CN108608411B - 一种基于剪叉机构的三棱柱可展开桁架式空间机械手 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于剪叉机构的三棱柱可展开桁架式空间机械手，包括多个机械手爪，机械手爪包括若干变胞单元，变胞单元包括：两根相同的剪叉杆，两根剪叉杆通过转动副R1互相连接，形成剪叉机构；两根相同的上连杆，两根上连杆的底端分别通过转动副R2连接于两根剪叉杆的顶端；相邻的变胞单元通过随动分支机构进行连接，随动分支机构包括两根随动杆，两根随动杆之间通过随动关节互相连接；两根随动杆分别通过转动副R3连接于上连杆的顶端；两个转动副R2的轴线共线时，上连杆相对剪叉杆所在平面进行翻转。本发明具有较高刚度和灵活度，展开尺度较大，以便完成大型空间非合作目标进行抓捕。

Description

一种基于剪叉机构的三棱柱可展开桁架式空间机械手

技术领域

本发明涉及一种基于剪叉机构的三棱柱可展开桁架式空间机械手。

背景技术

空间机械手具有一体化的空间感知、机动和操作能力，通过在轨操作、地面遥操作或自主操作方式完成航天器的在轨装配、污染清理、观测与检查、故障模块更换、在轨加注、消耗载荷更换和补充、轨道清理、轨道转移等工作，是航天器在轨组装与维护的核心装备。

加拿大SRMS和SSRMS均属于典型的传统关节式机械臂，这种机械臂通过在末端安装不同的末端执行器来对不同类型目标进行抓捕，发射状态下机械臂可以折叠，升空后展开。

2014年NASA针对小行星重定向任务ARM提出了两种新型的抓捕结构，捕获装置A设计特征包括6个臂的机械初始部署，其中在臂的末端具有可膨胀的悬臂以展开和控制袋材料，通过这种高强度袋的大型可展开结构来捕获平均直径高达10米和质量为1000吨的整个小行星。捕获装置B包括两个7自由度臂，每个臂具有末端执行器工具以及接触和约束子系统(CRS)。微球末端执行器夹具在捕获期间使用数百个鱼钩状的棘爪抓取巨石的自然表面特征，用微珠工具捕从直径数百米的小行星上获取巨石。

2015年NASA针对原有的SRMS机械臂提出一种新型绳驱轻量化空间机械臂TALISMAN，NASA结合桁架式结构、新型铰链关节和绳驱动的设计大大减轻了机械臂的重量。绳驱动和桁架式的杆件大大降低了质量，并能使结构刚度提高；新型铰链关节能使杆件360°转动，因此能提高机械臂灵活度和抓捕范围；这样的分单元结构能扩展，因此用途更广泛。

传统空间机械臂大多为关节式，但是关节式机械臂质量大，且机械臂质量的百分之九十都集中在关节处，抓捕时刚度较差，只能通过末端执行器进行抓捕，臂杆不能接触目标，因此机械手抓捕的目标限制严重，基本只能为合作目标，且小尺度，小质量，小惯性，不能完成对目标的包络抓取；其次，传统关节式机械手需要精确的控制方案和运动规划。

NASA基于小行星重定向任务ARM提出的抓捕机构解决了一部分问题，但是结构的刚度仍不足。绳驱轻量机械臂种结构采用绳驱式，因此抓捕时的精度不够准确。

对空间大尺度大惯量的非合作目标，传统关节式机械臂明显不能实现抓捕，为实现轻量化、高可靠性、高稳定性且可展开的目标，机构设计围绕着空间桁架式可重构结构式的创新设计，使机械臂在发射过程中，机械臂处于折叠状态，以节约运载空间，升空后机械臂展开还能开始抓捕。

因此，如何提供一种具有较高刚度和灵活度、尺度较大且能对大型空间非合作目标进行抓捕的可展开桁架式空间机械手，成为了业界需要解决的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于剪叉机构的三棱柱可展开桁架式空间机械手，其具有较高刚度和灵活度，展开尺度较大，以便完成大型空间非合作目标进行抓捕。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于剪叉机构的三棱柱可展开桁架式空间机械手，包括多个机械手爪，机械手爪包括若干变胞单元，变胞单元包括：

两根相同的剪叉杆，两根剪叉杆通过转动副R1互相连接，形成剪叉机构；

两根相同的上连杆，两根上连杆的底端分别通过转动副R2连接于两根剪叉杆的顶端；

相邻的变胞单元通过随动分支机构进行连接，随动分支机构包括两根随动杆，两根随动杆之间通过随动关节互相连接；两根随动杆分别通过转动副R3连接于上连杆的顶端；

两个转动副R2的轴线共线时，上连杆相对剪叉杆所在平面进行翻转。

本发明中，采用剪叉杆可以实现整体的折叠、展开；此时，可以完成该变胞单元在单个平面内的折展运动；在剪叉杆的顶端设置可以转动的上连杆，在折展过程中，由于两个转动副R2的轴线不共线，因此，结合该机构特性，该转动副R2失效；当剪叉杆展开至两个转动副R2的轴线共线时，此时，折展过程停止，该转动副R2生效，变胞单元实现由一个平面到另一个平面的变胞过程，此种过程属于利用了空间结构的奇异位置的运动副变胞。

本发明中相邻变胞单元之间通过移动副与转动副的组合连接，这样使两单元之间在折展时具有联动效应；而在抓取状态时无耦合，使得两单元抓取时能独立运动；这样的连接给转动副添加了几何约束，使之变为只有当转动副的轴线共线时，才可实现转动过程。

根据本发明的另一种具体实施方式，变胞单元还包括：两根相同的下连杆，两根下连杆的顶端分别通过转动副R4连接于剪叉杆的底端。本方案中，当两个转动副R4的轴线共线时，下连杆相对剪叉杆所在平面进行翻转，实现由一个平面到另一个平面的变胞过程。

根据本发明的另一种具体实施方式，转动副R2、转动副R4为上下对称设置，即为两个转动副R2的轴线共线时，两个转动副R4的轴线也共线，转动副R2、转动副R4的轴线互相平行。例如，转动副R2的周线与剪叉杆之间呈45°时，当两根剪叉杆展开呈90°，两个转动副R2的轴线共线，此时折展过程停止，该转动副R2生效，变胞单元实现由一个平面到另一个平面的运动变胞过程。

根据本发明的另一种具体实施方式，随动杆为伸缩杆，随动关节为移动副，两根伸缩杆通过移动副进行连接。两根伸缩杆的端部通过转动副和剪叉杆的底端和/或上连杆的顶端进行连接，从而实现将相邻的变胞单元进行连接；优选的，两根该伸缩杆形成的随动分支机构为包括四个转动副和一个移动副组成的混合机构以串联的方式进行连接，例如，两根伸缩杆呈工字形结构。

根据本发明的另一种具体实施方式，随动杆为折叠杆，随动关节为转动副R5，两根折叠杆通过转动副R5进行连接，形成V型杆。本方案中，变胞单元处于完全折叠状态过程中，两根折叠杆呈“一”字形，随着伸展过程的进行，两根折叠杆逐渐弯折，形成“V”字形。

根据本发明的另一种具体实施方式，变胞单元进一步包括桁架单元，桁架单元包括四根支杆，四根支杆的首端通过类球副S1进行连接；相邻的两根支杆的末端分别通过类球副连接两根上连杆的顶端，剩余的两根支杆的末端分别通过类球副S2连接两根剪叉杆的底端。本方案中，类球副S1、类球副S2均包括三个方向不同的转动副，以实现随着剪叉杆的折展，四根支杆随着进行展开；四个支杆形成三棱柱结构。

根据本发明的另一种具体实施方式，相邻桁架单元设有四根加强杆；四根加强杆的首端通过类球副S3进行连接，四根加强杆的末端分别通过类球副连接于支杆的中部。本方案中的类球副S3包括两个方向不同的转动副，类球副包括三根可以相对转动的转动件。设置加强杆的目的在于，在增加整体机构刚度的前提下，不改变整体机械手爪的自由度。

根据本发明的另一种具体实施方式，多个变胞单元沿着其折展方向延拓，以实现完成不同空间尺寸物体的抓捕任务。

根据本发明的另一种具体实施方式，还包括平台，多个机械手爪均匀分布在平台的周边。例如圆周阵列、矩形阵列等多种方式。

根据本发明的另一种具体实施方式，平台设有导向单元，导向单元包括伸缩式导向杆，导向杆的首端连接于转动副R1，导向杆的末端通过移动副连接平台，随着变胞单元的折展，伸缩式导向杆会进行沿着平台的伸缩运动。

本发明可在运载过程中折叠，并且具有大折展比，能大大节约运载空间；质量很轻，刚度很大；臂杆能够接触目标使得能完成对于大型目标的包络抓捕，在剪叉机构的基础上进行变胞，使得剪叉机构的应用范围进一步提高。

本发明具备如下有益效果：

1、在运载过程中能够折叠，并且具有大折展比，能大大节约运载空间；

2、桁架式的结构设计使得整体机构质量很轻，而刚度很大，三棱柱的几何稳定性、刚度质量性能最佳；

3、本发明可以实现接触目标，并进行包络抓捕。

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的空间机械臂的变胞原理图；

图2是实施例1的三棱柱单元结构示意图；

图3是图2的A处的放大图；

图4是实施例1的手指的展开状态图；

图5是图4的B处的放大图；

图6是实施例1的手指的折叠状态图；

图7是实施例1的手指的抓取状态图；

图8是实施例1的空间机械臂的三个手指协同折叠状态；

图9是实施例1的空间机械臂的三个手指协同展开状态；

图10是实施例1的空间机械臂的三个手指协同抓取状态。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种基于剪叉机构的三棱柱可展开桁架式空间机械手，如图1-10所示，包括：平台1、变胞单元2、第一随动分支机构3、第二随动分支机构4、桁架单元5。

其中，如图1所示，一个机械手爪包括两个变胞单元2，其中位于图1中下方的变胞单元2包括：

两根第一剪叉杆201，两根第一剪叉杆201通过转动副R1互相连接，形成剪叉机构；

两根上连杆202，两根上连杆202的底端分别通过转动副R2连接于两根第一剪叉杆201的顶端。

位于图1中上方的变胞单元包括：

两根第二剪叉杆203，两根第二剪叉杆203通过转动副R1’互相连接，形成剪叉机构；两根上连杆202，两根上连杆202的底端分别通过转动副R2’连接于两根第二剪叉杆203的顶端；两根下连杆204，两根下连杆204的顶端分别通过转动副R4连接于第二剪叉杆203的底端。其中，在折展状态下，第二剪叉杆203、下连杆204的作用等同于第一剪叉杆201的作用。

两个变胞单元2之间通过第一随动分支机构3互相连接，第一随动分支机构3包括两根伸缩杆301，两根伸缩杆301之间通过移动副互相连接；两根伸缩杆301分别通过转动副R3连接于下方变胞单元的两根上连杆202的顶端；两根伸缩杆301分别通过转动副连接于上方变胞单元的两根下连杆204的底端。

如图1所示，位于上方的变胞单元的顶部设置了第二随动分支机构4，第二随动分支机构4包括两根折叠杆401，两根折叠杆401之间转动副R5进行连接，形成V型杆。

如图2-3所示，每一个变胞单元2均设有桁架单元5，桁架单元5包括四根支杆501，四根支杆501的首端通过类球副S1互相连接，即相互之间进行铰接。图3中的铰链R6、R7、R8连接形成类球铰与两侧面连接，两侧面间也通过这样的铰链连接形成三棱柱的结构，这样的连接并不会影响机构的自由度，自由度数目仍然由抓取面的自由度数决定。

在相邻桁架单元5设有四根加强杆502；四根加强杆502的首端通过类球副S3进行铰接，四根加强杆502的末端分别通过类球副连接于支杆的中部，该类球副采用能够绕支杆501转动的转动连接件503，同时，在该转动连接件503与加强杆502之间通过转动副连接，实现了在增加整体结构刚度的同时，不会影响变胞机构的自由度，且加强杆和机械手爪主体之间并并无耦合关系，只要避免产生位置干涉即可。

平台1的截面为等边三角形，在三个边长位置分别设有一个机械手爪，形成空间机械手结构，在平台和下方的变胞单元连接的位置采用了第一随动分支机构3进行连接。

在平台设有伸缩式导向杆6，导向杆6的首端连接于和第一剪叉杆上201的转动副R1铰接，导向杆6的末端通过移动副连接平台1，随着变胞单元2的折展进行伸缩过程。

本实施例中，转动副R2、转动副R4为上下对称设置，即为两个转动副R2的轴线共线时，两个转动副R4的轴线也共线，转动副R2、转动副R4的轴线互相平行。

如图6所示，在运载过程中机械手处于折叠状态，这样大大节约了运载空间，当升空开始要开始工作时，机械手开始展开，展开过程中由于两个转动副R2的轴线不共线，所以机械臂自由度始终保持为1；当展开至两个转动副R2的轴线共线，如图5所示，此时机构处于临界状态，转动副生效机构可以开始抓取，机构在抓取过程中自由度数目与转动副对数一致；如图7所示，机构完成由折展到抓取状态的变胞。整个机械手的抓捕为三爪协同抓捕，发射状态三爪均收拢，如图8所示，当升空后，接近目标后三爪开始展开如图9所示，展开完成开始完成对非合作目标的包络抓取，如图10所示。

本实施例在折展过程中，由于两个转动副R2(也即转动副R4)的轴线不共线，因此，结合该机构特性，该转动副R2失效；当剪叉杆展开至两个转动副R2的轴线共线时，此时，折展过程停止，该转动副R2生效，变胞单元实现由一个平面到另一个平面的运动变胞过程。

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 (9)

1.一种基于剪叉机构的三棱柱可展开桁架式空间机械手，其特征在于，包括多个机械手爪，所述机械手爪包括若干变胞单元，所述变胞单元包括：

两根相同的剪叉杆，两根所述剪叉杆通过转动副R1互相连接，形成剪叉机构；

两根相同的上连杆，两根所述上连杆的底端分别通过转动副R2连接于两根所述剪叉杆的顶端；

相邻的所述变胞单元通过随动分支机构进行连接，所述随动分支机构包括两根随动杆，两根所述随动杆之间通过随动关节互相连接；两根所述随动杆分别通过转动副R3连接于所述上连杆的顶端；

两个转动副R2的轴线共线时，所述上连杆相对所述剪叉杆所在平面进行翻转；

两根相同的下连杆，两根所述下连杆的顶端分别通过转动副R4连接于所述剪叉杆的底端。

2.如权利要求1所述的基于剪叉机构的三棱柱可展开桁架式空间机械手，其特征在于，转动副R2、转动副R4为上下对称设置。

3.如权利要求1所述的基于剪叉机构的三棱柱可展开桁架式空间机械手，其特征在于，所述随动杆为伸缩杆，所述随动关节为移动副，两根所述伸缩杆通过所述移动副进行连接。

4.如权利要求1所述的基于剪叉机构的三棱柱可展开桁架式空间机械手，其特征在于，所述随动杆为折叠杆，所述随动关节为转动副R5，两根所述折叠杆通过转动副R5进行连接，形成V型杆。

5.如权利要求1所述的基于剪叉机构的三棱柱可展开桁架式空间机械手，其特征在于，所述变胞单元进一步包括桁架单元，所述桁架单元包括四根支杆，四根所述支杆的首端通过类球副S1进行连接；相邻的两根所述支杆的末端分别通过类球副连接两根所述上连杆的顶端，剩余的两根所述支杆的末端分别通过类球副S2连接两根所述剪叉杆的底端。

6.如权利要求5所述的基于剪叉机构的三棱柱可展开桁架式空间机械手，其特征在于，相邻所述桁架单元设有四根加强杆；所述四根加强杆的首端通过类球副S3进行连接，四根所述加强杆的末端分别通过类球副连接于所述支杆的中部。

7.如权利要求1所述的基于剪叉机构的三棱柱可展开桁架式空间机械手，其特征在于，多个所述变胞单元沿着其折展方向延拓。

8.如权利要求1所述的基于剪叉机构的三棱柱可展开桁架式空间机械手，其特征在于，还包括平台，多个所述机械手爪均匀分布在所述平台的周边。

9.如权利要求8所述的基于剪叉机构的三棱柱可展开桁架式空间机械手，其特征在于，所述平台设有导向单元，所述导向单元包括伸缩式导向杆，所述导向杆的首端连接于转动副R1，所述导向杆的末端通过移动副连接所述平台。

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