、摄像平台；31、方形货包；32、中央把带；33、四周把带。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图1至图10所示，本发明的空间舱内货包取放机械手应用于空间舱内货包取放系统，空间舱内货包取放系统包括货舱、空间舱内货包取放机械手(以下简称为机械手)和仓储信息数据库，货舱用于存放货包，机械手用于对货包进行抓/放、识别、定位、捆绑/解绑等多种操作，仓储信息数据库用于记录每个仓位存储的货包类型以及每个货包所存放的仓位位置，以便系统能够进行快速的放包操作和取包操作。

如图1所示，货舱包括围成矩形通道空间的四个货架11，货架11开设有用于放置货包的仓位12，相邻的货架11之间具有顺着货架11长度方向的间隙，导轨13顺着货架11长度方向安装在其中一个货架11侧面，机械手的的一端可滑动的安装在货舱的导轨13上，且机械手可通过间隙进入矩形通道空间。

如图7所示，与安装有导轨13的货架相邻的另一货架侧面固定安装有把手15，把手15与导轨13相对。当系统空闲时，机械手需要收起(归位)，机械手收起后不占据矩形通道空间。机械手收回时，将机械手夹住货架上的把手，防止机械手收回后晃动。

从图1和图7还可以看出，货架上的仓位12呈行列分布，在货舱的圆周方向所在的平面，具有一圈仓位，顺着货舱的长度方向，具有若干圈这样的仓位。根据仓位所在的位置不同，其具体空间有差异，为了最大化的利用空间，货包也随之设置为各种形状，如梯形货包、楔形货包和方形货包等。

货包在抓取或者存放前，系统要知道货包类型，以便在取货包时进行货物比对、在存货包时，便于进行自动仓位位置规划。如图8所示，在本实施例中，以方形货包31为例进行说明，方形货包的抓取面中心设有中央把带32，四周设有四个四周把带33，四个四周把带33的连线围成一个矩形，中央把带32位于该矩形的中心。

货包通过卡扣16和母扣17卡合固定在仓位内。图9和图10分别为母扣和卡扣的结构示意图，卡扣插入母扣后可卡合，通过按压卡扣才能将卡扣从母扣中取出。

机械手包括机械臂21、机械爪22和图像识别装置23，机械臂21的一端安装在机械臂座14上，机械臂座14与导轨13形成移动副。机械臂座14可沿安装在货架上的导轨在货架长度方向移动。机械臂21的另一端与机械爪22相连，机械臂21可驱动机械爪22到达货舱圆周方向上同一平面内的任一仓位12对货包进行抓取或者存放。

机械爪22包括主爪和副爪，副爪与机械臂21相连，包括可同步张开和收拢的至少三个附爪2203；主爪位于附爪2203端部连线所围成区域的中心，包括可开合的左爪钳2206和右爪钳2207。附爪2203、左爪钳2206和右爪钳2207的端部均设有压力传感器。主爪用于货包的捆绑和解绑以及抓住货包抓取面的中央把带32，副爪用于抓住货包抓取面的四周把带33。通过主爪和副爪的配合，能够约束整个货包抓取面，进而实现货包的全自由度的约束。在本实施例中，附爪2203的数量为四，与方形货包的四个四周把带分别对应。

如图5和图6所示，副爪包括与机械臂21相连的套筒2201，套筒2201外圆周面上套设有套筒外滑环2202，套筒外滑环2202可沿着套筒2201的轴线滑动；四个附爪2203的根部均与套筒外滑环2202转动连接，其连接位置与四周把带的位置相关。套筒2201的端部与副爪连杆2204的一端转动连接，副爪连杆2204的另一端与附爪2203的中部转动连接。套筒2201内设有丝杆，套筒外滑环2202与丝杆形成丝杆副。丝杆驱动套筒外滑环沿套筒的轴线滑动时，四个附爪可同步张开和收拢。

主爪包括安装在套筒前端的主爪底盘2205，主爪底盘2205的一侧面上设有啮合的左盘齿2208和右盘齿2209，左盘齿2208与左爪钳2206转动连接，左连杆2210的一端与主爪底盘2205转动连接，另一端与左爪钳2206中部转动连接；右盘齿2209与右爪钳2207转动连接，右连杆2211的一端与主爪底盘2205转动连接，另一端与右爪钳2207中部转动连接。主爪底盘2205的另一侧面上设有舵机2213，舵机2213的输出端穿过主爪底盘2205与右盘齿2209的圆心相连。舵机驱动右盘齿转动时，左盘齿同步啮合转动，通过舵机的来回转动，可实现左爪钳和右爪钳的开合。

主爪捆绑和解绑货包时，需要抓取卡扣，为了防止抓取时卡扣晃动，主爪底盘2205的前端与卡扣固定块2212相连，卡扣固定块2212的前端开设有固定槽，固定槽与卡扣大小匹配，用于对卡扣进行限位。卡扣固定块2212的固定槽内设有光电传感器，光电传感器用于感应卡扣是否插入或者脱开卡扣固定块。

机械臂21具有八个自由度，包括八个顺次安装的电机，前一个电机安装在后一个电机的转动端上，相邻的电机两两之间轴线垂直，第一个电机安装在机械臂座14上，最后个电机的转动端与机械爪22相连。图3所示为机械臂的八个自由度，具体的，机械臂包括第一电机、第二电机、第三电机、第四电机、第五电机、第六电机、第七电机和末端电机2102，第一电机安装在机械臂座上，第二电机安装在第一电机的转动端上，第一电机与第二电机轴线垂直；第三电机安装在第二电机的转动端上，第二电机与第三电机轴线垂直；以此类推。特别的，为了实现长臂展，可在电机的转动端设置延长臂2101，下一个电机安装在延长臂2101的末端。得益于长臂展和多自由度，机械臂能够抓取任一仓位的货包，而且，任一仓位货包的取放操作，均能保证机械臂在矩形通道空间内，不会与货舱其余部分发生干涉。

图像识别装置23包括伸缩机构、摄像头和摄像平台2302，伸缩机构的一端与机械爪22相连，另一端与摄像平台2302相连，伸缩机构的伸缩方向与机械爪22的轴线垂直。摄像头安装在摄像平台2302上，摄像头使机械爪在抓取和存放货包时能够进行精确定位，实现视觉伺服；同时，摄像头还可进行现场视频的实时传输，便于航天员进行远程监控。如图4所示，在本实施例中，伸缩机构为摄像连杆铰接形成的剪叉机构2301，摄像平台2302上同时设置照明灯，便于在货舱内灯光没有打开时，机械爪可依靠自身照明操作。

需要说明的是，为了使得伸缩机构的伸缩方向与机械爪的轴线垂直，可以将伸缩机构的一端安装在套筒上，且互相垂直。但由于套筒与末端电机2102直接相连，为了不影响套筒外滑环的滑动，也可以将伸缩机构安装在末端电机上，由于机械爪始终和末端电机位于同一轴线，故伸缩机构的伸缩方向与机械爪的轴线垂直。

如图11至图15所示，本发明还提供一种基于上述取放系统的空间舱内货包取放方法，包括放包过程和取包过程，取货包时，机械手能够自动完成将货包解绑的首要动作过程；放货包时，货包正确放入仓位后，机械手能够自动完成货包捆绑动作。具体的，放包过程包括以下步骤：

A1、机械臂张开，驱动机械爪移至货舱仓口，通过图像识别装置识别货包；

A2、机械手抓取货包，并将货包送至仓位粗定位；

A3、通过图像识别装置图像识别仓位精定位；

A4、机械手将货包推入仓位，机械爪收回；机械手将货包推入仓位的流程图如图11所示，首先是机械爪在机械臂的驱动下整体前移，当货包到位后，主爪和副爪的压力传感器压力达到阈值，此时图像识别装置识别货包是否入位，如果是完成此流程，如果不是则机械爪退回，重新进行步骤A3。

A5、机械手捆绑货包；

A6、更新仓储信息，机械臂收回。

其中取包过程包括以下步骤：

B1、选择货包或指定仓位；

B2、机械臂张开，驱动机械爪移至仓位粗定位；

B3、通过图像识别装置识别货包，若货包正确则进行步骤B4；若货包不正确则返回步骤B2重新定位；

B4、机械手解绑货包；

B5、机械手重新到达仓位粗定位；

B6、通过图像识别装置图像识别货包精定位；

B7、机械手抓取货包，取出货包；

B8、机械手将货包送至仓口，人工取包；

B9、更新仓储信息，机械臂收回。

步骤A5包括以下步骤：

A51、机械手移至仓位附近放置了卡扣的母扣位置；

A52、通过图像识别装置图像识别卡扣精定位；

A53、主爪抓住卡扣，按压卡扣并取出卡扣；

A54、机械手夹持卡扣移至待绑定母扣位置；

A55、通过图像识别装置图像识别母扣精定位；

A56、机械爪将卡扣插入母扣；

A57、主爪松开，机械手退回。

步骤B4包括以下步骤：

B41、通过图像识别装置图像识别卡扣精定位；

B42、主爪抓住卡扣，按压卡扣并取出卡扣；

B43、机械手夹持卡扣移至仓位附近未放置卡扣的母扣位置；

B44、通过图像识别装置图像识别母扣精定位；

B45、机械手将卡扣插入母扣；

B46、主爪松开，机械手退回。

步骤A2和B7中，机械手抓取货包的流程图如图15所示，首先通过图像识别装置进行图像精定位，然后主爪的左爪钳和右爪钳夹住中央把带，副爪的四个附爪同步张开，伸入四周把带中，随着四周把带对附爪的限制，附爪端部的压力传感器压力达到阈值，此时图像识别装置识别附爪是否插入四周把带，如果是，则进入下一步。如果压力传感器压力不能达到阈值，则需要收回附爪，左爪钳和右爪钳松开，重新进行图像精定位。

上述方法中的机械爪收回的流程图如图12所示；主爪抓住卡扣的流程图如图13所示；机械手取出卡扣的流程图如图14所示。上述的粗定位均为通过系统控制机械臂的多自由度配合驱动机械爪达到指定位置实现的厘米级别或者亚厘米级别的定位。但这样的定位并不能实现抓取的100％成功，因此需要通过图像识别装置进行图像识别精定位。

当系统出现异常时，比如识别失败、抓货包动作失败、存货包入舱动作失败等，系统可自行提示航天员，以便人工介入，通过远程操作机械臂，实现异常恢复。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种空间舱内货包取放机械手，其特征在于：包括机械臂(21)和机械爪(22)，机械臂(21)的一端可滑动的安装在货舱的导轨(13)上，另一端与机械爪(22)相连；机械爪(22)包括主爪和副爪，副爪与机械臂(21)相连，包括可同步张开和收拢的至少三个附爪(2203)；主爪位于附爪(2203)端部连线所围成区域的中心，包括可开合的左爪钳(2206)和右爪钳(2207)；

所述副爪包括与机械臂(21)相连的套筒(2201)，套筒(2201)外圆周面上套设有套筒外滑环(2202)，套筒外滑环(2202)可沿着套筒(2201)的轴线滑动；套筒外滑环(2202)与附爪(2203)的根部转动连接；套筒(2201)的端部与副爪连杆(2204)的一端转动连接，副爪连杆(2204)的另一端与附爪(2203)的中部转动连接；

所述主爪包括与副爪相连的主爪底盘(2205)，主爪底盘(2205)的一侧面上设有啮合的左盘齿(2208)和右盘齿(2209)，左盘齿(2208)与左爪钳(2206)转动连接，左连杆(2210)的一端与主爪底盘(2205)转动连接，另一端与左爪钳(2206)中部转动连接；右盘齿(2209)与右爪钳(2207)转动连接，右连杆(2211)的一端与主爪底盘(2205)转动连接，另一端与右爪钳(2207)中部转动连接。

2.根据权利要求1所述的空间舱内货包取放机械手，其特征在于：所述套筒(2201)内设有丝杆，套筒外滑环(2202)与丝杆形成丝杆副。

3.根据权利要求1所述的空间舱内货包取放机械手，其特征在于：所述主爪底盘(2205)的另一侧面上设有舵机(2213)，舵机(2213)的输出端穿过主爪底盘(2205)与右盘齿(2209)的圆心相连。

4.根据权利要求1所述的空间舱内货包取放机械手，其特征在于：所述主爪底盘(2205)的前端与卡扣固定块(2212)相连，卡扣固定块(2212)的前端开设有固定槽，固定槽内设有光电传感器。

5.根据权利要求1所述的空间舱内货包取放机械手，其特征在于：所述附爪(2203)、左爪钳(2206)和右爪钳(2207)的端部均设有压力传感器。

6.根据权利要求1所述的空间舱内货包取放机械手，其特征在于：所述机械臂(21)具有八个自由度，包括八个顺次安装的电机，前一个电机安装在后一个电机的转动端上，相邻的电机两两之间轴线垂直，第一个电机安装在导轨(13)上，最后个电机的转动端与机械爪(22)相连。

7.根据权利要求1所述的空间舱内货包取放机械手，其特征在于：所述机械臂(21)的一端安装在机械臂座(14)上，机械臂座(14)与导轨(13)形成移动副。

8.根据权利要求1所述的空间舱内货包取放机械手，其特征在于：所述机械爪(22)上设有图像识别装置(23)，图像识别装置(23)包括伸缩机构、摄像头和摄像平台(2302)，伸缩机构的一端与机械爪(22)相连，另一端与摄像平台(2302)相连，摄像头安装在摄像平台(2302)上；伸缩机构的伸缩方向与机械爪(22)的轴线垂直。