CN110979756B - 一种空间可展开抓捕机械手装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空间可展开抓捕机械手装置，包括基座和多个机械手爪，机械手爪包括多个依次相连的折展单元，折展单元包括个支座、侧翻式剪叉机构与驱动机构，支座包括基板、活动板，活动板与基板之间能够产生相对滑动，侧翻式剪叉机构包括两个相同的剪叉臂，两个剪叉臂之间通过偏置的一铰接点转动连接；两个剪叉臂中靠近铰接点的一端部分别铰接至两个支座中的基板上，两个剪叉臂中远离铰接点的另一端部分别铰接至两个支座中的活动板上；驱动机构为其中一个支座中的活动板提供动力源，使其相对基板产生位移，以使得另一支座中产生侧向往复翻转。本发明具有折展性能好、便于收拢的优点，适合空间大质量非合作目标的抓取。

Description

一种空间可展开抓捕机械手装置

技术领域

本发明属于空间抓捕机器人技术领域，具体涉及一种采用单动力驱动的空间可展开抓捕机械手装置。

背景技术

空间机构操控技术是指在太空有人或无人参与的情况下，利用空间平台对特定的在轨目标进行操作，例如太空垃圾回收、碎片清理、实施空间攻防、大范围空间观测、远距离探测、非合作目标追踪与捕获、辅助变轨、故障维修、组装建造、在轨救援等相关作业的技术。

抓捕机械手是当前机器人领域的一个研究热点，传统的抓捕主要是重力环境下的抓捕，而新型的抓捕已经面向空间领域。

当前的抓捕机械手主要可以分为串联抓捕机械手、并联抓捕机械手、串并联抓捕机械手，串联机械手的特点是可形成较大的工作空间，具有高度的灵巧性，容易对不同目标实现灵巧操作，这种抓捕机构的问题是刚度较小，因而只适用于轻巧型目标的抓获；并联机构虽然克服了串联机构刚度不足的问题，但工作空间小，灵巧性差；串并联机构就是在此基础上提出来的，通常将并联机构模块串联起来形成，以提供较大的工作空间，并提供较大的刚度，然而串并联机构复杂的驱动设计让其很难真正应用到空间非合作目标的在轨维护中去。

中国专利文献201910287480.7公开了一种剪叉弯曲变胞机构机械手，每个机械手爪包括串联连接的多个变胞机构单元，每个变胞机构单元包括并联连接的多个子变胞机构单元，每个子变胞机构单元包括一个剪叉机构和一个变体剪叉机构，上述剪叉弯曲变胞机构机械手由桁架杆件组成，与传统的关节式机械手相比，质量小，结构刚度高，折叠体积小、折展比大，有利于节省运输尺寸，平面结构简单，自由度少，驱动简单，通过较少的驱动就能使机械手爪实现大范围的运动；并且，机械手爪是先进行直线展开，展开到位后再进行弯曲抓取，因此，可以对目标进行大尺度包络抓取。

中国专利文献201410056414.6公开了一种可用于抓取空间中不同形状目标的模块化机械手爪，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扩展模块化索杆桁架；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；每个所述可扩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，该现有技术中通过绳索欠驱动桁架式机械模块完成抓捕。

现有技术中的抓捕机构用于太空作业时，所存在共同的问题主要表现在没有折展性、收拢体积大、驱动复杂、难以便利的运输和存储等诸多方面。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种空间可展开抓捕机械手装置，其具有折展性能好、便于收拢的优点，适合空间大质量非合作目标的抓取。

本发明的具体技术方案如下：

一种空间可展开抓捕机械手装置，包括基座和设在基座上的多个机械手爪，多个机械手爪呈圆周阵列或相对设置地安装在基座上，机械手爪包括多个依次相连的折展单元，折展单元为平面3R1P机构，其包括：

上下设置的两个支座；

其中，支座包括基板、从基板的一侧向外延展的活动板，活动板与基板之间能够产生相对滑动；

设置在两个支座之间的侧翻式剪叉机构；

其中，侧翻式剪叉机构包括两个相同的剪叉臂，两个剪叉臂之间通过偏置的一铰接点转动连接；

其中，两个剪叉臂中靠近铰接点的一端部分别铰接至两个支座中的基板上，两个剪叉臂中远离铰接点的另一端部分别铰接至两个支座中的活动板上；以及

驱动机构，为其中一个支座中的活动板提供动力源，使其相对基板产生位移，同时驱动两个剪叉臂张开或者合拢，使得另一支座中产生侧向往复翻转。

在本发明的上述技术方案中，侧翻式剪叉机构形成内角能够变化的梯形结构，并且以其中一条腰线为基准，使得另一条腰线相对该腰线产生侧翻。

具体的，两个剪叉臂之间通过偏置的一铰接点转动连接，从而使两个剪叉臂在围绕该铰接点进行同步转动时，形成一定的侧翻角度，该侧翻角度即为机械手爪的基础抓捕角度，通过设置多个折展单元，使得该基础抓捕角度叠加以形成实际抓捕角度，从而实现对目标物体的包络抓捕。

进一步的，通过改变两个剪叉臂的铰接点的位置，可以形成不同的抓捕角度，可以根据需要抓捕的目标物体进行适应性设计。

需要指出的是，驱动机构驱动其中一个支座上的活动板产生相对滑动时，基于侧翻式剪叉机构与两个支座之间的连接关系，另一支座中的活动板能够产生同步的滑动，同时两个剪叉臂的张开或者合拢，形成两个支座之间的往复翻转。

其中，为了保证侧翻过程的稳定性，优选为设置两组平行的侧翻式剪叉机构，以分别与两个支座连接，形成能够侧翻的四棱台结构，此时，两个支座分别为该四棱台结构的上下底面，两个侧翻式剪叉机构分别为该四棱台结构对向的两个侧面。

根据本发明的另一种具体实施方式，相邻的折展单元之间共用一个支座，这样设置的目的在于，使得互相连接的折展单元之间共用一组移动副，使其具有单自由度属性，进而实现在单驱动条件下的同步运动，以解决机械手爪展开抓捕过程中的因自身重量或其他原因导致的展开和抓捕过程中不稳定问题。

根据本发明的另一种具体实施方式，不同的折展单元中的侧翻式剪叉机构中的铰接点位置相同或者不相同。

根据本发明的另一种具体实施方式，驱动机构包括丝杠、螺母构件、驱动支杆，丝杠固定在在基座上，多个机械手爪分布在丝杠的外周，机械手爪中第一个折展单元的基板通过转动副R1连接至基座，螺母构件与丝杠之间配合连接，驱动支杆的一端通过转动副R2连接至螺母构件，驱动支杆的另一端通过转动副R3连接至活动板，其中，转动副R1、转动副R2与转动副R3的回转轴线之间互相平行。

其中，多个机械手爪的分布方式优选为分布以丝杠为对称中心，或者是分布在丝杠的同一圆周上，以便于同步驱动。

根据本发明的另一种具体实施方式，驱动机构还包括多根辅助支撑杆，多根辅助支撑杆与丝杠之间平行，多根辅助支撑杆可以提高基座的强度，以进一步的提高丝杠的稳定性。

根据本发明的另一种具体实施方式，单个折展单元的包络角度为10°—80°。

根据本发明的另一种具体实施方式，单个机械手爪中的折展单元的数目为3—8个。

本发明具备以下有益效果：

本发明的可展开空间机械手装置基于侧翻式剪叉机构，不仅使得该机械手装置具备了刚度高、折展性能好、内部空间足等优点，而且机械手爪具有良好的抓捕性能，特别适用于空间非合作目标的抓取，当然，本发明也可用于其他场合的抓捕；

此外，本发明模块化设计，可以通过增减折展单元的个数来控制机械手爪的长短，以适应空间大质量非合作目标。

此外，本发明的折展单元采用桁架式结构，可提供较大大的刚度与抓取力，在抓捕目标物的过程中不易发生结构变形。

此外，本发明的单个机械手爪为单自由度结构，通过单个驱动机构即可完成抓捕机械手的展开与合拢过程。

此外，本发明通过特殊设计的驱动机构，能够同时驱动多个机械手爪，完全实现单驱动控制，伞形驱动机构具有较高的结构强度，便于协同控制以抓捕不同的空间目标物。

此外，本发明的机械手爪中的多个折展单元同步展开或者合拢，不会产生位置上的干涉，便于通过控制直接改变其包络角度的大小，包络覆盖面积更大，调整速度更快，更有利于捕获目标物体。

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是本发明可展开抓捕机械手装置的结构示意图，其显示了两个机械手爪，并处于折叠的状态；

图2是本发明可展开抓捕机械手装置的结构示意图，其显示了两个机械手爪，并处于展开的状态；

图3是本发明单个折展单元的结构示意图，其处于展开的状态；

图4是本发明单个折展单元的结构示意图，其处于折叠的状态；

图5是本发明单个侧翻式剪叉机构的结构示意图；

图6是本发明单个机械手爪展开状态的结构示意图；

图7是本发明驱动机构的结构示意图；

图8是本发明可展开抓捕机械手装置抓捕六棱柱的示意图；

图9是本发明可展开抓捕机械手装置抓捕圆柱的示意图；

图10是本发明可展开抓捕机械手装置抓捕长方体的示意图。

具体实施方式

一种空间可展开抓捕机械手装置，如图1－10所示，包括基座100、两个机械手爪200，两个机械手爪200对向安装在基座100的两侧边上。

如图1－2所示，两个机械手爪200相同，机械手爪200设置了四个依次相连的折展单元300，两个机械手爪200折叠收拢在基座100的两侧，如图1所示，或者是展开呈包络形态，如图2所示，以进行目标物的抓捕过程。

如图3－5所示，折展单元300为平面3R1P机构，其包括两个支座310、两组侧翻式剪叉机构320与驱动机构330，其中，两组侧翻式剪叉机构320位于两个支座310之间并分别连接两个支座310，驱动机构330用于同时驱动两组侧翻式剪叉机构320产生翻转。

其中，如图3所示，两个支座310、两组侧翻式剪叉机构320之间形成能够侧翻的四棱台结构。

支座310包括基板311、活动板312，活动板312与基板311之间滑动连接，其位于基板311的一侧边位置；

侧翻式剪叉机构320包括两个相同的剪叉臂321，两个剪叉臂321之间通过偏置的一铰接点322转动连接，两个剪叉臂321中靠近铰接点322的一端部321a、321b分别铰接至两个支座310中的基板311a、311b上，两个剪叉臂321中远离铰接点322的另一端部321c、321d分别铰接至两个支座310中的活动板312a、312b上，从而使两个剪叉臂321在围绕该铰接点322进行同步转动时，形成一定的侧翻角度α，也即包络角度，优选的，单个折展单元300的包络角度为10°—80°。

具体的，单个机械手爪200中相邻的折展单元300之间共用一个支座310，使得互相连接的折展单元300之间共用一组移动副，使其具有单自由度属性，进而获得单个机械手爪200的包络角度为4·α，具体参见图6。

驱动机构330能够为其中一个支座310a中的活动板312提供动力源，使其相对基板311产生位移，同时驱动两个剪叉臂321张开或者合拢，使得另一支座310中产生侧向往复翻转，由于单个的机械手爪200为单自由度结构，即通过单个驱动机构330即可完成机械手爪200的折叠与展开。

为了进一步简化结构，本发明中的驱动机构330可以同时进行两个机械手爪200的同时驱动，参见图7，其具体结构为：

驱动机构330包括丝杠331、螺母构件332、两根驱动支杆333，丝杠固定在在基座100上，两个机械手爪200分布在丝杠331的两侧，以一个机械手爪200为例介绍其驱动过程，机械手爪200中第一个折展单元的基板311通过转动副R1连接至基座100，螺母构件332与丝杠311之间配合连接，驱动支杆333的一端通过转动副R2连接至螺母构件332，驱动支杆333的另一端通过转动副R3连接至活动板312，其中，转动副R1、转动副R2与转动副R3的回转轴线之间互相平行。

进一步的，还可以设置多根辅助支撑杆334，例如四根，多根辅助支撑杆334与丝杠331之间平行，多根辅助支撑杆334可以提高基座100的强度，以进一步的提高丝杠331的稳定性。

如图8－10所示，其分别显示了本示例的可折展抓捕机械手对六棱柱目标物、圆柱目标物以及长方体目标物的抓捕效果，其中，可以根据待抓捕目标物的大小与形状，增加或者减少单个机械手爪200中折展单元300的数量，或者增加机械手爪200的数量，以完成空间非合作目标物的抓取。

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 (7)

1.一种空间可展开抓捕机械手装置，包括基座和设在所述基座上的多个机械手爪，多个所述机械手爪呈圆周阵列或相对设置地安装在所述基座上，所述机械手爪包括多个依次相连的折展单元，其特征在于，折展单元为平面3R1P机构，其包括：

上下设置的两个支座；

其中，所述支座包括基板、从所述基板的一侧向外延展的活动板，所述活动板与所述基板之间能够产生相对滑动；

设置在两个所述支座之间的侧翻式剪叉机构；

其中，所述侧翻式剪叉机构包括两个相同的剪叉臂，两个所述剪叉臂之间通过偏置的一铰接点转动连接；

其中，两个所述剪叉臂中靠近铰接点的一端部分别铰接至两个所述支座中的基板上，两个所述剪叉臂中远离铰接点的另一端部分别铰接至两个所述支座中的活动板上；以及

驱动机构，为其中一个所述支座中的所述活动板提供动力源，使其相对所述基板产生位移，同时驱动两个所述剪叉臂张开或者合拢，使得另一所述支座中产生侧向往复翻转。

2.如权利要求1所述的空间可展开抓捕机械手装置，其特征在于，相邻的折展单元之间共用一个所述支座。

3.如权利要求1所述的空间可展开抓捕机械手装置，其特征在于，不同的所述折展单元中的所述侧翻式剪叉机构中的铰接点位置相同或者不相同。

4.如权利要求1所述的空间可展开抓捕机械手装置，其特征在于，所述驱动机构包括丝杠、螺母构件、驱动支杆，所述丝杠固定在所述基座上，多个所述机械手爪分布在所述丝杠的外周，所述机械手爪中第一个所述折展单元的所述基板通过转动副R1连接至所述基座，所述螺母构件与所述丝杠之间配合连接，所述驱动支杆的一端通过转动副R2连接至所述螺母构件，所述驱动支杆的另一端通过转动副R3连接至所述活动板，其中，转动副R1、转动副R2与转动副R3的回转轴线之间互相平行。

5.如权利要求4所述的空间可展开抓捕机械手装置，其特征在于，所述驱动机构还包括多根辅助支撑杆，多根所述辅助支撑杆与所述丝杠之间平行。

6.如权利要求1所述的空间可展开抓捕机械手装置，其特征在于，单个所述折展单元的包络角度为10°—80°。

7.如权利要求1所述的空间可展开抓捕机械手装置，其特征在于，单个所述机械手爪中的所述折展单元的数目为3—8个。

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