CN114939876B - 一种面向在轨操作的机器人末端执行器 - Google Patents

Abstract

一种面向在轨操作的机器人末端执行器，涉及一种末端执行器。基座底部固定安装座，内部同轴固定空间凸轮，空间凸轮侧壁加工三条轨道槽，包括一体连通的底端滚子收放槽、中间曲线导向槽及顶端倾斜滑移槽，内环套装在空间凸轮外部，内环内壁底部固定三个滑动滚子并分别伸入三条轨道槽内，内环外壁顶部设置四个凸缘一，外环套装在内环外部，外环内壁沿设置四条竖向滑槽，内环外壁底部设置四个滑块分别与四条竖向滑槽滑动配合，容差环固定在基座槽口顶部，容差环顶端设置四个插接凸块，顶部中间位置为尖端而两侧为竖直配合面，驱动机构驱动外环进行旋转。操作过程稳定，结构更加简化，有助于提高操作精度和控制整体质量。

Description

一种面向在轨操作的机器人末端执行器

技术领域

本发明涉及一种末端执行器，尤其是一种面向在轨操作的机器人末端执行器，属于空间机器人在轨服务技术领域。

背景技术

随着空间科学技术不断发展，太空望远镜、太空发电站及太空栖息地等大型空间设施建设需求日益迫切，而在轨装配技术可突破运载工具限制，使建造超大型空间设施成为可能。其中，空间机器人为完成在轨装配等任务需面临空间桁架攀爬、操作功能模块等在轨操作任务。

目前，用于辅助空间机器人完成在轨操作任务的末端执行器大致可分为基于连杆机构的夹爪和基于专用接口的末端执行器两类。基于连杆机构的夹爪在攀爬时常因摩擦力不足产生滑动、转动等问题，造成机器人基座晃动，给机器人的控制产生很大影响。并且，其在操作功能模块时，须有特定抓取位置，移动功能模块过程中同样存在因摩擦力不足导致功能模块滑动的问题。功能模块一旦滑动，就无法确定其具体位姿，导致安装过程失败，有可能造成重大事故。基于专用接口的末端执行器在攀爬或操作功能模块时不存在滑动问题，但其需在空间桁架与功能模块安装同样的专用接口，这大大增加了整个系统的质量。并且，在庞大的空间桁架系统上都安装专用接口是不现实的。

综上，针对空间机器人攀爬和操作功能模块等任务，研发一种操作过程稳定且不需要设置专用接口的末端执行器，以提高操作精度和控制整体质量，具有重大的应用价值和实际意义。

发明内容

为解决背景技术存在的不足，本发明提供一种面向在轨操作的机器人末端执行器，其顶端设置容差环与适配孔的边缘孔插装定位，内部能够旋转伸出的内环与适配孔的中心孔配合实现锁定效果，操作过程稳定，结构更加简化，有助于提高操作精度和控制整体质量。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种面向在轨操作的机器人末端执行器，包括安装座、基座、驱动机构、空间凸轮、内环、外环以及容差环，所述基座为圆槽状构件且其底部固定所述安装座，基座内部同轴固定空间凸轮，所述空间凸轮为圆柱状构件且其侧壁沿周向等角度加工三条轨道槽，所述轨道槽包括一体连通设置的底端滚子收放槽、中间曲线导向槽及顶端倾斜滑移槽，所述内环同轴套装在空间凸轮外部，内环内壁底部沿周向等角度固定三个滑动滚子，所述三个滑动滚子分别伸入三条轨道槽内，内环外壁顶部沿周向等角度一体设置四个凸缘一，所述外环同轴套装在内环外部，外环内壁沿周向等角度设置四条竖向滑槽，内环外壁底部沿周向等角度一体设置四个滑块，所述四个滑块分别与所述四条竖向滑槽滑动配合，所述容差环固定在基座槽口顶部，容差环顶端沿周向等角度一体设置四个插接凸块，所述插接凸块顶部中间位置为尖端而两侧为竖直配合面，所述驱动机构设置于安装座内并与基座底部安装固定，驱动机构的输出端伸入基座内并能够驱动外环进行旋转。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的末端执行器在顶端设置容差环与适配孔的边缘孔插装定位，四个插接凸块顶部为尖端，在对接过程中起导向作用，四个插接凸块两侧为竖直配合面有助于解决绕Z轴转矩产生分离力的问题，末端执行器内部能够旋转伸出的内环与适配孔的中心孔配合实现锁定效果，在空间凸轮外部套装内环，在内环外部套装外环，内环内壁通过滑动滚子与空间凸轮侧壁的轨道槽配合，内环外壁通过滑块与外环内壁的滑槽配合，外环被驱动旋转过程中通过轨道槽与滑槽的共同通作用实现内环旋转伸出，内环顶部设置四个凸缘一，在内环顶部完全旋转伸出时四个凸缘一的位置与中心孔的四个凸缘二的位置对应，从而实现内环顶部对适配孔的中心孔进行锁定，相比于传统基于连杆机构的夹爪，操作过程更加稳定，相比于传统基于专用接口的末端执行器不需要设置专用接口，结构更加简化，有助于提高操作精度和控制整体质量，具有重大的应用价值和实际意义。

附图说明

图1是本发明的末端执行器的分解图；

图2是本发明的末端执行器的轴测图，为便于观看省略基座及容差环；

图3是本发明中内环与外环的装配结构示意图；

图4是本发明中滑动滚子与内环的装配结构轴测图；

图5是本发明中空间凸轮的轴测图；

图6是本发明中容差环的轴测图；

图7是本发明在工作过程中内环的旋转伸出过程示意图；

图8是本发明在与适配孔初步插接定位状态下的轴测图；

图9是本发明与适配孔插接定位后内环旋转伸出状态下的轴测图；

图10是本发明与适配孔插接定位后内环完成锁定状态下的轴测图；

图11是本发明应用于在轨机器人的场景图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～图6所示，一种面向在轨操作的机器人末端执行器，包括安装座401、基座404、驱动机构、空间凸轮405、内环407、外环408以及容差环410。

参照图1所示，所述基座404为圆槽状构件且其底部固定所述安装座401，所述安装座401连接端均布四个安装孔用于与机器人的机械臂末端安装定位，基座404内部同轴固定空间凸轮405。

参照图5所示，所述空间凸轮405为圆柱状构件且其侧壁按预定规律沿周向等角度加工三条轨道槽，所述轨道槽包括一体连通设置的底端滚子收放槽411、中间曲线导向槽412及顶端倾斜滑移槽413，通过轨道槽的限定与外环408的竖向滑槽417共同作用，在外环408旋转时能够控制内环407旋转的同时做轴向位移伸出基座404。进一步的，轨道槽位于中间曲线导向槽412与顶端倾斜滑移槽413连接处设置有拱起过渡段414，使内环407旋转伸出时存在一个最高点之后下降一定距离起到防止干涉并夹紧作用。

参照图1、图4所示，所述内环407同轴套装在空间凸轮405外部，内环407内壁底部沿周向等角度固定三个滑动滚子406，所述三个滑动滚子406分别伸入三条轨道槽内，内环407外壁顶部沿周向等角度一体设置四个凸缘一416。

参照图1、图3～图4所示，所述外环408同轴套装在内环407外部，外环408内壁沿周向等角度设置四条竖向滑槽417，内环407外壁底部沿周向等角度一体设置四个滑块415，所述四个滑块415分别与所述四条竖向滑槽417滑动配合。此外，外环408内壁顶部与四条竖向滑槽417顶端对应位置分别一体设置封闭凸起418，防止内环407与外环408滑脱。

参照图6所示，所述容差环410固定在基座404槽口顶部，其边缘为三角曲线，容差环410顶端沿周向等角度一体设置四个插接凸块，所述插接凸块顶部中间位置为尖端419而两侧为竖直配合面420，尖端419在对接过程中起导向作用，两侧的竖直配合面420有助于解决绕Z轴转矩产生分离力的问题。

参照图1～图2所示，所述驱动机构设置于安装座401内并与基座404底部安装固定，驱动机构的输出端伸入基座404内并能够驱动外环408进行旋转，优选的，驱动机构包括减速电机402、主动齿轮403及从动齿圈409，所述减速电机402设置于安装座401内并与基座404底部安装固定，宜采用蜗轮蜗杆减速电机，减速电机402的输出端固定主动齿轮403并伸入基座404内，所述从动齿圈409套设固定在外环408外壁底部并与所述主动齿轮403啮合设置。

参照图8～图11所示，所述末端执行器抓取的物体上设置适配孔5，所述适配孔5包括与内环407配合的中心孔501以及环绕在四周与容差环410的四个插接凸块配合的边缘孔502，所述中心孔501内侧沿周向等角度一体设置四个凸缘二503，所述四个凸缘二503之间形成允许内环407顶部四个凸缘一416伸出的错位空间504，所述内环407顶部完全旋转伸出时四个凸缘一416的位置与中心孔501的四个凸缘二503的位置对应设置。

本发明工作原理为：末端执行器与适配孔5进行锁定具体参照图8～图10所示，在容差环410的尖端419的导向作用下，四个插接凸块插入适配孔5的边缘孔502内，竖直配合面420与边缘孔502紧贴，实现末端执行器与适配孔5位置上的同轴对应，完成初步插接定位参照图8所示，此时，外环408顶部与末端执行器抓取的物体表面紧贴，只存在沿接近方向一个只有度需要限制，下一步进入锁定环节，减速电机402通过主动齿轮403驱动从动齿圈409，从而控制外环408进行旋转，由于内环407与外环408受到四个滑块415与四条竖向滑槽417的限制只能在轴向上进行相对运动，而内环407内壁固定的三个滑动滚子406受到空间凸轮405侧壁三条轨道槽的限制，外环408旋转时带动内环407同步旋转，同时在滑动滚子406与轨道槽的作用下内环407按预定规律逐渐伸出，内环407的旋转伸出过程可参照图7所示，内环407初始位置时滑动滚子406位于空间凸轮405侧壁轨道槽的底端滚子收放槽411内，内环407在旋转伸出过程中四个凸缘一416穿过适配孔5的中心孔501的错位空间504参照图9所示，此过程时滑动滚子406位于空间凸轮405侧壁轨道槽的中间曲线导向槽412内，过最高点后内环407继续旋转直至四个凸缘一416的位置与中心孔501的四个凸缘二503的位置对应，完成锁定参照图10所示，此过程时滑动滚子406位于空间凸轮405侧壁轨道槽的顶端倾斜滑移槽413内，值得注意的是由于中间曲线导向槽412与顶端倾斜滑移槽413连接处设置拱起过渡段414，内环407旋转伸出到最高点之后下降一定距离，起到防止干涉并夹紧作用，而顶端倾斜滑移槽413具有一定倾斜角度，起到进一步夹紧作用，使锁定更加牢靠，减速电机402反向旋转，内环407按上述路径收回即完成解锁。

实施例

参照图11所示，工作场景包括功能模块1、空间桁架2、在轨机器人3和末端执行器4，在轨机器人3具有四个机械臂31、32、33、34，且机械臂末端均安装固定有末端执行器4，在功能模块1和空间桁架2上根据需求设置适配孔5，在轨机器人3通过末端执行器4与功能模块1和空间桁架2上的适配孔5进行锁定，结合四个机械臂31、32、33、34的动作实现在空间桁架2上攀爬和操作功能模块1的任务，图11中机械臂31、34在进行操作功能模块1任务，机械臂32、33在进行空间桁架2攀爬任务，末端执行器4在插入适配孔5过程中可能存在位姿误差，此时机械臂采取可采取阻抗控制模式，靠容差环410的导向作用补偿位姿偏差。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种面向在轨操作的机器人末端执行器，其特征在于：包括安装座(401)、基座(404)、驱动机构、空间凸轮(405)、内环(407)、外环(408)以及容差环(410)，所述基座(404)为圆槽状构件且其底部固定所述安装座(401)，基座(404)内部同轴固定空间凸轮(405)，所述空间凸轮(405)为圆柱状构件且其侧壁沿周向等角度加工三条轨道槽，所述轨道槽包括一体连通设置的底端滚子收放槽(411)、中间曲线导向槽(412)及顶端倾斜滑移槽(413)，所述内环(407)同轴套装在空间凸轮(405)外部，内环(407)内壁底部沿周向等角度固定三个滑动滚子(406)，所述三个滑动滚子(406)分别伸入三条轨道槽内，内环(407)外壁顶部沿周向等角度一体设置四个凸缘一(416)，所述外环(408)同轴套装在内环(407)外部，外环(408)内壁沿周向等角度设置四条竖向滑槽(417)，内环(407)外壁底部沿周向等角度一体设置四个滑块(415)，所述四个滑块(415)分别与所述四条竖向滑槽(417)滑动配合，所述容差环(410)固定在基座(404)槽口顶部，容差环(410)顶端沿周向等角度一体设置四个插接凸块，所述插接凸块顶部中间位置为尖端(419)而两侧为竖直配合面(420)，所述驱动机构设置于安装座(401)内并与基座(404)底部安装固定，驱动机构的输出端伸入基座(404)内并能够驱动外环(408)进行旋转。

2.根据权利要求1所述的一种面向在轨操作的机器人末端执行器，其特征在于：所述机器人末端执行器抓取的物体上设置适配孔(5)，所述适配孔(5)包括与内环(407)配合的中心孔(501)以及环绕在四周与容差环(410)的四个插接凸块配合的边缘孔(502)，所述中心孔(501)内侧沿周向等角度一体设置四个凸缘二(503)，所述四个凸缘二(503)之间形成允许内环(407)顶部四个凸缘一(416)伸出的错位空间(504)，所述内环(407)顶部完全旋转伸出时四个凸缘一(416)的位置与中心孔(501)的四个凸缘二(503)的位置对应设置。

3.根据权利要求1或2所述的一种面向在轨操作的机器人末端执行器，其特征在于：所述驱动机构包括减速电机(402)、主动齿轮(403)及从动齿圈(409)，所述减速电机(402)设置于安装座(401)内并与基座(404)底部安装固定，减速电机(402)的输出端固定主动齿轮(403)并伸入基座(404)内，所述从动齿圈(409)套设固定在外环(408)外壁底部并与所述主动齿轮(403)啮合设置。

4.根据权利要求3所述的一种面向在轨操作的机器人末端执行器，其特征在于：所述减速电机(402)采用蜗轮蜗杆减速电机。

5.根据权利要求1或2所述的一种面向在轨操作的机器人末端执行器，其特征在于：所述轨道槽位于中间曲线导向槽(412)与顶端倾斜滑移槽(413)连接处设置有拱起过渡段(414)。

6.根据权利要求1或2所述的一种面向在轨操作的机器人末端执行器，其特征在于：所述外环(408)内壁顶部与四条竖向滑槽(417)顶端对应位置分别一体设置封闭凸起(418)。

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