一种面向星体表面岩石抓取的欠驱动自适应机械手

1.本发明涉及空间探测技术领域，具体涉及一种面向星体表面岩石抓取的欠驱动自适应机械手。


背景技术：

2.深空探测是目前航天活动的重要方向，而深空探测技术也是一个国家技术水平的综合体现。月球作为距离地球最近的星体，对月探测是我国深空探测工程的重要任务之一。月球表面岩石包含了众多极具科学研究意义的信息，对月球岩石标本的获取是进行科学探索的前提。
3.依靠机械手完成抓取是空间机器人技术在航天工程中进行应用的典型案例。对于空间机器人来说，欠驱动手爪是目前空间机器人研究的一个重要的方向。通过欠驱动手指机构、机械限位和弹簧实现无动力关节对目标形状的被动自适应。该方式需要的驱动元件较少，且具有抓取范围广泛、负载能力好等优点。欠驱动机械手的抓取运动与其机械结构和目标接触均有关系：当欠驱动手未接触目标物时，其运动只由机械结构和驱动力决定；当欠驱动手接触到目标物时，其运动和产生的接触力由接触位置、机械结构和驱动力共同决定。欠驱动手相比普通夹持装置具有一定的操作性能，可以实现对目标的被动自适应；欠驱动手相比全驱动手，其所需的驱动及控制元件少，具有更好的抓取能力。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是欠驱动机械手现有的构型较少且存在体积大、抓持力小等缺点，有待进一步开发新型的欠驱动手指机构，为了解决该技术问题，提供了一种面向星体表面岩石抓取的欠驱动自适应机械手。
5.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种面向星体表面岩石抓取的欠驱动自适应机械手，包括驱动机构、机架、驱动杆和手爪机构，所述驱动机构安装在机架上，所述驱动机构的驱动端位于机架的内侧且固定有驱动块，所述驱动块的外周侧铰接有多根驱动杆，每根所述驱动杆上均连接有一条手爪机构；
6.所述手爪机构包括第一弹簧、第二弹簧、短尾连杆、长尾连杆、三角尾杆、尾勾连杆、近指节、中指节和远指节，所述驱动杆远离所述驱动块的一端、所述短尾连杆的一端、所述长尾连杆的一端均铰接在第一铰接轴上，所述短尾连杆的另一端、所述近指节的一端均铰接在所述机架上的第二铰接轴上；所述长尾连杆的另一端与所述三角尾杆的第一角铰接，所述三角尾杆的第二角与尾勾连杆的一端铰接，所述三角尾杆的第三角与中指节的第一角铰接，所述三角尾杆的第二角位于所述中指节的侧部，所述尾勾连杆的另一端与远指节铰接；所述近指节的另一端与中指节的第二角铰接，所述中指节的第三角与远指节铰接；所述第一弹簧的两端分别与近指节和中指节连接，所述第二弹簧的两端分别与远指节和中指节连接。
7.本发明的有益效果是：本发明的欠驱动自适应机械手，通过手爪机构各个连杆以
及指节的连接，可以实现对直径不同外轮廓的岩石进行自适应夹取。
8.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
9.进一步，所述第一弹簧的两端分别与近指节和中指节邻近近指节的一条边连接，所述第二弹簧的两端分别与远指节和中指节邻近远指节的一条边连接。
10.采用上述进一步方案的有益效果是：可以利用第一弹簧和第二弹簧使各指节在未接触岩石之前保持刚性。
11.进一步，所述短尾连杆和长尾连杆均采用h型连杆，所述长尾连杆的长度大于所述短尾连杆的长度。
12.采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置h型连杆，方便多结构之间的铰接。
13.进一步，所述驱动杆远离所述驱动块的一端位于所述短尾连杆一端的内侧，所述短尾连杆的一端位于所述长尾连杆一端内侧；所述近指节的一端位于所述短尾连杆的另一端内侧。
14.进一步，所述三角尾杆以及所述尾勾连杆均为两个，两个三角尾杆以及两个尾勾连杆分别位于所述中指节的两侧；两个三角尾杆分别通过第三铰接轴铰接在所述中指节的第一角两侧，所述长尾连杆的另一端分别与两个三角尾杆的第一角铰接；两个尾勾连杆的一端分别与两个三角尾杆的第二角铰接，两个尾勾连杆的另一端分别通过第四铰接轴铰接在远指节的两侧。
15.采用上述进一步方案的有益效果是：采用两个三角尾杆和两个尾勾连杆，使驱动结构更加稳定可靠。
16.进一步，所述远指节为三角形结构，所述尾勾连杆的另一端与远指节的第一角铰接，所述中指节的第三角与远指节的第二角铰接，所述远指节的第三角朝向远离所述中指节以及所述尾勾连杆的方向延伸。
17.进一步，所述中指节的第二角与第三角之间的一条侧边上设有第一钩刺，所述远指节的第二角与第三角之间的一条侧边上设有第二钩刺。
18.进一步，所述中指节的第一角两侧面上分别设有限位凸棱，所述限位凸棱两端分别延伸至所述中指节的第一角的两侧边处，所述三角尾杆的第三角靠近中指节的一侧面上设有限位凸起，所述限位凸起与所述限位凸棱配合使三角尾杆在第三角处按预设角度旋转。
19.采用上述进一步方案的有益效果是：限位凸起和限位凸棱的设置，可使三角尾杆在设定方向和角度内旋转。
20.进一步，所述驱动机构包括电机和丝杠螺母驱动机构，所述电机安装在机架上，所述丝杠螺母驱动机构安装在机架内，所述电机的驱动端与丝杠螺母驱动机构的丝杠传动连接，所述驱动块与丝杠螺母驱动机构的螺母固定连接，所述驱动块与所述机架滑动连接。
21.采用上述进一步方案的有益效果是：采用丝杠螺母驱动机构，有利于同时稳定驱动多个手爪机构运动。
22.进一步，所述机架为镂空结构，所述机架的四周设有多个导轨，所述驱动块滑动连接在对应的导轨上，所述第二铰接轴安装在所述机架远离电机的一端外侧。
附图说明
23.图1为本发明面向星体表面岩石抓取的欠驱动自适应机械手的立体结构示意图一；
24.图2为本发明面向星体表面岩石抓取的欠驱动自适应机械手的立体结构示意图二；
25.图3为本发明面向星体表面岩石抓取的欠驱动自适应机械手的原理示意图。
26.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
27.1、机架；11、导轨；12、第二铰接轴；
28.2、电机；21、丝杠；22、螺母；23、驱动块；
29.3、驱动杆；4、手爪机构；40、第一弹簧；41、第二弹簧；411、弹簧挂钩；42、第一铰接轴；420、第三铰接轴；421、第四铰接轴；43、短尾连杆；44、长尾连杆；45、三角尾杆；451、限位凸起；46、尾勾连杆；47、近指节；48、中指节；481、限位凸棱；49、远指节；5、第一钩刺；51、第二钩刺。
具体实施方式
30.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
31.如图1～图3所示，本实施例的一种面向星体表面岩石抓取的欠驱动自适应机械手，包括驱动机构、机架1、驱动杆3和手爪机构4，所述驱动机构安装在机架1上，所述驱动机构的驱动端位于机架1的内侧且固定有驱动块23，所述驱动块23的外周侧铰接有多根驱动杆3，每根所述驱动杆3上均连接有一条手爪机构4；
32.所述手爪机构4包括第一弹簧40、第二弹簧41、短尾连杆43、长尾连杆44、三角尾杆45、尾勾连杆46、近指节47、中指节48和远指节49，所述驱动杆3远离所述驱动块23的一端、所述短尾连杆43的一端、所述长尾连杆44的一端均铰接在第一铰接轴42上，所述短尾连杆43的另一端、所述近指节47的一端均铰接在所述机架1上的第二铰接轴12上；所述长尾连杆44的另一端与所述三角尾杆45的第一角铰接，所述三角尾杆45的第二角与尾勾连杆46的一端铰接，所述三角尾杆45的第三角与中指节48的第一角铰接，所述三角尾杆45的第二角位于所述中指节48的侧部，所述尾勾连杆46的另一端与远指节49铰接；所述近指节47的另一端与中指节48的第二角铰接，所述中指节48的第三角与远指节49铰接；所述第一弹簧40的两端分别与近指节47和中指节48连接，所述第二弹簧41的两端分别与远指节49和中指节48连接。
33.如图3所示，本实施例的所述第一弹簧40的两端分别与近指节47和中指节48邻近近指节47的一条边连接，所述第二弹簧41的两端分别与远指节49和中指节48邻近远指节49的一条边连接。可以利用第一弹簧和第二弹簧使各指节在未接触岩石之前保持刚性。
34.具体的，如图1所示，本实施例的所述近指节47靠近长尾连杆44的一侧面设有弹簧挂钩411，所述中指节48邻近近指节47的一条边上设有弹簧挂钩411，所述中指节48邻近远指节49的一条边上设有弹簧挂钩411，所述远指节49邻近中指节48的一条边上均设有弹簧挂钩411。第一弹簧40的两端分别连接在近指节47和中指节48上相对应的两个弹簧挂钩411上，所述第二弹簧41的两端分别连接在中指节48和远指节49上相对应的两个弹簧挂钩411
上。
35.其中，需要说明的是，第一弹簧40和第二弹簧41的刚度需要满足：在未接触物体前均保持初始拉伸状态不动，且近指节47上的第一弹簧40先于远指节49上的第二弹簧41满足最小阻力定律。
36.如图1～图3所示，本实施例的所述短尾连杆43和长尾连杆44均采用h型连杆，所述长尾连杆44的长度大于所述短尾连杆43的长度。通过设置h型连杆，方便多结构之间的铰接。
37.如图1和图2所示，本实施例的所述驱动杆3远离所述驱动块23的一端位于所述短尾连杆43一端的内侧，所述短尾连杆43的一端位于所述长尾连杆44一端内侧；所述近指节47的一端位于所述短尾连杆43的另一端内侧。
38.如图1和图2所示，本实施例的所述三角尾杆45以及所述尾勾连杆46均为两个，两个三角尾杆45以及两个尾勾连杆46分别位于所述中指节48的两侧；两个三角尾杆45分别通过第三铰接轴420铰接在所述中指节48的第一角两侧，所述长尾连杆44的另一端分别与两个三角尾杆45的第一角铰接；两个尾勾连杆46的一端分别与两个三角尾杆45的第二角铰接，两个尾勾连杆46的另一端分别通过第四铰接轴421铰接在远指节49的两侧。采用两个三角尾杆和两个尾勾连杆，使驱动结构更加稳定可靠。
39.如图1～图3所示，本实施例的所述远指节49为三角形结构，所述尾勾连杆46的另一端与远指节49的第一角铰接，所述中指节48的第三角与远指节49的第二角铰接，所述远指节49的第三角朝向远离所述中指节48以及所述尾勾连杆46的方向延伸。
40.如图1和图2所示，本实施例的所述中指节48的第二角与第三角之间的一条侧边上设有第一钩刺5，所述远指节49的第二角与第三角之间的一条侧边上设有第二钩刺51。
41.如图1和图2所示，本实施例的所述中指节48的第一角两侧面上分别设有限位凸棱481，所述限位凸棱481两端分别延伸至所述中指节48的第一角的两侧边处，所述三角尾杆45的第三角靠近中指节48的一侧面上设有限位凸起451，所述限位凸起451与所述限位凸棱481配合使三角尾杆45在第三角处按预设角度旋转。限位凸起和限位凸棱的设置，可使三角尾杆在设定方向和角度内旋转。本实施例的手爪机构的各个指节和连杆的等效铰链四杆机构均采用曲柄遥杆机构进行设计，灵活设计遥杆为主动件或从动件，当主动件为遥杆时，可通过机械机构对杆件的运动范围进行限位，以避免其运动至死点位置。
42.如图1和图2所示，本实施例的一个具体方案为，所述驱动机构包括电机2和丝杠螺母驱动机构，所述电机2安装在机架1上，所述丝杠螺母驱动机构安装在机架1内，所述电机2的驱动端与丝杠螺母驱动机构的丝杠21传动连接，所述驱动块23与丝杠螺母驱动机构的螺母22固定连接，所述驱动块23与所述机架1滑动连接。采用丝杠螺母驱动机构，可以利用电机带动丝杠旋转，实现螺母沿丝杠直线运动，有利于同时稳定驱动多个手爪机构运动。驱动机构的等效机构为曲柄滑块机构，手爪机构的运动与驱动力、接触点的位置均相关，且每个关节的运动遵循最小阻力定律，即沿阻力最小的方向运动。
43.如图1和图2所示，本实施例的所述机架1为镂空结构，所述机架1的四周设有多个导轨11，所述驱动块23滑动连接在对应的导轨11上，所述第二铰接轴12安装在所述机架1远离电机2的一端外侧。
44.如图1和图2所示，本实施例的手爪机构可采用两条、三条和四条等任意个数，多个
手爪机构分布的形式以机架中心线为轴呈圆周均匀分布，每个手爪机构都处于其平面内运动，每个手爪机构有三个自由度，分别为近指节绕机架上的第二铰接轴转动，中指节绕近指节转动，短尾连杆绕机架上的第二铰接轴转动，通过长尾连杆、三角尾杆以及尾勾连杆，将运动传递给远指节，从而实现远指节绕中指节转动；第一弹簧和第二弹簧可以对中指节和远指节的转动产生不同的阻力，从而实现欠驱动自适应机械手受到驱动时，首先为近指节绕第二铰接轴转动，其次为中指节绕近指节转动，最后为远指节绕中指节转动，这样可以根据被夹持物体进行设置。
45.如图1～图3所示，本实施例的一种面向星体表面岩石抓取的欠驱动自适应机械手抓取物体的过程为，以三条手爪机构为例，电机反向旋转，螺母向上运动，三个手爪机构全部完全张开；机械手靠近目标物体，机架底部(以图1方位为例)与物体表面接触；电机正向旋转，螺母向下运动，近指节绕机架上的第二铰接轴转动，三个手爪机构开始闭合；当近指节和物体表面接触后，中指节继续绕近指节的转轴转动并进一步闭合；当中指节与物体表面接触后，远指节继续绕中指节转轴转动并进一步闭合；最后原指节与物体表面接触并刺入物体内，完成抓取；远指节和中指节底部的钩刺可以刺入硬石物体表面，增加接触摩擦力，提高对物体的抓取能力。
46.图3给出了欠驱动自适应机械手的原理示意图，图3中的a、b、c、d、e、f、g、h、i、j点均表示关节转轴，a点关节转轴实际上就是机架1上的第二铰接轴12，b点关节转轴为驱动杆3、短尾连杆43和长尾连杆44的铰接处，c点、d点、e点为三角尾杆45的三个角处的关节转轴，d点、i点、h点为中指节三个角处的关节转轴，h点、f点和g点分别为远指节49的三个角处的关节转轴。为方便理解，当手爪机构4未接触物体时，可将整个手爪机构4作为一个刚体，使其在驱动杆3的驱动下整体绕a点关节转轴张开或闭合。三个手爪机构4中的各个指节在各自的平面内运动，共有构件n＝9个，低副数p
l
＝12，高副数ph＝0，其自由度为3。整个手爪机构为单驱动三自由度，至少需要两个弹簧作为回复元件。由于接触与手爪机构的运动有影响，可将近、中、远三个指节分别与目标物体接触作为三个阶段，若假设手爪机构与被抓目标均为刚体，且抓取过程中接触点不变，则在每个接触内，等效的手爪机构自由度均为1。
47.本实施例的欠驱动自适应机械手，通过电机驱动驱动杆带动手爪机构各个连杆以及指节的连接，可以实现对直径不同外轮廓的岩石进行自适应夹取。
48.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
49.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
50.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内
部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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发明中的具体含义。
51.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
52.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明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必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
53.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。