CN108068135B - 一种新型可伸展欠驱动四棱柱桁架机械手 - Google Patents
一种新型可伸展欠驱动四棱柱桁架机械手 Download PDFInfo
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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
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手爪设置。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都设有机械手爪2,每一个机械手爪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机械手,其特征在于,所述可伸展欠驱动四棱柱桁架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手爪设置。
10.如权利要求1-9之一所述的可伸展欠驱动四棱柱桁架机械手,其特征在于,所述可伸展欠驱动四棱柱桁架机械手还包括绳索驱动组件。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
CB02 | Change of applicant information |
Address after: 518000 Building B, Harbin University Campus, Xili Shenzhen University City, Nanshan District, Shenzhen City, Guangdong Province Applicant after: Harbin Institute of Technology (Shenzhen) Address before: 518000 Building B, Harbin University Campus, Xili Shenzhen University City, Nanshan District, Shenzhen City, Guangdong Province Applicant before: Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School |
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CB02 | Change of applicant information | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |