面向非合作目标的可变构型三指灵巧操作末端的制作方法

1.本发明属于空间机器人、空间机构技术领域，可用于空间机器人、工业机器人等有灵巧操作需求的任务中，特别是涉及面向非合作目标的可变构型三指灵巧操作末端。


背景技术：

2.随着航天技术的发展，空间机器人执行在轨任务面对的对象越来越多样、所需的操作越来越精细、要求的动作越来越灵活，这对机器人操作末端提出了新的要求，如适应非合作目标、动作拟人、自由度多、动作灵活、操作精度高、感知功能丰富等。针对这些需求，传统的功能单一的专用末端已不能满足，亟需开发动作灵巧、功能拟人、感知丰富的多功能灵巧末端。
3.目前，现有技术中研究成果具体有：专利cn201711492166.x提出了一种可变形的三指灵巧手，手指采用双平行四边形机构和欠驱动方式实现，三个手指之间通过变形机构被动自适应操作目标，手指表面未覆盖感知类传感器等，与本发明主动调整手指之间相对构型、手指表面覆盖皮肤传感器等存在较大差别；专利cn201520889527.4提出了一种欠驱动三指灵巧手，三个手指组件成等腰三角形分布，手指采用腱绳驱动，三个手指之间相对位置不可调节，对非合作目标抓取能力较弱，且不具备感知能力。专利cn201721807938.x提出了一种模块化五指灵巧末端，每个手指传动方式均设计为“单电机-双腱绳”机构，该腱绳传递存在预紧及传动精度较低等缺点。


技术实现要素：

4.本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了面向非合作目标的可变构型三指灵巧操作末端。所述操作末端是适用于空间机器人的三指五自由度灵巧操作末端，3个手指之间相对位置可主动调节，可实现非合作目标抓取及操控、感知丰富、动作灵活，较现有末端在非合作目标抓取、灵巧操作、感知等方面具有明显优势。
5.本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出面向非合作目标的可变构型三指灵巧操作末端，三指灵巧操作末端由第一手指、第二手指、第三手指、底座、手掌、手指旋转电机和连接法兰组成；第一手指与第二手指完全相同，且第一手指与第二手指之间的相对位置可由手指旋转电机进行调节，第一手指、第二手指均包括基指节、中指节、端指节、指尖以及这些指节的驱动连杆，还包括手指弯曲电机、蜗轮蜗杆组件、扭簧、皮肤传感器和旋转齿轮；第三手指与手掌固连，其传动机构与第一手指、第二手指完全相同，但第三手指无旋转齿轮；底座包括回转电机、底座上壳体、底座顶板、轴承和底座下壳体；底座上壳体与底座顶板固连，底座上壳体与底座下壳体通过轴承相对回转，回转电机固连于底座下壳体，回转电机输出端与底座顶板固连，可驱动底座顶板绕底座下壳体回转；底座与手掌之间固连，内部为空腔结构，空腔内为第一手指、第二手指、第三手指的基指节提供安装空间。
6.进一步地，该三指灵巧操作末端的手指机构中，基指节、中指节、第一驱动连杆和端指节组成一组四边形连杆，由其实现中指节相对于基指节的传动；基指节、中指节、端指
节、第二、第三、第四驱动连杆和指尖组成两个平行四边形连杆，用于实现中指节运动时带动端指节和指尖联动，两个平行四边形连杆保证了手指弯曲时指尖与基指节之间相对姿态不变；扭簧用于实现平行四边形连杆的预紧，保证平行四边形连杆初始构型唯一；手指弯曲电机用于实现中指节与基指节之间的弯曲，该手指弯曲电机安装于基指节上，手指弯曲电机的输出端用于驱动蜗轮蜗杆组件，该蜗轮蜗杆组件的蜗轮与中指节固连。
7.进一步地，所述三指灵巧操作末端抓取非合作目标时，根据目标性状可主动调节三个手指之间的相对位置；手指旋转电机安装于底座顶板，该手指旋转电机输出端与第一手指的旋转齿轮固连，旋转齿轮与基指节固连，第一手指、第二手指可在手指旋转电机驱动下绕旋转齿轮的轴同步相对转动，第一手指与第二手指之间通过旋转齿轮及多个惰轮进行联动；第三手指与手掌固连，其相对于手掌的位置固定；第一手指与第二手指之间夹角范围为0
°
～360
°
，即第一手指、第二手指可并拢在第三手指的相对位置，也可与第三手指位于同一侧；第一手指与第二手指之间位置调节时需要三个手指表面的皮肤传感器配合完成，皮肤传感器通过感知与抓取目标之间的接触区域和接触力信息，控制操作末端以稳定抓取、增大接触面积和接触力为控制目标，主动调整第一手指、第二手指相对于第三手指的位置。
8.进一步地，所述三指灵巧操作末端通过回转电机实现整个操作末端相对于连接法兰的圆周向回转，实现灵巧操作末端与抓取目标指尖相对位姿的调节。
9.进一步地，所述第一手指、第二手指、第三手指之间可形成同侧、对侧和均布多种构型，可实现包络抓取、抓握、捏取和铲挖多种操作。
10.本发明的有益效果为：
11.1、本发明的灵巧末端三个手指单独驱动，且三个手指之间的相对位置可调节，通过调整三个手指形成的包络空间提高末端对不同目标的抓取及操作能力，使其能够适应更多的操作对象。
12.2、本发明的灵巧末端可相对于连接法兰进行圆周向转动，增加了灵巧末端相对于操作目标的位姿调整能力，提高了灵巧末端的操作灵巧度。
13.3、本发明可实现三个手指在同一侧，使得三个手指形成铲子形状，使得灵巧末端具备在星表铲挖的能力。
14.4、本发明可实现第一手指1与第二手指2并拢、并与第三手指3相对，形成类似于两指的构型，使得其对圆柱状物体有很好的抓握能力。
附图说明
15.图1为三指灵巧操作末端轴测图。
16.图2为三指灵巧操作末端剖视图。
17.图3为三指灵巧操作末端手指组成轴测图。
18.图4为三指灵巧操作末端不同构型示意图。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实
施例，都属于本发明保护的范围。
20.本发明提出了一种面向非合作目标的可变构型三指灵巧操作末端，其包括三个手指、底座、手掌、手指旋转电机和连接法兰。三个手指驱动方式相同，第一手指1和第二手指2完全相同，它们之间的相对位置可通过手指旋转电机6进行调整，灵巧末端可出现三指均布、两指相对等构型，第三手指3根部固连于手掌5。三指灵巧末端通过连接法兰7可安装于机械臂等基座。在底座4内部设计有旋转电机，通过旋转电机可实现整个三指灵巧末端相对于安装基座(如机械臂)的转动。三个手指均采用双四边形连杆驱动，手指内侧、手掌表面粘贴有皮肤传感器，用于感知操作对象的接触特性。
21.结合图1、图2、图3、图4说明本发明所述三指灵巧操作末端，本发明提出一种面向非合作目标的可变构型三指灵巧操作末端，所述三指灵巧末端主要由第一手指1、第二手指2、第三手指3、底座4、手掌5、手指旋转电机6、连接法兰7组成。第一手指1与第二手指2完全相同，且第一手指1与第二手指2之间的相对位置可由手指旋转电机6进行调节，第一手指1、第二手指2主要包括基指节1-1、中指节1-2、端指节1-4、指尖1-8，以及这些指节的驱动连杆1-3、1-5、1-6、1-7，还包括手指弯曲电机1-9、蜗轮蜗杆组件1-10、扭簧1-11、皮肤传感器1-12、旋转齿轮1-13等。第三手指3与手掌5固连，其传动机构与第一手指1、第二手指2完全相同，第三手指3与第一手指1、第二手指2的区别在于其无旋转齿轮1-13。底座4主要包括回转电机4-1、底座上壳体4-2、底座顶板4-3、轴承4-4、底座下壳体4-5等组成，底座上壳体4-2与底座顶板4-3固连，底座上壳体4-2与底座下壳体4-5可通过轴承4-4相对回转，回转电机4-1固连于底座下壳体，回转电机输出端与底座顶板4-3固连，可驱动底座顶板4-3绕底座下壳体4-5回转。底座4与手掌5之间固连，内部为空腔结构，空腔内为第一手指1、第二手指2、第三手指3的基指节1-1提供安装空间。
22.该灵巧末端的手指机构中，基指节1-1、中指节1-2、驱动连杆1-3、端指节1-4组成一组四边形连杆，由其实现中指节1-2相对于基指节1-1的传动。基指节1-1、中指节1-2、端指节1-4、驱动连杆1-5、1-6、1-7、指尖1-8组成两个平行四边形连杆，用于实现中指节1-2运动时带动端指节1-4、指尖1-8联动，两个平行四边形连杆保证了手指弯曲时指尖1-8与基指节1-1之间相对姿态不变。扭簧1-11用于实现平行四边形连杆的预紧，保证平行四边形连杆初始构型唯一。手指弯曲电机1-9用于实现中指节1-2与基指节1-1之间的弯曲，该手指弯曲电机1-9安装于基指节1-1上，手指弯曲电机的输出端用于驱动蜗轮蜗杆组件1-10，该蜗轮蜗杆组件的蜗轮与中指节1-2固连。
23.所述三指灵巧末端抓取非合作目标时，根据目标性状可主动调节三个手指之间的相对位置。手指旋转电机6安装于底座顶板4-3，该电机输出端与手指1的旋转齿轮1-13固连，旋转齿轮1-13与基指节1-1固连，第一手指1、第二手指2可在手指旋转电机6驱动下绕旋转齿轮1-13的轴同步相对转动，第一手指1与第二手指2之间通过旋转齿轮1-13及多个惰轮进行联动。第三手指3与手掌5固连，其相对于手掌的位置固定。第一手指1与第二手指2之间夹角范围为0
°
～360
°
，即第一手指1、第二手指2可并拢在第三手指3的相对位置，也可与第三手指3位于同一侧。第一手指1与第二手指2之间位置调节时需要三个手指表面的皮肤传感器1-12配合完成，皮肤传感器1-12通过感知与抓取目标之间的接触区域、接触力等信息，控制系统以稳定抓取、增大接触面积和接触力为控制目标，主动调整第一手指1、第二手指2相对于第三手指3的位置。
24.所述三指灵巧末端可通过回转电机4-1实现整个末端相对于连接法兰7的圆周向回转，实现灵巧末端与抓取目标指尖相对位姿的调节，提高了灵巧末端的操作能力。
25.具体实施方案一：三指灵巧末端可对非合作目标进行抓取及操作。三指灵巧末端进行抓取时，三个手指在各自的手指弯曲电机1-9驱动下向手掌内侧弯曲，当手指接触到抓取目标时，手指表面的皮肤传感器1-12对接触点的接触力大小、接触力方向等进行感知，控制系统通过这些信息实时判断三个手指对抓取目标的抓取稳定性，同时控制回转电机4-1调节第一手指1、第二手指2相对于第三手指3的位置，保证三个手指对操作目标稳定抓取。
26.具体实施方案二：三指灵巧末端可对操作对象进行捏取。第一手指1、第二手指2、第三手指3通过平行四边形连杆保证了三个手指的指尖1-8在手指弯曲过程中指向始终恒定，三个手指在手掌5上均布，当手指弯曲时，三个指尖1-8之间的距离缩短，可对操作对象进行捏取。
27.具体实施方案三：三指灵巧末端可对操作对象进行抓握。针对较长的圆柱状物体，可调整第一手指1、第二手指2位于第三手指3对侧，形成类似于两指的构型。随后三个手指在各自的手指弯曲电机1-9驱动下发生弯曲，对操作目标形成抓握。
28.具体实施方案四：三指灵巧末端可对操作对象进行铲挖。针对星表采样、颗粒状对象等，可调整第一手指1、第二手指2与第三手指3位于手掌5同侧，形成类似于铲子的构型，可对操作对象进行铲挖。位于同侧的三个手指也可在各自的手指弯曲电机1-9驱动下发生弯曲，对柱状物体进行抓握。
29.具体实施方案五：三指灵巧末端可相对于连接法兰进行回转。灵巧末端操作过程中，回转电机4-1通过驱动手掌5与连接法兰7之间回转运动调节灵巧末端与操作对象之间的相对位姿，该操作同时配合第一手指1、第二手指2在手掌5上的位置调节，可极大提高灵巧末端的灵巧操作能力。
30.本发明提出的一种面向非合作目标的可变构型三指灵巧操作末端，主要由三个手指、底座、手掌、手指旋转电机、连接法兰等组成。第一手指1与第二手指2完全相同，且第一手指1与第二手指2之间的相对位置可由手指旋转电机进行调节，第一手指1、第二手指2、手指3之间可形成同侧、对侧、均布等多种构型，可实现包络抓取、握、捏、铲挖等多种操作。整个末端可在回转电机驱动下绕连接法兰圆周向转动。
31.手指主要包括基指节、中指节、端指节、指尖，以及这些指节的驱动连杆，还包括手指弯曲电机、蜗轮蜗杆组件、扭簧、皮肤传感器、旋转齿轮等。基指节、中指节、驱动连杆、端指节组成一组四边形连杆，由其实现中指节相对于基指节的传动。基指节、中指节、端指节、驱动连杆、指尖组成两个平行四边形连杆，用于实现中指节运动时带动端指节、指尖联动，两个平行四边形连杆保证了手指弯曲时指尖与基指节之间相对姿态不变。扭簧用于实现平行四边形连杆的预紧，保证平行四边形连杆初始构型唯一。手指弯曲电机用于实现中指节与基指节之间的弯曲。
32.底座主要包括回转电机、底座上壳体、底座顶板、轴承、底座下壳体等，底座上壳体与底座顶板固连，底座上壳体与底座下壳体可通过轴承相对回转，回转电机固连于底座下壳体，电机输出端与底座顶板固连，可驱动底座顶板绕底座下壳体回转。底座与手掌之间固连，内部为空腔结构，空腔内为第一手指1、第二手指2、第三手指3的基指节提供安装空间。

技术特征：
1.面向非合作目标的可变构型三指灵巧操作末端，其特征在于：三指灵巧操作末端由第一手指、第二手指、第三手指、底座、手掌、手指旋转电机和连接法兰组成；第一手指与第二手指完全相同，且第一手指与第二手指之间的相对位置可由手指旋转电机进行调节，第一手指、第二手指均包括基指节、中指节、端指节、指尖以及这些指节的驱动连杆，还包括手指弯曲电机、蜗轮蜗杆组件、扭簧、皮肤传感器和旋转齿轮；第三手指与手掌固连，其传动机构与第一手指、第二手指完全相同，但第三手指无旋转齿轮；底座包括回转电机、底座上壳体、底座顶板、轴承和底座下壳体；底座上壳体与底座顶板固连，底座上壳体与底座下壳体通过轴承相对回转，回转电机固连于底座下壳体，回转电机输出端与底座顶板固连，可驱动底座顶板绕底座下壳体回转；底座与手掌之间固连，内部为空腔结构，空腔内为第一手指、第二手指、第三手指的基指节提供安装空间。2.根据权利要求1所述的操作末端，其特征在于，该三指灵巧操作末端的手指机构中，基指节、中指节、第一驱动连杆和端指节组成一组四边形连杆，由其实现中指节相对于基指节的传动；基指节、中指节、端指节、第二、第三、第四驱动连杆和指尖组成两个平行四边形连杆，用于实现中指节运动时带动端指节和指尖联动，两个平行四边形连杆保证了手指弯曲时指尖与基指节之间相对姿态不变；扭簧用于实现平行四边形连杆的预紧，保证平行四边形连杆初始构型唯一；手指弯曲电机用于实现中指节与基指节之间的弯曲，该手指弯曲电机安装于基指节上，手指弯曲电机的输出端用于驱动蜗轮蜗杆组件，该蜗轮蜗杆组件的蜗轮与中指节固连。3.根据权利要求2所述的操作末端，其特征在于，所述三指灵巧操作末端抓取非合作目标时，根据目标性状可主动调节三个手指之间的相对位置；手指旋转电机安装于底座顶板，该手指旋转电机输出端与第一手指的旋转齿轮固连，旋转齿轮与基指节固连，第一手指、第二手指可在手指旋转电机驱动下绕旋转齿轮的轴同步相对转动，第一手指与第二手指之间通过旋转齿轮及多个惰轮进行联动；第三手指与手掌固连，其相对于手掌的位置固定；第一手指与第二手指之间夹角范围为0
°
～360
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，即第一手指、第二手指可并拢在第三手指的相对位置，也可与第三手指位于同一侧；第一手指与第二手指之间位置调节时需要三个手指表面的皮肤传感器配合完成，皮肤传感器通过感知与抓取目标之间的接触区域和接触力信息，控制操作末端以稳定抓取、增大接触面积和接触力为控制目标，主动调整第一手指、第二手指相对于第三手指的位置。4.根据权利要求1所述的操作末端，其特征在于，所述三指灵巧操作末端通过回转电机实现整个操作末端相对于连接法兰的圆周向回转，实现灵巧操作末端与抓取目标指尖相对位姿的调节。5.根据权利要求1所述的操作末端，其特征在于，所述第一手指、第二手指、第三手指之间可形成同侧、对侧和均布多种构型，可实现包络抓取、抓握、捏取和铲挖多种操作。

技术总结
本发明提出面向非合作目标的可变构型三指灵巧操作末端。所述三指灵巧操作末端由第一手指、第二手指、第三手指、底座、手掌、手指旋转电机和连接法兰组成。所述操作末端是适用于空间机器人的三指五自由度灵巧操作末端，3个手指之间相对位置可主动调节，可实现非合作目标抓取及操控、感知丰富、动作灵活，较现有末端在非合作目标抓取、灵巧操作、感知等方面具有明显优势。显优势。显优势。


技术研发人员：赵志军 全齐全 王耀兵 张晓东
受保护的技术使用者：北京空间飞行器总体设计部
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/9/7