一种基于运动副变胞的模块化抓捕机械手的制作方法

本发明属于空间抓捕机器人技术领域，更具体地，涉及一种基于运动副变胞的模块化抓捕机械手。

背景技术：

空间机构操控技术是指在太空有人或无人参与的情况下，利用空间平台对特定的在轨目标进行操作，例如太空垃圾回收、碎片清理、实施空间攻防、大范围空间观测、远距离探测、非合作目标追踪与捕获、辅助变轨、故障维修、组装建造、在轨救援等相关作业的技术。然而现有空间桁架式机构还存在如下问题：空间可展开机构虽然可以通过展开达到构造几十米甚至上百米有的大型结构的目的，但因其活动度较少而无法进行在轨操控；变几何桁架机构可以实现较多的活动度，但是其驱动复杂；刚柔混合式机构难以实现复杂的形状控制；模块化航天器可以通过模块的重组获得不同构型，但是不具备多样化的可操控活动度，并且重构过程往往需要辅助机器人来实现。

中国专利文献201410056414.6公开了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、十二个摩擦阻尼金属片和六个连接杆。该现有技术中的机械手因不具备折叠展开功能导致其占用大量的空间，提高了运输的难度；平行四边形结构稳定性差，难以控制刚度；并且驱动部分因使用伺服电机造成控制复杂，结构笨重，需要对伺服电机的布置进行单独结构设计；并且该技术未考虑到轻量化设计致使机械手抓捕力不大，对大质量目标的操作控制难以进行。

基于此，本发明提出了一种基于运动副变胞的模块化抓捕机械手，旨在解决空间大质量非合作目标的抓捕问题。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于运动副变胞的模块化抓捕机械手，其结构简单、重量轻，并具有较大的折展比、结构刚度高的特点。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于运动副变胞的模块化抓捕机械手，包括基座和设在基座上的多个机械手爪，多个机械手爪呈圆周阵列或相对设置地安装在基座上，机械手爪包括n(n≥2)个依次相连的折展单元，折展单元包括：

两个上下设置的连接座；

设置在两个连接座之间的抓捕面机构，抓捕面机构包括两根相同的剪叉杆，两根剪叉杆的中部相互铰接并形成剪叉结构；

用于连接连接座与抓捕面机构的四个变胞机构，四个变胞机构分别设置在两根剪叉杆的四个端部；

变胞机构包括第一连接杆和第二连接杆，在连接座长度方向设置有位于上方的第一连接槽和位于下方的第二连接槽，第一连接杆的首端伸入第一连接槽并形成滑动副连接，其中，第n(2≤n≤n)个折展单元中的一根剪叉杆的端部连接至第一连接杆的末端并形成转动副连接；第二连接杆包括沿连接座长度方向滑动的滑动段和围绕连接座长度方向转动的转动段，第二连接槽包括相互连通的外槽和内槽，滑动段贯穿外槽而伸入内槽，且滑动段与外槽之间形成滑动副连接，滑动段与内槽之间形成转动副连接，转动段伸入外槽并形成孔轴配合连接，第n－1个折展单元中的一根剪叉杆的端部连接至第二连接杆的转动段并形成转动副连接；

驱动装置，其设置在连接座上，并驱动两个连接座之间进行收拢状态、展开状态以及抓捕状态之间的切换。

在本发明的上述技术方案中，各个折展单元之间相互独立且相互之间可以组合，每个折展单元均是独立的桁架结构，可通过拆除和增加折展单元的数目来控制抓捕机械手的手指长度来适应空间大质量非合作目标。

进一步的，本发明中的抓捕面机构属于可折展结构，其具有模块化程度高、伸缩性能强、力学性能好、结构简单、刚度高等特点。

具体的，同一折展单元中的两个连接座与抓捕面机构形成机械手爪的抓捕面，每个抓捕面都具有收拢状态(此时两个连接座之间的距离最近、抓捕面机构中的两根剪叉杆收拢)、展开状态(此时两个连接座之间的距离逐渐变远、抓捕面机构中的两根剪叉杆逐渐张开，整体呈现抓捕准备姿态)、抓捕状态(相邻的折展单元之间呈现朝着一个方向翻转以捕捉目标物的姿态)，在驱动装置的驱动下，抓捕面进行收拢状态、展开状态以及抓捕状态之间的切换。

更具体的，本发明中的展开状态切换至抓捕状态的过程中需要进行变胞过程，上述技术方案中的变胞机构的变胞过程为：在收拢状态下，第一连接杆的首端伸入第一连接槽中，且此时位于靠近第一连接槽的开口处，第二连接杆的首端位于第二连接槽的外槽中，且此时位于靠近外槽的开口处；随着切换至展开状态，抓捕面机构逐渐展开，其中第一连接杆沿着第一连接槽朝向连接座的中央滑动，第二连接杆的沿着第二连接槽朝向连接座的中央滑动，在折展单元的展开状态下，第一连接杆和第二连接杆的仅进行滑动而不进行转动。

在折展单元展开至最大程度时，第二连接杆的滑动段同时完全贯穿第二连接槽的外槽而伸入内槽中，相应的，内槽的槽壁与滑动段之间不接触而实现滑动段相对内槽的转动，此时，第二连接杆的转动段伸入至外槽中而形成孔轴配合。

接着，第一连接杆、第二连接杆无法继续进行朝向连接座的中央滑动，例如在第一连接杆和/或第二连接杆的末端设置限位件而使得第一连接杆和/或第二连接杆的末端抵在连接座本体(侧壁)上，进而确定折展单元的最大伸展位置，再例如通过控制槽深的方式控制折展单元的最大伸展位置，以产生自锁，在折展状态切换至抓捕状态过程中，原有的折展功能丧失，折展单元有且仅有一个转动自由度，故单个折展单元无论是在折叠状态、展开状态还是抓捕状态下，其自由度始终为1。

在变胞位置，即折展单元由展开状态切换至抓捕状态时，第二连接杆的转动段与第二连接槽的外槽之间的孔轴配合只能进行转动而无法进行滑动，在驱动装置的作用下，完成空间大质量非合作目标的抓捕。

本发明中采用运动副变胞机构，实现移动副(滑动副)到转动副之间的转变，在多个折展单元的折展过程中，变胞机构与连接座之间只进行相对移动而不进行相对转动；在折展完成后，切换至抓捕状态时，变胞机构与连接座之间只进行相对转动而不进行相对移动，各个折展单元朝向同一个方向进行弯曲，以形成一定的抓捕角度。

本发明在展开与抓捕的过程中，单个折展单元的自由度始终唯一，仅在变胞位置处具有两个自由度，通过设置几何结构上的限制，在驱动作用下，实现折展状态到抓捕状态的切换，完成空间大质量非合作目标的抓捕。

根据本发明的另一种具体实施方式，相邻的折展单元之间共用一个连接座，以简化结构。

根据本发明的另一种具体实施方式，第一连接杆与第二连接杆之间形成转动副连接，且第一连接杆与第二连接杆之间的转动副连接与滑动段与外槽之间形成的转动副连接同轴设置。

根据本发明的另一种具体实施方式，第一连接槽、第二连接槽均贯穿连接座设置，且第二连接槽包括两个外槽和一个内槽，两个外槽对称设置在内槽的两侧。

本发明中，内槽存在的主要作用是为第二连接杆的首端的转动提供空间，具体为在第二连接杆的首段(滑动段)伸入内槽之后，不与内槽的槽壁相接触。

根据本发明的另一种具体实施方式，第一连接槽为矩形槽，内槽为圆形槽，外槽为圆形槽与矩形槽形成的组合槽，且外槽中的圆形槽与矩形槽之间部分重合，以满足第二连接杆的滑动段在外槽中进行移动以及第二连接杆的转动段在外槽中进行转动。

相应的，第一连接槽、第二连接槽的形状也可以采用例如六边形等其他形状的结构。

根据本发明的另一种具体实施方式，驱动装置包括分别设置在两个连接座上的连接杆、分别转动连接两根连接杆的伸缩支链，其中两根连接杆均垂直连接座长度方向设置，且两根连接杆之间相互平行。通过伸缩支链的伸长或者缩短，实现改变抓捕面的状态之间的切换。

优选的，伸缩支链为套杆支链，套杆支链包括套筒、滑动设置在套筒中的套杆，套筒的连接端转动连接至位于下方的连接杆，套杆的连接端转动连接至位于上方的连接杆。具体的，套筒的自由端设置有套杆滑槽，套杆的自由端伸入套杆滑槽中，并可以改变伸入的长度。

再优选的，驱动装置进一步设置有推杆支链，推杆支链包括推杆、滑块，位于下方的连接杆设置有滑槽，滑块滑动设置在滑槽中，推杆的一端转动连接至套筒的中部，推杆的另一端转动连接至滑块。

其中，同一折展单元中的套筒、推杆以及位于下方的连接杆之间形成三角形结构，通过改变推块的位置实现调整套筒相对抓捕面(两个连接座所在平面)的角度。

进一步的，驱动装置还设置有弹簧，释放弹簧驱动滑块在滑槽中滑动，进而带动伸缩支链运动，从而使得两个连接座之间进行收拢状态、展开状态以及抓捕状态之间的切换。

本发明中的单个折展单元仅有一个自由度，为了进一步降低质量，符合轻量化设计的需求，本发明中的驱动装置采用弹簧，对于空间机械手而言，这具有重要的实践意义，相比复杂的伺服电机驱动系统，弹簧驱动的复杂度大为降低，形式简单，当机械手靠近目标时，通过释放弹簧，机械手即可有效的抓捕目标。每个折展单元都只有一个自由度，即安装一只弹簧，即可完成折展和抓捕两个动作。

根据本发明的另一种具体实施方式，位于最下方的折展单元还设置有定位杆，定位杆的一端转动连接至两根剪叉杆的铰接处，定位杆的另一端滑动连接至位于下方的连接座上。

其中，位于同一个连接座上的两个变胞机构始终对称位于定位杆的两侧，避免抓捕过程中产生的挠度，有利于提高机械手在抓捕过程中的稳定性。

本发明中位于最下方的折展单元中的连接座与基座之间可以采用多个紧固螺栓的方式进行连接，以保证连接的稳定性、有效性；优选的，位于最下方的折展单元中下方的连接杆也设置有紧固螺栓。

为了提高机械手爪运动的稳定性，根据本发明的另一种具体实施方式，在位于最下方的折展单元中的变胞机构设置有外凸式滑动件，例如滑块或者滑轮，在基座上设置有滑槽，滑动件与滑槽之间相互配合连接。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

本发明采用剪叉式抓捕面机构，不仅使得该机械手具备了刚度高、折展性能好、内部空间足等优点，而且机械手爪具有良好的抓捕性能，特别适用于空间非合作目标的抓取，当然，本发明也可用于其他场合的抓捕；此外，还具有大折展比的优点。

本发明模块化设计，可以通过增减折展单元的个数来控制机械手爪的长短，以适应空间大质量非合作目标。

本发明轻量化设计，驱动装置采用伸缩式随动支链的设计，并采用弹簧作为动力源进行驱动，降低了结构设计的难度，使得结构的整体质量大为降低。

本发明的变胞机构具有多个不同的变胞位置，可以根据设计需要进行适应性尺寸设计，以满足不同场合的抓捕需求。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明基于运动副变胞的模块化抓捕机械手实施例1的整体结构示意图，其显示了折叠状态；

图2是图1的伸展状态的示意图；

图3是本发明基于运动副变胞的模块化抓捕机械手实施例1的抓捕球形目标物体的状态示意图；

图4是本发明基于运动副变胞的模块化抓捕机械手实施例1的抓捕长方体目标物体的状态示意图；

图5是本发明基于运动副变胞的模块化抓捕机械手实施例1的抓捕圆柱目标物体的状态示意图；

图6是本发明基于运动副变胞的模块化抓捕机械手实施例1的单个折展单元的结构示意图，其显示了展开状态；

图7是图6中燕尾槽结构的放大示意图；

图8是图6中折展单元的收拢状态示意图；

图9是图6中折展单元的抓捕状态示意图；

图10本发明基于运动副变胞的模块化抓捕机械手实施例1中位于最下方的折展单元的结构示意图，其显示了定位杆；

图11是本发明基于运动副变胞的模块化抓捕机械手实施例1中位于最下方的折展单元的安装示意图；

图12是图11中b处的放大图；

图13是本发明基于运动副变胞的模块化抓捕机械手实施例1中变胞机构的结构示意图，其中，图13a显示了爆炸状态，图13b显示了折展状态，图13c显示了变胞位置，图13d显示了抓捕状态。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种基于运动副变胞的模块化抓捕机械手，如图1－13所示，包括基座1和四个机械手爪2。

如图1－2所示，在基座1上设置有四个对应安装机械手爪2的手爪基座11，四个手爪基座11具有相对基座1倾斜设置的安装面，且四个手爪基座11呈圆周阵列设置在基座1的四周。

每一个手爪基座11上设置有一个机械手爪2，优选的，四个机械手爪2完全相同，每一个机械手爪2包括n个依次相连的折展单元3，优选的，折展单元3的数目为4－10个，本实施例中示出了折展单元3的数目为5个情况。

其中，如图6所示，以单个折展单元3为例，说明折展单元3的具体结构，折展单元3包括：

上连接座31、下连接座32、抓捕面机构33、四个变胞机构34和驱动装置6，其中，抓捕面机构33设置在上连接座31与下连接座32之间，抓捕面机构33包括两根相同的剪叉杆331，两根剪叉杆331的中部相互铰接并形成剪叉结构；四个变胞机构34设置在两根剪叉杆331的四个端部上并分别连接至上连接座31、下连接座32。

驱动装置6用来驱动两个连接座之间进行收拢状态、展开状态以及抓捕状态之间的切换，其中，图8示出了折展单元3的收拢状态，图9示出了折展单元3的抓捕状态。

以图6中右下角的变胞机构34为例进行说明，如图13所示，变胞机构34包括第一连接杆341和第二连接杆342，在连接座长度方向设置有与第一连接杆341配合连接的第一连接槽4以及与第二连接杆342配合的第二连接槽5；

其中，第一连接杆341的首端伸入第一连接槽4中并于第一连接槽4之间形成滑动副连接，优选的，第一连接槽4为贯穿下连接座32设置的矩形槽，第一连接杆341为与前述矩形槽配合的矩形杆；第一连接杆341的末端转动连接至第n(2≤n≤n)个折展单元3中的一根剪叉杆331的端部。

第二连接杆342包括沿连接座长度方向滑动的滑动段3421和围绕连接座长度方向转动的转动段3422，第二连接槽5包括相互连通的外槽51和内槽52，滑动段3421贯穿外槽51而伸入内槽52，且滑动段3421与外槽51之间形成滑动副连接，滑动段3421与内槽52之间形成转动副连接，转动段3422伸入外槽51并形成孔轴配合连接，第n－1个折展单元3中的一根剪叉杆331的端部连接至第二连接杆342的转动段3422并形成转动副连接；

优选的，外槽51为圆形槽与矩形槽形成的组合槽，且外槽51中的圆形槽与矩形槽之间部分重合，以满足第二连接杆342的滑动段3421在外槽51中进行移动以及第二连接杆342的转动段3422在外槽51中进行转动；内槽52为圆形槽，且内槽52相较于外槽51的截面面积更大，具有更大的空间具体为在第二连接杆342的首段(滑动段3421)伸入内槽52之后，不与内槽52的槽壁相接触。

进一步的，为了实现第一连接杆341与第二连接杆342之间的连接，如图6所示，本实施例中，第一连接杆341与第二连接杆342之间形成转动副连接，且第一连接杆341与第二连接杆342之间的转动副连接与滑动段3421与外槽51之间形成的转动副连接同轴设置。

具体的，折展单元3在变胞机构34中的单个周期内的状态切换过程为如图13所示，其中，为了更好的显示本实施例中变胞机构34的结构，图13a显示了爆炸状态，进一步的，图13b显示了折展状态，图13c显示了变胞位置，图13d显示了抓捕状态。

具体过程为：

在收拢状态下，第一连接杆341的首端伸入第一连接槽4中，且此时第一连接杆341的首端位于靠近第一连接槽4的开口处，第二连接杆342的首端位于第二连接槽5的外槽51中，且此时位于靠近外槽51的开口处；随着折展单元切换至展开状态，抓捕面机构33逐渐展开，其中第一连接杆341沿着第一连接槽4朝向连接座的中央滑动，第二连接杆342的沿着第二连接槽5朝向连接座的中央滑动，在折展单元3的展开状态下，第一连接杆341和第二连接杆342的仅进行滑动而不进行转动。

进一步的，在折展单元3展开至最大程度时，无法继续向前伸入，第一连接杆341完全伸入第一连接槽4中而形成限位，第二连接杆342的滑动段3421完全贯穿第二连接槽5的外槽51而伸入内槽52中，相应的，内槽52的槽壁与滑动段3421之间不接触而实现滑动段3421相对内槽52的转动，此时，第二连接杆342的转动段3422伸入至外槽51中而形成孔轴配合。

在折展单元由折展状态切换至抓捕状态过程中，原有的折展功能丧失，折展单元3有且仅有一个转动自由度，故单个折展单元3无论是在收拢状态、展开状态还是抓捕状态下，其自由度始终为1，变胞位置如图13c所示。

在变胞位置，即折展单元3由展开状态切换至抓捕状态时，第二连接杆342的转动段3422与第二连接槽5的外槽51之间的孔轴配合只能进行转动而无法进行滑动，在驱动装置6的作用下，实现上连接座31相对下连接座32之间的转动，如图13d所示，进一步完成折展单元3的抓捕过程，实现对空间大质量非合作目标的抓捕。

为了简化结构，本实施例中，如图1－2所示，相邻的折展单元3之间共用一个连接座。

本实施例中的驱动装置6的一种优选结构如图6－9所示，驱动装置6包括上连接杆61、下连接杆62、设置在上连接杆61与下连接杆62之间的伸缩支链63，其中上连接杆61、下连接杆62之间平行且均垂直接座的长度方向设置，伸缩支链63的上端铰接至上连接杆61，伸缩支链63的下端铰接至下连接杆62。

具体的，伸缩支链63可以直接采用气缸的方式进行直接驱动，也可以采用其他结构传动的方式，为了简化动力结构，如图6所示，本实施例提供一种优选的伸缩支链63以及驱动方式如下：

伸缩支链63包括套筒631、与套筒631配合连接的套杆632、推杆633、滑块634以及弹簧(图中未示出)，其中，套筒631的连接端转动连接至下连接杆62，套杆632的连接端转动连接至上连接杆61，套筒631的自由端设置有套杆滑槽，套杆632的自由端伸入套杆滑槽中，并可以改变伸入的长度；在下连接杆62的长度方向上设置有滑槽621，滑块634滑动设置在滑槽621中，推杆633的一端转动连接至套筒631的中部，推杆633的另一端转动连接至滑块634，再优选的，滑块634与推杆633的连接处采用燕尾槽结构635；弹簧例如设置在滑槽621中，并被滑块634抵住而始终处于压缩状态，通过释放弹簧调整滑块634的位置，进而驱动推杆633改变伸缩支链63的配合状态，以使得两个连接座之间进行收拢状态、展开状态以及抓捕状态之间的切换。

本实施例中，还可以在位于最下方的折展单元3设置有定位杆7，如图10所示，定位杆7的上端转动连接至两根剪叉杆331的铰接处，定位杆7的下端滑动连接至位于下方的连接座(下连接座32)上。其中，位于同一个连接座上的两个变胞机构34始终对称位于定位杆7的两侧，避免抓捕过程中产生的挠度，有利于提高机械手在抓捕过程中的稳定性。

进一步的，如图12所示，在位于最下方的折展单元3中的变胞机构34还可以设置有外凸式滑动件8，例如滑块634或者滑轮，在基座1上设置有滑动槽9，滑动件8与滑动槽9之间相互配合连接，以进一步提高机械手爪2运动的稳定性。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。