月球營地機械爪設計

井忠祥 漆磊 楊承龍

摘要：對目前登月航空航天事業(yè)的現(xiàn)狀分析以及對未來月球基地建設計劃的展望，提出一種以抓取物料，輔助月球基地建設為主要功能的機械爪設計方案。對其功能進行機械結(jié)構(gòu)設計，使用Autodesk Inventor進行機械零件、部件設計及模擬裝配;并對其關鍵部件進行尺寸校核和強度校核，其中應力分析部分使用軟件自帶的應力分析模塊進行仿真模擬。提出針對該機械爪的機械結(jié)構(gòu)設計方案和控制系統(tǒng)設計方案。整體設計中主要圍繞其預期完成的功能進行設計，對不同的機構(gòu)進行組合創(chuàng)新，以實現(xiàn)預定目標。該設計方案為月球機械爪的設計提供了參考。

關鍵詞：月球基地 機械爪 創(chuàng)新 結(jié)構(gòu)設計 應力分析

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（ 2021） 06-0125-03

引言

近年來，隨著科技的發(fā)展和月球的認識不斷加深，科學家們開始意識到月球探索的重要性。月球基地將是未來的大勢所趨，是進行太空科研探索的重要保障。而今，越來越多的國家已經(jīng)向月球吹起了進軍的號角，已經(jīng)開始布局月球基地建設計劃。由于月球環(huán)境的特殊性，月球上的重力僅為地球的六分之一，低重力場導致宇航員在月球上行動不便，很多科研工作的實施都需要機械裝置的輔助，所以在目前各國科研機構(gòu)的月球基地計劃中，月球營地機器人是一個重點研究方向。因此，本作品將從機器人實施工作所用的機械手爪出發(fā)，針對月球營地機器人這一領域提出自己的想法與方案。

一、項目背景及傳統(tǒng)工藝現(xiàn)狀

月球低重力、高輻射等特殊環(huán)境，使得月球基地建設阻礙加大，也大大加大了宇航員的危險系數(shù)，因此，利用機械爪代替宇航員完成抓取，運輸，維修等工作是必要的，現(xiàn)有機械爪都是適用于地球環(huán)境，應用于某些特定情況下的專用機械爪，并未結(jié)合月球建設的實際情況?；谝陨媳尘埃卷椖吭O計了一種月球應用的多功能機械爪，該機械爪可以完成取樣，抓取，維修等多種功能，適應于基地外和基地內(nèi)等多種場所，有利于月球基地建設工作的順利開展。

本項目作品具有多功能、多場景的特點：1）機械爪的可變換性，使其具有維修、抓取、運輸?shù)榷喾N功能。能滿足絕大多數(shù)月球營地搭建過程中的功能需求，功能多樣，適應性強。2）整體結(jié)構(gòu)采用主輔并存、一體收納的設計思想，該機械臂既可獨立完成工作，也可適配于月球車、室內(nèi)運載平臺，實現(xiàn)不同場景的切換使用。3）機械爪除了能夠抓取常用設備工具，還可外出采樣，幫助完成月球基地的建設，完成設備、物資運輸以及承擔一定的科研任務，具有極其廣泛的應用前景。

因此本項目設計的機械爪能承擔絕大多數(shù)的月球營地建設任務，有望在未來的月球基地的建設工作中起到重要的作用。

二、機械結(jié)構(gòu)設計

（一）研究內(nèi)容

1.多功能爪型設計：設計了兩套爪型，用以抓取不同形狀的設備工具、各種材料以及提取月球表面材料，不同的爪型具有不同作用;

2.機械臂設計：設計為多軸機械臂，并且結(jié)合調(diào)整、抬升等機構(gòu)，可實現(xiàn)物料的靈活抓取，輔助建設月球營地。

3.換爪機構(gòu)設計：主要采用電動推桿、連桿等機構(gòu)，實現(xiàn)不同爪型之間的自動轉(zhuǎn)換。

如圖1所示是機械爪連同底盤的整體結(jié)構(gòu)圖，采用了模塊化功能的設計，整體由用于抓取物體的夾取模塊，用于調(diào)整機械爪形態(tài)、角度方便抓取的調(diào)整模塊，用于調(diào)整機械爪方向的轉(zhuǎn)向模塊，用于提升機械爪長度的抬升模塊，以及用于轉(zhuǎn)換不同爪型的換爪模塊，各個模塊綜合作用，實現(xiàn)機械爪的所有功能

裝置首先要能夠針對月球復雜的情況完成基本的夾取工作，保證在月球工作的基本功能得以實現(xiàn)，夾取的物品不同，所需機械爪的形態(tài)也不同，這時就需要調(diào)整機械爪腕部的角度;機械爪使用時，在角度上可能不適合，這時候就需要轉(zhuǎn)向模塊保證能達到最佳的夾取效果;當機械臂尺寸不適合于工作時，就可以利用抬升模塊，將機械爪伸長到指定位置進行作業(yè)。

夾取模塊：夾取模塊是機械爪實現(xiàn)基本功能的保障，設計一款機械爪所要實現(xiàn)的就是抓取動作，只有能完成抓取這個基本動作，才能有后續(xù)更多功能與動作。

調(diào)整模塊：機械爪所要抓取的目標形狀多樣，所需的爪形也多種多樣，若要使得裝置調(diào)整爪的形態(tài)，就要依靠調(diào)整模塊來進行調(diào)整。

轉(zhuǎn)向模塊：在機械爪直接無法夾取的時候，需要將爪的整體調(diào)整一個角度，從而更適合抓取物品，此時注意這個角度為機械爪與機械臂之間的角度，調(diào)整范圍無需很大。

抬升模塊：由于機械臂長度有限，并且機械臂有時候不適合某些場景，或者機械臂長度無法滿足機械爪的作業(yè)，此時抬升模塊，可幫助機械爪伸出到指定位置，并且上述的轉(zhuǎn)向模塊會一并伸長到工作位置。

換爪模塊：由于設計了兩套爪型，為了切換兩套爪型，設計了換爪模塊，配合上機械爪與底座連接的特殊設計，可實現(xiàn)兩套爪型的自動切換。

（二）夾取機構(gòu)

由于在登月探索任務中所需要的抓取的物料復雜多樣形狀各異，再加上在建設月球基地的過程中有時需要對月球上的材料就地取材，因此，對機械爪功能性要求會比較高，基于以上需求，我們設計了兩套機械爪，以應對在建設月球營地時復雜多樣的抓取需求。

如圖2所示為第一套機械爪的設計方案。該方案考慮到需要在月球上就地取材的情況，設計了這款以提取月球表面物料為主功能同時仍具有一定抓取能力的機械爪，為了該機械爪能夠在提取過程中做到穩(wěn)定高效，故采用一個主功能機械爪，用以提取采樣，兩個輔助機械爪的形式。

轉(zhuǎn)換成采樣形態(tài)是：機械爪上外套的保護罩在內(nèi)置電機的驅(qū)動下，向外翻轉(zhuǎn)，將套在內(nèi)部的取樣器及輔助穩(wěn)定的裝置外露。該取樣器的結(jié)構(gòu)由保護套，取樣鏟結(jié)構(gòu)組成。當機械爪開始取樣時，兩個輔助爪由調(diào)整機構(gòu)向外擴張，并且將穩(wěn)定裝置架設在月球表面，隨后取樣器中的保護套后翻，取樣鏟即在月球表面上鏟取所需物料。當取樣完成之后保護套合攏，隨即將提取的的物料保存在容器內(nèi)部。完成取樣的功能。

如圖3所示后半部分為第二套方案的機械爪，該方案的機械爪主要設計目的為：盡可能多地抓取不同形狀的物料。因此我們采用了多指節(jié)的設計，每段指節(jié)均具有一定的自由度，多指節(jié)之間相互配合，可靈活抓取不同形狀的物料。該機械爪最底部指節(jié)內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu)，容納一滑塊，該滑塊內(nèi)部與電動推桿相連，可伸長縮短，實現(xiàn)爪型的轉(zhuǎn)換。同時最底部指節(jié)可繞下方一定軸轉(zhuǎn)動，可隨著整體的變化而變化。最底部指節(jié)上端的第二指節(jié)同時與承載著機械爪的平板以及滑塊相連接，可繞著與平板處相連接的定軸轉(zhuǎn)動。第二第三指節(jié)之間由鉸鏈進行連接，使得該機械爪可根據(jù)所需抓取物料的形狀改變爪的形態(tài)。第二第三指節(jié)內(nèi)部同時還連接著一對電動推桿，該電動推桿可帶動著機械爪進行形狀的改變。第一指節(jié)即最上面的一部分指節(jié)，采用的是具有一定彈性的塑料材料，同時第二三指節(jié)的內(nèi)部也多附著這一層相同的材料，當抓取一些不規(guī)則物體或者球狀物體時，由于該材料具有一定彈性，可使得抓取更為平穩(wěn)有力。

該模塊創(chuàng)新的使用兩套機械爪，使得該裝置有更為廣泛的使用環(huán)境?，F(xiàn)有的機械爪功能單一，只能夠夾取特定的物品，而本裝置采用兩套機械爪，使得在使用中能夠功能更為廣泛，避免在不同使用環(huán)境下頻繁更換機械爪。

（三）爪形調(diào)整機構(gòu)

爪形調(diào)整模塊與機械爪直接相連，爪形調(diào)整模塊可直接控制三只機械爪中的其中兩只，調(diào)整其在爪盤上的相對位置，使得工作位置有助于抓取物料。調(diào)整模塊的核心為空間連桿機構(gòu)，空間連桿機構(gòu)與每只爪的底座直接相連，當電機開始驅(qū)動機構(gòu)運動時，空間連桿機構(gòu)的時候會帶著機械爪進入指定工作位置。

如圖4所示為機械爪調(diào)整機構(gòu)，它具有兩種形態(tài)，三爪分列形態(tài)，和兩爪平行形態(tài)，可互相自由切換，分別對應抓取不同形狀的物料的形態(tài)。該機構(gòu)主要由空間連桿機構(gòu)，鉸鏈機構(gòu)組成。整體機構(gòu)由內(nèi)部微型電機驅(qū)動，電機連接在爪盤內(nèi)部。當電機開始驅(qū)動時，三爪底座與爪盤由固定鉸鏈相連接。當點擊開始驅(qū)動時，會帶動連桿繞豎直方向的的軸進行轉(zhuǎn)動，由于空間連桿的設計，會將豎直平面上的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為水平方向上的轉(zhuǎn)動，隨后會推動底座繞著與爪盤相連的固定鉸鏈轉(zhuǎn)動，最終實現(xiàn)對爪形的改變。

需要進行位置改變的機械爪呈對稱分布，可實現(xiàn)一個電機同時驅(qū)動兩個機械爪進行變換，同時運用了空間連桿機構(gòu)，和平面連桿機構(gòu)相比，空間機構(gòu)具有機構(gòu)緊湊、運動靈活多樣的特點，使得機械爪內(nèi)部空間大大節(jié)省。

（四）變直徑機構(gòu)方案設計

本項目設計的變直徑機構(gòu)，其功能在于，輔助換爪機構(gòu)在兩套機械爪之間進行轉(zhuǎn)換，同時在機械爪進行日常工作時，變直徑機構(gòu)同時起到儲存另一組機械爪的功能，是機械臂整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，功能更加多樣。

如圖5所示為變直徑機構(gòu)，該機構(gòu)與用以轉(zhuǎn)換爪型的換爪機構(gòu)相連，均勻分布著六塊平板，用以承接機械爪，整體機構(gòu)中心為一個由內(nèi)部電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)軸，變直徑這一功能是由連桿外加伸縮桿實現(xiàn)的。當電機轉(zhuǎn)動是會帶動機構(gòu)中心軸一起轉(zhuǎn)動，同時中軸上連接著六塊曲柄，也會跟著一起轉(zhuǎn)動，六曲柄會驅(qū)動外圍相互并聯(lián)的六個曲柄滑塊機構(gòu)，導致滑塊同時向外移動張開，驅(qū)動機構(gòu)進行直徑的變換擴張。

圖5示為變徑輪軸向六個曲柄滑塊機構(gòu)并聯(lián)與徑向滑動桿結(jié)構(gòu)小徑時重疊，大徑時展開連成一線，對內(nèi)輪片徑向擴張起導向和承受橫向彎矩的作用，由曲柄、連桿承受內(nèi)輪片的徑向力。六個曲柄滑塊機構(gòu)充分利用小徑內(nèi)空間，在軸向上實現(xiàn)并聯(lián)，曲柄通過內(nèi)耳與軸聯(lián)接，由蝸輪蝸桿傳動鎖定擴到某一輪徑時的狀態(tài)。

（五）換爪機構(gòu)方案設計

換爪機構(gòu)用于在兩套機械爪之間進行轉(zhuǎn)換，換爪機構(gòu)整體附著在機械爪爪盤之下，可帶動下方變直徑機構(gòu)上儲存的另一套機械爪，當該機構(gòu)開始工作是，與之相連接的變直徑機構(gòu)會同步進行工作，變直徑輪機構(gòu)的直徑擴大，后續(xù)附著在變直徑機構(gòu)上的機械爪會由換爪機構(gòu)上的軌道，由儲存位置進入工作位置，而原本工作位置上的一套機械爪會與換爪機構(gòu)相結(jié)合，兩套機械爪在換爪機構(gòu)上實現(xiàn)位置的轉(zhuǎn)換，從而成功實現(xiàn)換爪的功能。

如圖6所示為換爪機構(gòu)，它和變直徑機構(gòu)由經(jīng)過特殊設計的可在軌道上進行滑動的滑塊平板相連接，滑塊平板上設有和爪盤上相同的卡槽，可與每一套的機械爪底部連接，起著承載機械爪的作用，當換爪機構(gòu)開始驅(qū)動時，變直徑機構(gòu)開始擴大直徑連帶著滑塊平板也被往外推，同時連接在換爪機構(gòu)滑軌上的電動推桿也開始向外推，將軌道帶至工作位置，而設計的滑塊平板開設了特殊卡槽，在實現(xiàn)限位功能的同時，會使滑塊平板順著滑軌豎直向上運動，而滑塊平板運動的實現(xiàn)，由連接在平板上的兩只電動推桿實現(xiàn)，電動推桿的伸縮會帶著滑塊平板向上運動。

隨后，滑塊平板被帶至機械爪爪盤平面，原本安裝在爪盤平面上的機械爪會向下移動，與滑塊平板上對應的卡槽相連接，最終移動到滑塊平板上，隨后換爪機構(gòu)中心主軸轉(zhuǎn)動，使得需要進行更換的機械爪進入到工作位置，隨后借由滑塊平板上的設計機械爪會進入到工作位置。最終實現(xiàn)換爪。

換爪機構(gòu)滑塊平板的設計如圖所示，由于機械爪與爪盤連接的最后一段距離由滑塊平板所完成，因此設計了絲桿機構(gòu)實現(xiàn)最后一段距離的運動。在兩側(cè)加裝了絲桿，同時為了限定機械爪在最后能與爪盤精準連接，設計了限位裝置，及如圖所示的安裝在兩側(cè)的曲柄滑塊機構(gòu)，當機械爪被送至該位置，曲柄滑塊機構(gòu)中的曲柄會被內(nèi)部電機所驅(qū)動，開始轉(zhuǎn)動，從而使得滑塊從限位槽中伸出，與機械爪上的卡槽相連，最終實現(xiàn)限定機械爪運動軌跡的作用。隨后被限定軌跡的機械爪會由絲桿的帶動，向上移動。最后機械爪會與爪盤上的卡槽穩(wěn)固連接，最終實現(xiàn)換爪的功能。

三、可行性分析

Inventor具有的強大的應力分析功能。應力分析分為靜力分析和模態(tài)分析，靜力分析是指模擬零部件的真實靜態(tài)受力情況進行的一系列力和力矩的分析;模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗分析取得，這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態(tài)分析。利用Inventor集成的有限元分析部分，對機械爪關鍵部位進行強度、剛度的校核。

（一）變直徑機構(gòu)尺寸設計

在變直徑機構(gòu)的設計過程中，構(gòu)建機構(gòu)的定性模型，再對模型進行定量分析。選取對機構(gòu)性能與結(jié)構(gòu)有較大影響的內(nèi)輪片圓形角θi、內(nèi)輪片半徑Ri與內(nèi)輪片初始位置S0作為設計變量。將最大擴徑Rmax作為變徑輪的性能評價目標函數(shù)，則根據(jù)結(jié)構(gòu)幾何關系：

設輪片上—D點初始坐標為（Dx0，Dy0）

設內(nèi)輪片上邊界值E點初始坐標為（Ex0，Ey0）

內(nèi)、外及連桿輪片弦長：Xi、X0、Xl

最大半徑：Rmax=f （θi，Ri，S0）

要使小徑狀態(tài)下外輪片能夠外推，內(nèi)輪片與連桿輪片、連桿輪片與外輪片的連接關系要有一定的壓力角保證，保證擴徑時電機功率不致過大：

內(nèi)輪片與連桿輪片壓力角：αil=h （θi，Ri，S0）

連桿輪片與外輪片壓力角：loα=g（θi，Ri，S0）

內(nèi)輪片的行程由曲柄滑塊機構(gòu)提供，小徑狀態(tài)下輪體內(nèi)要存儲用于實現(xiàn)2.1倍擴徑的各個構(gòu)件，曲柄滑塊機構(gòu)不僅要提供足夠大的行程，且各桿件尺寸要滿足一定的約束條件（保證小徑狀態(tài)下曲柄不與內(nèi)輪片干涉），設推動內(nèi)輪片移動的曲柄滑塊機構(gòu)的曲柄長度為a，連桿長度為b，近位行程為S0，遠位行程為S1 （Rmax），則曲柄滑塊機構(gòu)設計得：

由于要求曲柄長度盡可能短且曲柄與內(nèi)輪片不干涉，給予一定的尺寸裕量，得限制條件：aS0 -10，構(gòu)造目標函數(shù)——曲柄滑塊可設計系數(shù)：ka=k（θi，Ri，S0）。

其中：θi——內(nèi)輪片圓心角15°-30°;

Ri——內(nèi)輪片半徑150mm-240mm;

S0——內(nèi)輪片初始行程97.5mm-135mm;

變直徑機構(gòu)由六桿機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)及各附加設備按結(jié)構(gòu)功能關系有機組成，各目標函數(shù)呈此消彼長的關系，目標函數(shù)：最大擴徑越大越好，壓力角盡量取小，曲柄滑塊可設計系數(shù)在大于零的條件下取大便于結(jié)構(gòu)設計。運用多目標函數(shù)規(guī)劃對數(shù)據(jù)進行分析，協(xié)調(diào)各性能關系，選取參數(shù)如下：

Ri=180m m;θi=24.15°; S0=115.5mm

目標函數(shù)值：

alo=71.43 8°; Rmax=315.5m m; ka=0.334

（二）變直徑機構(gòu)強度校核

變直徑輪是換爪過程中的重要構(gòu)件，其強度校核結(jié)果對機械爪整體的穩(wěn)定性起著關鍵作用。這里選取變直徑輪的應力情況作為研究對象。選取的材料方案如表1所示。

變直徑輪等效載荷加載時，采用等效力作為分析方法，將中部軸環(huán)和軸肩進行固定。

由分析結(jié)果表2可知，變直徑輪機構(gòu)的應力分析均能校核通過，說明該方案具有良好的強度條件，說明在該種材料方案下，結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性。分析結(jié)果顯示，扶持模塊的尺寸設計及材料的選擇在實際工作載荷下滿足工作要求。

四、創(chuàng)新點

（一）功能創(chuàng)新

1.現(xiàn)有機械爪一般只有一種機械爪，而本裝置具有兩種不同的機械爪型，可以分別抓取不同形狀的物料以及提取月球上的物質(zhì)。滿足建設基地絕大多數(shù)功能需求。

2.現(xiàn)有機械爪一般在有換爪需求時需要人工或者輔助機器來進行換爪，而本機械爪可實現(xiàn)自主換爪，自動化程度高，可獨自承擔建設任務。

3.現(xiàn)有機械爪一般只具有一種適配的云臺結(jié)構(gòu)，而文章設計的整體結(jié)構(gòu)采用一體化設計，機械爪既可單獨工作，也可適配到運載平臺，適應不同場合的使用要求。

（二）機構(gòu)創(chuàng)新

1.爪型調(diào)整機構(gòu)：空間連桿機構(gòu)將桿件豎直平面里的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為水平平面的轉(zhuǎn)動，同時帶動連桿，從而推動機械爪底座，使得機械爪的底座到達指定位置。空間連桿機構(gòu)的運用使得整體結(jié)構(gòu)較為緊湊。

2.夾取機構(gòu)：物料提取機械爪整合了取樣器功能，同時其余兩爪可作為輔助爪，保證取樣過程的穩(wěn)定

3.變直徑機構(gòu)：舵機驅(qū)動蝸桿轉(zhuǎn)動，蝸桿帶動再渦輪轉(zhuǎn)動，同時多個曲柄滑塊機構(gòu)并聯(lián)，配合上徑向滑動桿，實現(xiàn)了對半徑的擴大功能。結(jié)語

月球低重力、高輻射等特殊環(huán)境，使得月球基地建設阻礙加大，宇航員在月球上作業(yè)的危險系數(shù)也大大增加，因此，利用機械爪代替宇航員完成抓取，運輸，維修等工作是必要的，現(xiàn)有機械爪都是適用于地球環(huán)境，應用于某些特定情況下的專用機械爪，并未結(jié)合月球建設的實際情況。文章所述的機械爪設計應用于月球的環(huán)境，并且可以完成取樣，抓取，維修等多種功能，適應于基地外和基地內(nèi)等多種場所，有利于月球基地建設工作的順利開展，因此本設計具有廣闊的應用前景。.

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