井忠祥 漆磊 楊承龍

摘要：對(duì)目前登月航空航天事業(yè)的現(xiàn)狀分析以及對(duì)未來(lái)月球基地建設(shè)計(jì)劃的展望，提出一種以抓取物料，輔助月球基地建設(shè)為主要功能的機(jī)械爪設(shè)計(jì)方案。對(duì)其功能進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用Autodesk Inventor進(jìn)行機(jī)械零件、部件設(shè)計(jì)及模擬裝配;并對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行尺寸校核和強(qiáng)度校核，其中應(yīng)力分析部分使用軟件自帶的應(yīng)力分析模塊進(jìn)行仿真模擬。提出針對(duì)該機(jī)械爪的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。整體設(shè)計(jì)中主要圍繞其預(yù)期完成的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)不同的機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。該設(shè)計(jì)方案為月球機(jī)械爪的設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：月球基地 機(jī)械爪 創(chuàng)新 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 應(yīng)力分析

中圖分類號(hào)：TB472

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（ 2021） 06-0125-03

引言

近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展和月球的認(rèn)識(shí)不斷加深，科學(xué)家們開(kāi)始意識(shí)到月球探索的重要性。月球基地將是未來(lái)的大勢(shì)所趨，是進(jìn)行太空科研探索的重要保障。而今，越來(lái)越多的國(guó)家已經(jīng)向月球吹起了進(jìn)軍的號(hào)角，已經(jīng)開(kāi)始布局月球基地建設(shè)計(jì)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(chǎng)導(dǎo)致宇航員在月球上行動(dòng)不便，很多科研工作的實(shí)施都需要機(jī)械裝置的輔助，所以在目前各國(guó)科研機(jī)構(gòu)的月球基地計(jì)劃中，月球營(yíng)地機(jī)器人是一個(gè)重點(diǎn)研究方向。因此，本作品將從機(jī)器人實(shí)施工作所用的機(jī)械手爪出發(fā)，針對(duì)月球營(yíng)地機(jī)器人這一領(lǐng)域提出自己的想法與方案。

一、項(xiàng)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(shè)阻礙加大，也大大加大了宇航員的危險(xiǎn)系數(shù)，因此，利用機(jī)械爪代替宇航員完成抓取，運(yùn)輸，維修等工作是必要的，現(xiàn)有機(jī)械爪都是適用于地球環(huán)境，應(yīng)用于某些特定情況下的專用機(jī)械爪，并未結(jié)合月球建設(shè)的實(shí)際情況。基于以上背景，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種月球應(yīng)用的多功能機(jī)械爪，該機(jī)械爪可以完成取樣，抓取，維修等多種功能，適應(yīng)于基地外和基地內(nèi)等多種場(chǎng)所，有利于月球基地建設(shè)工作的順利開(kāi)展。

本項(xiàng)目作品具有多功能、多場(chǎng)景的特點(diǎn)：1）機(jī)械爪的可變換性，使其具有維修、抓取、運(yùn)輸?shù)榷喾N功能。能滿足絕大多數(shù)月球營(yíng)地搭建過(guò)程中的功能需求，功能多樣，適應(yīng)性強(qiáng)。2）整體結(jié)構(gòu)采用主輔并存、一體收納的設(shè)計(jì)思想，該機(jī)械臂既可獨(dú)立完成工作，也可適配于月球車、室內(nèi)運(yùn)載平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景的切換使用。3）機(jī)械爪除了能夠抓取常用設(shè)備工具，還可外出采樣，幫助完成月球基地的建設(shè)，完成設(shè)備、物資運(yùn)輸以及承擔(dān)一定的科研任務(wù)，具有極其廣泛的應(yīng)用前景。

因此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的機(jī)械爪能承擔(dān)絕大多數(shù)的月球營(yíng)地建設(shè)任務(wù)，有望在未來(lái)的月球基地的建設(shè)工作中起到重要的作用。

二、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）研究?jī)?nèi)容

1.多功能爪型設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)了兩套爪型，用以抓取不同形狀的設(shè)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(jī)械臂設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)為多軸機(jī)械臂，并且結(jié)合調(diào)整、抬升等機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)物料的靈活抓取，輔助建設(shè)月球營(yíng)地。

3.換爪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：主要采用電動(dòng)推桿、連桿等機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同爪型之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

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

裝置首先要能夠針對(duì)月球復(fù)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(shí)現(xiàn)，夾取的物品不同，所需機(jī)械爪的形態(tài)也不同，這時(shí)就需要調(diào)整機(jī)械爪腕部的角度;機(jī)械爪使用時(shí)，在角度上可能不適合，這時(shí)候就需要轉(zhuǎn)向模塊保證能達(dá)到最佳的夾取效果;當(dāng)機(jī)械臂尺寸不適合于工作時(shí)，就可以利用抬升模塊，將機(jī)械爪伸長(zhǎng)到指定位置進(jìn)行作業(yè)。

夾取模塊：夾取模塊是機(jī)械爪實(shí)現(xiàn)基本功能的保障，設(shè)計(jì)一款機(jī)械爪所要實(shí)現(xiàn)的就是抓取動(dòng)作，只有能完成抓取這個(gè)基本動(dòng)作，才能有后續(xù)更多功能與動(dòng)作。

調(diào)整模塊：機(jī)械爪所要抓取的目標(biāo)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(lái)進(jìn)行調(diào)整。

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

抬升模塊：由于機(jī)械臂長(zhǎng)度有限，并且機(jī)械臂有時(shí)候不適合某些場(chǎng)景，或者機(jī)械臂長(zhǎng)度無(wú)法滿足機(jī)械爪的作業(yè)，此時(shí)抬升模塊，可幫助機(jī)械爪伸出到指定位置，并且上述的轉(zhuǎn)向模塊會(huì)一并伸長(zhǎng)到工作位置。

換爪模塊：由于設(shè)計(jì)了兩套爪型，為了切換兩套爪型，設(shè)計(jì)了換爪模塊，配合上機(jī)械爪與底座連接的特殊設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)兩套爪型的自動(dòng)切換。

（二）夾取機(jī)構(gòu)

由于在登月探索任務(wù)中所需要的抓取的物料復(fù)雜多樣形狀各異，再加上在建設(shè)月球基地的過(guò)程中有時(shí)需要對(duì)月球上的材料就地取材，因此，對(duì)機(jī)械爪功能性要求會(huì)比較高，基于以上需求，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩套機(jī)械爪，以應(yīng)對(duì)在建設(shè)月球營(yíng)地時(shí)復(fù)雜多樣的抓取需求。

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

轉(zhuǎn)換成采樣形態(tài)是：機(jī)械爪上外套的保護(hù)罩在內(nèi)置電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(hù)套，取樣鏟結(jié)構(gòu)組成。當(dāng)機(jī)械爪開(kāi)始取樣時(shí)，兩個(gè)輔助爪由調(diào)整機(jī)構(gòu)向外擴(kuò)張，并且將穩(wěn)定裝置架設(shè)在月球表面，隨后取樣器中的保護(hù)套后翻，取樣鏟即在月球表面上鏟取所需物料。當(dāng)取樣完成之后保護(hù)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(jī)械爪，該方案的機(jī)械爪主要設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，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(jī)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(dòng)推桿相連，可伸長(zhǎng)縮短，實(shí)現(xiàn)爪型的轉(zhuǎn)換。同時(shí)最底部指節(jié)可繞下方一定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)與承載著機(jī)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(dòng)。第二第三指節(jié)之間由鉸鏈進(jìn)行連接，使得該機(jī)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(shí)還連接著一對(duì)電動(dòng)推桿，該電動(dòng)推桿可帶動(dòng)著機(jī)械爪進(jìn)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(shí)第二三指節(jié)的內(nèi)部也多附著這一層相同的材料，當(dāng)抓取一些不規(guī)則物體或者球狀物體時(shí)，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(jī)械爪，使得該裝置有更為廣泛的使用環(huán)境?，F(xiàn)有的機(jī)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(jī)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(jī)械爪。

（三）爪形調(diào)整機(jī)構(gòu)

爪形調(diào)整模塊與機(jī)械爪直接相連，爪形調(diào)整模塊可直接控制三只機(jī)械爪中的其中兩只，調(diào)整其在爪盤上的相對(duì)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(jī)構(gòu)，空間連桿機(jī)構(gòu)與每只爪的底座直接相連，當(dāng)電機(jī)開(kāi)始驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，空間連桿機(jī)構(gòu)的時(shí)候會(huì)帶著機(jī)械爪進(jìn)入指定工作位置。

如圖4所示為機(jī)械爪調(diào)整機(jī)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(duì)應(yīng)抓取不同形狀的物料的形態(tài)。該機(jī)構(gòu)主要由空間連桿機(jī)構(gòu)，鉸鏈機(jī)構(gòu)組成。整體機(jī)構(gòu)由內(nèi)部微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)連接在爪盤內(nèi)部。當(dāng)電機(jī)開(kāi)始驅(qū)動(dòng)時(shí)，三爪底座與爪盤由固定鉸鏈相連接。當(dāng)點(diǎn)擊開(kāi)始驅(qū)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)連桿繞豎直方向的的軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，由于空間連桿的設(shè)計(jì)，會(huì)將豎直平面上的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為水平方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)，隨后會(huì)推動(dòng)底座繞著與爪盤相連的固定鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)爪形的改變。

需要進(jìn)行位置改變的機(jī)械爪呈對(duì)稱分布，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)機(jī)械爪進(jìn)行變換，同時(shí)運(yùn)用了空間連桿機(jī)構(gòu)，和平面連桿機(jī)構(gòu)相比，空間機(jī)構(gòu)具有機(jī)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)靈活多樣的特點(diǎn)，使得機(jī)械爪內(nèi)部空間大大節(jié)省。

（四）變直徑機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的變直徑機(jī)構(gòu)，其功能在于，輔助換爪機(jī)構(gòu)在兩套機(jī)械爪之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)在機(jī)械爪進(jìn)行日常工作時(shí)，變直徑機(jī)構(gòu)同時(shí)起到儲(chǔ)存另一組機(jī)械爪的功能，是機(jī)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(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)與用以轉(zhuǎn)換爪型的換爪機(jī)構(gòu)相連，均勻分布著六塊平板，用以承接機(jī)械爪，整體機(jī)構(gòu)中心為一個(gè)由內(nèi)部電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸，變直徑這一功能是由連桿外加伸縮桿實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)是會(huì)帶動(dòng)機(jī)構(gòu)中心軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)中軸上連接著六塊曲柄，也會(huì)跟著一起轉(zhuǎn)動(dòng)，六曲柄會(huì)驅(qū)動(dòng)外圍相互并聯(lián)的六個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致滑塊同時(shí)向外移動(dòng)張開(kāi)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行直徑的變換擴(kuò)張。

圖5示為變徑輪軸向六個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)并聯(lián)與徑向滑動(dòng)桿結(jié)構(gòu)小徑時(shí)重疊，大徑時(shí)展開(kāi)連成一線，對(duì)內(nèi)輪片徑向擴(kuò)張起導(dǎo)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(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)充分利用小徑內(nèi)空間，在軸向上實(shí)現(xiàn)并聯(lián)，曲柄通過(guò)內(nèi)耳與軸聯(lián)接，由蝸輪蝸桿傳動(dòng)鎖定擴(kuò)到某一輪徑時(shí)的狀態(tài)。

（五）換爪機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

換爪機(jī)構(gòu)用于在兩套機(jī)械爪之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，換爪機(jī)構(gòu)整體附著在機(jī)械爪爪盤之下，可帶動(dòng)下方變直徑機(jī)構(gòu)上儲(chǔ)存的另一套機(jī)械爪，當(dāng)該機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作是，與之相連接的變直徑機(jī)構(gòu)會(huì)同步進(jìn)行工作，變直徑輪機(jī)構(gòu)的直徑擴(kuò)大，后續(xù)附著在變直徑機(jī)構(gòu)上的機(jī)械爪會(huì)由換爪機(jī)構(gòu)上的軌道，由儲(chǔ)存位置進(jìn)入工作位置，而原本工作位置上的一套機(jī)械爪會(huì)與換爪機(jī)構(gòu)相結(jié)合，兩套機(jī)械爪在換爪機(jī)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)位置的轉(zhuǎn)換，從而成功實(shí)現(xiàn)換爪的功能。

如圖6所示為換爪機(jī)構(gòu)，它和變直徑機(jī)構(gòu)由經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的可在軌道上進(jìn)行滑動(dòng)的滑塊平板相連接，滑塊平板上設(shè)有和爪盤上相同的卡槽，可與每一套的機(jī)械爪底部連接，起著承載機(jī)械爪的作用，當(dāng)換爪機(jī)構(gòu)開(kāi)始驅(qū)動(dòng)時(shí)，變直徑機(jī)構(gòu)開(kāi)始擴(kuò)大直徑連帶著滑塊平板也被往外推，同時(shí)連接在換爪機(jī)構(gòu)滑軌上的電動(dòng)推桿也開(kāi)始向外推，將軌道帶至工作位置，而設(shè)計(jì)的滑塊平板開(kāi)設(shè)了特殊卡槽，在實(shí)現(xiàn)限位功能的同時(shí)，會(huì)使滑塊平板順著滑軌豎直向上運(yùn)動(dòng)，而滑塊平板運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，由連接在平板上的兩只電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)，電動(dòng)推桿的伸縮會(huì)帶著滑塊平板向上運(yùn)動(dòng)。

隨后，滑塊平板被帶至機(jī)械爪爪盤平面，原本安裝在爪盤平面上的機(jī)械爪會(huì)向下移動(dòng)，與滑塊平板上對(duì)應(yīng)的卡槽相連接，最終移動(dòng)到滑塊平板上，隨后換爪機(jī)構(gòu)中心主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使得需要進(jìn)行更換的機(jī)械爪進(jìn)入到工作位置，隨后借由滑塊平板上的設(shè)計(jì)機(jī)械爪會(huì)進(jìn)入到工作位置。最終實(shí)現(xiàn)換爪。

換爪機(jī)構(gòu)滑塊平板的設(shè)計(jì)如圖所示，由于機(jī)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(shè)計(jì)了絲桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最后一段距離的運(yùn)動(dòng)。在兩側(cè)加裝了絲桿，同時(shí)為了限定機(jī)械爪在最后能與爪盤精準(zhǔn)連接，設(shè)計(jì)了限位裝置，及如圖所示的安裝在兩側(cè)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，當(dāng)機(jī)械爪被送至該位置，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的曲柄會(huì)被內(nèi)部電機(jī)所驅(qū)動(dòng)，開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得滑塊從限位槽中伸出，與機(jī)械爪上的卡槽相連，最終實(shí)現(xiàn)限定機(jī)械爪運(yùn)動(dòng)軌跡的作用。隨后被限定軌跡的機(jī)械爪會(huì)由絲桿的帶動(dòng)，向上移動(dòng)。最后機(jī)械爪會(huì)與爪盤上的卡槽穩(wěn)固連接，最終實(shí)現(xiàn)換爪的功能。

三、可行性分析

Inventor具有的強(qiáng)大的應(yīng)力分析功能。應(yīng)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(shí)靜態(tài)受力情況進(jìn)行的一系列力和力矩的分析;模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)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(jì)算或試驗(yàn)分析取得，這樣一個(gè)計(jì)算或試驗(yàn)分析過(guò)程稱為模態(tài)分析。利用Inventor集成的有限元分析部分，對(duì)機(jī)械爪關(guān)鍵部位進(jìn)行強(qiáng)度、剛度的校核。

（一）變直徑機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

在變直徑機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，構(gòu)建機(jī)構(gòu)的定性模型，再對(duì)模型進(jìn)行定量分析。選取對(duì)機(jī)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(shè)計(jì)變量。將最大擴(kuò)徑Rmax作為變徑輪的性能評(píng)價(jià)目標(biāo)函數(shù)，則根據(jù)結(jié)構(gòu)幾何關(guān)系：

設(shè)輪片上—D點(diǎn)初始坐標(biāo)為（Dx0，Dy0）

設(shè)內(nèi)輪片上邊界值E點(diǎn)初始坐標(biāo)為（Ex0，Ey0）

內(nèi)、外及連桿輪片弦長(zhǎng)：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(guān)系要有一定的壓力角保證，保證擴(kuò)徑時(shí)電機(jī)功率不致過(guò)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(jī)構(gòu)提供，小徑狀態(tài)下輪體內(nèi)要存儲(chǔ)用于實(shí)現(xiàn)2.1倍擴(kuò)徑的各個(gè)構(gòu)件，曲柄滑塊機(jī)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(shè)推動(dòng)內(nèi)輪片移動(dòng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲柄長(zhǎng)度為a，連桿長(zhǎng)度為b，近位行程為S0，遠(yuǎn)位行程為S1 （Rmax），則曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)得：

由于要求曲柄長(zhǎng)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(biāo)函數(shù)——曲柄滑塊可設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)由六桿機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)及各附加設(shè)備按結(jié)構(gòu)功能關(guān)系有機(jī)組成，各目標(biāo)函數(shù)呈此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，目標(biāo)函數(shù)：最大擴(kuò)徑越大越好，壓力角盡量取小，曲柄滑塊可設(shè)計(jì)系數(shù)在大于零的條件下取大便于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。運(yùn)用多目標(biāo)函數(shù)規(guī)劃對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，協(xié)調(diào)各性能關(guān)系，選取參數(shù)如下：

Ri=180m m;θi=24.15°; S0=115.5mm

目標(biāo)函數(shù)值：

alo=71.43 8°; Rmax=315.5m m; ka=0.334

（二）變直徑機(jī)構(gòu)強(qiáng)度校核

變直徑輪是換爪過(guò)程中的重要構(gòu)件，其強(qiáng)度校核結(jié)果對(duì)機(jī)械爪整體的穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。這里選取變直徑輪的應(yīng)力情況作為研究對(duì)象。選取的材料方案如表1所示。

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

由分析結(jié)果表2可知，變直徑輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)力分析均能校核通過(guò)，說(shuō)明該方案具有良好的強(qiáng)度條件，說(shuō)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(shè)計(jì)及材料的選擇在實(shí)際工作載荷下滿足工作要求。

四、創(chuàng)新點(diǎn)

（一）功能創(chuàng)新

1.現(xiàn)有機(jī)械爪一般只有一種機(jī)械爪，而本裝置具有兩種不同的機(jī)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(shè)基地絕大多數(shù)功能需求。

2.現(xiàn)有機(jī)械爪一般在有換爪需求時(shí)需要人工或者輔助機(jī)器來(lái)進(jìn)行換爪，而本機(jī)械爪可實(shí)現(xiàn)自主換爪，自動(dòng)化程度高，可獨(dú)自承擔(dān)建設(shè)任務(wù)。

3.現(xiàn)有機(jī)械爪一般只具有一種適配的云臺(tái)結(jié)構(gòu)，而文章設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)采用一體化設(shè)計(jì)，機(jī)械爪既可單獨(dú)工作，也可適配到運(yùn)載平臺(tái)，適應(yīng)不同場(chǎng)合的使用要求。

（二）機(jī)構(gòu)創(chuàng)新

1.爪型調(diào)整機(jī)構(gòu)：空間連桿機(jī)構(gòu)將桿件豎直平面里的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為水平平面的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)連桿，從而推動(dòng)機(jī)械爪底座，使得機(jī)械爪的底座到達(dá)指定位置?？臻g連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)用使得整體結(jié)構(gòu)較為緊湊。

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

3.變直徑機(jī)構(gòu)：舵機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸桿帶動(dòng)再渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)多個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)并聯(lián)，配合上徑向滑動(dòng)桿，實(shí)現(xiàn)了對(duì)半徑的擴(kuò)大功能。結(jié)語(yǔ)

月球低重力、高輻射等特殊環(huán)境，使得月球基地建設(shè)阻礙加大，宇航員在月球上作業(yè)的危險(xiǎn)系數(shù)也大大增加，因此，利用機(jī)械爪代替宇航員完成抓取，運(yùn)輸，維修等工作是必要的，現(xiàn)有機(jī)械爪都是適用于地球環(huán)境，應(yīng)用于某些特定情況下的專用機(jī)械爪，并未結(jié)合月球建設(shè)的實(shí)際情況。文章所述的機(jī)械爪設(shè)計(jì)應(yīng)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(yīng)于基地外和基地內(nèi)等多種場(chǎng)所，有利于月球基地建設(shè)工作的順利開(kāi)展，因此本設(shè)計(jì)具有廣闊的應(yīng)用前景。.

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