CN106625584A - 一种基于索并联构型的宇航员太空作业机器人 - Google Patents

Abstract

一种基于索并联构型的宇航员太空作业机器人，为4索并联机器人，包括座椅机构、运动机构和平衡系统，座椅机构包括座椅、座椅固定架和控制面板；运动机构通过支撑框架固定在太空舱外侧，用于控制座椅机构的空间位置，可使末端座椅实现三平动自由度运动，包括出索机构、自动收索机构、三根主动索、一根被动索和喷气设备，出索机构通过三根主动索，自动收索机构通过一根被动索，连接在座椅后方的座椅固定架上，喷气设备安装座椅固定架上向后喷气，保证绳索时刻张紧；平衡系统包括通过固定架安装在座椅下方的陀螺仪，保持座椅平衡防止倾覆，该机器人能辅助宇航员进行出舱操作，相比于传统空间机械臂，其构型简单，制造成本低，且具有更大的作业空间。

Description

一种基于索并联构型的宇航员太空作业机器人

技术领域

本发明属于机械技术领域，涉及机器人机构，特别涉及一种基于索并联构型的宇航员太空作业机器人。

背景技术

太空中，宇航员完成出舱作业，通常要借助空间机械臂的辅助。传统的空间机械臂，例如加拿大臂SSRMS，日本实验舱机械手系统JEMRMS等，均为串联机械臂，制造成本高，体积大，臂展长度最大约15m，而空间站尺寸为几十米，机械臂的尺寸略显不足。虽然可以通过改变机械臂基部位置实现更大的工作空间，但操作复杂，效率低。

索并联机构相比于串联机构，具有高速运动，结构重量轻，制造等特点，由于绳索可以理论上无限缠绕在卷筒上，使得索并联机构工作空间很大，因此在航空航天、医疗康复和风洞实验等领域具有广阔的应用前景。若能将其替代传统的空间机械臂，辅助宇航员进行太空作业，不仅能够实现更大的工作空间，还可以大大减小制造、使用成本，具有十分重要的研究意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于索并联构型的宇航员太空作业机器人，其构型简单，制造成本低，且具有更大的作业空间，可辅助宇航员出舱作业。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于索并联构型的宇航员太空作业机器人，为4索并联机器人，包括座椅机构、运动机构和平衡系统，其特征在于：

所述座椅机构包括座椅11、座椅固定架9和控制面板10；

所述运动机构固定在太空舱1外侧，用于控制座椅机构的空间位置，可使末端座椅实现三平动自由度的运动；包括出索机构、自动收索机构、三根主动索6、一根被动索7和喷气设备8，出索机构通过三根主动索6，自动收索机构通过一根被动索7，连接在座椅11后方的座椅固定架9上，喷气设备8安装座椅固定架9上，向后喷气，保证绳索时刻张紧；

所述平衡系统包括通过固定架12安装在座椅11下方的陀螺仪13，保持座椅11平衡防止倾覆。

所述三根主动索6和一根被动索7在太空舱1一端的连接点构成四边形结构，在座椅固定架9一端的连接点也构成四边形结构，通过出索机构控制三根主动索6的长度，被动索7由自动收索机构拉紧，当机构出现问题时保证宇航员安全返回太空舱。

所述出索机构也为三个，分别与三根主动索6连接，包括电机14、联轴器15、减速箱16、卷筒一17、箱体一4和出索滑轮一5，其中，主动索6缠绕在卷筒一17上，经出索滑轮一5后连接座椅固定架9，电机14运转时，通过联轴器15和减速箱16，将运动传递至卷筒一17，从而控制主动索6收放。

所述控制面板10与电机14以及喷气设备8的控制系统以及连接，供坐在座椅11上的宇航员控制主动索6的出索长度及喷气设备8的工作状态。

所述自动收索机构，包括蜗卷弹簧19、中心轴20、卷筒二18、箱体二2和出索滑轮二3，被动索7缠绕在卷筒二18上，蜗卷弹簧19一端固定在中心轴20上，另一端与卷筒二18内侧相连，被动索7始终受到蜗卷弹簧19的拉力。

当被动索7出索时，卷筒二18顺时针旋转，蜗卷弹簧19处于张紧状态；若主动索6处于松弛状态或喷气设备8关闭时，蜗卷弹簧19拉动卷筒二18逆时针转动，被动索7自动收回。

所述平衡系统保证座椅11座面始终与太空舱轴线平行，防止倾覆。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)通过索并联机构替代传统的空间机械臂，不仅能完成辅助宇航员出舱作业任务，并且相对于传统空间机械臂，构型简单、成本低且具有更大的工作空间。

(2)设计了一条被动索，增加了设备的安全性。当主动索出现故障时，被动索会自动收回，保证宇航员安全返回太空舱。

(3)在座椅下方安装陀螺仪，进行姿态控制，而主动索只负责末端座椅的位置控制，最大程度上减少了绳索数量，避免绳索之间发生干涉。

附图说明

图1：基于索并联构型的宇航员太空作业机器人。

图2：出索机构示意图。

图3：自动收索机构原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明基于索并联构型的宇航员太空作业机器人，用于辅助宇航员进行出舱作业。包括运动机构、平衡系统、座椅机构等。

如图1所示，运动机构固定在航天器外侧，末端座椅11通过四根绳索与安装于太空舱1上的出索机构相连，四根绳索包括三根主动索6和一根被动索7。主动索6与出索机构相连，出索长度可以人为控制。被动索7与自动收索机构相连，收索机构中的蜗卷弹簧19始终保持张紧状态，保证出现情况时宇航员能顺利返回。座椅11通过三根主动索6和安装于座椅11后方的喷气设备8进行空间三平动自由度的运动，通过安装于座椅11下方的陀螺仪13进行位姿调整，防止倾覆。宇航员可以通过安装在座椅11上方的控制面板10对主动索6长度和喷气设备8进行控制，到达目标位置。

如图2所示，主动索6缠绕在卷筒一17上。电机14通过联轴器15，减速箱16与卷筒一17相连，通过电机14控制卷筒一17转动，对主动索6进行收放。

如图3所示，被动索7缠绕在卷筒二18上，蜗卷弹簧19一端与固定在箱体2上的中心轴20相连，另一端与卷筒二18内侧相连。当被动索7出索时，卷筒二18顺时针旋转，蜗卷弹簧19处于张紧状态。若主动索6处于松弛状态或喷气设备8关闭时，蜗卷弹簧19会拉动卷筒二18逆时针转动，被动索7自动收回，使宇航员安全返回太空舱。

Claims (7)

1.一种基于索并联构型的宇航员太空作业机器人，为4索并联机器人，包括座椅机构、运动机构和平衡系统，其特征在于：

所述座椅机构包括座椅(11)、座椅固定架(9)和控制面板(10)；

所述运动机构固定在太空舱(1)外侧，用于控制座椅机构的空间位置，包括出索机构、自动收索机构、三根主动索(6)、一根被动索(7)和喷气设备(8)，出索机构通过三根主动索(6)，自动收索机构通过一根被动索(7)，连接在座椅(11)后方的座椅固定架(9)上，喷气设备(8)安装座椅固定架(9)上，向后喷气，保证绳索时刻张紧；

所述平衡系统包括通过固定架(12)安装在座椅(11)下方的陀螺仪(13)，保持座椅(11)平衡防止倾覆。

2.根据权利要求1所述基于索并联构型的宇航员太空作业机器人，其特征在于，所述三根主动索(6)和一根被动索(7)在太空舱(1)一端的连接点构成四边形结构，在座椅固定架(9)一端的连接点也构成四边形结构，通过出索机构控制三根主动索(6)的长度，被动索(7)由自动收索机构拉紧，当机构出现问题时保证宇航员安全返回太空舱。

3.根据权利要求1所述基于索并联构型的宇航员太空作业机器人，其特征在于，所述出索机构也为三个，分别与三根主动索(6)连接，包括电机(14)、联轴器(15)、减速箱(16)、卷筒一(17)、箱体一(4)和出索滑轮一(5)，其中，主动索(6)缠绕在卷筒一(17)上，经出索滑轮一(5)后连接座椅固定架(9)，电机(14)运转时，通过联轴器(15)和减速箱(16)，将运动传递至卷筒一(17)，从而控制主动索(6)收放。

4.根据权利要求3所述基于索并联构型的宇航员太空作业机器人，其特征在于，所述控制面板(10)与电机(14)以及喷气设备(8)的控制系统以及连接，供坐在座椅(11)上的宇航员控制主动索(6)的出索长度及喷气设备(8)的工作状态。

5.根据权利要求1或3或4所述基于索并联构型的宇航员太空作业机器人，其特征在于，所述自动收索机构，包括蜗卷弹簧(19)、中心轴(20)、卷筒二(18)、箱体二(2)和出索滑轮二(3)，被动索(7)缠绕在卷筒二(18)上，蜗卷弹簧(19)一端固定在中心轴(20)上，另一端与卷筒二(18)内侧相连，被动索(7)始终受到蜗卷弹簧(19)的拉力。

6.根据权利要求5所述基于索并联构型的宇航员太空作业机器人，其特征在于，当被动索(7)出索时，卷筒二(18)顺时针旋转，蜗卷弹簧(19)处于张紧状态；若主动索(6)处于松弛状态或喷气设备(8)关闭时，蜗卷弹簧(19)拉动卷筒二(18)逆时针转动，被动索(7)自动收回。

7.根据权利要求1所述基于索并联构型的宇航员太空作业机器人，其特征在于，所述平衡系统保证座椅(11)座面始终与太空舱轴线平行，防止倾覆。