可扩展欠驱动索杆桁架式机械手爪

摘要

一种可扩展欠驱动索杆桁架式机械手爪，它涉及一种可用于抓取空间中不同形状目标的模块化机械手爪，以解决传统欠驱动机构和SARAH手爪重量大、结构复杂、对抓取的目标物体的形状适应能力差、抓取力小以及SARAH手爪不易扩展的问题，它包括前端连接装置、杆间转角限位机构、末端索杆桁架、绳索、多个定位柱和多个可扩展模块化索杆桁架；所述前端连接装置包括连接板、两个绳索轴、两个限位柱、两个安装板、两个过渡板和四个支撑板，竖直方向上位于同一侧的两个支撑板穿设有绳索轴，电机的输出轴竖向设置且与相对应的绳索轴连接；每个所述可扩展模块化索杆桁架包括两个绕绳轴、两个摩擦阻尼金属片和六个连接杆。本发明属于空间机器人领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可用于抓取空间中不同形状目标的模块化机械手爪，属于空间机器人 技术领域。

背景技术

随着人类太空活动的增加和深空探测任务的需要，空间机器人发挥着越来越重要的作 用，如应用多自由度空间机械臂可进行太空货物的搬运、空间装配和在轨维修等任务，应 用机器人宇航员可代替宇航员从事舱外作业，应用星球探测机器人可对星球进行无人探测。 目前空间机器人虽然具有智能化程度高、对作业任务适应能力强等优点，但是结构较为复 杂，一般每个关节均为主动驱动关节，导致电机数量多、重量大、控制系统复杂。另一方 面，空间环境条件极为恶劣，高真空、大温差和强辐射环境容易引起机电系统故障，一般 来说电机数量越多，系统越复杂，其可靠性越低，而过多的电机数量带来质量的增加和能 源动力的巨大消耗，导致发射成本的增加，影响有效载荷能力的发挥。因此空间机器人要 求具有质量轻、驱动电机数量少、结构简单、可靠性高等特点，欠驱动机构将成为今后空 间机构的重要发展方向之一。

欠驱动机构是指驱动源数少于机构自由度数的一类机构，欠驱动机构具有驱动元件少、 控制简单、抓取适应性强和出力大等优点。这种机构具有形状自适应能力，当欠驱动机械 手抓取物体时，手指能够完全包络物体，并且能够适应物体的形状。国际上最具代表性的 欠驱动机械手爪是加拿大MD ROBOTICS开发的欠驱动机器人手爪SARAH，该手爪是一个具有 10个自由度的三指机械手，但是仅采用两个电机驱动，通过机械限位和弹簧实现无动力关 节对被抓取形状的自适应。这类欠驱动机构克服了传统机械手爪由于采用了大量的串联关 节，导致结构复杂、控制困难、负载能力差、可靠性低，重量相对也较重等问题，缓解了 机械手的自由度数目和驱动方式、重量、灵活性之间的矛盾，欠驱动机构在空间领域具有 巨大的应用前景。

但是，SARAH手爪仍然存在不易扩展，结构复杂，重量大，对抓取的目标物体的形状适 应能力差，抓取力小的缺点。

目前，在太空中正在运行的航天器达1000个以上，大量卫星需要在轨维护，如部件更 换、燃料加注、故障维修等，由于缺少在轨维护机器人或作业装置，卫星寿命普遍较短， 平均寿命为5～8年，采用在轨捕获装置参与航天器在轨服务，将大大延长航天器的寿命。 另一方面，每年死亡的航天器大约为50～100个，由于没有回收能力，这些航天器成为太 空垃圾，威胁着航天器和宇航员的安全，采用在轨捕获装置可对废弃航天器进行回收。从 军事需求来看，太空战争已近在眼前，如果能够捕获、摧毁敌方卫星，将占据太空战争的 主动权，因此如何捕获空间非合作目标是空间机器人领域面临的重要挑战。在这个全球空 间机械手爪设计技术迅速发展的大环境下，研制具有自主知识产权的可扩展欠驱动索杆桁 架式机械手爪迫不及待。

发明内容

本发明是为解决传统欠驱动机构和SARAH手爪重量大、结构复杂、对抓取的目标物体 的形状适应能力差、抓取力小以及SARAH手爪不易扩展的问题，进而提供一种可扩展欠驱 动索杆桁架式机械手爪。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种可扩展欠驱动索杆桁架式机械手爪包 括前端连接装置、杆间转角限位机构、末端索杆桁架、绳索、多个定位柱和多个可扩展模 块化索杆桁架；

所述前端连接装置包括连接板、两个绳索轴、两个限位柱、两个安装板、两个过渡板 和四个支撑板，连接板的一端面安装有四个支撑板，四个支撑板呈矩形阵列布置，竖直方 向上位于同一侧的两个支撑板穿设有绳索轴，连接板的上表面上安装有两个安装板，每个 安装板上固装有一个电机，电机的输出轴竖向设置且与相对应的绳索轴连接，两个绳索轴 的上端和下端分别安装有过渡板，两个过渡板平行布置；

每个所述可扩展模块化索杆桁架包括两个绕绳轴、两个摩擦阻尼金属片和六个连接杆， 两个绳索轴竖直布置，六个连接杆水平布置；每个连接杆的端部固装有一个摩擦阻尼金属 片，摩擦阻尼金属片套装在绕绳轴上，六个连接杆和两个绕绳轴连接围成六面体构架，六 个连接杆能绕两个绕绳轴转动，两个绳索轴与第一个可扩展模块化索杆桁架的四个连接杆 转动连接，相邻两个可扩展模块化索杆桁架通过两个绕绳轴连接为一体，水平方向上相邻 的两个连接杆上的两个摩擦阻尼金属片摩擦接触，竖直方向上位于同一侧的相邻两个可扩 展模块化索杆桁架通过杆间转角限位机构和定位柱限位转动，杆间转角限位机构包括限位 板和定位板，其中一个可扩展模块化索杆桁架的上部和下部的连接杆的外侧面上均固装有 限位板，另外一个可扩展模块化索杆桁架的上部和下部的连接杆的外侧面上均固装有定位 板；限位板和定位板配合设置；可扩展模块化索杆桁架与末端索杆桁架结构相同，最后一 个可扩展模块化索杆桁架通过两个绕绳轴与末端索杆桁架连接为一体，每个可扩展模块化 索杆桁架的上部和下部的连接杆与杆间转角限位机构相邻的一端均安装有竖直设置的定位 柱，与定位柱位于同一侧的两个过渡板的端面上安装有竖直设置的限位柱，每个绳索的一 端固定在相对应的绳索轴上，每个绳索的另一端依次绕过相对应的多个绳索绳并与末端索 杆桁架上相对应的绳索连接轴连接。

本发明的有益效果是：

1、本发明的索杆桁架机构由多个可扩展模块化的索杆桁架串接为一体，可以串联成单 支大型多关节空间机械手爪，可实现模块化生产，降低制造成本和难度，成本降低了 20%-40%。

2、本发明实现了超欠驱动机构的可控设计，对目标适应性越强，在组合成可作业大型 空间机械手时选择多样性强。

3、本发明运动简单、可靠性高，可重复动作，无需监测抓取目标的准确位置。

4、本发明驱动电机位于机构根部，机械手爪机构质量轻，机构含有限位机构和摩擦阻 尼金属片，抓取力大，抓取刚度高。通过改变绕绳方式及摩擦阻尼，改变索杆桁架受力形 式，从而改变机械手爪机构运动形式，最终提高抓取力及抓取刚度。

5、本发明所有结构都是由航天常用材料加工制造，材料资源丰富，加工工艺成熟，便 于所述机构的技术实施。通过改变索杆桁架对角线间驱动绳长改变索杆桁架形状。

6、本发明也满足其他抓取任务的基本要求，便于展开技术的推广。

7、本发明可扩展欠驱动索杆桁架式机械手爪由若干个索杆桁架串联而形成，用绳索将 每个索杆桁架的对角线联在一起，通过收放索杆桁架对角线绳索驱动桁架机构运动。由于 用一根绳索即可控制桁架的单向运动，因此该手爪机构为欠驱动机构，当索杆桁架数量较 多时就成为强欠驱动机构。由于采用模块化结构，它克服了SARAH手爪不易扩展的缺点， 可应用于空间大型机械手爪。与现有的欠驱动机构相比，该机构结构简单、驱动源数量少、 可扩展、对目标物体的形状适应能力强，而且桁架结构还具有质量轻、刚度高、抓取力强 的特点。以多个该类型的索杆桁架组成机械手爪，可对非合作目标物体进行捕获、抓取、 操作等作业，成为空间操控装置。

附图说明

图1为本发明的整体结构立体图，图2为本发明的伸直状态图，图3为利用本发明的 可扩展欠驱动索杆桁架式机械手爪抓取柱体目标的工作状态图，图4为利用本发明的可扩 展欠驱动索杆桁架式机械手爪抓取方体目标的工作状态图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图4说明，本实施方式的一种可扩展欠驱动索杆桁架式机 械手爪包括前端连接装置、杆间转角限位机构9、末端索杆桁架12、绳索和多个定位柱10 和多个可扩展模块化索杆桁架6；

所述前端连接装置包括连接板1、两个绳索轴2、两个限位柱5、两个安装板4、两个 过渡板18和四个支撑板3，连接板1的一端面安装有四个支撑板3，四个支撑板3呈矩形 阵列布置，竖直方向上位于同一侧的两个支撑板3穿设有绳索轴2，连接板1的上表面上安 装有两个安装板4，每个安装板4上固装有一个电机17，电机17的输出轴竖向设置且与相 对应的绳索轴2连接，两个绳索轴2的上端和下端分别安装有过渡板18，两个过渡板18平 行布置；

每个所述可扩展模块化索杆桁架6包括两个绕绳轴7、两个摩擦阻尼金属片8和六个连 接杆15，两个绳索轴7竖直布置，六个连接杆15水平布置；每个连接杆15的端部固装有 一个摩擦阻尼金属片8，摩擦阻尼金属片8套装在绕绳轴7上，六个连接杆15和两个绕绳 轴7连接围成六面体构架，六个连接杆15能绕两个绕绳轴7转动，两个绳索轴2与第一个 可扩展模块化索杆桁架6的四个连接杆15转动连接，相邻两个可扩展模块化索杆桁架6通 过两个绕绳轴7连接为一体，水平方向上相邻的两个连接杆15上的两个摩擦阻尼金属片8 摩擦接触，竖直方向上位于同一侧的相邻两个可扩展模块化索杆桁架6通过杆间转角限位 机构9和定位柱10限位转动，杆间转角限位机构9包括限位板9-1和定位板9-2，其中一 个可扩展模块化索杆桁架的上部和下部的连接杆15的外侧面上均固装有限位板9-1，另外 一个可扩展模块化索杆桁架的上部和下部的连接杆15的外侧面上均固装有定位板9-2；限 位板9-1和定位板9-2配合设置；可扩展模块化索杆桁架6与末端索杆桁架12结构相同， 最后一个可扩展模块化索杆桁架6通过两个绕绳轴7与末端索杆桁架12连接为一体，每个 可扩展模块化索杆桁架6的上部和下部的连接杆15与杆间转角限位机构9相邻的一端均安 装有竖直设置的定位柱10，与定位柱10位于同一侧的两个过渡板18的端面上安装有竖直 设置的限位柱5，每个绳索的一端固定在相对应的绳索轴2上，每个绳索的另一端依次绕过 相对应的多个绳索绳7并与末端索杆桁架12上相对应的绳索连接轴11连接。

本实施方式的索杆桁架数量不限，可以串联成单支大型多关节空间机械手爪，索杆桁 架数量越多欠驱动性越强、对目标适应性越强，在组合成可作业大型空间机械手时选择多 样性强。初始时每个连接板均与卫星本体接触并压紧在卫星本体上，工作时索杆桁架机构 通过单元变形包络抓取目标完成抓取任务，所述可扩展模块化索杆桁架对抓取目标适应性 强，无需监测抓取目标的准确位置。

本实施方式使用时，连接板1与本体相连，四个支撑架2连接在连接板1上，也可直 接将四个支撑架2连接在卫星本体上，或者将连接板1和四个支撑架2连接到具有接口的 转动装置上实现整个手爪的转动。定位柱10与可扩展模块化索杆桁架6的连接杆15配合 限定索杆桁架变形角度避免进入奇异位置，电机驱动绳索轴2转动，改变绕绳长度。

摩擦阻尼金属片8安装在相邻连接杆15间提供杆间摩擦力，改变绕绳方式和轮径大小 可以改变驱动力传递方式及受力方向、改变摩擦阻尼两端压力可以改变两杆间阻力矩，从 而实现欠驱动机构的可控设计。例如确定一种绕绳方式、一组轮径比和一组摩擦阻尼力使 可扩展欠驱动索杆桁架式机械手爪刚开始运动时整体一起转动（驱动、阻尼和限位共同作 用），当某连接杆触碰到目标后，由于接触力及限位作用，使得该连接杆及其前端所有连接 杆停止运动，后端连接杆间继续运动，直到抓取到物体或达到定位柱的极限位置，实现目 标的抓取任务。在停止抓取后，摩擦阻尼金属片将起到提高抓取刚度的作用。

本实施方式的绳索轴7的两端可通过螺母将连接杆15封装在绳索轴7上。

图3为利用本发明的两支可扩展欠驱动索杆桁架式机械手爪抓取圆柱体目标图。两支 可扩展欠驱动索杆桁架式机械手爪组成的机械手爪抓取圆柱体目标，全部接触杆均接触目 标，完成对目标的包络，提高抓取刚度。

图4为利用本发明的两支可扩展欠驱动索杆桁架式机械手爪抓取方体目标图。两支可 扩展欠驱动索杆桁架式机械手爪组成的机械手爪抓取长方体目标，机构对目标适应性强。

利用本发明的三支可扩展欠驱动索杆桁架式机械手爪组成的机械爪，对应不同的任务 要求，组成大型空间机械手时选择多样性强。

具体实施方式二：结合图1说明，本实施方式所述摩擦阻尼金属片8为钢片。如此设 置，廉价易得，改变摩擦阻尼两端压力可以改变两杆间阻力矩，从而实现欠驱动机构的可 控设计。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明，本实施方式所述摩擦阻尼金属片8为铝片。如此设 置，廉价易得，改变摩擦阻尼两端压力可以改变两杆间阻力矩，从而实现欠驱动机构的可 控设计。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1说明，本实施方式所述定位柱10与连接杆15螺纹连接。 如此设置，组装使用方便。其它与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1说明，本实施方式所述限位柱5与过渡板18螺纹连接。如 此设置，组装使用方便。其它与具体实施方式四相同。