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CN109333576B - 一种空间机械臂用末端抓捕手爪及抓捕方法 - Google Patents

一种空间机械臂用末端抓捕手爪及抓捕方法 Download PDF

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CN109333576B CN201811210053.0A CN201811210053A CN109333576B CN 109333576 B CN109333576 B CN 109333576B CN 201811210053 A CN201811210053 A CN 201811210053A CN 109333576 B CN109333576 B CN 109333576B
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刘露咪
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周晓东
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Abstract

本发明涉及一种空间机械臂用末端抓捕手爪及抓捕方法，属于空间机械臂末端工具技术领域。本发明的采用平行四边形连杆结构，保证前端手爪在运动过程中始终保持垂直状态，提高了抓捕过程中的容差，保证了抓捕过程的平滑性；本发明所使用的两个电机均采用空心电机，双丝杠采用嵌套的结构，在保证功能的同时增加了结构的紧凑性，使得手爪所占空间很小；本发明前端手指可根据目标物被动端对接装置的形状进行替换，可应用在不同场景及环境下；本发明通过三手指、一顶杆的结构有效地保证了对目标物的六个自由度上的连接与固定，提高了抓捕后的整体刚度。

Description

一种空间机械臂用末端抓捕手爪及抓捕方法
技术领域
本发明涉及一种空间机械臂用末端抓捕手爪及抓捕方法，属于空间机械臂末端工具技术领域，涉及一种可以在三个自由度上对目标物进行抓捕和连接的机械臂末端操作手爪。该手爪通过双丝杠嵌套的结构，完成对目标物被动端的抓取、连接和固定。该手爪可用于空间机械臂抓捕及对接系统。
背景技术
抓捕手爪是一种空间机械臂的末端执行工具，其作为空间软对接，抓捕等功能的执行器，有着不可或缺的作用，同时，空间在轨操作对手爪的紧凑性，可靠性，均提出了更高的要求。
现阶段的空间用抓捕手爪大多数只能在两个自由度上完成对目标物的连接或抓捕，即只能完成抓紧的任务，无法从三个自由度上完成对目标物的固联。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种空间机械臂用末端抓捕手爪及抓捕方法，该手爪通过手爪和顶杆，完成对目标物被动端在三个自由度上的平滑抓捕和固联操作，保证抓捕的刚度和可靠性。
本发明的技术解决方案是：
一种空间机械臂用末端抓捕手爪，该手爪包括三组连杆机构、支撑法兰、空心丝杠、限位杆、空心丝杠螺母、第一轴系、第一电机、前端限位盖、第二轴系、前壳体、螺纹顶杆、第三轴系、顶杆丝杠螺母、中壳体、第二电机、后壳体和端盖；
所述的三组连杆机构中每组连杆机构均包括手指、前连杆、后连杆、传动杆和安装支柱；
所述的前连杆包括主板和与主板垂直的支耳；
所述的手指包括抓捕板、垂直板和限位板，垂直板的一侧为抓捕板，垂直板的另一侧为限位板，抓捕板、垂直板和限位板可以为一体成型结构；
手指中的垂直板的底端通过销钉与前连杆主板的一端活动连接，前连杆主板的另一端通过销钉与支撑法兰上的一个支耳连接；
手指中的限位板的底端通过销钉与后连杆的一端活动连接，后连杆的另一端通过销钉与支撑法兰上的另一个支耳连接；
前连杆的支耳通过销钉与传动杆的一端活动连接，传动杆的另一端通过销钉与安装支柱的一端活动连接，安装支柱的另一端固定连接在空心丝杠螺母上；
端盖通过支撑法兰固定连接在前壳体的顶端；
空心丝杠通过第二轴系连接在端盖上，空心丝杠通过第一轴系连接在前壳体内表面；
空心丝杠套装在螺纹顶杆外面；
空心丝杠螺母套装在空心丝杠外面；
限位杆的一端固定连接在端盖上，限位杆穿过空心丝杠螺母后另一端固定连接在前壳体的底端；
前壳体固定连接在中壳体的上方，后壳体固定连接在中壳体的下方；
顶杆丝杠螺母通过第三轴系连接在中壳体的内侧；顶杆丝杠螺母套装在螺纹顶杆外面；
螺纹顶杆的上面部分为长方体，下面部分为带有螺纹的圆柱；
前端限位盖固定安装在端盖的上方，前端限位盖的中心带有与螺纹顶杆的外形相匹配的方孔，方孔的作用是为了限制螺纹顶杆在周向上的转动；
第一轴系和第三轴系均采用两对背对背安装的角接触球轴承；第二轴系采用深沟球轴承；
螺纹顶杆的顶端带有金属帽，用于进行缓冲；螺纹顶杆的底端通过金属帽进行限位，螺纹顶杆从上到下依次穿过前端限位盖、空心丝杠和顶杆丝杠螺母；
空心丝杠通过第一电机进行驱动；
顶杆丝杠螺母通过第二电机进行驱动；
手指与前连杆的连接点、手指与后连杆的连接点、支撑法兰与前连杆的连接点、支撑法兰与后连杆的连接点形成平行四边形的四个端点，其目的是为了保证手指的抓捕板在抓捕过程中始终处于垂直状态。
一种空间机械臂用末端抓捕手爪的抓捕方法，该方法为：
第一电机驱动空心丝杠旋转，空心丝杠带动空心丝杠螺母在限位杆的限制下沿直线进动，空心丝杠螺母通过安装支柱带动传动杆运动，传动杆推动前连杆运动，前连杆再带动手指合拢，抱紧目标物体被动端，完成限位；同时，第二电机驱动顶杆丝杠螺母旋转，顶杆丝杠螺母带动螺纹顶杆在前端限位盖的限制下沿直线进动，从底端顶住目标物体，完成限位抓捕。
有益效果
(1)本发明的采用平行四边形连杆结构，保证前端手爪在运动过程中始终保持垂直状态，提高了抓捕过程中的容差，保证了抓捕过程的平滑性；
(2)本发明所使用的两个电机均采用空心电机，双丝杠采用嵌套的结构，在保证功能的同时增加了结构的紧凑性，使得手爪所占空间很小；
(3)本发明前端手指可根据目标物被动端对接装置的形状进行替换，可应用在不同场景及环境下；
(4)本发明通过三手指、一顶杆的结构有效地保证了对目标物的六个自由度上的连接与固定，提高了抓捕后的整体刚度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为手指的结构示意图。
具体实施方式
本发明设计一个由双驱动电机、空心丝杠、轴系、手指、连杆及定位顶杆等零件组成的抓捕手。由电机、丝杠驱动三个手指完成对目标接口的XZ两个方向上的的自由度的约束。顶杆完成对Y方向上约束，从而保证对目标物被动端的抓捕。图1为抓捕手及目标物被动端示意图。
抓捕手由电机1驱动中空丝杠，丝杠带动三手指的连杆运动，从而带动抓捕手末端三手指合拢，抱紧目标物被动端；电机2驱动螺母旋转带动螺纹顶杆运动，顶住被动端平面，保证对被动端Y方向上的约束。
其中，核心部分为双丝杠嵌套结构，电机驱动中空丝杠丝杆旋转，螺母在限位杆的限制下沿直线进动，带动手指组件运动，抱紧目标物体，完成限位；中空丝杠内部过有前端为顶杆的顶杆丝杠及其螺母，第二电机驱动丝杠螺母旋转，顶杆丝杠在前端方形限位孔的限制下沿直线进动，顶住目标物体，完成限位抓捕。
其中，抓捕手的前端手爪部分采用平行四边形连杆结构，由丝杠带动支撑连杆，支撑连杆带动手爪部分进行运动，保证末端手指的接触面在运动过程中始终保持垂直于XZ平面。
驱动部分采用双电机驱动，两电机均采用空心电机，螺纹顶杆穿过中空丝杠内部，在保证功能的同时增加了结构的紧凑性。
前端手指可根据不同被动端形式进行修改设计，末端法兰可根据目标机械臂接口进行修改和转接。
实施例
如图1和图2所示，一种空间机械臂用末端抓捕手爪，该手爪包括三组连杆机构、支撑法兰4、空心丝杠7、限位杆8、空心丝杠螺母9、第一轴系10、第一电机11、前端限位盖12、第二轴系13、前壳体14、螺纹顶杆15、第三轴系16、顶杆丝杠螺母17、中壳体18、第二电机19、后壳体20和端盖21；
所述的三组连杆机构中每组连杆机构均包括手指1、前连杆2、后连杆3、传动杆5和安装支柱6；
所述的前连杆2包括主板和与主板垂直的支耳；
所述的手指1包括抓捕板111、垂直板112和限位板113，垂直板112的一侧为抓捕板111，垂直板112的另一侧为限位板113，抓捕板111、垂直板112和限位板113可以为一体成型结构；
手指1中的垂直板112的底端通过销钉与前连杆2主板的一端活动连接，前连杆2主板的另一端通过销钉与支撑法兰4上的一个支耳连接；
手指1中的限位板113的底端通过销钉与后连杆3的一端活动连接，后连杆3的另一端通过销钉与支撑法兰4上的另一个支耳连接；
前连杆2的支耳通过销钉与传动杆5的一端活动连接，传动杆5的另一端通过销钉与安装支柱6的一端活动连接，安装支柱6的另一端固定连接在空心丝杠螺母9上；
端盖21通过支撑法兰4固定连接在前壳体14的顶端；
空心丝杠7通过第二轴系13连接在端盖21上，空心丝杠7通过第一轴系10连接在前壳体14内表面；
空心丝杠7套装在螺纹顶杆15外面；
空心丝杠螺母9套装在空心丝杠7外面；
限位杆8的一端固定连接在端盖21上，限位杆8穿过空心丝杠螺母9后另一端固定连接在前壳体14的底端；
前壳体14固定连接在中壳体18的上方，后壳体20固定连接在中壳体18的下方；
顶杆丝杠螺母17通过第三轴系16连接在中壳体18的内侧；顶杆丝杠螺母17套装在螺纹顶杆15外面；
螺纹顶杆15的上面部分为长方体，下面部分为带有螺纹的圆柱；
前端限位盖12固定安装在端盖21的上方，前端限位盖12的中心带有与螺纹顶杆15的外形相匹配的方孔，方孔的作用是为了限制螺纹顶杆15在周向上的转动；
第一轴系10和第三轴系16均采用两对背对背安装的角接触球轴承；第二轴系13采用深沟球轴承；
螺纹顶杆15的顶端带有金属帽，用于进行缓冲；螺纹顶杆15的底端通过金属帽进行限位，螺纹顶杆15从上到下依次穿过前端限位盖12、空心丝杠7和顶杆丝杠螺母17；
空心丝杠7通过第一电机11进行驱动；
顶杆丝杠螺母17通过第二电机19进行驱动；
手指1与前连杆2的连接点、手指1与后连杆3的连接点、支撑法兰4与前连杆2的连接点、支撑法兰4与后连杆3的连接点形成平行四边形的四个端点，其目的是为了保证手指1的抓捕板在抓捕过程中始终处于垂直状态。
一种空间机械臂用末端抓捕手爪的抓捕方法，该方法为：
第一电机11驱动空心丝杠7旋转，空心丝杠7带动空心丝杠螺母9在限位杆8的限制下沿直线进动，空心丝杠螺母9通过安装支柱6带动传动杆5运动，传动杆5推动前连杆2运动，前连杆2再带动手指1合拢，抱紧目标物体被动端，完成限位；同时，第二电机19驱动顶杆丝杠螺母17旋转，顶杆丝杠螺母17带动螺纹顶杆15在前端限位盖12的限制下沿直线进动，从底端顶住目标物体，完成限位抓捕。

Claims (9)

1.一种空间机械臂用末端抓捕手爪，其特征在于：该手爪包括三组连杆机构、支撑法兰(4)、空心丝杠(7)、限位杆(8)、空心丝杠螺母(9)、第一轴系(10)、第一电机(11)、前端限位盖(12)、第二轴系(13)、前壳体(14)、螺纹顶杆(15)、第三轴系(16)、顶杆丝杠螺母(17)、中壳体(18)、第二电机(19)、后壳体(20)和端盖(21)；
所述的三组连杆机构中每组连杆机构均包括手指(1)、前连杆(2)、后连杆(3)、传动杆(5)和安装支柱(6)；
所述的手指(1)包括抓捕板(111)、垂直板(112)和限位板(113)，垂直板(112)的一侧为抓捕板(111)，垂直板(112)的另一侧为限位板(113)；
手指(1)中的垂直板(112)的底端与前连杆(2)主板的一端活动连接，前连杆(2)主板的另一端与支撑法兰(4)上的一个支耳连接；
手指(1)中的限位板(113)的底端与后连杆(3)的一端活动连接，后连杆(3)的另一端与支撑法兰(4)上的另一个支耳连接；
前连杆(2)的支耳与传动杆(5)的一端活动连接，传动杆(5)的另一端与安装支柱(6)的一端活动连接，安装支柱(6)的另一端固定连接在空心丝杠螺母(9)上；
端盖(21)通过支撑法兰(4)固定连接在前壳体(14)的顶端；
空心丝杠(7)通过第二轴系(13)连接在端盖(21)上，空心丝杠(7)通过第一轴系(10)连接在前壳体(14)内表面；
空心丝杠(7)套装在螺纹顶杆(15)外面；
空心丝杠螺母(9)套装在空心丝杠(7)外面；
限位杆(8)的一端固定连接在端盖(21)上，限位杆(8)穿过空心丝杠螺母(9)后另一端固定连接在前壳体(14)的底端；
前壳体(14)固定连接在中壳体(18)的上方，后壳体(20)固定连接在中壳体(18)的下方；
顶杆丝杠螺母(17)通过第三轴系(16)连接在中壳体(18)的内侧；顶杆丝杠螺母(17)套装在螺纹顶杆(15)外面；
前端限位盖(12)固定安装在端盖(21)的上方；
空心丝杠(7)通过第一电机(11)进行驱动；
顶杆丝杠螺母(17)通过第二电机(19)进行驱动。
2.根据权利要求1所述的一种空间机械臂用末端抓捕手爪，其特征在于：所述的前连杆(2)包括主板和与主板垂直的支耳。
3.根据权利要求1所述的一种空间机械臂用末端抓捕手爪，其特征在于：抓捕板(111)、垂直板(112)和限位板(113)为一体成型结构。
4.根据权利要求1所述的一种空间机械臂用末端抓捕手爪，其特征在于：螺纹顶杆(15)的上面部分为长方体，下面部分为带有螺纹的圆柱。
5.根据权利要求1所述的一种空间机械臂用末端抓捕手爪，其特征在于：前端限位盖(12)的中心带有与螺纹顶杆(15)的外形相匹配的方孔，方孔用于限制螺纹顶杆(15)在周向上的转动。
6.根据权利要求1所述的一种空间机械臂用末端抓捕手爪，其特征在于：第一轴系(10)和第三轴系(16)均采用两对背对背安装的角接触球轴承；第二轴系(13)采用深沟球轴承。
7.根据权利要求1所述的一种空间机械臂用末端抓捕手爪，其特征在于：螺纹顶杆(15)的顶端带有金属帽，螺纹顶杆(15)的底端通过金属帽进行限位，螺纹顶杆(15)从上到下依次穿过前端限位盖(12)、空心丝杠(7)和顶杆丝杠螺母(17)。
8.根据权利要求1所述的一种空间机械臂用末端抓捕手爪，其特征在于：手指(1)与前连杆(2)的连接点、手指(1)与后连杆(3)的连接点、支撑法兰(4)与前连杆(2)的连接点、支撑法兰(4)与后连杆(3)的连接点形成平行四边形的四个端点。
9.一种使用权利要求1-8任一所述的空间机械臂用末端抓捕手爪进行抓捕的方法，其特征在于步骤为：
第一电机(11)驱动空心丝杠(7)旋转，空心丝杠(7)带动空心丝杠螺母(9)在限位杆(8)的限制下沿直线进动，空心丝杠螺母(9)通过安装支柱(6)带动传动杆(5)运动，传动杆(5)推动前连杆(2)运动，前连杆(2)再带动手指(1)合拢，抱紧目标物体被动端，完成限位；同时，第二电机(19)驱动顶杆丝杠螺母(17)旋转，顶杆丝杠螺母(17)带动螺纹顶杆(15)在前端限位盖(12)的限制下沿直线进动，从底端顶住目标物体，完成限位抓捕。
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