CN114347076B - 一种连续型机械臂多功能末端执行器 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种连续型机械臂多功能末端执行器，属于机器人技术领域以及航天技术领域。其包括夹持模块、加注模块、多工具集成模块、紧固件拆装模块。夹持模块支持对合作或非合作目标的夹持；加注模块能够对目标物进行常温燃料补加，其中，加注接口分为主动接口和被动接口，主动接口装在机械臂末端执行器上，被动接口装在目标物上，同时采用被动柔性连接方式，使其具备对位、柔性对接、锁紧和密封的功能；多工具集成模块将各种工具集成到一起，通过旋转或其他传动形式供执行模块选择合适的工具，同时可以将从目标物上拆下的附加物品收纳；紧固件拆装模块可以实现螺栓螺母的紧固件拆装。

Description

一种连续型机械臂多功能末端执行器

【技术领域】

本发明涉及一种连续型机械臂多功能末端执行器，属于机器人技术领域以及航天技术领域。其包括夹持模块、加注模块、多工具集成模块、紧固件拆装模块，可实现在轨捕获、在轨操作和在轨加注功能。

【背景技术】

随着人类深空探测的继续发展，空间机器人将会迎来更加广泛的应用。连续型机械臂是一种新型机械臂，依靠近乎连续的可控变形来实现末端运动。与相同质量的传统关节型机械臂相比，连续型机械臂具有作用距离远、末端载荷大、运动灵活、避障能力强等明显优势，通过在连续型机械臂末端安装多功能末端执行器，以满足目标夹持、在轨操作、燃料加注等任务需求。

现有的末端执行器未实现合作目标和非合作目标的捕获、对产品燃料储箱进行补加、不同工具的切换、不同工具的收纳多功能的集成，难以实现在轨服务中目标夹持、燃料加注等任务的易用性和通用性。因此，设计包含合作目标和非合作目标捕获功能的夹持模块、对产品燃料储箱进行补加功能的加注模块、不同工具切换功能的紧固件拆装模块、不同工具收纳功能的多工具集成模块，此连续型机械臂多功能末端执行器具有重要的应用价值。

【发明内容】

本发明提供一种连续型机械臂多功能末端执行器夹持模块，可以实现对目标星的捕获，通过不同电机的协调工作，实现加注模块、多工具集成模块及紧固拆装模块的切换。

本发明提供一种连续型机械臂多功能末端执行器在轨加注模块，可以实现对目标物进行常温燃料补加，具备对位、柔性对接、锁紧和密封的功能。

本发明提供一种连续型机械臂多功能末端执行器多工具集成模块，可以实现将各种工具、零件集成到一起，配合电机的运动，可以实现多工具切换，完成对各种工具、零件的集中管理。

本发明提供一种连续型机械臂多功能末端执行器紧固件拆装模块，可以实现对目标物上含螺纹的特定零件，以及指定规格的螺栓螺母等紧固件进行拆卸、安装与紧固。

为达到上述目的，本发明采用以下解决方案：

夹持模块由缩放机构、锁紧机构与外壳旋转机构组成。其中，缩放机构是通过步进电机的旋转运动配合丝杠副，将旋转运动转换为直线运动，从而完成缩放机构对目标物的初捕获；锁紧机构则是通过无刷电机的旋转运动配合丝杠副，将旋转运动转换为直线运动，从而完成锁紧机构对初捕获目标物锁紧，以实现对目标物的捕获；外壳旋转机构是通过无刷电机的旋转运动带动外壳旋转，实现加注模块、紧固拆装模块及多工具集成模块的切换工作。

加注模块由加注接口、丝杆机构、油枪结构组成。其中，丝杆机构搭载着油枪结构，在接收到加注指令后，加注模块的主动接口将通过控制步进电机使丝杆螺母机构移动直至完成对接。在目标星上的被动接口底部安装有弹簧用以实现柔性对接，防止在对接过程对执行器与目标星造成刚性破坏。

多工具集成模块由直角支架、矩形支架、步进电机组件与工具块组件组成。收纳工具块的工作角度有四个：[0°，90°，180°，270°]，在不同的工作角度，工具块所对应的安装面会有不同，其所能获取的工具或零件也会不同。对于较大的工具，将单独占用一个工具块的安装平面并安装在该平面的中心；对于较小的零件，将通过三个安装在工具块圆弧面上的安装块进行存放。在接收到不同的操作指令时，工具块由步进电机驱动，转动至目标工作角度。该模块实现了不同工具的切换与不同工具的收纳功能，实现了对各种工具、零件的统一管理，为末端执行器实现紧固拆装功能提供了基础。

紧固件拆装模块由旋转机构、平移机构、旋拧机构和工具夹持机构组成，该模块共有4个旋转自由度，均由电机进行驱动。其中2个自由度用于实现工具夹持末端在平面内的移动，另外2个自由度用于旋拧紧固件以及为夹持工具(零件)提供夹持力。在模块的两侧装有两个工业相机，便于观测夹持工具末端的拆装情况，并且可以即时调整夹持工具末端的位姿，保证任务的顺利完成。

【附图说明】

为了更清楚地说明本申请技术方案，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为连续型机械臂多功能末端执行器图。

图2为夹持模块图。

图3为缩放机构图。

图4为外壳旋转机构图。

图5为锁紧机构图。

图6为加注模块图。

图7为被动加注接口图。

图8为丝杆螺母机构装配关系图。

图9为油枪结构图。

图10为多工具集成模块装配关系图。

图11为工具块组件装配关系图。

图12为零件块图。

图13为紧固件拆装模块图。

图14为紧固件拆装模块装配关系图。

图15为旋转机构与平移机构装配关系图。

图16为旋拧机构装配关系图。

图17为工具夹持机构装配关系图。

【具体实施方式】

为了更加清楚的讲解本发明的目的、技术方案及优点，下面结合附图，对本发明进行详细说明。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本发明提供一种连续型机械臂多功能末端执行器，包含101-夹持模块、102-加注模块、103-多工具集成模块、104-紧固件拆装模块。以下结合附图1对连续型机械臂多功能末端执行器结构进行详细描述。

如图2所示，连续型机械臂末端执行器夹持模块由含201-缩放机构、202-锁紧机构与203-外壳旋转机构组成。

如图3所示，缩放机构由301-电机，302-联轴器，303-联轴架，304-基座，305-弹簧，306-销钉，307-连杆，308-滑块，309-保护帽，310-挡环，311-丝杠组成，固定在303-联轴架的301-步进电机通过302-联轴器将运动传递给311-丝杠，311-丝杠将301-步进电机传递过来的旋转运动通过丝杠副转化为308-滑块的径向运动，实现307-连杆的缩放。当307-连杆处于缩的状态时，夹持模块能将末端执行器前端放入目标星捕捉物凹槽内，此时307-连杆进行“放”动作，就能使连杆与目标星捕捉物内壁贴合，约束目标星无法脱离，实现目标星的安全锁紧。其中310-挡环的作用是破坏连杆的死点位置，使连杆无法运动到死点位置从而能够来回运动，305-弹簧位于310-挡环两侧，其作用是将310-挡环固定在304-基座与308-滑块之间(即连杆连接处)，帮助310-挡环发挥其作用。306-销钉的作用则是连接304-基座、307-连杆、308-滑块，使他们能够绕306-销钉进行旋转运动。309-保护帽起到保护311-丝杠顶端不受磨损与破坏。

如图4所示，外壳旋转机构由401-轴承，402-外壳，403-内齿轮，404-外齿轮，405-无刷电机，406-轴承组成，405-无刷电机通过电机轴上的404-外齿轮向固定在402-外壳上的403-内齿轮进行运动传递，将405-无刷电机的运动传动给402-外壳，使外壳实现旋转运动，从而使402-外壳上固定加注模块、多工具集成模块以及紧固拆装模块切换工作。401-轴承和406-轴承的作用是使内部锁紧机构与缩放机构的轴心能和外壳有相对运动。

如图5所示，锁紧机构由501-外齿轮1，502-丝杠，503-滑块，504-空心轴，505-外齿轮2，506-无刷电机，507-锁紧凸台，508-固定轴，509-固定滑块组成，506-无刷电机通过电机轴上的505-外齿轮2向固定在502-丝杠上的501-外齿轮1传递运动，将506-无刷电机的运动传动给502-丝杠，502-丝杠将506-无刷电机传递来的旋转运动通过丝杠副转化为503-滑块的径向运动，从而带动504-空心轴与固定在504-空心轴上的507-锁紧凸台进行径向运动，完成锁紧与放松的功能。当507-锁紧凸台锁紧时，507-锁紧凸台与目标星捕捉物外壁贴近，约束目标星的移动，使目标星固定在末端执行器上，而当507-锁紧凸台放松时，则目标星可脱离末端执行器。注：509-固定滑块固定在504-空心轴之上，又与508-固定轴相连，其作用是使502-丝杠的旋转运动转化为轴向运动而不是跟随502-丝杠一起旋转，致使503-滑块沿径向直线运动。

如图6所示，加注模块主要由601-油枪结构、602-丝杆机构、603-加注接口三部分组成。

如图7所示，被动加注燃料口内径8mm；被动加注接口设计长25.5mm，实际工作长20.5mm。被动加注燃料口由两个螺帽进行二级封装密封，在非接触时为常闭状态，当接口对接完成后，燃料通过的管道直径为8mm。加注接口利用弹簧钢珠锁紧的原理，当末端执行器上的母头端与目标星上的公头端对接时，阀芯自动闭合，接头内形成通路且自动锁紧，此时通过控制油路阀门的开关实现加油。自动接头的应用严格保证了末端插拔力小于50N，在接头的连接端均装有橡胶密封圈，防止在加注过程中出现泄露等情况。为了避免加注对接过程加注口和被加注口的破坏，提高对接过程的容错性，在被动加注接口端加入了三个减震弹簧，可以很好地吸收对接过程中，接口之间的碰撞冲量，最大程度上减小了接触碰撞对接口的影响，能够较好地完成柔性对接的设计目标。

如图8所示，在执行加注任务中，丝杆螺母机构将电机的旋转运动转换成油枪的平移运动，通过控制加注模块的步进电机可以实现对油枪的运动控制。丝杆螺母机构主要由801-57步进电机、802-联轴器、805-轴承、803-丝杆、808-螺母块、809-螺母座以及807-直线导轨组成。804-油枪组件通过螺钉安装在连接着808-螺母座上，由丝杆螺母机构将801-57步进电机的旋转运动转化为804-油枪组件的平移运动。803-丝杆的运动通过控制801-57步进电机实现，二者通过802-联轴器进行连接传动。803-丝杆的两端通过轴承安装在箱体上，实现了803-丝杆的径向固定。靠近801-57步进电机侧的轴承一端由803-丝杆的轴肩进行固定内圈，由于箱体的壁厚大于轴承的宽度，因此在轴承的另一端设计了一个811-轴环，由811-轴环进行固定外圈；远离电机侧的轴承一边由803-丝杆的轴肩固定内圈，另一边则由806-闷盖固定外圈。由此，两个轴承完全被固定，也实现了803-丝杆的轴向固定。811-轴环的另一端由802-联轴器架进行限位固定，802-联轴器架与801-57步进电机均由内六角平头螺钉安装在箱体上。808-螺母块通过螺旋的方式与803-丝杆配合，通过控制803-丝杆轴的转动来调整808-螺母块的位置。由于丝杆螺母机构拟选用标准件，为此需设计一个809-螺母座，用以安装与803-丝杆配合的808-螺母块以及搭载804-油枪组件，二者均通过螺钉安装在809-螺母座上。由此，实现了通过控制加注模块上801-57步进电机的转动进而控制8084-油枪组件的平行移动。在809-螺母座的底部对称安装有两条直线导轨，使809-螺母座具有5个方向的运动约束，实现809-螺母座的直线运动，保证了移动过程的平稳性。由于807-直线导轨上自带有若干个M4的螺纹孔，以及与之相应的Φ6沉孔，807-直线导轨可通过内六角螺钉固定在箱体上。为了安装固定丝杆螺母机构，也是为了增加油枪中心到固定板的距离，防止在目标星与固定板在注油操作中发生碰撞，设计了支承结构用以保证加注模块与目标物的安全距离。

如图9所示，在完成拆卸后，调整连续型机械臂末端执行器的位姿，将油枪头对准被动加注口，通过控制加注模块的电机，完成加注口与被加注口的柔性对接。油枪结构由902-油枪、901-导油管与904-主动加注接口等组成，是加注模块中直接参与加注作业的部分。其中901-油导管的外螺纹与902-油枪的内螺纹进行连接，902-油枪的外螺纹与904-主动加注接口的内螺纹进行连接。在螺纹的底端，均套有相应尺寸的密封圈，用以保证加注过程中的密封性、连接的紧密性。904-主动加注接口拟选用标准件，利用弹簧钢珠锁紧的原理，当904-主动加注接口母头端与目标星上的905-被动加注接口组件公头端对接时，阀芯自动闭合，接头内形成通路且自动锁紧，保证了输油过程的密封性，待到注油完成，只要直接拔出即可。

如图10所示，多工具集成模块主要由1005-直角支架、1007-矩形支架、1006-42步进电机组件与1001-工具块组件等组成。

多工具集成模块通过1007-矩形支架安装在固定板的侧面，矩形支架的长度为150mm，为紧固拆装模块预留了足够的操作空间。1001-工具块组件由1006-42步进电机驱动控制，1006-42步进电机通过1005-直角支架安装固定在1007-矩形支架上。在1004-联轴器架外安装了一个1003-滚动轴承组件，其中1003-滚动轴承的外圈由1004-联轴器架固定，内圈由1002-传动轴轴肩固定。1001-工具块组件与1002-传动轴通过普通A型平键进行传动，并由平键对1001-工具块组件进行周向限位，1002-传动轴的轴肩与轴端的螺母共同对工具块进行轴向限位。

如图11所示，工具块组件是多功能工具箱模块的主体，是用于工具与紧固件存放的关键零件。根据任务书要求，本次设计主要是针以M6、M8的螺栓、螺母拆装存放以及被动接口的封盖螺帽为设计对象。1001-工具块以100*100*30的立方体结构为基础，以四个长侧面作为安装面。其中，被用于存放工具(如套筒等)的安装面为光滑平面，根据存放的工具大小，共有直接安装在工具块或增加辅助支架两种存放方式。需存放的工具外周配有外螺纹，与工具块或辅助支架的之间采用螺纹连接的方式进行连接。被用于存放1008-零件块的安装面则为半径为388mm的圆柱曲面，该圆柱曲面的圆心与旋转平台的中心距为238mm。

如图12所示，1008-零件块是一个30mm*25mm*12mm立方体块，由其平面上的4个沉孔安装固定在工具块上，可根据需求在零件块中打螺纹孔或六角沉孔，使得拆卸下来的螺母螺栓以螺纹连接的形式固定在工具块上。与工具的存放方式不同，标准紧固件(如螺母、螺栓等)与工具块将以零件块作为中介进行连接。为了增加工具块的装载量，在圆弧曲面上以10°等间隔铣削出三个切平面，用于安装零件块。根据任务需求，可对零件块的中心加工一个螺纹孔用于存放拆卸下来的螺栓，也可再对零件块的底部铣削出一个六边形槽，放置六角头螺栓后便可用以存放拆卸下来的螺母。零件块通过螺钉固定在工具块圆弧面的切平面上，通过替换零件块即可满足不同尺寸紧固件的存放需求。

如图13所示，紧固拆装模块主要负责在加注作业中，完成对在目标星上的特定零件，以及螺栓螺母等紧固件的拆装，并将拆下的零件存放在工具箱中。其装配关系如图14所示，该模块由1401-旋转机构、1402-平移机构、1403-旋拧机构和1404-工具夹持机构组成。

如图15所示，旋转机构安装在固定板上，其主要是为工具夹持末端提供一个旋转自由度，便于调整抓取方向角度，由1501-MRS110系列超薄型精密电控旋转平台实现旋转运动。平移机构主要是为工具夹持末端提供一个移动自由度，便于调整抓取进给深度。由于对移动机构并无过多的要求，满足工况即可，为此设计移动平台的行程为90mm，选用1504-BNK-1202型滚珠丝杆与1505-57步进电机，使1505-57步进电机的旋转运动转换为直线运动。基于模块化设计考虑，减少机械结构之间的耦合影响，旋转台与移动平台由一块1502-连接板连接，后续若需要对旋转平台或移动平台进行更替，则只需重新设计更替连接板即可，不必再调整移动平台的箱体。对于1504-滚珠丝杆与1503-直线导轨的安装与固定方法，采用了与[0041]中的相似的机械结构，在此不再赘述。与[0041]中不同，在紧固拆装模块中螺母块搭载的是旋拧机构。

如图16所示，旋拧机构主要为工具夹持末端提供一个绕夹持中心轴线旋转的扭转力，用以实现对使用螺纹连接的工具(零件)拆装。旋拧机构通过1603-联轴器架侧面的“U”型的槽口与平移机构中螺母块的安装架配合，并由螺钉进行固定连接。机构的旋转运动由1601-57步进电机驱动，经过1602-减速机、1604-联轴器后转动到1605-T型轴。为了保持运动的稳定性，在1605-T型轴的中间轴段安装一个1606-深沟球轴承进行支撑。该1606-轴承一端由1603-联轴器架上的槽固定外圈，另一端由1605-T型轴的轴肩卡住内圈。

如图17所示，工具夹持机构是紧固拆装机构的末端，主要负责为抓取工具提供夹持力。该机构由1701-42步进电机驱动，通过丝杆螺母机构将旋转运动转换为1708-活动夹持块的平行移动，从而实现夹持块的开合。当工具夹持末端的力传感器的反馈满足夹持力要求时，1701-42步进电机停止转动，最终实现工具的夹持。1704-夹持座是一个六角形凹形结构，1705-固定夹持块配置在靠近电机一侧的夹持座上，1708-活动夹持块则配置在远离1701-42步进电机的一侧。为保证夹持中心与旋拧机构的回转中心一致，以两个夹持块闭合后的中心作为基准，并保证其与1710-T型轴的中心重合。1707-丝杆轴穿过1704-夹持座，两端由1709-轴承支承。对于1708-活动夹持块一侧的轴承而言，其外圈由1704-夹持座的臂板进行限位，内圈则由1707-丝杆轴肩限位；1705-固定夹持块一侧的轴承，其外圈由1702-联轴器架限位，内圈由1707-丝杆轴肩限位。为了使1708-夹持块运动平稳，在夹持块顶部安装了两根1706-光轴用以导向。在1708-活动夹持块的1704-夹持座相应位置加工了两个盲孔，用于光轴一端的限位；在靠近1701-42步进电机一侧的1704-夹持座相应位置加工一组阶梯孔，小孔为光孔，用于1706-光轴的径向限位；大孔为螺纹孔，通过安装底端磨平的螺钉，实现1706-光轴的轴向限位。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种连续型机械臂多功能末端执行器，其特征在于：

所述执行器由夹持模块、加注模块、多工具集成模块、紧固拆装模块组成，实现在轨捕获、在轨操作和在轨加注的功能；

所述夹持模块由缩放机构、锁紧机构与外壳旋转机构组成，可以实现对目标星的捕获，并通过不同电机的协调工作，实现所述加注模块、多工具集成模块及紧固拆装模块的切换；

所述加注模块由加注接口、丝杆机构、油枪结构组成，可以实现对目标物进行常温燃料补加，具备对位、柔性对接、锁紧和密封的功能；

所述多工具集成模块由直角支架、矩形支架、步进电机组件与工具块组成，可以实现将各种工具、零件集成到一起，配合电机的运动，可以实现多工具切换，完成对各种工具、零件的集中管理；

所述紧固拆装模块由旋转机构、平移机构、旋拧机构和工具夹持机构组成，可以实现对目标物上含螺纹的零件，以及螺栓螺母紧固件进行拆卸与安装紧固；

所述夹持模块构成及工作原理，包括：夹持模块主要实现对合作目标的捕获，其包含缩放机构、锁紧机构与外壳旋转机构；其中，缩放机构是通过步进电机的旋转运动配合丝杠副，将旋转运动转换为直线运动，从而完成缩放机构对目标物的初捕获；锁紧机构则是通过无刷电机的旋转运动配合丝杠副，将旋转运动转换为直线运动，从而完成锁紧机构对初捕获目标物锁紧，以实现对目标物的捕获功能；外壳旋转机构是通过无刷电机的旋转运动带动外壳旋转，实现加注模块、紧固拆装模块及多工具集成模块的切换工作；

所述加注模块构成及工作原理，包括：加注模块主要由加注接口、丝杆机构、油枪结构三部分组成；其中，丝杆机构搭载着油枪结构，在接收到加注指令后，加注模块的主动接口将通过控制步进电机使丝杆螺母机构移动直至完成对接；在目标星上的被动接口底部安装有弹簧用以实现柔性对接，防止在对接过程对执行器与目标星造成刚性破坏；

所述多工具集成模块构成及工作原理，包括：多工具集成模块由直角支架、矩形支架、步进电机组件与工具块组成；工具块的工作角度有四个：[0°，90°，180°，270°]，在不同的工作角度，工具块所对应的安装面会有不同，其所能获取的工具或零件也会不同；在接收到不同的操作指令时，工具块由步进电机驱动，转动至目标工作角度；该多工具集成模块实现了不同工具的切换与不同工具的收纳功能，实现了对各种工具、零件的统一管理，为末端执行器实现紧固拆装功能提供了基础；

所述紧固拆装模块构成及工作原理，包括：紧固拆装模块由旋转机构、平移机构、旋拧机构和工具夹持机构组成，该紧固拆装模块共有4个旋转自由度，均由电机进行驱动；其中2个自由度用于实现工具夹持末端在平面内的移动，另外2个自由度用于实现旋拧紧固件以及为夹持工具提供夹持力；在模块的两侧装有两个工业相机，便于观测工具夹持末端的拆装情况，并且可以即时调整工具夹持末端的位姿，保证任务的顺利完成。