CN114083569B - 一种绳索驱动可折叠柔性机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绳索驱动可折叠柔性机械臂，属于太空碎片清理用机械臂结构技术领域。绳索驱动可折叠柔性机械臂包括若干个折叠单元，相邻的折叠单元之间通过万向节连接，相邻的折叠单元的中心通过绳索一连接，相邻折叠单元的边缘通过绳索二连接，绳索一及绳索二的一端均与动力元件连接，绳索一及绳索二的另一端与机械臂的自由端连接，相邻折叠单元之间设置有复位结构。本发明采用上述结构的绳索驱动可折叠柔性机械臂，能够解决柔性机械臂受运载器空间限制无法捕获大型空间碎片的问题。

Description

一种绳索驱动可折叠柔性机械臂

技术领域

本发明涉及太空碎片清理用机械臂结构技术领域，尤其是涉及一种绳索驱动可折叠柔性机械臂。

背景技术

随着载人航天等航天事业的快速发展，在轨航天器和航天员的安全也需要得到有力的保障。而在航天器安全防护设计以外的安全问题中，太空碎片的威胁是需要应对的主要外部威胁。各式各样的太空碎片分布在地球轨道环境中，不断威胁着航天器乃至宇航员的生命安全。太空碎片主要的危害有：空间碰撞风险急剧增加；大量轨道资源被占据；航天器发射成本增加。

为了维护地球外太空轨道环境的安全与清洁，世界主要航天大国均开始致力于空间碎片的捕获与移除问题。目前清除太空碎片的方法主要有激光清除法和捕获清除法，而捕获问题又分为刚性捕获(机械臂抓取)和柔性捕获(如飞网捕获)。其中，刚性捕获技术水平高，但机械臂质量与体积大、交会复杂、容易发生碰撞和回弹；而柔性飞网捕获虽然质量小，但控制难、可靠性低、难以重复捕获。

随着机器人技术的日益发展，连续型机器人的出现顺应了人们对机器人功能多样化的需求。连续型机器人由于自身的可弯曲性，与刚性机器人相比具有更高的柔顺性、安全性和适应性，在人机交互、易碎品抓取和狭小空间作业等方面具有独特优势。将连续型机器人用于太空环境下，可以有效的对太空碎片进行捕获，但是，由于运载器空间的限制，送入太空中的连续型机器人的体积较小，无法捕获大型空间碎片。

发明内容

本发明的目的是提供一种绳索驱动可折叠柔性机械臂，解决柔性机械臂受运载器空间限制无法捕获大型空间碎片的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种绳索驱动可折叠柔性机械臂，包括若干个折叠单元，相邻的折叠单元之间通过万向节连接，相邻的折叠单元的中心通过绳索一连接，相邻折叠单元的边缘通过绳索二连接，绳索一及绳索二的一端均与动力元件连接，绳索一及绳索二的另一端与机械臂的自由端连接，相邻折叠单元之间设置有复位结构。

优选的，所述折叠单元包括肋片，肋片位于折叠单元的两端，两个肋片之间通过可折叠的连接杆连接。

优选的，所述连接杆包括连杆一和连杆二，连杆一与连杆二之间通过销轴转动连接，连杆一的端头与一个肋片转动连接，连杆二的端头与另一个肋片转动连接，连杆一均匀的分布在肋片的边缘处。

优选的，所述连杆一与连杆二的连接处设置有自由角度为180°的扭簧。

优选的，所述绳索二位于连杆一与连杆二的内部空腔内。

优选的，所述连杆一的两端分别设置有与肋片上的连接座一铰接的连接头一和与连杆二铰接的连接座二；连杆二的两端分别设置有与连杆一铰接的连接座三和与肋片上的连接座一铰接的连接头二。

优选的，所述肋片的中心设置有使绳索一穿过的中心孔。

优选的，所述万向节包括中心质量块，中心质量块的中心设置有使绳索一穿过的通孔，中心质量块上设置有由大头销组成的十字轴，万向节叉设置在肋片的外侧面上，万向节叉套设在大头销上。

优选的，所述复位结构包括复位弹簧，复位弹簧的两端分别设置在相邻折叠单元上的两个肋片上，复位弹簧在肋片的边缘均匀的分布。

优选的，所述复位弹簧的弹性系数由自由端的折叠单元向根部的折叠单元方向逐渐的增大。

本发明所述的一种绳索驱动可折叠柔性机械臂的优点和积极效果是：

1、相邻的折叠单元的中部通过绳索一连接，绳索一的一端与动力元件连接，绳索一的另一端与机械臂自由端的肋片连接，在动力元件的作用下，绳索一收缩，从而带动折叠单元进行折叠，进而将机械臂收拢，减小机械臂的占用空间，提高空间利用率。

2、折叠单元的两个肋片之间的连杆一和连杆二之间设置有180°的扭簧，松动绳索一时，连杆一和连杆二在扭簧的作用下展开呈直线状，从而将机械臂展开，满足大型空间碎片的捕获需要。

3、肋片的边缘设置有绳索二，绳索二位于连杆一和连杆二的内部空腔内，连杆一和连杆二为中空杆，有利于减轻机械臂的重量，并且为实际使用过程中给后续传感器的安装等机械臂的升级预留空间。相邻折叠单元之间设置有万向节，绳索二在动力元件的作用下收缩，万向节变形，相邻折叠单元之间的角度发生变化，机械臂弯曲，满足使用要求。

4、在连接头一、连接座二、连接座三及连接头二上的侧壁上设置有贴合绳索二弯曲和拉直情况下的绳索轨道，机械臂在展开或收拢时，绳索始终处于受拉状态，避免打滑失稳。绳索一和绳索二穿过的通孔处设置有圆角，减小绳索的摩擦力，提高使用寿命。

5、相邻折叠单元之间的肋片之间设置有复位弹簧，复位弹簧将发生弯曲的机械臂进行复位。复位弹簧有利于提高机械臂的强度。复位弹簧的弹性系数由自由端的折叠单元向根部的折叠单元方向逐渐的增大，满足不同位置机械臂的复位需要。

6、万向节的万向节叉设置在肋片上，有利于减小相邻折叠单元的间距，从而缩小机械臂的占用空间，并减小机械臂的重量。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种绳索驱动可折叠柔性机械臂实施例的展开状态结构示意图；

图2为本发明一种绳索驱动可折叠柔性机械臂实施例的收拢状态结构示意图；

图3为本发明一种绳索驱动可折叠柔性机械臂实施例的折叠单元连接结构示意图；

图4为本发明一种绳索驱动可折叠柔性机械臂实施例的肋片结构示意图；

图5为本发明一种绳索驱动可折叠柔性机械臂实施例的连杆一结构示意图；

图6为本发明一种绳索驱动可折叠柔性机械臂实施例的连杆二结构示意图；

图7为本发明一种绳索驱动可折叠柔性机械臂实施例的万向节十字轴结构示意图。

附图标记

1、肋片；2、连杆一；3、连杆二；4、绳索一；5、绳索二；6、万向节；7、复位弹簧；8、万向节叉；9、中心孔；10、连接座一；11、连接头一；12、连接座二；13、连接座三；14、连接头二；15、中心质量块；16、大头销。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

图1为本发明一种绳索驱动可折叠柔性机械臂实施例的展开状态结构示意图，图2为本发明一种绳索驱动可折叠柔性机械臂实施例的收拢状态结构示意图，图3为本发明一种绳索驱动可折叠柔性机械臂实施例的折叠单元连接结构示意图。如图所示，一种绳索驱动可折叠柔性机械臂，包括若干个折叠单元，若干个折叠单元之间呈线性分布。相邻的折叠单元之间通过刚性的万向节6连接，刚性万向节6的设置满足相邻折叠单元之间的弯曲变形，提高柔性机械臂的适应性。相邻的折叠单元的中心通过绳索一4连接，相邻折叠单元的边缘通过绳索二5连接。绳索一4及绳索二5的一端均与动力元件连接，绳索一4及绳索二5的另一端与机械臂的自由端连接。动力元件为现有的驱动电机或卷轴，每个绳索一4和每个绳索二5分别对应一个驱动元件，绳索一4、绳索二5之间独立的工作。绳索一4用于将机械臂进行收拢或展开，绳索二5用于实现机械臂的弯曲。

图4为本发明一种绳索驱动可折叠柔性机械臂实施例的肋片结构示意图。如图所示，折叠单元包括肋片，肋片位于折叠单元的两端，两个肋片之间通过可折叠的连接杆连接。肋片为框架结构，有利于降低肋片的重量。连接杆包括连杆一2和连杆二3，连杆一2与连杆二3之间通过销轴转动连接。连杆一2与连杆二3的连接处设置有自由角度为180°的扭簧，扭簧使得机械臂展开时，连杆一2和连杆二3在同一轴线上。连杆一2和连杆二3均匀的分布在肋片的边缘处。每个折叠单元上至少设置有三个连杆一2和连杆二3，本实施例中连杆一2和连杆二3为四个。

图5为本发明一种绳索驱动可折叠柔性机械臂实施例的连杆一结构示意图，图6为本发明一种绳索驱动可折叠柔性机械臂实施例的连杆二结构示意图。如图所示，连杆一2的两端分别设置有连接头一11和连接座二12，连接头一11与肋片上设置有连接座一10通过销轴转动连接。连杆二3的两端分别设置有连接座三13和连接头二14，连接座三13套设在连接座二12的外部，并与连接座二12通过销轴转动连接。连接头二14位于另一肋片上的连接座一10的内部，并与连接座一10通过销轴转动连接。连杆一2和连杆二3均为空心的圆柱结构，绳索二5位于连杆一2和连杆二3的空腔内部。连接头一11、连接座二12、连接座三13及连接头二14上均设置有使绳索二5穿过的通孔，通孔的边缘圆滑处理，减小与绳索二5之间的摩擦力。机械臂展开时，相邻折叠单元上的连杆一2和连杆二3在同一条直线上。连接头一11、连接座二12、连接座三13及连接头二14的侧壁上设置有光滑的绳索轨道。通过动力元件拉动绳索二5收缩，相邻折叠单元之间的万向节6发生转动，从而使得机械臂能够发生弯曲变形，满足使用要求。动力元件通过绳索二5带动机械臂弯曲，不直接与机械臂上的折叠单元连接。

肋片的中心设置有使绳索一4穿过的中心孔9，即绳索一4位于机械臂的中心轴线上。绳索一4在动力元件的作用下伸长或缩短，从而通过机械臂自由端的肋片带动整个机械臂进行收拢，减小机械臂的占用空间，便于机械臂的携带。

相邻折叠单元之间设置有复位结构。复位结构包括复位弹簧7，复位弹簧7的两端分别设置在相邻折叠单元上的两个肋片上。复位弹簧7在肋片的边缘均匀的分布。本实施例中复位弹簧7靠近绳索二5设置，并与绳索二5一一对应。复位弹簧7用于将发生弯曲的机械臂进行复位，使得机械臂在自由状态下呈展开的线性阵列结构。复位弹簧7有利于提高机械臂的强度。复位弹簧7的弹性系数由自由端的折叠单元向根部的折叠单元方向逐渐的增大，提供折叠单元在不同位置处的复位拉力，实现对不同位置的折叠单元的有效复位约束，提高机械臂姿态调整的稳定性。

图7为本发明一种绳索驱动可折叠柔性机械臂实施例的万向节十字轴结构示意图。如图所示，万向节6包括中心质量块15，中心质量块15的中心设置有使绳索一4穿过的通孔。中心质量块15上设置有由大头销16组成的十字轴。万向节叉8设置在肋片的外侧面上，万向节叉8转动套设在大头销16上。相邻肋片上的万向节叉8呈十字型交叉设置在大头销16上，实现两个折叠单元以大头销16为转轴的转动。将万向节叉8设置在肋片上，有利于降低机械臂的重量，并且有利于减小相邻折叠单元之间的空间，缩小机械臂折叠后的占用空间。

机械臂的总长度的理论计算公式为：

展开前：L＝nl₀+(n-1)d

展开后：L＝nl₁+(n-1)d

弯曲后：L＝nl₁+(n-1)(d-t/2sinθ)

其中，L为机械臂总长度；n为折叠单元个数；l₀为一个折叠单元展开前长度，l₁为一个折叠单元展开后长度；l₁:l₀＝10:1；d为万向节沿机械臂展开方向上的长度；t为肋片宽度；θ为相邻两折叠单元的相对弯曲角度。

因此，本发明采用上述结构的绳索驱动可折叠柔性机械臂，能够解决柔性机械臂受运载器空间限制无法捕获大型空间碎片的问题。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种绳索驱动可折叠柔性机械臂，其特征在于：包括若干个折叠单元，相邻的折叠单元之间通过万向节连接，相邻的折叠单元的中心通过绳索一连接，相邻折叠单元的边缘通过绳索二连接，绳索一及绳索二的一端均与动力元件连接，绳索一及绳索二的另一端与机械臂的自由端连接，相邻折叠单元之间设置有复位结构；

所述折叠单元包括肋片，肋片位于折叠单元的两端，两个肋片之间通过可折叠的连接杆连接；

所述连接杆包括连杆一和连杆二，连杆一与连杆二之间通过销轴转动连接，连杆一的端头与一个肋片转动连接，连杆二的端头与另一个肋片转动连接，连杆一均匀的分布在肋片的边缘处；

所述绳索二位于连杆一与连杆二的内部空腔内。

2.根据权利要求1所述的一种绳索驱动可折叠柔性机械臂，其特征在于：所述连杆一与连杆二的连接处设置有自由角度为180°的扭簧。

3.根据权利要求1所述的一种绳索驱动可折叠柔性机械臂，其特征在于：所述连杆一的两端分别设置有与肋片上的连接座一铰接的连接头一和与连杆二铰接的连接座二；连杆二的两端分别设置有与连杆一铰接的连接座三和与肋片上的连接座一铰接的连接头二。

4.根据权利要求1所述的一种绳索驱动可折叠柔性机械臂，其特征在于：所述肋片的中心设置有使绳索一穿过的中心孔。

5.根据权利要求1所述的一种绳索驱动可折叠柔性机械臂，其特征在于：所述万向节包括中心质量块，中心质量块的中心设置有使绳索一穿过的通孔，中心质量块上设置有由大头销组成的十字轴，万向节叉设置在肋片的外侧面上，万向节叉套设在大头销上。

6.根据权利要求1所述的一种绳索驱动可折叠柔性机械臂，其特征在于：所述复位结构包括复位弹簧，复位弹簧的两端分别设置在相邻折叠单元上的两个肋片上，复位弹簧在肋片的边缘均匀的分布。

7.根据权利要求6所述的一种绳索驱动可折叠柔性机械臂，其特征在于：所述复位弹簧的弹性系数由自由端的折叠单元向根部的折叠单元方向逐渐的增大。

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