CN102069502A

CN102069502A - 空间机器人手爪机构

Info

Publication number: CN102069502A
Application number: CN201110024653XA
Authority: CN
Inventors: 宋荆洲; 孙浩; 张延恒; 叶平; 贾庆轩; 孙汉旭; 高欣
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2011-05-25

Abstract

空间机器人手爪机构，一种机械臂的末端执行器。本发明解决了以往手爪机构抓捕范围小、锁紧位置不唯一、抓捕过程中易丢失目标等问题，同时大大简化了整个机构，工艺性也得到了改善。其结构为手掌面1、上轴承座3和下轴承座4和箱底7构成了整个机构的基本骨架。两手指轴9安装在手掌面1与上轴承座3之间的轴承孔中，两手指2、5固连在手指轴9上，且两手指轴的轴端装有齿轮19。上轴承座3与下轴承座4之间的通孔装有电机11和制动轴22。制动轴22、电机11轴端装有齿轮21。手爪箱底7通过法兰与轴承座和外部机构相连。箱壁6与手掌面1、箱底7相互连接，完成对整个手爪机构的封装。本机构具有设计紧凑、体积小、加工简单、装卸方便等优点。

Description

空间机器人手爪机构

技术领域

本发明涉及一种空间机器人手爪，一种机械臂的末端执行器。

背景技术

在未来的空间站，机器人可以代替人进行空间环境下的维护工作。机器人的作业能力和作业效率依赖于机器人手爪的作业能力的大小。国外在空间手爪研究方面起步较早，从结构上划分，这些手爪机构主要有外抓式、内撑式和其他结构。外抓式又分为二指、三指和多指结构。目前国际上比较成功的舱外两指手爪是日本的ETS-7机器手爪，还有加拿大航天局的SPDM机器人上的OTCM手爪。我国在这一领域的研究起步较晚，合肥智能所“微传感器与特种机器人”实验室研制了一种多传感器手爪；哈尔滨工业大学机器人研究所研制了“多传感器集成手爪***”。以上这些手爪普遍存在抓捕范围小，抓捕过程中目标宜丢失，锁紧位置不唯一等缺点。哈尔滨工业大学后来又研制了一种空间机器人手爪解决了上述存在的问题，但其在机构设计上太过繁琐，结构工艺性差等问题。

发明内容

本发明解决了现有空间机器人手爪存在的抓捕范围小、锁紧位置不唯一、抓捕过程中易丢失目标等问题的同时，大大简化了整个机构，提高了机构的传动效率，加工的工艺性也得到了改善。

本发明采用了以下设计方案：该机构位于机械臂的末端，执行抓捕操作。手掌面1、上轴承座3、下轴承座4和箱底7用螺栓连接构成基本骨架。两手指轴安装在手掌面1与上轴承座3之间的轴承孔中，并通过端盖8、15与轴肩定位。手指采用一指5、二指2的设计样式如图1，与手指盖板16用螺栓固连在手指轴9上。两手指轴的轴端装有齿轮19，用轴肩与弹性挡圈18定位。

上轴承座3与下轴承座4之间的通孔安装电机11、旋转变压器外圈套筒12和制动轴22。制动轴22上装有轴承、旋转变压器内圈、齿轮27和制动器转子25-1。电机输出轴端装有齿轮21。齿轮间相互啮合传动，且在同一平面呈扇形分布。运动时由控制***29、30驱动电机11得到所需的转速和扭矩驱动齿轮相互啮合，从而最终使手指5、2完成抓捕任务。

手爪机构箱壁上装有控制***29、30、制动器法兰28和制动器盖板26。手爪箱底7有电连接器接口、下轴承座法兰和机械臂法兰。手爪机构由手掌面1、箱壁6和箱底7共同构成手爪机构的外壳。

本发明具有以下优点：1.本设计的空间机器人手爪手指采用外抓式二指结构，通过两手指的同步运动，两指尖划过的轨迹可以形成一个较大的包络空间以防止目标逃逸，并最终将目标锁紧在V形槽中，实现锁紧位置唯一确定。

2.每个手指唯一独立的杆件，手指指形为一指5二指2的形状以确保最终抱紧，加工简单，手掌面的V形槽没有外延，不会出现卡死现象。

3.传动***采用的直齿渐开线齿轮，传动效率高，没有轴向力。将齿轮安装在各个输出轴的轴端可以节省手爪内部空间，使内部紧凑而不干涉。

4.制动轴22的末端装有制动器25，采用掉电制动，只有短期功耗而没有长期功耗，在手爪分配功耗非常有限的情况下，该工作方式是有必要的。通过对手爪进行掉电制动，可使手指防止目标物体的三轴反作用力。

5.本设计先将手掌面1、上轴承座3和下轴承座4装配在一起，之后将手指轴9、制动轴22、电机11、齿轮19、21、27等安装其上面，最终将此整体与箱底7的法兰连接，使得手爪的大部分重力加在了机械臂上，不会出现手爪中单个零件承受重力变形的情况。

6.为提高手爪机构的控制精度，采用了一个双通道旋转变压器14进行手指的位置检测，对手指运动进行闭环控制。

7.本设计中需机加工的主要部件少，加工工艺简单，轴承座和箱壁、箱底采用分体设计，装卸方便。

附图说明

图1是本发明空间机器人手爪机构的主视图(拆去箱壁6的前面)

图2是本发明空间机器人手爪机构的俯视图

图3是本发明空间机器人手爪机构的左视图(拆去箱壁6的左面)

图4是图1中A-A展开图

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1、图3所示，本发明位于一种机械臂的术端，执行抓捕操作，其结构包括手掌面1、上轴承座3、下轴承座4和箱底7用圆锥销定位，螺栓固定连接构成本手爪机构的基本骨架。其中手掌面1、上轴承座3的组合构成了二指手指轴9和一指手指轴(与二指手指轴相同)的轴承座；上轴承座3和下轴承座4组合构成了电机11传动轴和制动轴22的轴承座。其设计采用分体式便于装配。

参见图4所示，两手指轴9安装在手掌面1与上轴承座3之间的轴承孔中，并通过端盖(不同端盖)8、(可通端盖)15与轴承10、轴肩定位。手指采用外抓式二指结构，手指侧面投影为成一定角度固连在一起的三个直杆，分为一指5和二指2，与手指盖板15用螺栓对称安装在手指轴9上。两手指轴9的轴端装有齿轮19，用轴肩与弹性挡圈18定位，用键17来传递转矩。

上轴承座3与下轴承座4之间的通孔安装电机11、旋转变压器外圈套筒12和制动轴22。制动轴22由制动轴轴肩和轴两端端盖8、15压紧轴承来定位；旋转变压器外圈套筒12装入旋转变压器外圈14后，通过旋转变压器外圈套筒12末端的止口安装在上下轴承座3、4的轴承孔中，最后用螺栓螺母与固定连接。通过旋转变压器14来测量手指的角位移，实现捕获过程的闭环控制，提高捕获精度。

制动轴22上装有轴承、旋转变压器内圈、齿轮27和制动器转子25-1，其中旋转变压器内圈由轴肩定位；齿轮27用销24和轴肩定位；制动器转子25-1安装在制动轴22末端，通过键23连接传递制动力矩，并在齿轮27与制动器衔铁25-2之间有微小的滑动气隙。制动器衔铁25-2通过制动器法兰28和制动器盖板26用螺栓螺母与箱壁6固连。

参见图2，手掌面1中间两端横向中空，便于两手指的开合运动。手掌面1中央设计一个V形槽与手柄的V形面配合完成抓捕任务，可以实现手爪机头对手柄5个自由度约束。

参见图3，手掌面1两端各有两块三角形肋板，以支撑手掌面1并以此与箱壁连接。上轴承座3两端半封闭，以使手指初始位置水平。

参见图1、图3，箱壁6与手掌面1、箱底7用螺栓固连，完成对整个手爪机构的封装。同时，箱底7上侧设计有与下轴承座4配合安装的止口和法兰，下侧设计有与机械臂配合安装的止口和法兰。止口用来使手掌面1、上下轴承座3、4构成的装配体(或机械臂)与箱底7装配精确，法兰用来紧固连接。同时将整个手爪机构大部分重力加在了机械臂上，使手爪内部受力合理。箱壁6上装有控制***驱动器29、电路板30，箱底7装有电连接器，通过电连接器与手爪外部进行电器连接。

本发明所采用的轴承起支撑齿轮的作用，主要承受径向负荷，而且轴承所受载荷不大，所以优先选用球轴承。根据中华人民共和国国家标准GB/T276-1994，这里选用代号为61800的滚珠深沟球轴承，并实施脂润滑。

具体实施方式二：参见图1、图3，手爪机构传动***由电机11、齿轮19(2个)、齿轮21、齿轮27、制动轴22、手指轴9(2个)组成。电机11通过螺钉与上下轴承座3、4固连，此时，电机输出轴11、手指轴9(2个)、制动轴22形成两两平行的四根轴。一指5和二指2的同步转动是通过齿轮传动组实现的：即齿轮21在电机11的带动下，通过与齿轮19、惰轮27的啮合，将运动分别传递给二指手指轴9和一指手指轴(与二指手指轴相同)，从而实现两手指的同步开合运动。

本发明中所述的手掌面1、上轴承座3、下轴承座4、箱壁6、箱底7、一指5、二指2、手指盖板16(2个)、端盖8、15(各3个)、制动器盖板26均采用铝合金材料，上述构件用此材料在保证一定的刚度和强度的前提下，还可以减轻整体质量。

所述的齿轮19(2个)、21、27和手指轴9(2个)、制动轴22均采用40Cr，保证强度硬度，以防止长时间的磨损。

Claims

1.一种空间机器人手爪机构，其特征在于：该机构位于机械臂的末端，执行抓捕操作，其结构包括手掌面1、上轴承座3和下轴承座4和箱底7构成了本手爪机构的基本骨架。两手指轴9安装在手掌面1与上轴承座3之间的轴承孔中，两手指(2、5)固连在手指轴9上，且两手指轴的轴端装有齿轮19。上轴承座3与下轴承座4之间的通孔安装电机11和制动轴22。制动轴22、电机11轴端装有齿轮21。手爪箱底7通过法兰与轴承座和外部机构相连。箱壁6与手掌面1、箱底7相互连接，完成对整个手爪机构的封装。

2.根据权利要求1所述的空间机器人手爪机构，其特征在于：手掌面1、上轴承座3、下轴承座4和箱底7构成了本手爪机构的基本骨架，其中手掌面1、上轴承座3的组合构成了二指手指轴9和一指手指轴(与二指手指轴相同)的轴承座；上轴承座3和下轴承座4组合构成了电机11传动轴和制动轴22的轴承座。

3.根据权利要求1所述的空间机器人手爪机构，其特征在于：手指采用外抓式二指结构，手指侧面投影为三个成一定角度固连在一起的直杆；手指分为一指5和二指2，该两指对称安装在手掌面1两侧。闭合时，一指5与二指2同步相对运动至交叉，一指5嵌入二指2中间的空隙中，将目标手柄捕获。

4.根据权利要求1所述的空间机器人手爪机构，其特征在于：手掌面1中央设计一个V形槽与手柄的V形面配合完成抓捕任务，可以实现手爪机头对手柄5个自由度约束。

5.根据权利要求1所述的空间机器人手爪机构，其特征在于一指5和二指2的同步转动是通过齿轮传动组实现的：即齿轮21在电机11的带动下，通过与齿轮19、惰轮27的啮合，将运动分别传递给二指手指轴9和一指手指轴(与二指手指轴相同)，从而实现两手指的同步开合运动，完成抓捕释放任务。