欠驅(qū)動(dòng)靈巧多功能空間機(jī)器人手爪的制作方法
【專利摘要】欠驅(qū)動(dòng)靈巧多功能空間機(jī)器人手爪，設(shè)前端套筒和尾端套筒組成的本體，電機(jī)機(jī)座與前端套筒聯(lián)接。在本體內(nèi)設(shè)置滾珠絲桿：絲桿經(jīng)聯(lián)軸器與電機(jī)轉(zhuǎn)軸傳動(dòng)連接，絲桿外設(shè)支撐件。與絲桿螺旋配合的螺母座后端固定有上下兩條驅(qū)動(dòng)塊。驅(qū)動(dòng)塊內(nèi)表面設(shè)固定的有上下兩指的尾端手指，手指前端有接頭；在尾端手指前端設(shè)用銷柱固定于尾端套筒的更換接口；尾端手指通過接頭與更換接口的卡接結(jié)構(gòu)連接并實(shí)現(xiàn)手指更換。驅(qū)動(dòng)塊軸向移動(dòng)推動(dòng)手指實(shí)現(xiàn)兩指尖的開合。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、抓持力大、效率高、易于制作和工作可靠。實(shí)現(xiàn)設(shè)一個(gè)手爪更換多種手指，具有抓捕、夾持等多種功能；可同時(shí)完成空間擰螺絲、實(shí)驗(yàn)器材夾持及抓拿漂浮物等空間生產(chǎn)裝配、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和維修維護(hù)。
【專利說明】欠驅(qū)動(dòng)靈巧多功能空間機(jī)器人手爪
(—)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種空間機(jī)器人手爪，一種機(jī)械臂的末端執(zhí)行器。屬機(jī)械手類(B25J)。
(二)【背景技術(shù)】
[0002]隨著航天航空空間技術(shù)的不斷發(fā)展，空間機(jī)器人被用于惡劣的空間環(huán)境中完成特定的任務(wù)。空間機(jī)器人的作業(yè)能力和效率依賴于末端執(zhí)行手爪的能力。國(guó)內(nèi)外在空間機(jī)器人手爪研究，從結(jié)構(gòu)上劃分為外抓式、內(nèi)撐式和其他結(jié)構(gòu)。外抓式又分為二指、三指和多指結(jié)構(gòu)。目前日本的ETS-VII艙外兩指手爪，采用開合手指并有對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)；加拿大的手爪SARAH，采用欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，三個(gè)手指完成空間抓?。还枮I工業(yè)大學(xué)研制的空間機(jī)器人手爪，采用兩指對(duì)目標(biāo)進(jìn)行包絡(luò)和抓捕，后來北京郵電大學(xué)對(duì)該手指結(jié)構(gòu)和工藝性進(jìn)行了改進(jìn)。
[0003]上述這些手爪結(jié)構(gòu)都偏重實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的抓捕，均存在的問題是:功能單一，抓持力小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大、不夠靈巧。
(三)
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型提供的欠驅(qū)動(dòng)靈巧多功能空間機(jī)器人手爪，就是解決現(xiàn)有空間機(jī)器人手爪存在的功能單一、抓持力小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和不夠靈巧的問題。
[0005]技術(shù)方案是:
[0006]欠驅(qū)動(dòng)靈巧多功能空間機(jī)器人手爪，包括:設(shè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)9，與驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸傳動(dòng)聯(lián)接的聯(lián)軸器8;其特征是:
[0007]I)設(shè)圓筒形前端套筒5和尾端套筒4連接固定組成的靜止本體；驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)座與前端套筒固定；在前端套筒內(nèi)腔，設(shè)置滾珠絲桿6:其中絲桿6.1前端通過聯(lián)軸器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸連接，絲桿外設(shè)徑向支撐絲桿的絲桿支撐件7 ;滾珠絲桿中的螺母座6.2與絲桿螺旋傳動(dòng)并沿軸向X移動(dòng)，螺母座后端固定沿豎向Z上下兩條驅(qū)動(dòng)塊2。2)在尾端套筒內(nèi)腔，驅(qū)動(dòng)塊開有豎向穿通的軸向槽口 2.1 ;上下兩條驅(qū)動(dòng)塊后端內(nèi)表面分別設(shè)軸向和周向均固定的有上下兩指的尾端手指1，上下兩指前端鉸接，兩指可繞鉸接心軸相對(duì)上下開合轉(zhuǎn)動(dòng)；驅(qū)動(dòng)塊與尾端套筒間、驅(qū)動(dòng)塊與尾端手指之間均為間隙配合。3)在兩驅(qū)動(dòng)塊間尾端手指前端設(shè)更換接口 3，更換接口與驅(qū)動(dòng)塊間為間隙配合；更換接口通過在前階梯軸3.1中設(shè)豎向銷柱3.3穿過驅(qū)動(dòng)塊槽口固定于尾端套筒；更換接口后圓筒3.2中開了上下兩條軸向槽口3.2A和周向兩條90°弧形槽口 3.2B ;尾端手指前端鉸接心軸沿縱向Y加長(zhǎng)作為接頭1.1 ；接頭與轉(zhuǎn)換接口間為接頭軸向卡入、旋轉(zhuǎn)90°卡緊，或者反向旋轉(zhuǎn)90°后松開、軸向抽出的卡接結(jié)構(gòu)；尾端手指按需要更換若干種型式，選用的每個(gè)尾端手指I由此卡接結(jié)構(gòu)與更換接口卡接固定，并通過更換接口固定于尾端套筒。4)尾端手指配置如下三種供更換的型式:①外抓式彈性兩指1:從前至后順次有鉸接心軸接頭、指間彈簧、水平段、上斜段、平行末端；上斜角d為30° _40° ;②夾持器手指Ib:從如至后順次有絞接心軸接頭、夾持指間彈簧、夾持水平段、夾持上斜段、夾持下斜末端；夾持上斜角d b為30° -40° ;③抓捕手指Ic:從前至后順次有鉸接心軸接頭、抓捕指間彈簧、截面為Π形的抓捕上斜段、上指末端有開口槽的圓弧形抓捕指尖；抓捕上斜角d。為30° -40°。
[0008]上述尾端手指指尖1.4可米用彈性材料和指尖夾持面1.5彈性聯(lián)接為與被抓夾物件相應(yīng)的形狀。上述尾端手指上，可埋設(shè)力傳感器11a、位置傳感器Ilb和設(shè)閉環(huán)控制電路。
[0009]本實(shí)用新型有益效果:
[0010]I)由于設(shè)更換接口，從而設(shè)一個(gè)手爪可更換多種手指工具，具有抓捕、夾持等多種功能。采用外抓手指:用于外抓較大的工件、工具(如空間擰螺絲)，完成航天空間生產(chǎn)裝配和艙外維修。采用夾持器手指:用于夾持較小的試驗(yàn)器材完成空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。采用抓捕手指:用于抓捕航天艙外漂浮物、清理垃圾等。即一個(gè)手爪可同時(shí)完成空間生產(chǎn)裝配、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和維修維護(hù)。
[0011]2)采用滾珠絲桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，平穩(wěn)可靠，工作效率高，出力大。
[0012]3)采用一個(gè)電機(jī)與滾珠絲桿聯(lián)接驅(qū)動(dòng)兩條驅(qū)動(dòng)塊來驅(qū)動(dòng)手指運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)元件少，控制簡(jiǎn)單。指尖采用彈性材料和彈性結(jié)構(gòu)與被抓夾物件相應(yīng)的形狀，抓夾范圍廣泛且對(duì)被抓夾形狀被動(dòng)自適應(yīng)。手爪實(shí)現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)控制。
[0013]4)由于兩指在驅(qū)動(dòng)塊作用下同步運(yùn)動(dòng)，再加上尾端套筒形成的手掌，約束6個(gè)自由度，對(duì)目標(biāo)合理定位，可提高抓捕或夾持精度。
[0014]5)整個(gè)手爪由前端套筒和尾端套筒形成的圓筒形狀，傳動(dòng)與支撐部件設(shè)置在整個(gè)圓筒內(nèi)形成緊湊、體積小、靈巧手爪，整個(gè)手爪安裝在空間機(jī)器人機(jī)械臂末端可節(jié)省空間。
[0015]6)手爪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，易于制作，在空間中工作壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定可靠。
[0016]7)手指可增設(shè)力和位置傳感器，對(duì)手指進(jìn)行閉環(huán)控制，手爪工作的精確性高。
(四)【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1本實(shí)用新型總體結(jié)構(gòu)布置正剖視圖(X-Z面)。圖中示出的尾端手指為外抓式彈性兩指I。
[0018]圖2圖1A-A劑視圖，滾珠絲桿橫截面視圖(Z-Y面)。
[0019]圖3圖1B-B剖視圖，更換接口、驅(qū)動(dòng)塊和尾端套筒連接橫截面剖視圖(Z-Y面)。圖4更換接口 3、接頭1.1結(jié)構(gòu)及接頭豎向放置，卡接前位置示圖(Z-X面)。圖5圖4C-C剖視圖(Z-Y面)。接頭卡接中旋轉(zhuǎn)90°位置示圖。
[0020]圖6卡接完位置示圖(Y-X面)。接頭1.1水平位置卡在更換接口的后圓筒3.2壁槽口中。
[0021]圖7夾持器手指結(jié)構(gòu)示意圖。(Z-X面視圖)。
[0022]圖8抓捕手指結(jié)構(gòu)示意圖(Z-X面視圖)。
[0023]圖9圖8D-D剖視圖。抓捕上斜段上下指橫截面形狀及相對(duì)位置視圖(Z_Y面視圖)。
[0024]圖10圖8Ε-Ε剖視圖。抓捕圓弧指尖上下指橫截面及相對(duì)位置視圖。(Ζ_Υ面視圖)。
[0025]附圖標(biāo)記說明:
[0026]I一手指(外抓式彈性兩指):1.1-接頭，1.2一指間彈簧，1.3一7_Κ平段，1.4一上斜段，1.5-平行末端，d -上斜角。[0027]!b-夾持器手指Ib:1.1b-夾持接頭，1.2b_夾持指間彈簧，1.3b_夾持水平段，1.4b-夾持上斜段，1.5b-夾持下斜末端，d b-夾持上斜角。
[0028]Ic-抓捕手指Ic:1.1c-抓捕接頭1.lc, 1.2c-抓捕指間彈簧；1.3c-抓捕上斜段1.3c:1.3c上一上指截面Π形，1.3c τ一下指截面矩形；1.4c-圓弧形抓捕指尖:1.4c ± ；-抓捕指尖上指開口槽，1.4(^-抓捕指尖下指矩形爪；d C-抓捕上斜角d co
[0029]2一驅(qū)動(dòng)塊:2.1—驅(qū)動(dòng)塊槽口。3—更換接口:3.1-前階梯軸；3.2_后圓筒；
3.2A-軸向槽口 ；3.2B-弧形槽口 ；3.3-銷柱。4一尾端套筒。5—前端套筒:5.1-套筒緊固件。6—滾珠絲桿:6.1-絲桿；6.2-螺母座；6.3-軸向緊固件。7-絲桿支撐件。8-聯(lián)軸器。9一驅(qū)動(dòng)電機(jī)。10-空間機(jī)器人機(jī)械臂。Ila-力傳感器11a。Ilb-位置傳感器lib。
(五)【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明。
[0031]I)見圖1，設(shè)圓筒形前端套筒5和尾端套筒4通過套筒緊固件5.1連接固緊組成靜止的本體，緊固件采用銷或螺釘，從而限制尾端套筒4的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)9機(jī)座與前端套筒固定。驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以選用步進(jìn)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在空間機(jī)器人機(jī)械臂10內(nèi)。在前端套筒內(nèi)腔，設(shè)置的滾珠絲桿選用精密級(jí)滾珠絲桿。其滾珠絲桿6如下組成:①見圖1，設(shè)有絲桿6.1，前端通過聯(lián)軸器8與驅(qū)動(dòng)電機(jī)9轉(zhuǎn)軸連接，絲桿外設(shè)支撐絲桿的固定于前端套筒的絲桿支撐件7。②見圖2，絲桿6.1外套有滾珠螺母座6.2:滾珠螺母座和絲桿螺旋傳動(dòng)。見圖1，螺母座6.2后端沿豎向Z固定上下兩條驅(qū)動(dòng)塊2，通過軸向緊固件6.4將螺母座6.2與兩驅(qū)動(dòng)塊軸向連接為一體。 [0032]2)見圖1，在尾端套筒4內(nèi)孔中，驅(qū)動(dòng)塊2開有豎向穿通的軸向槽口 2.1 ;上下兩條驅(qū)動(dòng)塊2后端內(nèi)表面分別設(shè)軸向和周向均固定的有上下鉸接兩指的尾端手指1，上下兩指前端鉸接，兩指可繞鉸接心軸相對(duì)上下開合轉(zhuǎn)動(dòng)。由于鉸接，兩指與鉸接心軸間縱向Y方向固定(見圖6)。驅(qū)動(dòng)塊與尾端套筒間、驅(qū)動(dòng)塊與尾端手指之間均為間隙配合。
[0033]3)見圖1，圖3，在兩驅(qū)動(dòng)塊2間尾端手指I前端設(shè)更換接口 3，更換接口與驅(qū)動(dòng)塊間為間隙配合。更換接口 3通過它的前階梯軸3.1中設(shè)豎向銷柱3.3穿過驅(qū)動(dòng)塊槽口 2.1固定于尾端套筒4。見圖4，圖5，更換接口 3有后圓筒3.2中開了上下兩條軸向槽口 3.2A和周向兩條90°弧形槽口 3.2B ;尾端手指I前端鉸接心軸縱向Y加長(zhǎng)作為接頭1.1 (見圖6)，接頭1.1與轉(zhuǎn)換接口 3之間為如下卡接結(jié)構(gòu):卡接步驟:①接頭軸向卡入:見圖4，豎向放置的接頭1.1上下兩端同時(shí)卡入上下兩條軸向槽口 3.2A中。②見圖5，豎向放置的接頭
1.1兩端在弧形槽口 3.2B中逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°后，接頭1.1到達(dá)水平位置，卡緊在后圓筒3.2壁槽口中。③見圖6，接頭1.1置于水平位置，卡緊在后圓筒3.2壁槽口中，同時(shí)尾端手指I也隨同旋轉(zhuǎn)，卡接后從正剖視圖看為圖1位置。同理，如果拆開時(shí)步驟為:①見圖5，水平位置接頭1.1在弧形槽口 3.2B中反向旋轉(zhuǎn)90° (順時(shí)針)達(dá)到豎向位置后松開。②參見圖4，卡在軸向槽口 3.2A槽底的豎向位置的接頭1.1(圖5中標(biāo)注C-C剖視線位置)沿軸向槽口 3.2A軸向移動(dòng)抽出，離開更換接口 3。
[0034]尾端手指可按需要更換若干種型式，選用的每個(gè)尾端手指I由此卡接結(jié)構(gòu)便可與更換接口 3卡接固定，并通過更換接口 3固定于尾端套筒4。
[0035]4)尾端手指I配置如下三種供更換的型式:①見圖1，外抓式彈性兩指1:從前至后順次有鉸接心軸接頭1.1、指間彈簧1.2、水平段1.3、上斜段1.4、平行末端1.5 ;上斜角d為30° -40°。指尖1.4采用彈性材料和平行末端1.5彈性聯(lián)接。外抓式彈性兩指用于外抓較大的工件、工具，完成航天空間擰螺絲、搬運(yùn)等生產(chǎn)裝配及維修。②見圖7，夾持器手指Ib:從前至后順次有鉸接心軸夾持接頭1.lb、夾持指間彈簧1.2b、夾持水平段1.3b、夾持上斜段1.4b、夾持下斜末端1.4b ;夾持上斜角d b為30° -40°。夾持器手指Ib用于夾持較小的試驗(yàn)器材完成空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。③見圖8，抓捕手指Ic:從前至后順次有鉸接心軸抓捕接頭1.lc、抓捕指間彈簧1.2c、抓捕上斜段1.3c、圓弧形抓捕指尖1.4c ;抓捕上斜角d。為30° -40°。圖9，抓捕上斜段1.3(:上指截面11形1.3(3±，下指截面為矩形1.3(^，與11形Y向中心線重合。見圖10，圓弧形抓捕指尖1.4c上指末端有開口槽1.4c±，下指末端截面為矩形的爪1.4c τ，上槽和下爪Y向中心線重合。
[0036]見圖8，當(dāng)抓捕手指上下指相對(duì)旋轉(zhuǎn)，開合時(shí)，當(dāng)在如圖8位置，上下末端接觸后，還繼續(xù)關(guān)合時(shí)，則下指矩形的爪1.4c τ可插入上指開口槽1.4c± ;，下指1.3cτ矩形面可夾入上指Π形1.3c±中。這樣的上指開槽，下指插入結(jié)構(gòu)增大了抓捕手指Ic夾持緊度和夾持范圍。抓捕手指Ic用于抓捕艙外漂浮物、接口和清理垃圾等。
[0037]工作過程:當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，順次帶動(dòng)聯(lián)軸器8、絲桿6.1轉(zhuǎn)動(dòng)，通過滾珠絲桿轉(zhuǎn)為螺母座6.2移動(dòng)，螺母座6.2帶動(dòng)兩條驅(qū)動(dòng)塊沿絲桿6.1軸向X移動(dòng)，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)塊在相對(duì)固定的尾端套筒4和尾端手指間軸向前后移動(dòng)。因?yàn)轵?qū)動(dòng)塊2開有軸向槽口 2.1，驅(qū)動(dòng)塊的軸向移動(dòng)不會(huì)碰撞與更換接口聯(lián)接不動(dòng)的豎向銷柱3.3。見圖1，由驅(qū)動(dòng)塊前后移動(dòng)，在尾端手指斜面及前端彈簧同時(shí)作用下，實(shí)現(xiàn)兩指尖的同步開合。當(dāng)驅(qū)動(dòng)塊向后運(yùn)動(dòng)，由于斜面作用，實(shí)現(xiàn)指尖的閉合動(dòng)作，由尾端套筒形成的手掌和尾端手指共同完成目標(biāo)的抓取與夾持，滿足空間機(jī)器人手爪對(duì)目標(biāo)的抓取和夾持要求；當(dāng)驅(qū)動(dòng)塊向前直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，由前端彈 簧1.2作用實(shí)現(xiàn)張開動(dòng)作，從而完成目標(biāo)的釋放。
【權(quán)利要求】
1.欠驅(qū)動(dòng)靈巧多功能空間機(jī)器人手爪，包括:設(shè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)(9)，與驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸傳動(dòng)聯(lián)接的聯(lián)軸器⑶；其特征是: 1)設(shè)圓筒形前端套筒(5)和尾端套筒(4)連接固定組成的靜止本體；驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)座與前端套筒固定；在前端套筒內(nèi)腔，設(shè)置滾珠絲桿(6):其中絲桿(6.1)前端通過聯(lián)軸器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸連接，絲桿外設(shè)徑向支撐絲桿的絲桿支撐件⑵；滾珠絲桿中的螺母座(6.2)與絲桿螺旋傳動(dòng)并沿軸向X移動(dòng)，螺母座后端固定沿豎向Z上下兩條驅(qū)動(dòng)塊(2); 2)在尾端套筒內(nèi)腔，驅(qū)動(dòng)塊開有豎向穿通的軸向槽口(2.1);上下兩條驅(qū)動(dòng)塊后端內(nèi)表面分別設(shè)軸向和周向均固定的有上下兩指的尾端手指(I)，上下兩指前端鉸接，兩指可繞鉸接心軸相對(duì)上下開合轉(zhuǎn)動(dòng)；驅(qū)動(dòng)塊與尾端套筒間、驅(qū)動(dòng)塊與尾端手指之間均為間隙配合； 3)在兩驅(qū)動(dòng)塊間尾端手指前端設(shè)更換接口(3)，更換接口與驅(qū)動(dòng)塊間為間隙配合；更換接口通過在前階梯軸(3.1)中設(shè)豎向銷柱(3.3)穿過驅(qū)動(dòng)塊槽口固定于尾端套筒；更換接口后圓筒3.2中開了上下兩條軸向槽口(3.2A)和周向兩條90°弧形槽口(3.2B);尾端手指前端鉸接心軸沿縱向Y加長(zhǎng)作為接頭(1.D ;接頭與轉(zhuǎn)換接口間為接頭軸向卡入、旋轉(zhuǎn)90°卡緊，或者反向旋轉(zhuǎn)90°后松開、軸向抽出的卡接結(jié)構(gòu)；尾端手指按需要更換若干種型式，選用的每個(gè)尾端手指由此卡接結(jié)構(gòu)與更換接口卡接固定，并通過更換接口固定于尾端套筒； 4)尾端手指配置如下三種供更換的型式:①外抓式彈性兩指(I):從前至后順次有鉸接心軸接頭、指間彈簧、水平段、上斜段、平行末端；上斜角d為30° -40° ;②夾持器手指(Ib):從前至后順次有鉸接心軸接頭、夾持指間彈簧、夾持水平段、夾持上斜段、夾持下斜末端；夾持上斜角d b為30° -40° ;(1)抓捕手指(Ic):從如至后順次有絞接心軸接頭、抓捕指間彈簧、截面為Π形的抓 捕上斜段、上指末端有開口槽的圓弧形抓捕指尖；抓捕上斜角d c為 30。-40。。
2.按權(quán)利要求1所述多功能空間機(jī)器人手爪，其特征是在尾端手指指尖(1.4)采用彈性材料和指尖夾持面(1.5)彈性聯(lián)接為與被抓夾物件相應(yīng)的形狀。
3.按權(quán)利要求1所述多功能空間機(jī)器人手爪，其特征是在尾端手指上，埋設(shè)力傳感器(11a)、位置傳感器(Ilb)和設(shè)閉環(huán)控制電路。
【文檔編號(hào)】B25J15/08GK203818137SQ201420231617
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】趙武, 尚萬, 羅純靜, 王晨, 尚興明 申請(qǐng)人:四川大學(xué)