CN106275520B - 一种用于空间机器人推进的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于空间机器人推进的装置，该装置包括本体、储气罐、减压阀、稳压气容、比例控制阀、推进器、控制器和空间机械臂；其中，所述本体与所述空间机械臂相连接；所述储气罐、所述减压阀和所述稳压气容设置于所述本体内，所述储气罐、所述减压阀和所述稳压气容依次通过气管相连接；所述比例控制阀设置于所述空间机械臂内，所述控制器设置于所述本体内，所述比例控制阀的一端通过气管与所述稳压气容相连接，所述控制器与所述比例控制阀的引脚相连接；所述推进器设置于所述空间机械臂的末端，所述推进器通过气管与所述比例控制阀的另一端相连接。本发明通过推力的大小、方向和作用点提升了空间机器人的机动性和灵活性。

Description

一种用于空间机器人推进的装置
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推进的装置。
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。
2012年NASA绘制的技术路线图中空间机器人分为遥操作机器人、自主机器人两种，并将机器人、遥操作机器人和自主机器人列为其重要技术发展方向之一。
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。
要想实现空间机器人对目标进行有效捕获，需要空间机器人具有较强的机动性和灵活性，即能够以机动和灵活的推进能力对目标实施追击，从而实现捕获操作。但是由于地球轨道环境的微重力特性和飞行器喷气式推进器配备的限制等原因，空间机器人机动和灵活飞行控制是制约目标捕获能力的关键因素，并为空间机器人的设计提出了较大的挑战。
空间机器人自由飞行控制主要分为姿态控制和轨道控制，而动力装置一般为反作用力飞轮和喷气式推进器。反作用力飞轮利用角动量守恒原理对在轨飞行器的姿态进行平衡控制，能够以较高的控制精度实现姿态精细控制。但由于其容易饱和的特性并且其作用能力较弱，一般多用在用来抵消飞行器姿态扰动的姿态稳定控制场合，而无法满足机动和灵活飞行控制的需要。喷气式推进器则是利用动量守恒原理，利用飞行器储存的燃料，通过喷气式推进器喷射高速度的气体，从而为飞行器提供反作用力动量，用来进行姿态控制和轨道运动。但由于其冲量推进的特点，其控制柔顺程度不如飞轮。并且由于喷气推进器自身限制，大推力推进器姿控柔顺性太差，小推力推进器推进能力太弱，很难满足空间机器人自由飞行的要求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：相比于现有技术，提供了一种用于空间机器人推进的装置，控制了推力的大小、方向和作用点，满足了机动和灵活飞行控制的需要。
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推进的装置，该装置包括：本体、储气罐、减压阀、稳压气容、比例控制阀、推进器、控制器和空间机械臂；其中，所述本体与所述空间机械臂相连接；所述储气罐、所述减压阀和所述稳压气容设置于所述本体内，所述储气罐、所述减压阀和所述稳压气容依次通过气管相连接；所述比例控制阀设置于所述空间机械臂内，所述控制器设置于所述本体内，所述比例控制阀的一端通过气管与所述稳压气容相连接，所述控制器与所述比例控制阀的引脚相连接；所述推进器设置于所述空间机械臂的末端，所述推进器通过气管与所述比例控制阀的另一端相连接；所述储气罐用于放置压缩气体，压缩气体通过气管经过所述减压阀减压作用和所述稳压气容的稳压作用后输送给所述比例控制阀，所述控制器控制所述比例控制阀的开合程度调节输送给所述推进器的气流量，所述推进器根据所述气流量的大小实现其推力大小的调节。
上述用于空间机器人推进的装置中，所述空间机械臂具有六个及以上的自由度，能够调节所述推进器的推力的作用点和方向。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明通过将推进器设置在空间机械臂的末端，通过比例调节阀能够控制推力的大小，通过空间机械臂的自由度与推进器的结合，能够调节推力的方向和作用点，通过推力的大小、方向和作用点实现对空间机器人的机动和灵活的运动推进，从而提升了空间机器人的机动性和灵活性，为在空间中捕获目标提供良好的基础。
附图说明
图1示出了本发明的实施例提供的用于空间机器人推进的装置的结构示意图；
图2示出了本发明的实施例提供的机械臂推进力与本体需要推进力之间的关系的示意图。
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示出了本发明的实施例提供的用于空间机器人推进的装置的结构示意图。如图1所示，该装置包括本体1、储气罐2、减压阀3、稳压气容4、比例控制阀5、推进器6、控制器7和空间机械臂8。其中，
本体1与空间机械臂8相连接，具体实施时，本体1可以与空间机械臂8螺纹连接，需要理解的是，本体与空间机械臂的连接方式有多种，本实施例不加以限定。
储气罐2、减压阀3、稳压气容4和控制器7设置于本体1内，储气罐2、减压阀3和稳压气容4依次通过气管相连接。具体实施时，储气罐2和稳压气容4可以由金属材料制成，从而使得在高空状态下，储气罐2和稳压气容4具有一定的刚性，使其不易变形。
比例控制阀5设置于空间机械臂8内，比例控制阀5的一端通过气管与稳压气容4相连接，控制器7与比例控制阀5相连接。具体实施时，控制器7通过电路与比例控制阀5的引脚相连接。
推进器6设置于空间机械臂8的末端，推进器6通过气管与比例控制阀5的另一端相连接。具体实施时，推进器6与空间机械臂8的末端可以螺纹连接。
工作时，储气罐2用于放置压缩气体，压缩气体通过气管到达减压阀3，由于压缩气体的压力很大，通过减压阀3的减压作用后压缩气体减压，减压后的气体通过气管到达稳压气容4，由于减压后的气体压力不稳定，需要进行稳压，稳压气容4对减压后的气体进行稳压，稳压后的气体平稳的输送给比例控制阀5，控制器7控制比例控制阀5的开合程度，通过比例控制阀5的开合程度可调节输送给推进器6的气流量，推进器6根据该气流量的大小实现其推力大小的调节。
空间机械臂8具有六个及以上的自由度，能够调节推进器6的推力的作用点和方向。
本实施例通过将推进器设置在空间机械臂的末端，通过比例调节阀能够控制推力的大小，通过空间机械臂的自由度与推进器的结合，能够调节推力的方向和作用点，通过推力的大小、方向和作用点实现对空间机器人的机动和灵活的运动推进，从而提升了空间机器人的机动性和灵活性，为在空间中捕获目标提供良好的基础。
下面通过空间机械臂8具有六个自由度举例说明：
以具有六个自由度的空间机械臂为例，具有六自由度的空间机械臂在解空间内可以将安装于其末端的推进器以任意的姿态摆放在笛卡尔空间的任意位置，其中，解空间为六自由度空间机械臂所有解的集合，在该集合内能够找到满足末端位姿需求的解。这样，就为改变推进器推力的作用点和方向提供了基础。此外利用比例调节阀可以改变推力的大小。这样就能实现对推力大小、方向和作用点的调节。
空间机械臂的摆动满足条件：
其中，Hq为由本体和空间机械臂组成的空间机器人的惯性矩阵在空间机械臂关节空间的映射和体现，为空间机械臂关节空间关节角速度变量的矢量表示。按公式(1)表述的原则摆动，空间机械臂在调节推进器推力位姿时产生的对本体的扰动为零。
如图2所示，在上述公式(1)约束解空间下，使得推进器6推力方向沿本体需求推力bfh的方向，根据下述公式便可确定推进器需要施加的推力fh。
其中，bfh为能够实现期望运动空间机器人需要受到的力，为力从推进器变换到本体上的变换矩阵，fh为推进器施加在空间机械臂末端的推力。
至此，利用控制器对空间机械臂进行运动控制，以实现期望的运动q，同时控制器对推进器的比例调节阀进行控制，以实现期望的推力fh，从而可实现期望的运动。
与六自由度机械臂类似，七自由度及以上自由度的机械臂对实现推进器摆动任务来说属于冗余机械臂，可增加约束并采用上述方法实现上述运动，没有本质区别。
本发明通过将推进器设置在空间机械臂的末端，通过比例调节阀能够控制推力的大小，通过空间机械臂的自由度与推进器的结合，能够调节推力的方向和作用点，通过推力的大小、方向和作用点实现对空间机器人的机动和灵活的运动推进，从而提升了空间机器人的机动性和灵活性，为在空间中捕获目标提供良好的基础。
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 (2)

1.一种用于空间机器人推进的装置，其特征在于包括：本体(1)、储气罐(2)、减压阀(3)、稳压气容(4)、比例控制阀(5)、推进器(6)、控制器(7)和空间机械臂(8)；其中，
所述本体(1)与所述空间机械臂(8)螺纹连接；
所述储气罐(2)、所述减压阀(3)和所述稳压气容(4)设置于所述本体(1)内，所述储气罐(2)、所述减压阀(3)和所述稳压气容(4)依次通过气管相连接；
所述比例控制阀(5)设置于所述空间机械臂(8)内，所述控制器(7)设置于所述本体(1)内，所述比例控制阀(5)的一端通过气管与所述稳压气容(4)相连接，所述控制器(7)与所述比例控制阀(5)的引脚相连接；
所述推进器(6)设置于所述空间机械臂(8)的末端，所述推进器(6)通过气管与所述比例控制阀(5)的另一端相连接；
所述储气罐(2)用于放置压缩气体，压缩气体通过气管经过所述减压阀(3)减压作用和所述稳压气容(4)的稳压作用后输送给所述比例控制阀(5)，所述控制器(7)控制所述比例控制阀(5)的开合程度调节输送给所述推进器(6)的气流量，所述推进器(6)根据所述气流量的大小实现其推力大小的调节。
2.根据权利要求1所述的用于空间机器人推进的装置，其特征在于，所述空间机械臂(8)具有六个及以上的自由度，能够调节所述推进器(6)的推力的作用点和方向。
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