CN108613831B - 一种月球表面采样机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种月球表面采样机械臂，机械臂通过压紧释放机构以压紧状态锁紧于外部探测器上，解锁后机械臂通过多关节协同运动实现展开，根据机械臂末端触月传感组件触碰月面以及安装在机械臂上的摄相机对采样区域成像实现采样点确认，机械臂末端的采样器实现月球表面样品采集。本发明能够实现无人条件下月球指定范围内的多点采样。
Description
技术领域
本发明涉及深空探测技术领域，具体涉及一种月球表面采样机械臂。
背景技术
目前，成功应用的月球采样方式主要有两种，一种是航天员+手持取样工具实现月球多点采样，如美国Apollo系列月球探测任务；另一种是遥控回转钻取装置实现月球固定位置点钻取采样，如前苏联Luna系列月球探测任务。这两种采样方式均没有实现无人条件下月球指定范围内的多点采样。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种月球表面采样机械臂，能够实现无人条件下月球指定范围内的多点采样。
本发明的具体实施方案如下：
一种月球表面采样机械臂，所述机械臂通过压紧释放机构以压紧状态锁紧于外部探测器上，解锁后机械臂通过多关节协同运动实现展开，根据机械臂末端触月传感组件触碰月面以及安装在机械臂上的摄相机对采样区域成像实现采样点确认，机械臂末端的采样器实现月球表面样品采集。
进一步地，所述多关节包括肩偏航关节、肩俯仰关节、肘俯仰关节和腕俯仰关节；所述机械臂包括臂杆A组件和臂杆B组件；
所述肩偏航关节一端通过法兰安装在探测器顶板上，另一端通过环形转接支架和肩俯仰关节连接，肩俯仰关节通过臂杆A组件和肘俯仰关节连接，肘俯仰关节的输出轴连接臂杆B组件，臂杆B组件的另一端连接腕俯仰关节作为机械臂末端；臂杆A组件和臂杆B组件在肩偏航关节的带动下共同实现水平平面内±180°的转动，臂杆A组件和臂杆B组件在肩俯仰关节的带动下共同实现竖直平面内±180°的转动，臂杆B组件在肘俯仰关节的带动下实现竖直平面内±180°的转动，采样器在腕俯仰关节的带动下实现竖直平面内±180°的转动。
进一步地，所述采样器包括采样器甲和采样器乙，采样器甲与采样器乙通过一个“十”字形四通转接头安装于腕俯仰关节的输出轴一侧，采样器甲与采样器乙共线，分别安装在“十”字形四通转接头两端，且与腕俯仰关节输出轴轴线垂直；
采样器甲和采样器乙外侧分别安装近摄相机甲、近摄相机乙，并在臂杆B组件中部安装远摄相机。
进一步地，所述触月传感组件安装于腕俯仰关节外部，呈圆形结构，通过外圆周面任意一点与月表接触时产生的触碰力感知月表位置。
进一步地，所述肩偏航关节、肩俯仰关节及肘俯仰关节均由永磁同步电机、行星减速器、谐波减速器串联而成；所述腕俯仰关节由永磁同步电机、行星减速器、谐波减速器串联而成，通过增加一级锥齿轮带动采样器甲、采样器乙、近摄相机甲及近摄相机乙在平面内±180°转动，所述平面与腕俯仰关节输出轴轴线方向垂直。
进一步地，所述压紧释放机构设置三处，分别位于腕部、肘部及臂杆中间位置，采用杆式压释放机构，通过火工切割器解除机械臂的锁紧。
进一步地，机械臂整体采用外部走线，功率、信号线分开；腕部设有线束管理盒，内部电缆束为涡卷弹簧形状，确保腕俯仰关节可以±180°运动。
进一步地，所述采样器具备抓取功能，在样品收容器外设置视觉标记，控制器对摄相机采集的图像进行处理得到样品收容器位姿和距离信息，采样器根据所述信息抓取样品收容器。
进一步地，关节不同组成零件的材料采用热匹配性设计、传动间隙优化设计。
进一步地，所述永磁同步电机利用关节电机直接转矩控制方法，确保永磁同步电机速度旋变失效后仍具有可控的运动功能。
有益效果：
1、本发明的机械臂通过多关节协同运动实现展开，通过末端触月传感组件触碰月面以及摄相机对采样区域成像实现采样点确认，通过机械臂末端采样器铲挖、钳取和浅钻采集月球表面样品，实现无人条件下月球指定范围内的多点采样；其次，直接或者简单适应性改造后，可应用于火星表面采样任务、空间在轨服务技术以及部分地面工业应用等。
2、本发明采样器具备抓取功能，无需设置抓取样品收集容器装置，通过对采样器功能复用，实现样品收集容器的精稳抓取、转移和释放，探测器携带质量少。
3、本发明机械臂整体采用外部走线，功率、信号线分开，抗干扰能力强；腕部线束管理盒的内部电缆束设计成涡卷弹簧形状，实现腕部活动电缆规则的“收”与“松”，确保腕关节可以±180°运动。
4、本发明述永磁同步电机利用关节电机直接转矩控制方法，确保永磁同步电机速度旋变失效后仍具有可控的运动功能；其次，利用静磁力矩实现机械臂断电后的构型保持，减轻了机械臂整体重量。
5、本发明关节不同组成零件的材料采用热匹配性设计、传动间隙优化设计，在工作温度差达205℃即存在热胀冷缩的情况下，保证关节在传动精度优于1′。
附图说明
图1为机械臂压紧状态示意图；
图2为机械臂解锁展开状态示意图。
其中，1-肩偏航关节，2-肩俯仰关节，3-臂杆A组件，4-肘俯仰关节，5-臂杆B组件，6-远摄相机，7-腕俯仰关节，8-触月传感组件，9-线束管理盒，10-采样器甲，11-近摄相机甲，12-采样器乙，13-近摄相机乙，14-腕部压紧释放机构，15-中部压紧释放机构，16-肘部压紧释放机构，17-电连接器支架。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种月球表面采样机械臂，是一种四自由度机械臂，采用“肩(偏航和俯仰关节)+肘(俯仰关节)+腕(俯仰关节)”的构型，包括肩偏航关节1、肩俯仰关节2、臂杆A组件3、肘俯仰关节4、臂杆B组件5、远摄相机6、腕俯仰关节7、触月传感组件8、线束管理盒9、采样器甲10、近摄相机甲11、采样器乙12、近摄相机乙13、腕部压紧释放机构14、中部压紧释放机构15、肘部压紧释放机构16及电连接器支架17，如图1所示。机械臂重约22.3Kg，最大展开长度约4.16m，长度直径比达75.9，月面最大负载能力约60Kg，开环重复定位精度优于1mm。
通过增加肩偏航关节1，实现机械臂的航向运动，在水平平面内±180°转动，肩偏航关节1通过法兰安装在探测器顶板上，主要由永磁同步电机、行星减速器、谐波减速器串联而成，最大输出力矩不小于64Nm，传动精度优于1′；关节高速端即永磁同步电机输出轴端配置单通道旋转变压器作为关节的速度传感器，低速端即肩偏航关节1输出轴端配置双通道旋转变压器作为关节的位置传感器，实现关节的高精度闭环控制，控制精度优于3′；利用电机的静磁力矩实现关节断电制动，制动力矩约60Nm；关节通过输出端动密封设计，保证抗月尘粉末能力；关节不同组成零件的材料采用热匹配性设计、传动间隙优化设计等保证关节在传动精度优于1′的情况下最大、最小工作温度差达205℃。
肩俯仰关节2组成与肩偏航关节1相同，实现机械臂整臂的俯仰运动，在竖直平面内±180°转动；肩俯仰关节2最大输出力矩不小于202Nm，传动精度优于1′，控制精度优于3′，制动力矩约89Nm；最大、最小工作温度差达205℃。
肘俯仰关节4组成与肩偏航关节1相同，实现臂杆B组件5、远摄相机6、腕俯仰关节7、触月传感组件8、线束管理盒9、采样器甲10、近摄相机甲11、采样器乙12、近摄相机乙13组合体的俯仰运动，在竖直平面内±180°转动；肘俯仰关节4最大输出力矩不小于82Nm，传动精度优于1′，控制精度优于3′，制动力矩约70Nm；最大、最小工作温度差达205℃。
腕俯仰关节7在上述关节的基础上，增加一级锥齿轮，通过锥齿轮带动采样器甲10、近摄相机甲11、采样器乙12和近摄相机乙13组合体共同实现在竖直平面内±180°运动，该平面与腕俯仰关节7输出轴轴线方向垂直；腕俯仰关节7最大输出力矩不小于20Nm，传动精度优于2.5′，控制精度优于3′，制动力矩约20Nm；最大、最小工作温度差达205℃。
肩偏航关节1一端通过法兰安装在探测器顶板上，肩偏航关节1另一端输出轴和肩俯仰关节2通过钛合金材质的环形转接支架连接。肩偏航关节1与环形转接支架外圆周面固定连接，带动整个机械臂实现航向运动。肩俯仰关节2输出轴与环形转接支架的环形孔活动连接，同时，肩俯仰关节2的输出轴端部与臂杆A组件3固定连接，肩俯仰关节2的输出轴与臂杆A组件3一端固定连接，且肩俯仰关节2的输出轴轴线方向与臂杆A组件3的轴线方向垂直，肩俯仰关节2带动机械臂实现俯仰运动，如图2所示。
肘俯仰关节4与臂杆A组件3另一端固定连接，同时肘俯仰关节4的输出轴连接臂杆B组件5一端，且肘俯仰关节4的输出轴轴线方向与臂杆B组件5的轴线方向垂直，臂杆B组件5的另一端连接腕俯仰关节7，腕俯仰关节7输出轴轴线方向与臂杆B组件5的轴线方向垂直。
臂杆A组件3、臂杆B组件5材质为金属基复合材料铝基碳化硅；臂杆B组件5中部安装远摄相机6，在较大范围内对采样、放样过程进行监视。
触月传感组件8安装于腕俯仰关节7外部，为圆形结构，通过外圆周面任意一点与月表接触时产生的触碰力感知月表位置。
线束管理盒9安装于腕俯仰关节7内侧，内部电缆束为涡卷弹簧形状，实现腕部活动电缆规则的“收”与“松”，确保腕俯仰关节7可以±180°运动。
机械臂采取主备冗余设计，主份控制采样器甲10、近摄相机甲11，备份控制采样器乙12、近摄相机乙13。采样器甲10与采样器乙12通过一个“十”字形四通转接头安装于腕俯仰关节7外侧即输出轴一侧，采样器甲10与采样器乙12共线，分别安装在“十”字形四通转接头沿臂杆B组件5轴线方向两端，腕俯仰关节7输出轴沿垂直于臂杆B组件5轴线的方向伸入“十”字形四通转接头中，并且与“十”字形四通转接头固定连接，实现采样器甲10与采样器乙12的铲取、挖取、钳取、浅钻等形式的月球表面采样，以及样品收集容器的抓取、转移和释放。
近摄相机甲11安装在采样器甲10外侧，实现机械臂主份采样、放样过程的监视以及提供机械臂运动到放样点、抓罐点、放罐点的视觉闭环控制图像信息；通过内部设置的半导体制冷器实现近摄相机甲11在-25℃～130℃内可靠工作。
近摄相机乙13安装在采样器乙12外侧，实现机械臂备份采样、放样过程的监视以及提供机械臂运动到放样点、抓罐点、放罐点的视觉闭环控制图像信息；通过内部设置的半导体制冷器实现近摄相机乙13在-25℃～130℃内可靠工作。
电连接器支架17通过线缆连接控制器，控制机械臂的运动。
月球表面采样机械臂设置三处杆式压紧释放机构：腕部压紧释放机构14、中部压紧释放机构15及肘部压紧释放机构16，分别位于腕部、臂杆中间位置、肘部，将臂杆A组件3和臂杆B组件5共同固定锁紧于探测器上，机械臂压紧状态基频提升至100Hz以上，避免与探测器发生共振；采用火工切割器作为释放动力源，用于保证机械臂能经受运载发射、着陆下降等阶段的力学环境，落月后又可根据地面指令火工切割器解除机械臂的机械约束。
月球表面采样机械臂的工作原理：探测器系统着陆月表前，月球表面采样机械臂通过三处杆式压紧释放机构固连并锁紧于探测器顶板上，与探测器共同经历运载发射、地月转移、近月制动、环月飞行以及着陆下降5个飞行阶段。在探测器着陆月表后，火工切割器根据地面指令起爆，解除机械臂的机械约束。机械臂根据预先存储的预编程指令串控制多关节协同运动到采样中间点，采样中间点为设置的虚拟初始位置，通过笛卡尔运动规划实现机械臂从采样中间点到月表的直线运动，直至触月传感组件8与月表接触且达到预设触碰力阈值时机械臂停止运动；机械臂末端向上运动至采样构型，远摄相机6、近摄相机甲11、近摄相机乙13对采样位置点进行确认；采样器甲10、采样器乙12打开实施铲取、挖取、钳取、浅钻等形式采样，根据远摄相机6、近摄相机甲11、近摄相机乙13采集的图像评估采样效果；机械臂将采集到的样品转移和倾泻到指定处的样品收集容器。
多次采样完成后，通过对采样器功能复用，实现样品收集容器的精稳抓取、转移和释放。在样品收容器外设置视觉标记，控制器对远摄相机6、近摄相机甲11、近摄相机乙13采集的图像进行处理，得到样品收容器位姿和距离信息，根据该信息机械臂精确抓取装盛月球样品的收集容器并转送至预定位置；月球表面采样机械臂多关节协同运动到达设定安全避让位置后断电。机械臂利用关节电机的静磁力矩实现机械臂断电后的构型保持，减轻了机械臂整体重量；利用关节电机直接转矩控制，确保关节电机速度旋变失效后仍具有可控的运动功能。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种月球表面采样机械臂，其特征在于，所述机械臂通过压紧释放机构以压紧状态锁紧于外部探测器上，解锁后机械臂通过多关节协同运动实现展开，根据机械臂末端触月传感组件触碰月面以及安装在机械臂上的摄相机对采样区域成像实现采样点确认，机械臂末端的采样器实现月球表面样品采集；
所述多关节包括肩偏航关节、肩俯仰关节、肘俯仰关节和腕俯仰关节；所述机械臂包括臂杆A组件和臂杆B组件；
所述肩偏航关节一端通过法兰安装在探测器顶板上，另一端通过环形转接支架和肩俯仰关节连接，肩俯仰关节通过臂杆A组件和肘俯仰关节连接，肘俯仰关节的输出轴连接臂杆B组件，臂杆B组件的另一端连接腕俯仰关节作为机械臂末端；臂杆A组件和臂杆B组件在肩偏航关节的带动下共同实现水平平面内±180°的转动，臂杆A组件和臂杆B组件在肩俯仰关节的带动下共同实现竖直平面内±180°的转动，臂杆B组件在肘俯仰关节的带动下实现竖直平面内±180°的转动，采样器在腕俯仰关节的带动下实现竖直平面内±180°的转动；
所述采样器包括采样器甲和采样器乙，采样器甲与采样器乙通过一个“十”字形四通转接头安装于腕俯仰关节的输出轴一侧，采样器甲与采样器乙共线，分别安装在“十”字形四通转接头两端，且与腕俯仰关节输出轴轴线垂直；
采样器甲和采样器乙外侧分别安装近摄相机甲、近摄相机乙，并在臂杆B组件中部安装远摄相机。
2.如权利要求1所述的月球表面采样机械臂，其特征在于，所述触月传感组件安装于腕俯仰关节外部，呈圆形结构，通过外圆周面任意一点与月表接触时产生的触碰力感知月表位置。
3.如权利要求1所述的月球表面采样机械臂，其特征在于，所述肩偏航关节、肩俯仰关节及肘俯仰关节均由永磁同步电机、行星减速器、谐波减速器串联而成；所述腕俯仰关节由永磁同步电机、行星减速器、谐波减速器串联而成，通过增加一级锥齿轮带动采样器甲、采样器乙、近摄相机甲及近摄相机乙在平面内±180°转动，所述平面与腕俯仰关节输出轴轴线方向垂直；所述永磁同步电机利用静磁力矩实现机械臂断电后的构型保持。
4.如权利要求1所述的月球表面采样机械臂，其特征在于，所述压紧释放机构设置三处，分别位于腕部、肘部及臂杆中间位置，采用杆式压释放机构，通过火工切割器解除机械臂的锁紧。
5.如权利要求1所述的月球表面采样机械臂，其特征在于，机械臂整体采用外部走线，功率、信号线分开；腕部设有线束管理盒，内部电缆束为涡卷弹簧形状，确保腕俯仰关节可以±180°运动。
6.如权利要求1所述的月球表面采样机械臂，其特征在于，所述采样器具备抓取功能，在样品收容器外设置视觉标记，控制器对摄相机采集的图像进行处理得到样品收容器位姿和距离信息，采样器根据所述信息抓取样品收容器。
7.如权利要求3所述的月球表面采样机械臂，其特征在于，关节不同组成零件的材料采用热匹配性设计、传动间隙优化设计。
8.如权利要求3所述的月球表面采样机械臂，其特征在于，所述永磁同步电机利用关节电机直接转矩控制方法，确保永磁同步电机速度旋变失效后仍具有可控的运动功能。
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