CN115847470B - 一种基于机械臂具有自适应性的空间包络捕获末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于机械臂具有自适应性的空间包络捕获末端执行器，主要包括腕关节、底座、支架、手爪、三叶转盘、舵机、绳索。手爪包括壳体、支撑套筒、侧板、折展机构、伸出杆、压缩弹簧组件。当折展机构处于折叠状态时，压缩弹簧组件中的压缩弹簧处于压缩状态，壳体为所述手爪的外部，手爪在舵机作用下，实现壳体对目标的捕获；当折展机构呈展开状态时，折展机构形成网状，对微小目标实现包络捕获。本发明结构简单，控制精度要求低，可捕获任意外形目标，对任意目标棱边/角进行抓捕，对微小目标实现包络捕获，具有较强的兼容性。

Description

一种基于机械臂具有自适应性的空间包络捕获末端执行器

技术领域

本发明属于航天机械设备技术领域，具体是一种基于机械臂具有自适应性的空间包络捕获末端执行器。

背景技术

自1957年发射了首颗人造卫星以来，现在太空中已经有大约4000个火箭残骸和卫星，并超过有6000个被监控的大型碎片和超过20万个大于1厘米但没有被监控的碎片。

1978年美国科学家唐纳德·凯斯勒提出了凯斯勒综合征，他指出在太空垃圾过于密集的情况下，一颗卫星偏离轨道或者遭到一颗流星的撞击时会产生连锁反应，继而会有大量卫星受到损坏，变成更多的太空垃圾。同时空间碎片的不断产生对有限的轨道资源也构成严重威胁，尤其是当某一轨道高度的空间碎片密度达到一个临界密度时，碎片之间的链式碰撞过程将会造成轨道资源的永久性破坏。

随着航天科技的发展，太空垃圾的问题引发了人们的关注，机械臂的灵活性和工作范围的广度使得其在太空任务中得到青睐，因此机械臂的应用也愈发成熟和广泛。目前国内外对于机械臂末端执行器有了不少研究，大致可以分为两类，第一类是针对某个特定目标的末端执行器例如MDA公司提出的末端捕获机构抓取对象是目标星的星箭对接环，该执行器可快速抓捕，但操作复杂且只能针对确定目标进行操作；第二类是多指式机构，例如中科院合肥智能机械研究所研制的欠驱动手爪，可对小目标实现精准抓取，但该类执行器结构复杂，操作精度要求高。

综上所述，目前对太空垃圾捕获的方案中，机械臂末端执行器大都存在的技术问题是：结构组成复杂，控制精度要求高且复杂，无法对任意目标进行捕获。

发明内容

为了克服现有末端执行器在对太空垃圾进行抓捕时存在的结构复杂，控制精度要求高，无法对任意目标进行捕获不足，本发明提出了一种基于机械臂具有自适应的空间包络捕获末端执行器。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种基于机械臂具有自适应的空间包络捕获末端执行器，主要包括腕关节、底座、支架、手爪、三叶转盘、舵机、绳索。

所述腕关节位于执行器的下部，与对外连接的机械臂相连。所述底座位于所述腕关节上侧，与所述腕关节固定连接。

所述底座上侧设置1个三叶转盘、3个支架、3个舵机，所述三叶转盘位于底座上侧的中心，3个支架、3个舵机均位于三叶转盘圆周外侧、均布。

所述三叶转盘与所述底座同轴心，在轴心处与底座轴连接，所述三叶转盘可绕轴转动，由机械臂的信号线控制三叶转盘的转动。所述支架、所述舵机与所述底座固定连接。

所述手爪与所述支架铰接，所述手爪与所述舵机连接，在舵机作用下，所述手爪可以绕所述支架的铰接轴转动，使手爪的上部向底座的中心轴线移动，3个手爪形成抓紧或松开的动作，即实现手爪的张合。滑轮位于所述三叶转盘上，与所述三叶转盘固定连接。

所述手爪包括壳体、支撑套筒、侧板、折展机构、伸出杆、压缩弹簧组件。所述支撑套筒、所述侧板、所述折展机构、所述伸出杆、所述压缩弹簧组件均位于所述壳体内。

当折展机构处于收起状态时，所述压缩弹簧组件中的压缩弹簧处于压缩状态，所述壳体为所述手爪的外部，梨形形状，所述支撑套筒与所述壳体固定连接。所述手爪在舵机作用下，实现壳体对目标的捕获。壳体材料为介电弹性材料，可通过机械臂信号线对壳体电压的控制，实现壳体的形变，以此对目标进行自适应抓捕。所述伸出杆设置在所述手爪的中心位置，与所述支撑套筒同轴心。所述侧板位于所述伸出杆两侧，对称分布。所述折展机构、所述伸出杆、所述侧板、所述压缩弹簧组件均位于所述支撑套筒的内部，由手爪的中心轴线向外依次为伸出杆、折展机构、侧板、支撑套筒。所述侧板与所述伸出杆连接，连接方式为铰接。所述折展机构分别与所述伸出杆、所述侧板连接，连接方式均为铰接。

所述伸出杆在近手爪底部的一端设置有压缩弹簧组件。所述压缩弹簧组件包括压缩弹簧、弹簧座。所述压缩弹簧的一端与所述伸出杆的一端相接，所述压缩弹簧的另一端与所述弹簧座相接。

所述绳索穿过所述壳体、所述压缩弹簧组件，与所述伸出杆下端连接，所述绳索还穿过所述手爪底部，通过所述滑轮与所述三叶转盘连接。即所述绳索的一端与所述伸出杆连接，另一端与所述三叶转盘连接。

所述折展机构包括柔性连杆、连接关节。所述柔性连杆通过所述连接关节相连接，所述柔性连杆与所述伸出杆、所述侧板均通过所述连接关节相连接。通过所述伸出杆在所述支撑套筒内的伸出或缩回，使伸出杆与侧板的夹角角度变化，实现折展机构的压缩或展开。当折展机构呈展开状态时，所述柔性连杆通过所述连接关节，形成平行四边形机构，所述折展机构形成网状。

上述的空间包络捕获末端执行器，所述压缩弹簧的弹性系数为1500N/m。

上述的空间包络捕获末端执行器，所述折展机构还可以为基于Bennett机构的折展机构。

上述的空间包络捕获末端执行器，所述折展机构还可以为基于8R机构的折展机构。

上述的空间包络捕获末端执行器，所述壳体还可以为丝状的介电弹性材料，由介电弹性材料丝均布形成梨形形状。

本发明的有益效果是：

一种基于机械臂具有自适应的空间包络捕获末端执行器，该执行器结构简单，控制精度要求低，可捕获任意外形目标，对任意目标棱边/角进行抓捕，对微小目标实现包络捕获。整个末端执行器由三个手爪构成，并设置有底座与腕关节相配合，手爪在底座上呈圆周均匀分布，采用介电弹性材料，通过形变适应不同外形尺寸目标的棱边/角进行抓捕，手爪腕关节设置有扭簧，一定程度上消除在抓捕过程中产生的碰撞和旋转，手爪内部设置有伸出杆，伸出杆两侧设置有可活动的侧板，二者中间设置有由连杆铰接的折展机构，伸出杆底端设置有绳索与三叶转盘相连，手爪底部设置有压缩弹簧。弹簧释放弹性势能，弹簧为伸出杆提供轴向动能，当伸出杆伸出手爪后，侧板向两侧展开带动连杆运动展开折展机构，完全展开后形成网对微小目标开展捕获。任务完成后，三叶转盘转动将绳索收回，同时舵机控制三个手爪共同运动将伸出杆收回，伸出杆收回过程中折展机构压缩收回，准备进行下一个目标的捕获。有效的解决了目前方法对不同目标抓捕难度大，精度要求高的问题；另外，通过收回伸缩杆收回绳索所需拉力计算电机的转速，进而控制拉回时的速度；其次，通过伸出杆完全伸出所需的轴向力计算压缩弹簧的压缩量，进而控制伸出杆收回时的速度捕获机构适用于现有的小尺寸失效目标，不需要对结构做过多的调整，具有较强的兼容性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为折展机构展开时本发明立体图；

图2为手爪剖面示意图；

图3为手爪立体图；

图4为本发明折展机构展开主视图；

图5为折展机构收起时本发明俯视图；

图6为绳索连接相关构件示意图。

图中：1.腕关节；2.底座；3.支架；4.手爪5.三叶转盘；6.舵机；7.绳索；8.壳体；9.支撑套筒；10.侧板；11.折展机构；12.伸出杆；13.压缩弹簧组件；14.柔性连杆；15.连接关节；16.滑轮。

具体实施方式

实施例1

一种基于机械臂具有自适应性的空间包络捕获末端执行器，包括腕关节1、底座2、支架3、手爪4、三叶转盘5、舵机6、绳索7，如图1所示。

如图1所示，整个装置由下至上为腕关节1、底座2、三叶转盘5、舵机6、支架3、滑轮16、手爪4。腕关节1在底部与机械臂相连，可实现末端执行器的整体转动，腕关节内部设置有扭簧，一定程度上可消除在抓捕过程中产生的碰撞和旋转，底座2连接腕关节1和支架3，三叶转盘5布置在底座2的中心，二者轴心重合，通过轴连接，三叶转盘5绕轴转动，通过机械臂信号线控制三叶转盘的转动。手爪4呈圆周均匀分布，与支架3铰接。舵机6布置在底座2上方，数量为三，与手爪4底部侧边相连，三个手爪底部与支架铰接通过控制舵机转动带动手爪的转动可实现手爪的张合。滑轮16连接三叶转盘5和手爪的内部结构，三叶转盘5的三叶末端分别缠绕有绳索7，绳索7通过滑轮16与手爪4内部结构相连接，因此三叶转盘5的转动可以实现对手爪4内部构件的控制。

如图2所示，手爪4包括壳体8、支撑套筒9、侧板10、折展机构11、伸出杆12、压缩弹簧组件13。

手爪4外部为壳体8，外形采用梨形形状，材料采用介电弹性材料，可通过机械臂信号线对电压的控制，实现手爪的形变以此对目标外形进行自适应抓捕除此之外，介电弹性材料具有一定弹性，可适当降低与目标接触时所产生的碰撞冲击。

壳体8的厚度设计为2mm，可以在足够的强度下实现相应的应变，满足设计要求。

手爪4内部中心设置有支撑套筒9，支撑套筒9与壳体8固接，折展机构11、伸出杆12、侧板10及压缩弹簧均在支撑套筒9内部。伸出杆12设置在中心位置，与支撑套筒9同轴心、侧板10两侧对称位于伸出杆12两侧，底部与伸出杆相连接。折展机构11呈压缩状态位于侧板10和伸出杆12之间，当侧板10向两侧张开时可带动折展机构11实现展开。

伸出杆12末端设置有压缩弹簧组件13。绳索7与伸出杆底部连接，绳索7穿出手爪底部通过滑轮16与三叶转盘5相连接，通过三叶转盘5的转动实现绳索7的缠绕拉回伸出杆12，以此通过伸出杆12的伸缩实现折展机构的折展并实现重复工作。

压缩弹簧组件13的弹簧座设置在支撑套筒9的底端，压缩弹簧设置于弹簧座上，压缩弹簧的上部与伸出杆12的底部相接触。

压缩弹簧组件13，弹簧采用弹性系数k＝1500N/m的弹簧，可以在较短行程内释放较大的弹性势能，满足设计要求。

折展机构11包括柔性连杆14和连接关节15，柔性连杆14两侧对称通过连接关节分别与侧板10和伸出杆12活动连接。

柔性连杆14设置为两两一组，采用平行四边形机构，通过伸出杆12的伸出与缩回从而导致伸出杆底部与侧板10的夹角角度变化实现折展机构的压缩和展开。单侧各纵向布置9个平行四边形机构，在展开状态可形成网状，上下连杆距离设置为8cm，保证目标不会从构成的网之间逃逸。

柔性连杆14具有一定的缓冲吸能作用，可有效减缓对目标包络捕获过程中，目标与展开的网接触碰撞产生的冲击。

实施例2

折展机构11还可以为基于Bennett机构的折展机构，实现机构的压缩或展开，并完成对目标的包络捕获。

实施例3

折展机构11还可以为基于8R机构的折展机构，实现机构的压缩或展开，并完成对目标的包络捕获。

实施例4

壳体8的外形还可以为丝状的介电弹性材料，上下两端闭合，周身均采用丝状等距布置为梨形形状，通过电压的控制驱动介电弹性材料的形变更加容易，对抓捕目标的棱边/角抓捕时的，起到更好的外形自适应作用，完成对棱边/角的自适应接触抓捕。

本发明空间包络捕获末端执行器的工作原理是:

整个机构在机械臂上作为末端执行器工作，手爪数量均为3个并呈圆周均匀分布。手爪内部为中空，中间设置有支撑套筒9贯穿手爪上下两端。在对目标进行捕获时，可通过手爪直接对目标棱角/边进行抓捕，手爪采用介电弹性材料，可通过电压驱动和自身弹性通过形变实现对目标棱角/边的自适应，机械臂携带手爪同时作用进行抓紧，同时腕关节在扭簧作用下转动，一定程度上消除在抓捕过程中产生的碰撞和旋转。

手爪内部设置有伸出杆12安装在支撑杆内部，其中与手爪整体固接，伸出杆设置有可活动的侧板10，二者之间设置有由连杆铰接的伸展机构11，伸出杆末端设置有压缩弹簧。

在面对微小尺寸的目标时，弹簧释放弹性势能，产生沿弹簧轴向的加速度，为伸出杆12提供动能，伸出杆12伸出手爪4，但末端仍与手爪4保持固接。同时，手杆侧板张开，将折展机构展开，三爪展开共同构成飞网对目标实现包络捕获。手爪底部设置有滑轮，绳索7绕过滑轮16与三叶转盘5缠绕，任务完成后，三叶转盘5转动缠绕绳索7，将伸出杆拉回，收回过程同时实现折展机构的折叠，压缩弹簧，为下次捕获做准备。

Claims (5)

1.一种基于机械臂具有自适应性的空间包络捕获末端执行器，其特征在于，主要包括腕关节(1)、底座(2)、支架(3)、手爪(4)、三叶转盘(5)、舵机(6)、绳索(7)；

所述腕关节(1)位于执行器的下部，与对外连接的机械臂相连；所述底座(2)位于所述腕关节(1)上侧，与所述腕关节(1)固定连接；

所述底座(2)上侧设置1个三叶转盘(5)、3个支架(3)、3个舵机(6)，所述三叶转盘(5)位于底座(2)上侧的中心，3个支架(3)、3个舵机(6)均位于三叶转盘(5)圆周外侧、均布；

所述三叶转盘(5)与所述底座(2)同轴心，在轴心处与底座(2)轴连接，所述三叶转盘(5)可绕轴转动，由机械臂的信号线控制三叶转盘(5)的转动；所述支架(3)、所述舵机(6)与所述底座(2)固定连接；

所述手爪(4)与所述支架(3)铰接，所述手爪(4)与所述舵机(6)连接，在舵机(6)作用下，所述手爪(4)可以绕所述支架(3)的铰接轴转动，使手爪(4)的上部向底座(2)的中心轴线移动，3个手爪(4)形成抓紧或松开的动作，即实现手爪(4)的张合；滑轮(16)位于所述三叶转盘(5)上，与所述三叶转盘(5)固定连接；

所述手爪(4)包括壳体(8)、支撑套筒(9)、侧板(10)、折展机构(11)、伸出杆(12)、压缩弹簧组件(13)；所述支撑套筒(9)、所述侧板(10)、所述折展机构(11)、所述伸出杆(12)、所述压缩弹簧组件(13)均位于所述壳体(8)内；

当折展机构(11)处于收起状态时，所述压缩弹簧组件(13)中的压缩弹簧处于压缩状态，所述壳体(8)为所述手爪(4)的外部，梨形形状，所述支撑套筒(9)与所述壳体(8)固定连接；所述手爪(4)在舵机(6)作用下，实现壳体(8)对目标的捕获；壳体(8)材料为介电弹性材料，可通过机械臂信号线对壳体(8)电压的控制，实现壳体(8)的形变，以此对目标进行自适应抓捕；所述伸出杆(12)设置在所述手爪(4)的中心位置，与所述支撑套筒(9)同轴心；所述侧板(10)位于所述伸出杆(12)两侧，对称分布；所述折展机构(11)、所述伸出杆(12)、所述侧板(10)、所述压缩弹簧组件(13)均位于所述支撑套筒(9)的内部，由手爪(4)的中心轴线向外依次为伸出杆(12)、折展机构(11)、侧板(10)、支撑套筒(9)；所述侧板(10)与所述伸出杆(12)连接，连接方式为铰接；所述折展机构(11)分别与所述伸出杆(12)、所述侧板(10)连接，连接方式均为铰接；

所述伸出杆(12)在近手爪(4)底部的一端设置有压缩弹簧组件(13)；所述压缩弹簧组件(13)包括压缩弹簧、弹簧座；所述压缩弹簧的一端与所述伸出杆(12)的一端相接，所述压缩弹簧的另一端与所述弹簧座相接；

所述绳索(7)穿过所述壳体(8)、所述压缩弹簧组件(13)，与所述伸出杆(12)下端连接，所述绳索(7)还穿过所述手爪(4)底部，通过所述滑轮(16)与所述三叶转盘(5)连接；即所述绳索(7)的一端与所述伸出杆(12)连接，另一端与所述三叶转盘(5)连接；

所述折展机构(11)包括柔性连杆(14)、连接关节(15)；所述柔性连杆(14)通过所述连接关节(15)相连接，所述柔性连杆(14)与所述伸出杆(12)、所述侧板(10)均通过所述连接关节(15)相连接；通过所述伸出杆(12)在所述支撑套筒(9)内的伸出或缩回，使伸出杆(12)与侧板(10)的夹角角度变化，实现折展机构的压缩或展开；当折展机构(11)呈展开状态时，所述柔性连杆(14)通过所述连接关节(15)，形成平行四边形机构，所述折展机构(11)形成网状，对目标实现包络捕获。

2.根据权利要求1所述的基于机械臂具有自适应性的空间包络捕获末端执行器，其特征在于，所述压缩弹簧的弹性系数为1500N/m。

3.根据权利要求1所述的基于机械臂具有自适应性的空间包络捕获末端执行器，其特征在于，所述折展机构(11)为基于Bennett机构的折展机构。

4.根据权利要求1所述的基于机械臂具有自适应性的空间包络捕获末端执行器，其特征在于，所述折展机构(11)为基于8R机构的折展机构。

5.根据权利要求1所述的基于机械臂具有自适应性的空间包络捕获末端执行器，其特征在于，所述壳体(8)为丝状的介电弹性材料，由介电弹性材料丝均布形成梨形形状。