CN107738277A - 一种太空服务机器人及其组装方法和拆分方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太空服务机器人及其组装方法和拆分方法，太空服务机器人包括至少两个基本模块，每个基本模块都能够在太空中独立运行；每个基本模块均包括一颗立方体卫星，立方体卫星上设置有若干功能部件；立方体卫星的内表面安装有线圈，线圈用于通入电流后产生磁场，实现基本模块的接近或分离；立方体卫星设置有线圈的侧面上还设置有机械锁定装置，基本模块之间通过机械锁定装置进行锁定；机械锁定装置与线圈同轴设置。本发明根据任务需要将不同功能的、独立运行的基本模块组装成能够提供不同服务的太空服务机器人，本发明能够利用少量的基本模块完成大量的任务，灵活性强、基本模块的可重复利用程度高、成本低。

Description

一种太空服务机器人及其组装方法和拆分方法

技术领域

本发明属于航天技术领域，具体涉及一种太空服务机器人及其组装方法和拆分方法。

背景技术

太空服务机器人是指在大型航天器或空间站外作业的小型智能性航天器。太空服务机器人是一颗单独的航天器。太空服务机器人上安装的典型机械装置是机械臂，在星载计算机控制下，能够智能地完成抓捕、制造、维修、替换、保养目标航天器的任务。通过提供这些服务，能够延长太空中运行的卫星、宇宙飞船、空间站的寿命，提升他们的功能。

目前，美国绳系无限公司正在研制一种称为“蜘蛛制造”的太空制造机器人。利用这种机器人，能够在太空灵活地织造或修补航天器的大型网状天线等部件。美国国防预先研究计划局正在开展的卫星机器人服务项目设想在太空机器人上安装两个机械臂，利用机械臂对故障航天器进行高分辨率探测、机械修复、空间位置重新定位、安装替换部件等复杂操作。美国航空航天局设计的一种火星探测机器人，尺寸0.5米，从宇宙飞船释放到火卫一卫星上，能够借助外表的针刺跳跃滚动行走，比传统的轮式车辆更有效，更适合在重力很小的卫星上进行探测工作。然而，现有的太空服务机器人还存在以下不足：1)功能固化、无法调整。目前太空服务机器人都是按照特定用途设计的，机器人构造、形状、尺寸、器件等都是固定不变的，只能执行少数任务，通用性不强。2)可重复利用程度低。现有的太空服务机器人只能执行人们设定好的任务，导致太空服务机器人的利用率比较低。如果要完成不同类型任务，就需要发展很多类型的太空机器人，不但成本高，所需的时间也很长。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种能够灵活组装的太空服务机器人及其组装方法和拆分方法。

本发明所采用的技术方案为：一种太空服务机器人包括至少两个基本模块，每个所述基本模块都能够在太空中独立运行；每个所述基本模块均包括一立方体卫星，所述立方体卫星上设置有若干功能部件；所述立方体卫星的内表面设置有线圈，所述线圈用于通入电流后产生磁场，所述基本模块之间通过所述线圈实现接近或分离；所述立方体卫星设置有线圈的侧面上还设置有机械锁定装置，所述基本模块之间通过所述机械锁定装置进行锁定；所述机械锁定装置与线圈同轴设置。

进一步地，所述立方体卫星中不同轴的三个侧面内均安装有所述线圈，所述立方体卫星中安装有线圈的三个侧面外均安装有所述机械锁定装置。

进一步地，所述基本模块中安装有线圈的三个侧面上均安装有所述机械锁定装置。

进一步地，所述功能部件采用摄像机、机械臂、夹钳、破拆钳、储料箱和发动机中的一种或多种。

进一步地，所述机械锁定装置采用异体同构周边式对接装置的等比例缩小版或抓手-碰撞锁式对接装置的等比例缩小版。

进一步地，所述基本模块为探测模块、抓捕模块、修理模块、加注模块、材料模块、动力模块或防护模块；所述探测模块用于对故障航天器进行全方位的探测，所述抓捕模块用于捕捉故障航天器，所述修理模块用于对故障航天器进行拆开、修复、连接操作，所述加注模块用于对航天器进行燃料补给，所述材料模块用于为所述修理模块提供各种修理材料，所述动力模块用于为航天器提供动力，使航天器改变轨道，所述防护模块用于抵抗太空碎片的撞击、改变太空碎片的运动方向。

更进一步地，所述探测模块包括立方体卫星以及设置在所述立方体卫星上的摄像机、线圈和机械锁定装置，所述抓捕模块包括立方体卫星以及设置在所述立方体卫星上的机械臂或夹钳、线圈和机械锁定装置；所述修理模块包括立方体卫星以及设置在立方体卫星上的机械手臂或破拆钳、线圈和机械锁定装置；所述加注模块包括立方体卫星以及设置在所述立方体卫星上的燃料储箱、加注装置、线圈和机械锁定装置；所述材料模块包括立方体卫星以及设置在所述立方体卫星上的材料箱、线圈和机械锁定装置；所述动力模块包括立方体卫星以及设置在所述立方体卫星上的发动机、线圈和机械锁定装置；所述防护模块设置在立方体卫星的外表面上，其采用四面体结构，由高强度金属材料制成，所述防护模块内部设置有弹簧。

一种太空服务机器人的组装方法包括以下步骤：

根据实际任务，选择需要组装的基本模块；

根据各基本模块之间的相对位置关系设定基本模块的组装次序；

按照设定的组装顺序，依次组装各基本模块，其具体过程为：调整待组装的两基本模块或基本模块与组合体的姿态，使得基本模块设置有线圈和机械锁定装置的组装面相对；给待组装的基本模块上的线圈通电，使其产生相互吸引的磁场，在磁场的吸引作用下，使两基本模块或基本模块与组合体之间的距离接近机械锁定装置的工作距离；启动待组装的基本模块上的机械锁定装置进行锁定；停止给已锁定的基本模块的线圈供电，磁场消失，已锁定的基本模块或组合体形成新的组合体；重复上述组装过程直到将需要组装的基本模块全部组装完成。

一种太空服务机器人的拆分方法包括以下步骤：

根据太空服务机器人组合体中各基本模块的相对位置关系和分离后各基本模块的预期飞行轨道，确定太空服务机器人组合体中各基本模块的拆分顺序；

按照拆分顺序，对太空服务机器人组合体进行拆分，其具体过程为：调整太空服务机器人组合体的姿态；控制要拆分的基本模块上的机械锁定装置开锁，解除当前要拆分的基本模块与剩余组合体或基本模块的物理连接；给当前要拆分的基本模块和剩余组合体或基本模块上的线圈通电，使其产生相互排斥的磁场，在磁场的排斥作用下，当前要拆分的基本模块与剩余组合体或基本模块分离，进入预定飞行轨道；重复上述拆分过程直到将太空服务机器人组合体中的基本模块全部拆分完成。

进一步地，所述步骤调整太空服务机器人组合体的姿态的过程为：根据当前要拆分的基本模块预期分离后的轨道，计算所述基本模块的分离方向和分离速度，调整太空服务机器人组合体的姿态使其对准当前要拆分的基本模块的分离方向。

进一步地，所述基本模块包括探测模块、抓捕模块、修理模块、加注模块、材料模块、动力模块和防护模块。

由于采用以上技术方案，本发明的有益效果为：本发明根据任务需要将不同功能的基本模块组装成能够提供不同服务的太空服务机器人，完成任务后再将组装成的太空服务机器人拆分成各个独立运行的基本模块，本发明能够利用少量的基本模块完成大量的任务，灵活性强、基本模块的可重复利用程度高、成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的一种太空服务机器人的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的一种太空服务机器人的组装方法的流程图；

图3是本发明一实施例提供的一种太空服务机器人的拆分方法的流程图。

图中：1-基本模块；11-立方体卫星；12-线圈；13-机械锁定装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种太空服务机器人，其包括至少两个基本模块1，每个基本模块1都能够在太空中独立运行。每个基本模块1均包括一立方体卫星11，立方体卫星11上设置有若干功能部件。立方体卫星11的内表面设置有线圈12，线圈12用于通入电流后产生磁场。立方体卫星11设置有线圈 12的侧面上还设置有机械锁定装置13，基本模块1之间通过机械锁定装置13 进行锁定。机械锁定装置13与线圈12同轴设置，以便在电磁力控制基本模块 1接近或分离时机械锁定装置13能够接续工作。

具体地，立方体卫星11中不同轴的三个侧面内均安装有线圈12，立方体卫星11中安装有线圈12的三个侧面外均安装有机械锁定装置13，从而支持三个空间维度上的拼接。

立方体卫星11采用现在太空中比较成熟的小型模块化航天器。每个立方体卫星11的尺寸是10厘米×10厘米×10厘米，其设置有独立的电源、通信、热控、姿态控制等系统，能够独立运行。根据需要，不同功能的基本模块1可以通过线圈12的通断电和机械锁定装置13配合进行组装或拆分。其中，功能部件可以为摄像机、机械臂、夹钳、破拆钳、储料箱和发动机等。

具体地，机械锁定装置13采用苏联和美国在1975年共同研制出的异体同构周边式对接装置的等比例缩小版或中国研制出的已用在神舟八号和天宫一号上的抓手-碰撞锁式对接装置的等比例缩小版等。

本发明太空服务机器人的工作原理为：根据实际需要，当需要将两个不同功能的基本模块1组装在一起时，由地面运行控制中心对立方体卫星11上注遥控指令，由立方体卫星11给所在基本模块1的线圈12通入异向电流，线圈12 通电后产生磁场。两个在太空中相互独立的基本模块1可以通过所产生磁场的吸引作用吸附在一起，同时通过两基本模块1上的机械锁定装置13锁定在一起，组装成一组合体。通过控制基本模块1的通电次序和电流方向，就可以使基本模块1按照顺序进行对接、锁定，形成新的整体机器人。当这个机器人完成任务、需要组装成另一个机器人时，首先由地面运行控制中心对太空服务机器人上注遥控指令，机械锁定装置13解锁，两个基本模块1上的线圈12通入同向电流，线圈12通电后产生磁场，两个组装在一起的基本模块1产生的同向磁场相互排斥，使得两个基本模块1拆分开，分别进入不同的运行轨道。

在一个具体的实施例中，基本模块1为探测模块，探测模块包括立方体卫星11以及设置在立方体卫星11上的摄像机、线圈12和机械锁定装置13。探测模块能够对故障航天器进行全方位的探测。

基本模块1还可以为抓捕模块，抓捕模块包括立方体卫星11以及设置在立方体卫星11上的机械臂或夹钳、线圈12和机械锁定装置13。抓捕模块能够捕捉并抓紧故障航天器。

基本模块1还可以为修理模块，修理模块包括立方体卫星11以及设置在立方体卫星11上的机械手臂或破拆钳、线圈12和机械锁定装置13。修理模块能够对故障航天器进行拆开、修复、连接等操作。

基本模块1还可以为加注模块，加注模块包括立方体卫星11以及设置在立方体卫星11上的燃料储箱、加注装置、线圈12和机械锁定装置13。加注模块能够为航天器进行燃料补给。

基本模块1还可以为材料模块，材料模块包括立方体卫星11以及设置在立方体卫星11上的材料箱、线圈12和机械锁定装置13。材料箱中装有电线电缆、太阳帆板、热控材料等。材料模块能够为修理模块提供各种修理材料。

基本模块1还可以为动力模块，动力模块包括立方体卫星11以及设置在立方体卫星11上的发动机、线圈12和机械锁定装置13。动力模块能够为航天器提供动力，使航天器改变轨道。

基本模块1还可以为防护模块。防护模块设置在立方体卫星11的外表面上。防护模块采用四面体结构，其由高强度金属材料制成，其表面光滑，内部设置有弹簧。防护模块能够抵抗太空碎片的撞击、改变太空碎片的运动方向。

如图2所示，本发明还提供了一种太空服务机器人的组装方法，其包括以下步骤：

S11、根据实际任务，选择需要组装的基本模块1。其中，基本模块1包括探测模块、抓捕模块、修理模块、加注模块、材料模块、动力模块和防护模块等。

S12、根据各基本模块1之间的相对位置关系设定基本模块1的组装次序，使得组装过程中各基本模块1之间既不会发生碰撞、运动路径又相对最小。

S13、按照设定的组装顺序，依次组装各基本模块1，其具体过程为：

S131、调整待组装的两基本模块1或基本模块1与组合体的姿态，使得基本模块1设置有线圈12和机械锁定装置13的组装面相对。

S132、给待组装的基本模块1上的线圈12通电，使其产生相互吸引的磁场。在磁场的吸引作用下，使两基本模块1或基本模块1与组合体之间的距离接近机械锁定装置13的工作距离。

S133、启动待组装的基本模块1上的机械锁定装置13进行锁定。

S134、停止给已锁定的基本模块1的线圈12供电，磁场消失，已锁定的基本模块1或组合体形成新的组合体。

S135、重复步骤S131～S134，直到将需要组装的基本模块1全部组装完成。

如图3所示，本发明还提供了一种太空服务机器人的拆分方法，其包括以下步骤：

S21、根据太空服务机器人组合体中各基本模块1的相对位置关系，确定太空服务机器人组合体中各基本模块1的拆分顺序；

S22、按照拆分顺序，对太空服务机器人组合体进行拆分，其具体过程为：

S221、调整太空服务机器人组合体的姿态；

根据当前要拆分的基本模块1预期分离后的轨道，计算该基本模块1的分离方向和分离速度，调整太空服务机器人组合体的姿态使其对准当前要拆分的基本模块1的分离方向。

S222、控制要拆分的基本模块1上的机械锁定装置13开锁，解除当前要拆分的基本模块1与剩余组合体或基本模块1的物理连接。

S223、给当前要拆分的基本模块1和剩余组合体或基本模块1上的线圈12 通电，使其产生相互排斥的磁场。在磁场的排斥作用下，当前要拆分的基本模块1与剩余组合体或基本模块1分离，进入预定飞行轨道。具体地，通过控制线圈12的通电时间和电流大小使当前要拆分的基本模块1分离后进入预定飞行轨道。

S224、重复步骤S221～S223，直到将太空服务机器人组合体中的基本模块 1全部拆分完成。

实施例1基本模块1采用探测模块、抓捕模块、修理模块、加注模块和材料模块，组装成故障航天器修理机器人。故障航天器修理机器人能够探测航天器的故障原因，替换或修复损坏的航天器电缆、太阳帆板甚至个别部件，给航天器加注燃料，让航天器重新工作。

故障航天器修理机器人的具体组装过程为：

S11、选择组装故障航天器修理机器人的基本模块1，选择的基本模块1包括探测模块、抓捕模块、修理模块、加注模块和材料模块。

S12、根据各基本模块1之间的相对位置关系设定基本模块1的组装次序；

具体地，如果探测模块与抓捕模块相距较近，且轨道偏差较小，修理模块与探测模块和抓捕模块相距较远，修理模块与加注模块和材料模块相距较近，则设定组装的先后顺序为：探测模块、抓捕模块、修理模块、加注模块和材料模块。

S13、按照组装次序对各基本模块1进行组装，其具体过程为：

S131、调整待组装的两基本模块1的姿态；

选择探测模块、抓捕模块的组装轴为X轴，调整探测模块和抓捕模块的姿态，使得探测模块的+X轴与抓捕模块的-X轴相对。

S132、分别给探测模块和抓捕模块上的线圈12通电，使得产生相互吸引的磁场。在磁场的吸引作用下，探测模块和抓捕模块上的机械锁定装置13能够进行物理接触。

S133、启动探测模块和抓捕模块上的机械锁定装置13，实现探测模块和抓捕模块的锁定。

S134、停止给探测模块和抓捕模块上的线圈12供电，磁场消失，探测模块和抓捕模块形成组合体。

S135、按照与步骤S131～S134相同的顺序，依次将修理模块、加注模块和材料模块组装在组合体上，形成故障航天器修理机器人。

故障航天器修理机器人完成需要执行的任务后，对故障航天器修理机器人进行拆分，其具体过程为：

S21、设定故障航天器修理机器人的拆分顺序；

根据故障航天器修理机器人组合体中各基本模块1的相对位置关系和分离后各基本模块1的预期飞行轨道，确定故障航天器修理机器人组合体中各基本模块1的拆分顺序。

S22、按照拆分顺序，对故障航天器修理机器人进行拆分，其具体过程为：

S221、计算材料模块分离进入预定飞行轨道所需的分离力方向、大小和持续时间，调整故障航天器修理机器人的姿态，使其对准分离力方向。

S222、控制材料模块上机械机械锁定装置13开锁，解除材料模块与剩余组合体的物理连接。

S223、给材料模块和剩余组合体上与材料模块连接的基本模块1上的线圈 12通电，使得产生相互排斥的磁场，在磁场的排斥作用下，材料模块与剩余组合体分离，进入预定飞行轨道。

S224、按照与步骤S221～S223相同的顺序，依次将加注模块、修理模块、抓捕模块和探测模块进行分离，完成整个拆分过程。

实施例2基本模块1采用探测模块、抓捕模块和动力模块，组装成废弃航天器转移机器人。废弃航天器转移机器人的具体组装和拆分过程与故障航天器修理机器人的组装和拆分过程相同，在此不再赘述。废弃航天器转移机器人能够抓捕废弃航天器并把它拖离到坟墓轨道，甚至可以把空间碎片抓捕后使其脱离轨道、坠入地球烧毁。

实施例3基本模块1采用探测模块、动力模块、防护模块组装成航天器防护机器人。航天器防护机器人的具体组装和拆分过程与故障航天器修理机器人的组装和拆分过程相同，在此不再赘述。当有威胁的空间碎片逼近要防护的航天器时，航天器防护机器人运动到航天器前面，并使防护模块对准空间碎片，把空间碎片弹开、避免危害到目标航天器。

本发明根据任务需要将不同功能的基本模块1组装成能够提供不同服务的太空服务机器人，完成任务后将组装成的太空服务机器人拆分成各个独立运行的基本模块1，本发明能够利用少量的基本模块1完成大量的任务，灵活性强、基本模块1的可重复利用程度高、成本低。本发明采用电磁力和机械闭锁配合的方式，能够灵活地实现各基本模块1的组装和拆分，这个过程不需要消耗宝贵的化学能燃料，只利用电能就能够实现，更适合多次任务使用。另外，目前立方体卫星11技术已很成熟，世界上已经发射了上百颗立方体卫星11。利用现有的立方体卫星11制作基本模块1技术难度小，实现起来更容易。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种太空服务机器人，其特征在于，它包括至少两个基本模块，每个所述基本模块都能够在太空中独立运行；每个所述基本模块均包括一立方体卫星，所述立方体卫星上设置有若干功能部件；所述立方体卫星的内表面设置有线圈，所述线圈用于通入电流后产生磁场，所述基本模块之间通过所述线圈实现接近或分离；所述立方体卫星设置有线圈的侧面上还设置有机械锁定装置，所述基本模块之间通过所述机械锁定装置进行锁定；所述机械锁定装置与线圈同轴设置。

2.如权利要求1所述的一种太空服务机器人，其特征在于，所述立方体卫星中不同轴的三个侧面内均安装有所述线圈，所述立方体卫星中安装有线圈的三个侧面外均安装有所述机械锁定装置。

3.如权利要求1所述的一种太空服务机器人，其特征在于，所述功能部件采用摄像机、机械臂、夹钳、破拆钳、储料箱和发动机中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的一种太空服务机器人，其特征在于，所述机械锁定装置采用异体同构周边式对接装置的等比例缩小版或抓手-碰撞锁式对接装置的等比例缩小版。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种太空服务机器人，其特征在于，所述基本模块为探测模块、抓捕模块、修理模块、加注模块、材料模块、动力模块或防护模块；所述探测模块用于对故障航天器进行全方位的探测，所述抓捕模块用于捕捉故障航天器，所述修理模块用于对故障航天器进行拆开、修复、连接操作，所述加注模块用于对航天器进行燃料补给，所述材料模块用于为所述修理模块提供各种修理材料，所述动力模块用于为航天器提供动力，使航天器改变轨道，所述防护模块用于抵抗太空碎片的撞击、改变太空碎片的运动方向。

6.如权利要求5所述的一种太空服务机器人，其特征在于，所述探测模块包括立方体卫星以及设置在所述立方体卫星上的摄像机、线圈和机械锁定装置，所述抓捕模块包括立方体卫星以及设置在所述立方体卫星上的机械臂或夹钳、线圈和机械锁定装置；所述修理模块包括立方体卫星以及设置在立方体卫星上的机械手臂或破拆钳、线圈和机械锁定装置；所述加注模块包括立方体卫星以及设置在所述立方体卫星上的燃料储箱、加注装置、线圈和机械锁定装置；所述材料模块包括立方体卫星以及设置在所述立方体卫星上的材料箱、线圈和机械锁定装置；所述动力模块包括立方体卫星以及设置在所述立方体卫星上的发动机、线圈和机械锁定装置；所述防护模块设置在立方体卫星的外表面上，其采用四面体结构，由金属材料制成，所述防护模块内部设置有弹簧。

7.一种太空服务机器人的组装方法，其特征在于，它包括以下步骤：

根据实际任务，选择需要组装的基本模块；

根据各基本模块之间的相对位置关系设定基本模块的组装次序；

按照设定的组装顺序，依次组装各基本模块，其具体过程为：调整待组装的两基本模块或基本模块与组合体的姿态，使得基本模块设置有线圈和机械锁定装置的组装面相对；给待组装的基本模块上的线圈通电，使其产生相互吸引的磁场，在磁场的吸引作用下，使两基本模块或基本模块与组合体之间的距离接近至机械锁定装置的工作距离；启动待组装的基本模块上的机械锁定装置进行锁定；停止给已锁定的基本模块的线圈供电，磁场消失，已锁定的基本模块或组合体形成新的组合体；重复上述组装过程直到将需要组装的基本模块全部组装完成。

8.一种太空服务机器人的拆分方法，其特征在于，它包括以下步骤：

根据太空服务机器人组合体中各基本模块的相对位置关系，确定太空服务机器人组合体中各基本模块的拆分顺序；

按照拆分顺序，对太空服务机器人组合体进行拆分，其具体过程为：调整太空服务机器人组合体的姿态；控制要拆分的基本模块上的机械锁定装置开锁，解除当前要拆分的基本模块与剩余组合体或基本模块的物理连接；给当前要拆分的基本模块和剩余组合体或基本模块上的线圈通电，使其产生相互排斥的磁场，在磁场的排斥力作用下，当前要拆分的基本模块与剩余组合体或基本模块分离，进入预定飞行轨道；重复上述拆分过程直到将太空服务机器人组合体中的基本模块全部拆分完成。

9.如权利要求8所述的一种太空服务机器人的拆分方法，其特征在于，所述步骤调整太空服务机器人组合体的姿态的过程为：根据当前要拆分的基本模块预期分离后的轨道，计算所述基本模块的分离方向和分离速度，调整太空服务机器人组合体的姿态使其对准当前要拆分的基本模块的分离方向。

10.如权利要求8所述的一种太空服务机器人的拆分方法，其特征在于，所述基本模块包括探测模块、抓捕模块、修理模块、加注模块、材料模块、动力模块和防护模块。