用于辅助航天员出舱作业机械臂且适配空间站扶手的夹爪

技术领域

本发明涉及一种夹爪，具体涉及一种用于辅助航天员出舱作业机械臂且适配中国空间站扶手的夹爪，属于航空航天技术领域。

背景技术

空间站又称太空站、航天站。是一种在近地轨道长时间运行、可供多名航天员巡访、长期工作和生活的载人航天器。空间站分为单模块空间站和多模块空间站两种。单模块空间站可由航天运载器一次发射入轨，多模块空间站则由航天运载器分批将各模块送入轨道，在太空中将各模块组装而成。在空间站中要有人能够生活的一切设施，空间站不具备返回地球的能力。

在中国空间站主体舱段建设完成过程中，需要大量航天员出舱工作完成复杂载荷的安装、维护和维修任务。当前航天员出舱主要有两种方式：

一种是站在空间站舱外机械臂末端操作平台上进行单手或双手操作；

另一种是航天员一只手抓握空间站舱外扶手进行身体固定，用另外一只手完成载荷操作。然而由于空间站机械臂的可达空间和位姿的局限性，航天员单手操作的灵活性等限制。在可达空间之外，航天员仍需要出舱到达指定位置开展工作，比如：例行维修检查等，这时它们除了柔性的安全绳固定在舱外扶手上保证安全外，还必须使用一只手抓紧扶手，仅仅依靠另一只手进行工作。航天员出舱工作的操作对象和执行效率均会受到了一定影响。单手操作极不灵活，不仅航天员练习难度大，在实际舱外作业中也会使作业时间变长。辅助出舱机械臂可以解放航天员双手，像在地面上一样灵活操作工具。

综上所述，现有空间站的机械臂受可达空间和位姿的局限性，导致航天员单手操作存在灵活性、以及航天员出舱工作的操作对象和执行效率均会受到影响的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有空间站的机械臂受可达空间和位姿的局限性，导致航天员单手操作存在灵活性、以及航天员出舱工作的操作对象和执行效率均会受到影响的问题。进而提供用于辅助航天员出舱作业机械臂且适配空间站扶手的夹爪。

本发明的技术方案是：用于辅助航天员出舱作业机械臂且适配空间站扶手的夹爪包括第一爪头、第二爪头、主臂杆、操作臂杆、自锁组件和铰链，第一爪头和第二爪头相对布置，且第一爪头和第二爪头的下部通过铰链实现单轴连接，第一爪头和第二爪头的上部形成椭圆形空腔，第一爪头和第二爪头的中部以铰链为顶点，形成“V”字形空腔，主臂杆的一端与第一爪头之间通过螺栓连接，操作臂杆通过螺栓与第二爪头连接，自锁组件安装在操作臂杆与第二爪头的连接处，实现对第二爪头的摩擦自锁。

进一步地，操作臂杆上设有多个凹纹。

进一步地，操作臂杆包括竖直段和倾斜段，竖直段与主臂杆平行布置，竖直段的上部与第二爪头连接，竖直段的下部与倾斜段连接。

进一步地，操作臂杆的倾斜段与主臂杆之间形成锐角夹角。

进一步地，所述锐角夹角为30°-40°。

进一步地，自锁组件包括连接弧板、安装座和自锁档杆，连接弧板安装在第二爪头上，且连接弧板沿其圆周方向开设有凹槽，安装座安装在操作臂杆的竖直段上，自锁档杆转动安装在安装座上，且当第一爪头和第二爪头闭合时，转动自锁档杆使其上部抵设在连接弧板外表面的凹槽内以实现自锁。

进一步地，自锁档杆为钝角档杆。

进一步地，自锁档杆与安装座之间通过销轴和扭簧连接。

进一步地，铰链包括转轴、多个合页和多个扭簧，转轴穿设在第一爪头和第二爪头下部交错凸起的柱状段内，多个合页通过多个扭簧套装在转轴上，多个合页分别安装在第一爪头和第二爪头的中部内侧端面上。

更进一步地，它还包括柔性防滑片，柔性防滑片安装在椭圆形空腔内。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明在太空环境下能够提供100N·M的支持力矩；在太空中，100N·M能够有效支持航天员保持自身位姿不变(数据来源于宇航局来访时的一次对话)。本发明的夹爪还支持航天员手动开合，夹紧力矩由爪头之间的扭簧提供(力矩比较大，直接驱动很费力)，而操作臂杆设计为杠杆的形式，可以使航天员轻松实现单手开合。；带有自锁功能：在夹爪闭合时，将自锁挡杆旋转至抵住连接弧板外表面，此时，夹爪如果想要张开则会对自锁档杆施加力，该力位于接触表面垂面的±5°中，由于摩擦角自锁原理，其实现自锁不能打开。当需要使夹爪张开使，则按压挡杆另一侧即可解除自锁。；结构简单，功能可靠，体积仅有278470.837立方毫米，该机械臂被设计为在闲置时可收叠至航天员腰部，体积小方便携带，也方便操作夹持使很好的握紧发力。

2、本发明空间站舱外扶手的基本形状如图5所示，航天员手掌抓持处为类椭圆形。夹爪爪头出采用与舱外扶手相同形状，形状定位非常可靠。

3、本发明由于采用了共轴的方式设计夹爪，使得其夹爪尺寸较小，其承载力矩和传动的转轴尺寸很小，也就意味着该轴强度会受尺寸限制。因而本发明将小尺寸的轴换成了集成度更高的三段铰链(由合页和扭簧组成)，能够在小尺寸下也拥有较高的强度，装配也更加方便。

4、航天员穿宇航服时操作各种仪器都很困难，手掌仅能握住不太大的东西，而夹爪的操作手柄小，所需施加力矩也小，非常适合宇航员单手操作(一只手抓舱外扶手，另一只手操作夹爪完成夹持)。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；图2是本发明的主视图；图3是图2的侧视图；图4是图2的俯视图；图5是空间站舱外扶手的基本形状示意图；图6是本发明的上部实体示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的用于辅助航天员出舱作业机械臂且适配空间站扶手的夹爪包括第一爪头1、第二爪头2、主臂杆3、操作臂杆4、自锁组件5和铰链6，第一爪头1和第二爪头2相对布置，且第一爪头1和第二爪头2的下部通过铰链6实现单轴连接，第一爪头1和第二爪头2的上部形成椭圆形空腔7，第一爪头1和第二爪头2的中部以铰链6为顶点，形成“V”字形空腔8，主臂杆3的一端与第一爪头1之间通过螺栓连接，操作臂杆4通过螺栓与第二爪头2连接，自锁组件5安装在操作臂杆4与第二爪头2的连接处，实现对第二爪头2的摩擦自锁。

本实施方式中采用的是摩擦角自锁的方式实现自锁。

本实施方式中自锁组件5的原理类似自锁式剥线钳。

本实施方式的主臂杆3的底部设置有专用连接槽孔，可搭配专用连接器实现与下一关节的可靠性连接。

本实施方式的夹爪的夹持形状采用中国空间站舱外扶手相同，可以实现形状定位，夹持强力有效；结构简单，完全由机械结构组成，在太空环境中仍然具有极高的可靠性；扭簧位于主轴上，而操作臂杆更长，自锁力矩大且航天员操作所需力矩小；操作臂杆上的凹纹是适应中国宇航服手套的纹路分布的，符合人体工学设计；自锁档杆可以实现辅助自锁。安全性更强；作为辅助航天员出舱机械臂的末端夹持机构，该机构足够可靠、足够强力，弥补了我国空间站在航天员出舱辅助作业机构的缺失。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的操作臂杆4上设有多个凹纹9。如此设置，便于适应中国宇航服手套的纹路分布，符合人体工学设计。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的操作臂杆4包括竖直段4-1和倾斜段4-2，竖直段4-1与主臂杆3平行布置，竖直段4-1的上部与第二爪头2连接，竖直段4-1的下部与倾斜段4-2连接。

如此设置，便于航天员按住倾斜段4-2利用杠杆原理，用较小的力实现夹持，其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的操作臂杆4的倾斜段4-2与主臂杆3之间形成锐角夹角。如此设置，使倾斜段形成杠杆，减小操作所需力矩，增大爪头张开角度。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的锐角夹角为30°-40°。在实际使用过程中，锐角夹角优选32°。如此设置，在夹爪达到张开极限时，32°可以使得倾斜段4-2恰好放平进入提前留好的凹槽内。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的自锁组件5包括连接弧板5-1、安装座5-2和自锁档杆5-3，连接弧板5-1安装在第二爪头2上，且连接弧板5-1沿其圆周方向开设有凹槽5-4，安装座5-2安装在操作臂杆4的竖直段4-1上，自锁档杆5-3转动安装在安装座5-2上，且当第一爪头1和第二爪头2闭合时，转动自锁档杆5-3使其上部抵设在连接弧板5-1外表面的凹槽5-4内以实现自锁。如此设置，除了闭合时令其自锁以外不需要抵在上面。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的自锁档杆5-3为钝角档杆。如此设置，当旋转自锁档杆抵至连接弧板的外表面时，挡杆另一端几乎与操作臂杆齐平，在用力握紧实现夹爪解锁的同时，也可带动此处使其不再抵住连接弧板实现解锁。。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图6说明本实施方式，本实施方式的自锁档杆5-3与安装座5-2之间通过销轴和扭簧连接。如此设置，销轴连接可以确定确定沿轴切向的位置但不影响转动，扭簧连接使其具有回位功能。。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

具体实施方式九：结合图6说明本实施方式，本实施方式的铰链6包括转轴6-2、多个合页6-1和多个扭簧，转轴6-2穿设在第一爪头1和第二爪头2下部交错凸起的柱状段内，多个合页6-1通过多个扭簧套装在转轴6-2上，多个合页6-1分别安装在第一爪头1和第二爪头2的中部内侧端面上。如此设置，扭簧通过合页向两侧爪头施加力矩，这种形式使得爪头内侧受力更加均匀。合页与爪头通过螺钉连接，传动环节固定非常可靠且强度很高。其它组成和连接关系与具体实施方式一至八中任意一项相同。

具体实施方式十：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式还包括柔性防滑片10，柔性防滑片10安装在椭圆形空腔7内。如此设置，夹爪闭合抓住舱外扶手时会将柔性防滑片压紧在扶手上，其摩擦系数大，变形后在夹爪内部的防滑片与扶手的接触面积也会变得更大，因而能实现更好的轴向定位，即在支持航天员活动时不会产生轴向移动。其它组成和连接关系与具体实施方式一至九中任意一项相同。

结合图1至图6说明本发明的工作原理：

本发明用于在便携式多自由度被动支撑机械臂上，机械臂一端通过快速对接接口与航天服腰部中央固定挂点相连接，另一端通过具有自锁功能的夹爪与空间站舱外扶手相连接。机械臂本体具有3个旋转关节和1个球形关节，各个关节设计有电磁锁紧机构。当航天员需要调整自己的姿态时，航天员可以通过按钮一键实现机械臂关节解锁；当航天员进行作业时，可一键实现机械臂关节的锁止，从而实现自身位姿固定。

在航天员出舱过程中发现相应问题及需求，自主立项开展研究。末端夹爪的设计符合中国空间站航天员舱外作业需求，且实施方案参考了中国空间站现有的设备特点和约束要素，设计过程考虑了航天员舱外工作现状，具有较好实际应用潜力。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。