一种用于空间桁架在轨组装的轮式机器人及其控制方法与流程

【技术领域】

本发明涉及基于空间在轨操作与在轨组装技术，具体为一种用于空间桁架在轨组装的轮式机器人及其控制方法。

背景技术：

按照是否有人直接参与在轨组装，可以将其大体分为“有人在轨组装”和“无人在轨组装”两种类型。

(1)有人在轨组装的现有技术

有人在轨组装即通过宇航员对一系列大型空间结构进行手动装配。美国在这方面具有先导性的经验并进行了一系列探索。1973年，美国成功对天空实验室实现了在轨模块的更换和维护等在轨操作，首次成功验证在轨组装的可行性。1990年4月哈勃空间望远镜搭载“发现号”航天飞机发射升空，此后nasa和esa前后对其进行了共计5次大规模的在轨维护工作，航天员在舱外为其更换、添加模块，有效延长了哈勃望远镜的使用寿命。

有人在轨组装技术通过上面的应用已经被证明是一种在轨装配空间桁架机构的有效方法，由于有人的直接参与，所以任务体现出了很高的灵活性与智能性，能够对实际操作中出现但事先未进行考虑的问题进行很好的解决。但是随之而来，这种方法的局限性也就暴露了出来：首先，面对复杂的空间环境，航天员在舱外的操作活动会对其安全构成极大的威胁，而且在这种情况下，航天员很难承受较重的工作负荷，所以这种方法面对庞大复杂的空间结构时，也面临着操作的不可实施性；此外，从成本方面考虑，航天员直接参与到在轨组装中，会极大提高在轨组装的成本。从上面几个方面来考虑，有人在轨组装需要找到更有效，更安全的替代方法。

(2)无人在轨组装现有技术

无人在轨组装是指借助空间机器人、机械臂等装置通过地面遥控或者自主操作进行的在轨组装。早在上世纪90年代，美国开始重点着手于自主性较高的空间在轨组装试验的研究，例如nasa的langley研究中心开始研制空间组装的遥操作系统，并成功搭建了图1中的空间结构。而这些试验中，“轨道快车(orbitalexpress)”计划具有较强的代表性。它于1999年11月提出，主要由目标卫星nextsat与服务卫星astro两颗卫星共同组成。其中，服务星安装有机械臂等进行空间组装、在轨服务的部分，而目标星则是对失效卫星进行模拟。此试验可以实现对目标星的捕获与对接、模块替换等操作。除了上面提到的空间操控机器人之外，还有很多研究机构开始进行自主机器人的研究。例如cmu的skyworker，可以进行大范围高载荷的空间操作；nasa的约翰逊航天中心也开发了一种人形的空间机器人robonaut，目的是为了模拟宇航员进行操作；nasa的喷气推进实验室的lemur是一种小型六足机器人，基于其体积小的优点，可以进行狭小区域的精密装配与日常检查、维护的任务。f.nigl和s.li等人开发了一种可以三维巡游的桁架搭建机器人，它能到达桁架任意位置拆卸和安装杆件，并设计了独特的杆件和接头。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有在轨组装成本高、自主性低等问题，提供一种用于空间桁架在轨组装的轮式机器人及其控制方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种用于空间桁架在轨组装的轮式机器人，包括电源模块、控制器、执行器及传感器；

电源模块，将12v锂电池的电压转化为各个模块所需要的5v、3.3v以及15v电压；

单片机，通过传感器返回的信号进行工况的判断，并发送信号给执行器，使得执行器能够输出期望的运动；

传感器，包括摄像头以及红外传感器，用于检测和测量外界信息，并将信息返回给单片机进行处理，让单片机知道现在所处的环境而给出相应的指令；

执行器包括前轮部分和后轮部分，以及连接前轮部分和后轮部分的转向变形机构；前轮部分包括两组用于控制前轮夹持或离开桁架的前轮执行机构，后轮部分包括至少两组用于控制后轮夹持或离开桁架的后轮执行机构；前轮部分和后轮部分能够在转向变形机构的控制下变形为夹持桁架运行的移动机器人或在地面行驶的四轮车。

本发明进一步的改进在于：

前轮执行机构包括第一舵机、第二舵机、第一电机以及第二电机；第一舵机和第二舵机安装于前安装架两侧，第一舵机和第一电机通过第一舵盘相连，第一舵机通过第一舵盘带动第一电机移动；第一电机的输出端连接一个前轮；第二舵机和第二电机通过第二舵盘相连，第二舵机通过第二舵盘带动第二电机移动；第二电机的输出端连接另一个前轮。

后轮执行机构包括第三舵机、第四舵机、第三电机以及第四电机；第三舵机和第四舵机安装于后安装架两侧，第三舵机和第三电机通过第三舵盘相连，第三舵机通过第三舵盘带动第三电机移动；第三电机的输出端连接一个后轮；第四舵机和第四电机通过第四舵盘相连，第四舵机通过第四舵盘带动第四电机移动；第四电机的输出端连接另一个后轮。

第五舵机、第六舵机以及第七舵机；第五舵机与前安装架通过第一舵机支架及若干连杆相连；第五舵机与第六舵机通过若干连杆、第二舵机支架及第三舵机支架相连，第六舵机与第七舵机通过第五舵盘和第四舵机支架相连；第七舵机与后安装架通过舵机摇臂、若干连杆、第五舵机支架及第六舵机支架相连。

前安装架、后安装架以及第六舵机的底部均设置有起导向作用的导向块，机器人在桁架上运动时，三个导向块均套设于桁架上。

连杆采用4cm、5cm或8cm的铜柱。

一种用于空间桁架在轨组装的轮式机器人的控制方法：

直线移动时：

控制器控制第一舵机、第二舵机、第三舵机和第四舵机分别执行夹紧的动作，使机器人的两个前轮和两个后轮分别加紧桁架，并在桁架上的姿态保持不变，然后通过控制第一电机、第二电机、第三电机和第四电机的转动来带动两个前轮和两个后轮转动，进而控制机器人在桁架上的前后移动；

转弯时：

首先第三舵机和第四舵机松开，然后使用第七舵机将前部向上抬起90°，然后使用第一电机和第二电机推动机器人继续向前移动，移动到转弯标志位以后，红外模块将这个信号检测到并传递给控制器，控制器控制机器人进行转弯动作；转弯动作的执行过程为在标志位控制第一电机和第二电机停止运行，机器人停在固定位置，然后第六舵机带动前部沿顺时针方向转动90°，接着第七舵机将前部向下转动90°，然后使用第三舵机和第四舵机将前部夹紧在桁架上，再松开第一舵机和第二舵机，然后第四舵机向上将后部抬升90°，然后第六舵机向逆时针方向转动90°，接着使用第三电机和第四电机带动机器人向前移动直到下一个标志位，然后控制第五舵机将后部向下转动90°，接着将第一舵机和第二舵机夹紧；

拆卸桁架时：

机器人移动到拆卸桁架的标志点，将第三舵机和第四舵机松开并使用第七舵机将前部抬升90°，然后用第一电机和第二电机推动机器人向前移动，直到机器人移动到桁架拆卸的位置，接着使用第三舵机和第四舵机将桁架夹紧，并使用第三电机和第四电机转动抬升桁架要拆卸的杆件，完成桁架的拆卸；

安装桁架时：

机器人夹持要安装的杆件移动至安装位置，停止第一电机和第二电机的运行，运行第三电机和第四电机将桁架进行插入安装位置，将第三舵机和第四舵机松开，然后通过按照相反顺序执行抬头动作；

变形地面车时：

第七舵机转动180°，然后第一舵机、第二舵机以及第三舵机、第四舵机分别向外侧旋转10°，使得机器人即变形为地面四轮车；通过wifi模块将机器人摄像头拍到的图像发送给手机端app，通过app查看机器人所看到的实时图像，并通过客户端发送“前”、“后”、“顺时针旋转”或“逆时针旋转”的指令传输到机器人来控制四轮车的运动。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明可以实现机器人在空间桁架上的移动与杆件的安装和拆卸，通过对机器人动作的不同组合，可以实现机器人在空间桁架上的移动以及对桁架的安装与拆卸等功能。由于机器人的原理较为简单，成本低廉，结构紧凑，适用于未来空间中微小卫星等载荷较小的空间机构。

【附图说明】

图1是遥操作机器人空间装配桁架结构装配系统；

图2是本发明机器人系统硬件框图；

图3是本发明机器人整体模型图；

图4是本发明机器人前部抬起的示意图；

图5是本发明机器人在桁架上转弯的示意图；

图6是本发明机器人变形为地面行驶的四轮车的示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-6，本发明机器人需要实现的功能就是在桁架上进行移动，并且能够进行桁架的拼接。为了实现这些功能，使用7个伺服电机(舵机)和4个直流减速电机作为机器人的执行器，使用51单片机作为机器人的控制器，使用一个摄像头和一个红外传感器作为传感器模块，再辅以相应的硬件电路和机械结构，共同组成机器人。机器人系统的硬件框图如图2所示。

控制系统主要由四部分组成：电源模块、单片机(控制器)、执行器、传感器。各部分功能和作用如下：

电源模块：将12v锂电池的电压转化为各个模块所需要的不同的电压(如5v、3.3v以及15v)，包括不同的降压及升压模块。可以说电源模块相当于机器人的“心脏”，为机器人提供能量。

单片机：通过传感器返回的信号进行工况的判断，并发送信号给执行器，使得执行器能够输出期望的运动。可以将单片机看作机器人的“大脑”，它负责处理得到的信息，并发出指令进行执行器的控制。

执行器：执行器包括伺服电机(舵机)和直流电机。他们负责接收控制器给出的指令，并将指令转化为相应的运动。可以将执行器看作机器人的“四肢”，通过“大脑”的指令进行运动。

传感器：传感器包括摄像头以及红外传感器，它们的作用是检测和测量外界信息，并将信息返回给单片机进行处理，让单片机知道现在所处的环境而给出相应的指令。可以将传感器看作机器人的“感官器官”，它将外界的其他类型的信息采集并转化为电信号，然后返回给单片机进行处理。

整个系统工作流程如下所示：

首先选择机器人的工作模式：分别是自主模式和遥控模式。在自主模式下，机器人将自动进行桁架的安装与拆卸；遥控模式则是通过上位机对其发送指令，然后通过指令对其进行控制进而完成相应的动作，实现要求的功能。

遥控模式的工作流程如下：

通过传感器获得机器人当前在桁架上的位置。机器人上的摄像头将实时图像传输到上位机上，通过上位机界面上的控制按键控制机器人的移动、转弯以及桁架的安装与拆卸等动作。

自主模式的工作流程如下：

通过传感器测得机器人当前在桁架上的位置。通过传感器返回的信号对桁架上的标志点进行机器人位置的判断；然后给执行器发送指令，使执行器执行动作。通过位置的判断进行机器人不同工作模式的执行，这里工作模式主要分为四个：直线运行模式，抬头模式，转弯模式、抬尾模式、安装模式和拆卸模式。通过这六种模式的排列组合，可以实现在桁架上运行的诸如直线、转弯以及桁架拆装等动作。重复执行在桁架上进行直线爬行，转弯的动作，直到机器人移动到有需要执行插拔动作的位置，对杆件进行安装或者拆卸。

本发明的难点在于机器人在桁架上的移动，尤其是在转弯时候的策略。其原因在于：

1.机器人需要在杆上面运行并保证其不会掉落，因此机器人在设计的时候需要夹紧桁架保证其始终在桁架上稳定运行；

2.机器人的机械结构非柔性环节，此结构决定了其在转弯时候必须要有一个水平面内的自由度；

3.机器人在转弯时由于转弯平面也是其运行轨道面，因此不能直接在平面内进行转弯，需要对其进行一个抬升的动作，才可以实现转弯动作，因此机器人需要有一个垂直于水平面的自由度；

以上三点可以看出，机器人在转弯时需要设计特殊的策略，所制定的策略如图4～5：首先松开前部的夹紧关节，然后执行抬头动作，接着进行水平面内的转弯动作，下一步就是将抬起的前部放下，并夹紧前部关节，松开后部关节并抬起后部，最后将后部放下至原来运行的轨道面，即完成了转弯动作。通过选择机器人的两种工作模式，使得机器人能够自主或者被远程操控以实现空间在轨组装。

本发明的结构原理及工作过程：

本发明的机器人使用了7个数字舵机，4个直流减速电机，其中第一舵机2、第二舵机4、第三舵机6和第四舵机8主要用于开合机器人在桁架上的夹持；第五舵机9、第六舵机10和第七舵机11主要用于舵机的转弯；第一电机1、第二电机3、第三电机5和第四电机7主要用于在桁架上的移动以及安装与拆卸桁架。其中，第一舵机2与第一电机1、第二舵机4与第二电机3、第三舵机6与第三电机5、第四舵机8与第四电机7分别使用一个舵盘加4个螺丝进行固连；而第一舵机2、第二舵机4与第五舵机9之间，分别通过1个舵机支架和4个4cm的铜柱进行连接；第五舵机9和第六舵机10之间通过三个5cm铜柱以及两个舵机支架进行连接；第六舵机10与第七舵机11之间通过一个舵盘和一个舵机支架进行连接；第七舵机11与第三舵机6和第四舵机8之间分别通过一个舵机摇臂、四个8cm的铜柱以及两个舵机支架进行连接；通过以上部件按照所述方式连接，即可完成整体的车体。

直线移动：

如图3所示，第一舵机2、第二舵机4、第三舵机6和第四舵机8分别执行夹紧的动作，使机器人在桁架上的姿态保持不变，然后通过控制第一电机1、第二电机3、第三电机5和第四电机7的转动来控制机器人在桁架上的前后移动。

转弯：

如图4-图5所示，机器人转弯时主要可以分解为3个动作，分别是：抬头、转弯以及抬尾。三个动作按照这个顺序执行即可实现机器人在桁架上转弯。在抬头的动作中，首先第三舵机6和第四舵机8松开，然后使用第七舵机11将前部向上抬起90°，然后使用第一电机1和第二电机3推动机器人继续向前移动，移动到转弯标志位以后，红外模块将这个信号检测到并传递给单片机，单片机控制机器人进行转弯动作。转弯动作的执行过程为在标志位控制第一电机1和第二电机3停止运行，机器人停在固定位置，然后第六舵机10带动前部沿顺时针方向转动90°，接着第七舵机11将前部向下转动90°，然后使用第三舵机6和第四舵机8将前部夹紧在桁架上，再松开第一舵机2和第二舵机4，然后第四舵机8向上将后部抬升90°，然后第六舵机10向逆时针方向转动90°，接着使用第三电机5和第四电机7带动机器人向前移动直到下一个标志位，然后控制第五舵机9将后部向下转动90°，接着将第一舵机2和第二舵机4夹紧。这样就完成的转弯，此时机器人再次变成了直线运动。

拆卸桁架：

机器人移动到拆卸桁架的标志点，然后机器人再次执行抬头动作：将第三舵机6和第四舵机8松开并使用第七舵机11将前部抬升90°，然后使用第一电机1和第二电机3推动机器人向前移动，直到机器人移动到桁架拆卸的位置，然后使用第三舵机6和第四舵机8将桁架夹紧，并使用第三电机5和第四电机7转动抬升桁架要拆卸的杆件，即可完成桁架的拆卸。

安装桁架：

机器人夹持要安装的杆件移动至安装位置，然后停止第一电机1和第二电机3的运行，运行第三电机5和第四电机7将桁架进行插入安装位置，然后将第三舵机6和第四舵机8松开，然后通过按照相反顺序执行抬头动作，即可将机器人恢复到直线运动状态。

变形地面车：

第七舵机11转动180°，然后第一舵机2、第二舵机4以及第三舵机6、第四舵机8分别向外侧旋转10°，使得机器人即变形为地面四轮车；通过wifi模块将机器人摄像头拍到的图像发送给手机端app，通过app查看机器人所看到的实时图像，并通过客户端发送“前”、“后”、“顺时针旋转”或“逆时针旋转”的指令传输到机器人来控制四轮车的运动。

本发明具有实用性和实施性。已经在地面模拟了机器人在桁架上的移动并进行了空间桁架安装和拆卸功能的模拟试验。试验证明，使用该机器人可以保证安装与拆卸的精确性，而且相对于传统的桁架搭建使用的方法来说，该机器人具有体积小、自主性高、可靠性高等优点，因此该机器人可以应用于载荷较小的航天器上，在自主模式下进行空间桁架的搭建与拆卸；而且假设机器人遇到极端条件使得传感器失效，还可以切换机器人的操作模式，将其改为手动遥控模式，这保证了任务的成功率。

实验证明，使用该机器人可以保证安装与拆卸的精确性，而且相对于传统的桁架搭建使用的方法来说，该机器人具有体积小，自主性高，可靠性高的优点，因此该机器人可以应用于载荷较小的航天器上，在自主模式下进行桁架的搭建与拆卸。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。