CN115246130B - 三自由度关节及其柔性变刚度空间机械臂 - Google Patents

Abstract

一种三自由度关节及其柔性变刚度空间机械臂，包括：固定设置于固定支撑结构上的移动结构和扭转结构以及转动设置于固定支撑结构上且分别与移动结构和扭转结构相接触的传动结构；柔性变刚度空间机械臂，包括：若干个三自由度关节以及主体结构，本发明基于具有柔性变刚度特点的可折展结构，通过关节结构设计，实现关节在主体结构上的移动以及主体结构的弯折和扭转，从而调整主体结构的构型，多关节的共同作用可以完成主体结构复杂构型的实现，使机械臂自由度数量增加，从而在进行太空垃圾捕获时具有更高的灵活性。

Description

三自由度关节及其柔性变刚度空间机械臂

技术领域

本发明涉及的是一种太空操作领域的技术，具体是一种三自由度关节及其柔性变刚度空间机械臂。

背景技术

随着人类空间探索活动的发展，随之产生的太空垃圾数量逐渐增加，对在轨航天器以及空间作业人员的安全造成威胁。通过主动清除的方式转移现有太空垃圾，对维护可持续的空间探索环境具有重要的意义。现有太空垃圾捕获装置包括飞网、鱼叉、刚性机械臂等。其中，柔性飞网、鱼叉等捕获方式存在不可重复使用的缺陷。刚性机械臂由于其结构限制，难以实现对于较远处目标物的捕获。此外，一些可折展结构也在空间技术中得到广泛的应用。一些折展结构具有柔性与变刚度的特点，且可以具有较广的作用范围，但将其应用于空间机械臂的设计中并通过其结构特性提高机械臂灵活性的应用较少。

发明内容

本发明针对现有用于太空垃圾捕获的空间机械臂作用范围有限、灵活度不足的缺陷，提出一种三自由度关节及其柔性变刚度空间机械臂，基于具有柔性变刚度特点的可折展结构，通过关节结构设计，实现关节在主体结构上的移动以及主体结构的弯折和扭转，从而调整主体结构的构型，多关节的共同作用可以完成主体结构复杂构型的实现，使机械臂自由度数量增加，从而在进行太空垃圾捕获时具有更高的灵活性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种三自由度关节，包括：固定设置于固定支撑结构上的移动结构和扭转结构以及转动设置于固定支撑结构上且分别与移动结构和扭转结构相接触的传动结构。

本发明涉及一种基于上述三自由度关节的柔性变刚度空间机械臂，包括：若干个三自由度关节以及主体结构，其中：主体结构依次通过每个三自由度关节的扭转限位板、主动转动辊子与从动转动辊子、转动限位板，通过分别控制各个三自由度关节独立实现扭转动作、移动动作、转动动作和弯折变形动作实现多关节协同的构型调整与改变。

技术效果

本发明的移动自由度通过关节内部同步夹紧机械臂主体双曲结构的反向转动的辊子对与机械臂主体双曲结构之间的摩擦作用实现。转动自由度通过电机驱动关节内部转动限位板，并由转动限位板与机械臂主体双曲结构的接触作用实现。扭转自由度通过电机驱动穿过机械臂主体双曲结构的扭转限位板转动，并由扭转限位板带动与主体结构扭转方向的接触作用实现。本装置作用于双曲结构机械臂主体，实现关节在机械臂主体上的移动，从而调整机械臂各段的相对长度。上述关节转动自由度的作用可实现主体结构沿关节内辊子对夹紧处的弯曲。上述关节扭转自由度的作用可实现主体结构沿延伸方向的扭转转动。移动、转动、扭转三个自由度的复合作用可实现主体结构在关节作用部分构型的改变。多个上述关节的协同作用可实现主体结构复杂构型的调整，以便于空间环境复杂捕获任务的实现。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2为关节扭转结构作用原理示意图；

图3为主体结构扭转效果示意图；

图4为扭转限位板、扭转传动齿轮、扭转驱动元件、扭转驱动元件固定件、第一支撑件组装示意图；

图5为扭转限位板、扭转传动齿轮、扭转驱动元件、扭转驱动元件固定件、第一支撑件部分零件爆炸图；

图6为关节移动结构作用原理示意图；

图7为主动转动辊子、从动转动辊子、固定框架、轴承、第一支撑件、第二支撑件的部分零件爆炸图；

图8为关节传动结构作用原理示意图；

图9为扭转限位板结构示意图；

图10为机械臂多关节协同作用效果示意图；

图中：1扭转限位板、2扭转传动齿轮、3扭转驱动元件、4扭转驱动元件固定件、5第一支撑件、6第二支撑件、7主动转动辊子、8从动转动辊子、9移动驱动元件、10移动驱动元件固定件、11轴承、12固定框架、13转动限位板、14转动传动齿轮、15转动驱动元件、16主体结构、17柔性变刚度空间机械臂三自由度关节、18基座。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及一种三自由度关节，包括：固定设置于固定支撑结构上的移动结构和扭转结构以及转动设置于固定支撑结构上且分别与移动结构和扭转结构相接触的传动结构。

如图1和图7所示，所述的固定支撑结构包括：依次相连的第一支撑件5、第二支撑件6和固定框架12，其中：第一支撑件5上设有用于设置扭转结构的扭转驱动元件固定件4，固定框架12上设有用于设置移动结构的移动驱动元件固定件10。

所述的固定框架12包括：四个子框架1201～1204。

如图1至图5所示，所述的扭转结构包括：与固定支撑结构固定连接的扭转限位板1以及设置于扭转限位板1上的扭转驱动元件3和扭转传动齿轮2，其中：扭转驱动元件3设置于第一支撑件5上，扭转限位板1分别与第一支撑件5以及第二支撑件6相连，扭转驱动元件3与扭转传动齿轮2相连，直接驱动扭转传动齿轮2的转动。

如图9所示，所述的扭转限位板1包括：齿轮状扭转限位结构101、上方固定结构102和下方固定结构103，其中：齿轮状扭转限位结构101的轮廓为与扭转驱动齿轮2相对应的齿形，中间设有供主体结构16通过的弧形缝隙，上下表面分别设有对应上方固定结构102与下方固定结构103的圆弧限位槽。当上方固定结构102与下方固定结构103叠合时，固定结构的弧形突起与齿轮状扭转限位结构101的弧形限位槽相配合，可实现齿轮状扭转限位结构101在保持转动能力同时轴向与径向得到完全约束。

所述的扭转传动齿轮2带动齿轮状扭转限位结构101的转动。

如图6和图7所示，所述的移动结构包括：移动驱动元件9、主动转动辊子7与从动转动辊子8，其中：主动转动辊子7与从动转动辊子8分别通过轴承11转动设置于固定支撑结构的固定框架12上，移动驱动元件9通过移动驱动元件固定件10设置于固定框架12的第一子框架1201中并与主动传动辊子7相连。

所述的主动传动辊子7在本实施例中采用主动传动齿轮701实现；从动转动辊子8在本实施例中采用从动传动齿轮801实现，通过主动传动齿轮701驱动相啮合的从动传动齿轮801转动，实现从动转动辊子8的同步反向转动。

如图8所示，所述的传动结构包括：设置于固定支撑结构上的转动限位板13、转动驱动元件15和转动传动齿轮14，其中：转动驱动元件15具体设置于第二支撑件6上并与转动传动齿轮14相连，直接驱动转动传动齿轮14的转动；转动限位板13的一端为局部齿轮结构且转动传动齿轮14相啮合，转动传动齿轮14带动转动限位板13的转动。

如图10所示，为本实施例涉及的一种基于上述三自由度关节的柔性变刚度空间机械臂，包括：若干个三自由度关节以及主体结构16，其中：主体结构16依次通过每个三自由度关节的扭转限位板1、主动转动辊子7与从动转动辊子8、转动限位板13，通过分别控制各个三自由度关节独立实现扭转动作、移动动作、转动动作和弯折变形动作实现多关节协同的构型调整与改变。

如图2和图3所示，所述的扭转动作，通过主体结构16穿过扭转限位板1的限位缝隙，在转动齿轮状扭转限位结构101的转动以及主动转动辊子7与从动转动辊子8夹紧的共同作用下实现，具体为：未经扭转限位板1作用的主体结构16的截面与经主动转动辊子7与从动转动辊子8夹紧作用后的主体结构16的截面存在错动，展示主体结构16的扭转效果。

如图6所示，所述的移动动作，通过主动转动辊子7与从动转动辊子8的转动，使主体结构16与三自由度关节整体在摩擦力的作用下发生相对位置的改变得以实现，具体为：在主动转动辊子7与从动转动辊子8对主体结构16的夹紧作用下，当主动转动辊子7与从动转动辊子8同步反向转动时，摩擦力作用使关节在主体结构16上发生相对移动，表现为主体结构16在各关节之间主体结构长度的改变。

所述的转动动作，通过主体结构16穿过转动限位板13的限位缝隙，转动限位板13的转动实现。

如图8所示，所述的弯折变形动作是指：未经转动限位板13作用的主体结构16的延伸方向与经转动限位板13作用的主体结构16的延伸方向存在改变，展示主体结构16局部区域的弯折效果。

如图1和图10所示，所述的主体结构16为一组双曲折展结构带，每根结构带的横截面具有曲率，在无外力作用下可保持一定的刚性，并在被主动转动辊子7与从动转动辊子8夹紧后刚度降低的特性；机械臂主体双曲结构16依次穿过多个关节结构，在多关节的作用下可实现机械臂构型的调整。

如图10所示，所述的多关节协同是指：从基座18延伸出的主体结构16依次穿过多个柔性变刚度空间机械臂三自由度关节17；多个关节协同作用时，通过每个关节扭转、移动、转动自由度的分别作用，机械臂可实现复杂的构型改变。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种三自由度关节，其特征在于，包括：固定设置于固定支撑结构上的移动结构和扭转结构以及转动设置于固定支撑结构上且分别与移动结构和扭转结构相接触的传动结构；

所述的固定支撑结构包括：依次相连的第一支撑件、第二支撑件和固定框架，其中：第一支撑件上设有用于设置扭转结构的扭转驱动元件固定件，固定框架上设有用于设置移动结构的移动驱动元件固定件；

所述的扭转结构包括：与固定支撑结构固定连接的扭转限位板以及设置于扭转限位板上的扭转驱动元件和扭转传动齿轮，其中：扭转驱动元件设置于第一支撑件上，扭转限位板分别与第一支撑件以及第二支撑件相连，扭转驱动元件与扭转传动齿轮相连，直接驱动扭转传动齿轮的转动；

所述的扭转限位板包括：齿轮状扭转限位结构、上方固定结构和下方固定结构，其中：齿轮状扭转限位结构的轮廓为与扭转驱动齿轮相对应的齿形，中间设有供主体结构通过的弧形缝隙，上下表面分别设有对应上方固定结构与下方固定结构的圆弧限位槽；当上方固定结构与下方固定结构叠合时，固定结构的弧形突起与齿轮状扭转限位结构的弧形限位槽相配合，可实现齿轮状扭转限位结构在保持转动能力同时轴向与径向得到完全约束；

所述的移动结构包括：移动驱动元件、主动转动辊子与从动转动辊子，其中：主动转动辊子与从动转动辊子分别通过轴承转动设置于固定支撑结构的固定框架上，移动驱动元件通过移动驱动元件固定件设置于固定框架的第一子框架中并与主动传动辊子相连；

所述的主体结构为一组双曲折展结构带，每根结构带的横截面具有曲率，在无外力作用下可保持一定的刚性，并在被主动转动辊子与从动转动辊子夹紧后刚度降低的特性；机械臂主体双曲结构依次穿过多个关节结构，在多关节的作用下可实现机械臂构型的调整，在主动转动辊子与从动转动辊子对主体结构的夹紧作用下，摩擦力作用使关节在主体结构上发生相对移动。

2.根据权利要求1所述的三自由度关节，其特征是，所述的主动传动辊子采用主动传动齿轮实现；从动转动辊子采用从动传动齿轮实现，通过主动传动齿轮驱动相啮合的从动传动齿轮转动，实现从动转动辊子的同步反向转动。

3.根据权利要求1所述的三自由度关节，其特征是，所述的传动结构包括：设置于固定支撑结构上的转动限位板、转动驱动元件和转动传动齿轮，其中：转动驱动元件具体设置于第二支撑件上并与转动传动齿轮相连，直接驱动转动传动齿轮的转动；转动限位板的一端为局部齿轮结构且转动传动齿轮相啮合，转动传动齿轮带动转动限位板的转动。

4.一种基于权利要求1～3中任一所述三自由度关节的柔性变刚度空间机械臂，其特征在于，包括：若干个三自由度关节以及主体结构，其中：主体结构依次通过每个三自由度关节的扭转限位板、主动转动辊子与从动转动辊子、转动限位板，通过分别控制各个三自由度关节独立实现扭转动作、移动动作、转动动作和弯折变形动作实现多关节协同的构型调整与改变；

所述的扭转动作，通过主体结构穿过扭转限位板的限位缝隙，在转动齿轮状扭转限位结构的转动以及主动转动辊子与从动转动辊子夹紧的共同作用下实现，

所述的移动动作，通过主动转动辊子与从动转动辊子的转动，使主体结构与三自由度关节整体在摩擦力的作用下发生相对位置的改变得以实现；

所述的转动动作，通过主体结构穿过转动限位板的限位缝隙，转动限位板的转动实现；

所述的弯折变形动作是指：未经转动限位板作用的主体结构的延伸方向与经转动限位板作用的主体结构的延伸方向存在改变，展示主体结构局部区域的弯折效果。

5.根据权利要求4所述的柔性变刚度空间机械臂，其特征是，所述的扭转动作，具体为：未经扭转限位板作用的主体结构的截面与经主动转动辊子与从动转动辊子夹紧作用后的主体结构的截面存在错动，展示主体结构的扭转效果；

所述的移动动作，具体为：在主动转动辊子与从动转动辊子对主体结构的夹紧作用下，当主动转动辊子与从动转动辊子同步反向转动时，摩擦力作用使关节在主体结构上发生相对移动，表现为主体结构在各关节之间主体结构长度的改变。

6.根据权利要求4所述的柔性变刚度空间机械臂，其特征是，所述的多关节协同是指：从基座延伸出的主体结构依次穿过多个柔性变刚度空间机械臂三自由度关节；多个关节协同作用时，通过每个关节扭转、移动、转动自由度的分别作用，机械臂可实现复杂的构型改变。