CN113386985B - 一种刚柔双模操作机械臂 - Google Patents

一种刚柔双模操作机械臂 Download PDF

Info

Publication number
CN113386985B
CN113386985B CN202110660653.2A CN202110660653A CN113386985B CN 113386985 B CN113386985 B CN 113386985B CN 202110660653 A CN202110660653 A CN 202110660653A CN 113386985 B CN113386985 B CN 113386985B
Authority
CN
China
Prior art keywords
connecting rod
joint
wrist
flexible
rigid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110660653.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113386985A (zh
Inventor
褚明
蔺绍奇
徐升
王刚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing University of Posts and Telecommunications
Original Assignee
Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing University of Posts and Telecommunications filed Critical Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority to CN202110660653.2A priority Critical patent/CN113386985B/zh
Publication of CN113386985A publication Critical patent/CN113386985A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113386985B publication Critical patent/CN113386985B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G4/00—Tools specially adapted for use in space
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/0009—Constructional details, e.g. manipulator supports, bases
    • B25J9/0015—Flexure members, i.e. parts of manipulators having a narrowed section allowing articulation by flexion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/02—Programme-controlled manipulators characterised by movement of the arms, e.g. cartesian coordinate type
    • B25J9/04—Programme-controlled manipulators characterised by movement of the arms, e.g. cartesian coordinate type by rotating at least one arm, excluding the head movement itself, e.g. cylindrical coordinate type or polar coordinate type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/1005—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements comprising adjusting means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/12—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements electric
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G4/00—Tools specially adapted for use in space
    • B64G2004/005—Robotic manipulator systems for use in space

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Transmission Devices (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

本发明涉及空间机器人研究和工程领域，具体是一种采用六自由度单臂构型的刚柔双模操作机械臂，包括连杆部件、关节部件和四自由度柔性机构。所述的连杆部件主要由腰部连杆、肩部连杆、大臂、肘部连杆、小臂以及两条腕部连杆组成。关节部件由六个旋转关节组成，其中包括腰部关节、肩部关节、肘部关节和三个腕部关节，其中腕部末端关节用于连接末端执行器，其余关节用于机械臂各连杆之间的相互连接和相对运动。所述的四自由度柔性机构主要基于十字轴结构，设计了基于直线式磁流变阻尼器、旋转式磁流变阻尼器、扭转弹簧机构、直线弹簧机构的阻尼缓冲装置，在机械臂中引入了柔性特征，可以实现空间六维动量卸载；另外，设计了刚柔转换装置，可以根据操作任务实现机械臂的刚柔双模操作。

Description

一种刚柔双模操作机械臂
技术领域
本发明涉及空间机器人研究和工程领域，具体是一种刚柔双模操作机械臂。
背景技术
机械臂在航天器的在轨组装、在轨维修、在轨燃料加注、在轨升级等在轨服务中起到了关键作用，同时也避免了航天员舱外操作的高风险，提高了空间操作的安全性和效益。另外，当机械臂应用于在轨捕获任务时，机械臂与目标航天器会发生接触碰撞，对于传统的硬捕获方式，二者组成的复合体系统的质量特性参数和角动量分布会发生突变，目标航天器的角动量将直接传递至基座处，若传递至基座处的角动量超过其内部动量交换装置的调节上限，可能会引起复合体系统失稳，并可能在在抓捕过程中引起航天器不必要的损伤变形。以上在轨任务表明，机械臂应具备刚性操作和柔性操作的双重能力，而当前的机械臂通常只具备刚性操作模式。为拓展传统刚性机械臂的在轨操作能力，本发明通过在刚性机械臂的连杆处设计一种具有缓冲能力的四自由度柔性机构，从而使机械臂能对空间目标开展柔性捕获操作任务，突破了机械臂单一的刚性操作模式，使其具备了刚柔双重工作模式。
发明内容
本发明针对现有机械臂接触操作过程中的能量冲击，以及两航天器在各种复杂空间条件下能量阶跃式传递的难题，在刚性机械臂的连杆处设计一种具有缓冲能力的四自由度柔性机构，使机械臂具有柔性操作能力，能实现空间六维动量卸载，从而达到捕获过程中的平稳软接触，降低当前空间操作硬接触带来的各种风险，拓展机械臂操作的应用性和可靠性。在本发明的四自由度柔性机构中设计了刚柔转换装置，当机械臂不执行捕获任务或捕获前和捕获后的运动规划过程中，刚柔转换装置产生锁紧动作，使机构失去柔性，从而使整个机械臂呈现刚性工作状态；当机械臂执行捕获任务瞬间，刚柔转换装置产生松弛动作，使机构获得柔性，从而使整个机械臂呈现柔性工作状态。因此，本发明中的机械臂突破了单一的刚性操作模式，可根据实际操作任务完成刚柔双模转换。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种刚柔双模操作机械臂，主要包括连杆部件、关节部件和四自由度柔性机构。
所述的连杆部件主要包括：腰部连杆(106)、肩部连杆(104)、大臂(102)、小臂(113)、腕部连杆一(111)、腕部连杆二(109)、肘部连杆(114)。所述的关节部件主要由腰部关节(105)、肩部关节(103)、肘部关节(101)、腕部关节一(112)、腕部关节二(110)、腕部关节三(108)共6个旋转关节组成。所述的四自由度柔性机构(216)主要包括：固定板(215)、直线式磁流变阻尼器(202)、直线弹簧机构(213)、电磁制动滑块(203)、滑轨(204)、直线位移传感器(214)、十字轴(212)、扭转弹簧机构(206)、编码器(205)、旋转式磁流变阻尼器(211)、离合器(207)、旋转外壳(210)、旋转内壳(209)。
所述的腰部连杆(106)连接了基座和机械臂腰部关节(105)，同时将机械臂本体固定于基座(107)上；肩部连杆(104)一端与腰部关节(105)连接，另一端与肩部关节(103)连接；大臂(102)一端与肩部关节(103)连接，另一端与肘部关节(101)连接；肘部连杆(114)用于连接肘部关节(101)和小臂(113)，起转换运动方向的作用；小臂(113)一端与肘部连杆(114)连接，另一端与腕部关节一(112)连接；腕部连杆一(111)一端与腕部关节一(112)连接，另一端与腕部关节二(110)连接；腕部连杆二(109)一端与腕部关节二(110)连接，另一端与腕部关节三(108)连接；最后，腕部关节三(108)作为机械臂的末端关节，用于连接末端执行器。
所述的大臂(102)和小臂(113)，具有相同的机械结构，均是由两条半连杆，即半连杆一(201)、半连杆二(208)和一个四自由度柔性机构(216)组成。半连杆一(201)与四自由度柔性机构(216)的固定板(215)相连接，半连杆二(208)与四自由度柔性机构(216)的旋转内壳(209)相连接。
将四自由度柔性机构(216)放置于空间笛卡尔坐标系中，机构的偏航和俯仰两个方向，即十字轴(212)的两个正交的轴线方向，分别作为X和Y轴，连杆的轴线方向作为Z轴。在X、Y、Z三个轴上各布置有一套由旋转式磁流变阻尼器(211)、扭转弹簧机构(206)组成的旋转阻尼缓冲装置，和一套由离合器(207)组成的旋转锁紧装置。在Z轴方向设计有由直线式磁流变阻尼器(202)、直线弹簧机构(213)组成的直线阻尼缓冲装置和由电磁制动滑块(203)组成的直线锁紧装置。所述的刚柔转换装置包含旋转锁紧装置和直线锁紧装置。
与现有技术相比本发明有以下特点：
1.本发明通过在刚性操作臂中设计具有刚柔转换功能和阻尼缓冲功能的四自由度柔性机构，从而在刚性操作臂中引入了柔性特征，使机械臂具有刚柔双模操作的能力。当执行空间对接或抓捕任务时，能通过电磁控制四自由度柔性机构中的刚柔转换装置，来实现机械臂刚柔双模转换。
2.四自由度柔性机构中设计了三个旋转方向和一个直线方向共四组阻尼缓冲装置，对接触过程中动量进行卸载：接触过程中X、Y、Z旋转方向的动量分别被位于X、Y、Z轴的旋转阻尼缓冲装置卸载，Z轴直线的动量被直线阻尼缓冲装置卸载，X、Y轴直线方向的动量可以转化为Y、X方向的角动量，被Y、X轴旋转阻尼缓冲装置卸载，因此，通过设计此机构可实现机械臂操作过程中空间六维动量卸载。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的整体外观结构示意图；
图2为本发明具体实施方案的局部外观结构示意图。
附图中的标号说明如下：
肘部关节(101)、大臂(102)、肩部关节(103)、肩部连杆(104)、腰部关节(105)、腰部连杆(106)、基座(107)、腕部关节三(108)、腕部连杆二(109)、腕部关节二(110)、腕部连杆一(111)、腕部关节一(112)、小臂(113)、肘部连杆(114)、半连杆一(201)、直线式磁流变阻尼器(202)、电磁制动滑块(203)、滑轨(204)、编码器(205)、扭转弹簧机构(206)、离合器(207)、半连杆二(208)、旋转内壳(209)、旋转外壳(210)、旋转式磁流变阻尼器(211)、十字轴(212)、直线弹簧机构(213)、直线位移传感器(214)、固定板(215)、四自由度柔性机构(216)。
具体实施方案
下面结合附图1～2对本发明做进一步说明：
本发明包括连杆部件、关节部件以及四自由度柔性机构三部分。
所述的连杆部件主要包括：腰部连杆(106)、肩部连杆(104)、大臂(102)、小臂(113)、腕部连杆一(111)、腕部连杆二(109)、肘部连杆(114)。所述的关节部件主要由腰部关节(105)、肩部关节(103)、肘部关节(101)、腕部关节一(112)、腕部关节二(110)、腕部关节三(108)共6个旋转关节组成。所述的四自由度柔性机构(216)主要包括：固定板(215)、直线式磁流变阻尼器(202)、直线弹簧机构(213)、电磁制动滑块(203)、滑轨(204)、直线位移传感器(214)、十字轴(212)、扭转弹簧机构(206)、编码器(205)、旋转式磁流变阻尼器(211)、离合器(207)、旋转外壳(210)、旋转内壳(209)。
所述的腰部连杆(106)连接了基座和机械臂腰部关节(105)，同时将机械臂本体固定于基座(107)上；肩部连杆(104)一端与腰部关节(105)连接，另一端与肩部关节(103)连接；大臂(102)一端与肩部关节(103)连接，另一端与肘部关节(101)连接；肘部连杆(114)用于连接肘部关节(101)和小臂(113)，起转换运动方向的作用；小臂(113)一端与肘部连杆(114)连接，另一端与腕部关节一(112)连接；腕部连杆一(111)一端与腕部关节一(112)连接，另一端与腕部关节二(110)连接；腕部连杆二(109)一端与腕部关节二(110)连接，另一端与腕部关节三(108)连接；最后，腕部关节三(108)作为机械臂的末端关节，用于连接末端执行器。
所述的大臂(102)和小臂(113)，具有相同的机械结构，均是由两条半连杆，即半连杆一(201)、半连杆二(208)和一个四自由度柔性机构(216)组成。半连杆一(201)与四自由度柔性机构(216)的固定板(215)相连接，半连杆二(208)与四自由度柔性机构(216)的旋转内壳(209)相连接。
将四自由度柔性机构(216)放置于空间笛卡尔坐标系中，机构的偏航和俯仰两个方向，即十字轴(212)的两个正交的轴线方向，分别作为X和Y轴，连杆的轴线方向作为Z轴。在X、Y、Z三个轴上各布置有一套由旋转式磁流变阻尼器(211)、扭转弹簧机构(206)组成的旋转阻尼缓冲装置，和一套由离合器(207)组成的旋转锁紧装置。在Z轴方向设计有由直线式磁流变阻尼器(202)、直线弹簧机构(213)组成的直线阻尼缓冲装置和由电磁制动滑块(203)组成的直线锁紧装置。所述的刚柔转换装置包含旋转锁紧装置和直线锁紧装置。
当机械臂执行抓捕任务的捕获瞬间，机械臂的六个关节电机抱闸锁紧，同时四自由度柔性机构(216)中的刚柔转换装置由锁紧状态转换为松弛状态，具体表现为离合器分离和电磁制动滑块分离，整个机构获得绕X、Y、Z轴旋转和沿Z轴平移共四个自由度，机械臂处于柔性工作状态。此时，目标航天器、机械臂、基座三者会组成新的复合体系统，其质量特性参数和动量分布会受发生突变。由于机械臂处于柔性工作状态，当动量传递至四自由度柔性机构(216)时，X、Y、Z旋转方向的动量会被三组旋转阻尼缓冲装置卸载，Z轴直线方向的动量被直线阻尼缓冲装置卸载，X、Y轴直线方向的动量转化为沿Y、X轴的角动量，分别被Y、X轴的旋转阻尼缓冲装置卸载。因此，通过设计此四自由度柔性机构(216)可实现机械臂操作过程中的空间六维动量卸载，实现了机械臂捕获操作的软接触。
当机械臂不执行空间捕获任务或机械臂处于抓捕前和抓捕后的运动规划过程中时，四自由度柔性机构(216)中的刚柔转换装置处于锁紧状态，具体表现为离合器吸合和电磁制动滑块吸合，从而各运动副无法发生相对运动，机构失去柔性，整个机械臂处于刚性操作状态。

Claims (3)

1.一种刚柔双模操作机械臂，主要包括连杆部件、关节部件和四自由度柔性机构；所述的连杆部件主要包括：腰部连杆、肩部连杆、大臂、小臂、腕部连杆一、腕部连杆二、肘部连杆；所述的关节部件主要由腰部关节、肩部关节、肘部关节、腕部关节一、腕部关节二、腕部关节三共6个旋转关节组成；所述的四自由度柔性机构主要包括：固定板、直线式磁流变阻尼器、直线弹簧机构、电磁制动滑块、滑轨、直线位移传感器、十字轴、扭转弹簧机构、编码器、旋转式磁流变阻尼器、离合器、旋转外壳、旋转内壳；将四自由度柔性机构放置于空间笛卡尔坐标系中，十字轴的两个正交的轴线方向分别作为X和Y轴，连杆的轴线方向作为Z轴；在X、Y、Z三个轴上各布置有一套由旋转式磁流变阻尼器、扭转弹簧机构组成的旋转阻尼缓冲装置，和一套基于离合器的旋转锁紧装置；在Z轴方向设计有由直线式磁流变阻尼器、直线弹簧机构组成的直线阻尼缓冲装置和基于电磁制动滑块的直线锁紧装置；所述的旋转锁紧装置和直线锁紧装置实现刚柔转换。
2.根据权利要求1所述的一种刚柔双模操作机械臂，其特征在于：所述的腰部连杆连接了基座和机械臂腰部关节，同时将机械臂本体固定于基座上；肩部连杆一端与腰部关节连接，另一端与肩部关节连接；大臂一端与肩部关节连接，另一端与肘部关节连接；肘部连杆用于连接肘部关节和小臂，起转换运动方向的作用；小臂一端与肘部连杆连接，另一端与腕部关节一连接；腕部连杆一一端与腕部关节一连接，另一端与腕部关节二连接；腕部连杆二一端与腕部关节二连接，另一端与腕部关节三连接；腕部关节三作为机械臂的末端关节，用于连接末端执行器；所述的大臂和小臂，具有相同的机械结构，均是由两条半连杆，即半连杆一、半连杆二和一个四自由度柔性机构组成；半连杆一与四自由度柔性机构的固定板相连接，半连杆二与四自由度柔性机构的旋转内壳相连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种刚柔双模操作机械臂，其特征在于：通过在刚性操作臂中设计具有刚柔转换功能和阻尼缓冲功能的四自由度柔性机构，从而在刚性操作臂中引入了柔性特征，使机械臂具有刚柔双模操作的能力；旋转锁紧装置和直线锁紧装置均基于电磁控制，得电时，对应自由度被锁紧，失电时，对应自由度被释放，当执行空间对接或抓捕任务时，通过控制四自由度柔性机构中的刚柔转换装置，来实现机械臂刚柔双模转换；四自由度柔性机构中设计了三个旋转方向和一个直线方向共四组阻尼缓冲装置，对接触过程中动量进行卸载：接触过程中X、Y、Z旋转方向的动量分别被位于X、Y、Z轴的旋转阻尼缓冲装置卸载，Z轴直线的动量被直线阻尼缓冲装置卸载，X、Y轴直线方向的动量经过力臂作用可以转化为Y、X方向的角动量，被Y、X轴旋转阻尼缓冲装置卸载，因此，通过设计此机构可实现机械臂操作过程中空间六维动量卸载。
CN202110660653.2A 2021-06-15 2021-06-15 一种刚柔双模操作机械臂 Active CN113386985B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110660653.2A CN113386985B (zh) 2021-06-15 2021-06-15 一种刚柔双模操作机械臂

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110660653.2A CN113386985B (zh) 2021-06-15 2021-06-15 一种刚柔双模操作机械臂

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113386985A CN113386985A (zh) 2021-09-14
CN113386985B true CN113386985B (zh) 2022-09-13

Family

ID=77621059

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110660653.2A Active CN113386985B (zh) 2021-06-15 2021-06-15 一种刚柔双模操作机械臂

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113386985B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113876544A (zh) * 2021-09-23 2022-01-04 北京邮电大学 一种双模驱动的七自由度上肢康复机械臂
CN114162353A (zh) * 2021-12-07 2022-03-11 哈尔滨工业大学（深圳） 一种面向在轨操控的工具航天器系统
CN115285252B (zh) * 2022-08-30 2023-04-25 内蒙古第一机械集团股份有限公司 一种足式行走机器人十字万向节足部机构

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4273335B2 (ja) * 2004-06-16 2009-06-03 独立行政法人産業技術総合研究所 ロボットアーム
CN103029139B (zh) * 2013-01-15 2014-12-24 北京航空航天大学 一种基于磁流变技术的柔性机械臂减振装置与方法
CN104589368B (zh) * 2014-12-16 2016-09-21 北京邮电大学 基于十字轴结构的软接触关节
CN109249407A (zh) * 2018-11-01 2019-01-22 合肥工业大学 一种具有连续体腕部关节的刚柔混合驱动喷涂机器人
CN112643651B (zh) * 2020-12-23 2023-12-26 中国科学院沈阳自动化研究所 可伸缩的仿生外肢体机械臂

Also Published As

Publication number Publication date
CN113386985A (zh) 2021-09-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113386985B (zh) 一种刚柔双模操作机械臂
Feng et al. A review of the end-effector of large space manipulator with capabilities of misalignment tolerance and soft capture
CN104723356B (zh) 一种基于动静块的软接触关节
US6047610A (en) Hybrid serial/parallel manipulator
US10814473B2 (en) Mechanism for alleviating the effects of joint misalignment between users and wearable robots
US8443693B2 (en) Rotary series elastic actuator
CN104589368A (zh) 基于十字轴结构的软接触关节
Liu et al. Dynamic modeling and analysis of 3-R RS parallel manipulator with flexible links
US10800031B2 (en) Spherical parallel manipulator architecture for shoulder robotic exoskeleton
CN113386983B (zh) 一种解耦的四自由度软对接机构
Gogu Fully-isotropic over-constrained parallel wrists with two degrees of freedom
WO2020009780A1 (en) Robotic forearms
Bai et al. Design of mechanical presses driven by multi-servomotor
CN106625591B (zh) 一种三平两转五自由度并联机构
Wang et al. Type synthesis of 3T2R decoupled hybrid mechanisms with large bearing capacity
Lu et al. Analysis of kinematics and solution of active/constrained forces of asymmetric 2UPU+ X parallel manipulators
CN206551011U (zh) 一种基于抓取并联机构的六自由度并联装置
CN115026794A (zh) 完全解耦球面坐标3移动并联机构
KR102713322B1 (ko) 비평면 선형 액추에이터
Gogu Fully-isotropic parallel robots with four degrees of freedom T2R2-type
CN117533530A (zh) 一种用于卸载空间六维冲量的三自由度软对接关节
CN212480047U (zh) 一种柔性传动的仿生机构
Shanzeng et al. Dynamics of 3-DOF spatial parallel manipulator with flexible links
CN217530847U (zh) 一种多自由度机械手
CN108638028B (zh) 具有2r1t和3r两种运动模式的并联机构

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant