CN114536315A - 面向在轨服务的连续型多臂机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及面向在轨服务的连续型多臂机器人，包括：驱动箱支座；设于驱动箱支座上的多个驱动箱；多个操作臂，每个所述操作臂的固定端分别连接于每个驱动箱上，每个操作臂包括多个依次连接的臂段，每个臂段分别通过至少三根驱动绳与驱动箱连接；其中，每个驱动箱包括与驱动箱支座连接的驱动支架，及用于收放每一根驱动绳以使多个臂段弯曲的多组收绳组件，多组收绳组件均设于驱动支架上。

Description

面向在轨服务的连续型多臂机器人

技术领域

本发明涉及绳驱动机器人技术领域，尤其涉及面向在轨服务的连续型多臂机器人。

背景技术

随着机器人和空间技术的飞速发展，在轨服务将是为各类空间飞行器进行燃料加注、故障维修及性能升级的重要手段，同时也将是轨道垃圾清理和空间攻防等领域所急需的核心技术。例如，此前我国已发射入轨的价值20多亿人民币的首颗直播卫星“鑫诺二号”，仅仅由于太阳帆板及天线展开故障且无法修复而成为一颗废星。如果能通过在轨服务的机器人实施简单的在轨维修使之恢复正常，不但能挽回巨大的经济损失，还能有助提升我航天领域的国际地位，其意义重大。

能够正常地开展在轨服务，关键是要实现服务机器人对目标航天器的捕获，而目前绝大多数在轨航天器都是非合作目标，如不确定的太空垃圾以及敌方目标航天器均为具有非合作属性的非合作目标。因此，兼顾针对非合作目标的捕获技术同样具有重要的应用前景和战略意义，已成为当今各航天大国争相研究的热点。

而目前的在轨服务机器人普遍体积庞大而臃肿、结构复杂且零部件重量较重，不利于降低在轨服务机器人在向轨道输送时的成本，也不利于提高在轨服务机器人工作的灵活性及工作效率，同时会有更大的潜在故障几率。

发明内容

本发明提供面向在轨服务的连续型多臂机器人，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明的技术方案为面向在轨服务的连续型多臂机器人，包括：驱动箱支座；设于驱动箱支座上的多个驱动箱；多个操作臂，每个所述操作臂的固定端分别连接于每个驱动箱上，每个操作臂包括多个依次连接的臂段，每个臂段分别通过至少三根驱动绳与驱动箱连接；其中，每个驱动箱包括与驱动箱支座连接的驱动支架以及用于收放每一根驱动绳以使多个臂段弯曲的多组收绳组件，多组所述收绳组件均设于驱动支架上。

进一步，多组所述收绳组件沿圆周连接于驱动支架上，每组收绳组件包括：收绳电机，所述收绳电机固定于驱动支架的侧部；与所述收绳电机的输出端连接的收绳绞盘；其中，所述驱动绳的一端部固定于所述收绳绞盘上。

进一步，所述驱动支架的顶部连接有转向支架，所述收绳电机的输出端穿过驱动支架的顶部并于转向支架内与收绳绞盘连接，每组收绳组件还包括与所述转向支架具有支撑关系的转向定滑轮；其中，来自所述收绳绞盘的驱动绳绕过转向定滑轮并与臂段连接。

进一步，每组所述收绳组件包括：扭力传感器，所述扭力传感器输出端与收绳绞盘轴连接；联轴器，所述联轴器轴连接于收绳电机的输出轴与扭力传感器的输入端之间；其中，所述扭力传感器与上位机电性连接。

进一步，所述转向支架的顶部设有用于固接操作臂的夹持支架，所述驱动箱还包括沿圆周对应多组收绳组件位置的多组转接组件，每组转接组件包括：设于所述夹持支架顶部的转接支架；沿径向设于所述转接支架顶部的多个转接孔；可拆卸的连接每个转接孔的第一转接定滑轮；连接于所述转接支架底部的第二转接定滑轮；其中，来自所述转向定滑轮的驱动绳依次沿第一时针方向和第二时针方向绕过所述第二转接定滑轮和第一转接定滑轮，且所述第一时针方向与第二时针方向相反。

进一步，每个操作臂包括：端部沿多组所述转接组件的圆心固接于夹持支架顶部的柔性的中心骨架，多个所述臂段依次设于中心骨架上；每一所述臂段包括多个支撑片，所述中心骨架依次穿过每一支撑片，连接每一臂段的至少三根驱动绳均穿设于相应臂段内的每一支撑片，且连接位于操作臂后端的臂段内的驱动绳依次穿过操作臂前端的臂段内的每一支撑片。

进一步，所述支撑片通过夹紧装置与中心骨架锁紧连接，所述夹紧装置包括：设于所述支撑片一侧的槽块，所述槽块上设有与中心骨架适配的开口的夹槽；设于所述支撑片一侧的压块，所述压块设于夹槽的开口侧，且压块及槽块对应夹槽的两侧分别设有用于夹紧压块及槽块的锁紧孔。

进一步，所述夹持支架的顶部沿多组转接组件的圆心处设有夹持盲孔，所述中心骨架的端部插装于所述夹持盲孔内；所述夹持支架的底部设有连通夹持盲孔侧壁的锁定孔。进一步，每一所述支撑片的外沿均朝外设有多个安装柱，每一所述安装柱的外侧端部均开设有安装孔。

进一步，每组所述收绳组件还包括驱动器，所述驱动器设于驱动支架上，且驱动器分别与收绳电机及上位机电性连接。

本发明的有益效果为：

本发明的绞盘式收绳组件，大幅缩减现有在轨服务机器人的体积，以及减轻机器人的总重量，有效降低面向在轨服务的连续多臂机器人的输送成本及输送难度，提高其作业时的灵活性及工作效率。

本发明的转接组件能够通过调整滑轮的安装位置，使驱动箱按实际需求适配不同型号尺寸的连续型操作臂，降低生产成本。

本发明的通过绳索驱动连续型操作臂，能够有效使机器人能够实现机电分离，使暴露在太空的操作部分仅为纯机械结构的绳索驱动操作臂，而将电器部件等通过驱动箱安装于卫星外壳内，以保护电器部件面授宇宙射线的影响，降低故障率而提高轨道作业的适用性，有效延长使用寿命。

附图说明

图1是根据本发明连续多臂机器人的一个实施例的总体结构示意图。

图2是根据本发明操作臂的一个实施例的结构示意图。

图3是图2中A处的放大图。

图4是根据本发明的驱动箱的一个实施例的结构示意图。

图5是根据本发明的驱动箱的一个实施例的纵剖结构示意图。.

图6是根据本发明的驱动箱的一个实施例的隐藏部分结构后的示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、顶、底等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。

参照图1，在一些实施例中，根据本发明的面向在轨服务的连续型多臂机器人包括驱动箱支座300；设于驱动箱支座300上的多个驱动箱200(优选为三个，以兼顾灵活性以及小体积化，且下文皆以三个驱动箱200为例进行过技术方案的阐述)；多个操作臂100(适配三个驱动箱200而优选为三个操作臂100，且下文皆以三个操作臂100为例进行过技术方案的阐述)，每个所述操作臂100的固定端分别连接于每个驱动箱200上，参照图2，每个操作臂100 包括多个依次连接的臂段120，每个臂段120分别通过至少三根驱动绳140与驱动箱200连接；其中，每个驱动箱200包括与驱动箱支座300连接的驱动支架230以及用于收放每一根驱动绳140以使多个臂段120弯曲的多组收绳组件250，多组收绳组件250均设于驱动支架230上，具体地，三个驱动箱200通过驱动绳140控制三根操作臂100的多个臂段120根据需夹取目标的大小协同地弯曲张合，以实现对目标的抓取。

参照图4和图5，为了缩减驱动箱200的体积，多组所述收绳组件250沿圆周连接于驱动支架230上，又参照图6，为了方便描述，图中只显示了一组收绳组件250，每组收绳组件250包括：收绳电机254，所述收绳电机254固定于驱动支架230的侧部；与所述收绳电机 254的输出端连接的收绳绞盘251；其中，所述驱动绳140的一端部固定于所述收绳绞盘251 上。

为了进一步缩减驱动箱200的体积，参照图5和图6，在一些实施例中，所述驱动支架 230的顶部连接有转向支架220，所述收绳电机254的输出端穿过驱动支架230的顶部并于转向支架220内与收绳绞盘251连接，且相邻的两个收绳绞盘251采用错位的设计，(参照图4)，以在缩减驱动箱200的体积的同时，确保收绳绞盘251的盘径足够大而提供充沛的扭力，从而带动驱动绳140稳定地进行移动，每组收绳组件250还包括与所述转向支架220具有支撑关系的转向定滑轮256，其中，来自所述收绳绞盘251的驱动绳140绕过转向定滑轮256并与臂段120连接。具体而言，转向支架220的中部设有一适配操作臂100轮廓的圆形或正多边形的过绳孔221，在过绳孔221边缘的转向支架220内设有多个伸向过绳孔221下方的转向滑轮座257，每个转向滑轮座257上分别安装有一个转向定滑轮256，从而使收绳电机254 能够垂直或倾斜布置在驱动箱200内，有效缩减驱动箱200横向的体积，同时使横向从收绳绞盘251的绕出的驱动绳140在绕过转向定滑轮256后实现竖向的转向并与臂端连接，与此同时，转向定滑轮256的底部高度与相对应的收绳绞盘251保持同一水平高度，避免驱动绳140在收绳绞盘251收绳过程中从收绳绞盘251脱落而引起机器人故障。

参照图4至图6，为了便于上位机能够实时获取收绳组件250对绳索施加的拉力值的测量及反馈，从而实现精准控制收绳电机254的扭矩输出，进而实现对机器人每个操作臂100 的精准力控，以控制操作臂100的弯曲力度及抓取力度的控制，每组所述收绳组件250包括：扭力传感器252，所述扭力传感器252输出端与收绳绞盘251轴连接；联轴器253，所述联轴器253轴连接于收绳电机254的输出轴与扭力传感器252的输入端之间，联轴器253能够有效避免收绳绞盘251及绳索承受过大的扭矩而出现故障；其中，所述扭力传感器252与上位机电性连接，具体地，扭力传感器252的输出端在与收绳绞盘251的轴心轴连接后通过转动连接转向支架220的顶部，扭力传感器的252的输入端穿过并转动连接转向支架220的底部，输入端的穿出部分通过联轴器253与收绳电机254的输出轴轴连接，且转向支架220顶部及底部均通过转动支撑座给扭力传感器252的输出端及输入端提供转动支撑，有效降低转动磨损，且能够提高收绳绞盘251的绳索收放精准度，进而确保操作臂100的抓取力度的控制。

参照图4至图6，由于在轨服务的实际需求中，多臂机器人的操作臂100需根据实际抓取目标的尺寸进行型号尺寸的确定，为了节约更换不同尺寸的操作臂100时需连带更换驱动箱200的成本，所述转向支架220的顶部设有用于固接操作臂100的夹持支架210，所述驱动箱200还包括沿圆周对应多组收绳组件250位置的多组转接组件240，每组转接组件240包括：设于所述夹持支架210顶部的转接支架241；沿径向设于所述转接支架241顶部的多个转接孔243；可拆卸的转动连接每个转接孔243的第一转接定滑轮242；转动连接于所述转接支架241底部的第二转接定滑轮244；其中，来自所述转向定滑轮256的驱动绳140依次沿第一时针方向和第二时针方向绕过所述第二转接定滑轮244和第一转接定滑轮242，且所述第一时针方向与第二时针方向相反。转接组件240能够在安装调试时根据实时需求，通过调整第一转接定滑轮242在不同转接孔243的安装位置，实现驱动绳140在绕过第一转接定滑轮242和第二转接定滑轮244之后出绳端的与需更换的操作臂100的连接端保持垂直状态，与此同时，夹持支架210的顶部适应性的沿周向设置多个调整转接定滑轮时驱动绳140活动的长圆孔213，每一长圆孔213径向设于每一转接支架241上多个转接孔243的下方，使驱动箱200按实际需求适配不同型号尺寸的连续型操作臂100，降低生产成本，同时能够使绳索保持顺畅拉动，降低运行阻力。

参照图1和图2，每个操作臂100包括：端部沿多组所述转接组件240的圆心固接于夹持支架210顶部的柔性的中心骨架110，多个所述臂段120依次设于中心骨架110上；每一所述臂段120包括多个支撑片121，所述中心骨架110依次穿过每一支撑片121，通过柔性的中心骨架110，使操作臂100能够朝不同的方向弯曲，灵活性高而有利于提高操控，连接每一臂段120的至少三根驱动绳140均穿设于相应臂段120内的每一支撑片121，且以图2的下方为前端，以图2的上方为后端，连接位于操作臂100后端的臂段120内的驱动绳140依次穿过操作臂100前端的臂段120内的每一支撑片121，具体地，每一支撑片121上均沿圆周开设有多个供多根驱动绳140穿设或连接的绳孔122，绳孔122能够有效固定端部连接在绳孔122内的驱动绳140以及确保穿设其中的驱动绳140的移动顺畅度，且驱动绳140从前端的臂段120穿出后与转接组件240连接，保证每一臂段120均与转接组件240连接，避免驱动绳140外置而导致传动不稳定。在本发明的实施例中的多臂机器人能够通过多个操作臂 100协同工作地进行抓取任务，因为每一臂段120均能够在驱动绳140的带动下弯曲，因此每一操作臂100具有多个弯曲自由度，从而自适应地根据被抓取目标的不同形状和大小而柔性抓取，提高抓取可靠性。

具体地，本实施例中设有三个操作臂100，在图2中，每一操作臂100内设有四个臂段 120，每一臂段120内设有六个支撑片121，每一臂段120内支撑片121上均穿设有三根驱动绳140，操作臂100能够根据目标物体的具体情况而进行弯曲，使操作臂100适应目标物体外形，提高操作臂100的抓捕更为稳定。为使每一臂段120均具有两个方向的弯曲自由度，并保证每一臂段120的弯曲灵活性，在本实施例中，每一臂段120内支撑片121上所穿设的驱动绳140位置连接而成的三角形为等边三角形，其中两根驱动绳140用于方位控制，一根驱动绳140用于力量控制。中心骨架110为具有高弹性形变的镍钛合金骨架，使中心骨架110 在受到外力的情况下发生变形，在外力撤销后能够迅速恢复原始状态，以保证操作臂100的抓捕灵活度。

参照图3，所述支撑片121通过夹紧装置130与中心骨架110锁紧连接，所述夹紧装置 130包括：设于所述支撑片121一侧的槽块131，所述槽块131上设有与中心骨架110适配的开口的夹槽；设于所述支撑片121一侧的压块132，所述压块132设于夹槽的开口侧，且压块132及槽块131对应夹槽的两侧分别设有用于夹紧压块132及槽块131的锁紧孔133。具体地，中心骨架110在穿过支撑片121的中心后，卡入槽块131的夹槽内，通过螺钉锁紧压块132及槽块131于夹槽两侧的锁紧孔133后，压块132从夹槽的开口侧向中心骨架110施加夹紧的压力，进而使支撑片121与中心骨架110紧密连接，提高操作臂100的结构稳固性。

参照图3和图5，所述夹持支架210的顶部沿多组转接组件240的圆心处设有夹持盲孔 211，所述中心骨架110的端部插装于所述夹持盲孔211内，使得操作臂100的弯曲精准度更高；所述夹持支架210的底部设有连通夹持盲孔211侧壁的多个锁定孔212，并通过顶丝螺合锁定，避免松动脱落。

参照图3，每一所述支撑片121的外沿均朝外设有多个安装柱123，每一所述安装柱123 的外侧端部均开设有安装孔124，在本实施例中，安装柱123呈均匀地设有四个，且安装孔 124为螺纹孔，在螺纹孔处安装工装以便在安装多臂机器人时确保每一支撑片121之间的距离，或安装操作臂100实验调试阶段在安装孔124上连接有安全标志球，以能够便于视觉识别装置获取支撑片121的精准位置，便于后续对机器人的操作臂100的臂形数据的分析。

参照图4至图6，为了便于控制收绳电机254的精准转动及上位机获取收绳电机254转速等参数的反馈，每组所述收绳组件250还包括驱动器255，所述驱动器255设于驱动支架230上，且驱动器255分别与收绳电机254及上位机电性连接，具体地，驱动支架230于收绳电机254的下方设置有安装固定驱动器255的安装空间，以便驱动箱200的集成化。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开保护的范围之内。都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

附图标记列表

100 操作臂 220 转向支架

110 中心骨架 221 过绳孔

120 臂段 230 驱动支架

121 支撑片 240 转接组件

122 绳孔 241 转接支架

123 安装柱 242 第一转接定滑轮

124 安装孔 243 转接孔

130 夹紧装置 244 第二转接定滑轮

131 槽块 250 收绳组件

132 压块 251 收绳绞盘

133 锁紧孔 252 扭力传感器

140 驱动绳 253 联轴器

200 驱动箱 254 收绳电机

210 夹持支架 255 驱动器

211 夹持盲孔 256 转向定滑轮

212 锁定孔 257 转向滑轮座

213 长圆孔 300 驱动箱支座。

Claims (10)

1.面向在轨服务的连续型多臂机器人，其特征在于，包括：

驱动箱支座(300)；

设于驱动箱支座(300)上的多个驱动箱(200)；

多个操作臂(100)，每个所述操作臂(100)的固定端分别连接于每个驱动箱(200)上，每个操作臂(100)包括多个依次连接的臂段(120)，每个臂段(120)分别通过至少三根驱动绳(140)与驱动箱(200)连接；

其中，每个驱动箱(200)包括与驱动箱支座(300)连接的驱动支架(230)以及用于收放每一根驱动绳(140)以使多个臂段(120)弯曲的多组收绳组件(250)，多组所述收绳组件(250)均设于驱动支架(230)上。

2.根据权利要求1所述的面向在轨服务的连续型多臂机器人，其特征在于，多组所述收绳组件(250)沿圆周连接于驱动支架(230)上，每组收绳组件(250)包括：

收绳电机(254)，所述收绳电机(254)固定于驱动支架(230)的侧部；

与所述收绳电机(254)的输出端连接的收绳绞盘(251)；

其中，所述驱动绳(140)的一端部固定于所述收绳绞盘(251)上。

3.根据权利要求2所述的面向在轨服务的连续型多臂机器人，其特征在于，

所述驱动支架(230)的顶部连接有转向支架(220)，所述收绳电机(254)的输出端穿过驱动支架(230)的顶部并于转向支架(220)内与收绳绞盘(251)连接，每组收绳组件(250)还包括与所述转向支架(220)具有支撑关系的转向定滑轮(256)；

其中，来自所述收绳绞盘(251)的驱动绳(140)绕过转向定滑轮(256)并与臂段(120)连接。

4.根据权利要求2或3所述的面向在轨服务的连续型多臂机器人，其特征在于，每组所述收绳组件(250)包括：

扭力传感器(252)，所述扭力传感器(252)输出端与收绳绞盘(251)轴连接；

联轴器(253)，所述联轴器(253)轴连接于收绳电机(254)的输出轴与扭力传感器(252)的输入端之间；

其中，所述扭力传感器(252)与上位机电性连接。

5.根据权利要求3所述的面向在轨服务的连续型多臂机器人，其特征在于，所述转向支架(220)的顶部设有用于固接操作臂(100)的夹持支架(210)，所述驱动箱(200)还包括沿圆周对应多组收绳组件(250)位置的多组转接组件(240)，每组转接组件(240)包括：

设于所述夹持支架(210)顶部的转接支架(241)；

沿径向设于所述转接支架(241)顶部的多个转接孔(243)；

可拆卸的连接每个转接孔(243)的第一转接定滑轮(242)；

连接于所述转接支架(241)底部的第二转接定滑轮(244)；

其中，来自所述转向定滑轮(256)的驱动绳(140)依次沿第一时针方向和第二时针方向绕过所述第二转接定滑轮(244)和第一转接定滑轮(242)，且所述第一时针方向与第二时针方向相反。

6.根据权利要求5所述的面向在轨服务的连续型多臂机器人，其特征在于，每个操作臂(100)包括：

端部沿多组所述转接组件(240)的圆心固接于夹持支架(210)顶部的柔性的中心骨架(110)，多个所述臂段(120)依次设于中心骨架(110)上；

每一所述臂段(120)包括多个支撑片(121)，所述中心骨架(110)依次穿过每一支撑片(121)，连接每一臂段(120)的至少三根驱动绳(140)均穿设于相应臂段(120)内的每一支撑片(121)，且连接位于操作臂(100)后端的臂段(120)内的驱动绳(140)依次穿过操作臂(100)前端的臂段(120)内的每一支撑片(121)。

7.根据权利要求6所述的面向在轨服务的连续型多臂机器人，其特征在于，所述支撑片(121)通过夹紧装置(130)与中心骨架(110)锁紧连接，所述夹紧装置(130)包括：

设于所述支撑片(121)一侧的槽块(131)，所述槽块(131)上设有与中心骨架(110)适配的开口的夹槽；

设于所述支撑片(121)一侧的压块(132)，所述压块(132)设于夹槽的开口侧，且压块(132)及槽块(131)对应夹槽的两侧分别设有用于夹紧压块(132)及槽块(131)的锁紧孔(133)。

8.根据权利要求6所述的面向在轨服务的连续型多臂机器人，其特征在于，

所述夹持支架(210)的顶部沿多组转接组件(240)的圆心处设有夹持盲孔(211)，所述中心骨架(110)的端部插装于所述夹持盲孔(211)内；

所述夹持支架(210)的底部设有连通夹持盲孔(211)侧壁的锁定孔(212)。

9.根据权利要求6所述的面向在轨服务的连续型多臂机器人，其特征在于，

每一所述支撑片(121)的外沿均朝外设有多个安装柱(123)，每一所述安装柱(123)的外侧端部均开设有安装孔(124)。

10.根据权利要求2所述的面向在轨服务的连续型多臂机器人，其特征在于，

每组所述收绳组件(250)还包括驱动器(255)，所述驱动器(255)设于驱动支架(230)上，且驱动器(255)分别与收绳电机(254)及上位机电性连接。

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