一种使用空间机器人的空间桁架在轨装配系统及方法与流程

【技术领域】

本发明属于机器人空间操作技术领域，涉及一种使用空间机器人的空间桁架在轨装配系统及方法。

背景技术：

针对空间桁架在轨装配方式，现有研究主要分为两种：第一种是宇航员手动装配；第二种是使用不同类型的空间机器人遥操作或自主装配。对于第一种方式，20世纪70年代到90年代早期，美国兰利研究中心进行了一系列大型空间结构的宇航员手动装配研究，已经被证明是一种有效的构建大型空间结构的方法。对于第二种方式，美国兰利研究中心的科研人员开发了一套遥控机器人空间桁架结构装配系统来装配一个由12块面板和102根支柱组成的直径8米的桁架结构。除了空间遥控机器人之外，一些研究人员开始致力于研究完全自主的空间机器人系统。ueno开发了一种自由飞行机器人和特殊设计的桁架装配工具用来试验在轨装配任务，它具有无约束的移动能力。卡内基梅隆大学设计的skyworker是一个空间结构附属移动机械臂，它可以在几公里范围里轻松自如地运输和操纵从公斤级到吨级的载荷。nasa喷气推进实验室设计了一种小型、灵活的六足行走机器人lemur，用来在空间结构上狭小区域里执行复杂的、细微的装配、检查和维护任务。nasa约翰逊航天中心开发了一种人形空间机器人robonaut，目的是模仿空间行走宇航员的体积、运动范围、力量和持久力，它可以直接使用为宇航员设计的构建工具。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。

以上针对空间桁架在轨装配的方式主要存在以下三个问题。首先，当空间结构非常庞大，拥有成千上万个部件和装配步骤的时候，宇航员手动装配就变得不切实际。而且，宇航员舱外活动存在着一定的危险性，所需费用也较高。其次，现有的遥操作装配机器人系统体积庞大灵活性差，只能在空间站平台上使用。最后，现有的自主装配机器人仅能单独实现装配/拆卸杆件或运输杆件，无法同时完成这两项任务。而且现有的自主机器人无空间推进能力，无法对装配完成的桁架机构进行高精度的姿态控制和小范围轨道机动。

为了能更加高效、安全、灵活地完成空间桁架的装配任务，且能对桁架结构进行高精度的姿态控制和小范围轨道机动，需要一种新的自主机器人装配方法，能在装配杆件的同时运输和储存备用杆，且自带空间推进器，实现空间桁架协同装配和分布式控制。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种使用空间机器人的空间桁架在轨装配系统及方法，设计了变构型空间装配机器人、多功能补给舱和连接器与主被动杆，实现空间桁架在轨搭建及其姿轨联合控制需求。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种使用空间机器人的空间桁架在轨装配系统，包括多功能补给舱，以及设置于多功能补给舱内的初始轨道，初始轨道上安装有四个空间装配机器人；空间装配机器人由三维巡游装置和小卫星组成，小卫星安装于三维巡游装置上；三维巡游装置安装在初始轨道上，能够沿初始轨道轴向移动或周向转动；每个三维巡游装置均携带有两根备用杆，其中一根备用杆为首先安装的杆，其端部安装有连接器；定义三维坐标系，以小卫星的中心为原点，初始轨道的轴向为y轴，竖直向上的方向为z轴，垂直于y轴和z轴向纸面外且满足右手定则的方向为x轴。

本发明进一步的改进在于：

三维巡游装置包括通过铰链铰接在一起的前部驱动块和后部驱动块，小卫星安装于前部驱动块的顶面上，且小卫星能够沿z轴旋转；前部驱动块和后部驱动块的底部均开始有与初始轨道啮合的驱动槽，使其能够在杆件上平移或反转；前部驱动块和后部驱动块的中部开设有杆件储备槽；设置于杆件储备槽内的杆件能够在电机驱动下沿y轴方向做平移运动。

后部驱动块的前端面上方安装有两个备用连接器，备用连接器的接头中心与备用杆中心在同一平面内。

小卫星的一组相对面的顶角部，安装有电推进器，小卫星的五个面上均贴有太阳能电池片。

初始轨道包括中心杆，以及设置于中心杆正上方、正下方以及两侧的第一杆件、第二杆件、第三杆件和第四杆件；第一杆件、第三杆件与中心杆构成的平面与第二杆件、第四杆件与中心杆构成的平面垂直；中心杆的中心顶端安装有连接器，中心杆的末端设置有用于支撑整个初始轨道的支撑结构。

第一杆件、第二杆件、第三杆件和第四杆件分别搭载第一装配机器人、第二装配机器人、第三装配机器人和第四装配机器人。

一种使用空间机器人的空间桁架在轨装配方法，包括以下步骤：

1)当卫星接收到装配启动指令后，多功能补给舱启动；

2)初始轨道向外伸展到固定位置，其次四个装配机器人各携带两根备用杆沿初始轨道同步向外平移，使得空间装配机器人的前部驱动块和小卫星部分悬空，后部驱动块部分与杆啮合；

3)铰链驱动前部驱动块和小卫星部分抬起90°，使得前部驱动块的驱动槽的中心线与连接器中心在同一直线上；

4)四个装配机器人的前部驱动块的杆件储备槽中的电机分别驱动带连接器的备用杆到各自的驱动槽中；

5)驱动槽中的驱动电机带动杆件向连接器靠近，杆件与连接器接触并自动锁紧。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明利用变构型机器人进行空间桁架在轨装配的方案，有效地解决了宇航员手动装配带来的安全性低、效率低和资源消耗高等问题；为在轨装配桁架机构设计的装配机器人体积小、重量轻，一次发射可携带多个，符合未来多智能体航天器发展趋势；机器人的“t”型杆件夹持机构设计，使得机器人能在不影响装配的情况下，可携带两根备用杆，提高了机器人的装配效率；所设计的多功能补给舱集成了装配机器人、初始轨道、连接器和杆件等，不仅是桁架搭建的基座，还是杆件、备用模块的储藏室，便于利用火箭发射，未来还可以发射新型补给箱以升级和拓展系统功能；所提出的带有18个母接头的连接器和带有公接头的主被动杆方法为桁架在装配过程中框架稳定连接问题提供了一种有效地解决方法。

【附图说明】

图1为本发明变构型空间机器人结构图；

图2为本发明杆件夹持与存储机构前视图；

图3为本发明备用连接器安装位置示意图，其中a为前视图，b为左视图；

图4为本发明小卫星电推进器安装位置；

图5为本发明系统各部件安装关系图，其中a为左视图，b为前视图；

图6为本发明多功能补给舱外壳三视图，其中a为前视图，b为顶视图，c为左视图；

图7为本发明初始轨道“十字”构型示意图；

图8为本发明初始轨道顶视图；

图9为本发明初始轨道前视图；

图10为本发明初始轨道左视图；

图11为本发明初始轨道的装配机器人安装示意图，其中a为前视图，b为顶视图，c为左视图，d为正交图；

图12为本发明连接器构型示意图，其中a为前视图，b为顶视图，c为左视图，d为正交图；

图13为本发明装配过程示意图，其中a为前视图，b为顶视图，c为左视图，d为正交图。

其中：1-三维巡游装置；2-小卫星部分；3-小卫星正面；4-小卫星背面；5-杆件储备槽；6-驱动槽；7-电推进器；8-多功能补给舱；9-初始轨道；10-装配机器人；11-第一杆件；12-第二杆件；13-第三杆件；14-第四杆件；15-中央杆件；16-中央连接器；17-支撑结构；18-第一装配机器人；19-第二装配机器人；20-第三装配机器人；21-第四装配机器人；22-第一装配机器人所携带的先安装备用杆；23-第二装配机器人所携带的先安装备用杆；24-第三装配机器人所携带的先安装备用杆；25-第四装配机器人所携带的先安装备用杆；26-第一装配机器人所携带的后安装备用杆；27-待安装杆件。

【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-图13，本发明使用空间机器人的空间桁架在轨装配系统，主要包括多功能补给舱、空间装配机器人、初始轨道三个部分。图5表示了各部分的结构关系，四个空间装配机器人呈“十字”向外放射状安装于“十字”构型初始轨道上，机器人可沿初始轨道向外移动。初始轨道安装于多功能补给舱内部，并可向外平移。空间装配机器人、多功能补给舱和连接器及主被动杆设计方案如下：

1)空间装配机器人

所设计的机器人结合了框架三维巡游技术和小卫星技术，并设计了独特的杆件夹持机构，使得机器人能在携带两根备用杆的同时实现框架三维巡游且避免与框架碰撞。

如图1所示，机器人主要由三维巡游装置1和小卫星2两部分组成。

三维巡游装置1由前部驱动块1-1和后部驱动块1-2两个对称部分组成，中间通过铰链连接，由电机驱动可以打开至90度。三维巡游装置1的杆件夹持部分设计成“t”型槽结构，如图2所示，“t”型槽的上部两端的杆件储备槽5内可以分别存放一根杆件，这两根杆件可在电机驱动下沿y轴方向作平移运动。“t”型和储存杆件平移运动的设计能够有效地通过特定动作防止机器人在三维巡游过程中与已安装杆件碰撞。在两组正交安装的电机(平移和旋转)驱动下，“t”型槽底部杆件驱动槽6内的驱动齿轮能够与杆件啮合，使得整体能够在杆件上平移和翻转，实现三维巡游的能力。后部驱动块1-2的前面上方可以安装两个备用连接器，安装位置如图3所示，接头中心与备用杆中心在同一平面内。

当杆件一端需要连接器时，备用接头可被控制往下移动，使得接头中心与杆件中心对齐，备用杆在电机驱动下沿轨道向外移动，之后杆件一端与备用连接器触碰并自动连接，形成带连接器的杆。

前部驱动块1-1上安装有1u(10cm×10cm×10cm)小卫星，并增加了一个自由度，使小卫星可以绕z轴360度旋转。小卫星的一组对面(面3、面4)的角落上装有小型电推进器，安装如图4中7所示。小卫星能够绕z轴旋转来改变推进器方向以满足推力分配需要，从而控制桁架机构进行姿态和轨道机动。小卫星的五个面上都贴有太阳能电池片，为其提供电能。

2)多功能补给舱

多功能补给舱如图5所示，它不仅是桁架搭建的基座，杆件、备用模块的储藏室，还是可替换升级的部件，通过发射新补给舱与系统对接，为系统补充装配材料和新功能模块，提高了系统的可拓展性，并且降低了系统的使用成本。

多功能补给舱的外壳8内安装有初始轨道9和四个空间装配机器人10。

多功能补给舱外壳整体为长方体，其截面为60cm×60cm的正方形，长度为150cm。其前面往内先去除一个截面为50cm×50cm，高度为15cm的长方体，再去除一个截面为25cm×25cm，高度为110cm的长方体，得到如图6所示补给舱外壳。

多功能补给舱的舱体内安装一条初始轨道，其“十字”构型及尺寸如图7、8、9、10所示。第一杆件11、第二杆件12、第三杆件13、第四杆件14及中心杆15均为长60cm、直径4cm的圆柱形杆。第一杆件11、第二杆件12、第三杆件13和第四杆件14分别平行对称安装于中心杆15的上下左右四个方向，且第一杆件11、第三杆件13与中心杆15构成的平面与第二杆件12、第四杆件14与中心杆15构成的平面垂直。中心杆15安装在“十字”构型的中心且顶端固连一个连接器16，用于快速安装十字型基本结构。整个构型由支撑结构17支撑和固定。

初始时刻，第一杆件11、第二杆件12、第三杆件13和第四杆件14上分别搭载了第一装配机器人18、第二装配机器人19、第三装配机器人20和第四装配机器人21，如图11所示，第一装配机器人18、第二装配机器人19、第三装配机器人20和第四装配机器人21的三维巡游装置驱动槽内的驱动器与第一杆件11、第二杆件12、第三杆件13和第四杆件14啮合，使机器人能够在杆上平移和旋转。机器人“t”型槽顶部两端分别携带一根备用杆，其中一根杆的一端安装有连接器，这根带连接器的杆即为首先安装的杆。

3)连接器与主被动杆设计

连接器被设计成带有18个母接头的构型，6个正接头，12个45°斜接头，如图12所示，杆的两端有对应配合的公接头。当杆的一端与接头触碰时，公母接头相互锁紧，杆就与连接器相互紧固。连接器可以连接立方体框架的每条棱边以及起加固作用的面对角斜边。考虑到系统通用性和安装可行性，作为面对角斜边的杆被设计为主动可伸缩杆，称为主动杆，相应的棱边被称为被动杆。主动杆原始长度与被动杆一致为100cm，当机器人操纵主动杆与连接器45°接头触碰时，主动杆接头内部触发装置启动使得套筒型主动杆伸长为主动杆与对角线另一端的连接器相连，至此主动杆安装完成。

下面从发射到在轨阶段，详细说明机器人空间在轨装配的实施方式。

步骤一：发射阶段：

多功能补给舱携带空间装配机器人其配套杆件和连接器，与一颗通信卫星组合作为火箭的有效载荷被发射到预定轨道。

步骤二：在轨调整阶段

当火箭把补给舱和卫星送到了预定轨道，火箭上面级与补给舱和卫星组合体分离。之后，卫星展开太阳能帆板和通信天线，与地面控制中心建立通信链接接收控制指令。

步骤三：装配阶段

当卫星接收到装配启动指令后，多功能补给舱启动。首先初始轨道向外伸展到固定位置，其次第一装配机器人18、第二装配机器人19、第三装配机器人20和第四装配机器人21各携带两根杆件沿初始轨道同步向外平移12cm，使得机器人的前部驱动块1-1和小卫星部分悬空，只有后部驱动块1-2部分与杆啮合。随后铰链驱动前部驱动块1-1和小卫星部分抬起90°，使得前部驱动块1-1驱动槽的中心线与连接器16中心在同一直线上。第一装配机器人18、第二装配机器人19、第三装配机器人20和第四装配机器人21的前部驱动块1-1储备槽中的电机分别驱动带连接器的先安装备用杆到各自的驱动槽中。驱动槽中的驱动电机带动先安装备用杆向连接器16靠近，先安装备用杆与连接器接触并自动锁紧。至此，已经构建了一个由各个先安装备用杆和连接器16组成的十字型基本结构。

实施例：

下面以图13为例，说明安装待安装杆件27的步骤。

第二装配机器人19的后部驱动块1-2与第二装配机器人所携带的先安装备用杆23分离，前部驱动块1-1向远离连接器16方向平移一段距离，铰链驱动后部驱动块1-2与第二装配机器人所携带的先安装备用杆23啮合。前部驱动块1-1和后部驱动块1-2的旋转驱动电机启动，带动机器人绕着第二装配机器人所携带的先安装备用杆23旋转180°。前部驱动块1-1储备槽平移电机驱动第一装配机器人所携带的后安装备用杆26向靠近连接器16方向移动。随后后部驱动块1-2储备槽平移电机启动直到第一装配机器人所携带的后安装备用杆26与前部驱动块1-1脱离。为了给第一装配机器人所携带的后安装备用杆26安装接头，在第一装配机器人所携带的后安装备用杆26前端超过后部驱动块1-2前端之前，后部驱动块1-2前端的备用连接器在电机的驱动下向下移动，直到备用连接器与储备槽中心线对其。第一装配机器人所携带的后安装备用杆26在储备槽中向外移动与备用连接器接触并自动锁紧。当第一装配机器人所携带的后安装备用杆26与前部驱动块1-1脱离后，铰链驱动后部驱动块1-2抬起90°，然后前部驱动块1-1平移电机驱动机器人靠近连接器16，直到后部驱动块1-2驱动槽的中心线与连接器16的中心对齐。后部驱动块1-2储备槽中的电机带动第一装配机器人所携带的后安装备用杆26进入驱动槽，之后后部驱动块1-2驱动槽中的平移电机驱动第一装配机器人所携带的后安装备用杆26靠近连接器16，第一装配机器人所携带的后安装备用杆26与连接器16接触并自动锁紧。当装配机器人的两根备用杆都安装完之后，装配机器人可以通过旋转、平移等一套动作沿框架行走到初始轨道第一杆件11、第二杆件12、第三杆件13和第四杆件14上抓取新的备用杆。

通过反复执行上述杆件安装步骤，装配机器人可以成功地装配出大型空间桁架机构。

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。