混合驱动式可折展空间软体机械臂

1.本发明属于软体机器人技术领域，尤其涉及一种混合驱动式可折展空间软体机械臂。


背景技术：

2.软体机械臂因其运动灵活性、结构变刚度、可折叠伸展等不同于传统刚体机器人的特殊性能，已经发展成为机器人领域的新型技术方向。按照不同的驱动方式，软体机械臂可分为流体驱动、绳系驱动、磁场驱动、智能材料电驱等。目前，针对各种不同驱动方式，研究人员开展了大量方案探索。从当前研究现状来看，软体机械臂主要采用单一驱动方式，单一采用采用流体驱动或绳系驱动的软体机械臂,难以实现结构的可折展和变刚度，单一采用气压驱动的软体机械臂，需要消耗大量气体。
3.此外，软体机械臂处于研究的初级阶段，主要以方案探索和原理验证为主。软体机械臂的应用领域主要仍集中在地面应用领域，包括维修、辅助、医疗等领域，在空间任务应用中存在较大困难。空间任务应用与地面存在较大区别，对软体机械臂体积和质量提出了更加严苛的要求。目前还未有成熟的适应空间任务应用的软体机械臂。


技术实现要素：

4.为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本发明提供了一种混合驱动式可折展空间软体机械臂，所述混合驱动式可折展空间软体机械臂为多段式结构，包括顶部段、底部段以及顶部段和底部段之间的一个或多个中间段，每段由多个模块化结构单元串联构成，每个所述模块化结构单元包括位于两侧的隔板以及多个相互对称并联地夹装在两侧隔板之间的弓形薄壳，所有的所述模块化结构单元通过贯穿设置在中心部位的中心气囊相连，在所有的所述模块化结构单元的隔板上连接有驱动绳索，所述驱动绳索连接于驱动电机。
5.进一步地，在上述混合驱动式可折展空间软体机械臂中，任意相邻的两个模块化结构单元相互对接的一侧共用同一个隔板。
6.进一步地，在上述混合驱动式可折展空间软体机械臂中，所述混合驱动式可折展空间软体机械臂为三段式结构，包括顶部段、底部段以及顶部段和底部段之间的一个中间段。
7.进一步地，在上述混合驱动式可折展空间软体机械臂中，所述底部段由四个模块化结构单元串联构成，所述顶部段和所述中间段分别由三个模块化结构单元串联构成。
8.进一步地，在上述混合驱动式可折展空间软体机械臂中，所述隔板为圆形薄板构型，设置有气囊孔、多组弓形薄壳安装孔、多个穿绳孔，所述气囊孔设置在隔板的中心位置，所述多组弓形薄壳安装孔设置在隔板的中心位置并环绕所述气囊孔外周分布，所述多个穿绳孔沿隔板的圆周方向设置在隔板的边缘上。
9.进一步地，在上述混合驱动式可折展空间软体机械臂中，所述隔板上还设置有多
个相对于隔板的中心对称的扇形镂空部。
10.进一步地，在上述混合驱动式可折展空间软体机械臂中，所述弓形薄壳由壳体和位于所述壳体两端的安装板组成，所述安装板上设置有安装通孔，所述安装通孔匹配于隔板上的所述弓形薄壳安装孔。
11.进一步地，在上述混合驱动式可折展空间软体机械臂中，所述中心气囊包括多个串联连通的纺锤囊体，所述纺锤囊体之间的囊体凹面穿过隔板上的所述气囊孔；所述中心气囊的两端分别设置有安装面板，所述安装面板上设置有安装螺孔，所述中心气囊的两端分别通过所述安装面板固定在所述底部段中最底端隔板和所述顶部段中最顶端隔板上；安装在所述底部段中最底端隔板上的安装面板的中心位置开有与所述中心气囊连通的进气孔。
12.进一步地，在上述混合驱动式可折展空间软体机械臂中，所述驱动绳索包括分别安装在所述顶部段、所述中间段和所述底部段中的隔板上的顶部段驱动绳索、中间段驱动绳索和底部段驱动绳索；四根所述顶部段驱动绳索相互平均间隔地穿插在所述顶部段中所有隔板上的穿绳孔内，一端固定在所述顶部段最顶端隔板上，另一端延伸至空间软体机械臂的底部并连接于所述驱动电机；四根所述中间段驱动绳索相互平均间隔地穿插在所述中间段中所有隔板上的穿绳孔内，一端固定在所述中间段最顶端隔板上，另一端延伸至空间软体机械臂的底部并连接于所述驱动电机；四根所述底部段驱动绳索相互平均间隔地穿插在所述底部段中所有隔板上的穿绳孔内，一端固定在所述底部段最顶端隔板上，另一端延伸至空间软体机械臂的底部并连接于所述驱动电机。
13.与现有技术相比，本发明的混合驱动式可折展空间软体机械臂具有如下优点和有益效果：空间软体机械臂整体具有变刚度性能和可折展性能，其中变刚度性能使得空间软体机械臂能够兼顾运动灵活性和操控负载能力，可折展性能可节省空间软体机械臂发射入轨时的收纳体积，从而节省发射成本；利用绳索驱动和充气驱动相结合的混合驱动模式，气囊仅在折叠伸展过程中充放气，无需驱动空间软体机械臂整体运动，可有效控制气体消耗量，因而本发明的混合驱动式可折展空间软体机械臂更加适应各种空间任务应用，填补了目前的技术空白。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
15.图1是本发明的混合驱动式可折展空间软体机械臂的结构示意图，示出空间软体机械臂的伸展状态，其中(a)为立体图，(b)为平面图。
16.图2是本发明的混合驱动式可折展空间软体机械臂的结构示意图，示出空间软体机械臂的压缩状态，其中(a)为立体图，(b)为平面图。
17.图3是本发明的混合驱动式可折展空间软体机械臂中的模块化结构单元的结构示意图，其中(a)为立体图，(b)为平面图。
18.图4是本发明的混合驱动式可折展空间软体机械臂中的隔板的结构示意图。
19.图5是本发明的混合驱动式可折展空间软体机械臂中的弓形薄壳的结构示意图。
20.图6是本发明的混合驱动式可折展空间软体机械臂中的中心气囊的结构示意图，其中(a)为立体图，(b)为平面图。
21.图7是本发明的混合驱动式可折展空间软体机械臂中的驱动绳索的安装示意图，其中(a)示出空间软体机械臂的顶部段中驱动绳索的安装，(b)示出空间软体机械臂的中间段中驱动绳索的安装，(c)示出空间软体机械臂的底部段中驱动绳索的安装。
具体实施方式
22.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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。
23.参见图1、图2、图3，本发明的混合驱动式可折展空间软体机械臂为多段式结构，每段由多个模块化结构单元100串联构成，每个模块化结构单元100包括位于两侧的隔板1以及多个相互对称并联地夹装在两侧隔板1之间的弓形薄壳2。构成混合驱动式可折展空间软体机械臂的所有模块化结构单元100通过贯穿设置在中心部位的中心气囊3相连，并且在所有模块化结构单元100的隔板1上连接有驱动绳索4，驱动绳索4连接于空间软体机械臂配套的驱动电机。
24.优选地，任意相邻的两个模块化结构单元100相互对接的一侧共用同一个隔板1，由此简化结构，增强空间软体机械臂的整体空间运动能力。
25.作为一种具体实施方式，根据实际使用需要，本发明的混合驱动式可折展空间软体机械臂可以为串联的三段式结构、四段式结构、五段式结构等，包括顶部段、底部段以及顶部段和底部段之间的一个或多个中间段。优选地，本发明的混合驱动式可折展空间软体机械臂可以为串联的三段式结构，包括顶部段、底部段以及顶部段和底部段之间的一个中间段。
26.作为一种具体实施方式，本发明的混合驱动式可折展空间软体机械臂的每段可以由三个、四个、五个等模块化结构单元100串联构成。优选地，本发明的混合驱动式可折展空间软体机械臂的底部段由四个模块化结构单元100串联构成，顶部段和中间段由三个模块化结构单元100串联构成。通过这一设计，将底部段的长度增加以增大其运动幅度，从而增加空间软体机械臂的整体空间运动范围。
27.如图4所示，隔板1为空间软体机械臂的主要支撑部件，优选为圆形薄板构型。隔板1上设置有气囊孔11、多组弓形薄壳安装孔12、多个穿绳孔13。气囊孔11设置在隔板1的中心位置，用于安装中心气囊3。多组弓形薄壳安装孔12设置在隔板1的中心位置并环绕气囊孔11外周分布，用于安装弓形薄壳2。多个穿绳孔13沿隔板1的圆周方向设置在隔板1的边缘上，用于安装驱动绳索4。
28.此外，隔板1上还可以设置有多个镂空部14，由此可以将空间软体机械臂整体减重，有利于增强空间软体机械臂的整体空间运动能力。优选地，镂空部14为相对于隔板1的中心对称的扇形镂空部。
29.弓形薄壳2为具有弹性变形能力及恢复变形能力的薄壳结构，例如可由尼龙等复
合材料通过3d打印技术一体化成型。因此，弓形薄壳2本身具有一定的弹性，能够为空间软体机械臂提供一定的支撑作用，同时，弓形薄壳2能够发生大范围变形，在受到挤压力作用时，能够呈现对折叠合状态。如图5所示，弓形薄壳2由壳体21和位于壳体21两端的安装板22组成，安装板22上设置有安装通孔23，安装通孔23匹配于隔板1上的弓形薄壳安装孔12。通过安装通孔23和弓形薄壳安装孔12以及相配的螺栓即可将弓形薄壳2安装在隔板1上。
30.中心气囊3为空间软体机械臂的中心支撑部件，同时也是空间软体机械臂的充气驱动机构。中心气囊3穿过构成空间软体机械臂的所有模块化结构单元100的隔板1上的气囊孔11而安装在空间软体机械臂的中心轴线上。如图6所示，中心气囊3包括多个串联连通的纺锤囊体32，纺锤囊体32之间的囊体凹面33穿过隔板1上的气囊孔11。中心气囊3的两端设置有安装面板31，通过两端的安装面板31，中心气囊3的两端分别固定在空间软体机械臂底部段中最底端隔板1和空间软体机械臂顶部段中最顶端隔板1上。为此，安装面板31上设置有安装螺孔34，通过安装螺孔34及相配的螺栓即可将中心气囊3的两端固定在空间软体机械臂的两端隔板1上。此外，中心气囊3两端的安装面板31中的一个的中心位置开有与中心气囊3连通的进气孔35，由此，使得中心气囊3一端封闭、一端可进行气体的充填和排出。优选地，中心气囊3的安装在空间软体机械臂顶部段中最顶端隔板1上的安装面板31封闭，中心气囊3的安装在空间软体机械臂底部段中最底端隔板1上的安装面板31的中心位置开有与中心气囊3连通的进气孔35。
31.连接在所有模块化结构单元100的隔板1上的驱动绳索4实现了空间软体机械臂的多段式连续驱动，使得空间软体机械臂具有灵活的空间运动能力。在多段式结构的空间软体机械臂的每段中，所有模块化结构单元100的隔板1上安装有驱动绳索4。具体而言，驱动绳索4包含分别安装在空间软体机械臂的顶部段、中间段和底部段中的隔板1上的顶部段驱动绳索4.1、中间段驱动绳索4.2和底部段驱动绳索4.3，如图7的(a)所示，在空间软体机械臂的顶部段，四根顶部段驱动绳索4.1相互平均间隔地穿插在顶部段中所有隔板1上的穿绳孔13内，并且四根顶部段驱动绳索4.1的一端固定在顶部段最顶端隔板1上，另一端则一直延伸至空间软体机械臂的底部并连接于驱动电机；如图7的(b)所示，在空间软体机械臂的中间段，四根中间段驱动绳索4.2相互平均间隔地穿插在该中间段中所有隔板1上的穿绳孔13内，并且四根中间段驱动绳索4.2的一端固定在该中间段最顶端隔板1上，另一端则一直延伸至空间软体机械臂的底部并连接于上述驱动电机，如果空间软体机械臂包含多个中间段，则其他中间段与上述中间段类似地安装各自的驱动绳索；如图7的(c)所示，在空间软体机械臂的底部段，四根底部段驱动绳索4.3相互平均间隔地穿插在底部段中所有隔板1上的穿绳孔13内，并且四根底部段驱动绳索4.3的一端固定在底部段最顶端隔板1上，另一端则一直延伸至空间软体机械臂的底部并连接于上述驱动电机。
32.包含顶部段驱动绳索4.1、中间段驱动绳索4.2、底部段驱动绳索4.3的驱动绳索4、以及与驱动绳索4连接的驱动电机，构成空间软体机械臂的绳索驱动机构，用来控制驱动绳索的长度和拉力，以实现空间软体机械臂的多段式连续空间运动。
33.综上所述，本发明的混合驱动式可折展空间软体机械臂采用了中心气囊3形式的充气驱动机构以及驱动绳索4和驱动电机形式的绳索驱动机构相结合的混合驱动模式。中心气囊3充气时，驱动绳索4在驱动电机的驱动下同时逐步释放，空间软体机械臂在中心气囊3的充气作用下逐渐展开，呈现如图1所示的伸展工作状态；中心气囊3排气时，驱动绳索4
在驱动电机的驱动下同时逐步拉紧，空间软体机械臂在驱动绳索4的拉力作用下逐渐收缩，呈现如图2所示的折叠收纳状态。由此，本发明的混合驱动式可折展空间软体机械臂可在折叠状态与伸展状态之间切换，在伸展状态下，空间软体机械臂正常工作，具有较大的空间可达范围；在折叠状态下，空间软体机械臂可被存储收纳，显著节省收纳体积。经过对本发明的混合驱动式可折展空间软体机械臂的实际测试，空间软体机械臂的伸展状态和压缩状态之间的折展比可达3～5倍。此外，在空间软体机械臂在折叠状态与伸展状态之间切换时，弓形薄壳2通过自身弹性变形及其恢复性能，在驱动绳索4拉力作用下可发生大变形弯曲，在拉力减弱及充气展开时，可依靠自身弹性逐渐恢复。
34.进一步地，本发明的混合驱动式可折展空间软体机械臂通过弓形薄壳2、中心气囊3、驱动绳索4的耦合作用下可变刚度。在空间软体机械臂伸展状态下，通过改变中心气囊3的气压和驱动绳索4的拉力，可实现空间软体机械臂的刚度变化。例如，在空间软体机械臂伸展状态下，增大中心气囊3的气压和驱动绳索4的拉力，空间软体机械臂在由弓形薄壳2的弹性支撑、中心气囊3的伸展、驱动绳索4的拉紧共同形成的耦合作用下，空间软体机械臂处于绷紧状态，此时整体刚度较大，具有较大的末端负载能力。
35.进一步地，本发明的混合驱动式可折展空间软体机械臂采用了多段式连续驱动方式，通过驱动电机控制驱动绳索4的长度和拉力，使得空间软体机械臂具有灵活的空间运动能力，能够实现空间软体机械臂的多段式连续空间运动。
36.此外，本发明的混合驱动式可折展空间软体机械臂采用了纺锤囊体串联结构的中心气囊3，可保证在少量气量供应条件下即可实现囊体充气的增强，以适应空间操控任务需求。
37.因此，与现有技术相比，本发明的混合驱动式可折展空间软体机械臂具有如下优点和有益效果：空间软体机械臂整体具有变刚度性能和可折展性能，其中变刚度性能使得空间软体机械臂能够兼顾运动灵活性和操控负载能力，可折展性能可节省空间软体机械臂发射入轨时的收纳体积，从而节省发射成本；利用绳索驱动和充气驱动相结合的混合驱动模式，气囊仅在折叠伸展过程中充放气，无需驱动空间软体机械臂整体运动，可有效控制气体消耗量，因而本发明的混合驱动式可折展空间软体机械臂更加适应各种空间任务应用，填补了目前的技术空白。
38.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
39.还需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的精神和范围。