CN113060307B - 一种星表固定用多指自适应柔性抓附机构及其抓附方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种星表固定用多指自适应柔性抓附机构及其抓附方法，该机构的电机组件输出端与丝杠固连，丝杠螺母与丝杠之间形成螺旋传动副，活塞沿壳体内壁滑动，活塞恢复弹簧一端与活塞固连，另一端与壳体固连，柔性接触球固定于壳体底部，壳体下部周向均布有多个柔性手指，下拉绳一端与活塞固连，另一端与柔性手指固连，补偿弹簧一端固连于丝杠螺母，另一端连接有上拉绳，上拉绳连接柔性手指，每个柔性手指独立配置一组下拉绳和上拉绳。解决现有技术星表抓附机构存在的诸多技术问题，本发明抓附或固定时不需要侵入星表内部，通过柔性爪刺与星表之间的不规则接触产生固定力，其多个手指之间独立驱动，星表形状适应性强、介质特性适应性强等特点。

Description

一种星表固定用多指自适应柔性抓附机构及其抓附方法

技术领域

本发明涉及一种星表固定用多指自适应柔性抓附机构及其抓附方法，属于空间机器人、深空探测技术领域，可用于对星表抓附、固定功能有要求的探测器、空间机器人等设计中。

背景技术

随着空间探测技术的发展，探测器或空间机器人在弱引力天体表面的可靠附着固定成为一种新需求。弱引力天体表面探测器着陆时及着陆后易反弹及飘走、空间机器人行走时易脱离星表，因此亟需开展能够协助探测器、空间机器人实现星表可重复固定的抓附机构研究。同时星表环境不规则、介质特性多样，因此要求抓附机构对地形及不同介质均有较强的适应性。目前已有的附着方式包括锚固、仿生粘附、胶粘、钻孔固定、指式机构手形抓附等，这些附着方式均针对特定特性介质，如锚固适用于较软介质，仿生粘附要求介质表面光洁、胶粘要求介质表面光洁且短的胶结固化时间，钻孔固定要求介质不能太硬、且钻压力越小越好，指式机构手形抓附要求附着表面为凸形状。

专利CN201010113872.0提出了一种软介质星表的鱼叉式固定方案，其所提锚固系统适用于星表较软的介质，如星表为厚风化层、冰雪、含水泥土等，且仅可进行一次固定；专利ZL201310108237.7 提出了一种微重力环境下着陆器及仪器设备锚固系统，其所提锚固系统也是适用于星表较软的介质，对岩石、金属等坚硬的介质侵彻能力较弱，且仅可进行一次固定；专利CN201810183511.X提出了一种采用超声波钻进行星表固定的方案，该方案对岩石类介质有较好的钻入固定能力，但是对金属等介质的固定能力较弱。目前星表固定多采用侵彻或钻入式固定，该类固定方案可行与否受星表介质特性约束极大。

发明内容

本发明为了解决上述背景技术中提到的现有技术存在的诸多技术问题，为了适应未知特性星表的抓附，本发明提出了一种采用多组柔性手指表面嵌置多个微型爪刺的多指自适应柔性抓附机构及其抓附方法，其抓附或固定时不需要侵入星表内部，通过柔性爪刺与星表之间的不规则接触产生固定力，其多个手指之间独立驱动、各手指自适应抓取星表，具有可重复抓附，星表形状适应性强、介质特性适应性强等特点。

本发明提出一种星表固定用多指自适应柔性抓附机构，包括壳体、电机组件、丝杠、丝杠螺母、活塞、活塞恢复弹簧、柔性接触球、多个柔性手指、下拉绳、上拉绳和补偿弹簧，所述电机组件安装于壳体内部，所述电机组件输出端与丝杠固连，所述丝杠螺母与丝杠之间形成螺旋传动副，所述活塞沿壳体内壁滑动，所述活塞恢复弹簧一端与活塞固连，另一端与壳体固连，所述柔性接触球固定于壳体底部，所述壳体下部周向均布有多个柔性手指，所述下拉绳一端与活塞固连，另一端与柔性手指固连，所述补偿弹簧一端固连于丝杠螺母，另一端连接有上拉绳，所述上拉绳连接柔性手指，每个柔性手指独立配置一组下拉绳和上拉绳。

优选地，所述柔性手指包括导管、下压扭簧、指节伸展弹簧、指节和若干爪刺，所述导管的端头安装有下压扭簧，与壳体之间形成转动副，所述导管的前端内部指节，所述指节可在导管内滑动，所述指节的侧壁与导管间安装有指节伸展弹簧，所述指节上设置有若干爪刺，下拉绳一端与活塞固连，另一端与指节固连；上拉绳一端与导管的端头固连，另一端连接于补偿弹簧。

优选地，所有柔性手指由同一个电机组件、丝杠、丝杠螺母和活塞同步驱动。

一种利用所述的星表固定用多指自适应柔性抓附机构的抓附方法，具体包括以下步骤：

(1)对星表进行抓附时，首先柔性接触球与星表接触，依靠自身的球形设计提高星表地形适应能力；电机组件经丝杠驱动丝杠螺母向下运动，上拉绳被松弛，柔性手指在下压扭簧作用下下压到星表，使得爪刺与星表接触；丝杠螺母继续向下移动，随后丝杠螺母顶端与活塞接触，推动活塞向下运动，同时活塞恢复弹簧被压缩，此时活塞会将下拉绳拉紧，下拉绳拖动指节向导管内移动，从而加强爪刺对星表的抓附，同时指节伸展弹簧被压缩，补偿弹簧嵌于上拉绳中部；

(2)当抓附需要解除时，电机组件反向驱动，丝杠螺母向上运动，被压缩的活塞恢复弹簧推动活塞向上运动，下拉绳被松弛，指节在指节伸展弹簧作用下从导管中移出，使得爪刺与星表的抓附解除；当丝杠螺母向上移动到一定高度时，上拉绳被拉紧，在上拉绳拉动下，柔性手指向上折起，柔性手指的抓附解除，且下压扭簧被压缩。

优选地，步骤一中，当星表抓附位置不平坦时，所需的柔性手指下翻角度不一致，此时所需的上拉绳释放长度不一致，该长度的不一致由补偿弹簧来补偿，当抓附完成后，电机组件停止驱动。

本发明所述的星表固定用多指自适应柔性抓附机构及其抓附方法的有益效果为：

(1)本发明采用柔性多指及其爪刺实现星表抓附，多个柔性手指间相互独立，确保了对星表地形的良好适应，柔性手指上的微小爪刺可与星表的微裂纹等进行接触，可提供稳定抓附。

(2)本发明的一组驱动组件实现多个柔性手指的同步驱动，通过驱动组件正反转实现抓附及抓附解除，驱动源少，操作简单。

(3)本发明的柔性接触球内部可设计多种传感器，可对所接触位置的特性进行感知。

(4)本发明通过控制柔性手指的下翻和上翻，实现对星表的抓附和抓附解除，具有星表局部地形适应性强、可抓附介质多样、控制简单、抓附耗时短、可重复使用等优点。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1为本发明所述的一种星表固定用多指自适应柔性抓附机构的结构示意图；

图2是柔性手指局部放大图；

图3是柔性抓附机构工作过程示意图；

图4为所述的一种星表固定用多指自适应柔性抓附机构的轴测图；

其中，1-壳体，2-电机组件，3-丝杠，4-丝杠螺母，4-1-丝杠螺母顶端，5-活塞，6-活塞恢复弹簧， 7-柔性接触球，8-柔性手指，9-下拉绳，10-上拉绳，11-补偿弹簧；

8-1-导管；8-2-下压扭簧；8-3-指节伸展弹簧；8-4-指节8-4；8-5-爪刺。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

具体实施方式一：参见图1-4说明本实施方式。本实施方式所述的星表固定用多指自适应柔性抓附机构，通过控制柔性手指的下翻和上翻，实现对星表的抓附和抓附解除。其包括壳体1、电机组件 2、丝杠3、丝杠螺母4、活塞5、活塞恢复弹簧6、柔性接触球7、多个柔性手指8、下拉绳9、上拉绳10、补偿弹簧11，所述电机组件2安装于壳体1内部，所述电机组件2输出端与丝杠3固连，所述丝杠螺母4与丝杠3之间形成螺旋传动副，所述活塞5沿壳体内壁滑动，所述活塞恢复弹簧6一端与活塞5固连，另一端与壳体1固连，所述柔性接触球7固定于壳体1底部，所述壳体1下部周向均布有多个柔性手指8，所述下拉绳9一端与活塞5固连，另一端与柔性手指8固连，所述补偿弹簧11一端固连于丝杠螺母4，另一端连接有上拉绳10，所述上拉绳10连接柔性手指8，每个柔性手指8独立配置一组下拉绳9和上拉绳10。

所述柔性手指8包括导管8-1、下压扭簧8-2、指节伸展弹簧8-3、指节8-4和若干爪刺8-5，所述导管8-1的端头安装有下压扭簧8-2，与壳体1之间形成转动副，所述导管8-1的前端内部指节8-4，所述指节8-4可在导管8-1内滑动，所述指节8-4的侧壁与导管8-1间安装有指节伸展弹簧8-3，所述指节8-4上设置有若干爪刺8-5，下拉绳9一端与活塞5固连，另一端与指节8-4固连；上拉绳10 一端与导管8-1的端头固连，另一端连接于补偿弹簧11。所说爪刺8-5微型柔性锥形爪刺。

所述多指自适应柔性抓附机构为多指式结构，电机组件2安装于壳体1内侧，电机组件2输出端与丝杠3固连，丝杠螺母4与丝杠3之间形成螺旋传动副，活塞5与壳体之间为滑动副，可沿壳体内壁滑动，活塞恢复弹簧6一端与活塞5固连，另一端与壳体1固连，柔性接触球7固连于壳体1 底部；柔性手指8通过导管8-1与壳体1之间形成转动副，导管8-1与壳体1之间安装有下压扭簧 8-2，指节8-4可在导管8-1内滑动，指节伸展弹簧8-3一端与指节8-4接触，另一端与导管8-1接触，若干个爪刺8-5固连于指节8-4上；下拉绳9一端与活塞5固连，另一端与指节8-4固连；上拉绳10 一端与导管8-1固连，另一端连接于补偿弹簧11；补偿弹簧11的另一端固连于丝杠螺母4。多个柔性手指8均布于壳体1的圆周向。所有柔性手指8由同一个电机组件2、丝杠3、丝杠螺母4、活塞 5同步驱动，每个柔性手指8独立配置一组下拉绳9和上拉绳10。

所述的星表固定用多指自适应柔性抓附机构的抓附方法，具体包括以下步骤：

(1)对星表进行抓附时，首先柔性接触球7与星表接触，依靠自身的球形设计提高星表地形适应能力；电机组件2经丝杠3驱动丝杠螺母4向下运动，上拉绳10被松弛，柔性手指8在下压扭簧8-2 作用下下压到星表，使得爪刺8-5与星表接触；丝杠螺母4继续向下移动，随后丝杠螺母顶端4-1与活塞5接触，推动活塞5向下运动，同时活塞恢复弹簧6被压缩，此时活塞5会将下拉绳9拉紧，下拉绳9拖动指节8-4向导管8-1内移动，从而加强爪刺8-5对星表的抓附，同时指节伸展弹簧8-3 被压缩，补偿弹簧11嵌于上拉绳中部；

当星表抓附位置不平坦时，所需的柔性手指8下翻角度不一致，此时所需的上拉绳10释放长度不一致，该长度的不一致由补偿弹簧11来补偿，当抓附完成后，电机组件2停止驱动。

(2)当抓附需要解除时，电机组件2反向驱动，丝杠螺母4向上运动，被压缩的活塞恢复弹簧6 推动活塞5向上运动，下拉绳9被松弛，指节8-4在指节伸展弹簧8-3作用下从导管8-1中移出，使得爪刺8-5与星表的抓附解除；当丝杠螺母4向上移动到一定高度时，上拉绳10被拉紧，在上拉绳 10拉动下，柔性手指8向上折起，柔性手指8的抓附解除，且下压扭簧8-2被压缩。

本发明所述的星表固定用多指自适应柔性抓附机构的发明点在于

1.一种采用爪刺实现的柔性自适应抓附机构，通过控制柔性手指8的下翻和上翻，实现对星表的抓附和抓附解除。

2.一个电机组件2同时驱动多个柔性手指8运动，实现柔性手指8的抓附及抓附解除，多个柔性手指8之间相互独立，可对复杂不平坦星表进行抓附。

3.柔性手指上设计有多个微小爪刺8-5，且微小爪刺8-5具有一定的柔性，微小爪刺8-5可抓入星表微裂纹，多个微小爪刺8-5可产生较大的抓附力。

4.抓附机构底部设计有柔性接触球7，该球内部或表明可设计多种感知传感器，可对所接触位置的特性进行感知，如温度、接触力、导电系数、导热系数等。同时该球在抓附时被挤压变形，抓附完成后可在抓附机构与星表之间形成一定的预紧力，保证了抓附的可靠。同时，柔性接触球7外表面设计有微小孔隙，在抓附过程中可实现对星表样品的采集。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种星表固定用多指自适应柔性抓附机构，其特征在于，包括壳体(1)、电机组件(2)、丝杠(3)、丝杠螺母(4)、活塞(5)、活塞恢复弹簧(6)、柔性接触球(7)、多个柔性手指(8)、下拉绳(9)、上拉绳(10)和补偿弹簧(11)，所述电机组件(2)安装于壳体(1)内部，所述电机组件(2)输出端与丝杠(3)固连，所述丝杠螺母(4)与丝杠(3)之间形成螺旋传动副，所述活塞(5)沿壳体内壁滑动，所述活塞恢复弹簧(6)一端与活塞(5)固连，另一端与壳体(1)固连，所述柔性接触球(7)固定于壳体(1)底部，所述壳体(1)下部周向均布有多个柔性手指(8)，所述下拉绳(9)一端与活塞(5)固连，另一端与柔性手指(8)固连，所述补偿弹簧(11)一端固连于丝杠螺母(4)，另一端连接有上拉绳(10)，所述上拉绳(10)连接柔性手指(8)，每个柔性手指(8)独立配置一组下拉绳(9)和上拉绳(10)；

所述柔性手指(8)包括导管(8-1)、下压扭簧(8-2)、指节伸展弹簧(8-3)、指节(8-4)和若干爪刺(8-5)，所述导管(8-1)的端头安装有下压扭簧(8-2)，与壳体(1)之间形成转动副，所述导管(8-1)的前端内部指节(8-4)，所述指节(8-4)可在导管(8-1)内滑动，所述指节(8-4)的侧壁与导管(8-1)间安装有指节伸展弹簧(8-3)，所述指节(8-4)上设置有若干爪刺(8-5)，下拉绳(9)一端与活塞(5)固连，另一端与指节(8-4)固连；上拉绳(10)一端与导管(8-1)的端头固连，另一端连接于补偿弹簧(11)。

2.根据权利要求1所述的星表固定用多指自适应柔性抓附机构，其特征在于，所有柔性手指(8)由同一个电机组件(2)、丝杠(3)、丝杠螺母(4)和活塞(5)同步驱动。

3.一种利用如权利要求1-2任一项所述的星表固定用多指自适应柔性抓附机构的抓附方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)对星表进行抓附时，首先柔性接触球(7)与星表接触，依靠自身的球形设计提高星表地形适应能力；电机组件(2)经丝杠(3)驱动丝杠螺母(4)向下运动，上拉绳(10)被松弛，柔性手指(8)在下压扭簧(8-2)作用下下压到星表，使得爪刺(8-5)与星表接触；丝杠螺母(4)继续向下移动，随后丝杠螺母顶端(4-1)与活塞(5)接触，推动活塞(5)向下运动，同时活塞恢复弹簧(6)被压缩，此时活塞(5)会将下拉绳(9)拉紧，下拉绳(9)拖动指节(8-4)向导管(8-1)内移动，从而加强爪刺(8-5)对星表的抓附，同时指节伸展弹簧(8-3)被压缩，补偿弹簧(11)嵌于上拉绳中部；

(2)当抓附需要解除时，电机组件(2)反向驱动，丝杠螺母(4)向上运动，被压缩的活塞恢复弹簧(6)推动活塞(5)向上运动，下拉绳(9)被松弛，指节(8-4)在指节伸展弹簧(8-3)作用下从导管(8-1)中移出，使得爪刺(8-5)与星表的抓附解除；当丝杠螺母(4)向上移动到一定高度时，上拉绳(10)被拉紧，在上拉绳(10)拉动下，柔性手指(8)向上折起，柔性手指(8)的抓附解除，且下压扭簧(8-2)被压缩。

4.根据权利要求3所述的利用星表固定用多指自适应柔性抓附机构的抓附方法，其特征在于，步骤一中，当星表抓附位置不平坦时，所需的柔性手指(8)下翻角度不一致，此时所需的上拉绳(10)释放长度不一致，该长度的不一致由补偿弹簧(11)来补偿，当抓附完成后，电机组件(2)停止驱动。

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