一种分离式捕获-锁紧机构及采用其抓捕锁紧目标的方法与流程

本发明属于机器人领域，更具体地，涉及一种分离式捕获-锁紧机构及采用其抓捕锁紧目标的方法。

背景技术：

末端执行器用于机器人于目标之间的连接，现有机器人末端执行器的抓捕由捕获机构(通常是开槽杆件手指)完成，目标的刚性化连接由捕获机构或者锁紧机构实施。锁紧机构是一条完整的传动链。

移动机器人的连接机构、空间航天器的交汇对接机构、在轨装配的停泊机构与设备更换单元等也存在同样的情况。捕获与锁紧由抓捕机构实施能使设备更加简单紧凑。锁紧机构能提高啮合面的预紧载荷，增强设备的抗外部干扰能力。然而，独立的捕获机构提高啮合面预紧载荷的能力有限，完整传动链的锁紧机构增加了系统的复杂性。

另外，现有的一些拦阻捕获机构采用了柔性的分离式结构，这种分离式结构的两部分在接触在一起实现对目标的捕获时，无法在刚接触时就建立刚性连接，使得对目标的捕获会有延迟，捕获不能即时进行，使得捕获不够稳定。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种分离式捕获-锁紧机构及采用其抓捕锁紧目标的方法，捕获-锁紧机构能提高啮合面预紧载荷的能力，使得捕获比较稳定可靠。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种分离式捕获-锁紧机构，其特征在于，包括捕获机构和锁紧机构，其中，

所述捕获机构包括开槽杆件手指、拦阻钩、销轴和连接台，所述开槽杆件手指包括一体成形的三段杆件，这三段杆件分别为第一杆件、第二杆件和第三杆件，所述第二杆件的一端连接第一杆件而另一端连接第三杆件，并且所述第二杆件与所述第一杆件所成的角为钝角，所述第二杆件和第三杆件垂直，所述拦阻钩设置在所述第二杆件的侧面，并且所述第一杆件、第三杆件和拦阻钩设置在所述第二杆件的同一侧；所述开槽杆件手指上设置有轨迹通槽，所述轨迹通槽包括抓捕槽段和拖动平移槽段，所述抓捕槽段平行于第一杆件，所述拖动平移槽段平行于所述第二杆件，所述销轴穿过所述轨迹通槽，所述连接台设置在所述第一杆件远离第二杆件的一端；

所述锁紧机构包括拦阻杆和两个被动锁紧单元，其中，每个所述被动锁紧单元均包括锁紧杆、连杆、铰轴、第一拉伸弹簧和第二拉伸弹簧，所述连杆的一端通过铰轴铰接在所述锁紧杆上，所述铰轴上套接有用于使所述连杆复位的扭转弹簧，所述连杆的另一端连接所述拦阻杆，即所述拦阻杆将两个所述被动锁紧单元的连杆连接在一起，所述第一拉伸弹簧的一端连接在连杆上而另一端连接在锁紧杆上，以用于使所述连杆复位，所述第二拉伸弹簧的一端连接在锁紧杆靠近连杆的一端而另一端用于连接末端执行器的盖板，此外，所述铰轴、拦阻杆和销轴相互平行；

所述销轴的两端分别连接一所述锁紧杆，从而使所述开槽杆件手指位于两个所述锁紧杆之间并且使所述锁紧杆可转动连接在所述开槽杆件手指上。

优选地，所述锁紧杆远离所述连杆的一端设置有锁紧轮。

优选地，所述第一杆件和第二杆件通过圆角平滑过渡。

优选地，所述抓捕槽段和拖动平移槽段通过圆角平滑过渡。

优选地，所述第一拉伸弹簧的一端通过连杆连接凸台连接在所述连杆上，并且所述连杆连接凸台上设置有连接孔，所述第一拉伸弹簧的一端勾在所述连接孔处。

优选地，所述第一拉伸弹簧的一端通过锁紧杆连接凸台连接在所述锁紧杆上，并且所述锁紧杆连接凸台上设置有连接孔，所述第一拉伸弹簧的一端勾在所述连接孔内。

优选地，所述第二拉伸弹簧的一端通过锁紧杆连接凸台连接在所述锁紧杆上，并且所述锁紧杆连接凸台上设置有连接孔，所述第二拉伸弹簧的一端勾在所述连接孔内。

按照本发明的另一个方面，还提供了所述的分离式捕获-锁紧机构进行抓捕锁紧目标的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)开槽杆件手指的第一杆件推压连杆，使连杆绕铰轴的中心线转动，从而使连杆偏离初始位置的零位，进而导致拦阻杆也偏离初始位置的零位，此时销轴位于抓捕槽段远离拖动平移槽段的一端；

(2)滚珠螺母带动开槽杆件手指的连接台向下移动，使位于抓捕槽段的销轴在抓捕槽段内移动，此时开槽杆件手指相对于锁紧杆转动，使得开槽杆件手指的第三杆件靠拢锁紧杆，多个周向布置的分离式捕获-锁紧机构的开槽杆件手指能配合捕获目标，销轴移动到抓捕槽段与拖动平稳段的结合处时，拦阻钩在拦阻杆的正上方且拦阻钩的开口朝着拦阻杆，开槽杆件手指的第一杆件解除对拦阻杆的推压作用，拦阻杆在扭转弹簧的作用下随着连杆回到初始位置的零位，且拦阻杆处于拦阻钩的捕获范围内；

(3)开槽杆件手指在滚珠螺母的带动下继续下移，拦阻钩的内壁接触拦阻杆，并随后挤压拦阻杆，使连杆向靠近锁紧杆的方向转动并最终接触锁紧杆，从而使捕获机构与锁紧机构共同形成摇杆滑块机构，连杆可带动锁紧杆绕销轴的中心线转动，从而使多个周向布置的分离式捕获-锁紧机构的锁紧杆共同配合锁紧目标。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的捕获机构在完成捕获操作后收缩平移的过程中与静止的零自由度的锁紧机构连接，共同组成一个新的摇杆滑块机构，该摇杆滑块机构具有机构分离、单自由度、钩-杆连接、速度放大、锁紧力放大和能量节省等优点，应用于末端执行器则能实现利用一个单自由度完成捕获和锁紧两种功能，能有效区分空间自定位机械臂的肩部锁紧与腕部捕获。

(2)本发明可用于实施移动部件与静止部件之间的连接，从而使得移动部件与静止部件之间进行准确的定位和连接在一起。

(3)本发明的分离式捕获-锁紧机构能提高啮合面预紧载荷的能力，使得捕获比较稳定可靠，而且捕获平稳可靠，传动链可靠易行。

附图说明

图1为捕获机构示意图；

图2为锁紧机构示意图，其中弹簧未示出；

图3为捕获机构的拦阻钩靠近锁紧机构的拦阻杆时的示意图；

图4a～图4d为分离式捕获-锁紧机构示意图；

图5为分离式捕获-锁紧机构的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照各附图，一种分离式捕获-锁紧机构，包括捕获机构和锁紧机构，其中，

所述捕获机构包括开槽杆件手指1、拦阻钩2、销轴3和连接台4，所述开槽杆件手指1包括一体成形的三段杆件，这三段杆件分别为第一杆件71、第二杆件72和第三杆件73，所述第二杆件72的一端连接第一杆件71而另一端连接第三杆件73，并且所述第二杆件72与所述第一杆件71所成的角为钝角，所述第二杆件72和第三杆件73垂直，所述拦阻钩2设置在所述第二杆件72的侧面，并且所述第一杆件71、第三杆件73和拦阻钩2设置在所述第二杆件72的同一侧；所述开槽杆件手指1上设置有轨迹通槽，所述轨迹通槽包括抓捕槽段5和拖动平移槽段6，所述抓捕槽段5平行于第一杆件71，所述拖动平移槽段6平行于所述第二杆件72，所述销轴3穿过所述轨迹通槽，所述连接台4设置在所述第一杆件71远离第二杆件72的一端；

所述锁紧机构包括拦阻杆10和两个被动锁紧单元，其中，每个所述被动锁紧单元均包括锁紧杆8、连杆9、铰轴、第一拉伸弹簧16和第二拉伸弹簧17，所述连杆9的一端通过铰轴铰接在所述锁紧杆8上，所述铰轴上套接有用于使所述连杆9复位的扭转弹簧15，所述连杆9的另一端连接所述拦阻杆10，即所述拦阻杆10将两个所述被动锁紧单元的连杆9连接在一起，所述第一拉伸弹簧16的一端连接在连杆9上而另一端连接在锁紧杆8上，以用于使所述连杆9复位，所述第二拉伸弹簧17的一端连接在锁紧杆8靠近连杆9的一端而另一端用于连接末端执行器的盖板，此外，所述铰轴、拦阻杆10和销轴3相互平行；

所述销轴3的两端分别连接一所述锁紧杆8，从而使所述开槽杆件手指1位于两个所述锁紧杆8之间并且使所述锁紧杆8可转动连接在所述开槽杆件手指1上。

进一步，所述锁紧杆8远离所述连杆9的一端设置有锁紧轮14，以用于与目标接触锁紧目标。

进一步，所述第一杆件71和第二杆件72通过圆角平滑过渡。

进一步，所述抓捕槽段5和拖动平移槽段6通过圆角平滑过渡。

进一步，所述第一拉伸弹簧的一端通过连杆连接凸台11连接在所述连杆9上，并且所述连杆连接凸台11上设置有连接孔，所述第一拉伸弹簧的一端勾在所述连接孔处。

进一步，所述第一拉伸弹簧的一端通过第一锁紧杆连接凸台13连接在所述锁紧杆8上，并且所述第一锁紧杆连接凸台13上设置有连接孔，所述第一拉伸弹簧的一端勾在所述连接孔内。

进一步，所述第二拉伸弹簧的一端通过第二锁紧杆连接凸台12连接在所述锁紧杆8上，并且所述第二锁紧杆连接凸台12上设置有连接孔，所述第二拉伸弹簧的一端勾在所述连接孔内。

按照本发明的另一个方面，还提供了所述的分离式捕获-锁紧机构进行抓捕锁紧目标的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)如图4a所示，开槽杆件手指1的第一杆件71推压连杆9，使连杆9绕铰轴的中心线转动，从而使连杆9偏离初始位置的零位，进而导致拦阻杆10也偏离初始位置的零位，此时销轴3位于抓捕槽段5远离拖动平移槽段6的一端，开槽杆件手指1和其拦阻钩2均开始于最大张开状态，连杆9由于开槽杆件手指1的约束偏离了零位，导致拦阻杆10也偏离了零位，开槽杆件手指1与锁紧机构分离；

(2)如图4b所示，滚珠螺母带动开槽杆件手指1的连接台4向下移动，使位于抓捕槽段5的销轴3在抓捕槽段5内移动，此时开槽杆件手指1相对于锁紧杆8转动，使得开槽杆件手指1的第三杆件73靠拢锁紧杆8，多个周向布置的分离式捕获-锁紧机构的开槽杆件手指1能配合捕获目标，销轴3移动到抓捕槽段5与拖动平稳段的结合处时，拦阻钩2在拦阻杆10的正上方且拦阻钩2的开口朝着拦阻杆10，开槽杆件手指1的第一杆件71解除对拦阻杆10的推压作用，拦阻杆10在扭转弹簧15的作用下随着连杆9回到初始位置的零位，且拦阻杆10处于拦阻钩2的捕获范围内；如图4b所示，开槽杆件手指1在外部的滚珠螺母的拖动下和位于抓捕槽段5的销轴3的凸轮作用下合拢捕获，拦阻钩2的运动轨迹与开槽杆件手指1指尖的轨迹平行，销轴3在开槽杆件手指1完全合拢后位于导向槽的拖动平移槽段6，锁紧机构在整个捕获阶段处于静止状态并与开槽杆件手指1分离；

(3)如图4c所示，开槽杆件手指1在滚珠螺母的带动下继续下移，拦阻钩2的内壁接触拦阻杆10，并随后挤压拦阻杆10，使连杆9向靠近锁紧杆8的方向转动并最终接触锁紧杆8，连杆9可带动锁紧杆8绕销轴3的中心线转动，从而使多个周向布置的分离式捕获-锁紧机构的锁紧杆8共同配合锁紧目标，拦阻钩2随着开槽杆件手指1收缩平移，拦阻杆10由连杆9维持在其零位，随着开槽杆件手指1的收缩，拦阻钩2的钩尖开始接触拦阻杆10，随后挤压拦阻杆10使连杆9向锁紧杆8转动，进入拦阻钩2的沟槽入口。如图4d所示，随后拦阻钩2的钩槽的光滑圆柱面将拦阻杆10导向到钩槽内，并与钩槽啮合。如图5所示，拦阻钩2和拦阻杆10连接后，捕获机构与锁紧机构组成一个摇杆滑块机构。锁紧机构对称的分布在开槽杆件手指1的两侧，开槽杆件手指1通过钩-杆的刚性连接驱动锁紧机构完成后续的锁紧操作。

本发明的捕获机构可以周向均布设置三套来用于执行抓捕。如图1所示，销轴3穿过开槽杆件手指1且其两端与末端执行器固定，开槽杆件手指1的根部通过连接台4连接到外部的滚珠螺母上。

本发明的拦阻杆10与拦阻钩2能即时建立，拦阻杆10的两端分别与连杆9连接。拦阻过程中的撞击扰动由第一拉伸弹簧16、第二拉伸弹簧17或者扭转弹簧15缓冲，实际上，开槽杆件手指1的运动速度和质量均比较小，在捕获撞击过程中产生的扰动也较小。第一拉伸弹簧16、第二拉伸弹簧17或者扭转弹簧15的另一个重要作用是约束连杆9使拦阻杆10一直位于拦阻钩2的捕获能力范围内。拦阻钩2位于开槽杆件手指1的拖动平移槽段6上，在捕获完成后收缩平移的过程中捕获拦阻杆10。

本领域的技术人员容易理解，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作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。