CN113696211B - 一种空间机械臂软抓手 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间机械臂软抓手，包括：被抓物安装座、锁死机构、驱动装置Ⅰ、抓手本体、驱动装置Ⅱ、驱动摇臂、抓手滑轨和机械臂连接件；所述抓手滑轨前端的两对侧分别设有抓手本体，每个抓手本体的后端通过驱动摇臂与设置在抓手滑轨上的驱动装置Ⅱ连接，前端通过锁死机构与驱动装置Ⅰ连接；两个抓手本体能够在驱动装置Ⅰ和锁死机构的配合下相向运动，实现抓取并锁紧被抓物安装座，继而抓取被抓物；同时，抓手滑轨的后端设置机械臂连接件，用于与机械臂连接；其中，抓手本体的端部采用金属橡胶材料。
Description
技术领域
本发明涉及空间机械臂技术领域，具体涉及一种空间机械臂软抓手。
背景技术
在空间舱外微重力环境中，需要航天器外部的机械臂抓手对舱外物体进行抓取、拖曳。机械臂抓手常为刚性结构，既保证了在发射时不受损伤，也保证了使用过程中对抓取力的需求。一方面，机械臂抓手捕捉到物体后，刚性抓手的驱动装置需要持续作用，保证机械臂抓手夹紧物体，将物体拖曳到指定位置。另一方面，刚性结构会产生振动和剐蹭，微重力环境下振动的抑制是一个复杂而困难的问题，因此，机械臂抓手通常需要安装额外的减振装置来抑制振动。
太空环境和地面环境存在很大不同。在温度变化较大和失重状态下，在地面上经常用到的硅胶、橡胶材料等性质会发生比较大的变化，这使得以这些材料为主体制造出的机械软抓手很难长时间在太空环境中工作，而这些材料更无法直接安装在空间舱外机械臂抓手上随航天器发射升空。同时，传统抓手抓取物体后驱动装置长时间作用，要考虑拖曳过程耗时过长或遇到了较大的冲击力作用等问题，对驱动装置有较高的要求。使用刚性材料制造的机械臂抓手在太空抓取物体时会遇到由碰撞产生的振动和冲击问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种空间机械臂软抓手，整体结构采用仿人体手臂的构造模式，即内部以刚性结构作为支撑，仿照人体骨骼；外部以金属橡胶材料作为软结构实现抓取，仿照人体肌肉组织；同时，设计了抓取物体后的锁死机构，使得抓住物体后驱动装置不受力。
本发明的技术方案为：一种空间机械臂软抓手，包括：被抓物安装座、锁死机构、驱动装置Ⅰ、抓手本体、驱动装置Ⅱ、驱动摇臂、抓手滑轨和机械臂连接件；
所述抓手滑轨前端的两对侧分别设有抓手本体，每个抓手本体的后端通过驱动摇臂与设置在抓手滑轨上的驱动装置Ⅱ连接，前端通过锁死机构与驱动装置Ⅰ连接；两个抓手本体能够在驱动装置Ⅰ和锁死机构的配合下相向运动，实现抓取并锁紧被抓物安装座，继而抓取被抓物；同时，抓手滑轨的后端设置机械臂连接件，用于与机械臂连接；其中，抓手本体的端部采用金属橡胶材料。
优选地，所述被抓物安装座的主体为长方体结构，该长方体的上下端面中心位置处分别设有圆形凹槽和方形凹槽，且圆形凹槽位于方形凹槽中，用于与抓手本体对接；同时，该长方体的上下端面的左右侧边处分别设有卡槽，用于为锁死机构***其中进行导向和限位；使用时，被抓物安装座安装在被抓物上，通过锁死机构与抓手本体连接并实现抓取、锁死。
优选地，所述锁死机构由圆环卡扣、连接杆和连接盘组成；连接盘通过连接杆支撑在圆环卡扣上，同时，连接盘与驱动装置Ⅰ的摇臂连接，实现锁死机构在驱动装置Ⅰ的驱动下旋转移动；圆环卡扣的周向设有凸起，用于与被抓物安装座上下端面上设计的卡槽凹凸配合，实现对被抓物安装座的锁死。
优选地，所述抓手本体包括可拆卸连接的三部分，分别为：前半上部、前半下部和后半部；
所述锁死机构安装在前半下部和前半上部之间，并将三者固定连接，固定后，通过螺栓与后半部连接；后半部的左右两侧设有抓手导轨Ⅰ，抓手导轨Ⅰ与抓手滑轨滑动配合，为抓手本体的滑动限位；
所述前半上部为上端和前端开口的长方体框架，其后端设有上下贯通的前半下部安装槽，用于安装前半下部；前半下部为U字型框架，其水平段设有旋转轴，旋转轴的上端同轴套装有圆环卡扣，实现锁死机构与抓手本体的连接，下端套装有金属橡胶套，作为抓取软结构；抓取时，金属橡胶套所在端的旋转轴与被抓物安装座中的圆形凹槽凹凸配合；
所述前半上部的内部空腔作为驱动装置安装槽Ⅰ，用于安装驱动装置Ⅰ，驱动装置Ⅰ与锁死机构的连接盘连接，控制锁死机构的旋转运动；
所述前半下部的一个竖直段***前半上部的前半下部安装槽中，另一个竖直段封堵在前半上部的前端开口处，并通过螺栓紧固，使前半上部和前半下部形成前半部；所述后半部与前半部通过螺栓对接，并紧固为一体。
优选地，每个所述抓手导轨Ⅰ的前后端面上分别设有滚珠轴安装槽，其中安装有滚珠轴承，将抓手滑轨与抓手导轨Ⅰ之间的滑动配合转化为滚动配合。
优选地，所述抓手本体上设计的金属橡胶套的外形为圆柱形或方柱形。
优选地，所述抓手本体的后半部上设有减重孔。
优选地，所述抓手滑轨整体形状为圆柱形，其前端设有沿径向上下贯通的开口槽，作为抓手导轨Ⅱ，抓手导轨Ⅱ的两相对壁面上分别设有导轨槽，抓手本体上的抓手导轨Ⅰ与该导轨槽滑动配合，使两个抓手本体能够相向或相背移动；抓手滑轨靠后位置处设有驱动装置安装槽Ⅱ，用于安装驱动装置Ⅱ。
优选地，所述导轨槽内安装滚排，将其与抓手导轨Ⅰ之间的滑动配合转化为滚动配合。
优选地，所述驱动摇臂的整体形状为具有设定弧度的条形薄片，其长度方向的两端分别与抓手本体和驱动装置Ⅱ连接。
有益效果：
1、本发明的空间机械臂软抓手，设计了抓取物体后的锁死机构，使得抓住物体后驱动装置不受力；整体结构采用仿人体手臂的构造模式，即内部以刚性结构作为支撑，仿照人体骨骼；外部以金属橡胶材料作为软结构实现抓取，仿照人体肌肉组织，且该软结构使用金属橡胶材料，可抑制抓取时的振动，即将其隔振性能用来解决空间机械臂抓取过程振动问题；同时克服了普通软材料在空间中性能不稳定的问题。
2、本发明中设计的被抓物安装座，作为抓手本体和被抓物之间的传递介质，既能够承载被抓物，又能够被抓手本体有效抓取、锁紧。
3、本发明中锁紧机构的具体设计，能够与被抓物安装座凹凸配合实现对接，并能够在驱动装置Ⅰ的驱动下转动设定角度，从而与卡槽锁紧，实现抓取被抓物安装座后将其锁死，保证驱动装置Ⅰ不再受力，克服了一些机械手抓取时需要驱动机构施力，有利于实现长时间、大力度抓取。
4、本发明中抓手本体的可拆卸设计，便于更换，有利于增加软抓手的整体寿命；同时，还对锁死机构运动有很好的限位作用，也便于更换锁死机构。
5、本发明中抓手导轨Ⅰ中滚珠轴承的设计，有利于降低摩擦，防止卡死。
6、本发明中金属橡胶套的设计，拆卸方便，便于抓手本体末端软结构的更换。
7、本发明中抓手滑轨的导轨槽中设计的滚排，将抓手滑轨与抓手本体之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，在抓手本体受较大力时仍旧可以顺畅的移动，也降低了抓手本体抓取被抓物安装座时驱动装置Ⅱ的受力，降低了对驱动装置Ⅱ扭矩的要求。
附图说明
图1为本发明空间机械臂软抓手的结构示意图。
图2为本发明中被抓物安装座的示意图，(a)主视图，(b)左视图，(c)俯视图，(d)等轴测图。
图3为本发明中锁死机构的示意图，(a)主视图，(b)左视图，(c)俯视图，(d)等轴测图。
图4为本发明中抓手本体的三视图。
图5为本发明中抓手的等轴测图。
图6为本发明中前半上部的示意图，(a)主视图，(b)左视图，(c)俯视图，(d)等轴测图。
图7为本发明中前半下部的示意图，(a)主视图，(b)左视图，(c)俯视图，(d)等轴测图。
图8为本发明中后半部的示意图，(a)主视图，(b)左视图，(c)俯视图，(d)等轴测图。
图9为本发明中抓手滑轨的示意图，(a)主视图，(b)左视图，(c)俯视图，(d)等轴测图。
图10为本发明中机械臂连接件的示意图，(a)主视图，(b)左视图，(c)俯视图，(d)等轴测图。
其中，1-被抓物安装座，2-锁死机构，3-驱动装置Ⅰ，4-抓手本体，5-驱动装置Ⅱ，6-驱动摇臂，7-抓手滑轨，8-机械臂连接件，11-卡槽，12-圆形凹槽，13-方形凹槽，14-螺纹孔，21-连接盘，22-连接杆，23-圆环卡扣，24-凸起，41-摇臂接口，42-后半部，43-抓手导轨Ⅰ，44-滚珠轴安装槽，45-前半上部，46-前半下部，71-抓手导轨Ⅱ，72-导轨槽，73-驱动装置安装槽Ⅱ，421-螺母槽，451-前半下部安装槽，452-驱动装置安装槽Ⅰ，453-螺母安装槽，461-旋转轴，462-金属橡胶套。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种空间机械臂软抓手，整体结构采用仿人体手臂的构造模式，即内部以刚性结构作为支撑，仿照人体骨骼；外部以金属橡胶材料作为软结构实现抓取，仿照人体肌肉组织；同时，设计了抓取物体后的锁死机构，使得抓住物体后驱动装置Ⅰ不受力。
如图1所示，该机械臂软抓手包括：被抓物安装座1、锁死机构2、驱动装置Ⅰ3、抓手本体4、驱动装置Ⅱ5、驱动摇臂6、抓手滑轨7和机械臂连接件8；
抓手滑轨7前端的两对侧分别设有抓手本体4，每个抓手本体4的后端通过驱动摇臂6与设置在抓手滑轨7上的驱动装置Ⅱ5连接，前端通过锁死机构2与驱动装置Ⅰ3连接；两个抓手本体4能够在驱动装置Ⅰ3和锁死机构2的配合下相向运动，以便于抓取并锁紧被抓物安装座1，继而实现对被抓物的抓取(松开被抓物时，动作相反)；同时，抓手滑轨7的后端设置机械臂连接件8(如图10所示)，用于与机械臂连接，机械臂连接件8的设置，便于与不同的机械臂切换安装；其中，整个软抓手的前后方向分别为靠近被抓物安装座1的方向和远离被抓物安装座1的方向。
如图2所示，被抓物安装座1的主体为长方体结构，该长方体的上下端面中心位置处分别设有圆形凹槽12和方形凹槽13，且圆形凹槽12位于方形凹槽13中；同时，该长方体的上下端面的左右侧边处设有卡槽11，用于为锁死机构2***其中进行导向和限位；使用时，被抓物安装座1安装在被抓物上(通过设置在被抓物安装座1前端的螺纹孔14与被抓物连接)，通过锁死机构2与抓手本体4连接并实现抓取、锁死；
如图3所示，锁死机构2由圆环卡扣23、连接杆22和连接盘21组成；连接盘21通过连接杆22支撑在圆环卡扣23上，同时，连接盘21与驱动装置Ⅰ3的摇臂连接，实现锁死机构2在驱动装置Ⅰ3的驱动下旋转移动；圆环卡扣23的周向设有凸起24，用于与被抓物安装座1上下端面上设计的卡槽11凹凸配合，实现对被抓物安装座1的锁死，锁死后可约束抓手本体4在抓手滑轨7上的自由度，从而在抓取后拖曳过程中，不需要驱动驱动装置Ⅰ3控制抓手本体4的移动自由度；
如图4和图5所示，抓手本体4包括可拆卸连接的三部分，分别为：前半上部45、前半下部46和后半部42；
锁死机构2安装在前半下部46和前半上部45之间，通过螺栓将三者固定连接，固定后，通过螺栓与后半部42连接；后半部42的左右两侧设有抓手导轨Ⅰ43，抓手导轨Ⅰ43与抓手滑轨7滑动配合，从而为抓手本体4的滑动限位；
如图6所示，前半上部45为上端和前端开口的长方体框架，其后端设有上下贯通的前半下部安装槽451，用于安装前半下部46；如图7所示，前半下部46为U字型框架，其水平段设有旋转轴461，旋转轴461的上端同轴套装有圆环卡扣23，实现锁死机构2与抓手本体4的连接，下端套装有金属橡胶套462，作为抓取软结构；抓取时，金属橡胶套462所在端的旋转轴461与被抓物安装座1中的圆形凹槽12凹凸配合(方形凹槽13起导向和限位的作用)，既保证了一定的刚度需求，也减缓了抓取时的震动；其中，金属橡胶套462采用的金属橡胶是一种新型材料，它由金属经过拉伸、螺旋、冲压等一系列复杂的物理方法制作成型，其特点有：可以承受较大的温度变化而性能保持稳定，可以长时间储存并保持性质，可以隔绝空间中任意方向的振动等，金属橡胶套462还可以通过改变加工手段实现对其刚度的调整；
前半上部45的内部空腔作为驱动装置安装槽Ⅰ452，驱动装置Ⅰ3安装于驱动装置安装槽Ⅰ452中，与锁死机构2的连接盘21连接，控制锁死机构2的旋转运动；
前半下部46的一个竖直段***前半上部45的前半下部安装槽451中，另一个竖直段封堵在前半上部45的前端开口处，并通过螺栓紧固，使前半上部45和前半下部46形成一个整体结构，即前半部；
如图8所示，抓手本体4的后半部42的前端上部设有螺母槽421，当后半部42与前半部通过螺栓对接后，通过向螺母槽421中放入螺母，与连接后半部42和前半部之间的螺栓配合，实现后半部42和前半部之间的紧固；
如图9所示，抓手滑轨7整体形状为圆柱形，其前端设有沿径向的开口槽，作为抓手导轨Ⅱ71，抓手导轨Ⅱ71的两相对壁面上分别设有导轨槽72，抓手本体4上的抓手导轨Ⅰ43与该导轨槽72滑动配合，限制抓手本体4左右、前后方向的移动，使其沿导轨槽72进行上下移动；抓手滑轨7靠后位置处设有驱动装置安装槽Ⅱ73，用于安装驱动装置Ⅱ5。
本实施例中，每个抓手导轨Ⅰ43的前后端面上分别设有滚珠轴安装槽44，其中安装有滚珠轴承，将抓手滑轨7与抓手导轨Ⅰ43之间的滑动配合转化为滚动配合，以减小抓手导轨Ⅰ43与抓手滑轨7之间滑动配合的摩擦力，从而减少抓手本体4移动时的摩擦。
本实施例中，抓手本体4的后半部42上设有减重孔，以减轻该空间机械臂软抓手的整体重量。
本实施例中，驱动摇臂6的整体形状为具有设定弧度的条形薄片，其长度方向的两端分别与抓手本体4和驱动装置Ⅱ5连接，从而实现驱动装置Ⅱ5的作用力通过驱动摇臂6传递给抓手本体4，抓手本体4在抓手滑轨7的约束下进行移动。
本实施例中，驱动装置Ⅰ3采用舵机Ⅰ，驱动装置Ⅱ5采用舵机Ⅱ。
本实施例中，导轨槽72内可安装滚排(一种滚动轴承)，将导轨槽72与抓手导轨Ⅰ43之间的滑动配合转化为滚动配合，减小抓手导轨Ⅰ43在其中移动时的摩擦。
本实施例中，抓手本体4上设计的金属橡胶套462的外形为圆柱形或方柱形等。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (7)
1.一种空间机械臂软抓手，其特征在于，包括：被抓物安装座(1)、锁死机构(2)、驱动装置Ⅰ(3)、抓手本体(4)、驱动装置Ⅱ(5)、驱动摇臂(6)、抓手滑轨(7)和机械臂连接件(8)；
所述抓手滑轨(7)前端的两对侧分别设有抓手本体(4)，每个抓手本体(4)的后端通过驱动摇臂(6)与设置在抓手滑轨(7)上的驱动装置Ⅱ(5)连接，前端通过锁死机构(2)与驱动装置Ⅰ(3)连接；两个抓手本体(4)能够在驱动装置Ⅰ(3)和锁死机构(2)的配合下相向运动，实现抓取并锁紧被抓物安装座(1)，继而抓取被抓物；同时，抓手滑轨(7)的后端设置机械臂连接件(8)，用于与机械臂连接；其中，抓手本体(4)的端部采用金属橡胶材料；
所述被抓物安装座(1)的主体为长方体结构，该长方体的上下端面中心位置处分别设有圆形凹槽(12)和方形凹槽(13)，且圆形凹槽(12)位于方形凹槽(13)中，用于与抓手本体(4)对接；同时，该长方体的上下端面的左右侧边处分别设有卡槽(11)，用于为锁死机构(2)***其中进行导向和限位；使用时，被抓物安装座(1)安装在被抓物上，通过锁死机构(2)与抓手本体(4)连接并实现抓取、锁死；
所述锁死机构(2)由圆环卡扣(23)、连接杆(22)和连接盘(21)组成；连接盘(21)通过连接杆(22)支撑在圆环卡扣(23)上，同时，连接盘(21)与驱动装置Ⅰ(3)的摇臂连接，实现锁死机构(2)在驱动装置Ⅰ(3)的驱动下旋转移动；圆环卡扣(23)的周向设有凸起(24)，用于与被抓物安装座(1)上下端面上设计的卡槽(11)凹凸配合，实现对被抓物安装座(1)的锁死；
所述抓手本体(4)包括可拆卸连接的三部分，分别为：前半上部(45)、前半下部(46)和后半部(42)；
所述锁死机构(2)安装在前半下部(46)和前半上部(45)之间，并将三者固定连接，固定后，通过螺栓与后半部(42)连接；后半部(42)的左右两侧设有抓手导轨Ⅰ(43)，抓手导轨Ⅰ(43)与抓手滑轨(7)滑动配合，为抓手本体(4)的滑动限位；
所述前半上部(45)为上端和前端开口的长方体框架，其后端设有上下贯通的前半下部安装槽(451)，用于安装前半下部(46)；前半下部(46)为U字型框架，其水平段设有旋转轴(461)，旋转轴(461)的上端同轴套装有圆环卡扣(23)，实现锁死机构(2)与抓手本体(4)的连接，下端套装有金属橡胶套(462)，作为抓取软结构；抓取时，金属橡胶套(462)所在端的旋转轴(461)与被抓物安装座(1)中的圆形凹槽(12)凹凸配合；
所述前半上部(45)的内部空腔作为驱动装置安装槽Ⅰ(452)，用于安装驱动装置Ⅰ(3)，驱动装置Ⅰ(3)与锁死机构(2)的连接盘(21)连接，控制锁死机构(2)的旋转运动；
所述前半下部(46)的一个竖直段***前半上部(45)的前半下部安装槽(451)中，另一个竖直段封堵在前半上部(45)的前端开口处，并通过螺栓紧固，使前半上部(45)和前半下部(46)形成前半部；所述后半部(42)与前半部通过螺栓对接，并紧固为一体。
2.如权利要求1所述的空间机械臂软抓手，其特征在于，每个所述抓手导轨Ⅰ(43)的前后端面上分别设有滚珠轴安装槽(44)，其中安装有滚珠轴承，将抓手滑轨(7)与抓手导轨Ⅰ(43)之间的滑动配合转化为滚动配合。
3.如权利要求1所述的空间机械臂软抓手，其特征在于，所述抓手本体(4)上设计的金属橡胶套(462)的外形为圆柱形或方柱形。
4.如权利要求1所述的空间机械臂软抓手，其特征在于，所述抓手本体(4)的后半部(42)上设有减重孔。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的空间机械臂软抓手，其特征在于，所述抓手滑轨(7)整体形状为圆柱形，其前端设有沿径向上下贯通的开口槽，作为抓手导轨Ⅱ(71)，抓手导轨Ⅱ(71)的两相对壁面上分别设有导轨槽(72)，抓手本体(4)上的抓手导轨Ⅰ(43)与该导轨槽(72)滑动配合，使两个抓手本体(4)能够相向或相背移动；抓手滑轨(7)靠后位置处设有驱动装置安装槽Ⅱ(73)，用于安装驱动装置Ⅱ(5)。
6.如权利要求5所述的空间机械臂软抓手，其特征在于，所述导轨槽(72)内安装滚排，将其与抓手导轨Ⅰ(43)之间的滑动配合转化为滚动配合。
7.如权利要求1-4及6中任意一项所述的空间机械臂软抓手，其特征在于，所述驱动摇臂(6)的整体形状为具有设定弧度的条形薄片，其长度方向的两端分别与抓手本体(4)和驱动装置Ⅱ(5)连接。
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2021
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