CN108068135A - 一种新型可伸展欠驱动四棱柱桁架机械手 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型可伸展欠驱动四棱柱桁架机械手，其包括：至少一个机械手爪，机械手爪均有多个桁架结构；桁架结构包括多个伸缩剪叉单元、多个转动剪叉单元；伸缩剪叉单元包括四个伸缩剪叉杆，四个伸缩剪叉杆相互连接形成四边形剪叉结构；转动剪叉单元包括相互连接的两个伸缩剪叉杆、两个转动剪叉杆；每一转动剪叉杆包括第一转动杆、第二转动杆，第一转动杆、第二转动杆通过转动轴连接；桁架结构处于折叠状态时，第一固定板、第二固定板相互平行设置；桁架结构伸展至指定状态时，第一转动杆围绕转动轴旋转预定的角度，带动第一固定板相对于第二固定板进行转动。本发明具有折叠功能，减少了占用空间；其强度高，结构紧凑、自适应性强。

Description

一种新型可伸展欠驱动四棱柱桁架机械手

技术领域

本发明涉及一种新型可伸展欠驱动四棱柱桁架机械手。

背景技术

人类的太空任务不断增加，太空机器人的作用便突显了出来，例如太空机械手可以对太空的货物进行搬运，对在轨机器人或者垃圾可以抓取回收进行维修的工作。应用机器人宇航员可代替宇航员从事舱外作业，应用星球探测机器人可对星球进行无人探测。目前空间机器人虽然具有智能化程度高、对作业任务适应能力强等优点，但是其结构复杂且驱动繁琐，操作难度大，要求技术高，且在太空种又极易受到大温差与辐射多种因素的干扰，易造成机器人损坏。复杂的机构在发射进太空占用体积过来，成本过高也是不可忽视的问题。

中国专利公开了201410056414.6公开了一种可伸展欠驱动索杆桁架式机械手爪，包括前端连接装置、杆间转角限位机构、末端索杆桁架、绳索、多个定位柱和多个可伸展模块化索杆桁架；所述前端连接装置包括连接板、两个绳索轴、两个限位柱、两个安装板、两个过渡板和四个支撑板，竖直方向上位于同一侧的两个支撑板穿设有绳索轴，电机的输出轴竖向设置且与相对应的绳索轴连接；每个所述可伸展模块化索杆桁架包括两个绕绳轴、十二个摩擦阻尼金属片和六个连接杆。

现有技术的缺陷在于：占用体积大，不具有折叠展开的功能，刚度不够大，抓取方向单一，只能沿一个方向进行抓取；架式结构通过限位只能沿单一方向抓取，不够灵活。

因此，如何提供一种面向空间非合作目标抓捕的可伸展的桁架式机械手，成了业内需要解决的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种新型可伸展欠驱动四棱柱桁架机械手，其采用可伸展式机构，占用体积小、灵活度高，具有对非合作目标抓捕刚度高，抓取力大，适应力强且易于折叠发射等多种优点。

为了实现第一述目的，本发明提供了一种新型可伸展欠驱动四棱柱桁架机械手，其包括至少一个机械手爪，机械手爪均有多个桁架结构；桁架结构包括：

第一固定板、第二固定板及用于连接第一固定板、第二固定板的第一剪叉臂、第二剪叉臂、第三剪叉臂、第四剪叉臂；第一剪叉臂、第二剪叉臂为伸缩剪叉臂；第三剪叉臂、第四剪叉臂为转动剪叉臂；

伸缩剪叉臂包括至少一组伸缩剪叉单元；伸缩剪叉单元包括四个伸缩剪叉杆，四个伸缩剪叉杆相互连接形成四边形剪叉结构；

转动剪叉臂包括至少一组转动剪叉单元；转动剪叉单元包括相互连接的两个伸缩剪叉杆、相互连接的两个转动剪叉杆；每一转动剪叉杆包括第一转动杆、第二转动杆，第一转动杆、第二转动杆通过转动轴连接；

桁架结构处于折叠状态时，第一固定板、第二固定板相互平行设置；桁架结构伸展至指定状态时，第一转动杆围绕转动轴旋转预定的角度，进而带动第一固定板相对于第二固定板进行转动。

本发明中的桁架结构采用四棱柱结构，其中第一剪叉臂、第二剪叉臂相邻设置；第三剪叉臂、第四剪叉臂相邻设置，且第一剪叉臂、第二剪叉臂均可以实现伸缩和转动，解决了传统剪叉结构中只能够实现伸缩，不能转动的弊端，从而实现完成机械手多角度的抓取动作。

本发明利用该桁架结构的可伸展的性能，该机械手空闲状态下，可以节省大量的空间，使用时，可以根据需要完成相应的抓取动作，占地面积小，使用性能强。

根据本发明的另一种具体实施方式，转动剪叉单元设有联动结构，联动结构包括销轴、引导槽，引导槽设置于第二固定板上；销轴可滑动地设在引导槽中；两个伸缩剪叉杆通过销轴连接第二固定板。设置该联动结构的目的在于，在第一转动杆、第二转动杆相对转动的过程中，为了使转动更加均匀，避免转动剪叉臂中的伸缩剪叉杆与第一固定板、第二固定板之间出现干涉、卡位等现象，影响转动的平稳性与转动范围。在转动剪叉臂进行伸缩过程，销轴起到转动作用；在转动剪叉臂进行转动时，第一转动杆、第二转动杆围绕转轴进行相对转动，此时，销轴沿着引导槽动作，配额转动剪叉杆的转动。

根据本发明的另一种具体实施方式，引导槽的槽口走向垂直于第二固定板。本方案中引导槽竖直设置，实现转动剪叉臂沿着引导槽滑动一定的距离，进而配合转动剪叉臂的转动。

根据本发明的另一种具体实施方式，伸缩剪叉单元设有分别连接第一固定板、第二固定板的传动结构，传动结构包括传动板、传动轴；传动板固定连接传动轴。具体的，传动结构包括第一传动轴、第一传动板、第二传动轴、第二传动板，第一传动板转动设在第一传动轴上，第一传动轴设在第一固定板上；第二传动板转动设在第二传动轴上，第二传动轴设在第二固定板上；当转动剪叉单元转动时，伸缩剪叉单元与第一固定板和第二固定板之间实现转动，以配合桁架结构整体的转动。

根据本发明的另一种具体实施方式，第一转动杆、第二转动杆位于共线时，转动轴与第一转动杆之间的夹角为35°—55°，优选的，转动轴与第一转动杆之间的夹角为40°。本方案中，在第一转动杆、第二转动杆与转动轴连接的位置均设有连接板，进一步提高第一转动杆、第二转动杆在转动过程中的平稳性。

根据本发明的另一种具体实施方式，第一固定板、第二固定板设有多个对应伸缩剪叉杆、转动剪叉杆的凹槽。本方案中的机械手处于空闲状态时，各个伸缩剪叉杆、转动剪叉杆均位于折叠的状态，此时，伸缩剪叉杆、转动剪叉杆均配合凹槽设置，一方面提高整体的配合度，另一方面减少机械手整体的占用空间，使整体结构更加紧凑。

根据本发明的另一种具体实施方式，第一固定板、第二固定板为矩形结构，第一剪叉臂、第二剪叉臂、第三剪叉臂、第四剪叉臂分别连接第一固定板、第二固定板的四个角部。本方案中，第一剪叉臂、第二剪叉臂相邻设置，第三剪叉臂、第四剪叉臂相邻设置。

根据本发明的另一种具体实施方式，转动剪叉臂包括两组转动剪叉单元；两组转动剪叉单元相互重叠设置；伸缩剪叉臂包括两组伸缩剪叉单元；两组伸缩剪叉单元相互重叠设置。

根据本发明的另一种具体实施方式，可伸展欠驱动四棱柱桁架机械手包括四个机械手爪；每一机械手爪包括4-8个桁架结构，相邻的桁架结构的第一固定板与第二固定板固定连接。优选的，每一机械手爪包括6个桁架结构。

根据本发明的另一种具体实施方式，可伸展欠驱动四棱柱桁架式机械手进一步包括前置连接装置，前置连接装置包括四个承载面，四个承载面对应四个机械卡爪设置。四个承载面相对应设置，可以在保证结构紧凑的情况下，尽可能多的可以完成更多情况下的抓取动作。本方案中，前置连接装置与航空设备相连接。

根据本发明的另一种具体实施方式，可伸展欠驱动四棱柱桁架式机械手还包括绳索驱动组件。

本发明中，转动剪叉臂上的第一转动杆、第二转动杆的长度可以相等，也可以不相等，优选的，第一转动杆、第二转动杆的长度可以相等，且可以互换。

本发明中的桁架结构为双层结构，具有足够抓取力，并且自适应强的机构有两个抓取面以及两个辅助面，它伸展开后具有较大的尺寸，该机构为一种管状结构，有效利于其内部空间可在其机械手指中存放电缆或驱动等。

本发明采用剪叉式结构，其具有联动折叠性，以便在发射至太空中节省空间。在其展开到指定位置时，通过设置伸缩剪叉臂和转动剪叉臂，一方面各个剪叉臂之间的存在自锁，另一方面，多个转动剪叉臂伸展到指定状态后，变胞为四自由度结构，形成桁架式抓捕机械手，利用其形状与欠驱动自适应特点，完成对非合作目标的抓捕。

本发明具有折叠功能，减少了所需要升入太空火箭内部的承载体积。其对比现有的技术使用双层结构设计具有更高刚度，多抓捕面使得其具有更加丰富的抓捕姿态、自适应性强，适合太空非合作目标的抓捕。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

1、本发明采用剪叉式机构，其具有机构组成模块化、伸缩性能强、力学性能好、结构简单、刚度高等特点，其属于可展结构的范畴；每个剪叉单元其通过上下两个四边形的固定板，在其四个角部上分别连接四个剪叉单元，使其具有单自由度折展性能。

2、对转动剪叉臂进行了改进，增加转动结构，使其在折展到一定角度时，使得第一转动杆、第二转动杆共轴具有自锁转动功能，形成抓取面；

3、整个机械手在抓捕和伸展的过程中自由度始终为1；

4、机械手整体刚度高，折展性能好，内部空间足，而且设置多个抓捕面，使得机械手具有较高的灵活性与良好的抓捕性能。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是实施例1的四棱柱桁架式机械手的整体结构示意图；

图2是机械手爪伸展状态结构示意图；

图3是机械手爪折叠状态结构示意图；

图4是桁架结构伸展状态结构示意图；

图5是桁架结构抓取状态结构示意图；

图6是桁架结构折叠状态结构示意图；

图7是Ⅰ处联动结构的局部放大图；

图8是Ⅱ处传动结构的局部放大图；

图9是机械手抓捕球体的示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种新型可伸展欠驱动四棱柱桁架机械手，如图1-9所示，包括：前置连接板1、机械手爪2、桁架结构3、第一固定板4、第二固定板5、伸缩剪叉臂6、转动剪叉臂7、联动结构8、传动结构9。

其中，前置连接板1与航空设备相连接，其设有四个承载面11，每个承载面11都设有机械卡爪2，每一个机械卡爪2设有六个桁架结构3。

每一个桁架结构3包括第一固定板31、第二固定板32、伸缩剪叉臂6、转动剪叉臂7；其中，伸缩剪叉臂6包括第一剪叉臂33、第二剪叉臂34，转动剪叉臂7包括第三剪叉臂35、第四剪叉臂36；第一固定板31、第二固定板32均为四边形结构，且都有四个角部37，第一固定板31、第二固定板32的每一组相对应的角部37分别通过第一剪叉臂33、第二剪叉臂34、第三剪叉臂35、第四剪叉臂36连接，形成四棱柱结构。如图4所示，第一剪叉臂33对应A面、第二剪叉臂34对应B面、第三剪叉臂35对应C面、第四剪叉臂36对应D面。

伸缩剪叉臂6(以第三剪叉臂为例)包括两组重叠的伸缩剪叉单元61，且两组伸缩剪叉单元61之间设有用于增加强度的连接杆；两个伸缩剪叉单元61分别与第一固定板31、第二固定板32的角部相连接，以提高整体的强度；每一个伸缩剪叉单元61包括四个伸缩剪叉杆611，四个伸缩剪叉杆611相互连接形成四边形剪叉结构，以完成伸展、折叠的动作。

转动剪叉臂7(以第二剪叉臂为例)包括两组重叠的转动剪叉单元71；且两组转动剪叉单元71之间设有用于增加强度的连接杆；两组转动剪叉单元71分别与第一固定板31、第二固定板32的角部相连接，以提高整体的强度；每一个转动剪叉单元71包括相互连接的两个伸缩剪叉杆711、两个转动剪叉杆712；转动剪叉单元71中的伸缩剪叉杆711与伸缩剪叉单元61中的伸缩剪叉杆611相同；每一转动剪叉杆712包括第一转动杆713、第二转动杆714，第一转动杆713、第二转动杆714通过转动轴715连接；第一转动杆713、第二转动杆714共线时，转动轴715与第一转动杆713之间有40°的夹角。

联动结构8包括销轴81、引导槽82，如图7所示，引导槽82设置于第二固定板32上；销轴81可升降地设在引导槽82中；两个伸缩剪叉杆611通过销轴81连接第二固定板32，且引导槽82的槽口走向垂直于第二固定板32所在平面。

传动结构9(以与第一固定板31相连接为例)，如图8所示，其包括传动板91、传动轴92；传动板91固定设在传动轴92上，传动轴92设在与第一固定板31、第二固定板32相连接的位置。当转动剪叉单元71转动时，伸缩剪叉单元61与第一固定板31和第二固定板32之间实现转动，以配合桁架结构3整体的运动。

本实施例中，桁架结构3处于折叠状态时，第一固定板31、第二固定板32相互平行设置；桁架结构3伸展至指定状态时，第一转动杆713围绕转动轴715旋转预定的角度，进而带动第一固定板31相对于第二固定板32进行转动。

本实施例中对第一剪叉臂33、第二剪叉臂34进行了转动轴设计，如图4所示，第一转动杆713、第二转动杆714共线时，转动轴715与第一转动杆713之间有40°的夹角，当第二剪叉臂34中的两个的转动轴715共线时，在绳索的驱动下，此时第一转动杆713、第二转动杆714可以发生相对转动。

本实施例中，第一固定板31、第二固定板32设有对应伸缩剪叉杆、转动剪叉杆的凹槽301，桁架结构折叠时，伸缩剪叉杆、转动剪叉杆均配合凹槽设置，如图7所示，一方面提高整体的配合度，另一方面减少机械手整体的占用空间，使整体结构更加紧凑。

本实施例中，为了使其自由度满足要求，在伸缩剪叉臂与第一连接板、第二连接板相连接的位置增加传动结构，以辅助抓取运动。在转动时，进行转动的转动剪叉臂形成自锁，转动剪叉臂原有的折叠功能丧失，只能实现转动过程，故整个结构无论折叠状态还是抓取姿态下，自由度始终为1，抓取面为A和B两面，在A面进行抓取运动时，B面抓取功能丧失，使其成为与D面相同功能的辅助面，其折叠功能辅助A面的抓取，同理在B面抓取时，A面成为辅助面。值得一提的是，抓取方向不只可以向前，必要时候还可以向后转动以满足特定情况下对于姿态的要求。

本实施例中机械手爪中设置了六个桁架结构，其每个桁架结构为1个抓取自由度，故该机械手爪为6自由度机构，但桁架结构有2个抓取面(A面和B面)，故单个机械手爪抓取姿态较为灵活。

本实施例中，采用绳索驱动组件对机械手爪进行驱动，以完成指定的动作。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种新型可伸展欠驱动四棱柱桁架机械手，其特征在于，所述可伸展欠驱动四棱柱桁架机械手包括：至少一个机械手爪，所述机械手爪均有多个桁架结构；所述桁架结构包括：

第一固定板、第二固定板及用于连接所述第一固定板、所述第二固定板的第一剪叉臂、第二剪叉臂、第三剪叉臂、第四剪叉臂；所述第一剪叉臂、所述第二剪叉臂为伸缩剪叉臂；所述第三剪叉臂、所述第四剪叉臂为转动剪叉臂；

所述伸缩剪叉臂包括至少一组伸缩剪叉单元；所述伸缩剪叉单元包括四个伸缩剪叉杆，四个所述伸缩剪叉杆相互连接形成四边形剪叉结构；

所述转动剪叉臂包括至少一组转动剪叉单元；所述转动剪叉单元包括相互连接的两个所述伸缩剪叉杆、相互连接的两个转动剪叉杆；每一所述转动剪叉杆包括第一转动杆、第二转动杆，所述第一转动杆、所述第二转动杆通过转动轴连接；

所述桁架结构处于折叠状态时，所述第一固定板、所述第二固定板相互平行设置；所述桁架结构伸展至指定状态时，所述第一转动杆围绕所述转动轴旋转预定的角度，进而带动所述第一固定板相对于所述第二固定板进行转动。

2.如权利要求1所述的可伸展欠驱动四棱柱桁架式机械手，其特征在于，所述转动剪叉单元设有联动结构，所述联动结构包括销轴、引导槽，所述引导槽设置于所述第二固定板上；所述销轴可滑动地设在所述引导槽中；两个所述伸缩剪叉杆通过所述销轴连接所述第二固定板。

3.如权利要求1所述的可伸展欠驱动四棱柱桁架式机械手，其特征在于，所述伸缩剪叉单元设有分别连接所述第一固定板、第二固定板的传动结构，所述传动结构包括传动板、传动轴；所述传动板固定连接所述传动轴。

4.如权利要求1所述的可伸展欠驱动四棱柱桁架式机械手，其特征在于，所述第一转动杆、所述第二转动杆共线时，所述转动轴与所述第一转动杆之间的夹角为35°—55°。

5.如权利要求1所述的可伸展欠驱动四棱柱桁架式机械手，其特征在于，所述第一固定板、所述第二固定板设有多个对应所述伸缩剪叉杆、所述转动剪叉杆的凹槽。

6.如权利要求1所述的可伸展欠驱动四棱柱桁架式机械手，其特征在于，所述第一固定板、所述第二固定板为矩形结构，所述第一剪叉臂、所述第二剪叉臂、所述第三剪叉臂、所述第四剪叉臂分别连接所述第一固定板、所述第二固定板的四个角部。

7.如权利要求1所述的可伸展欠驱动四棱柱桁架式机械手，其特征在于，所述转动剪叉臂包括两组转动剪叉单元；两组所述转动剪叉单元相互重叠设置；所述伸缩剪叉臂包括两组伸缩剪叉单元；两组所述伸缩剪叉单元相互重叠设置。

8.如权利要求1所述的可伸展欠驱动四棱柱桁架式机械手，其特征在于，所述可伸展欠驱动四棱柱桁架机械手包括四个所述机械手爪；每一所述机械手爪包括4-8个所述桁架结构，相邻的所述桁架结构的所述第一固定板与所述第二固定板固定连接。

9.如权利要求8所述的可伸展欠驱动四棱柱桁架式机械手，其特征在于，所述可伸展欠驱动四棱柱桁架式机械手进一步包括前置连接装置，所述前置连接装置包括四个承载面，四个所述承载面对应四个所述机械卡爪设置。

10.如权利要求1-9之一所述的可伸展欠驱动四棱柱桁架式机械手，其特征在于，所述可伸展欠驱动四棱柱桁架式机械手还包括绳索驱动组件。