[发明专利]一种基于剪叉机构的三棱柱可展开桁架式空间机械手

说明书

本发明提供了一种基于剪叉机构的三棱柱可展开桁架式空间机械手，包括多个机械手爪，机械手爪包括若干变胞单元，变胞单元包括：两根相同的剪叉杆，两根剪叉杆通过转动副R1互相连接，形成剪叉机构；两根相同的上连杆，两根上连杆的底端分别通过转动副R2连接于两根剪叉杆的顶端；相邻的变胞单元通过随动分支机构进行连接，随动分支机构包括两根随动杆，两根随动杆之间通过随动关节互相连接；两根随动杆分别通过转动副R3连接于上连杆的顶端；两个转动副R2的轴线共线时，上连杆相对剪叉杆所在平面进行翻转。本发明具有较高刚度和灵活度，展开尺度较大，以便完成大型空间非合作目标进行抓捕。

技术领域

本发明涉及一种基于剪叉机构的三棱柱可展开桁架式空间机械手。

背景技术

空间机械手具有一体化的空间感知、机动和操作能力，通过在轨操作、地面遥操作或自主操作方式完成航天器的在轨装配、污染清理、观测与检查、故障模块更换、在轨加注、消耗载荷更换和补充、轨道清理、轨道转移等工作，是航天器在轨组装与维护的核心装备。

加拿大SRMS和SSRMS均属于典型的传统关节式机械臂，这种机械臂通过在末端安装不同的末端执行器来对不同类型目标进行抓捕，发射状态下机械臂可以折叠，升空后展开。

2014年NASA针对小行星重定向任务ARM提出了两种新型的抓捕结构，捕获装置A设计特征包括6个臂的机械初始部署，其中在臂的末端具有可膨胀的悬臂以展开和控制袋材料，通过这种高强度袋的大型可展开结构来捕获平均直径高达10米和质量为1000吨的整个小行星。捕获装置B包括两个7自由度臂，每个臂具有末端执行器工具以及接触和约束子系统(CRS)。微球末端执行器夹具在捕获期间使用数百个鱼钩状的棘爪抓取巨石的自然表面特征，用微珠工具捕从直径数百米的小行星上获取巨石。

2015年NASA针对原有的SRMS机械臂提出一种新型绳驱轻量化空间机械臂TALISMAN，NASA结合桁架式结构、新型铰链关节和绳驱动的设计大大减轻了机械臂的重量。绳驱动和桁架式的杆件大大降低了质量，并能使结构刚度提高；新型铰链关节能使杆件360°转动，因此能提高机械臂灵活度和抓捕范围；这样的分单元结构能扩展，因此用途更广泛。

传统空间机械臂大多为关节式，但是关节式机械臂质量大，且机械臂质量的百分之九十都集中在关节处，抓捕时刚度较差，只能通过末端执行器进行抓捕，臂杆不能接触目标，因此机械手抓捕的目标限制严重，基本只能为合作目标，且小尺度，小质量，小惯性，不能完成对目标的包络抓取；其次，传统关节式机械手需要精确的控制方案和运动规划。

NASA基于小行星重定向任务ARM提出的抓捕机构解决了一部分问题，但是结构的刚度仍不足。绳驱轻量机械臂种结构采用绳驱式，因此抓捕时的精度不够准确。

对空间大尺度大惯量的非合作目标，传统关节式机械臂明显不能实现抓捕，为实现轻量化、高可靠性、高稳定性且可展开的目标，机构设计围绕着空间桁架式可重构结构式的创新设计，使机械臂在发射过程中，机械臂处于折叠状态，以节约运载空间，升空后机械臂展开还能开始抓捕。

因此，如何提供一种具有较高刚度和灵活度、尺度较大且能对大型空间非合作目标进行抓捕的可展开桁架式空间机械手，成为了业界需要解决的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于剪叉机构的三棱柱可展开桁架式空间机械手，其具有较高刚度和灵活度，展开尺度较大，以便完成大型空间非合作目标进行抓捕。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于剪叉机构的三棱柱可展开桁架式空间机械手，包括多个机械手爪，机械手爪包括若干变胞单元，变胞单元包括：

两根相同的剪叉杆，两根剪叉杆通过转动副R1互相连接，形成剪叉机构；

两根相同的上连杆，两根上连杆的底端分别通过转动副R2连接于两根剪叉杆的顶端；