CN113500591A - 一种具有被动式可锁定伸缩臂杆的变操作空间机械臂 - Google Patents

Abstract

一种具有被动式可锁定伸缩臂杆的变操作空间机械臂，涉及一种空间机械臂。底部固定座、肩部单元、第一伸缩臂杆、肘部单元、第二伸缩臂杆、腕部单元及二指型末端作用器依次连接固定，伸缩臂杆包括内臂杆插装在外臂杆内，支撑件固定在内臂杆内部搭载控制电机和谐波减速器用于传动中心转轴，中心转轴上通过连杆铰接有两组楔形锁紧块，内臂杆侧壁配合设有径向通槽，剪叉机构两端设置固定座分别与外臂杆根部端及内臂杆内侧端固连，固定架固定在外臂杆内壁并设有限位槽，剪叉机构上固定多个能够与限位槽滑动配合的绕线柱。具有更大的可达工作空间和灵活工作空间，采用被动式伸缩结构降低了结构复杂度，简单可靠，节约成本。

Description

一种具有被动式可锁定伸缩臂杆的变操作空间机械臂

技术领域

本发明涉及一种空间机械臂，尤其是一种具有被动式可锁定伸缩臂杆的变操作空间机械臂，属于航天器在轨服务技术领域技术领域。

背景技术

空间机械臂如加拿大臂、欧洲臂、日本臂等在国际空间站的建造与维护、哈勃空间望远镜的维修、轨道垃圾清理等任务中扮演了关键的作用。随着人类对太空探索需求的增加和航天技术的进步，空间探索任务中的空间设施建造规模越来越大、系统也愈加复杂，如空间站、天梯、地球车站、空间驿站、空间太阳能电站、超大口径空间望远镜等。

由于空间环境存在高真空、强辐射、微重力、大温差等危险因素，依靠宇航员建造上述设施会面临成本高、风险大、效率低且难度巨大的问题，因此，依靠空间机械臂在轨建造完成上述建造任务是现阶段的首选方案。而上述设施的建造一方面需要空间机械臂具有体积更大的可达工作空间，保证能完成大尺度空间的建造任务。另一方面，为了完成一些精细的操作任务，需要空间机械臂灵活工作空间在可达工作空间中的占比更大。

可达工作空间和灵活工作空间是评价空间机械臂工作能力的重要指标，传统空间机械臂普遍使用固定长度的臂杆，一旦设计制造完成，其工作能力就已经定型，只能完成特定的操作任务。臂杆长的空间机械臂完成大范围的建造任务，臂杆短的空间机械臂完成精细操作任务，为了完成大规模、高精度设施的建造，就需要多个不同尺度的空间机械臂协同作业，但对于空间在轨任务，多机械臂协同作业系统无疑会大大增加发射成本、运营成本和维护成本。

因此，亟需一种结构简单可靠的能够变操作的伸缩式空间机械臂，对有力支撑航天任务中大规模空间设施的建造任务具有非常重要的意义。

发明内容

为解决背景技术存在的不足，本发明提供一种具有被动式可锁定伸缩臂杆的变操作空间机械臂，它具有更大的可达工作空间和灵活工作空间，采用被动式伸缩结构降低了结构复杂度，简单可靠，节约成本。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种具有被动式可锁定伸缩臂杆的变操作空间机械臂，包括依次连接固定的底部固定座、肩部第一关节、肩部第二关节、肩部第三关节、第一伸缩臂杆、肘部关节、第二伸缩臂杆、腕部第一关节、腕部第二关节、腕部第三关节以及二指型末端作用器，所述第一伸缩臂杆及所述第二伸缩臂杆结构相同均包括内臂杆、锁紧机构、导线收放机构和外臂杆，所述内臂杆插装在所述外臂杆内且二者的相对运动限制在轴向方向，所述锁紧机构包括控制电机、谐波减速器、支撑件、楔形锁紧块、中心转轴和连杆，所述支撑件固定安装在内臂杆内部用于搭载控制电机和谐波减速器，所述控制电机通过所述谐波减速器传动中心转轴，所述中心转轴上设有两组楔形锁紧块，每组所述楔形锁紧块的数量为3个并环绕中心转轴等角度排布，每个楔形锁紧块与中心转轴对应位置通过所述连杆两端进行铰接，内臂杆侧壁设有对应数量的供楔形锁紧块伸出的径向通槽，所述导线收放机构包括固定架、固定座、剪叉机构和绕线柱，所述剪叉机构通过多个连接轴连接能够进行伸展和收拢，剪叉机构两端分别固定所述固定座，其中一个固定座与外臂杆根部端固定连接，另一个固定座与内臂杆内侧端固定连接，所述固定架固定在外臂杆内壁邻近根部位置，固定架沿外臂杆轴向设有限位槽，剪叉机构上固定有多个绕线柱，所述绕线柱端部能够与所述限位槽滑动配合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过改变第一伸缩臂杆和第二伸缩臂杆的长度，能够得到不同尺度构型的空间机械臂，具有更大的可达工作空间和灵活工作空间，提高了单个空间机械臂操作多种任务的能力，采用被动式伸缩结构不需要配置动力组件，降低了结构复杂度，结合采用的锁紧机构和导线收放机构简单可靠，锁紧机构通过控制电机实现楔形锁紧块的伸出与缩回，在臂杆完全伸长或完全缩短状态时实现主动锁紧定位，导线收放机构为以剪叉机构为核心的被动式导线收放结构，同样降低了结构复杂度，与传统的涡卷弹簧实现导线收放相比，减小导线拉应力，延长使用寿命，而外臂杆采用一体四段的结构形式，满足空间机械臂的轻量化需求，与现有用于在轨建造的空间机械臂相比具有更容易实现、更简单可靠、更节约成本的优点。

附图说明

图1是本发明的具有被动式可锁定伸缩臂杆的变操作空间机械臂尺度最小构型下的结构示意图；

图2是本发明的具有被动式可锁定伸缩臂杆的变操作空间机械臂尺度最大构型下的结构示意图；

图3是本发明的第一伸缩臂杆或第二伸缩臂杆的内部结构示意图；

图4是本发明的外臂杆的内部结构示意图；

图5是本发明的导线收放机构的轴测图；

图6是本发明的锁紧机构的结构示意图；

图7是本发明的锁紧机构的断面示意图；

图8是本发明的楔形锁紧块与中心转轴的装配结构轴测图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～图2所示，一种具有被动式可锁定伸缩臂杆的变操作空间机械臂，包括底部固定座1、肩部第一关节2、肩部第二关节3、肩部第三关节4、第一伸缩臂杆5、肘部关节6、第二伸缩臂杆7、腕部第一关节8、腕部第二关节9、腕部第三关节10以及二指型末端作用器11。

变操作空间机械臂整体基于人体工程学理论采用拟人手臂的构型设置，具有7个自由度，从而实现类似人体手臂的运动能力，7个自由度按照肩部3个自由度、肘部1个自由度和腕部3个自由度的形式分配。

所述肩部第一关节2、所述肩部第二关节3及所述肩部第三关节4完全相同并构成机械臂的肩部单元，所述腕部第一关节8、所述腕部第二关节9及所述腕部第三关节10完全相同并构成机械臂的腕部单元，而所述肘部关节6不同于肩部单元和腕部单元的关节单独构成机械臂的肘部单元，上述所有关节均是模块化旋转关节，具有良好的通用性和互换性，能够方便快捷的进行装配。

为增大机械臂的工作空间范围和提高在工作空间范围内部灵活操作各种任务的能力，设置两个可以改变长度的臂杆，分别为所述第一伸缩臂杆5和所述第二伸缩臂杆7。

所述二指型末端作用器11具有两根对称式布置的手指，是一个具有大容差和高精度的末端作用器。

所述底部固定座1用于将机械臂安装固定在工作位置。

连接关系为底部固定座1与肩部第一关节2一端连接固定，肩部第一关节2另一端与肩部第二关节3一端连接固定，肩部第二关节3另一端与肩部第三关节4一端连接固定，肩部第三关节4另一端与第一伸缩臂杆5一端连接固定，第一伸缩臂杆5另一端与肘部关节6一端连接固定，肘部关节6另一端与第二伸缩臂杆7一端连接固定，第二伸缩臂杆7另一端与腕部第一关节8一端连接固定，腕部第一关节8另一端与腕部第二关节9一端连接固定，腕部第二关节9另一端与腕部第三关节10一端连接固定，腕部第三关节10另一端与二指型末端作用器11底部连接固定。

为了避免操作时机械系统之间发生干涉以及方便折叠减少空间占有率，变操作空间机械臂的肩部单元、肘部单元和腕部单元之间存在物理偏置。

结合图3所示，本发明的核心改进点在两个可以改变长度的臂杆，即第一伸缩臂杆5和第二伸缩臂杆7，二者尺寸可以存在差异而结构组成完全一致，为被动式伸缩结构，与传统的伸缩臂杆采用电机驱动滚珠丝杠组传动以及采用直线驱动机构加上多级滑轮-排绳传动的主动伸缩结构不同，没有配置控制伸缩运动的驱动电机等动力组件，降低了结构复杂度，有利于控制质量并且更容易得到大的刚度和强度，包括内臂杆12、锁紧机构13、导线收放机构15和外臂杆16。

所述内臂杆12插装在所述外臂杆16内，二者均为筒状构件，为了限制内臂杆12与外臂杆16的相对运动发生在轴向方向，在外臂杆16内壁沿轴向排布固定多组滑轮导轨14，在内臂杆12外壁对应设置有与所述多组滑轮导轨14相配合的滑轨，所述滑轨卡设在对应的滑轮导轨14的滑轮沟槽中，有效防止内臂杆12与外臂杆16之间发生扭转运动，同时保证了滑动的顺畅。

结合图3和图5所示，所述导线收放机构15包括固定架17、固定座22、剪叉机构23和绕线柱25，所述剪叉机构23通过多个连接轴24连接能够进行伸展和收拢，剪叉机构23两端分别固定有所述固定座22，其中一个固定座22与外臂杆16根部端固定连接，另一个固定座22与内臂杆12内侧端固定连接，所述固定架17固定在外臂杆16内壁邻近根部位置，固定架17沿外臂杆16轴向设有限位槽，剪叉机构23上固定有多个所述绕线柱25用于缠绕导线，绕线柱25端部能够与所述限位槽滑动配合限制剪叉机构23的伸展和收拢方向，实现导线的收放功能。

导线收放机构15为被动式导线收放结构，降低结构复杂度实现轻量化需求，与传统的利用涡卷弹簧变形实现导线收放的卷线轮结构相比，可减小导线在收放过程中承受的拉应力，延长导线的使用寿命。

结合图3、图6～图8所示，所述锁紧机构13包括控制电机26、谐波减速器27、支撑件28、楔形锁紧块29、中心转轴32和连杆33，所述支撑件28固定安装在内臂杆12内侧端的内部用于搭载控制电机26和谐波减速器27，所述控制电机26通过所述谐波减速器27同轴传动中心转轴32，所述中心转轴32上设有两组楔形锁紧块29，每组所述楔形锁紧块29的数量为3个并环绕中心转轴32等角度排布，每个楔形锁紧块29通过连杆33与中心转轴32进行连接，所述连杆33两端分别与楔形锁紧块29底部及中心转轴32对应位置铰接，内臂杆12侧壁上设有对应数量的供楔形锁紧块29伸出的径向通槽31，控制电机26采用伺服电机，通过控制电机26进行一定角度的正反转调节能够控制两组楔形锁紧块29伸出或缩回对应的所述径向通槽31，外臂杆16侧壁位于插接端和中间位置处分别凸起设有两组定位槽，内臂杆12完全伸出或缩回外臂杆16时，控制两组楔形锁紧块29插入对应的所述两组定位槽即实现内臂杆12与外臂杆16的主动锁紧定位。

结合图7所示，其中，楔形锁紧块29宜采用分体式结构，由底端接槽和顶端楔块组成，所述底端接槽底部与连杆33铰接，所述顶端楔块底部插装在底端接槽上端槽位内，顶端楔块底部与底端接槽之间垫设有碟簧30，提供一定弹力使顶端楔块与外臂杆16内壁更有效地接触配合。

结合图4所示，此外，考虑到轻量化的需求，对于空间机械臂而言质量越轻能够越多的减少发射时的成本，外臂杆16采用一体四段的结构形式，考虑到与锁紧机构13配合区域对强度和刚度的要求较高，采用钛合金材料，外臂杆16对应插接端的两组定位槽位置处为第一钛合金段18，外臂杆16对应中间位置的两组定位槽位置处为第三钛合金段20，考虑到与内臂杆12及导线收放机构15配合区域要求耐摩擦、耐高温和耐腐蚀等特性，采用碳纤维材料，外臂杆16位于第一钛合金段18和第三钛合金段20之间为第二碳纤维段19，外臂杆16根部端位置处为第四碳纤维段21。

本发明在发射入轨阶段处于尺度最小构型，第一伸缩臂杆5和第二伸缩臂杆7均处于最短状态，整体折叠后外包络体积最小，节省占用运载火箭的空间，为其它有效载荷腾出空间，减少运载火箭的发射成本。发射完成在轨建造正常操作时仍处于尺度最小构型，锁紧机构13保持锁紧状态，此时空间机械臂具有固定构型，与传统机械臂类似，当需要完成大尺度范围的建造任务时采用尺度最大构型，二指型末端作用器11找到一个适当的位置抓紧固定，之后控制电机26反向转动一定角度使两组楔形锁紧块29缩回，锁紧机构13解锁，通过7个自由度的模块化旋转关节的旋转运动带动第一伸缩臂杆5和第二伸缩臂杆7拉伸至最长，导线收放机构15的剪叉机构23随之自然伸展，然后再次控制电机26正向转动一定角度使两组楔形锁紧块29伸出插入对应的定位槽，锁紧机构13重新保持锁紧状态，在第一伸缩臂杆5和第二伸缩臂杆7的最长和最短状态通过外臂杆16上设置定位槽提升稳定性，此外，锁紧机构13的两组楔形锁紧块29也可与外臂杆16内壁中间任意位置进行支撑定位，从而根据使用需求将第一伸缩臂杆5和第二伸缩臂杆7定位在期望长度，完成小尺度范围内的精细操作任务。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种具有被动式可锁定伸缩臂杆的变操作空间机械臂，其特征在于：包括依次连接固定的底部固定座(1)、肩部第一关节(2)、肩部第二关节(3)、肩部第三关节(4)、第一伸缩臂杆(5)、肘部关节(6)、第二伸缩臂杆(7)、腕部第一关节(8)、腕部第二关节(9)、腕部第三关节(10)以及二指型末端作用器(11)，所述第一伸缩臂杆(5)及所述第二伸缩臂杆(7)结构相同均包括内臂杆(12)、锁紧机构(13)、导线收放机构(15)和外臂杆(16)，所述内臂杆(12)插装在所述外臂杆(16)内且二者的相对运动限制在轴向方向，所述锁紧机构(13)包括控制电机(26)、谐波减速器(27)、支撑件(28)、楔形锁紧块(29)、中心转轴(32)和连杆(33)，所述支撑件(28)固定安装在内臂杆(12)内部用于搭载控制电机(26)和谐波减速器(27)，所述控制电机(26)通过所述谐波减速器(27)传动中心转轴(32)，所述中心转轴(32)上设有两组楔形锁紧块(29)，每组所述楔形锁紧块(29)的数量为3个并环绕中心转轴(32)等角度排布，每个楔形锁紧块(29)与中心转轴(32)对应位置通过所述连杆(33)两端进行铰接，内臂杆(12)侧壁设有对应数量的供楔形锁紧块(29)伸出的径向通槽(31)，所述导线收放机构(15)包括固定架(17)、固定座(22)、剪叉机构(23)和绕线柱(25)，所述剪叉机构(23)通过多个连接轴(24)连接能够进行伸展和收拢，剪叉机构(23)两端分别固定所述固定座(22)，其中一个固定座(22)与外臂杆(16)根部端固定连接，另一个固定座(22)与内臂杆(12)内侧端固定连接，所述固定架(17)固定在外臂杆(16)内壁邻近根部位置，固定架(17)沿外臂杆(16)轴向设有限位槽，剪叉机构(23)上固定有多个绕线柱(25)，所述绕线柱(25)端部能够与所述限位槽滑动配合。

2.根据权利要求1所述的一种具有被动式可锁定伸缩臂杆的变操作空间机械臂，其特征在于：所述外臂杆(16)内壁沿轴向排布固定多组滑轮导轨(14)，所述内臂杆(12)外壁对应设置有与所述多组滑轮导轨(14)相配合的滑轨，所述滑轨卡设在对应的滑轮导轨(14)的滑轮沟槽中。

3.根据权利要求1所述的一种具有被动式可锁定伸缩臂杆的变操作空间机械臂，其特征在于：所述外臂杆(16)侧壁位于插接端和中间位置处分别凸起设有两组定位槽，所述两组楔形锁紧块(29)能够插入对应的所述两组定位槽实现内臂杆(12)与外臂杆(16)的主动锁紧定位。

4.根据权利要求1所述的一种具有被动式可锁定伸缩臂杆的变操作空间机械臂，其特征在于：所述楔形锁紧块(29)采用分体式结构，由底端接槽和顶端楔块组成，所述底端接槽底部与连杆(33)铰接，所述顶端楔块底部插装在底端接槽上端槽位内，顶端楔块底部与底端接槽之间垫设有碟簧(30)。

5.根据权利要求1所述的一种具有被动式可锁定伸缩臂杆的变操作空间机械臂，其特征在于：所述外臂杆(16)采用一体四段的结构形式，由插接端至根部端依次为第一钛合金段(18)、第二碳纤维段(19)、第三钛合金段(20)及第四碳纤维段(21)。

6.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的一种具有被动式可锁定伸缩臂杆的变操作空间机械臂，其特征在于：所述肩部第一关节(2)、肩部第二关节(3)与肩部第三关节(4)构成肩部单元，所述肘部关节(6)单独构成肘部单元，所述腕部第一关节(8)、腕部第二关节(9)及腕部第三关节(10)构成腕部单元，所述肩部单元、肘部单元和腕部单元之间存在物理偏置。

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