CN106217378A - 一种用于空间机器人安全捕获的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于空间机器人安全捕获的装置，该装置包括：机械臂、六维力/力矩传感器、缓冲器、末端执行器和信号处理单元；其中，所述六维力/力矩传感器与所述机械臂的末端相连接；所述缓冲器包括第一金属板、阻尼导轨、弹簧器、微动开关和第二金属板；所述信号处理单元分别与所述机械臂、所述六维力/力矩传感器、所述微动开关和所述末端执行器相连接。本发明提高了捕获目标物体的成功率，减小了机械臂的损坏风险。

Description

一种用于空间机器人安全捕获的装置
技术领域
本发明涉及空间机器人领域，尤其涉及一种用于空间机器人安全捕获的装置。
背景技术
空间机器人是用于代替人类在太空中进行科学试验、出舱操作、空间探测等活动的特种机器人。空间机器人代替宇航员出舱活动可以大幅度降低风险和成本。
空间机器人是在空间环境中活动的，空间环境和地面环境差别很大，空间机器人工作在微重力，高真空，超低温，强辐射，照明差的环境中，因此，空间机器人与地面机器人的要求也必然不相同，有它自身的特点。
能够自由飞行的空间机器人在地球轨道以高度进行绕地飞行，当其对目标进行捕获操作的时候，机器人和目标物间的冲击作用可能导致目标物被碰撞远离或机器人手臂的损坏不良后果，这些都导致空间任务的失败。
发明内容
本发明解决的技术问题是：相比于现有技术，本发明提供了一种用于空间机器人安全捕获的装置，提高了空间机器人捕获目标物体的成功率，减小了机械臂损坏的风险。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种用于空间机器人安全捕获的装置，该装置包括：机械臂、六维力/力矩传感器、缓冲器、末端执行器和信号处理单元；其中，所述六维力/力矩传感器与所述机械臂的末端相连接；所述缓冲器包括第一金属板、核心部件和第二金属板，其中，核心部件包括阻尼导轨、弹簧器和微动开关；所述六维力/力矩传感器设置于所述第一金属板的外壁；所述第一金属板开设有第一孔，所述阻尼导轨的一端通过所述第一孔穿设于所述第一金属板并与所述第二金属板相连接；所述弹簧器套设于所述阻尼导轨，并位于所述第一金属板与所述第二金属板之间；所述微动开关的顶端与所述阻尼导轨的帽相连接，所述微动开关的簧片与所述第一金属板的外壁相接触；所述末端执行器与所述缓冲器相连接；所述信号处理单元分别与所述机械臂、所述六维力/力矩传感器、所述微动开关和所述末端执行器相连接；所述末端执行器接触目标物体，所述第二金属板受到压力作用，所述阻尼导轨通过所述第一孔轴向运动并提供摩擦力，同时使得所述弹簧器压缩，使得所述第二金属板与所述第一金属板相对运动，从而触发所述微动开关，所述微动开关的开关信息传输给所述信号处理单元，所述第二金属板与所述第一金属板相对运动使得所述第一金属板受到所述弹簧器和所述阻尼导轨的压力，所述六维力/力矩传感器受到所述第一金属板施加的压力并采集力信息和力矩信息，所述力信息和力矩信息传输给所述信号处理单元，所述信号处理单元根据所述开关信息、所述力信息和所述力矩信息控制所述机械臂对所述六维力/力矩传感器的输出力和力矩，使得所述六维力/力矩传感器受到的除其轴向外的力和力矩为零，同时所述信号处理单元控制所述末端执行器对所述目标物体实时捕获。
上述用于空间机器人安全捕获的装置中，所述核心部件的数量为三组。
上述用于空间机器人安全捕获的装置中，从三个所述微动开关中取得任意两个微动开关的开关信息传输给所述信号处理单元。
上述用于空间机器人安全捕获的装置中，所述第二金属板开设有与所述第一孔相对应的第二孔，所述阻尼导轨的一端通过所述第二孔穿设于所述第二金属板并与螺母相连接，所述阻尼导轨的突出部压接于所述第二金属板的内壁，所述螺母压接于所述第二金属板的外壁。
上述用于空间机器人安全捕获的装置中，所述第二金属板开设有与所述第一孔相对应的第二孔，所述阻尼导轨套设有第二螺母和第三螺母，所述阻尼导轨通过所述第二孔穿设于所述第二金属板，其中，所述第二金属板位于所述第二螺母和所述第三螺母之间，所述第二螺母与所述第二金属板的上端面相压接，所述第三螺母与所述第二金属板的下端面相压接。
上述用于空间机器人安全捕获的装置中，所述第二金属板开设有与所述第一孔相对应的第二孔，所述阻尼导轨套设有第二螺母和第三螺母，所述阻尼导轨通过所述第二孔穿设于所述第二金属板，其中，所述第二金属板位于所述第二螺母和所述第三螺母之间，所述第二螺母与所述第二金属板的上端面相压接，所述第三螺母与所述第二金属板的下端面相压接。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明通过信号处理单元控制机械臂对六维力/力矩传感器的输出力和力矩，延长了末端执行器与目标物体的接触时间，消弱了冲击力的影响，提高了捕获目标物体的成功率；
(2)本发明通过弹簧器的压缩作用和阻尼导轨沿其轴向运动产生摩擦力吸收末端执行器碰撞目标物体时的部分冲击力，有效的防止了机械臂的损坏。
附图说明
图1是本发明的用于空间机器人安全捕获的装置的结构示意图；
图2是本发明的缓冲器处于初始状态的结构示意图；
图3是本发明的缓冲器处于触发状态的结构示意图；
图4是本发明的阻尼导轨的结构示意图；
图5是本发明的用于空间机器人安全捕获的装置受到目标物体的冲击力的示意图；
图6是本发明的空间机器人与目标物体的冲击过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
图1示出了本发明的用于空间机器人安全捕获的装置的结构示意图。如图1所示，该装置包括：机械臂1、六维力/力矩传感器2、缓冲器3、末端执行器4和信号处理单元5，具体实施时，机械臂1的自由度可以为六自由度及以上。其中，
六维力/力矩传感器2与机械臂1的末端相连接，具体实施时，六维力/力矩传感器2可以与机械臂1的末端螺纹连接，连接方式可以有多种，本实施例不加以限定。
缓冲器3包括第一金属板31、阻尼导轨32、弹簧器33、微动开关34和第二金属板35，具体实施时，第一金属板31和第二金属板35的制作材料可以有多种金属，本实施例不加以限定。其中，
六维力/力矩传感器2设置于第一金属板31的外壁，具体实施时，六维力/力矩传感器2可以与第一金属板31的外壁螺纹连接，也可以焊接，连接方式可以有多种，本实施例不加以限定。
第一金属板31开设有第一孔311，阻尼导轨32的一端通过第一孔311穿设于第一金属板31并与第二金属板35相连接。
具体的，第一金属板31开设有第一孔311，第二金属板35开设有与第一孔311位置相对应的第二孔351，阻尼导轨32通过第一孔311穿过第一金属板31，第一金属板31通过第一孔311可以与阻尼导轨32发生相对运动，并且阻尼导轨32通过第二孔351穿过第二金属板35，阻尼导轨32设置有突出部321，如图4所示，突出部321可以为两个，以阻尼导轨32的轴向呈对称性分布，需要理解的是，第一孔311开设的形状与突出部321的形状相对应，使得具有突出部321的阻尼导轨32可以刚好通过第一孔311，突出部321压接于第二金属板35的内壁，螺母322与阻尼导轨32的末端螺纹连接，旋转螺母322使得螺母322与第二金属板35的外壁紧紧接触，从而通过螺母322和突出部321将第二金属板35固定住。
这里需要说明的是，阻尼导轨还可以不设置突出部，阻尼导轨穿过第一金属板后可连接一个螺母，然后再穿过第二金属板，再连接一个螺母，通过两个螺母将第二金属板固定。
弹簧器33套设于阻尼导轨32，并位于第一金属板31与第二金属板35之间，通过弹簧器33可以将部分冲力转换为弹簧器33的弹力。
微动开关34与阻尼导轨32的帽323相连接，微动开关34的簧片与第一金属板31的外壁相接触。具体实施时，微动开关34可以与阻尼导轨32的帽323螺纹连接，连接方式可以有多种，本实施例不加以限定。
如图2所示，当微动开关处于初始状态时，微动开关34的簧片与第一金属板31的外壁相接触，当第二金属板35收到冲击力作用的时候，从而会压缩弹簧器33，弹簧器33的弹力会给第一金属板31作用力，从而使得微动开关34的簧片能够检测到瞬间变化，使得微动开关34处于图3所示的触发状态。
末端执行器4与缓冲器3相连接，末端执行器4用于对目标物体进行实时抓捕操作。
信号处理单元5分别与机械臂1、六维力/力矩传感器2、微动开关34和末端执行器4相连接。需要理解的是，图1中的虚线框代表的是空间机器人的本体，信号处理单元5设置于本体内。
工作时，末端执行器4接触目标物体，目标物体会对末端执行器4有一定的冲击力，冲击力使得末端执行器4对第二金属板35有一定压力作用，阻尼导轨32通过第一孔311沿其轴向运动并提供摩擦力，同时使得弹簧器33压缩，摩擦力和弹簧器33的压缩作用吸收部分冲击力，弹簧器33压缩使得第二金属板35与第一金属板31相对运动，从而触发微动开关34，微动开关34的开关信息传输给信号处理单元5，第二金属板35与第一金属板31相对运动使得第一金属板31受到弹簧器33和阻尼导轨32的压力，六维力/力矩传感器2受到第一金属板31施加的压力并采集力信息和力矩信息，力信息和力矩信息传输给信号处理单元5，信号处理单元5根据开关信息、力信息和力矩信息控制机械臂1对六维力/力矩传感器2的输出力和力矩使得六维力/力矩传感器2受到的除其轴向方向外的力和力矩为零，实现冲击作用时空间机器人的姿态稳定，从而提高捕获目标物体的成功率，同时信号处理单元5控制末端执行器4对目标物体实时捕获。
当微动开关34处于压紧状态时，即缓冲器3处在初始态时，则微动开关34输出引脚电压为低电平，称为“开”信息；当微动开关34处于弹开开状态，即缓冲器3受到外部轴向压力处于压缩状态，固连在阻尼导轨帽上的微动开关簧片弹开，微动开关34输出引脚电压为高电平，称为“关”状态。开关信息是微动开关34输出的电平信号表征量，三根阻尼导轨32上分别安装有微动开关34，利用三个开关信号的“三取二”原则得到更加可靠的末端执行器4与目标物体的接触信息，该接触信息作为触发信号触发信号处理单元5开始控制机械臂1进行主动力控制，来柔顺空间机器人和目标物之间的接触力。
如图5所示，fh为六维力/力矩传感器2采集到的末端执行器4受到目标物体的冲击力，是变换矩阵，用以将末端执行器4受到的力解算到空间机器人的本体上，图5中的虚线框代表本体，信号处理单元5设置于本体内。bfh为fh施加的力反应到本体上的力。bfhx为bfh过本体质心的分量，bfhy为bfh垂直于bfhx的分量。
f b h = X h T b f h - - - ( 1 )
信号处理单元5利用采集到的fh按上述公式(1)计算出bfhy(111)，并通过控制机械臂1根据公式(2)和公式(3)来控制目标物体。
bfhx≤fm (2)
bfhy＝0 (3)
其中，fm为机械臂1能够承受的最大冲击力，为已知条件。
本实施例中通过弹簧器的压缩作用和阻尼导轨沿其轴向运动产生摩擦力吸收末端执行器碰撞目标物体时的部分冲击力，有效的防止了机械臂的损坏，并且通过信号处理单元控制机械臂对六维力/力矩传感器的输出力和力矩，延长了末端执行器与目标物体的接触时间，消弱了冲击力的影响，提高了捕获目标物体的成功率。
如图6所示，空间机器人与目标物体的冲击过程可做如下划分：1)冲击前阶段；2)被动冲击阶段；3)主动冲击阶段；4)冲击后阶段。
在冲击前阶段中，空间机器人基于立体视觉和激光雷达等目标探测信息，利用喷气式推进器调整空间机器人状态，做好冲击准备。
被动冲击阶段，空间机器人的末端执行器4与目标物体接触，并在目标物体对末端执行器4外力作用下，末端执行器4影响缓冲器3发生溃缩。同时，六维力/力矩传感器2检测到机械臂1末端受力信息，触发机械臂进行主动柔顺控制，进入主动冲击阶段。需要理解的是，被动冲击阶段与主动冲击阶段从时间上不存在严格的先后关系，根据微动开关信息进入被动冲击阶段与主动冲击阶段。
当机械臂1完成整个主动柔顺过程，即利用六维力/力矩传感器信息实现对末端作用力的主动控制，使得其不超过机械臂能够承受的最大值。空间机器人本体和目标物体达到相对静止的稳定状态，则进入冲击后阶段，在该阶段空间机器人和目标处在相对静止状态。
本发明通过弹簧器的压缩作用和阻尼导轨沿其轴向运动产生摩擦力吸收末端执行器碰撞目标物体时的部分冲击力，有效的防止了机械臂的损坏，并且通过信号处理单元控制机械臂对六维力/力矩传感器的输出力和力矩，延长了末端执行器与目标物体的接触时间，消弱了冲击力的影响，提高了捕获目标物体的成功率。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于空间机器人安全捕获的装置，其特征在于包括：机械臂(1)、六维力/力矩传感器(2)、缓冲器(3)、末端执行器(4)和信号处理单元(5)；其中，
所述六维力/力矩传感器(2)与所述机械臂(1)的末端相连接；
所述缓冲器(3)包括第一金属板(31)、核心部件和第二金属板(35)，其中，
核心部件包括阻尼导轨(32)、弹簧器(33)和微动开关(34)；
所述六维力/力矩传感器(2)设置于所述第一金属板(31)的外壁；
所述第一金属板(31)开设有第一孔(311)，所述阻尼导轨(32)的一端通过所述第一孔(311)穿设于所述第一金属板(31)并与所述第二金属板(35)相连接；
所述弹簧器(33)套设于所述阻尼导轨(32)，并位于所述第一金属板(31)与所述第二金属板(35)之间；
所述微动开关(34)的顶端与所述阻尼导轨(32)的帽(323)相连接，所述微动开关(34)的簧片与所述第一金属板(31)的外壁相接触；
所述末端执行器(4)与所述缓冲器(3)相连接；
所述信号处理单元(5)分别与所述机械臂(1)、所述六维力/力矩传感器(2)、所述微动开关(34)和所述末端执行器(4)相连接；
所述末端执行器(4)接触目标物体，所述第二金属板(35)受到压力作用，所述阻尼导轨(32)通过所述第一孔(311)沿其轴向运动并提供摩擦力，同时使得所述弹簧器(33)压缩，使得所述第二金属板(35)与所述第一金属板(31)相对运动，从而触发所述微动开关(34)，所述微动开关(34)的开关信息传输给所述信号处理单元(5)，所述第二金属板(35)与所述第一金属板(31)相对运动使得所述第一金属板(31)受到所述弹簧器(33)和所述阻尼导轨(32)的压力，所述六维力/力矩传感器(2)受到所述第一金属板(31)施加的压力并采集力信息和力矩信息，所述力信息和力矩信息传输给所述信号处理单元(5)，所述信号处理单元(5)根据所述开关信息、所述力信息和所述力矩信息控制所述机械臂(1)对所述六维力/力矩传感器(2)的输出力和力矩，使得所述六维力/力矩传感器(2)受到的除其轴向外的力和力矩为零，同时所述信号处理单元(5)控制所述末端执行器(4)对所述目标物体实时捕获。
2.根据权利要求1所述的用于空间机器人安全捕获的装置，其特征在于，所述核心部件的数量为三组。
3.根据权利要求2所述的用于空间机器人安全捕获的装置，其特征在于，从三个所述微动开关(34)中取得任意两个微动开关(34)的开关信息传输给所述信号处理单元(5)。
4.根据权利要求1所述的用于空间机器人安全捕获的装置，其特征在于包括：所述第二金属板(35)开设有与所述第一孔(311)相对应的第二孔(351)，所述阻尼导轨(32)的一端通过所述第二孔(351)穿设于所述第二金属板(35)并与螺母(322)相连接，所述阻尼导轨(32)的突出部(321)压接于所述第二金属板(35)的内壁，所述螺母(322)压接于所述第二金属板(35)的外壁。
5.根据权利要求1所述的用于空间机器人安全捕获的装置，其特征在于：所述第二金属板(35)开设有与所述第一孔(311)相对应的第二孔(351)，所述阻尼导轨(32)套设有第二螺母和第三螺母，所述阻尼导轨(32)通过所述第二孔(351)穿设于所述第二金属板(35)，其中，所述第二金属板(35)位于所述第二螺母和所述第三螺母之间，所述第二螺母与所述第二金属板(35)的上端面相压接，所述第三螺母与所述第二金属板(35)的下端面相压接。
6.根据权利要求2所述的用于空间机器人安全捕获的装置，其特征在于：所述第二金属板(35)开设有与所述第一孔(311)相对应的第二孔(351)，所述阻尼导轨(32)套设有第二螺母和第三螺母，所述阻尼导轨(32)通过所述第二孔(351)穿设于所述第二金属板(35)，其中，所述第二金属板(35)位于所述第二螺母和所述第三螺母之间，所述第二螺母与所述第二金属板(35)的上端面相压接，所述第三螺母与所述第二金属板(35)的下端面相压接。
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