本發(fā)明屬于空間站技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種空間艙內(nèi)貨包取放機械手。

背景技術(shù)：

空間站(Space Station)又稱太空站、航天站、軌道站。是一種在近地軌道長時間運行，可供多名航天員巡訪、長期工作和生活的載人航天器?？臻g站分為單一式和組合式兩種。單一式空間站可由航天運載器一次發(fā)射入軌，組合式空間站則由航天運載器分批將組件送入軌道，在太空組裝而成。

空間站的基本組成是以一個載人生活艙為主體，再加上有不同用途的艙段，如工作實驗艙、科學儀器艙等。空間站外部必須裝有太陽能電池板和對接艙口，以保證站內(nèi)電能供應和實現(xiàn)與其他航天器的對接?？臻g站是一個由許多相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)構(gòu)成的復雜系統(tǒng)，一個功能完備的空間站通常會具備以下的模塊：主體結(jié)構(gòu)、電源供應系統(tǒng)、乘員生活設(shè)施以及乘員和貨物運輸系統(tǒng)等。

傳統(tǒng)的空間站貨包通常是放置在空間艙內(nèi)，取放都是通過人工來實現(xiàn)，因此急需研發(fā)一種智能取放系統(tǒng)，完成貨包取放的自動化，提高航天員工作的便利性，提高空間科學應用的規(guī)模和水平。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決上述問題，提供一種結(jié)構(gòu)合理，靈活性高的空間艙內(nèi)貨包取放機械手。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種空間艙內(nèi)貨包取放機械手，包括機械臂和機械爪，機械臂的一端可滑動的安裝在貨艙的導軌上，另一端與機械爪相連；機械爪包括主爪和副爪，副爪與機械臂相連，包括可同步張開和收攏的至少三個附爪；主爪位于附爪端部連線所圍成區(qū)域的中心，包括可開合的左爪鉗和右爪鉗。

優(yōu)選地，所述副爪包括與機械臂相連的套筒，套筒外圓周面上套設(shè)有套筒外滑環(huán)，套筒外滑環(huán)可沿著套筒的軸線滑動；套筒外滑環(huán)與附爪的根部轉(zhuǎn)動連接；套筒的端部與副爪連桿的一端轉(zhuǎn)動連接，副爪連桿的另一端與附爪的中部轉(zhuǎn)動連接。

優(yōu)選地，所述套筒內(nèi)設(shè)有絲桿，套筒外滑環(huán)與絲桿形成絲桿副。

優(yōu)選地，所述主爪包括與副爪相連的主爪底盤，主爪底盤的一側(cè)面上設(shè)有嚙合的左盤齒和右盤齒，左盤齒與左爪鉗轉(zhuǎn)動連接，左連桿的一端與主爪底盤轉(zhuǎn)動連接，另一端與左爪鉗中部轉(zhuǎn)動連接；右盤齒與右爪鉗轉(zhuǎn)動連接，右連桿的一端與主爪底盤轉(zhuǎn)動連接，另一端與右爪鉗中部轉(zhuǎn)動連接。

優(yōu)選地，所述主爪底盤的另一側(cè)面上設(shè)有舵機，舵機的輸出端穿過主爪底盤與右盤齒的圓心相連。

優(yōu)選地，所述主爪底盤的前端與卡扣固定塊相連，卡扣固定塊的前端開設(shè)有固定槽，固定槽內(nèi)設(shè)有光電傳感器。

優(yōu)選地，所述附爪、左爪鉗和右爪鉗的端部均設(shè)有壓力傳感器。

優(yōu)選地，所述機械臂具有八個自由度，包括八個順次安裝的電機，前一個電機安裝在后一個電機的轉(zhuǎn)動端上，相鄰的電機兩兩之間軸線垂直，第一個電機安裝在導軌上，最后個電機的轉(zhuǎn)動端與機械爪相連。

優(yōu)選地，所述機械臂的一端安裝在機械臂座上，機械臂座與導軌形成移動副。

優(yōu)選地，所述機械爪上設(shè)有圖像識別裝置，圖像識別裝置包括伸縮機構(gòu)、攝像頭和攝像平臺，伸縮機構(gòu)的一端與機械爪相連，另一端與攝像平臺相連，攝像頭安裝在攝像平臺上；伸縮機構(gòu)的伸縮方向與機械爪的軸線垂直。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明所提供的空間艙內(nèi)貨包取放機械手，具有重量輕、體積小、靈活性高等特點，集成了機器視覺、壓力傳感器、貨物識別等多功能于一身，集成度高；并采用多連桿，剪叉等多種運動機構(gòu)，動作柔性大。不僅能夠?qū)ω洶M行抓/放、識別、定位、捆綁/解綁等多種操作，還能夠?qū)幼魍瓿啥冗M行閉環(huán)控制和檢查。

附圖說明

圖1是本發(fā)明空間艙內(nèi)貨包取放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明空間艙內(nèi)貨包取放系統(tǒng)的側(cè)視圖；

圖3是本發(fā)明空間艙內(nèi)貨包取放機械手的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明空間艙內(nèi)貨包取放機械手的局部示意圖；

圖5是本發(fā)明機械爪的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明機械爪另一角度的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明機械手收納狀態(tài)示意圖；

圖8是本發(fā)明方形貨包的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9是本發(fā)明母扣的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10是本發(fā)明卡扣的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11是本發(fā)明機械手將貨包推入倉位的流程圖；

圖12是本發(fā)明機械爪收回的流程圖；

圖13是本發(fā)明主爪抓住卡扣的流程圖；

圖14是本發(fā)明機械手取出卡扣的流程圖；

圖15是本發(fā)明機械手抓取貨包的流程圖。

附圖標記說明：11、貨架；12、倉位；13、導軌；14、機械臂座；15、把手；16、卡扣；17、母扣；21、機械臂；2101、延長臂；2102、末端電機；22、機械爪；2201、套筒；2202、套筒外滑環(huán)；2203、附爪；2204、副爪連桿；2205、主爪底盤；2206、左爪鉗；2207、右爪鉗；2208、左盤齒；2209、右盤齒；2210、左連桿；2211、右連桿；2212、卡扣固定塊；2213、舵機；23、圖像識別裝置；2301、剪叉機構(gòu)；2302、攝像平臺；31、方形貨包；32、中央把帶；33、四周把帶。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的說明：

如圖1至圖10所示，本發(fā)明的空間艙內(nèi)貨包取放機械手應用于空間艙內(nèi)貨包取放系統(tǒng)，空間艙內(nèi)貨包取放系統(tǒng)包括貨艙、空間艙內(nèi)貨包取放機械手(以下簡稱為機械手)和倉儲信息數(shù)據(jù)庫，貨艙用于存放貨包，機械手用于對貨包進行抓/放、識別、定位、捆綁/解綁等多種操作，倉儲信息數(shù)據(jù)庫用于記錄每個倉位存儲的貨包類型以及每個貨包所存放的倉位位置，以便系統(tǒng)能夠進行快速的放包操作和取包操作。

如圖1所示，貨艙包括圍成矩形通道空間的四個貨架11，貨架11開設(shè)有用于放置貨包的倉位12，相鄰的貨架11之間具有順著貨架11長度方向的間隙，導軌13順著貨架11長度方向安裝在其中一個貨架11側(cè)面，機械手的的一端可滑動的安裝在貨艙的導軌13上，且機械手可通過間隙進入矩形通道空間。

如圖7所示，與安裝有導軌13的貨架相鄰的另一貨架側(cè)面固定安裝有把手15，把手15與導軌13相對。當系統(tǒng)空閑時，機械手需要收起(歸位)，機械手收起后不占據(jù)矩形通道空間。機械手收回時，將機械手夾住貨架上的把手，防止機械手收回后晃動。

從圖1和圖7還可以看出，貨架上的倉位12呈行列分布，在貨艙的圓周方向所在的平面，具有一圈倉位，順著貨艙的長度方向，具有若干圈這樣的倉位。根據(jù)倉位所在的位置不同，其具體空間有差異，為了最大化的利用空間，貨包也隨之設(shè)置為各種形狀，如梯形貨包、楔形貨包和方形貨包等。

貨包在抓取或者存放前，系統(tǒng)要知道貨包類型，以便在取貨包時進行貨物比對、在存貨包時，便于進行自動倉位位置規(guī)劃。如圖8所示，在本實施例中，以方形貨包31為例進行說明，方形貨包的抓取面中心設(shè)有中央把帶32，四周設(shè)有四個四周把帶33，四個四周把帶33的連線圍成一個矩形，中央把帶32位于該矩形的中心。

貨包通過卡扣16和母扣17卡合固定在倉位內(nèi)。圖9和圖10分別為母扣和卡扣的結(jié)構(gòu)示意圖，卡扣插入母扣后可卡合，通過按壓卡扣才能將卡扣從母扣中取出。

機械手包括機械臂21、機械爪22和圖像識別裝置23，機械臂21的一端安裝在機械臂座14上，機械臂座14與導軌13形成移動副。機械臂座14可沿安裝在貨架上的導軌在貨架長度方向移動。機械臂21的另一端與機械爪22相連，機械臂21可驅(qū)動機械爪22到達貨艙圓周方向上同一平面內(nèi)的任一倉位12對貨包進行抓取或者存放。

機械爪22包括主爪和副爪，副爪與機械臂21相連，包括可同步張開和收攏的至少三個附爪2203；主爪位于附爪2203端部連線所圍成區(qū)域的中心，包括可開合的左爪鉗2206和右爪鉗2207。附爪2203、左爪鉗2206和右爪鉗2207的端部均設(shè)有壓力傳感器。主爪用于貨包的捆綁和解綁以及抓住貨包抓取面的中央把帶32，副爪用于抓住貨包抓取面的四周把帶33。通過主爪和副爪的配合，能夠約束整個貨包抓取面，進而實現(xiàn)貨包的全自由度的約束。在本實施例中，附爪2203的數(shù)量為四，與方形貨包的四個四周把帶分別對應。

如圖5和圖6所示，副爪包括與機械臂21相連的套筒2201，套筒2201外圓周面上套設(shè)有套筒外滑環(huán)2202，套筒外滑環(huán)2202可沿著套筒2201的軸線滑動；四個附爪2203的根部均與套筒外滑環(huán)2202轉(zhuǎn)動連接，其連接位置與四周把帶的位置相關(guān)。套筒2201的端部與副爪連桿2204的一端轉(zhuǎn)動連接，副爪連桿2204的另一端與附爪2203的中部轉(zhuǎn)動連接。套筒2201內(nèi)設(shè)有絲桿，套筒外滑環(huán)2202與絲桿形成絲桿副。絲桿驅(qū)動套筒外滑環(huán)沿套筒的軸線滑動時，四個附爪可同步張開和收攏。

主爪包括安裝在套筒前端的主爪底盤2205，主爪底盤2205的一側(cè)面上設(shè)有嚙合的左盤齒2208和右盤齒2209，左盤齒2208與左爪鉗2206轉(zhuǎn)動連接，左連桿2210的一端與主爪底盤2205轉(zhuǎn)動連接，另一端與左爪鉗2206中部轉(zhuǎn)動連接；右盤齒2209與右爪鉗2207轉(zhuǎn)動連接，右連桿2211的一端與主爪底盤2205轉(zhuǎn)動連接，另一端與右爪鉗2207中部轉(zhuǎn)動連接。主爪底盤2205的另一側(cè)面上設(shè)有舵機2213，舵機2213的輸出端穿過主爪底盤2205與右盤齒2209的圓心相連。舵機驅(qū)動右盤齒轉(zhuǎn)動時，左盤齒同步嚙合轉(zhuǎn)動，通過舵機的來回轉(zhuǎn)動，可實現(xiàn)左爪鉗和右爪鉗的開合。

主爪捆綁和解綁貨包時，需要抓取卡扣，為了防止抓取時卡扣晃動，主爪底盤2205的前端與卡扣固定塊2212相連，卡扣固定塊2212的前端開設(shè)有固定槽，固定槽與卡扣大小匹配，用于對卡扣進行限位?？酃潭▔K2212的固定槽內(nèi)設(shè)有光電傳感器，光電傳感器用于感應卡扣是否插入或者脫開卡扣固定塊。

機械臂21具有八個自由度，包括八個順次安裝的電機，前一個電機安裝在后一個電機的轉(zhuǎn)動端上，相鄰的電機兩兩之間軸線垂直，第一個電機安裝在機械臂座14上，最后個電機的轉(zhuǎn)動端與機械爪22相連。圖3所示為機械臂的八個自由度，具體的，機械臂包括第一電機、第二電機、第三電機、第四電機、第五電機、第六電機、第七電機和末端電機2102，第一電機安裝在機械臂座上，第二電機安裝在第一電機的轉(zhuǎn)動端上，第一電機與第二電機軸線垂直；第三電機安裝在第二電機的轉(zhuǎn)動端上，第二電機與第三電機軸線垂直；以此類推。特別的，為了實現(xiàn)長臂展，可在電機的轉(zhuǎn)動端設(shè)置延長臂2101，下一個電機安裝在延長臂2101的末端。得益于長臂展和多自由度，機械臂能夠抓取任一倉位的貨包，而且，任一倉位貨包的取放操作，均能保證機械臂在矩形通道空間內(nèi)，不會與貨艙其余部分發(fā)生干涉。

圖像識別裝置23包括伸縮機構(gòu)、攝像頭和攝像平臺2302，伸縮機構(gòu)的一端與機械爪22相連，另一端與攝像平臺2302相連，伸縮機構(gòu)的伸縮方向與機械爪22的軸線垂直。攝像頭安裝在攝像平臺2302上，攝像頭使機械爪在抓取和存放貨包時能夠進行精確定位，實現(xiàn)視覺伺服；同時，攝像頭還可進行現(xiàn)場視頻的實時傳輸，便于航天員進行遠程監(jiān)控。如圖4所示，在本實施例中，伸縮機構(gòu)為攝像連桿鉸接形成的剪叉機構(gòu)2301，攝像平臺2302上同時設(shè)置照明燈，便于在貨艙內(nèi)燈光沒有打開時，機械爪可依靠自身照明操作。

需要說明的是，為了使得伸縮機構(gòu)的伸縮方向與機械爪的軸線垂直，可以將伸縮機構(gòu)的一端安裝在套筒上，且互相垂直。但由于套筒與末端電機2102直接相連，為了不影響套筒外滑環(huán)的滑動，也可以將伸縮機構(gòu)安裝在末端電機上，由于機械爪始終和末端電機位于同一軸線，故伸縮機構(gòu)的伸縮方向與機械爪的軸線垂直。

如圖11至圖15所示，本發(fā)明還提供一種基于上述取放系統(tǒng)的空間艙內(nèi)貨包取放方法，包括放包過程和取包過程，取貨包時，機械手能夠自動完成將貨包解綁的首要動作過程；放貨包時，貨包正確放入倉位后，機械手能夠自動完成貨包捆綁動作。具體的，放包過程包括以下步驟：

A1、機械臂張開，驅(qū)動機械爪移至貨艙倉口，通過圖像識別裝置識別貨包；

A2、機械手抓取貨包，并將貨包送至倉位粗定位；

A3、通過圖像識別裝置圖像識別倉位精定位；

A4、機械手將貨包推入倉位，機械爪收回；機械手將貨包推入倉位的流程圖如圖11所示，首先是機械爪在機械臂的驅(qū)動下整體前移，當貨包到位后，主爪和副爪的壓力傳感器壓力達到閾值，此時圖像識別裝置識別貨包是否入位，如果是完成此流程，如果不是則機械爪退回，重新進行步驟A3。

A5、機械手捆綁貨包；

A6、更新倉儲信息，機械臂收回。

其中取包過程包括以下步驟：

B1、選擇貨包或指定倉位；

B2、機械臂張開，驅(qū)動機械爪移至倉位粗定位；

B3、通過圖像識別裝置識別貨包，若貨包正確則進行步驟B4；若貨包不正確則返回步驟B2重新定位；

B4、機械手解綁貨包；

B5、機械手重新到達倉位粗定位；

B6、通過圖像識別裝置圖像識別貨包精定位；

B7、機械手抓取貨包，取出貨包；

B8、機械手將貨包送至倉口，人工取包；

B9、更新倉儲信息，機械臂收回。

步驟A5包括以下步驟：

A51、機械手移至倉位附近放置了卡扣的母扣位置；

A52、通過圖像識別裝置圖像識別卡扣精定位；

A53、主爪抓住卡扣，按壓卡扣并取出卡扣；

A54、機械手夾持卡扣移至待綁定母扣位置；

A55、通過圖像識別裝置圖像識別母扣精定位；

A56、機械爪將卡扣插入母扣；

A57、主爪松開，機械手退回。

步驟B4包括以下步驟：

B41、通過圖像識別裝置圖像識別卡扣精定位；

B42、主爪抓住卡扣，按壓卡扣并取出卡扣；

B43、機械手夾持卡扣移至倉位附近未放置卡扣的母扣位置；

B44、通過圖像識別裝置圖像識別母扣精定位；

B45、機械手將卡扣插入母扣；

B46、主爪松開，機械手退回。

步驟A2和B7中，機械手抓取貨包的流程圖如圖15所示，首先通過圖像識別裝置進行圖像精定位，然后主爪的左爪鉗和右爪鉗夾住中央把帶，副爪的四個附爪同步張開，伸入四周把帶中，隨著四周把帶對附爪的限制，附爪端部的壓力傳感器壓力達到閾值，此時圖像識別裝置識別附爪是否插入四周把帶，如果是，則進入下一步。如果壓力傳感器壓力不能達到閾值，則需要收回附爪，左爪鉗和右爪鉗松開，重新進行圖像精定位。

上述方法中的機械爪收回的流程圖如圖12所示；主爪抓住卡扣的流程圖如圖13所示；機械手取出卡扣的流程圖如圖14所示。上述的粗定位均為通過系統(tǒng)控制機械臂的多自由度配合驅(qū)動機械爪達到指定位置實現(xiàn)的厘米級別或者亞厘米級別的定位。但這樣的定位并不能實現(xiàn)抓取的100％成功，因此需要通過圖像識別裝置進行圖像識別精定位。

當系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，比如識別失敗、抓貨包動作失敗、存貨包入艙動作失敗等，系統(tǒng)可自行提示航天員，以便人工介入，通過遠程操作機械臂，實現(xiàn)異?；謴?。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應被理解為本發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。