DE3244211A1 - Orbital remote-controlled manipulator system - Google Patents

Orbital remote-controlled manipulator system

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Abstract

The invention relates to an orbital remote-controlled manipulator system which is equipped with sensors and command modules and possesses arms arranged in the shape of a circle, which, as gripping tools, perform operations by remote control and allow direct feedback by being equipped with corresponding sensors. Arranged in the region of the greatest circumference is a manipulator ring (1) which forms the structural base for the manipulator arms (2). The manipulator arms are arranged predominantly in radial symmetry - their reach lying within an imaginary sphere. In the region of the greatest circumference, two conically shaped structure shells (4) are interconnected so that they form a rigid peripheral edge. <IMAGE>

Description

Orbitales ferngesteuertes Manipulatorsystem Die Erfindung bezieht sich auf ein orbitales ferngesteuertes Manipulatorsystem, das mit Sensoren und Kommandomodulen bestückt ist und das kreisförmig angeordnete Arme besitzt, die als Greifwerkzeuge durch Fernbedienung Arbeiten ausführen und die durch Bestückung mit entsprechenden Sensoren eine direkte Rückkoppelung ermöglichen. Orbital Remote Manipulator System The invention relates to relies on an orbital remote-controlled manipulator system with sensors and command modules is equipped and has circular arms that act as gripping tools Carry out work by remote control and by equipping with the appropriate Sensors enable direct feedback.

Teleoperatoren, Manipulatoren, künstliche Arme usw. dienen vornehmlich zum Hantieren mit gefährlichen radioaktiven Substanzen.Teleoperators, manipulators, artificial arms, etc. are primarily used for handling dangerous radioactive substances.

Hier werden handähnliche Greifwerkzeuge durch Fernbedienung aus angemessener Entfernung und unter Anwendung eines ausreichenden Schutzes gesteuert und eine sichere Handhabe gewährleistet. Durch das Einführen von Tastsensoren oder elektromagnetischen oder optischen Sensoren ist eine direkte Rückkoppelung ohne den menschlichen Beobachter möglich, so daß auch feinfühlige Manipulatoren bereits zur Verfügung stehen.Here hand-like gripping tools are made more appropriate by remote control Distance controlled and with the application of adequate protection and safe Handling guaranteed. By introducing touch sensors or electromagnetic or optical sensors is a direct feedback without the human observer possible, so that sensitive manipulators are already available.

Im Weltraum haben sich bereits speziell konstruierte Teleoperatoren ausgezeichnet, wie Marssonde usw. Die Entwicklung von orbitalen ferngesteuerten Manipulatorsystemen, die zur Wartung und Reparatur von Satelliten und orbitalen Raumfahrzeugen dienen sollen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, wobei der Anpassung an die Weltraumbedingungen Rechnung zu tragen ist, was eine modulare Bauweise bedingt unter Berücksichtigung von Schnitt- und Trennstellen, die eine vielseitige Austauschbarkeit der einzelnen Module zur Durchführung von Manipulationen mit relativ großem räumlichem Aktionsbereich und Kräfteeinleitung in einen geschlossenen Kraftfluß - je nach Anforderung und Weiterentwicklung - ermöglichen.Specially designed teleoperators have already been used in space excellent, like Mars probe etc. The development of orbital remote-controlled Manipulator systems used for the maintenance and repair of satellites and orbitals To serve spacecraft is the object of the present invention, wherein the Adaptation to space conditions is what a modular design conditionally taking into account interfaces and separation points, which is a versatile Interchangeability of the individual modules for carrying out manipulations with relatively large spatial action area and introduction of forces into a closed one Enable power flow - depending on requirements and further development.

Um dieses zu erzielen, ist ein Sensor- und Kommandomodul zunächst erforderlich. Der Sensor- und Kommandomodul beinhaltet die für den Betrieb notwendigen Sensoren, wobei die Anforderung für die verschiedenen Missionen recht unterschiedlich ist.To achieve this, a sensor and command module is needed first necessary. The sensor and command module contains the necessary for operation Sensors, the requirement being quite different for the various missions is.

Ein stereoskopisches Sehen bzw. ein Redundanzüberlegen erfordert zwei Videokameras, wohingegen ein Anlegemanöver zumindest halbautomatische Laser- bzw. Radarmeßsysteme erfordert.Stereoscopic vision or redundancy superiority requires two Video cameras, whereas a mooring maneuver uses at least semi-automatic laser or Radar measuring systems required.

Das Kommando- und Datenmenagementsystem verarbeitet und vercodiert einerseits die von den Sensoren aufgenommenen Signale und decodiert die von der bemannten Leitstelte empfangenen Befehlssignale. Im allgemeinen läßt sich langfristig ein Trend von der manuellen Fernbedienung mit Hilfe einer Videokamera in Richtung auf autonome Systeme mit künstlicher Intelligenz bewerkstelligen. Dieses bedeutet aber, daß in der weiteren Entwicklung ein erhebliches Anwachsen des Softwäre-Anteiles erforderlich wird.The command and data management system processes and encodes on the one hand, the signals picked up by the sensors and decoded by the manned control room received command signals. In general, it can be long term a trend towards manual remote control with the help of a video camera to accomplish autonomous systems with artificial intelligence. This means but that in the further development there will be a considerable increase in the software component is required.

Der Energiemodul stellt strukturell den zentralen Teil des orbitalen ferngesteuerten Manipulatorsystems dar.Er besteht aus einer Doppelkonusschale, die von außen mit Solarzellen bedeckt ist. Im innern sind die dazugehörigen elektrischen Speicherzellen und Regeleinrichtungen eingebaut.The energy module is structurally the central part of the orbital remotely controlled manipulator system. It consists of a double cone shell, the is covered on the outside with solar cells. Inside are the associated electrical ones Built-in storage cells and control devices.

Aus der zentralen Lage des Energiemoduls ergeben sich die Trennflächen zum Kommando- und Antriebsmodul und eine ringförmige Trennstelle zum Manipulatorring mit allen elektrischen und gegebenenfalls hydraulischen Verbindungen. Die statische Beanspruchung, die auf dem Manipulator lastet, wird durch die konischen Schalen sowie durch die periphere Kantensteifigkeit im Verbund mit dem Manipulatorring aufgenommen. Der Energiehaushalt wird im wesentlichen durch den Verbrauch während des Einsatzes der Manipulatoren und in den Speicherzeiten während der Ruhepausen bestimmt. Zur Erzielung der notwendigen peripheren Kantensteifigkeit kann auch ein Doppelkonus mit einer vieleckigen Basis dienen. Wenn eine ausreichend steife periphere Berührungskante gewährleistet ist, können sphärisch gekrümmte Doppelschalen Anwendung finden.The separating surfaces result from the central position of the energy module to the command and drive module and an annular separation point to the manipulator ring with all electrical and, if necessary, hydraulic connections. The static The stress on the manipulator is caused by the conical cups as well as added by the peripheral edge stiffness in connection with the manipulator ring. The energy balance is essentially determined by the consumption during the Use of the manipulators and in the storage times during rest breaks. To the A double cone can also achieve the necessary peripheral edge rigidity serve with a polygonal base. When a sufficiently rigid peripheral contact edge is guaranteed, spherically curved double shells can be used.

Der Manipulatorring ist eine selbständige Einheit und über den Energiemodul geschoben und an die Peripherie angeflanscht. Die Manipulatorarme sind in radialsymmetrischer Form angeordnet, und die notwendigen Anlenkmechanismen sind Bestandteil des Ringes.The manipulator ring is an independent unit and via the energy module pushed and flanged to the periphery. The manipulator arms are radially symmetrical Arranged form, and the necessary articulation mechanisms are part of the ring.

Die Manipulatoren sind in bekannter Weise mit hydraulisch oder elektrisch betriebenen Gelenken und Rückmeldesensoren versehen.The manipulators are hydraulic or electric in a known manner operated joints and feedback sensors.

Anders dagegen die Konstruktion in der Auswahl der sogenannten Endeffektoren, den eigentlichen Händen des Manipulators. Diese Auswahl erfolgt nach den Erfordernissen der vorgesehenen Einsätze.The construction is different in the selection of the so-called end effectors, the actual hands of the manipulator. This selection is made according to the requirements of the planned missions.

Der Antriebsmodul besteht im wesentlichen aus einer zylindrischen Struktur, die einerseits die Treibstofftanks beinhaltet und andererseits die Anschlußstruktur für das Triebwerk darstellt.The drive module consists essentially of a cylindrical one Structure that on the one hand contains the fuel tanks and on the other hand the connection structure represents for the engine.

Weitere Anschlußmöglichkeiten für das Lagerregelungssystem sind von vornherein vorgesehen, und als weitere Option lassen sich zusätzliche Solarzellen zur Verbesserung des Energiehaushaltes anbringen.Further connection options for the position control system are from Provided in advance, and additional solar cells can be added as a further option to improve the energy balance.

Anhand der Zeichnung sei die Erfindung im folgenden beispielsweise beschrieben.With reference to the drawing, the invention is exemplary in the following described.

Der Manipulatorring 1 dient als Montagestruktur für die radialsymmetrisch angeordneten Manipulatorarme 2. Der Manipulatorring kann als Lastaufnahmering in dem Trägersystem ausgebildet werden, indem er einerseits die Last des orbitalen ferngesteuerten Manipulatorsystems über die Schalen 4 des Energiemoduls 3 aufnimmt und sie andererseits über geeignete radialsymmetrisch angeordnete Anschlußelemente in das Trägersystem (Rakete, Raumfähre usw.) fortleitet.The manipulator ring 1 serves as a mounting structure for the radially symmetrical arranged manipulator arms 2. The manipulator ring can be used as a load-bearing ring be formed in the support system by taking on the one hand the load of the orbital remotely controlled manipulator system on the shells 4 of the energy module 3 takes up and on the other hand via suitable connection elements arranged in a radially symmetrical manner in the carrier system (rocket, space shuttle, etc.).

Der Manipulatorring 1 eignet sich ferner zur Aufnahme von Lageregelungsdüsen, da er den größten axialen Durchmesser des orbitalen ferngesteuerten Manipulatorsystems aufweist. Ferner dient der Manipulatorring auch zur Versteifung der Schalen des Energiemoduls, indem die Verbindung der oberen Modulschale mit der unteren Schale durch das Anflanschen des Manipulatorringes verstärkt wird. Das Gebilde aus Manipulatorring 1 und den beiden Schalenhälften 4 des Energiemoduls 3 verstärkt sich nach Anflanschen in sich und bildet so eine äußerst stabile Verbindung.The manipulator ring 1 is also suitable for holding position control nozzles, since it has the largest axial diameter of the orbital remote controlled manipulator system having. Furthermore, the manipulator ring is also used to stiffen the shells of the Energy module by connecting the upper module shell to the lower shell is reinforced by flanging the manipulator ring. The structure from the manipulator ring 1 and the two shell halves 4 of the energy module 3 is reinforced after flanging in itself and thus forms an extremely stable connection.

Der operationelle Ablauf von diversen Aufgaben eines orbitalen ferngesteuerten Manipulatorsystems, wie Andocken an ein anderes Raumfahrtgerät, Manipulation am selbigen und Veränderung des Gerätes, zeigt die Notwendigkeit des Abstützens zum Abfangen von Reaktionskräften. Es handelt sich hierbei um die Überwindung der Schwierigkeit, beim Abstützen im schwerelosen Zustand, mit der auch im Raum frei schwebende Astronauten bei handwerklichen Tätigkeiten zu kämpfen haben. Aus diesem Grunde ist es in vielen Fällen sinnvoll, daß vorzugsweise drei Manipulatorarme 2, die mit sogenannten "Grabblern" versehen sind, sich zunächst an dem zu bedienenden Raumfahrtgerät festhalten. Durch Feststellen der Haltearme wird somit eine starre Verbindung zwischen dem Gerät und dem orbitalen ferngesteuerten Manipu- latorsystem hergestellt. Dann können die erforderlichen Manipulationen mit den freien Armen gezielt vorgenommen werden.The operational sequence of various tasks of an orbital remote-controlled Manipulator system, such as docking to another space device, manipulation of the the same and a change in the device, shows the need for support Interception of reaction forces. It is about overcoming the difficulty when supported in a weightless state, with the astronauts floating freely in space have to struggle with manual activities. That is why it is in many In cases it makes sense that preferably three manipulator arms 2, which are equipped with so-called "Grabblers" are provided, first hold on to the space device to be operated. By Fixing the holding arms thus creates a rigid connection between the device and the orbital remote-controlled manipu- system manufactured. then the required manipulations can be carried out with the free arms in a targeted manner will.

Als ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist anzusehen, die hierbei auftretenden Zwangs- und Reaktionskräfte nicht durch die eigentliche Struktur des orbitalen ferngesteuerten Manipulatorsystems geleitet werden, sondern durch den peripheren Manipulatorring. Lediglich sekundäre Spannungen infolge elastischer Deformation gelangen hierbei in die aussteifenden Mantelschalen des besagten Energiemoduls. Durch diese direkte Fortleitung des Kraftflusses durch den Manipulatorring ist es möglich, die Strukturgewichte des übrigen Systems niedrig zu halten. Andere Kräfte, die von dem Manipulatorring in die Hauptstruktu geleitet werden, erzeugen durch die periphere Einleitung keine bedenklichen Spannungsspitzen, sondern lediglich eine gleichmäßige Beanspruchung.An essential feature of the invention is to be considered here occurring constraining and reaction forces are not due to the actual structure of the orbital remote controlled manipulator system, but through the peripheral manipulator ring. Only secondary stresses due to elastic deformation get into the stiffening shells of said energy module. It is through this direct transmission of the power flow through the manipulator ring possible to keep the structural weights of the rest of the system low. Other forces which are passed into the main structure by the manipulator ring, generate by the peripheral introduction does not have any questionable voltage peaks, but only an even load.

Die Abbildung 3 zeigt ein Kräfteparallelogramm, bei dem verdeutlicht wird, wie die aus dem Manipulatorring in die Schalenstruktur übertragenen Kräfte zerlegt werden.Figure 3 shows a parallelogram of forces that shows becomes, like the forces transmitted from the manipulator ring into the shell structure be disassembled.

Die Abbildung 4 zeigt unterschiedliche Anschlußmöglichkeiten an den Flansch. Hier wird vorzugsweise der Manipulatorring als eine torsionssteife Röhre ausgebildet, die außerdem zur Aufnahmeder Verkabelung dient.Figure 4 shows different connection options to the Flange. Here, the manipulator ring is preferably used as a torsionally rigid tube formed, which also serves to accommodate the wiring.

Abbildung 5 zeigt einen Manipulatorring als Vieleck, wobei die Kraftfortleitung durch die steifen Kanten der pyramidenförmigen Schale stabilitätsmäßig vorteilhaft verlaufen.Figure 5 shows a manipulator ring as a polygon, with the force transmission due to the stiff edges of the pyramid-shaped shell, it is advantageous in terms of stability get lost.

Abbildung 6 zeigt sphärische Schalen als eine weitere Möglichkeit der Kraftfortleitung bei günstigem volumetrischem Wirkungsgrad.Figure 6 shows spherical shells as another possibility the power transmission with favorable volumetric efficiency.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird der Manipulatorring als Modul mit radialsymmetrischer Verzweigung und mit entsprechender Trennstelle ausgebildet. Das hat den Vorteil, daß der Manipulatorring ohne Demontage der anderen Moduln an-und abgebaut werden kann. Da ferner der Manipulatorring mit den Anschlußpunkten für die Aufhängung der Trägersysteme versehen werden kann, ergibt sich die weitere Möglichkeit, diese Anschlußpunkte für die Bodenaufhängung zu verwenden, so daß der Manipulatorflansch gleichzeitig auch als Montagering für das gesamte orbitale ferngesteuerte Manipulatorsystem dient. Letzteres zeigt die Figur 7 mit zusätzlich am Manipulatorring angebrachten Lageregelungsdüsen 5 sowie Anschlußpunkte zur Aufhängung in einem Trägersystem oder in einer entsprechenden Bodeneinrichtung.In a particular embodiment of the invention, the manipulator ring as a module with radially symmetrical branching and with a corresponding separation point educated. This has the advantage that the manipulator ring without dismantling the other Modules can be added and removed. There is also the manipulator ring with the connection points can be provided for the suspension of the carrier systems, there is the further Possibility to use these connection points for the floor suspension so that the Manipulator flange at the same time as a mounting ring for the entire orbital remote-controlled Manipulator system is used. The latter is shown in FIG. 7 with an additional manipulator ring attached position control nozzles 5 and connection points for suspension in a carrier system or in a corresponding ground facility.

Claims (9)

Patentansprüche 1. Orbitales ferngesteuertes Manipulatorsystem mit künstlichen Armen und Bestückung mit Sensoren, um eine direkte Rückkoppelung zu ermöglichen, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß im Bereich des größlen Um anges ein Manipulatorring (1) angeordnet ist, der die strukturelle Basis für die Manipulatorarme (2) bildet. Claims 1. Orbital remote controlled manipulator system with artificial arms and equipping with sensors to provide direct feedback make it possible to do this in the area of the greatest order ans a manipulator ring (1) is arranged, which forms the structural basis for the Manipulator arms (2) forms. 2. Orbitales ferngesteuertes Manipulatorsystem nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß eine Anzahl von vorwiegend radialsymmetrisch angeordneten, steuerbaren Manipulatorarmen (2) am Manipulatorring (1) vorgesehen sind, deren Reichweite annähernd innerhalb einer gedachten Kugel liegt. 2. Orbital remote controlled manipulator system according to claim 1, characterized g e k e n n n n z e i c h n e t that a number of predominantly radially symmetrically arranged, controllable manipulator arms (2) are provided on the manipulator ring (1), the range of which lies approximately within an imaginary sphere. 3. Orbitales ferngesteuertes Manipulatorsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß im Bereich des größten Umfanges zwei konisch ausgebildete Strukturschalen (4) miteinander verbunden eine steife periphere Kante bilden.3. Orbital remote controlled manipulator system according to claim 1 and 2, thereby g e k e n n n z e i c h -n e t that two in the area of the largest circumference conically formed structural shells (4) connected to one another a rigid peripheral Form edge. 4. Orbitales ferngesteuertes Manipulatorsystem nach Anspruch 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Schalenstruktur pyramidenförmig ausgebildet ist.4. Orbital remote controlled manipulator system according to claim 1 to 4, in that the shell structure is pyramid-shaped is trained. 5. Orbitales ferngesteuertes Manipulatorsystem nach Anspruch 4, dadurch gek e n n z e i c h ne t daß die Schalenstruktur sphärisch ausgebildet ist.5. Orbital remote controlled manipulator system according to claim 4, characterized it is noted that the shell structure is spherical. 6. Orbitales ferngesteuertes- Manipulatorsystem nach Anspruch 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß der Manipulatorring an die Peripherie der Schalenkante angeflanscht ist.6. Orbital remote-controlled manipulator system according to claim 1 to 5, in that the manipulator ring is attached to the periphery the shell edge is flanged. 7. Orbitalen ferngesteuertes Manipulatorsystem nach Anspruch 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß der Manipulatorring Anschlußstellen zum Einbau in ein Trägersystem besitzt.7. Orbitals remote-controlled manipulator system according to claim 1 to 6, characterized in that the manipulator ring connection points for installation in a carrier system. 8. Orbitales ferngesteuertes Manipulatorsystem nach Anspruch 1 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß der Manipulatorring Lagerregelungsdüsen (5) besitzt, die mit entsprechenden Zuleitungen und Untersystemen versehen sind.8. Orbital remote controlled manipulator system according to claim 1 to 7, in that the manipulator ring has bearing control nozzles (5), which are provided with appropriate supply lines and subsystems. 9. Orbitales ferngesteuertes Manipulatorsystem nach Anspruch 1 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß der Manipulatorring ein selbständiger Modul und trennbar ausgeführt ist9. Orbital remote controlled manipulator system according to claim 1 to 8, in that the manipulator ring is an independent one Module and is designed to be separable
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