CN109110164A - 一种面向非合作目标的连续型臂群捕获机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向非合作目标的连续型臂群捕获机构，它包括捕获装置、驱动装置。捕获装置包括分为内外两圈固联在驱动箱盖上的九根欠驱动连续型机械臂，内、外圈沿圆周方向分别布置有三根及六根；每根机械臂包括硅胶套、若干刚性连杆串联构成的中央骨架、一根穿过刚性连杆的过线孔来实现机械臂弯曲的驱动软丝、一根穿过刚性连杆中心孔来改变机械臂刚度的驱动软丝；每根机械臂具有由相邻刚性连杆铰接成的朝固定方向弯曲的转动铰链和向任意方向弯曲的球铰链，使机械臂可以被动适应一定尺寸和形状的目标。本发明允许目标从捕获机构的顶部、侧面以几乎任意角度进入，即使个别机械臂失效，捕获机构仍能够很好地完成任务。

Description

一种面向非合作目标的连续型臂群捕获机构

技术领域

本发明涉及一种非合作目标的捕获装置，具体涉及一种面向非合作目标的连续型臂群捕获机构，适用于对空中、地面、水下的非合作目标进行抓捕。

背景技术

非合作目标是指诸如失控卫星、太空垃圾、大气和水下漂浮物等一类广泛存在于空间、地面、水面和水下的待捕获对象，其上不安装用于配合机械臂捕获的专用机构及用于辅助测量的合作标志器和特征块，不能进行姿态控制，或不能提供有效合作信息。具体体现为结构特征不规则、机动行为不配合、信息层面不沟通。

目前传统刚性捕获机构和大多数柔性捕获机构都需要在捕获过程中对位姿精度要求极高，任何微小的误差都可能造成捕获失败，增加了系统控制的难度；网式捕获机构可重复性较差；刚性捕获机构柔顺性较差，接触碰撞时容易产生较大的冲击，极易对目标、捕获机构造成伤害；柔性捕获机构虽具有较强的形状适应能力，但又存在刚度与负载能力不足的问题。

发明内容

本发明为了克服现有的技术缺陷，提供了一种面向非合作目标的连续型臂群捕获机构，可以显著降低捕获机构控制难度，提高捕获机构负载能力和任务可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种面向非合作目标的连续型臂群捕获机构，包括捕获装置、驱动装置；捕获装置包括九根欠驱动连续型机械臂，每根欠驱动连续型机械臂包括中央骨架、第一驱动软丝、第二驱动软丝和表面有凸起的硅胶套；驱动装置包括第一电机、第二电机、电机固定板、十二个直线轴承、六根直线轴承导杆、第一驱动丝固定板、第二驱动丝固定板、驱动箱盖、六个侧板和驱动箱底；

六根直线轴承导杆中部及两端均加工有螺纹，在螺纹处均设置有轴肩，六根直线轴承导杆下端沿驱动箱底的圆周方向竖直均布设置在驱动箱底的通孔中，并通过螺母固定在驱动箱底，第一电机、第二电机均通过螺钉连接到电机固定板，电机固定板通过螺母固定到六根直线轴承导杆中部螺纹处，每根直线轴承导杆上穿装有两个直线轴承，第一驱动丝固定板、第二驱动丝固定板分别通过六个直线轴承与六根直线轴承导杆滑动连接，六根直线轴承导杆上端均布设置在驱动箱盖的通孔中，并通过螺母固定在驱动箱盖上；

第一电机、第二电机均为固定轴式直线步进电机，第一驱动丝固定板、第二驱动丝固定板通过螺母分别固定在第一电机、第二电机伸出的螺杆末端；

九根欠驱动连续型机械臂通过螺栓固定于驱动箱盖上并沿驱动箱盖的圆周方向分为内、外两圈，内、外圈分别均布三根及六根欠驱动连续型机械臂，位于内圈的每根欠驱动连续型机械臂与位于外圈的相邻两根欠驱动连续型机械臂呈等边三角形布置，在外圈的六根欠驱动连续型机械臂的表面有凸起的硅胶套上均布置有一个压力传感器；

中央骨架由十个刚性连杆串联构成，依次形成四个转动铰链和五个球铰链，任意相邻的两个刚性连杆的连接面分别设置为第一铰接面、第二铰接面，一个刚性连杆的第一铰接面与另一个相邻的刚性连杆的第二铰接面形成铰接结构；

刚性连杆共有四种类型，第一刚性连杆有三个用于螺栓连接的通孔，其第一铰接面为转动铰接面，其数量为一个；第二刚性连杆的第二铰接面设置为转动扫略面，第一铰接面设置为转动面，其数量为三个；第三刚性连杆的第二铰接面设置为转动扫略面，第一铰接面为球铰面，其数量为一个；第四刚性连杆的第二铰接面设置为圆弧扫略面，第一铰接面为球铰面，其数量为五个；四种刚性连杆按照顺序依次串联构成中央骨架；

进一步的，刚性连杆的中间圆柱直径设置为比其两端小，第二刚性连杆、第三刚性连杆、第四刚性连杆的底面均设置为圆盘面。

所有刚性连杆的底面均设置有一个过线孔，过线孔内用于穿设第一驱动软丝，每个刚性连杆上的过线孔均设置在面向驱动箱盖中心的方向上；每个刚性连杆均设置有一个中心孔，中心孔用于穿设第二驱动软丝，每个刚性连杆的中心孔两端均设置成锥形；

共计九根欠驱动连续型机械臂的九根第一驱动软丝均固定在第一驱动丝固定板的一侧，每根第一驱动软丝均穿过所属欠驱动连续型机械臂的每一个刚性连杆的过线孔，直至与末端刚性连杆固联，每根第一驱动软丝与所属欠驱动连续型机械臂内的其他刚性连杆没有固联，可以发生相对滑动，拉紧第一驱动软丝来驱动每根连续型机械臂进行弯曲；

九根欠驱动连续型机械臂的九根第二驱动软丝均固定在第二驱动丝固线板的一侧，途径第一驱动丝固定板，每根第二驱动软丝均穿过所属欠驱动连续型机械臂的每一个刚性连杆的中心孔，直至与末端刚性连杆固联，每根第二驱动软丝与每根欠驱动连续型机械臂中其他刚性连杆没有固联，可以发生相对滑动，拉紧第二驱动软丝来增大每根连续型机械臂的刚度；

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明捕获机构利用其中一个直线步进电机即第一电机驱动九根连续型机械臂，第一电机通过带动固定在电机螺杆末端的第一驱动丝固定板作直线运动，从而带动固定在第一驱动丝固定板上的九根第一驱动软丝，使每根连续型机械臂完成面向驱动箱盖中心的弯曲，机械臂上设置的转动铰链和第一驱动软丝的安装位置保证了其弯曲方向，这种欠驱动的方式大大的简化了控制；

2.本发明捕获机构利用另一个直线步进电机即第二电机带动固定在电机螺杆末端的第二驱动丝固定板作往复直线运动，从而带动第二驱动软丝来改变铰链间的摩擦力，来设置每根欠驱动连续型臂自身刚度；本发明还能利用各连续型机械臂之间的相互接触挤压，增大连续型机械臂之间的接触摩擦，增强捕获机构的整体刚度，克服柔性捕获机构负载和稳定性不足的问题；

3.本发明捕获机构允许目标从捕获机构的顶部、侧面以几乎任意角度进入，为姿态调整提供了很大的容差范围。欠驱动连续型臂的表面有凸起的硅胶套和铰链结构具有足够的柔顺度，当相对较大尺寸的目标进入臂丛时，机械臂上设置的球铰链可以向包括驱动箱盖中心的其他方向发生被动变形以适应各种形状和尺寸的目标，并减少捕获过程中的瞬间冲击影响；

4.本发明捕获机构即使个别操作臂失效，整个捕获器仍然能够很好地完成任务，消除了以往捕获器单臂复杂度高，功能过度集中，一个自由度失效即导致系统整体失效的弊端，显著提高系统任务可靠性。

附图说明

图1为本发明捕获机构的立体结构示意图；

图2为本发明的九根欠驱动连续型机械臂在驱动箱盖上布置方式的结构示意图；

图3为本发明的单根欠驱动连续型机械臂中央骨架直立时的结构示意图；

图4位本发明的单根欠驱动连续型机械臂中央骨架弯曲时的结构示意图；

图5为本发明的第二刚性连杆和第三刚性连杆的结构示意图；

图6为本发明的单根欠驱动连续型机械臂直立时的剖视结构示意图；

图7为本发明驱动装置的部分结构示意图；

图8为本发明捕获机构捕获到球形物体的状态示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1至图7所示，一种面向非合作目标的连续型臂群捕获机构，包括捕获装置1和驱动装置2，其中，捕获装置1包括九根欠驱动连续型机械臂1-1，每根欠驱动连续型机械臂1-1包括表面有凸起的硅胶套1-2、中央骨架1-3、第一驱动软丝1-4、第二驱动软丝1-5；驱动装置2包括第一电机2-1、第二电机2-2、电机固定板2-3、十二个直线轴承2-4、六根直线轴承导杆2-5、第一驱动丝固定板2-6、第二驱动丝固定板2-7、驱动箱盖2-8、六个侧板2-9、驱动箱底2-10；

所示六根直线轴承导杆2-5中部及两端均加工有螺纹，在螺纹处均设置有轴肩，六根直线轴承导杆2-5下端沿驱动箱底2-10的圆周方向竖直均布设置在驱动箱底2-10的通孔中，并通过螺母固定在驱动箱底2-10，第一电机2-1、第二电机2-2均通过螺钉连接到电机固定板2-3，电机固定板2-3通过螺母固定到六根直线轴承导杆2-5的中部螺纹处，每根直线轴承导杆2-5上穿装有两个直线轴承2-4，第一驱动丝固定板2-6、第二驱动丝固定板2-7分别通过六个直线轴承2-4与六根直线轴承导杆2-5滑动连接，六根直线轴承导杆2-5上端均布安装在驱动箱盖2-8的通孔中，并通过螺母固定在驱动箱盖2-8上。

如图2所示，九根欠驱动连续型机械臂1-1分为内外两圈沿圆周方向通过螺栓固定到驱动箱盖2-8上，内、外圈分别均布三根110及六根欠驱动连续型机械臂111，位于内圈的每根欠驱动连续型机械臂110与位于外圈的相邻两根欠驱动连续型机械臂111呈等边三角形布置，在外圈的六根欠驱动连续型机械臂111的表面有凸起的硅胶套1-2上均布置有一个压力传感器1-12，表面带有凸起的硅胶套1-2使每根欠驱动连续型机械臂1-1具有连续体特征，增加每根欠驱动连续型机械臂1-1的整体弯曲柔顺性。

如图3～5所示，欠驱动连续型机械臂1-1的中央骨架1-3由十个刚性连杆串联构成，依次形成四个转动铰链和五个球铰链，任一相邻的两个刚性连杆的连接面分别设置为第一铰接面130、第二铰接面131，一个刚性连杆的第一铰接面130与另一个相邻的刚性连杆的第二铰接面131形成铰接结构。

优选的，刚性连杆共有四种类型，第一刚性连杆1-6有三个用于螺栓连接的通孔，其第二铰接面131为转动铰接面；第二刚性连杆1-7的第二铰接面131设置为转动扫略面，第一铰接面130设置为转动面；第三刚性连杆1-8的第二铰接面131设置为转动扫略面，第一铰接面130为球铰面；第四刚性连杆1-9的第二铰接面131设置为圆弧扫略面，第一铰接面130为球铰面。

所有刚性连杆的底面上均设置有一个过线孔1-10，过线孔1-10内用于穿设第一驱动软丝1-4，每个刚性连杆均设置有一个中心孔1-11，中心孔1-11用于穿设第二驱动软丝1-5。

第一驱动软丝1-4穿过十个刚性连杆的过线孔1-10来实现机械臂弯曲，第二驱动软丝1-5穿过十个刚性连杆中心孔1-11来改变机械臂刚度。

优选的，刚性连杆的中间圆柱直径设置为比其两端小，在保证不影响第二驱动软丝1-5从刚性连杆中心孔1-11顺利穿过情况下，使构成铰接结构的两个相邻刚性连杆在运动时不发生干涉，第二刚性连杆1-7、第三刚性连杆1-8、第四刚性连杆1-9的底面均设置为圆盘面。

优选的，如图6所示，每个刚性连杆的中心孔1-11两端均设置成锥形，拉动位于中心孔1-11内的第二驱动软丝1-5，任一相邻的两个刚性连杆形成的铰接结构间摩擦力增加，铰接结构被锁定，实现每根欠驱动连续型机械臂刚度的改变。

每个刚性连杆上的过线孔1-10均设置在面向驱动箱盖2-8中心的方向上，使得九根欠驱动连续型机械臂1-1靠近驱动箱盖2-8的转动铰链在捕获目标时均向驱动箱盖2-8中心弯曲，欠驱动连续型机械臂1-1设置的球铰链可以向包括驱动箱盖中心的其他方向发生被动变形以适应一定形状和尺寸的目标，并减少捕获过程中的瞬间冲击影响。

如图7所示，第一电机2-1和第二电机2-2均为固定轴式直线步进电机，第一驱动丝固定板2-6和第二驱动丝固定板2-7通过螺母分别固定到第一电机2-1和第二电机2-2伸出的螺杆末端。

九根欠驱动连续型机械臂1-1的九根第一驱动软丝1-4均固定在第一驱动丝固线板2-6的一侧，每根第一驱动软丝1-4均穿过所属欠驱动连续型机械臂1-1的每一个刚性连杆的过线孔1-10，直至与末端刚性连杆固联，每根第一驱动软丝1-4与所属欠驱动连续型机械臂1-1内的其他刚性连杆没有固联，可以发生相对滑动，拉紧第一驱动软丝1-4来驱动每根欠驱动连续型机械臂1-1进行弯曲，如图8所示，球形物体3被捕获装置1抓取。

九根欠驱动连续型机械臂1-1的九根第二驱动软丝1-5均固定在第二驱动丝固线板2-7的一侧，途径第一驱动丝固定板2-6，每根第二驱动软丝1-5均穿过所属欠驱动连续型机械臂1-1的每一个刚性连杆的中心孔1-11，直至与末端刚性连杆固联，每根第二驱动软丝1-5与每根欠驱动连续型机械臂1-1中其他刚性连杆没有固联，可以发生相对滑动，拉紧第二驱动软丝1-5来增大每根欠驱动连续型机械臂1-1的刚度。

本发明安装于相应操作臂末端，配合操作臂的运动，将捕获机构倒置，即捕获装置位于驱动装置的下方，则本发明的捕获方法如下：

在捕获准备状态时，第二电机2-2的伸出的螺杆有一定的初始长度，保证固定在第二驱动丝固定板2-7上的九根第二驱动软丝1-5受到一定的初始张力，中央骨架1-3中的铰接结构处有一定的压力，以及中央骨架1-3外层包裹的表面有凸起的硅胶套1-2有一定的弹力，使得九根欠驱动连续型机械臂1-1处于直立状态，同时第一电机2-1的伸出的螺杆有一定的初始长度，保证固定在第一驱动丝固定板2-6上的九根第一驱动软丝1-4没有受到张力，若当相对较大的非合作目标进入臂丛时，欠驱动连续型机械臂1-1设置的球铰链可以向包括驱动箱盖中心的其他方向发生被动变形以适应其形状和尺寸，并减少捕获过程中的瞬间冲击影响；

在进行捕获状态时，当非合作目标从捕获机构的顶部、侧面以几乎任意角度进入到臂丛中，第一电机2-1的伸出的螺杆长度变短，带动第一驱动丝固定板2-6向靠近第一电机2-1的方向移动，同时拉紧固定在第一驱动丝固定板2-6上的九根第一驱动软丝1-4，使得九根欠驱动连续型机械臂1-1均向驱动箱盖2-8中心弯曲来抓取目标，同时通过检测在外圈的六根欠驱动连续型机械臂111布置的一个压力传感器1-12的数值，外圈布置的六根欠驱动连续型机械臂111会压在内圈布置的三根欠驱动连续型机械臂110或目标上，在满足设定的压力值范围时，第二电机2-2伸出的螺杆长度变短，带动第二驱动丝固定板2-7向靠近第二电机2-2的方向移动，同时拉紧固定在第二驱动丝固定板2-7上的九根第二驱动软丝1-5，来增大每根中央骨架1-3铰链间的摩擦力，来增大每根欠驱动连续型臂自身刚度，达到锁紧的目的；

在回收非合作目标时，第二电机2-2伸出的螺杆长度变长，带动第二驱动丝固定板2-7向远离第二电机2-2的方向移动，使固定在第二驱动丝固定板2-7上的九根第二驱动软丝1-5无张力，然后第一电机2-1的伸出的螺杆长度变长，带动第一驱动丝固定板2-6向远离第一电机2-1的方向移动，使固定在第一驱动丝固定板2-6上的九根第一驱动软丝1-4无张力，将被捕获目标释放。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向非合作目标的连续型臂群捕获机构，其特征在于，包括捕获装置和驱动装置，所述捕获装置包括九根欠驱动连续型机械臂，每根欠驱动连续型机械臂由中央骨架、第一驱动软丝、第二驱动软丝和表面有凸起的硅胶套组成；驱动装置由第一电机、第二电机、电机固定板、十二个直线轴承、六根直线轴承导杆、第一驱动丝固定板、第二驱动丝固定板、驱动箱盖、侧板和驱动箱底组成；

九根欠驱动连续型机械臂通过螺栓固定于所述驱动箱盖上并沿驱动箱盖的圆周方向分为内、外两圈，内、外圈分别均布三根和六根欠驱动连续型机械臂，六根直线轴承导杆的中部和两端均设有螺纹，六根直线轴承导杆的底端沿驱动箱底的圆周方向竖直均布固定于驱动箱底，所述电机固定板通过螺母固定于六根直线轴承导杆的中部螺纹处，第一电机、第二电机均通过螺钉固定至电机固定板，每根直线轴承导杆上均穿装有两个直线轴承，第一驱动丝固定板、第二驱动丝固定板分别通过六个直线轴承与六根直线轴承导杆滑动连接，六根直线轴承导杆的顶端与驱动箱盖固定；第一电机和第二电机分别用于驱动第一驱动丝固定板和第二驱动丝固定板以实现臂群弯曲收拢和变刚度操作。

2.根据权利要求1所述的一种面向非合作目标的连续型臂群捕获机构，其特征在于，位于内圈的每根欠驱动连续型机械臂与位于外圈的相邻两根欠驱动连续型机械臂呈等边三角形布置，且在位于外圈的六根欠驱动连续型机械臂的硅胶套上均布置有一个压力传感器。

3.根据权利要求1所述的一种面向非合作目标的连续型臂群捕获机构，其特征在于，所述中央骨架由十个刚性连杆串联构成，并依次形成四个转动铰链和五个球铰链。

4.根据权利要求3所述的一种面向非合作目标的连续型臂群捕获机构，其特征在于：所述刚性连杆包括四种类型，所有刚性连杆的底面均设置有一个用于穿设第一驱动软丝的过线孔，且每个刚性连杆上还设置有一个用于穿设第二驱动软丝的中心孔。

5.根据权利要求4所述的一种面向非合作目标的连续型臂群捕获机构，其特征在于，每个刚性连杆的中心孔两端均设置成锥形结构，每个刚性连杆上的过线孔均设置在面向驱动箱盖中心的方向上。

6.根据权利要求1所述的一种面向非合作目标的连续型臂群捕获机构，其特征在于，所述第一电机、第二电机均为固定轴式直线步进电机，第一驱动丝固定板、第二驱动丝固定板通过螺母分别与第一电机和第二电机伸出的螺杆末端连接。

7.根据权利要求1、3、4或6所述的一种面向非合作目标的连续型臂群捕获机构，其特征在于，九根欠驱动连续型机械臂的九根第一驱动软丝均固定在第一驱动丝固定板的一侧，每根第一驱动软丝均穿过所属欠驱动连续型机械臂的每一个刚性连杆的过线孔，直至与末端刚性连杆固联，每根第一驱动软丝与所属欠驱动连续型机械臂内的其他刚性连杆没有固联，可以发生相对滑动。

8.根据权利要求1、3、4或6所述的一种面向非合作目标的连续型臂群捕获机构，其特征在于，九根欠驱动连续型机械臂的九根第二驱动软丝均固定在第二驱动丝固定板的一侧，途径第一驱动丝固定板，每根第二驱动软丝均穿过所属欠驱动连续型机械臂的每一个刚性连杆的中心孔，直至与末端刚性连杆固联，每根第二驱动软丝与每根欠驱动连续型机械臂中其他刚性连杆没有固联，可以发生相对滑动。

9.根据权利要求1所述一种面向非合作目标的连续型臂群捕获机构，其特征在于，所述驱动装置为六面体箱体结构，驱动箱盖和驱动箱底之间连接有6个所述侧板。

10.根据权利要求1所述一种面向非合作目标的连续型臂群捕获机构，其特征在于，所述驱动箱盖和驱动箱底上均相对应的设有通孔，六根直线轴承导杆的底端和顶端穿过所述通孔并通过螺母分别与驱动箱底和驱动箱盖连接。