CN109129451A - 空间自定位机械臂的肩部锁紧与腕部捕获设备及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人领域，并公开了空间自定位机械臂的肩部锁紧与腕部捕获设备，包括滚珠丝杠机构和周向均匀布置的多个分离式捕获‑锁紧机构，每个所述分离式捕获‑锁紧机构均包括捕获机构和锁紧机构，所述捕获机构包括开槽杆件手指、拦阻钩、销钉和连接台，所述开槽杆件手指包括第一杆件、第二杆件和第三杆件；所述锁紧机构包括拦阻杆和两个被动锁紧单元，每个所述被动锁紧单元均包括锁紧杆、连杆、铰轴、第一拉伸弹簧和第二拉伸弹簧。本发明能通过一个单自由度机构实现空间自定位机械臂的肩部锁紧与腕部捕获的功能性分离方法，该方法具有单自由度、机构分离、钩‑杆连接方便、速度放大、锁紧力放大和能量节省等优点。

Description

空间自定位机械臂的肩部锁紧与腕部捕获设备及其应用

技术领域

本发明属于机器人领域，更具体地，涉及空间自定位机械臂的肩部锁紧与腕部捕获设备及其应用。

背景技术

空间机器人是在轨服务一个重要的工具。目前航天器的在轨服务主要由宇航员通过舱外活动或者在舱内/外(遥)操作机器人完成。空间机器人的操作范围包括空间体积受限于机械臂远端相对于近端的最大长度与固定端的位置。空间微重力允许很长机械臂的使用，然而货运飞船的仓储空间有限，机械臂的延长直接缩减有效载荷的数量，增加运输的次数和巨额的运输成本。另外，机械臂的延长增加精度控制要求，操作目标时需要更大的空间体积。机械臂的重量是其长度的函数，任何重量的减少有利于增加有效载荷的重量。

机械臂操作范围包括空间体积扩大涉及三种方式：自由漂浮、移动与自定位。自由漂浮机器人是指机械臂安装于自由漂浮基座如航天飞行器，主要用于卫星的在轨服务。移动平台机器人是指机械臂安装于移动基座上，基座在滑轨上移动，改变了机械臂的固定端位置。然而，这两种方式的机械臂仍旧是固定的，借助移动平台实现操作空间的延伸，延伸量是有限的。自定位能够克服这些缺陷。机械臂自定位是一种尺蠖运动，机械臂从一个基点(捕获接口)行走到另一个。自定位机械臂的长度与其空间控制体积不再受其长度和一端永久固定的限制。因此，机械臂的尺寸可以减小，相应增加货运飞船的有效载荷存储运输能力。

自定位机械臂对称于其肘关节，肘关节的两端连接着两根臂杆，每根臂杆的另一端连接着腕部或肩部关节组。每个关节组的末端关节连接着末端执行器。目前有三种自定位机械臂用于在轨服务，一种是用于空间大型反射器在轨装配的小型机械臂，第二种是用于国际空间站俄罗斯舱段在轨维护的欧洲臂，第三种是用于国际空间站在轨维护的空间站遥操作机械臂系统。前两种机械臂末端执行器的抓捕机构集成了这两个主要的功能，即在机械臂的肩部用于连接空间站上的基点(捕获接口)，在机械臂的腕部用于连接有效载荷，因此无法区分机械臂的肩部锁紧与腕部捕获。这中功能集成型末端执行器使前两种机械臂只能用于静态环境中处理有效载荷，限制了机械臂的能力，尤其是对自由漂浮有效载荷的捕获能力。第三种机械臂的末端执行器有一个圈套捕获机构和四套锁紧机构。在腕部一侧，机械臂使用圈套捕获机构；在肩部一侧，在初始捕获之后，锁紧机构建立了末端执行器与基点(捕获接口)之间的刚性连接。然而，这种末端执行器对于小型机械臂来说庞大而复杂，独立驱动的锁紧机构需要相应的传动链、检测和控制硬件与软件等，增加了系统的复杂程度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了空间自定位机械臂的肩部锁紧与腕部捕获设备及其应用，解决现有自定位机械臂末端执行器的缺陷：功能集成型不能区分肩部锁紧与腕部捕获和功能分离的大而复杂不适用于小型机械臂。该方法在增强机械臂的捕获能力的基础上，提供一套锁紧机构以提高啮合接口的预载能力，增强对外部载荷的抗干扰能力。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了空间自定位机械臂的肩部锁紧与腕部捕获设备，其特征在于，包括滚珠丝杠机构和周向均匀布置的多个分离式捕获-锁紧机构，其中，

每个所述分离式捕获-锁紧机构均包括捕获机构和锁紧机构，每个捕获机构均包括捕获手指、拦阻钩、销轴和连接台，其中，所述捕获手指包括一体成形的三段杆件，这三段杆件分别为第一杆件、第二杆件和第三杆件，所述第二杆件的一端连接第一杆件而另一端别接第三杆件，并且所述第二杆件与所述第一杆件所成的角为钝角，所述第二杆件和第三杆件垂直，所述拦阻钩设置在所述第二杆件的侧面，并且所述第一杆件、第三杆件和拦阻钩设置在所述第二杆件的同一侧；所述捕获手指上设置有轨迹通槽，所述轨迹通槽包括抓捕槽段和拖动平移槽段，所述抓捕槽段平行于第一杆件，所述拖动平移槽段平行于所述第二杆件，所述销轴穿过所述轨迹通槽，所述连接台设置在所述第一杆件远离第二杆件的一端；

每个所述锁紧机构均包括拦阻杆和两个被动锁紧单元，其中，每个所述被动锁紧单元均包括锁紧杆、连杆、铰轴、第一拉伸弹簧和第二拉伸弹簧，所述连杆的一端通过铰轴铰接在所述锁紧杆上，所述铰轴上套接有用于使所述连杆复位的扭转弹簧，所述连杆的另一端连接所述拦阻杆，即所述拦阻杆将两个所述被动锁紧单元的连杆连接在一起，所述第一拉伸弹簧的一端连接在连杆上而另一端连接在锁紧杆上，以用于使所述连杆复位，所述第二拉伸弹簧的一端连接在锁紧杆靠近连杆的一端而另一端用于连接末端执行器的盖板，此外，所述铰轴、拦阻杆和销轴相互平行；

在每个所述分离式捕获-锁紧机构中，所述销轴的两端分别穿过一所述锁紧杆，从而使所述捕获手指位于两个所述锁紧杆之间并且使所述锁紧杆可转动连接在所述捕获手指上；

每根所述销轴的两端均连接在末端执行器壳体上；

每个所述分离式捕获-锁紧机构的连接台均连接在所述滚珠丝杠机构的滚珠螺母上，所述滚珠丝杠机构通过电机驱动，从而带动所述分离式捕获-锁紧机构的连接台移动。

优选地，所述锁紧杆远离所述连杆的一端设置有锁紧轮。

优选地，所述第一杆件和第二杆件通过圆角平滑过渡。

优选地，所述抓捕槽段和拖动平移槽段通过圆角平滑过渡。

优选地，所述第一拉伸弹簧的一端通过连杆连接凸台连接在所述连杆上，并且所述连杆连接凸台上设置弹簧安装孔，所述第一拉伸弹簧的一端勾在所述弹簧安装孔处。

优选地，所述第一拉伸弹簧的一端通过锁紧杆连接凸台连接在所述锁紧杆上，并且所述锁紧杆连接凸台上设置弹簧安装孔，所述第一拉伸弹簧的一端勾在所述弹簧安装孔内。

优选地，所述第二拉伸弹簧的一端通过锁紧杆连接凸台连接在所述锁紧杆上，并且所述锁紧杆连接凸台上设置弹簧安装孔，所述第二拉伸弹簧的一端勾在所述弹簧安装孔内。

按照本发明的另一个方面，还提供了所述的空间自定位机械臂的肩部锁紧与腕部捕获设备装配目标的方法，所述目标为捕获接口和末端执行器，其特征在于，包括以下步骤：

(1)捕获手指的第一杆件推压连杆，使连杆绕铰轴的中心线转动，从而使连杆偏离初始位置的零位，进而导致拦阻杆也偏离初始位置的零位，此时销轴位于抓捕槽段远离拖动平移槽段的一端；

(2)电机驱动滚珠丝杠机构的丝杠旋转，滚珠丝杠驱动滚珠螺母沿着末端执行器壳体的长度方向的平移，滚珠螺母通过连接台拖动捕获手指，使位于抓捕槽段的销轴相对于捕获手指在抓捕槽段内移动，此时开槽杆件捕获手指相对于锁紧杆转动，开槽杆件捕获手指的第三杆件靠拢锁紧杆，多个捕获手指的第三杆件合拢，合拢过程中第三杆件分别进入捕获接口的捕获空间，第三杆件位于捕获接口的底板的上方并与该捕获接口的底板接触，以带动捕获接口下移，随着捕获手指的移动，连杆在第一拉伸弹簧的作用下回到零位，拦阻杆由于连杆的约束也跟着回到零位并与捕获手指的第一杆件脱离接触；

(3)多个捕获手指的第三杆件合拢后与捕获接口接触，以实现对捕获接口的粗定心，销轴上连接的末端执行器与第三杆件抓捕的捕获接口之间形成粗对齐，此时，销轴位于捕获手指轨迹通槽的拖动段，拖动段与末端执行器壳体的长度方向平行，捕获手指的拦阻钩位于锁紧机构的拦阻杆的正上方，拦阻钩位于捕获手指轨迹通槽的拖动平稳段上；

(4)滚珠螺母继续带动捕获手指收缩平移，拖动捕获接口一起运动，随着捕获手指的平移，拦阻钩开始接触锁紧机构的拦阻杆并挤压拦阻杆，驱动连杆向靠近锁紧杆的方向转动，拦阻杆进入拦阻钩钩槽的入口并与拦阻钩保持接触；

(5)捕获手指的移动继续驱动连杆向锁紧杆转动，直至连杆与锁紧杆接触，此后，连杆与锁紧杆在捕获手指在拦阻钩的驱动下一起绕销轴转动；

(6)随着锁紧杆绕销轴的转动和捕获接口的移动，锁紧杆与捕获接口的底板上的斜面接触从而抓住捕获接口，完成对捕获接口的锁紧捕获；

(7)此后锁紧杆继续转动，锁紧杆驱动捕获接口以比捕获手指拖动更快的速度接近末端执行器，导致捕获手指与捕获接口的底板脱离接触；

(8)锁紧杆驱动捕获接口与末端执行器的盖板接触，所述捕获接口底板上的第一定位结构与末端执行器盖板上的第二定位结构对准，从而实现捕获接口与末端执行器的粗对齐。

优选地，所述第一定位结构和第二定位结构均为弧形齿，弧形齿实现啮合，从而实现捕获接口与末端执行器的精对齐。

优选地，捕获接口与末端执行器的精对齐时，锁紧杆旋转至与末端执行器壳体长度方向平行的最终位置，通过锁紧轮与捕获接口上的弹性单元之间的相互作用在捕获接口与末端执行器上施加锁紧预载，连杆运动至相对于水平面倾斜的位置以保证安全锁紧。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明能通过一个单自由度机构实现空间自定位机械臂的肩部锁紧与腕部捕获的功能功能性分离方法，该方法具有单自由度、机构分离、钩-杆连接、速度放大、锁紧力放大和能量节省等优点，其可以用于设计其它机器人自动化中的末端执行器和工具/有效载荷可更换装置、移动机器人中用于自装配或自重构的连接机构、空间交汇对接/停泊机构。也可用作无极变速器的设计参考。

(2)本发明实现了功能分离；捕获容差范围增大；增加了锁紧机构，提高了接口面上的预紧载荷和外部抗干扰能力，而且也实现了单自由度完成两个不同功能，简化了结构，使结构更加紧凑，并且节省了空间有限的电源。

附图说明

图1是本发明的肩部锁紧与腕部捕获设备初始位置的示意图；

图2是本发明的肩部锁紧与腕部捕获设备进行合拢捕获的示意图；

图3是本发明的肩部锁紧与腕部捕获设备对目标粗定心的示意图；

图4～图7是本发明的肩部锁紧与腕部捕获设备的拦阻杆进入拦阻钩的过程示意图；

图8是本发明的肩部锁紧与腕部捕获设备的连杆向靠近锁紧杆的方向移动的示意图；

图9是本发明的肩部锁紧与腕部捕获设备的锁紧轮锁紧捕获接口的示意图；

图10是本发明的肩部锁紧与腕部捕获设备的锁紧轮刚驱动捕获接口的底板与捕获手指分离时的状态示意图；

图11是本发明的肩部锁紧与腕部捕获设备继续驱动捕获接口的底板与捕获手指分离时的状态示意图；

图12是本发明的肩部锁紧与腕部捕获设备驱动捕获接口与末端执行器的盖板精对齐的示意图；

图13是本发明的肩部锁紧与腕部捕获设备对捕获接口与末端执行器施加锁紧预载的示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～图13，空间自定位机械臂的肩部锁紧与腕部捕获设备，包括滚珠丝杠机构和周向均匀布置的多个分离式捕获-锁紧机构，其中，

每个所述分离式捕获-锁紧机构均包括捕获机构和锁紧机构，每个捕获机构均包括捕获手指、拦阻钩、销轴和连接台24，其中，所述捕获手指包括一体成形的三段杆件，这三段杆件分别为第一杆件、第二杆件和第三杆件，所述第二杆件的一端连接第一杆件而另一端别接第三杆件，并且所述第二杆件与所述第一杆件所成的角为钝角，所述第二杆件和第三杆件垂直，所述拦阻钩设置在所述第二杆件的侧面，并且所述第一杆件、第三杆件和拦阻钩设置在所述第二杆件的同一侧；所述捕获手指上设置有轨迹通槽，所述轨迹通槽包括抓捕槽段27和拖动平移槽段28，所述抓捕槽段27平行于第一杆件，所述拖动平移槽段28平行于所述第二杆件，所述销轴穿过所述轨迹通槽，所述连接台24设置在所述第一杆件远离第二杆件的一端；

每个所述锁紧机构均包括拦阻杆和两个被动锁紧单元，其中，每个所述被动锁紧单元均包括锁紧杆、连杆、铰轴、第一拉伸弹簧和第二拉伸弹簧，所述连杆的一端通过铰轴铰接在所述锁紧杆上，所述铰轴上套接有用于使所述连杆复位的扭转弹簧，所述连杆的另一端连接所述拦阻杆，即所述拦阻杆将两个所述被动锁紧单元的连杆连接在一起，所述第一拉伸弹簧的一端连接在连杆上而另一端连接在锁紧杆上，以用于使所述连杆复位，所述第二拉伸弹簧的一端连接在锁紧杆靠近连杆的一端而另一端用于连接末端执行器的盖板26，此外，所述铰轴、拦阻杆和销轴相互平行；

在每个所述分离式捕获-锁紧机构中，所述销轴的两端分别穿过一所述锁紧杆，从而使所述捕获手指位于两个所述锁紧杆之间并且使所述锁紧杆可转动连接在所述捕获手指上；

参照图1，示出了三个分离式捕获-锁紧机构，第一分离式捕获-锁紧机构具有第一捕获手指1、第一拦阻钩4、第一锁紧杆7、第一销轴10、第一拦阻杆12、第一连杆15、第一拉伸弹簧安装孔18、第三弹簧安装孔20、第五弹簧安装孔22和第三杆件A29，第二分离式捕获-锁紧机构具有第二捕获手指2、第二拦阻钩5、第二锁紧杆8、第二销轴11、第二拦阻杆13、第二连杆16、第二拉伸弹簧安装孔19、第四弹簧安装孔21、第六弹簧安装孔23和第三杆件B30，第三分离式捕获-锁紧机构具有第三捕获手指3、第三拦阻钩6、第三锁紧杆9、第三拦阻杆14和第三连杆17；

每根所述销轴的两端均连接在末端执行器壳体上；

每个所述分离式捕获-锁紧机构的连接台24均连接在所述滚珠丝杠机构的滚珠螺母上，所述滚珠丝杠机构通过电机驱动，从而带动所述分离式捕获-锁紧机构的连接台24移动。

其中，为使捕获-锁紧的过程显示得更加清楚，图4～图13均示出了两个分离式捕获-锁紧机构，在图1～图3的基础上撤除了一个分离式捕获-锁紧机构；

进一步，所述锁紧杆远离所述连杆的一端设置有锁紧轮34。

进一步，所述第一杆件和第二杆件通过圆角平滑过渡。

进一步，所述抓捕槽段27和拖动平移槽段28通过圆角平滑过渡。

进一步，所述第一拉伸弹簧的一端通过连杆连接凸台连接在所述连杆上，并且所述连杆连接凸台上设置弹簧安装孔，所述第一拉伸弹簧的一端勾在所述弹簧安装孔处。

进一步，所述第一拉伸弹簧的一端通过锁紧杆连接凸台连接在所述锁紧杆上，并且所述锁紧杆连接凸台上设置弹簧安装孔，所述第一拉伸弹簧的一端勾在所述弹簧安装孔内。

进一步，所述第二拉伸弹簧的一端通过锁紧杆连接凸台连接在所述锁紧杆上，并且所述锁紧杆连接凸台上设置弹簧安装孔，所述第二拉伸弹簧的一端勾在所述弹簧安装孔内。

本发明还提供了空间自定位机械臂的肩部锁紧与腕部捕获设备装配目标的方法包括以下步骤：

步骤一：初始状态

如图1所示，开槽的杆件作为捕获手指。第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3开始于最大张开状态。捕获接口25保持在一个处于第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3边界内的状态。锁紧机构是一个被动式零自由机构。三套锁紧机构对称地分布在第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3的两侧，每一套锁紧机构由两根锁紧杆、两根连杆、一根拦阻杆和拉伸弹簧等组成。第一锁紧杆7、第二锁紧杆8和第三锁紧杆9开始于最大展开状态。与锁紧杆连接的第一连杆15、第二连杆16和第三连杆17由于第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3的约束偏离了零位。在弹簧孔20、23与盖板26之间的拉伸弹簧约束第一锁紧杆7、第二锁紧杆8和第三锁紧杆9。在第一弹簧安装孔18、第二弹簧安装孔19、第三弹簧安装孔20、第四弹簧安装孔21、第五弹簧安装孔22、第六弹簧安装孔23之间的拉伸弹簧约束第一连杆15、第二连杆16和第三连杆17，进而约束第一拦阻杆12、第二拦阻杆13和第三拦阻杆14。第一拦阻杆12、第二拦阻杆13和第三拦阻杆14由于拉伸弹簧的约束作用分别于第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3接触。除了初始接触之外，捕获手指与锁紧机构分离。

步骤二：合拢捕获

如图2所示，接收到捕获指令，电机开始通过传动链驱动滚珠丝杠旋转，转化为滚珠螺母沿着末端执行器壳体的长度方向平移。滚珠螺母通过连接台24拖动第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3。第一销轴10、第二销轴11(第三捕获手指3的销轴未示出)穿过第一捕获手指1和第二捕获手指2，两端固定在末端执行器的外壳上。第一销轴10、第二销轴11(第三捕获手指3的销轴未示出)开始时位于第一捕获手指1和第二捕获手指2轨迹通槽的抓捕槽段27。第一销轴10、第二销轴11(第三捕获手指3的销轴未示出)与轨迹通槽的抓捕槽段27之间的凸轮作用促使第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3合拢，第一捕获手指1的第三杆件A29、第二捕获手指2的第三杆件B30和第三捕获手指3的第三杆件C未示出，分别进入捕获接口25的第一捕获空间31、第二捕获空间32(捕获接口的第三捕获空间33未示出)，抓捕捕获接口。随着第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3的移动，第一连杆15、第二连杆16和第三连杆17在拉伸弹簧的作用下回到零位状态。第一拦阻杆12、第二拦阻杆13和第三拦阻杆14由于第一连杆15、第二连杆16和第三连杆17的约束也回到其零位，与第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3脱离接触。捕获手指与锁紧机构处于完全分离状态，锁紧机构处于静止状态。

步骤三：第三杆件接触定心

如图3所示，第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3完全合拢后，第三杆件A29、第三杆件B30(第三捕获手指3的第三杆件未示出)与捕获接口25的第一捕获空间31、第二捕获空间32(捕获接口25的第三捕获空间33未示出)啮合，实现对捕获接口25的粗定心。末端执行器与捕获接口25之间形成粗对齐，两者之间还存在轴向位置偏差。此时，第一销轴10、第二销轴11(第三捕获手指3的销轴未示出)位于第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3轨迹通槽的拖动段28，拖动段28与末端执行器的轴线或者壳体长度方向平行。第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3的第一拦阻钩4、第二拦阻钩5和第三拦阻钩6分别位于锁紧机构的第一拦阻杆12、第二拦阻杆13和第三拦阻杆14的正上方。第一拦阻钩4、第二拦阻钩5和第三拦阻钩6分别位于第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3轨迹通槽的拖动段28上，实现捕获接口25的抓捕完全有第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3实施。在整个捕获阶段，锁紧机构处于静止状态，与捕获手指保持分离状态。

步骤四：钩-杆连接捕获

图4至图7说明钩-杆连接捕获过程。第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3收缩平移，拖动捕获接口25一起运动。随着第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3的平移，第一拦阻钩4、第二拦阻钩5和第三拦阻钩6分别开始接触位于锁紧机构的第一拦阻杆12、第二拦阻杆13和第三拦阻杆14。如图4所示，捕获手指1和3的第一拦阻钩4和6分别开始接触第一拦阻杆12和第三拦阻杆14(第二捕获手指2和第二拦阻杆13未示出)。第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3的继续收缩平移，第一拦阻钩4、第二拦阻钩5和第三拦阻钩6分别开始挤压第一拦阻杆12、第二拦阻杆13和第三拦阻杆14。如图5所示，捕获手指1和3的第一拦阻钩4、第二拦阻钩5和第三拦阻钩6分别(第二拦阻钩5未示出)开始挤压第一拦阻杆12和第三拦阻杆14,(第二捕获手指2和第二拦阻杆13未示出)。第一拦阻杆12和第三拦阻杆14在第一拦阻钩4、第二拦阻钩5和第三拦阻钩6(第二拦阻钩5未示出)挤压作用下分别驱动第一连杆15、第二连杆16和第三连杆17(第二连杆16未示出)向第一锁紧杆7、第二锁紧杆8和第三锁紧杆9转动(第二锁紧杆8未示出)，与其接触。如图6所示，随着捕获手指的持续收缩，第一拦阻杆12、第二拦阻杆13和第三拦阻杆14(第二捕获手指2和第二拦阻杆13未示出)在第一拦阻钩4、第二拦阻钩5和第三拦阻钩6(第二拦阻钩5未示出)的挤压作用下，随着第一连杆15、第二连杆16和第三连杆17(第二连杆16未示出)的转动，在拦阻钩的钩槽导向作用下分别进入第一拦阻钩4、第二拦阻钩5和第三拦阻钩6(第二拦阻钩5未示出)钩槽的入口。如图7所示，第一拦阻钩4、第二拦阻钩5(第二拦阻钩5未示出)和第三拦阻钩6分别在第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3(第二捕获手指2未示出)的平移作用下分别与第一拦阻杆12、第二拦阻杆13和第三拦阻杆14(第二拦阻杆13未示出)接触。在此过程中，锁紧机构仍处于与捕获手指保持分离的静止状态，第一连杆15、第二连杆16和第三连杆17(第二连杆16未示出)在第一拦阻杆12、第二拦阻杆13和第三拦阻杆14(第二拦阻杆13未示出)的带动下向第一锁紧杆7、第二锁紧杆8和第三锁紧杆9转动(第二锁紧杆8未示出)。第一锁紧杆7、第二锁紧杆8和第三锁紧杆9(第二锁紧杆8未示出)保持静止状态。

步骤五：连杆与锁紧杆分离

在第一拦阻钩4、第二拦阻钩5和第三拦阻钩6分别与第一拦阻杆12、第二拦阻杆13和第三拦阻杆14初步在钩口外缘接触后，第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3的移动继续驱动第一连杆15、第二连杆16和第三连杆17向第一锁紧杆7、第二锁紧杆8和第三锁紧杆9转动，直至进入钩口内部接触。第一锁紧杆7、第二锁紧杆8和第三锁紧杆9由于拉伸弹簧的作用保持在原位。当第一连杆15、第二连杆16和第三连杆17分别与第一锁紧杆7、第二锁紧杆8和第三锁紧杆9接触之后，第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3的移动通过第一拦阻钩4、第二拦阻钩5和第三拦阻钩6与第一拦阻杆12、第二拦阻杆13和第三拦阻杆14之间的接触继续驱动锁紧机构的第一连杆15、第二连杆16和第三连杆17与第一锁紧杆7、第二锁紧杆8和第三锁紧杆9一起分别绕第一销轴10、第二销轴11和第三销轴转动。如图8所示，当第一连杆15、第二连杆16和第三连杆17旋转至近竖直位置时，分别与第一锁紧杆7、第二锁紧杆8和第三锁紧杆9分离，同时开始驱动第一锁紧杆7、第二锁紧杆8和第三锁紧杆9绕第一销轴10、第二销轴11和第三销轴旋转。

步骤六：锁紧捕获

如图9所示，第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3的移动通过第一拦阻钩4、第二拦阻钩5和第三拦阻钩6与第一拦阻杆12、第二拦阻杆13和第三拦阻杆14之间的接触，继而又通过第一连杆15、第二连杆16和第三连杆17驱动第一锁紧杆7、第二锁紧杆8和第三锁紧杆9分别绕第一销轴10、第二销轴11和12转动。当锁紧杆转动至锁紧轮34与通过捕获接口25的底板35与斜面33的相交边的竖直面相切时，第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3拖动捕获接口25平移至啮合底面35在前述的切点之下(理想极限情况是啮合底面35与切点平齐，在同一水平面上)。随着第一锁紧杆7、第二锁紧杆8和第三锁紧杆9分别绕第一销轴10、第二销轴11和第三销轴转动和捕获接口25的移动，第一锁紧杆7、第二锁紧杆8和第三锁紧杆9安全地抓住捕获接口25，完成锁紧捕获。以后，第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3在拖动捕获接口25的同时，驱动锁紧机构转动。在此以前，捕获接口25与第一锁紧杆7、第二锁紧杆8和第三锁紧杆9、锁紧轮34之间没有任何接触。

步骤七：捕获手指-捕获接口分离

图10至图12说明捕获手指与捕获接口的分离情况。锁紧轮34接触到捕获接口25的底板35之后，第一锁紧杆7、第二锁紧杆8和第三锁紧杆9便代替第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3，继续驱动捕获接口25以比以前捕获手指拖动更快的速度接近末端执行器，而第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3的收缩平移速度不变。第一锁紧杆7、第二锁紧杆8和第三锁紧杆9的驱动使捕获接口25获得更大的收缩速度，造成第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3与捕获接口25脱离接触。分离的第一距离36、第二37和第三距离38表明开始驱动阶段，第一锁紧杆7、第二锁紧杆8和第三锁紧杆9驱动捕获接口25收缩的速度越来越大。第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3脱离捕获接口25以后，只驱动锁紧机构。

步骤八：对齐啮合

如图11所示，第一锁紧杆7、第二锁紧杆8和第三锁紧杆9驱动捕获接口25与末端执行器的盖板26开始对齐。当定位柱与定位孔之间的接触40发生时，盖板26与捕获接口25形成了粗对齐。接着是浮动连接器39之间开始接触对齐，最后曲形齿之间的啮合41形成了盖板26与捕获接口25精对齐，保证电连接器之间的正确啮合39。

步骤九：锁紧刚化

如图12所示，第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3通过第一拦阻钩4、第二拦阻钩5和第三拦阻钩6与第一拦阻杆12、第二拦阻杆13和第三拦阻杆14之间的接触，继而又通过第一连杆15、第二连杆16和第三连杆17驱动第一锁紧杆7、第二锁紧杆8和第三锁紧杆9分别绕第一销轴10、第二销轴11和第三销轴转动。第一锁紧杆7、第二锁紧杆8和第三锁紧杆9在第一连杆15、第二连杆16和第三连杆17的驱动下旋转至与末端执行器壳体长度方向平行的位置，通过锁紧轮34与捕获接口25上的弹性元件在接触面上施加必要的锁紧预载。第一连杆15、第二连杆16和第三连杆17运动至接近水平位置以保证安全锁紧。第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3与捕获接口25之间仍处于分离状态，分离的距离缩小到一个大于零的定值。第一捕获手指1、第二捕获手指2和第三捕获手指3仍然驱动约束锁紧机构。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.空间自定位机械臂的肩部锁紧与腕部捕获设备，其特征在于，包括滚珠丝杠机构和周向均匀布置的多个分离式捕获-锁紧机构，其中，

每个所述分离式捕获-锁紧机构均包括捕获机构和锁紧机构，每个捕获机构均包括捕获手指、拦阻钩、销轴和连接台，其中，所述捕获手指包括一体成形的三段杆件，这三段杆件分别为第一杆件、第二杆件和第三杆件，所述第二杆件的一端连接第一杆件而另一端别接第三杆件，并且所述第二杆件与所述第一杆件所成的角为钝角，所述第二杆件和第三杆件垂直，所述拦阻钩设置在所述第二杆件的侧面，并且所述第一杆件、第三杆件和拦阻钩设置在所述第二杆件的同一侧；所述捕获手指上设置有轨迹通槽，所述轨迹通槽包括抓捕槽段和拖动平移槽段，所述抓捕槽段平行于第一杆件，所述拖动平移槽段平行于所述第二杆件，所述销轴穿过所述轨迹通槽，所述连接台设置在所述第一杆件远离第二杆件的一端；

每个所述锁紧机构均包括拦阻杆和两个被动锁紧单元，其中，每个所述被动锁紧单元均包括锁紧杆、连杆、铰轴、第一拉伸弹簧和第二拉伸弹簧，所述连杆的一端通过铰轴铰接在所述锁紧杆上，所述铰轴上套接有用于使所述连杆复位的扭转弹簧，所述连杆的另一端连接所述拦阻杆，即所述拦阻杆将两个所述被动锁紧单元的连杆连接在一起，所述第一拉伸弹簧的一端连接在连杆上而另一端连接在锁紧杆上，以用于使所述连杆复位，所述第二拉伸弹簧的一端连接在锁紧杆靠近连杆的一端而另一端用于连接末端执行器的盖板，此外，所述铰轴、拦阻杆和销轴相互平行；

在每个所述分离式捕获-锁紧机构中，所述销轴的两端分别穿过一所述锁紧杆，从而使所述捕获手指位于两个所述锁紧杆之间并且使所述锁紧杆可转动连接在所述捕获手指上；

每根所述销轴的两端均连接在末端执行器壳体上；

每个所述分离式捕获-锁紧机构的连接台均连接在所述滚珠丝杠机构的滚珠螺母上，所述滚珠丝杠机构通过电机驱动，从而带动所述分离式捕获-锁紧机构的连接台移动。

2.根据权利要求1所述的空间自定位机械臂的肩部锁紧与腕部捕获设备，其特征在于，所述锁紧杆远离所述连杆的一端设置有锁紧轮。

3.根据权利要求1所述的空间自定位机械臂的肩部锁紧与腕部捕获设备，其特征在于，所述第一杆件和第二杆件通过圆角平滑过渡。

4.根据权利要求1所述的空间自定位机械臂的肩部锁紧与腕部捕获设备，其特征在于，所述抓捕槽段和拖动平移槽段通过圆角平滑过渡。

5.根据权利要求1所述的空间自定位机械臂的肩部锁紧与腕部捕获设备，其特征在于，所述第一拉伸弹簧的一端通过连杆连接凸台连接在所述连杆上，并且所述连杆连接凸台上设置弹簧安装孔，所述第一拉伸弹簧的一端勾在所述弹簧安装孔处。

6.根据权利要求1所述的空间自定位机械臂的肩部锁紧与腕部捕获设备，其特征在于，所述第一拉伸弹簧的一端通过锁紧杆连接凸台连接在所述锁紧杆上，并且所述锁紧杆连接凸台上设置弹簧安装孔，所述第一拉伸弹簧的一端勾在所述弹簧安装孔内。

7.根据权利要求1所述的空间自定位机械臂的肩部锁紧与腕部捕获设备，其特征在于，所述第二拉伸弹簧的一端通过锁紧杆连接凸台连接在所述锁紧杆上，并且所述锁紧杆连接凸台上设置弹簧安装孔，所述第二拉伸弹簧的一端勾在所述弹簧安装孔内。

8.权利要求1～7中任一权利要求所述的空间自定位机械臂的肩部锁紧与腕部捕获设备装配目标的方法，所述目标为捕获接口和末端执行器，其特征在于，包括以下步骤：

(1)捕获手指的第一杆件推压连杆，使连杆绕铰轴的中心线转动，从而使连杆偏离初始位置的零位，进而导致拦阻杆也偏离初始位置的零位，此时销轴位于抓捕槽段远离拖动平移槽段的一端；

(2)电机驱动滚珠丝杠机构的丝杠旋转，滚珠丝杠驱动滚珠螺母沿着末端执行器壳体的长度方向的平移，滚珠螺母通过连接台拖动捕获手指，使位于抓捕槽段的销轴相对于捕获手指在抓捕槽段内移动，此时开槽杆件捕获手指相对于锁紧杆转动，开槽杆件捕获手指的第三杆件靠拢锁紧杆，多个捕获手指的第三杆件合拢，合拢过程中第三杆件分别进入捕获接口的捕获空间，第三杆件位于捕获接口的底板的上方并与该捕获接口的底板接触，以带动捕获接口下移，随着捕获手指的移动，连杆在第一拉伸弹簧的作用下回到零位，拦阻杆由于连杆的约束也跟着回到零位并与捕获手指的第一杆件脱离接触；

(3)多个捕获手指的第三杆件合拢后与捕获接口接触，以实现对捕获接口的粗定心，销轴上连接的末端执行器与第三杆件抓捕的捕获接口之间形成粗对齐，此时，销轴位于捕获手指轨迹通槽的拖动段，拖动段与末端执行器壳体的长度方向平行，捕获手指的拦阻钩位于锁紧机构的拦阻杆的正上方，拦阻钩位于捕获手指轨迹通槽的拖动平稳段上；

(4)滚珠螺母继续带动捕获手指收缩平移，拖动捕获接口一起运动，随着捕获手指的平移，拦阻钩开始接触锁紧机构的拦阻杆并挤压拦阻杆，驱动连杆向靠近锁紧杆的方向转动，拦阻杆进入拦阻钩钩槽的入口并与拦阻钩保持接触；

(5)捕获手指的移动继续驱动连杆向锁紧杆转动，直至连杆与锁紧杆接触，此后，连杆与锁紧杆在捕获手指在拦阻钩的驱动下一起绕销轴转动；

(6)随着锁紧杆绕销轴的转动和捕获接口的移动，锁紧杆与捕获接口的底板上的斜面接触从而抓住捕获接口，完成对捕获接口的锁紧捕获；

(7)此后锁紧杆继续转动，锁紧杆驱动捕获接口以比捕获手指拖动更快的速度接近末端执行器，导致捕获手指与捕获接口的底板脱离接触；

(8)锁紧杆驱动捕获接口与末端执行器的盖板接触，所述捕获接口底板上的第一定位结构与末端执行器盖板上的第二定位结构对准，从而实现捕获接口与末端执行器的粗对齐。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一定位结构和第二定位结构均为弧形齿，弧形齿实现啮合，从而实现捕获接口与末端执行器的精对齐。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，捕获接口与末端执行器的精对齐时，锁紧杆旋转至与末端执行器壳体长度方向平行的最终位置，通过锁紧轮与捕获接口上的弹性单元之间的相互作用在捕获接口与末端执行器上施加锁紧预载，连杆运动至相对于水平面倾斜的位置以保证安全锁紧。