CN108356797A - 一种弹簧-绳索欠驱动空间机械手装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹簧‑绳索欠驱动空间机械手装置，包括模块化桁架单元A、底端连接装置以及展开驱动索、抓取驱动索和抓取张紧索三类驱动绳索；多个模块化桁架单元A串联连接，三类驱动绳索中展开驱动索斜穿过各模块化桁架单元A，抓取驱动索贯穿模块化桁架单元A的套筒伸缩杆内，套筒伸缩杆上套装螺旋弹簧，抓取张紧索分别穿过各模块化桁架单元A的前端触板；在螺旋弹簧和三类驱动绳索的作用下发生变形，实现单支机械手的展开和抓握动作、以及多支机械手组合动作，进而实现对目标的抓取。本发明可实现模块化生产，降低制造成本和难度；可对机械手抓取力进行有效控制，进而提高抓取力及抓取的牢固性。

Description

一种弹簧-绳索欠驱动空间机械手装置

技术领域

本发明涉及一种空间机械手装置，主要涉及一种基于弹簧-绳索驱动，可用于抓取空间目标的模块化机械手，该机械手能够从收拢状态展开，可进行扩展，属于空间机器人技术领域。

背景技术

随着空间科学技术、宇航工程以及各项宇宙探索活动的飞速发展和不断深入，世界各国不断向太空发射各类航天器，发生故障停止工作或已达到工作寿命的废旧航天器数量也逐渐增多，这类航天器成为太空垃圾，对其他航天器的在轨工作和宇航员的安全产生极大威胁，从地面发射空间机械手对废旧航天器进行在轨捕捉和回收是现代空间研究的重要任务。但是航天运载工具运载空间有限，这就要求在地面发射阶段，机械手处于收拢状态；发射入轨后，展开到工作状态开展捕捉回收工作。

空间任务的繁杂程度对机械手智能化程度、适应能力等提出较高要求，为了满足任务需求，一般在机械手的每个关节上均镶嵌驱动电机，导致空间机械手结构复杂，重量大，控制系统复杂。此外，太空中大温差、强辐射等恶劣环境对机电系统性能影响较大，机械手工作极易发生故障。欠驱动机构是指独立动力源个数少于机构自由度数的一类机构，其驱动元件少，质量轻、驱动系统简单、可靠性高，受到科研人员和学者的青睐，成为承担空间任务机构的重要发展方向之一。

欠驱动机械手的研究已经取得较大进展，例如：SARAH 10自由度三指机械手，仅通过两个电机进行驱动，采用弹簧的弹性势能实现对抓取形状的自适应；BHH8-60机械手采用一根绳索驱动三根手指，通过齿轮、蜗轮蜗杆、滑轮等结构的联动完成包络抓取任务；LARM仿人型欠驱动机械手，采用交叉四杆机构将每根手指的自由度降低为1，通过关节上的弹簧使手抓具有较好的柔性和适应能力。上述欠驱动机械手相对传统机械手具有驱动简单等明显优点，但依旧存在机构复杂、不易扩展、不能收拢储存等缺点。为此，本发明提出了一种可扩展、可展开的弹簧-绳索欠驱动空间机械手装置。

发明内容

为解决传统欠驱动机械手结构复杂、不易扩展、不能收拢储存等问题，进而提出了一种可扩展、可展开的弹簧-绳索欠驱动机械手装置。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种弹簧-绳索欠驱动空间机械手装置，包括模块化桁架单元A、底端连接装置以及展开驱动索、抓取驱动索和抓取张紧索三类驱动绳索；多个模块化桁架单元A串联连接，三类驱动绳索中展开驱动索斜穿过各模块化桁架单元A，抓取驱动索贯穿模块化桁架单元A的套筒伸缩杆内，套筒伸缩杆上套装螺旋弹簧，抓取张紧索分别穿过各模块化桁架单元A的前端触板；在螺旋弹簧和三类驱动绳索的作用下发生变形，实现单支机械手的展开和抓握动作，多支机械手组合动作实现对目标的抓取。

对于上述技术方案，本发明还有进一步的优化的实施方案：

进一步，所述模块化桁架单元A整体呈三棱柱状，包括上层框架B和下层框架C，上层框架B与下层框架C前端通过两根竖杆4连接，后端通过套筒伸缩杆连接，构成相对水平布置，上下平行相对的桁架单元。

进一步，所述上层框架B为三角形框架结构，包括两根边杆和一个前端触板，两根边杆一端通过套筒伸缩杆接头a连接，另一端分别连接开口弹性接头c，开口弹性接头c设在前端触板两端；前端触板中部设有穿引抓取张紧索穿孔。

进一步，所述下层框架C为三角形框架结构，包括两根边杆和一根前端横梁，两根边杆一端通过伸缩杆接头b连接，另一端分别连接开口弹性接头d；前端横梁中部设有贯穿展开驱动索的绕索轮槽。

进一步，所述套筒伸缩杆包括相互套装的粗杆和细杆，细杆套装在粗杆内可伸缩，细杆、粗杆和竖杆长度相同；套筒伸缩杆分别通过杆件连接件连接套筒伸缩杆接头a、b与上层框架B和下层框架C铰接；竖杆通过开口弹性接头c分别与上层框架B和下层框架C铰接。

进一步，所述开口弹性接头c中部开槽，槽臂上开有安装孔c，槽的对侧加工圆柱凸台a，圆柱凸台a与接头侧面呈45°夹角；接头上下两端对称加工U型槽，上端槽臂外侧加工限位挡板a。

进一步，所述开口弹性接头c上下U型槽通过铰接轴连接连接件，上连接端铰接轴上套装120°扭簧。

进一步，所述套筒伸缩杆接头a、b上下两端对称加工U型槽，左右对称加工圆柱凸台，两圆柱凸台呈90°夹角。

进一步，所述套筒伸缩杆接头a中间加工有绕索轮安装槽，绕索轮安装槽铰接轴连接绕索轮，展开驱动索穿过绕索轮。

进一步，所述底端连接装置为三角形带延伸框结构，三角形延伸框边上开有穿引抓取张紧索的通孔，三角形三顶角加工有装配槽。

本发明的有益效果：

1、本发明的弹簧-绳索欠驱动空间机械手由多个模块化桁架单元A串联构成单只大型多关节空间机械手，增加模块化桁架单元A的数量，可实现机械手的扩展，该发明可实现模块化生产，降低制造成本和难度。

2、本发明弹簧-绳索欠驱动空间机械手能够折叠收拢在一起，通过弹簧-绳索驱动展开到工作状态，既满足工作需求又有效的节约了储存空间。

3、本发明采用弹簧-绳索实现了超欠驱动机构的可控设计，结构简单、可靠，在组合成可作业大型空间机械手时选择多样性强。

4、本发明驱动电机可置于机构底端或机构以外，有效降低了机构重量。通过改变螺旋弹簧的伸缩长度及抓取张紧索长度，可对机械手抓取力进行有效控制，进而提高抓取力及抓取的牢固性。

5、本发明各构件采用碳纤维管、航空铝等航空材料加工制作，材料质轻、强度大，加工工艺成熟，便于所述机构的技术实施和功能实现。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明一种弹簧-绳索欠驱动空间机械手的整体结构图；

图2为本发明一种弹簧-绳索欠驱动空间机械手收拢状态结构图；

图3为本发明的模块化桁架单元A结构图；

图4(a)、(b)为本发明开口弹性接头c的结构图及装配关系图；

图5(a)、(b)为本发明开口弹性接头d的结构图及装配关系图；

图6(a)、(b)为本发明套筒伸缩杆接头a的结构图及装配关系图；

图7(a)、(b)为本发明套筒伸缩杆接头b的结构图及装配关系图；

图8为本发明的前端触板结构图；

图9为本发明的前端横梁结构图；

图10为本发明的杆件连接件结构图；

图11为本发明的底端连接装置结构图；

图中：1、底端连接装置；1-1、装配槽a；1-2、装配槽b；1-3、限位挡板c；1-4、抓取张紧索通孔；2、套筒伸缩杆；3、螺旋弹簧；4、竖杆；5、展开驱动索；6、抓取驱动索；7、抓取张紧索；8、前端横梁；8-1、安装孔a；8-2、绕索轮槽；9、前端触板；9-1、安装孔b；9-2、抓取张紧索穿孔；10、边杆；11、开口弹性接头c；11-1、安装孔c；11-2、圆柱凸台a；11-3、限位挡板a；12、开口弹性接头d；12-1、安装孔d；12-2、圆柱凸台b；12-3、限位挡板b；13、套筒伸缩杆接头a；13-1、圆柱凸台c；13-2、U型槽a；13-3、绕索轮安装槽；14、套筒伸缩杆接头b；14-1、圆柱凸台d；14-2、U型槽b；15、杆件连接件；16、扭簧；17、绕索轮。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参阅图1-图3所示，本发明的弹簧-绳索欠驱动空间机械手装置，包括模块化桁架单元A、底端连接装置1和三类驱动绳索。多个模块化桁架单元A串联构成单支空间机械手，机械手底即模块化桁架单元A的末端为底端连接装置1，顶端为另一模块化桁架单元A的末端，以此串联形式增加模块化桁架单元A的数量可对机械手进行扩展。三类驱动绳索分别为展开驱动索5、抓取驱动索6和抓取张紧索7，展开驱动索5斜穿过各模块化桁架单元A；抓取驱动索6贯穿在模块化桁架单元A的套筒伸缩杆2内，套筒伸缩杆2上套装螺旋弹簧3；抓取张紧索7分别穿过各模块化桁架单元A的前端触板9；通过三类驱动绳索分别穿过各模块化桁架单元A在螺旋弹簧3和三类驱动绳索5、6和7的作用下发生变形，实现单支机械手的展开和抓握动作，多支机械手组合动作便可实现对目标的抓取。

如图3所示，所述模块化桁架单元A整体呈三棱柱状，包括上层框架B和下层框架C，四根竖杆4、两套套筒伸缩杆2和两根螺旋弹簧3等。上层框架B与下层框架C前端通过两根竖杆4连接，后端通过套筒伸缩杆2连接，构成相对水平布置，上下平行相对的桁架单元；两根竖杆4一端通过杆件连接件15铰接在上层框架B上，另一端通过杆件连接件15铰接在下层框架C上，套筒伸缩杆2包括相互套装的粗杆和细杆，细杆套装在粗杆内可伸缩，细杆、粗杆和竖杆4长度相同。细杆通过杆件连接件15与上层框架B铰接，粗杆通过杆件连接件15与下层框架C铰接，另两根竖杆4和一套套筒伸缩杆2以同样的方式连接在下层框架C和另一桁架单元A的上层框架B之间。螺旋弹簧3套装在套筒伸缩杆2上，弹簧3两端固定在杆件连接件15上。

如图3、图4(a)、(b)、图6(a)、(b)、图8所示，上层框架B为三角形框架结构，包括两根边杆10、一个前端触板9、一个套筒伸缩杆接头a13、两个开口弹性接头c11、四个杆件连接件15和一个扭簧16等。套筒伸缩杆接头a13左右两端的圆柱凸台c13-1分别与两根边杆10一端固定连接呈90°夹角，见图6(a)；边杆10另一端与开口弹性接头c11侧面的圆柱凸台d14-1固定连接，见图7(a)；两个开口弹性接头c11中部的U形槽内固定连接前端触板9两端，整体呈现三角形框架构型。套筒伸缩杆接头a13上下两端的U形槽13-2与杆件连接件15铰接，铰接轴上装配绕索轮17；中部的绕索轮安装槽13-3内装配绕索轮17，见图6(a)、(b)。

如图3、图5(a)、(b)、图7(a)、(b)、图9所示，下层框架C为三角形框架结构，包括两根边杆10、一根前端横梁8、一个伸缩杆接头b14、两个开口弹性接头d12、四个杆件连接件15、一个扭簧16等。套筒伸缩杆接头b14左右两端的圆柱凸台d14-1分别与两根边杆一端固定连接呈90°夹角，边杆10另一端与开口弹性接头d12侧面的圆柱凸台b12-2固定连接，两个开口弹性接头d12中部的U型槽内固定连接前端横梁8两端,整体呈现三角形框架构型。套筒伸缩杆接头b14上下两端的U形槽14-2与杆件连接件15铰接，铰接轴上装配绕索轮17；开口弹性接头d12上下两端的U形槽与杆件连接件15铰接，上端铰接轴上套装120°扭簧16，扭簧16一端压在杆件连接件上，另一端压在开口弹性接头d12上。

如图4(a)所示，开口弹性接头c11中部开槽，槽臂上开有安装孔c11-1，槽的对侧加工圆柱凸台a11-2，圆柱凸台a11-2与接头侧面呈45°夹角；接头上下两端对称加工U型槽，上端槽臂外侧加工限位挡板a11-3。

如图4(b)所示，开口弹性接头c上下U型槽通过铰接轴连接连接件15，上连接端铰接轴上套装120°扭簧16，扭簧16一端压在杆件连接件15上，另一端压在开口弹性接头c11上。连接件15结构见图10。

如图5(a)所示，开口弹性接头d12中部开槽，槽臂上开有安装孔d 12-1，槽的对侧加工圆柱凸台b12-2，圆柱凸台b12-2与接头侧面呈45°角；接头上下两端对称加工U型槽，上端槽臂内侧加工限位挡板b12-3。

如图5(b)所示，开口弹性接头d上下U型槽通过铰接轴连接连接件15，上连接端铰接轴上套装120°扭簧16，扭簧16一端压在杆件连接件15上，另一端压在开口弹性接头d12上。连接件15结构见图10。

如图6(a)所示，套筒伸缩杆接头a13呈一体化对称结构，上下两端对称加工U型槽a13-2，左右对称加工圆柱凸台c13-1，两圆柱凸台c13-1呈90°夹角，中间加工有绕索轮安装槽13-3。

如图6(b)所示，上下U型槽通过铰接轴连接连接件15，绕索轮安装槽13-3通过铰接轴连接绕索轮17。

如图7(a)所示，套筒伸缩杆接头b14呈一体化对称结构，上下两端对称加工U型槽b14-2，左右对称加工圆柱凸台d14-1，两圆柱凸台d14-1呈90°夹角。

如图7(b)所示，上下U型槽通过铰接轴连接连接件15。

如图8所示，前端触板9整体呈弓型，两端加工有用于固定连接的安装孔b9-1，中部加工有穿引抓取张紧索穿孔9-2。

如图9所示，前端横梁8两端加工有用于固定连接的安装孔a8-1，中部加工有贯穿展开驱动索5的绕索轮槽8-2。

如图10所示，杆件连接件一端呈U型，另一端呈空心圆柱状。

如图11所示，底端连接装置1为三角形带延伸框结构，三角形延伸框边上开有穿引抓取张紧索7的通孔1-4，三角形三顶角加工有装配槽a1-1、b1-2，与宽边所对顶角处的装配槽a1-1用于装配杆件连接件15和绕索轮17，其他两个顶角处的装配槽b1-2用于装配杆件连接件15，两装配槽b1-2槽臂上端外侧加工限位挡板c1-3。

工作过程：

弹簧-绳索欠驱动空间机械手的工作过程主要分为展开、抓取两个动作，动作驱动为螺旋弹簧、120°扭簧及三类驱动索。弹簧-绳索欠驱动空间机械手在收拢状态下，三类驱动索拉紧，套筒伸缩杆压缩，其细杆、粗杆顶端顶在杆件连接件上构成刚性杆件，模块化桁架单元A左右交错折叠在一起，螺旋弹簧、120°扭簧被压缩存储弹性势能。见图2所示。

释放展开驱动索和抓取张紧索，120°扭簧所储存的弹性势能被释放，机械手中的竖杆在扭簧的作用下展开，展开的竖杆被限位挡板挡住，此时扭簧张开90°依旧存在弹性势能，竖杆的运动位置被限制，机械手完成展开动作。在展开过程中，控制索的释放速度可对展开速度进行控制，避免展开结束瞬间的冲击。见图1所示。

机械手展开后，释放抓取驱动索和展开驱动索，套装在套筒伸缩杆上螺旋弹簧储存的弹性势能被释放，套筒伸缩杆在螺旋弹簧的作用下展开，直到被限位挡板挡住完成展开动作。机械手完全展开后，释放抓取驱动索5和展开驱动索6，螺旋弹簧3的弹性势能被释放，套筒伸缩杆2逐渐伸长，相邻的模块化桁架单元A相对绕轴转动，实现对目标的抓取。抓取过程中，控制抓取驱动索的释放速度可对抓取速度进行控制。拉紧抓取张紧索，可增大机械手的抓取力，保证抓取的牢固性。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种弹簧-绳索欠驱动空间机械手装置，其特征在于：包括模块化桁架单元A、底端连接装置以及展开驱动索(5)、抓取驱动索(6)和抓取张紧索(7)三类驱动绳索；多个模块化桁架单元A串联连接，三类驱动绳索中展开驱动索(5)斜穿过各模块化桁架单元A，抓取驱动索(6)贯穿模块化桁架单元A的套装螺旋弹簧(3)的套筒伸缩杆(2)内，抓取张紧索(7)分别穿过各模块化桁架单元A的前端触板(9)；在螺旋弹簧(3)和三类驱动绳索的作用下发生变形，实现单支机械手的展开和抓握动作，多支机械手组合动作实现对目标的抓取。

2.根据权利要求1所述的一种弹簧-绳索欠驱动空间机械手装置，其特征在于：所述模块化桁架单元A整体呈三棱柱状，包括上层框架B和下层框架C，上层框架B与下层框架C前端通过两根竖杆(4)连接，后端通过套筒伸缩杆(2)连接，构成相对水平布置，上下平行相对的桁架单元。

3.根据权利要求2所述的一种弹簧-绳索欠驱动空间机械手装置，其特征在于：所述上层框架B为三角形框架结构，包括两根边杆(10)和一个前端触板(9)，两根边杆(10)一端通过套筒伸缩杆接头a(13)连接，另一端分别连接开口弹性接头c(11)，开口弹性接头c(11)设在前端触板(9)两端；前端触板(9)中部设有穿引抓取张紧索穿孔(9-2)。

4.根据权利要求2所述的一种弹簧-绳索欠驱动空间机械手装置，其特征在于：所述下层框架C为三角形框架结构，包括两根边杆(10)和一根前端横梁(8)，两根边杆(10)一端通过伸缩杆接头b(14)连接，另一端分别连接开口弹性接头d(12)；前端横梁(8)中部设有贯穿展开驱动索(5)的绕索轮槽(8-2)。

5.根据权利要求2所述的一种弹簧-绳索欠驱动空间机械手装置，其特征在于：所述套筒伸缩杆(2)包括相互套装的粗杆和细杆，细杆套装在粗杆内可伸缩，细杆、粗杆和竖杆(4)长度相同；套筒伸缩杆(2)分别通过杆件连接件(15)连接套筒伸缩杆接头a(13)、b(14)与上层框架B和下层框架C铰接；竖杆(4)通过开口弹性接头c(11)分别与上层框架B和下层框架C铰接。

6.根据权利要求5所述的一种弹簧-绳索欠驱动空间机械手装置，其特征在于：所述开口弹性接头c(11)中部开槽，槽臂上开有安装孔c(11-1)，槽的对侧加工圆柱凸台a(11-2)，圆柱凸台a(11-2)与接头侧面呈45°夹角；接头上下两端对称加工U型槽，上端槽臂外侧加工限位挡板a(11-3)。

7.根据权利要求5所述的一种弹簧-绳索欠驱动空间机械手装置，其特征在于：所述开口弹性接头c(11)上下U型槽通过铰接轴连接连接件(15)，上连接端铰接轴上套装120°扭簧(16)。

8.根据权利要求5所述的一种弹簧-绳索欠驱动空间机械手装置，其特征在于：所述套筒伸缩杆接头a(13)、b(14)上下两端对称加工U型槽，左右对称加工圆柱凸台，两圆柱凸台呈90°夹角。

9.根据权利要求8所述的一种弹簧-绳索欠驱动空间机械手装置，其特征在于：所述套筒伸缩杆接头a(13)中间加工有绕索轮安装槽(13-3)，绕索轮安装槽(13-3)铰接轴连接绕索轮(17)，展开驱动索(5)穿过绕索轮(17)。

10.根据权利要求1所述的一种弹簧-绳索欠驱动空间机械手装置，其特征在于：所述底端连接装置为三角形带延伸框结构，三角形延伸框边上开有穿引抓取张紧索通孔(1-4)，三角形三顶角加工有装配槽a(1-1)、b(1-2)。