双侧曲率可调的可展抓手机构构型设计和性能分析

仇铮

Qiu Zheng

清华大学 机械工程

1.设计目的

空间非合作目标捕获是当前空间领域亟待解决的重大问题，其应用价值在于地球轨道太空垃圾和太空碎片的清理、近地小行星的捕获、对失调卫星进行在轨作业，等等。解决该问题面临的主要挑战包括：（1）太空环境带来的经济问题；（2）非合作目标带来的定位和控制技术问题；（3）空间尺度、形状分布范围广带来的适应性问题。本课题尝试从可展抓手机构这一领域入手，设计一种能够兼具以下特点的可展抓手机构并提出一种泛用的设计方法：（1）高折展比。相对于其抓取目标，未展开状态下机构自身的体积和质量可以大幅减小，从而降低航天的经济成本。（2）形封闭抓取。通过多个抓手配合实现对抓取目标的形封闭，从而不需要目标上的特定特征来进行对接，也不需要与抓取目标完全实现同步，进而降低了控制难度，也提高了适应性。（3）自适应抓取。能够实现对目标的自适应或调节适应，通过调节单元体构型来调节抓取半径，提高机构对不同尺度、形状目标的适应性。

2.基本原理及方法

提出了一种桁架式抓手机构生成方法，其流程图如图 1 所示。设计过程整体分为单元体构型设计和整体机构组合设计。首先是单元体构型设计，需要先设计单元体的空间几何形状，再完成单元体的形变机构设计和运动传递机构设计。形变机构设计是指单元体机构中包含的自由度以及实现这些自由度的方法，以及选用哪些机构来实现这些自由度；运动传递机构设计是指如何将单元体机构中包含的自由度转移到单元体边缘，从而便于实现单元体之间的传递。在这一过程中，还需要验证单元体的自由度数，为了完成折展和抓取两种运动，至少需要 2 个自由度。对于更高的自由度，则提高了设计难度和经济成本，但带来的灵活性、适应性收益难以考量，故不采用。

然后需要将单元体机构串联组成机械臂，并检查机构是否存在干涉、冗余等问题。串联的过程中还需要保证运动传递机构能够生效。最终，验证前述的设计目标是否得到满足，验证过程若出现问题则要回到单元体机构构型的步骤进行修正或调整。

通过该方法生成了一种案例机构，并使用基本几何原理分析了机构的运动学，使用牛顿运动定律和虚功原理分析了机构的静力学，使用SolidWorks对机构静力学进行了仿真，并使用拉格朗日方程对机构的运动学进行了分析，计算了其瞬时响应。

3.主要设计过程或试验过程

1）案例机构的生成

首先完成单元体设计。单元体形状采用了平面四边形，四边形的两条边长度和四个角设计为可调节，如此这个简单的机构就能实现自身的伸缩和弯曲。由多个这样完全相同的四边形串联的整体就能实现伸缩和弯曲，两边长度同时增大或减小时单元体实现伸缩，当一边长度增大另一边不变时单元体实现向另一侧弯曲。但此时单元体的自由度大于 2，为了满足自由度要求，在四边形的一个角上添加了额外约束，即约束一个角为直角，从而使单元体的自由度为 2。即调整AD、BC两边长度就确定了单元体的构型，若每个单元体的构型完全相同则整体的构型也被确定。

接下来考虑形变机构和运动传递机构的设计。为了实现长度调节，即线性运动选择了较为常见的剪式机构。但是，直接将两个剪式机构串联将会导致两者平面夹角只能为 180°，灵活性受限。因此让两级剪式机构末端通过滑块与共同的滑轨相连，再通过滑块之间的相互嵌套限制其在滑轨上的平动，进而可以使得两级剪式机构的平面可以自由旋转。由于要使用剪式机构实现线性运动，则其所处的平面与四边形平面垂直，因而将四边形拓展为空间四棱柱，在四棱柱的侧面上布置剪式机构。

在向平面四边形拓展的过程中，两条不变的边转化为了L形支架，为剪式机构的滑块提供导轨，滑块与剪式机构采用平面转动副连接，保证整个剪式机构与各个滑块始终处于同一平面内，从而构成平面四边形的两个活动边。L形支架的短边一侧有两个临近的导轨，两个导轨同时作用的目的是约束滑块在其上的转动，从而约束平面四边形的该顶角为直角。因此当整个单元体运动时，其侧视图仍为具有前述运动功能的平面四边形。

在此基础上将多个单元体串联成整个机构，采用了前述相互嵌套的上下滑块和共同的滑轨来完成运动的传递，上下滑块之间的平面副约束了对方在滑轨上的平动，从而使两单元体同侧的剪式机构状态相同，进而保证单元体的形状完全相同。

形变机构和运动传递机构如图 2 所示。

2）案例机构性能分析

分析了可展抓手案例机构的各项性能，为后续该机构可能的实际应用提供参考和借鉴。其中运动学分析的部分包括自由度分析，计算了完整机构的自由度，并确定机构自由度数等于输入运动自由度数；工作模式和工作空间分析，计算了机构工作的重要几何参数，以及机构末端点所构成的工作空间，绘制了工作空间图；抓取性能分析，分析了案例机构作为机械抓手工作的折展性能和抓取范围。静力学分析的部分包括检验了机构的力传递性能，确保其不会出现驱动力逐级放大的效果；分析了机构输入力与末端输出的抓取力关系；对机构进行了结构静力学仿真。动力学分析主要计算了机构的瞬时响应。

3）案例机构模型试验

使用 3D打印制作了案例机构的示意性模型（图 3），测试验证了其折展、抓取功能，并对不同抓取目标进行了测试。

4.结论

本课题的工作内容主要针对空间非合作目标捕获这一重大技术问题，分析了其中的技术难度并调研了相关研究工作。进而，从桁架式可展抓手机构入手，提出了一种桁架式可展抓手机构的生成方法，并在此方法的基础上生成了一种两侧曲率可调的可展抓手案例机构。对该案例机构开展了详细的运动学、静力学、动力学分析，并搭建了示意性模型试验验证了其基本运动功能，希望为后续研究和应用提供借鉴。

5.创新点

与前人研究相比，本设计的主要创新点在于，提出了一种更为泛用的可展机构设计方法，其核心是基于单元体形状的机构设计和兼具形变功能和运动传递功能的机构选取，为后续新型机构设计提供了借鉴。此外，设计了一种双侧曲率可调的可展抓手案例机构并对其功能、性能进行了分析，该机构作为刚性机构，能够通过调节输入适应不同尺寸的抓取目标，具有良好的折展性能，与此前研究相比具有一定的优越性。

6.设计图或作品实物图

抓手机构构型模型如图 4 所示。

高校指导教师：刘辛军；企业指导教师：吕春哲 AE39TdH6AdwlzyD8NhMZRNPm9ow5l7IuxN1+LRZmT2a7ykgmHsnzY3zaFqMmqGL6