月球营地机械爪设计

井忠祥 漆磊 杨承龙

摘要：对目前登月航空航天事业的现状分析以及对未来月球基地建设计划的展望，提出一种以抓取物料，辅助月球基地建设为主要功能的机械爪设计方案。对其功能进行机械结构设计，使用Autodesk Inventor进行机械零件、部件设计及模拟装配;并对其关键部件进行尺寸校核和强度校核，其中应力分析部分使用软件自带的应力分析模块进行仿真模拟。提出针对该机械爪的机械结构设计方案和控制系统设计方案。整体设计中主要围绕其预期完成的功能进行设计，对不同的机构进行组合创新，以实现预定目标。该设计方案为月球机械爪的设计提供了参考。

关键词：月球基地 机械爪 创新 结构设计 应力分析

中图分类号：TB472

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（ 2021） 06-0125-03

引言

近年来，随着科技的发展和月球的认识不断加深，科学家们开始意识到月球探索的重要性。月球基地将是未来的大势所趋，是进行太空科研探索的重要保障。而今，越来越多的国家已经向月球吹起了进军的号角，已经开始布局月球基地建设计划。由于月球环境的特殊性，月球上的重力仅为地球的六分之一，低重力场导致宇航员在月球上行动不便，很多科研工作的实施都需要机械装置的辅助，所以在目前各国科研机构的月球基地计划中，月球营地机器人是一个重点研究方向。因此，本作品将从机器人实施工作所用的机械手爪出发，针对月球营地机器人这一领域提出自己的想法与方案。

一、项目背景及传统工艺现状

月球低重力、高辐射等特殊环境，使得月球基地建设阻碍加大，也大大加大了宇航员的危险系数，因此，利用机械爪代替宇航员完成抓取，运输，维修等工作是必要的，现有机械爪都是适用于地球环境，应用于某些特定情况下的专用机械爪，并未结合月球建设的实际情况。基于以上背景，本项目设计了一种月球应用的多功能机械爪，该机械爪可以完成取样，抓取，维修等多种功能，适应于基地外和基地内等多种场所，有利于月球基地建设工作的顺利开展。

本项目作品具有多功能、多场景的特点：1）机械爪的可变换性，使其具有维修、抓取、运输等多种功能。能满足绝大多数月球营地搭建过程中的功能需求，功能多样，适应性强。2）整体结构采用主辅并存、一体收纳的设计思想，该机械臂既可独立完成工作，也可适配于月球车、室内运载平台，实现不同场景的切换使用。3）机械爪除了能够抓取常用设备工具，还可外出采样，帮助完成月球基地的建设，完成设备、物资运输以及承担一定的科研任务，具有极其广泛的应用前景。

因此本项目设计的机械爪能承担绝大多数的月球营地建设任务，有望在未来的月球基地的建设工作中起到重要的作用。

二、机械结构设计

（一）研究内容

1.多功能爪型设计：设计了两套爪型，用以抓取不同形状的设备工具、各种材料以及提取月球表面材料，不同的爪型具有不同作用;

2.机械臂设计：设计为多轴机械臂，并且结合调整、抬升等机构，可实现物料的灵活抓取，辅助建设月球营地。

3.换爪机构设计：主要采用电动推杆、连杆等机构，实现不同爪型之间的自动转换。

如图1所示是机械爪连同底盘的整体结构图，采用了模块化功能的设计，整体由用于抓取物体的夹取模块，用于调整机械爪形态、角度方便抓取的调整模块，用于调整机械爪方向的转向模块，用于提升機械爪长度的抬升模块，以及用于转换不同爪型的换爪模块，各个模块综合作用，实现机械爪的所有功能

装置首先要能够针对月球复杂的情况完成基本的夹取工作，保证在月球工作的基本功能得以实现，夹取的物品不同，所需机械爪的形态也不同，这时就需要调整机械爪腕部的角度;机械爪使用时，在角度上可能不适合，这时候就需要转向模块保证能达到最佳的夹取效果;当机械臂尺寸不适合于工作时，就可以利用抬升模块，将机械爪伸长到指定位置进行作业。

夹取模块：夹取模块是机械爪实现基本功能的保障，设计一款机械爪所要实现的就是抓取动作，只有能完成抓取这个基本动作，才能有后续更多功能与动作。

调整模块：机械爪所要抓取的目标形状多样，所需的爪形也多种多样，若要使得装置调整爪的形态，就要依靠调整模块来进行调整。

转向模块：在机械爪直接无法夹取的时候，需要将爪的整体调整一个角度，从而更适合抓取物品，此时注意这个角度为机械爪与机械臂之间的角度，调整范围无需很大。

抬升模块：由于机械臂长度有限，并且机械臂有时候不适合某些场景，或者机械臂长度无法满足机械爪的作业，此时抬升模块，可帮助机械爪伸出到指定位置，并且上述的转向模块会一并伸长到工作位置。

换爪模块：由于设计了两套爪型，为了切换两套爪型，设计了换爪模块，配合上机械爪与底座连接的特殊设计，可实现两套爪型的自动切换。

（二）夹取机构

由于在登月探索任务中所需要的抓取的物料复杂多样形状各异，再加上在建设月球基地的过程中有时需要对月球上的材料就地取材，因此，对机械爪功能性要求会比较高，基于以上需求，我们设计了两套机械爪，以应对在建设月球营地时复杂多样的抓取需求。

如图2所示为第一套机械爪的设计方案。该方案考虑到需要在月球上就地取材的情况，设计了这款以提取月球表面物料为主功能同时仍具有一定抓取能力的机械爪，为了该机械爪能够在提取过程中做到稳定高效，故采用一个主功能机械爪，用以提取采样，两个辅助机械爪的形式。

转换成采样形态是：机械爪上外套的保护罩在内置电机的驱动下，向外翻转，将套在内部的取样器及辅助稳定的装置外露。该取样器的结构由保护套，取样铲结构组成。当机械爪开始取样时，两个辅助爪由调整机构向外扩张，并且将稳定装置架设在月球表面，随后取样器中的保护套后翻，取样铲即在月球表面上铲取所需物料。当取样完成之后保护套合拢，随即将提取的的物料保存在容器内部。完成取样的功能。

如图3所示后半部分为第二套方案的机械爪，该方案的机械爪主要设计目的为：尽可能多地抓取不同形状的物料。因此我们采用了多指节的设计，每段指节均具有一定的自由度，多指节之间相互配合，可灵活抓取不同形状的物料。该机械爪最底部指节内部为空心结构，容纳一滑块，该滑块内部与电动推杆相连，可伸长缩短，实现爪型的转换。同时最底部指节可绕下方一定轴转动，可随着整体的变化而变化。最底部指节上端的第二指节同时与承载着机械爪的平板以及滑块相连接，可绕着与平板处相连接的定轴转动。第二第三指节之间由铰链进行连接，使得该机械爪可根据所需抓取物料的形状改变爪的形态。第二第三指节内部同时还连接着一对电动推杆，该电动推杆可带动着机械爪进行形状的改变。第一指节即最上面的一部分指节，采用的是具有一定弹性的塑料材料，同时第二三指节的内部也多附着这一层相同的材料，当抓取一些不规则物体或者球状物体时，由于该材料具有一定弹性，可使得抓取更为平稳有力。

该模块创新的使用两套机械爪，使得该装置有更为广泛的使用环境。现有的机械爪功能单一，只能够夹取特定的物品，而本装置采用两套机械爪，使得在使用中能够功能更为广泛，避免在不同使用环境下频繁更换机械爪。

（三）爪形调整机构

爪形调整模块与机械爪直接相連，爪形调整模块可直接控制三只机械爪中的其中两只，调整其在爪盘上的相对位置，使得工作位置有助于抓取物料。调整模块的核心为空间连杆机构，空间连杆机构与每只爪的底座直接相连，当电机开始驱动机构运动时，空间连杆机构的时候会带着机械爪进入指定工作位置。

如图4所示为机械爪调整机构，它具有两种形态，三爪分列形态，和两爪平行形态，可互相自由切换，分别对应抓取不同形状的物料的形态。该机构主要由空间连杆机构，铰链机构组成。整体机构由内部微型电机驱动，电机连接在爪盘内部。当电机开始驱动时，三爪底座与爪盘由固定铰链相连接。当点击开始驱动时，会带动连杆绕竖直方向的的轴进行转动，由于空间连杆的设计，会将竖直平面上的转动转换为水平方向上的转动，随后会推动底座绕着与爪盘相连的固定铰链转动，最终实现对爪形的改变。

需要进行位置改变的机械爪呈对称分布，可实现一个电机同时驱动两个机械爪进行变换，同时运用了空间连杆机构，和平面连杆机构相比，空间机构具有机构紧凑、运动灵活多样的特点，使得机械爪内部空间大大节省。

（四）变直径机构方案设计

本项目设计的变直径机构，其功能在于，辅助换爪机构在两套机械爪之间进行转换，同时在机械爪进行日常工作时，变直径机构同时起到储存另一组机械爪的功能，是机械臂整体结构更加紧凑，功能更加多样。

如图5所示为变直径机构，该机构与用以转换爪型的换爪机构相连，均匀分布着六块平板，用以承接机械爪，整体机构中心为一个由内部电机驱动的转轴，变直径这一功能是由连杆外加伸缩杆实现的。当电机转动是会带动机构中心轴一起转动，同时中轴上连接着六块曲柄，也会跟着一起转动，六曲柄会驱动外围相互并联的六个曲柄滑块机构，导致滑块同时向外移动张开，驱动机构进行直径的变换扩张。

图5示为变径轮轴向六个曲柄滑块机构并联与径向滑动杆结构小径时重叠，大径时展开连成一线，对内轮片径向扩张起导向和承受横向弯矩的作用，由曲柄、连杆承受内轮片的径向力。六个曲柄滑块机构充分利用小径内空间，在轴向上实现并联，曲柄通过内耳与轴联接，由蜗轮蜗杆传动锁定扩到某一轮径时的状态。

（五）换爪机构方案设计

换爪机构用于在两套机械爪之间进行转换，换爪机构整体附着在机械爪爪盘之下，可带动下方变直径机构上储存的另一套机械爪，当该机构开始工作是，与之相连接的变直径机构会同步进行工作，变直径轮机构的直径扩大，后续附着在变直径机构上的机械爪会由换爪机构上的轨道，由储存位置进入工作位置，而原本工作位置上的一套机械爪会与换爪机构相结合，两套机械爪在换爪机构上实现位置的转换，从而成功实现换爪的功能。

如图6所示为换爪机构，它和变直径机构由经过特殊设计的可在轨道上进行滑动的滑块平板相连接，滑块平板上设有和爪盘上相同的卡槽，可与每一套的机械爪底部连接，起着承载机械爪的作用，当换爪机构开始驱动时，变直径机构开始扩大直径连带着滑块平板也被往外推，同时连接在换爪机构滑轨上的电动推杆也开始向外推，将轨道带至工作位置，而设计的滑块平板开设了特殊卡槽，在实现限位功能的同时，会使滑块平板顺着滑轨竖直向上运动，而滑块平板运动的实现，由连接在平板上的两只电动推杆实现，电动推杆的伸缩会带着滑块平板向上运动。

随后，滑块平板被带至机械爪爪盘平面，原本安装在爪盘平面上的机械爪会向下移动，与滑块平板上对应的卡槽相连接，最终移动到滑块平板上，随后换爪机构中心主轴转动，使得需要进行更换的机械爪进入到工作位置，随后借由滑块平板上的设计机械爪会进入到工作位置。最终实现换爪。

换爪机构滑块平板的设计如图所示，由于机械爪与爪盘连接的最后一段距离由滑块平板所完成，因此设计了丝杆机构实现最后一段距离的运动。在两侧加装了丝杆，同时为了限定机械爪在最后能与爪盘精准连接，设计了限位装置，及如图所示的安装在两侧的曲柄滑块机构，当机械爪被送至该位置，曲柄滑块机构中的曲柄会被内部电机所驱动，开始转动，从而使得滑块从限位槽中伸出，与机械爪上的卡槽相连，最终实现限定机械爪运动轨迹的作用。随后被限定轨迹的机械爪会由丝杆的带动，向上移动。最后机械爪会与爪盘上的卡槽稳固连接，最终实现换爪的功能。

三、可行性分析

Inventor具有的强大的应力分析功能。应力分析分为静力分析和模态分析，静力分析是指模拟零部件的真实静态受力情况进行的一系列力和力矩的分析;模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。利用Inventor集成的有限元分析部分，对机械爪关键部位进行强度、刚度的校核。

（一）变直径机构尺寸设计

在变直径机构的设计过程中，构建机构的定性模型，再对模型进行定量分析。选取对机构性能与结构有较大影响的内轮片圆形角θi、内轮片半径Ri与内轮片初始位置S0作为设计变量。将最大扩径Rmax作为变径轮的性能评价目标函数，则根据结构几何关系：

设轮片上—D点初始坐标为（Dx0，Dy0）

设内轮片上边界值E点初始坐标为（Ex0，Ey0）

内、外及连杆轮片弦长：Xi、X0、Xl

最大半径：Rmax=f （θi，Ri，S0）

要使小径状态下外轮片能够外推，内轮片与连杆轮片、连杆轮片与外轮片的连接关系要有一定的压力角保证，保证扩径时电机功率不致过大：

内轮片与连杆轮片压力角：αil=h （θi，Ri，S0）

连杆轮片与外轮片压力角：loα=g（θi，Ri，S0）

内轮片的行程由曲柄滑块机构提供，小径状态下轮体内要存储用于实现2.1倍扩径的各个构件，曲柄滑块机构不仅要提供足够大的行程，且各杆件尺寸要满足一定的约束条件（保证小径状态下曲柄不与内轮片干涉），设推动内轮片移动的曲柄滑块机构的曲柄长度为a，连杆长度为b，近位行程为S0，远位行程为S1 （Rmax），则曲柄滑块机构设计得：

由于要求曲柄长度尽可能短且曲柄与内轮片不干涉，给予一定的尺寸裕量，得限制条件：aS0 -10，构造目标函数——曲柄滑块可设计系数：ka=k（θi，Ri，S0）。

其中：θi——内轮片圆心角15°-30°;

Ri——内轮片半径150mm-240mm;

S0——内轮片初始行程97.5mm-135mm;

变直径机构由六杆机构、曲柄滑块机构及各附加设备按结构功能关系有机组成，各目标函数呈此消彼长的关系，目标函数：最大扩径越大越好，压力角尽量取小，曲柄滑块可设计系数在大于零的条件下取大便于结构设计。运用多目标函数规划对数据进行分析，协调各性能关系，选取参数如下：

Ri=180m m;θi=24.15°; S0=115.5mm

目標函数值：

alo=71.43 8°; Rmax=315.5m m; ka=0.334

（二）变直径机构强度校核

变直径轮是换爪过程中的重要构件，其强度校核结果对机械爪整体的稳定性起着关键作用。这里选取变直径轮的应力情况作为研究对象。选取的材料方案如表1所示。

变直径轮等效载荷加载时，采用等效力作为分析方法，将中部轴环和轴肩进行固定。

由分析结果表2可知，变直径轮机构的应力分析均能校核通过，说明该方案具有良好的强度条件，说明在该种材料方案下，结构具有良好的稳定性。分析结果显示，扶持模块的尺寸设计及材料的选择在实际工作载荷下满足工作要求。

四、创新点

（一）功能创新

1.现有机械爪一般只有一种机械爪，而本装置具有两种不同的机械爪型，可以分别抓取不同形状的物料以及提取月球上的物质。满足建设基地绝大多数功能需求。

2.现有机械爪一般在有换爪需求时需要人工或者辅助机器来进行换爪，而本机械爪可实现自主换爪，自动化程度高，可独自承担建设任务。

3.现有机械爪一般只具有一种适配的云台结构，而文章设计的整体结构采用一体化设计，机械爪既可单独工作，也可适配到运载平台，适应不同场合的使用要求。

（二）机构创新

1.爪型调整机构：空间连杆机构将杆件竖直平面里的转动转换为水平平面的转动，同时带动连杆，从而推动机械爪底座，使得机械爪的底座到达指定位置。空间连杆机构的运用使得整体结构较为紧凑。

2.夹取机构：物料提取机械爪整合了取样器功能，同时其余两爪可作为辅助爪，保证取样过程的稳定

3.变直径机构：舵机驱动蜗杆转动，蜗杆带动再涡轮转动，同时多个曲柄滑块机构并联，配合上径向滑动杆，实现了对半径的扩大功能。结语

月球低重力、高辐射等特殊环境，使得月球基地建设阻碍加大，宇航员在月球上作业的危险系数也大大增加，因此，利用机械爪代替宇航员完成抓取，运输，维修等工作是必要的，现有机械爪都是适用于地球环境，应用于某些特定情况下的专用机械爪，并未结合月球建设的实际情况。文章所述的机械爪设计应用于月球的环境，并且可以完成取样，抓取，维修等多种功能，适应于基地外和基地内等多种场所，有利于月球基地建设工作的顺利开展，因此本设计具有广阔的应用前景。.

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