一种空间站舱内可自由飞行的仿生机械手的制作方法

1.本发明属于空间机器人技术领域，特别涉及一种空间站舱内可自由飞行的仿生机械手。


背景技术：

2.在空间站领域，宇航员在空间站舱内进行大量的科学实验和空间任务等工作。考虑到舱内工作的宇航员数量有限且任务繁重，利用宇航员助手机器人为宇航员分担压力，这种机器人可在空间站舱内辅助宇航员进行一些舱内任务，也可作为科学试验设备或技术验证设备，具有很高的应用价值。
3.而宇航员助手机器人辅助宇航员最主要的任务就是为宇航员抓取一些工具或物体，减少宇航员的工作时间，提高效率。目前，传统的舱内飞行器上携带的抓取机构大部分都是采用两指的简单结构，功能单一，不能适应不同形状的工具和物体的抓取。因此，急需一种能够在空间站舱内微重力环境下自由运动，且能够抓取不同形状的工具和物体的宇航员助手机器人。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种空间站舱内可自由飞行的仿生机械手，用来实现对舱内物体的抓取。
5.本发明为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种空间站舱内可自由飞行的仿生机械手，包括：
7.气浮平台，用于模拟空间舱内的微重力环境；
8.飞行器，设置于气浮平台的上方，所述飞行器用于在气浮平台提供的仿真微重力环境下进行六自由度飞行和悬停；
9.机械手，设置于飞行器上，所述机械手用于完成抓取任务。
10.所述机械手包括底座、腕部舵机、手掌及五个手指，其中底座与所述飞行器连接，腕部舵机设置于底座上，且输出端与手掌连接；五个手指设置于手掌上。
11.五个所述手指分别为拇指、食指、中指、无名指及小指，其中食指、中指、无名指及小指结构相同，均包括首尾依次铰接的手指上关节、手指中关节及手指下关节，其中手指下关节与所述手掌转动连接；所述手指中关节的后端通过指间连杆与所述手掌铰接；
12.所述拇指包括依次首尾铰接的拇指下关节和拇指上关节，其中拇指下关节与所述手掌转动连接。
13.所述手掌包括手掌支撑架及设置于所述手掌支撑架上的拇指驱动机构和四个手指驱动机构，其中手掌支撑架与所述腕部舵机的输出端连接；四个手指驱动机构分别与食指、中指、无名指及小指的手指下关节连接，用于驱动手指下关节转动；所述拇指驱动机构与所述拇指下关节连接，用于驱动所述拇指下关节转动。
14.所述手掌支撑架包括手掌挡板及设置于所述手掌挡板背部的手背壳体，所述拇指
驱动机构和四个手指驱动机构均设置于所述手掌挡板上。
15.所述拇指驱动机构包括拇指舵机和连杆机构，其中拇指舵机设置于所述手掌挡板上；
16.所述连杆机构包括第一连杆和第二连杆，其中第一连杆的一端与所述拇指舵机输出端的曲柄铰接，另一端与第二连杆的一端铰接，第二连杆的另一端与所述拇指下关节铰接。
17.所述手指驱动机构包括手指舵机，所述手指舵机的输出端与各手指的手指下关节连接。
18.所述底座为三角底座。
19.所述飞行器为八面体飞行器。
20.本发明的优点及有益效果是：
21.本发明采用仿生机械手，可以模拟人的抓取动作采用不同的手势抓取不同的工具或物体，有助于抓取任务的高效性。
22.本发明将机械手安装在舱内飞行器上，可以利用飞行器自由飞行的特点携带机械手前往需要抓取的目标物体附近，方便机械手完成抓取任务。
23.本发明将整个机器人系统搭载在小型气浮平台上，可以在地面上模拟空间舱内的微重力环境，使机械手完成平面二自由度的抓取实验。
24.本发明具有体积小，操作灵活、抓取效率高等优点。
附图说明
25.图1为本发明一种空间站舱内可自由飞行的仿生机械手的结构示意图；
26.图2为本发明中机械手的结构示意图。
27.图中：1为机械手，2为飞行器，3为气浮平台，4为手指上关节，5为手指中关节，6为手指下关节，7为手指舵机，8为手背壳体，9为腕部舵机，10为手掌挡板，11为第二连杆，12为第一连杆，13为拇指舵机，14为底座，15为指间连杆。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
29.如图1所示，本发明提供的一种空间站舱内可自由飞行的仿生机械手，包括：机械手1、飞行器2及气浮平台3，气浮平台3用于模拟空间舱内的微重力环境；飞行器2设置于气浮平台3的上方，飞行器2用于在气浮平台3提供的仿真微重力环境下进行六自由度飞行和悬停；机械手1设置于飞行器2上，机械手1用于完成抓取任务。
30.如图2所示，本发明的实施例中，机械手1包括底座14、腕部舵机9、手掌及五个手指，其中底座14与飞行器2连接，腕部舵机9设置于底座14上，且输出端与手掌连接；五个手指设置于手掌上。
31.本发明的实施例中，五个手指分别为拇指、食指、中指、无名指及小指，其中食指、中指、无名指及小指结构相同，均包括首尾依次铰接的手指上关节4、手指中关节5及手指下关节6，其中手指下关节6与手掌转动连接，手指中关节5的后端通过指间连杆15与手掌铰
接。拇指包括依次首尾铰接的拇指下关节和拇指上关节，其中拇指下关节与手掌转动连接。
32.本发明的实施例中，手掌包括手掌支撑架及设置于手掌支撑架上的拇指驱动机构和四个手指驱动机构，其中手掌支撑架与腕部舵机9的输出端连接；四个手指驱动机构分别与食指、中指、无名指及小指的手指下关节6连接，用于驱动手指下关节6转动；拇指驱动机构与拇指下关节连接，用于驱动拇指下关节转动。
33.本发明的实施例中，手掌支撑架包括手掌挡板10及设置于手掌挡板10背部的手背壳体8，拇指驱动机构和四个手指驱动机构均设置于手掌挡板10的侧面，五个手指与手掌挡板10的上端和侧部设有铰座转动连接。
34.具体地，拇指驱动机构包括拇指舵机13和连杆机构，其中拇指舵机13设置于手掌挡板10上；连杆机构包括第一连杆12和第二连杆11，其中第一连杆12的一端与拇指舵机13输出端的曲柄铰接，另一端与第二连杆11的一端铰接，第二连杆11的另一端与拇指下关节铰接。
35.手指驱动机构包括手指舵机7，手指舵机7的输出端与各手指的手指下关节6连接。
36.进一步地，底座14为三角底座，以增大机械手1的稳定性。
37.五个手指具有较为类似的传动结构。拇指舵机13驱动第一连杆12，第一连杆12与第二连杆11铰接，从而带动拇指的运动；类似地，手指舵机7驱动手指下关节6运动，手指中关节5的两端分别连接手指下关节6和手指上关节4，其中手指中关节5与手掌挡板10之间通过指间连杆15相连接，用以约束手指中关节5的运动，手指上关节4在手指中关节5的带动下进行随动运动，所有的关节部件均安装于手背壳体8和手掌挡板10之间。腕部舵机9下端与三角底座固连，上端通过输出轴连接手背壳体8，可以实现手背壳体360
°
的旋转动作。
38.本发明的实施例中，机械手1它模拟人手的结构，可以完成握拳、五指张开、钩、捏、抓圆柱形物体、抓球形物体等多种不同的手势，可以针对不同的被抓取物体采用对应的手势进行抓取，能提高抓取效率。
39.本发明的实施例中，飞行器2为八面体飞行器，该八面体飞行器采用文件号为cn205256676 u中公开的八面体飞行器，多面体飞行器具有六个自由度，利用飞行器上的十二个涵道风扇推力系统和姿态检测系统可以使飞行器在空间站舱内实现六自由度的自由飞行和悬停。该飞行器尺寸为200
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200
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200mm，重量为3.5kg，载重为0.5kg。八面体飞行器可以携带机械手1在空间站舱内的微重力环境下实现悬浮和六自由度自由飞行，移动到目标物体附近进行抓取。
40.本发明的实施例中，气浮平台3为市购产品，购置于天津中精微仪器设备有限公司的小型气浮平台。小型气浮平台作为机械手地面的实验平台，机械手1和多面体飞行器安装在小型气浮平台上，小型气浮台通过底部的三个气足可以实现在大理石平台上的悬浮，从而可以在平面方向模拟空间站舱内的微重力环境下的运动和状态。该气浮台尺寸为200
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200
×
200mm，载重为10kg，气瓶充满气的状态下能够工作时间为五分钟。
41.本发明提供的空间站舱内可自由飞行的仿生机械手，采用仿生机械手，可以模拟人的抓取动作采用不同的手势抓取不同的工具或物体，有助于抓取任务的高效性。将机械手安装在舱内飞行器上，可以利用飞行器自由飞行的特点携带机械手前往需要抓取的目标物体附近，方便机械手完成抓取任务。将整个机器人系统搭载在小型气浮平台上，可以在地面上模拟空间舱内的微重力环境，使机械手完成平面二自由度的抓取实验。本发明本发明
具有体积小，操作灵活、抓取效率高等优点。
42.以上所述仅为本发明的实施方式，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、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。