CN110549358B - 一种末端执行器 - Google Patents

Abstract

本文公布了一种末端执行器，包括本体，以及设置在本体内的捕获机构和拖动机构，所述拖动机构与本体固定，且所述拖动机构的输出端与所述捕获机构连接，其特征在于，所述捕获机构上设置有纠偏组件，所述捕获机构的电机带动所述纠偏组件将目标物的偏航角度调整到预设范围内。本文涉及空间站机械臂领域，提供了一种末端执行器，可克服捕获空间容差较小且触碰撞力较大的问题，实现在捕获的同时对目标物的姿态进行纠偏调整，在大容差条件下实现末端执行器对目标物的软接触捕获，降低了对空间站被捕获物的姿态参数要求，提高了空间站目标物的捕获成功率。

Description

一种末端执行器

技术领域

本发明涉及空间站机械臂领域，尤其涉及一种末端执行器。

背景技术

空间站机械臂是我国航天工程的重大关键技术之一，包括核心舱机械臂和实验舱机械臂。其中，空间站机械臂承担着舱段捕获与转移、仪器设备转移与安装、辅助航天员作业等功能。在轨捕获技术是空间在轨服务技术的重要分支，对合作目标的捕获是通过安装在空间站机械臂或飞行器上的对接机构或者末端执行器实现。安装在机械臂两端的末端执行器是空间机械臂***的重要组成部分，是实现对空间站目标的捕获、锁定、电气连接等功能的基础重要装置，通常是通过末端执行器抓捕适配器来实现对空间目标的抓捕过程。末端执行器对目标物的成功抓捕是核心舱机械臂成功完成空间站其他任务的前提和关键环节。

目前，国内外应用的空间站机械臂的末端执行器，主要有两类：一类是锥-杆式，另一类是异体同构周边式，上述两类执行器在空间站捕获中存在容差小、纠偏能力低等问题，在大容差或被捕获物姿态变化的情况下捕获成功率较低。随着航天技术、材料科学以及机械科学的不断发展，空间站机械臂末端执行机构不断涌现。最有代表性的是加拿大MDA(MacDonald Dettwiler and Associates Ltd.)公司为国际空间站研制的末端执行器，该末端执行器在空间站能够实现大载荷目标物的捕获，但仍然存在捕获空间容差较小、接触碰撞力较大的问题，对被捕获物姿势和捕获空间具有严格要求，甚至导致捕获失败。

发明内容

本发明提供一种末端执行器，可克服捕获空间容差较小且触碰撞力较大的问题，实现在捕获的同时对目标物的姿态进行纠偏调整，在大容差条件下实现末端执行器对目标物的软接触捕获，降低了对空间站被捕获物的姿态参数要求，提高了空间站目标物的捕获成功率。

为解决上述技术问题，本发明实施例采用如下技术方案：

一种末端执行器，包括本体，以及设置在本体内的捕获机构和拖动机构，所述拖动机构与本体固定，且所述拖动机构的输出端与所述捕获机构连接，所述捕获机构上设置有纠偏组件，所述捕获机构的电机带动所述纠偏组件将目标物的偏航角度调整到预设范围内。

一种可能的设计，所述纠偏组件设置在所述捕获机构背向所述拖动机构的一侧。

一种可能的设计，所述纠偏组件包括纠偏环和多个纠偏钢丝绳，所述纠偏环旋转安装在所述捕获机构上，多个所述纠偏钢丝绳交织在所述纠偏环内，用以束缚目标物。

一种可能的设计，所述捕获机构包括电机、固定环、转动环和捕获钢丝绳，所述固定环与所述拖动机构连接，所述转动环旋转安装在所述固定环上，且所述转动环和纠偏环分居所述固定环的两侧，所述电机的输出端分别连接所述转动环和纠偏环，所述纠偏钢丝绳的一端固定在所述纠偏环内侧，另一端固定在所述固定环的内侧。

一种可能的设计，所述电机的输出端设有第一齿轮，所述转动环的内侧设有第一延伸板，所述第一延伸板的下端设有第一齿条，所述第一齿条与所述第一齿轮啮合。

一种可能的设计，所述固定环的下端设置有轴承件，多个所述轴承件均匀布置在所述转动环的外周且与所述转动环配合，形成所述转动环与固定环的旋转连接。

一种可能的设计，所述纠偏环通过传动机构与所述电机连接，所述传动机构包括第二延伸板和设置在所述转动环外周的外滑环，所述外滑环的上端与所述纠偏环连接，所述外滑环的内侧与所述轴承件配合，形成所述外滑环与固定环的转动连接；所述电机的输出端设有第二齿轮，所述第二延伸板设置在所述外滑环的下端，所述第二延伸板的下端设有第二齿条，所述第二齿条与所述第二齿轮啮合。

一种可能的设计，拖动机构还包括滑动组件，所述滑动组件包括滑块和设置在本体内壁上的滑轨，所述滑块通过支架与所述固定环连接。

一种可能的设计，所述转动环和外滑环之间设置有空隙，所述支架穿过所述空隙并向上延伸至所述固定环。

一种可能的设计，所述拖动机构还包括丝杠组件，所述丝杠组件包括丝杠、拖动电机和随动件，所述丝杠与所述随动件螺接且所述丝杠的一端与所述拖动电机连接，所述随动件通过连接板与所述滑块连接。

本发明实施例的有益效果：

本发明实施例的末端执行器可在捕获的同时对目标物的姿态进行纠偏调整，在大容差条件下实现末端执行器对目标物的软接触捕获，降低了对空间站被捕获物的姿态参数要求，提高了空间站目标物的捕获成功率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1为根据本公开一实施例的末端执行器示意图；

图2为捕获机构示意图；

图3为捕获机构剖示图；

图4为捕获机构截面示意图；

图5为纠偏钢丝绳示意图；

图6为捕获钢丝绳示意图。

附图标记：1-本体、2-拖动机构、3-捕获机构、4-纠偏组件、5-纠偏环、6-固定环、7-转动环、8-外滑环、9-第一延伸板、10-第一齿条、11-轴承件、12-空隙、13-第二齿条、14-第一齿轮、15-第二齿轮、16-工字连接件、17-捕获钢丝绳、18-纠偏钢丝绳、19-第二延伸板、20-第一凹槽、21-第二凹槽、22-电机、23-V形滑道、24-丝杠、25-随动件、26-拖动电机、27-连接板、28-滑块、29-滑轨、30-支架、31-纠偏区、32-捕获区、33-凸块。

具体实施方式

为使本申请的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚明了，下面结合附图对本申请的实施例进行说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例和实施例中的特征可以相互任意组合。

请参阅图1至图4的本发明实施例的末端执行器。如图1所示，该末端执行器包括本体1，以及设置在本体1内的捕获机构3和拖动机构2，其中，拖动机构2与本体1固定，而拖动机构2的输出端与捕获机构3连接，以拖动其沿本体1长度方向移动。特别地，上述捕获机构3上还设置有纠偏组件4，纠偏组件4可进一步束缚目标物，并将目标物的偏航角度调整到预设范围内。由此，该末端执行器可在捕获的同时对目标物的姿态进行纠偏调整，降低了对空间站被捕获物的姿态参数要求，大大提高了空间站目标物的捕获成功率。

具体地，如图1所示，本体1呈中空管状，上述拖动机构2设置在其底端，而纠偏组件4设置在捕获机构3背向拖动机构2的一侧。就拖动机构2而言，其包括起到拖动作用的丝杠组件，以及用于导向和控制平稳性的滑动组件，如图1所示，其中，滑动组件包括三个滑块28和设置在本体1内壁上的三个滑轨29，三个滑轨29绕本体1的周向均匀布置，且沿本体1长度方向延伸，该滑块28滑动连接在滑轨29，且滑块28还通过支架30与上述捕获机构3的固定环6连接；上述丝杠组件包括丝杠24、拖动电机26和随动件25，丝杠24与随动件25螺接且丝杠24的一端与拖动电机26连接，同时，随动件25通过连接板27与上述三个滑块28和支架3连接。由此，在工作时，该拖动电机26可带动丝杠24旋转，而丝杠24的旋转又将拉动随动件25沿其长度移动，从而使得与随动件25连接的捕获机构3在本体1内活动，同时，上述滑动组件的作用可使得捕获机构3移动更加平稳。

就捕获机构而言，如图2、图3、图4和图6所示，其包括电机22、固定环6、转动环7和捕获钢丝绳18，其中，固定环6设置在转动环7的上侧，固定环6的底部设有多个轴承件11，多个轴承件11均匀布置，该轴承件11的顶部与固定环6固定，其下部设有可旋转的旋转部，上述转动环7的外侧壁对应旋转部设有V形滑道23，两者配合，使得转动环7挂在轴承件11上并可沿其中心旋转，形成固定环6与转动环7的旋转连接。三根上述捕获钢丝绳18交织在固定环6与转动环7内，任一述捕获钢丝绳18的一端固定在转动环7内壁，另一端固定在固定环6内壁，三根捕获钢丝绳18在捕获机构3的中心围成三角形的捕获区32，而在转动环7转动时，捕获区32的大小会随之变化，使得三根捕获钢丝绳18束缚住不同外形大小的目标物。由此，当需要抓捕目标物时，通过旋转转动环7，可不断收紧捕获钢丝绳18围成的捕获区32，直至捕获钢丝绳18围绕并锁紧目标物停止，实现抓捕。另外，固定环6与转动环7的内壁设置有凹陷的第二凹槽21，在无需抓捕时，捕获钢丝绳18需要展开，即上述捕获钢丝绳18可在转动环7转动调整后贴合在内壁，此时，其嵌入到第二凹槽21内，完全没入捕获机构3内。上述电机4避让上述丝杠24，并固定在上述随动件25上，其输出端设有第一齿轮14和第二齿轮15，第一齿轮14和第二齿轮15为一体件。上述转动环7的内壁固定有第一延伸板9，其为弧形，与转动环7的内壁贴合，且其向下侧延伸并在内侧设有第一齿条10，该第一齿条10与第一齿轮14啮合，使得电机22可带动转动环7和第一延伸板9旋转。

就纠偏组件4而言，如图1至图6所示，纠偏机构包括纠偏环5和纠偏钢丝绳17，其中，该纠偏环5设置在固定环6的上侧，其也与固定环6旋转连接，形成纠偏环5和转动环7分别在固定环6的上下两侧转动。具体地，上述纠偏环5通过外滑环8与轴承件11连接，构成旋转连接，其中，外滑环8的内侧也设有V形滑道23，其与多个轴承件11配合，使得外滑环8挂在轴承件11上并可沿其中心旋转；纠偏环5的外边缘向外侧突出，形成三个凸块33，每个凸块33的下端通过工字连接件16连接外滑环8，形成纠偏环5与外滑环8的相对固定。由此，在外滑环8转动时，纠偏环5也会同步转动。同时，外滑环8和转动环7之间存在空隙12，该空隙12可容上述支架30通过，从而支架30可从下侧伸向固定环6并与固定环6固定。如同捕获钢丝绳18，三根上述纠偏钢丝绳17交织在纠偏环5和固定环7内，任一述纠偏钢丝绳17的一端固定在纠偏环5内壁，另一端固定在固定环6内壁，三根纠偏钢丝绳17在纠偏环5的中心围成三角形的纠偏区31，而在纠偏环5转动时，纠偏区31的大小会随之变化，使得三根纠偏钢丝绳17束缚住不同外形大小的目标物。由此，当需要调节目标物姿态时，通过旋转纠偏环5，可不断收紧纠偏钢丝绳17围成的纠偏区31，其一根或两根纠偏钢丝绳17接触目标物，拖动倾斜目标物回正，直至目标物的偏航角度处于预设范围内，实现纠偏。另外，纠偏环5和固定环7的内壁也设置有凹陷的第一凹槽20，如同第二凹槽21，可收纳纠偏钢丝绳17，使其嵌入第一凹槽20内，完全隐藏在纠偏环5。上述外滑环8的内壁固定有第二延伸板19，其也为弧形，与外滑环8的内壁贴合，且其向下侧延伸并在内侧设有第二齿条13，该第二齿条13与第二齿轮15啮合，使得电机22可带动外滑环8和纠偏环5旋转。

由此，上述电机22可同时带动完成捕获和纠偏过程，操作简单，容错大，可根据目标物的情况实时调节。上述末端执行器通过捕获钢丝绳18和纠偏钢丝绳17共同束缚目标物，实现软接触目标物，降低了接触碰撞力，提高了捕获成功率，同时，纠偏组件将偏差较大的姿态调整纠正到安全捕获范围，大幅度提高了末端执行器的容差范围。

该末端执行器捕获过程主要分为两个步骤，根据工作的先后顺序分别是抓捕和纠偏目标物、以及拖动目标物。首先，在抓捕前，捕获钢丝绳18和纠偏钢丝绳17分别处于第二凹槽21和第一凹槽20，不会干涉目标物进入本体1内部。在抓捕阶段，当目标物体进入末端执行器的本体1内部后，操作人员会启动电机22，其使得第一齿轮14和第二齿轮15旋转，而带动转动环7和纠偏环5一起转动，转动环7的旋转又使得捕获钢丝绳18收缩，直至捕获钢丝绳18收缩到完全包裹目标物体，完成对目标物的一端的抓捕过程，同时，纠偏环5旋转，纠偏钢丝绳17收缩限位目标物体，完成对目标物的纠偏过程，将目标物体原来较大的俯仰、偏航角度纠偏调整到合理范围内。最后，进行拖动，通过拖动电机2的转动带动丝杠3旋转，丝杠3的旋转将捕获机构3拖动到末端执行器底部，完成拖动过程，实现对目标物的捕获。

结合上述实施例，本发明实施例的末端执行器可在捕获的同时对目标物的姿态进行纠偏调整，在大容差条件下实现末端执行器对目标物的软接触捕获，降低了对空间站被捕获物的姿态参数要求，提高了空间站目标物的捕获成功率。

在本申请的描述中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种末端执行器，包括本体，以及设置在本体内的捕获机构和拖动机构；所述拖动机构与所述本体固定，且所述拖动机构的输出端与所述捕获机构连接；其特征在于，所述捕获机构包括电机、转动环、捕获钢丝绳和纠偏组件，所述纠偏组件包括纠偏环和多个纠偏钢丝绳，多个所述纠偏钢丝绳交织在所述纠偏环内；所述捕获钢丝绳的一端固定在所述转动环内壁；所述电机的输出端连接所述转动环和所述纠偏环，所述捕获钢丝绳完成目标物捕获的同时，所述纠偏钢丝绳完成将目标物的偏航角度调整到预设范围内。

2.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于，所述纠偏组件设置在所述捕获机构背向所述拖动机构的一侧。

3.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于，所述捕获机构还包括固定环，所述固定环与所述拖动机构连接，所述转动环旋转安装在所述固定环上，且所述转动环和纠偏环分居所述固定环的两侧，所述纠偏钢丝绳的一端固定在所述纠偏环内侧，另一端固定在所述固定环的内侧。

4.根据权利要求3所述的末端执行器，其特征在于，所述电机的输出端设有第一齿轮，所述转动环的内侧设有第一延伸板，所述第一延伸板的下端设有第一齿条，所述第一齿条与所述第一齿轮啮合。

5.根据权利要求3所述的末端执行器，其特征在于，所述固定环的下端设置有轴承件，多个所述轴承件均匀布置在所述转动环的外周且与所述转动环配合，形成所述转动环与固定环的旋转连接。

6.根据权利要求5所述的末端执行器，其特征在于，所述纠偏环通过传动机构与所述电机连接，所述传动机构包括第二延伸板和设置在所述转动环外周的外滑环，所述外滑环的上端与所述纠偏环连接，所述外滑环的内侧与所述轴承件配合，形成所述外滑环与固定环的转动连接；所述电机的输出端设有第二齿轮，所述第二延伸板设置在所述外滑环的下端，所述第二延伸板的下端设有第二齿条，所述第二齿条与所述第二齿轮啮合。

7.根据权利要求6所述的末端执行器，其特征在于，拖动机构还包括滑动组件，所述滑动组件包括滑块和设置在本体内壁上的滑轨，所述滑块通过支架与所述固定环连接。

8.根据权利要求7所述的末端执行器，其特征在于，所述转动环和外滑环之间设置有空隙，所述支架穿过所述空隙并向上延伸至所述固定环。

9.根据权利要求7所述的末端执行器，其特征在于，所述拖动机构还包括丝杠组件，所述丝杠组件包括丝杠、拖动电机和随动件，所述丝杠与所述随动件螺接且所述丝杠的一端与所述拖动电机连接，所述随动件通过连接板与所述滑块连接。

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