CN109129533A - 一种面向在轨捕获的自适应静电吸附式末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向在轨捕获的自适应静电吸附式末端执行器，该末端执行器包括刚性主体支架和静电吸附单元，所述刚性主体支架包括可以相互转动的各级连杆和衔接头，所述吸附单元为刚性平板且底部布置有柔性静电吸附膜，所述静电吸附单元与所述刚性主体支架之间通过销钉或铰接结构连接。该末端执行器通过各铰接结构的自适应转动可实现对空间目标物体的包覆式贴合，且给柔性静电吸附膜施加高电压能使静电吸附单元底部与空间目标物体表面之间产生静电吸附力。既能够实现对空间不同体积，不同形状目标物体的自适应在轨捕获，同时还能够利用静电吸附力来增强和稳定捕获效果，其快速响应和通用性也满足目前在轨捕获的任务要求。

Description

一种面向在轨捕获的自适应静电吸附式末端执行器

技术领域

本发明属于面向在轨捕获的末端执行器与静电吸附领域，尤其涉及一种面向在轨捕获的自适应静电吸附式末端执行器。

背景技术

近些年随着航天技术的快速发展，真空环境下的空间任务日益严峻，如空间站的在轨组装、故障卫星的在轨维修、空间轨道垃圾的清理等在轨捕获任务的需求日趋强烈。因此，快速发展在轨捕获技术对我国航天技术的提升和国防安全都具有极其重要的意义。

空间目标物体的在轨捕获主要依赖于搭载在航天飞机、空间站或其它空间机器人上的各种空间机械臂上，末端执行器作为空间机械臂与目标物体相互作用的最后执行环节重要性不言而喻。目前国内外空间机械臂末端执行器多为指爪、抓钩、钢丝绳圈套等其核心思想是利用刚性末端执行器与目标物体之间产生的机械锁紧力实现对空间目标的在轨捕获。这些结构虽然便于抓捕和移动大负载的空间目标，但刚性结构由于与环境交互性差，以及对目标物体的形状适应性低等对于它的应用又有了限制。也有一些末端执行器运用真空吸盘、磁吸附等技术产生的吸附力来代替机械锁紧力，但是在太空环境下真空吸盘，磁吸附等应用难度很大。

而静电吸附技术能够满足太空环境的应用，并且由于能耗低，响应速度快，对物体表面的适应性广等性能也越来越受到国内外的关注，所谓静电吸附是一种电可控的吸附技术，通过给吸附装置上的电极施加电压后在被吸附物体表面上产生静电荷，电极与被吸附物体上的电荷相互作用从而产生静电吸附力。但由于静电吸附要求与目标物体尽可能完全接触而多是将静电吸附电极布置在PET,硅胶等软材料上形成柔性静电吸附膜，这种软材料制成的静电吸附膜也导致产生的吸附力不能满足大负载目标物体的捕获。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种面向在轨捕获的自适应静电吸附式末端执行器，可以实现对不同形状，不同大小空间目标的抓取，增强了抓取效果，而且还不会产生大的冲击而影响抓取效果，可以用于不同形状、不同表面性质的空间物体的吸附抓取，搬运等。

为此，本发明公开了一种面向在轨捕获的自适应静电吸附式末端执行器，包括刚性主体支架和静电吸附单元；所述刚性主体支架包括连杆和衔接头，所述连杆包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆和第六连杆；所述静电吸附单元包括第一吸附单元、第二吸附单元、第三吸附单元、第四吸附单元、第五吸附单元和第六吸附单元，所述静电吸附单元底部布置有柔性静电吸附膜；第一连杆的两端分别连接第一吸附单元和第二吸附单元，第二连杆的两端分别连接第三吸附单元和第一连杆，第三连杆的两端分别连接第四吸附单元和第五吸附单元，第四连杆的两端分别连接第六吸附单元和第三连杆，第五连杆的两端分别连接第二连杆和第四连杆，第六连杆的两端分别连接第五连杆和衔接头；相互连接的连杆之间可以相互转动；第一至第六连杆和第一至第六吸附单元共同组成一个吸附部分，所述吸附部分有三个，相邻两个吸附部分为对称结构。

衔接头为中空结构，通过将衔接头安装在机械臂上，可以控制末端执行器运动，让三个吸附部分同步动作，通过不同形状的吸附单元以适应被抓取物体的外部形状，从而使末端执行器实现吸附抓取；由于其吸附单元为对称结构设计，因此抓取能力稳定不易松懈。并且，连接到柔性静电吸附膜上的电线通过衔接头中空部分将电压通过各个连杆输送到各吸附单元底部的柔性静电吸附膜上的电极两端。

优选的，所述柔性静电吸附膜包含以吸附单元底部表面为基底的基底层、绝缘层和基于基底层和绝缘层之间并用于使被吸附物体产生极化电场以进行吸附的梳齿状电极层，所述基底层和绝缘层材料均为硅橡胶，电极层材料为导电油墨，所述梳齿状电极层通过丝印的方式附在基底层表面。

柔性静电吸附膜可以在吸附抓取空间目标物体时起到很好的增强和稳定作用，当发现空间目标物体后，控制末端执行器靠近目标物体，并给柔性静电吸附膜通高压电以产生静电吸附力，从而完成吸附抓取和搬运任务，响应速度也能够满足要求。柔性静电吸附膜这种软性材料还能够起到当末端执行器靠近目标物体后，减小末端执行器对目标物体的冲击作用，进而提高对空间目标物体抓取的稳定性。

并且，柔性静电吸附膜的电极层结构设计为梳齿状，梳齿状的静电吸附电极结构可以产生极强的静电吸附力。

优选的，所述连接方式为销钉或其他铰接结构。

销钉和铰接结构应用于此，目的是让每个静电吸附单元均可绕连杆端部自由转动一定角度，且连杆之间也可以互相转动一定角度，这样做的目的是为了吸附抓取不同形状、不同大小物体时能够使末端执行器自适应变形，从而更好的以花瓣包覆的形式吸附抓取到目标物体。

优选的，所述吸附单元为刚性平板。

刚性平板的设计可以让末端执行器能够抓取较大质量的物体。

优选的，所述柔性静电吸附膜通过硅胶或胶水粘贴在吸附单元底部。

优选的，所述同一个吸附部分中的吸附单元形状各不相同，所述柔性静电吸附膜的形状与对应的吸附单元形状相同。

不同的吸附单元形状可以适应更多的不同形状的被抓取物，相应的，柔性静电吸附膜的形状应该与吸附单元的形状保持一致。

本发明的有益效果是：本发明设计的面向在轨捕获的自适应的静电吸附式末端执行器，将刚性的在轨捕获末端执行器设计成被动自适应，结构简单，控制方便，能够满足在复杂恶劣的太空环境下使用，可以适应不同形状、不同大小的空间目标物体的抓取，以及满足大负载空间物体的抓取，并运用静电吸附技术增强和稳定抓取效果，静电吸附技术的快速响应和能耗低等性质也十分符合当下在轨捕获领域的需求，且柔性静电吸附膜上也方便传感器或其他检测设备的布置，所以该发明技术效果十分明显，应用前景广泛。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明吸附抓取接触面为平面的空间目标物体时的状态示意图；

图3是本发明吸附抓取体积较小空间目标物体时的状态示意图；

图4是本发明吸附抓取体积较大空间目标物体时的状态示意图；

图5为本发明单个柔性静电吸附电极结构示意图；

其中，衔接头1、第六连杆2、第一吸附单元3、第四连杆4、第一连杆5、第四吸附单元6、第二连杆7、第五连杆8、第三连杆9、第二吸附单元10、柔性静电吸附膜11、第三吸附单元12、第五吸附单元13、第六吸附单元14。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例

结合图1、图2、图3、图4和图5，本实施例的目的在于公开一种面向在轨捕获的自适应静电吸附式末端执行器，其包括了独立的静电吸附单元，每六个静电吸附单元和支架组成一个吸附部分，该吸附部分包含三个，成阵列排布，每个吸附部分在圆周方向上呈交叉120°分布。

其具体包括了主体刚性支架和静电吸附单元；所述主体刚性支架包括连杆和衔接头1，所述连杆包括第一连杆5、第二连杆7、第三连杆9、第四连杆4、第五连杆8和第六连杆2；所述吸附单元包括第一吸附单元3、第二吸附单元10、第三吸附单元12、第四吸附单元6、第五吸附单元13和第六吸附单元14，所述静电吸附单元底部布置有柔性静电吸附膜11；第一连杆5的两端分别连接第一吸附单元3和第二吸附单元10，第二连杆7的两端分别连接第三吸附单元12和第一连杆5，第三连杆9的两端分别连接第四吸附单元6和第五吸附单元13，第四连杆4的两端分别连接第六吸附单元14和第三连杆9，第五连杆8的两端分别连接第二连杆7和第四连杆4，第六连杆2的两端分别连接第五连杆8和衔接头1，相互连接的连杆之间可以相互转动；第一至第六连杆和第一至第六吸附单元共同组成一个吸附部分，所述吸附部分有三个，相邻两个吸附部分为对称结构。通过衔接头1可以控制支架的收缩和放松，让三个吸附部分同步动作，通过不同形状的吸附单元适应被抓取物体的外部性状，从而使末端执行器实现抓取；由于其静电吸附单元为对称结构设计，因此抓取能力稳定不易松懈。

进一步，所述柔性静电吸附膜11包含以吸附单元底部表面为基底的基底层、绝缘层和基于基底层和绝缘层之间并用于使被吸附物体产生极化电场以进行吸附的梳齿状电极层，所述基底层和绝缘层材料均为硅橡胶，电极层材料为导电油墨，所述梳齿状电极层通过丝印的方式附在基底层表面。进一步，所述连接方式为销钉或其他铰接结构，本实施例中采用销钉连接结构。

销钉和铰接结构应用于此，目的是让每个吸附单元均可绕连杆端部自由转动一定角度，且连杆之间也可以互相转动一定角度，这样做的目的是为了吸附抓取不同形状、不同大小物体时能够使末端执行器自适应变形，从而更好的以花瓣包覆的形式吸附抓取到目标物体。

其吸附抓取接触面为平面的空间目标物体时的状态如图2所示，吸附抓取较小体积空间物体时的状态如图3所示，吸附抓取较大体积空间目标物体时状态如图4所示。

进一步，所述吸附单元为刚性平板。

刚性平板的设计可以让末端执行器能够抓取较大质量的物体。

进一步，所述柔性静电吸附膜11通过硅胶或双面胶粘贴在吸附单元底部。

将柔性静电吸附膜11布置到末端执行器的抓取表面，可以在靠近目标物体时，给柔性静电吸附膜11通电后增强末端执行器的吸附抓取力，利用静电吸附能耗低，响应速度快等特点更好更快的完成捕获抓取任务。柔性静电吸附膜11这种软材料还能够起到当装置靠近目标物体后，减小装置对目标物体的冲击作用，防止目标物体由于冲击而脱离。并且还可以在末端执行器底部即柔性静电吸附膜11上布置软体传感器或其它监测置，更好的实现对空间目标物体的实时控制和监测，保证空间在轨捕获的成功实现。

进一步，所述同一个静电吸附部分中的吸附单元形状各不相同，所述柔性静电吸附膜11的形状与对应的吸附单元形状相同。

不同的静电吸附单元形状可以适应更多的不同形状的被抓取物，相应的，柔性静电吸附膜11的形状应该与吸附单元的形状保持一致。

实施例中，单独采用自适应的刚性吸附单元结合支架和衔接头1的末端执行器即可实现抓取，一般的刚性末端执行器是利用与空间目标物体之间产生的机械锁紧力实现对目标的在轨捕获，这些结构虽然便于抓捕和移动大负载的空间目标，但刚性结构由于与环境交互性差，以及对目标物体的形状适应性低等对于它的应用有了限制。本实施例中设计的面向在轨捕获的末端执行器结构简单，控制方便，以花瓣包覆的形式在轨捕获抓取到空间目标物体，而且能够适应不同形状、不同体积的空间目标物体形状，而且是被动自适应空间目标物体，不需要单独的电机控制驱动，也节省了控制的反应时间，很适用于在复杂恶劣的空间环境中快速抓取目标物体。

实施例中，还可将柔性静电吸附膜11布置在末端执行器的吸附单元底部，可以在吸附抓取空间目标物体时起到很好的增强和稳定作用，当柔性静电吸附膜11通高压电后产生静电吸附力，从而完成空间目标物体的吸附抓取和搬运，其响应速度也能够满足要求，柔性静电吸附膜11这种软性材料还能够起到当末端执行器靠近目标物体后，减小末端执行器对目标物体的冲击作用，进而提高对空间目标物体抓取的稳定性。

以上实施例中，三个吸附部分中对应的三个的第六连杆2为一体结构设置，衔接头1与此一体结构的中心点连接。且衔接头1为中空结构，方便将衔接头1安装在空间站或机械臂上。并且，连接到柔性静电吸附膜11上的电线也通过衔接头1中空部分进行布置，使电压通过各个连杆输送到各吸附单元底部的柔性静电吸附膜11上电极两端。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种面向在轨捕获的自适应静电吸附式末端执行器，其特征在于，其包括刚性主体支架和静电吸附单元；所述刚性主体支架包括连杆和衔接头，所述连杆包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆和第六连杆；所述静电吸附单元包括第一吸附单元、第二吸附单元、第三吸附单元、第四吸附单元、第五吸附单元和第六吸附单元，所述静电吸附单元底部布置有柔性静电吸附膜；第一连杆的两端分别连接第一吸附单元和第二吸附单元，第二连杆的两端分别连接第三吸附单元和第一连杆，第三连杆的两端分别连接第四吸附单元和第五吸附单元，第四连杆的两端分别连接第六吸附单元和第三连杆，第五连杆的两端分别连接第二连杆和第四连杆，第六连杆的两端分别连接第五连杆和衔接头；相互连接的连杆之间可以相互转动；第一至第六连杆和第一至第六吸附单元共同组成一个吸附部分，所述吸附部分有三个，相邻两个静电吸附部分为对称结构。

2.根据权利要求1所述的一种面向在轨捕获的自适应静电吸附式末端执行器，其特征在于，所述柔性静电吸附膜包含以吸附单元底部表面为基底的基底层、绝缘层和基于基底层和绝缘层之间并用于使被吸附物体产生极化电场以进行吸附的梳齿状电极层，所述基底层和绝缘层材料均为硅橡胶，电极层材料为导电油墨，所述梳齿状电极层通过丝印的方式附在基底层表面。

3.根据权利要求1所述的一种面向在轨捕获的自适应静电吸附式末端执行器，其特征在于，所述连接方式为销钉或铰接结构。

4.根据权利要求1所述的一种面向在轨捕获的自适应静电吸附式末端执行器，其特征在于，所述静电吸附单元为刚性平板。

5.根据权利要求1所述的一种面向在轨捕获的自适应静电吸附式末端执行器，其特征在于，所述柔性静电吸附膜通过硅胶或胶水粘贴在静电吸附单元底部。

6.根据权利要求1所述的一种面向在轨捕获的自适应静电吸附式末端执行器，其特征在于，所述同一个吸附部分中的静电吸附单元形状各不相同，所述柔性静电吸附膜的形状与对应的吸附单元形状相同。