CN203818137U - 欠驱动灵巧多功能空间机器人手爪 - Google Patents

Abstract

欠驱动灵巧多功能空间机器人手爪，设前端套筒和尾端套筒组成的本体，电机机座与前端套筒联接。在本体内设置滚珠丝杆：丝杆经联轴器与电机转轴传动连接，丝杆外设支撑件。与丝杆螺旋配合的螺母座后端固定有上下两条驱动块。驱动块内表面设固定的有上下两指的尾端手指，手指前端有接头；在尾端手指前端设用销柱固定于尾端套筒的更换接口；尾端手指通过接头与更换接口的卡接结构连接并实现手指更换。驱动块轴向移动推动手指实现两指尖的开合。结构简单紧凑、抓持力大、效率高、易于制作和工作可靠。实现设一个手爪更换多种手指，具有抓捕、夹持等多种功能；可同时完成空间拧螺丝、实验器材夹持及抓拿漂浮物等空间生产装配、科学实验和维修维护。

Description

欠驱动灵巧多功能空间机器人手爪

(一)技术领域

本实用新型涉及一种空间机器人手爪，一种机械臂的末端执行器。属机械手类(B25J)。

(二)背景技术

随着航天航空空间技术的不断发展，空间机器人被用于恶劣的空间环境中完成特定的任务。空间机器人的作业能力和效率依赖于末端执行手爪的能力。国内外在空间机器人手爪研究，从结构上划分为外抓式、内撑式和其他结构。外抓式又分为二指、三指和多指结构。目前日本的ETS-VII舱外两指手爪，采用开合手指并有对准机构；加拿大的手爪SARAH，采用欠驱动机构，三个手指完成空间抓取；哈尔滨工业大学研制的空间机器人手爪，采用两指对目标进行包络和抓捕，后来北京邮电大学对该手指结构和工艺性进行了改进。

上述这些手爪结构都偏重实现对空间目标的抓捕，均存在的问题是：功能单一，抓持力小，结构复杂，体积较大、不够灵巧。

(三)发明内容

本实用新型提供的欠驱动灵巧多功能空间机器人手爪，就是解决现有空间机器人手爪存在的功能单一、抓持力小、结构复杂和不够灵巧的问题。

技术方案是：

欠驱动灵巧多功能空间机器人手爪，包括：设驱动电机9，与驱动电机转轴传动联接的联轴器8；其特征是：

1)设圆筒形前端套筒5和尾端套筒4连接固定组成的静止本体；驱动电机机座与前端套筒固定；在前端套筒内腔，设置滚珠丝杆6：其中丝杆6.1前端通过联轴器与驱动电机转轴连接，丝杆外设径向支撑丝杆的丝杆支撑件7；滚珠丝杆中的螺母座6.2与丝杆螺旋传动并沿轴向X移动，螺母座后端固定沿竖向Z上下两条驱动块2。2)在尾端套筒内腔，驱动块开有竖向穿通的轴向槽口2.1；上下两条驱动块后端内表面分别设轴向和周向均固定的有上下两指的尾端手指1，上下两指前端铰接，两指可绕铰接心轴相对上下开合转动；驱动块与尾端套筒间、驱动块与尾端手指之间均为间隙配合。3)在两驱动块间尾端手指前端设更换接口3，更换接口与驱动块间为间隙配合；更换接囗通过在前阶梯轴3.1中设竖向销柱3.3穿过驱动块槽囗固定于尾端套筒；更换接口后圆筒3.2中开了上下两条轴向槽囗3.2A和周向两条90°弧形槽囗3.2B；尾端手指前端铰接心轴沿纵向Y加长作为接头1.1；接头与转换接囗间为接头轴向卡入、旋转90°卡紧，或者反向旋转90°后松开、轴向抽出的卡接结构；尾端手指按需要更换若干种型式，选用的每个尾端手指1由此卡接结构与更换接口卡接固定，并通过更换接口固定于尾端套筒。4)尾端手指配置如下三种供更换的型式：①外抓式弹性两指1：从前至后顺次有铰接心轴接头、指间弹簧、水平段、上斜段、平行末端；上斜角ｄ为30°-40°；②夹持器手指1b：从前至后顺次有铰接心轴接头、夹持指间弹簧、夹持水平段、夹持上斜段、夹持下斜末端；夹持上斜角ｄ_b为30°-40°；③抓捕手指1c：从前至后顺次有铰接心轴接头、抓捕指间弹簧、截面为∏形的抓捕上斜段、上指末端有开口槽的圆弧形抓捕指尖；抓捕上斜角ｄ_C为30°-40°。

上述尾端手指指尖1.4可采用弹性材料和指尖夹持面1.5弹性联接为与被抓夹物件相应的形状。上述尾端手指上，可埋设力传感器11a、位置传感器11b和设闭环控制电路。

本实用新型有益效果：

1)由于设更换接口，从而设一个手爪可更换多种手指工具，具有抓捕、夹持等多种功能。采用外抓手指：用于外抓较大的工件、工具(如空间拧螺丝)，完成航天空间生产装配和舱外维修。采用夹持器手指：用于夹持较小的试验器材完成空间科学实验。采用抓捕手指：用于抓捕航天舱外漂浮物、清理垃圾等。即一个手爪可同时完成空间生产装配、科学实验和维修维护。

2)采用滚珠丝杆传动结构，平稳可靠，工作效率高，出力大。

3)采用一个电机与滚珠丝杆联接驱动两条驱动块来驱动手指运动，驱动元件少，控制简单。指尖采用弹性材料和弹性结构与被抓夹物件相应的形状，抓夹范围广泛且对被抓夹形状被动自适应。手爪实现欠驱动控制。

4)由于两指在驱动块作用下同步运动，再加上尾端套筒形成的手掌，约束6个自由度，对目标合理定位，可提高抓捕或夹持精度。

5)整个手爪由前端套筒和尾端套筒形成的圆筒形状，传动与支撑部件设置在整个圆筒内形成紧凑、体积小、灵巧手爪，整个手爪安装在空间机器人机械臂末端可节省空间。

6)手爪结构简单、紧凑，易于制作，在空间中工作寿命长，稳定可靠。

7)手指可增设力和位置传感器，对手指进行闭环控制，手爪工作的精确性高。

(四)附图说明

图1本实用新型总体结构布置正剖视图(X-Z面)。图中示出的尾端手指为外抓式弹性两指1。

图2图1A-A剖视图，滚珠丝杆横截面视图(Z-Y面)。

图3图1B-B剖视图，更换接口、驱动块和尾端套筒连接横截面剖视图(Z-Y面)。图4更换接口3、接头1.1结构及接头竖向放置，卡接前位置示图(Z-X面)。图5图4C-C剖视图(Z-Y面)。接头卡接中旋转90°位置示图。

图6卡接完位置示图(Y-X面)。接头1.1水平位置卡在更换接口的后圆筒3.2壁槽囗中。

图7夹持器手指结构示意图。(Z-X面视图)。

图8抓捕手指结构示意图(Z-X面视图)。

图9图8D-D剖视图。抓捕上斜段上下指横截面形状及相对位置视图(Z-Y面视图)。

图10图8E-E剖视图。抓捕圆弧指尖上下指横截面及相对位置视图。(Z-Y面视图)。

附图标记说明：

1—手指(外抓式弹性两指)：1.1-接头，1.2—指间弹簧，1.3—水平段，1.4—上斜段，1.5-平行末端，ｄ-上斜角。

1b-夹持器手指1b：1.1_b-夹持接头，1.2b-夹持指间弹簧，1.3b-夹持水平段，1.4b-夹持上斜段，1.5b-夹持下斜末端，ｄb-夹持上斜角。

1c-抓捕手指1c：1.1c-抓捕接头1.1c，1.2c-抓捕指间弹簧；1.3c-抓捕上斜段1.3c：1.3c_上—上指截面∏形，1.3c_下—下指截面矩形；1.4c-圆弧形抓捕指尖：1.4c_上；-抓捕指尖上指开囗槽，1.4c_下-抓捕指尖下指矩形爪；ｄ_C-抓捕上斜角ｄ_C。

2—驱动块：2.1—驱动块槽口。3—更换接口：3.1-前阶梯轴；3.2-后圆筒；3.2A-轴向槽囗；3.2B-弧形槽囗；3.3-销柱。4—尾端套筒。5—前端套筒：5.1-套筒紧固件。6—滚珠丝杆：6.1-丝杆；6.2-螺母座；6.3-轴向紧固件。7-丝杆支撑件。8-联轴器。9—驱动电机。10-空间机器人机械臂。11a-力传感器11a。11b-位置传感器11b。

(五)具体实施方式

下面结合附图进一步说明。

1)见图1，设圆筒形前端套筒5和尾端套筒4通过套筒紧固件5.1连接固紧组成静止的本体，紧固件采用销或螺钉，从而限制尾端套筒4的移动和转动。驱动电机9机座与前端套筒固定。驱动电机可以选用步进电机。驱动电机固定在空间机器人机械臂10内。在前端套筒内腔，设置的滚珠丝杆选用精密级滚珠丝杆。其滚珠丝杆6如下组成：①见图1，设有丝杆6.1，前端通过联轴器8与驱动电机9转轴连接，丝杆外设支撑丝杆的固定于前端套筒的丝杆支撑件7。②见图2，丝杆6.1外套有滚珠螺母座6.2：滚珠螺母座和丝杆螺旋传动。见图1，螺母座6.2后端沿竖向Z固定上下两条驱动块2，通过轴向紧固件6.4将螺母座6.2与两驱动块轴向连接为一体。

2)见图1，在尾端套筒4内孔中，驱动块2开有竖向穿通的轴向槽口2.1；上下两条驱动块2后端内表面分别设轴向和周向均固定的有上下铰接两指的尾端手指1，上下两指前端铰接，两指可绕铰接心轴相对上下开合转动。由于铰接，两指与铰接心轴间纵向Y方向固定(见图6)。驱动块与尾端套筒间、驱动块与尾端手指之间均为间隙配合。

3)见图1，图3，在两驱动块2间尾端手指1前端设更换接口3，更换接口与驱动块间为间隙配合。更换接囗3通过它的前阶梯轴3.1中设竖向销柱3.3穿过驱动块槽囗2.1固定于尾端套筒4。见图4，图5，更换接口3有后圆筒3.2中开了上下两条轴向槽囗3.2A和周向两条90°弧形槽囗3.2B；尾端手指1前端铰接心轴纵向Y加长作为接头1.1(见图6)，接头1.1与转换接囗3之间为如下卡接结构：卡接步骤：①接头轴向卡入：见图4，竖向放置的接头1.1上下两端同时卡入上下两条轴向槽囗3.2A中。②见图5，竖向放置的接头1.1两端在弧形槽囗3.2B中逆时针旋转90°后，接头1.1到达水平位置，卡紧在后圆筒3.2壁槽囗中。③见图6，接头1.1置于水平位置，卡紧在后圆筒3.2壁槽囗中，同时尾端手指1也随同旋转，卡接后从正剖视图看为图1位置。同理，如果拆开时步骤为：①见图5，水平位置接头1.1在弧形槽囗3.2B中反向旋转90°(顺时针)达到竖向位置后松开。②参见图4，卡在轴向槽囗3.2A槽底的竖向位置的接头1.1(图5中标注C-C剖视线位置)沿轴向槽囗3.2A轴向移动抽出，离开更换接囗3。

尾端手指可按需要更换若干种型式，选用的每个尾端手指1由此卡接结构便可与更换接口3卡接固定，并通过更换接口3固定于尾端套筒4。

4)尾端手指1配置如下三种供更换的型式：①见图1，外抓式弹性两指1：从前至后顺次有铰接心轴接头1.1、指间弹簧1.2、水平段1.3、上斜段1.4、平行末端1.5；上斜角ｄ为30°-40°。指尖1.4采用弹性材料和平行末端1.5弹性联接。外抓式弹性两指用于外抓较大的工件、工具，完成航天空间拧螺丝、搬运等生产装配及维修。②见图7，夹持器手指1b：从前至后顺次有铰接心轴夹持接头1.1_b、夹持指间弹簧1.2b、夹持水平段1.3b、夹持上斜段1.4b、夹持下斜末端1.4b；夹持上斜角ｄb为30°-40°。夹持器手指1b用于夹持较小的试验器材完成空间科学实验。③见图8，抓捕手指1c：从前至后顺次有铰接心轴抓捕接头1.1c、抓捕指间弹簧1.2c、抓捕上斜段1.3c、圆弧形抓捕指尖1.4c；抓捕上斜角ｄ_C为30°-40°。图9，抓捕上斜段1.3c上指截面∏形1.3c_上，下指截面为矩形1.3c_下，与∏形Y向中心线重合。见图10，圆弧形抓捕指尖1.4c上指末端有开囗槽1.4c_上，下指末端截面为矩形的爪1.4c_下，上槽和下爪Y向中心线重合。

见图8，当抓捕手指上下指相对旋转，开合时，当在如图8位置，上下末端接触后，还继续关合时，则下指矩形的爪1.4c_下可插入上指开囗槽1.4c_上；，下指1.3c_下矩形面可夹入上指∏形1.3c_上中。这样的上指开槽，下指插入结构增大了抓捕手指1c夹持紧度和夹持范围。抓捕手指1c用于抓捕舱外漂浮物、接口和清理垃圾等。

工作过程：当驱动电机转动，顺次带动联轴器8、丝杆6.1转动，通过滚珠丝杆转为螺母座6.2移动，螺母座6.2带动两条驱动块沿丝杆6.1轴向X移动，由驱动电机正反向转动，驱动块在相对固定的尾端套筒4和尾端手指间轴向前后移动。因为驱动块2开有轴向槽口2.1，驱动块的轴向移动不会碰撞与更换接囗联接不动的竖向销柱3.3。见图1，由驱动块前后移动，在尾端手指斜面及前端弹簧同时作用下，实现两指尖的同步开合。当驱动块向后运动，由于斜面作用，实现指尖的闭合动作，由尾端套筒形成的手掌和尾端手指共同完成目标的抓取与夹持，满足空间机器人手爪对目标的抓取和夹持要求；当驱动块向前直线运动时，由前端弹簧1.2作用实现张开动作，从而完成目标的释放。

Claims (3)

1.欠驱动灵巧多功能空间机器人手爪，包括：设驱动电机(9)，与驱动电机转轴传动联接的联轴器(8)；其特征是：

1)设圆筒形前端套筒(5)和尾端套筒(4)连接固定组成的静止本体；驱动电机机座与前端套筒固定；在前端套筒内腔，设置滚珠丝杆(6)：其中丝杆(6.1)前端通过联轴器与驱动电机转轴连接，丝杆外设径向支撑丝杆的丝杆支撑件(7)；滚珠丝杆中的螺母座(6.2)与丝杆螺旋传动并沿轴向X移动，螺母座后端固定沿竖向Z上下两条驱动块(2)；

2)在尾端套筒内腔，驱动块开有竖向穿通的轴向槽口(2.1)；上下两条驱动块后端内表面分别设轴向和周向均固定的有上下两指的尾端手指(1)，上下两指前端铰接，两指可绕铰接心轴相对上下开合转动；驱动块与尾端套筒间、驱动块与尾端手指之间均为间隙配合；

3)在两驱动块间尾端手指前端设更换接口(3)，更换接口与驱动块间为间隙配合；更换接囗通过在前阶梯轴(3.1)中设竖向销柱(3.3)穿过驱动块槽囗固定于尾端套筒；更换接口后圆筒3.2中开了上下两条轴向槽囗(3.2A)和周向两条90°弧形槽囗(3.2B)；尾端手指前端铰接心轴沿纵向Y加长作为接头(1.1)；接头与转换接囗间为接头轴向卡入、旋转90°卡紧，或者反向旋转90°后松开、轴向抽出的卡接结构；尾端手指按需要更换若干种型式，选用的每个尾端手指由此卡接结构与更换接口卡接固定，并通过更换接口固定于尾端套筒；

4)尾端手指配置如下三种供更换的型式：①外抓式弹性两指(1)：从前至后顺次有铰接心轴接头、指间弹簧、水平段、上斜段、平行末端；上斜角ｄ为30°-40°；②夹持器手指(1b)：从前至后顺次有铰接心轴接头、夹持指间弹簧、夹持水平段、夹持上斜段、夹持下斜末端；夹持上斜角ｄ_b为30°-40°；③抓捕手指(1c)：从前至后顺次有铰接心轴接头、抓捕指间弹簧、截面为∏形的抓捕上斜段、上指末端有开口槽的圆弧形抓捕指尖；抓捕上斜角ｄ_C为30°-40°。

2.按权利要求1所述多功能空间机器人手爪，其特征是在尾端手指指尖(1.4)采用弹性材料和指尖夹持面(1.5)弹性联接为与被抓夹物件相应的形状。

3.按权利要求1所述多功能空间机器人手爪，其特征是在尾端手指上，埋设力传感器(11a)、位置传感器(11b)和设闭环控制电路。