一种空间在轨服务机器人的自适应探针式抓取机构

摘要

本发明提供一种空间在轨服务机器人的自适应探针式抓取机构，主要由探针基体、探针驱动机构、螺纹扩展机构三部分组成；探针基体为整个机构提供支撑，并执行针头旋转的动作；探针驱动机构为针头提供旋转抓取的动力；螺纹扩展机构负责改变针头的等效螺纹直径，以实现对不同直径螺栓孔目标物的抓取；三部分协同工作，构成整个探针式抓取机构；本发明旨在服务空间在轨服务领域，以上特点使得该抓取机构能够适应多种目标物抓取任务的需求，与现有技术相比具有结构简单、体积小、质量轻；抓取过程简单、可靠、自适应强的特点。

说明书

技术领域

本发明旨在服务于在轨服务领域，涉及一种空间机械臂末端操作器，适用于抓取具有螺 纹孔特征的目标物体，增强机械臂对目标操作物体的自适应性，满足空间机械臂多任务操作 的实际应用需求。

背景技术

空间机械臂在轨服务过程中，操作对象的多样性决定了操作任务的多样性。在这多方面 的任务之中，有一类任务即通过抓取目标物体上的孔状特征来抓取目标，于是需研究相应的 孔抓取器。而通常孔抓取器的工作直径是固定的，对于不同直径的孔，需要使用不同的孔抓 取器。在这方面，国内外研究了各种不同的孔抓取机构，包括螺栓孔抓取式、特制圆孔抓取 式和内抓取指爪式等。

螺栓孔抓取式的核心是带有螺纹的针头与驱动针头旋转的驱动机构。其机械结构简单、 可靠，但其针头上的螺纹与针头是固连关系，因此针头螺纹直径不可变，使得螺栓孔抓取式 的适应力不高。

特制圆孔抓取式的核心是其内部的螺纹轴及其驱动的轴心滑块、抓取机构。其抓取力量 大、抓取可靠，但是它只能抓取为此抓取器量身定制的圆孔，因此其通用性不高。

内抓取指爪式的核心是平行指爪及其驱动机构。其抓取力量较大、抓取可靠，但由于 其本来的功能定位是作为指爪使用，且存在运动机构，因此设计尺寸较大，不能抓取直径较 小的孔，极大地限制了其在孔抓取方面的应用。

发明内容

本发明的目的：克服现有技术的不足，提供一种具有结构简单、体积小、质量轻、连接 刚度大；抓取过程简单、可靠、快速；通用性、自适应性强等特点的探针式抓取机构，以满 足在轨服务中机械臂利用单一末端操作器执行多任务的需求。

本发明采用的技术方案为：一种空间在轨服务机器人自适应探针式抓取机构，包括：探 针基体、探针驱动机构与螺纹扩展机构，所述探针基体，包括电机套A瓣、电机套B瓣、 轴承转台、针头基体；所述电机套A瓣与电机套B瓣上开有电机安放槽、电机定位槽、电 机定位孔、滑动轴承槽，并通过螺栓孔固定；所述轴承转台上开有滑动轴，并安装于滑动轴 承槽中；所述针头基体上开有下沉圆孔、通孔甲、通孔乙、细圆柱面；针头基体通过螺栓与 轴承转台连接；所述探针驱动机构，包括驱动电机及其减速箱、电机固定盘、定位螺钉；所 述驱动电机及其减速箱安装于电机套A瓣与电机套B瓣中的电机安放槽中，并与电机定位 盘上的固定螺纹孔通过螺钉固定；所述电机固定盘上开有固定螺纹孔与定位螺纹孔；电机固 定盘安装于电机套A瓣与电机套B瓣的电机定位槽内，其上的定位螺纹孔与电机定位孔通 过定位螺钉锁定；所述螺纹扩展机构，包括盘式电机及其减速箱、螺纹轴、轴心滑块、螺纹 A瓣、螺纹B瓣；所述盘式电机及其减速箱安装在针头基体的下沉圆孔中；所述螺纹轴上开 有电机轴孔、螺纹；螺纹轴安装于针头基体的通孔甲中，其电机轴孔与盘式电机及其减速箱 的电机轴连接；所述轴心滑块上开有螺纹孔、通孔丙；轴心滑块安装于针头基体的通孔甲中， 螺纹孔与螺纹轴的螺纹配合；所述螺纹A瓣与螺纹B瓣上开有内圆柱面、定位柱、滑动柱、 外螺纹；螺纹A瓣与螺纹B瓣安装在针头基体上，其内圆柱面与针头基体的细圆柱面配合 但可自由脱离，定位柱与针头基体的通孔乙配合，滑动柱与轴心滑块的通孔丙配合。

本发明的原理：本专利中，驱动抓取的方式较为简单。驱动电机经减速箱输出转矩，带 动滑动轴承转台旋转。而针头部分与轴承转台固连，因此针头部分随之旋转。而针头部分在 旋转过程中同时进入螺栓孔，针头部分上的外螺纹与目标物螺栓孔的内螺纹配合，从而抓取 物体，其原理类似于生活中拧螺钉、螺栓的过程。此外，等效螺纹的自适应调整是实现抓取 机构自适应性的关键，螺纹的扩展操作是通过螺纹扩展机构来实现的。螺纹扩展机构采用盘 式电机通过减速箱驱动螺纹轴转动，并利用螺纹轴与轴心滑块的螺纹配合关系，将螺纹轴的 转动变为轴心滑块沿轴向的平动。同时，将轴心滑块与螺纹瓣设计成滑动连杆的方式，因此 轴心滑块可驱动螺纹瓣沿垂直于轴向的方向运动，从而实现了螺纹等效直径扩展收缩的调 整。

综上所述，本发明与现有技术相比优点在于：

(1)、本发明的抓取驱动机构设计采用轴承转台和滑动轴承槽的方式，可抓取直径较小的 目标物螺栓孔，抓取过程简单、可靠，克服了特制圆孔抓取器与内抓取指爪不能抓取较小直 径孔、抓取过程复杂的缺点。

(2)、本发明采用等效螺纹直径自适应扩展机构的设计方案，将机构的轴心滑块与螺纹瓣 设计成滑动连杆的方式，实现对等效螺纹直径扩展收缩的自适应调整，克服了螺栓孔抓取器 只能抓取单一直径螺栓孔的缺点。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2a为本发明的探针基体1结构示意图；

图2b为本发明的探针驱动机构2结构示意图；

图2c为本发明的螺纹扩展机构3结构示意图；

图2d为本发明螺纹扩展机构3中轴心滑块303与螺纹A瓣304、螺纹B瓣305的分块 示意图；

图3为本发明进行等效螺纹直径自适应调整的示意图；

图4为本发明进行螺栓孔抓取的示意图。

注：附图中带有A、B字母的标注均表示对称性的部件，如电机套A瓣与B瓣、螺纹A 瓣与B瓣；而带有甲、乙标注的则表示同性质不同样式的特征，如通孔甲111、通孔乙112、 通孔丙309。此外，附图中的对称特征或相同特征只标注了一次，如电机套A瓣101与电机 套B瓣102具有对称的特征105、106、107、108，轴心滑块303具有对称的特征309，螺纹 A瓣304与螺纹B瓣305具有相同的特征310、311、312、313。另外，图2d表示的是，为 了保证工艺可行性与装配可行性，在满足结构强度要求的情况下，螺纹A瓣、B瓣与轴心滑 块这些部件在加工时分解为数个部分，各部分独自加工，然后通过螺纹、卡位钩等结构装配 成部件。

具体实施方式

如图1，为本发明的空间机械臂自适应探针式抓取机构的三维立体图。该装置包括：探 针基体1、探针驱动机构2与螺纹扩展机构3三部分。

所述探针基体1如图2a所示，包括电机套A瓣101、电机套B瓣102、轴承转台103、 针头基体104；所述探针驱动机构2如图2b所示，包括驱动电机及其减速箱201、电机固定 盘202、定位螺钉203；所述螺纹扩展机构3如图2c所示，包括盘式电机及其减速箱301、 螺纹轴302、轴心滑块303、螺纹A瓣304、螺纹B瓣305；

各组成部件之间的连接关系如下所述：电机套A瓣101与电机套B瓣102通过螺栓孔 固定；轴承转台103安装于电机套A瓣101与电机套B瓣102的滑动轴承槽108中；针头 基体104通过螺栓与轴承转台103连接；驱动电机及其减速箱201安装于电机套A瓣201 与电机套B瓣202中的电机安放槽105中，并与电机固定盘202上的固定螺纹孔204通过螺 钉固定；电机固定盘202安装于电机套A瓣101与电机套B瓣102的电机定位槽106内， 其上的定位螺纹孔205与电机定位孔107通过定位螺钉203锁定；盘式电机及其减速箱301 安装在针头基体104的下沉圆孔110中；螺纹轴302安装于针头基体104的通孔甲111中， 其电机轴孔与盘式电机及其减速箱301的电机轴连接；轴心滑块303安装于针头基体104的 通孔甲111中，其上螺纹孔308与螺纹轴302的螺纹307配合；螺纹A瓣304与螺纹B瓣 305安装在针头基体104上，其内圆柱面310与针头基体104的细圆柱面113配合但可脱离， 定位柱311与针头基体104的通孔乙112配合，滑动柱312与轴心滑块303的通孔丙309配 合。

使用探针式抓取机构抓取目标的过程分为两个阶段：等效螺纹直径自适应调整的阶段和 抓取目标螺栓孔的阶段。

等效螺纹直径自适应调整的阶段：如图3所示，自适应调整是使得探针式抓取机构等效 螺纹直径等于目标螺栓孔直径的操作，由盘式电机驱动螺纹轴旋转运动，进而带动轴心滑块 轴向运动，使得与轴心滑块相连的螺纹瓣相应地扩张或者收缩，调节针头的等效螺纹直径， 并使之等于目标螺栓孔的直径。

探针式抓取机构抓取目标螺栓孔的阶段：如图4所示，在完成螺纹等效直径的自适应调 整后，开始抓取运动。驱动电机使得轴承转台旋转，同时带动针头基体与整个螺纹扩展机构 旋转。同时，探针式抓取机构整体沿轴向进行配合性的进给运动，使得针头部分旋转进入目 标物螺栓孔，针头部分上的外螺纹与目标物螺栓孔的内螺纹发生配合关系，并连接在一起。 当针头部分到达终止位时，转动停止，电机转动位置锁定，完成对目标螺栓孔的抓取操作。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。