CN108908291A - 一种在轨维修的多臂空间机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在轨维修的多臂空间机器人，属于在轨故障维修技术领域，该空间机器人安装在服务航天器上，包括；抓捕机械臂和操作机械臂；所述抓捕机械臂安装在服务航天器的舱壁上，用于捕获目标航天器，还用于解锁安装在服务航天器舱壁上的操作机械臂，并将操作机械臂移动至故障操作位置；所述操作机械臂包括适配器和安装在适配器上的两条多自由度机械臂，开展维修工作时，通过抓捕机械臂的末端抓捕机构抓取所述适配器并将操作机械臂从服务航天器的舱壁上解锁，并通过两条多自由度机械臂精确地实施修理任务；本发明能够对高轨高价值目标航天器进行捕获与对接，同时还可以完成精细的在轨维修操作，实现对目标航天器的在轨维修。

Description

一种在轨维修的多臂空间机器人

技术领域

本发明属于在轨故障维修技术领域，具体涉及一种在轨维修的多臂空间机器人。

背景技术

空间任务总是涉及巨大的成本和风险，以通信卫星为例，研发和运行的费用通常超过2.5亿美元。尽管航天器在发射前经过了精心设计和严格测试，但它们还是有可能在轨遭遇意想不到的异常。一旦航天器在轨失败，将会带来巨大的损失。随着空间机器人技术的发展，机器人在轨服务预计将在未来修复故障航天器上发挥越来越重要的作用。

在轨维修任务中，通常需要服务航天器利用机械臂对目标航天器(目标航天器包括合作目标航天器和非合作目标航天器，合作目标航天器为其上设有在轨维修接口的航天器，非合作目标航天器为其上未设有在轨维修接口的航天器)进行捕获对接，以形成稳定的组合体，此外，机器人系统还需要能够进行灵巧操作，完成对故障点的维修。而目前具有被服务价值的航天器大都位于高轨，质量和包络尺寸较大，且没有设计进行在轨维修的接口，即为非合作目标航天器。因此，需要机器人系统在抓捕对接非合作目标航天器时具备较强的负载能力，同时还能针对非合作目标航天器的典型故障开展精细维修操作。

近年来，机器人在轨服务方面取得了许多技术进步，并且一些无人在轨服务任务也进行了在轨演示。NASA在1997年发射的工程试验卫星VII(ETS-VII)一般被认为是第一个机器人在轨服务的演示任务。该卫星上安装了一个2米长的6自由度机械臂，开展了一系列机器人在轨试验。国防高级研究计划局(DARPA)和美国宇航局的马歇尔太空飞行中心(MSFC)于2007年发射实施了Orbital Express任务。该任务利用6自由度旋转关节机器人手臂，演示了完全无约束的自由飞行客户卫星的自主捕获，以及两航天器之间的功能电池ORU的自主转移和功能计算机ORU的自主转移。这些机器人系统只能针对当次任务中的小型合作目标航天器进行捕获操作，无法抓捕非合作目标航天器，且无法满足目前高轨高价值目标的在轨维修需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种在轨维修的多臂空间机器人，安装在服务航天器上，能够对高轨高价值目标航天器进行捕获与对接，尤其是对非合作目标航天器进行捕获与对接，同时还可以完成精细的在轨维修操作，实现对目标航天器的在轨维修。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种在轨维修的多臂空间机器人，该空间机器人安装在服务航天器上，包括；抓捕机械臂、操作机械臂、对接锁紧机构、视觉相机模块及运动控制模块；

所述抓捕机械臂安装在服务航天器的舱壁上，用于捕获目标航天器，还用于解锁安装在服务航天器舱壁上的操作机械臂，并将操作机械臂移动至故障操作位置；

所述操作机械臂包括适配器和安装在适配器上的两条多自由度机械臂，不需要进行维修工作时，操作机械臂通过适配器锁定在服务航天器的舱壁上，开展维修工作时，通过抓捕机械臂的末端抓捕机构抓取所述适配器并将操作机械臂从服务航天器的舱壁上解锁，并通过两条多自由度机械臂精确地实施维修操作；

所述对接锁紧机构安装在服务航天器的舱壁上，用于在所述抓捕机械臂将所捕获目标航天器移动至设定的对接位置时，实现所述服务航天器与目标航天器的刚性连接；

所述视觉相机模块包括交会相机、第一手眼相机、第二手眼相机；

在服务航天器的前侧舱壁上设置交会相机，用于对目标航天器上设定的典型特征进行识别和位姿测量，引导抓捕机械臂运动；

在所述抓捕机械臂的末端设置第一手眼相机，用于对目标航天器上的典型特征或操作机械臂的适配器进行识别和位姿测量；

在所述操作机械臂的末端设置第二手眼相机，用于对目标航天器的维修点的特征进行识别和测量，并对操作机械臂末端工具的操作进行视觉监视；

所述运动控制模块用于接收来自服务航天器的操作指令和视觉相机模块发送的目标航天器位姿测量信息，并进行运动规划后，形成运动指令A和运动指令B，将运动指令A发送给抓捕机械臂，进而控制抓捕机械臂运动以实现对目标航天器实施捕获动作/或对操作机械臂实施解锁动作，将运动指令B发送给操作机械臂的两条多自由度机械臂，进而控制两条多自由度机械臂运动，以实现对目标航天器进行维修动作；所述运动控制模块还用于控制对接锁紧机构的锁紧动作。

进一步的，所述抓捕机械臂为七自由度机械臂，设置有肩部、肘部和腕部，肩部和肘部之间通过第一臂杆相连，肘部和腕部之间通过第二臂杆相连，肩部设置串联的肩回转关节、肩偏航关节和肩俯仰关节，肘部设置肘俯仰关节，腕部设置串联的腕俯仰关节、腕偏航关节和腕回转关节。

进一步的，所述抓捕机械臂的末端设有抓捕机构，用于与目标航天器上设定的典型特征连接，还用于解锁操作机械臂。

进一步的，抓捕机械臂的末端还设有电连接器，用于为操作机械臂提供配电和信息交互接口。

进一步的，所述抓捕机构采用连杆组成双爪式结构。

进一步的，所述适配器上设有视觉标记、电接口、和用于与服务航天器的舱壁连接的机械接口；所述视觉标记用于辅助定位适配器的位置；所述电接口用于与抓捕机械臂的电连接器对接。

进一步的，所述操作机械臂的两条多自由度机械臂均为相同的七自由度机械臂，七自由度机械臂的肩部设置肩俯仰关节和肩回转关节，肘部设置肘俯仰关节和肘回转关节，腕部依次设置腕偏航关节、腕俯仰关节和腕回转关节。

进一步的，所述多自由度机械臂的末端设有捕获机构，通过捕获来携带不同的操作工具；执行维修工作时，一条多自由度机械臂的捕获机构用于捕获维修工具，另一条多自由度机械臂的捕获机构用于捕获辅助工具。

进一步的，所述对接锁紧机构包括环形的连接框架及安装在连接框架周向的三个卡爪机构。

进一步的，所述视觉相机模块每个相机均集成有光源，用于辅助相机模块采集图像信息。

有益效果：(1)本发明通过抓捕机械臂和操作机械臂的配合工作，大大提升了机器人的捕获和操作能力，既满足了在轨维修任务对组成组合体过程中的大负载抓捕、拖曳和对接能力，又能够实现对故障位置的精细操作。

(2)本发明能够实现对高轨高价值目标航天器进行在轨服务任务流程的全覆盖，能够完成大型空间目标航天器的识别、测量、抓捕、拖曳、对接锁紧、精细操作等全过程中的各项操作。

(3)本发明中的抓捕机械臂既能够通过典型特征来抓捕非合作目标航天器，还能够通过视觉标记、适配器等合作设施来抓捕操作机械臂并解锁。

(4)本发明的架构灵活多变，能够适用于对在轨服务任务的广泛需求，例如视觉检查、典型故障修理、ORU更换、接管控制、离轨操作等。

附图说明

图1为本发明的组成图；

图2为本发明的抓捕机械臂的构型；

图3为本发明的操作机械臂的构型；

图4为本发明的工作原理图；

图5为本发明进行维修的流程图；

图6为本发明进行维修的示意图。

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。

本实施例提供了一种在轨维修的多臂空间机器人，该空间机器人安装在服务航天器上，参见附图1，包括；抓捕机械臂、操作机械臂、对接锁紧机构、视觉相机模块及运动控制模块；

所述抓捕机械臂安装在服务航天器的舱壁上，用于捕获目标航天器，尤其是非合作目标航天器，还用于解锁安装在服务航天器的舱壁上的操作机械臂，并将操作机械臂移动至故障操作位置；

参见附图2，所述抓捕机械臂为七自由度，设置有肩部、肘部和腕部，肩部和肘部之间通过第一臂杆相连，肘部和腕部之间通过第二臂杆相连，肩部设置串联的肩回转关节、肩偏航关节和肩俯仰关节，肘部设置肘俯仰关节，腕部设置串联的腕俯仰关节、腕偏航关节和腕回转关节；该构型的逆运动学比较简单，适合于空间应用中的实时控制；抓捕机械臂的末端设有抓捕机构，所述抓捕机构采用连杆组成双爪式结构，通过合理选择连杆长度，获得较大的容差范围，减低捕获难度；所述抓捕机构用于与合作目标航天器的在轨维修接口连接或者与非合作目标航天器的星箭对接环(所述星箭对接环是非合作目标航天器上的典型结构，具有较好的连接强度)连接，进而实现对目标航天器的捕获，还用于解锁操作机械臂；抓捕机械臂的末端还设有可实现快速插拔的电连接器，用于为操作机械臂提供配电和信息交互接口；

所述操作机械臂包括适配器和安装在适配器上的两条多自由度机械臂，操作机械臂通过适配器安装在在服务航天器的舱壁上，两条多自由度机械臂用于精确地实施修理任务；所述适配器上设有视觉标记、电接口和用于与服务航天器的舱壁连接的机械接口；所述视觉标记用于辅助定位适配器的位置，便于被抓捕机械臂识别；所述电接口用于与抓捕机械臂的电连接器对接，实现抓捕机械臂与操作机械臂的电气连接，进而实现两者的信息交互及对操作机械臂的配电；两条多自由度机械臂不工作时，通过适配器的机械接口安装并锁定在服务航天器的舱壁上，工作时，即开展维修操作时，通过抓捕机械臂的抓捕机构抓取所述适配器并通过旋拧操作将操作机械臂从服务航天器的舱壁上解锁；

参见附图3，所述操作机械臂上的两条多自由度机械臂构型相同，均采用“肩2+肘2+腕3”的自由度分配方式，即多自由度机械臂为七自由度，肩部设置肩俯仰关节和肩回转关节，肘部设置肘俯仰关节和肘回转关节，腕部依次设置腕偏航关节、腕俯仰关节和腕回转关节；上述七个关节之间由关节连接件相连，且七个关节分别通过高速总线与运动控制模块进行数据交换；所述两条多自由度机械臂的末端均设有捕获机构，一条多自由度机械臂的捕获机构用于捕获维修工具，如钳子、剪刀、螺丝刀、灵巧手或其他特殊维修工具，另一条多自由度机械臂的捕获机构用于捕获辅助工具，如视觉传感器或光源；两条多自由度机械臂移动到需要维修的位置并对目标航天器的待维修部件进行视觉检查和评估后，维修工具开展工作实现具体的故障点维修操作。

所述对接锁紧机构安装在服务航天器的舱壁上，用于服务航天器与目标航天器的刚性连接，当抓捕机械臂捕获到目标航天器，并通过移动目标航天器使服务航天器与目标航天器相对位置满足对接锁紧机构的容差要求时，对接锁紧机构将服务航天器与目标航天器进行刚性连接；所述对接锁紧机构包括环形的连接框架及安装在连接框架周向的三个卡爪机构；三个卡爪机构间隔120°分布，三个卡爪机构中若有一个故障失效，其它两个卡爪机构同样可满足对接要求；卡爪机构由四杆机构和锁爪组成，锁爪由碟簧压紧在四杆机构的摇杆上，锁爪沿摇杆方向受力时，可使碟簧变形；当电机驱动四杆机构时，可带动锁爪逐步捕获目标航天器的对接框，直到将其锁紧，锁爪与摇杆之间的碟簧受力变形，从而可提供锁紧力。

所述视觉相机模块交会相机、第一手眼相机、第二手眼相机；交会相机安装在服务航天器前侧舱壁上，用于对目标航天器上的典型特征(在本实施例中，非合作目标航天器的典型特征为星箭对接环)进行识别和位姿测量，并将抓捕机械臂引导到预捕获位置；交会相机还用于对目标航天器的视觉监测，为地面操作人员提供目标航天器的图像信息；第一手眼相机安装在抓捕机械臂末端，用于对星箭对接环抓捕点进行识别和位姿测量，引导抓捕机械臂完成捕获动作；还用于对操作机械臂的适配器进行识别和位姿测量，引导抓捕机械臂移动到适配器附近，对其进行解锁；第二手眼相机安装在操作机械臂末端，用于对维修点附近的特征进行识别和测量，并对操作机械臂末端工具的操作进行视觉监视；所述视觉相机模块每个相机均集成有光源，用于辅助相机模块采集图像信息；

所述运动控制模块用于接收服务航天器的操作指令和视觉相机模块发送的目标航天器位姿测量信息，并进行运动规划后，形成运动指令A和运动指令B，将运动指令A发送给抓捕机械臂的对应关节及其末端的抓捕机构，进而控制抓捕机械臂运动以实现对目标航天器实施捕获动作/或对操作机械臂实施解锁动作，将运动指令B发送给操作机械臂的两条多自由度机械臂的对应关节及其末端的捕获机构，进而控制两条多自由度机械臂运动并捕获维修工具和辅助工具，以实现控制维修工具对目标航天器进行维修动作；此外，所述运动控制模块还用于控制对接锁紧机构的锁紧动作。

工作原理：未进行维修工作时，抓捕机械臂和操作机械臂处于折叠状态安装在服务航天器的舱壁上；

在执行在轨维修任务时，以太阳帆板展开故障修复任务为例，参见附图4-6，所述空间机器人的操作过程如下：

(1)服务航天器到达设定位置后，抓捕机械臂从服务航天器的舱壁上解锁并展开；

(2)通过交会相机识别出目标航天器的典型特征，并进行位姿测量后，运动控制模块控制抓捕机械臂运动，进入抓捕区域，对典型特征实施抓捕；

(3)抓捕完成后，抓捕机械臂将目标航天器拖曳至对接位置，运动控制模块控制对接锁紧机构工作，将服务航天器与目标航天器对接并形成组合体；

(4)抓捕机械臂从目标航天器解锁并撤出，经过大范围运动到达操作机械臂的安装位置后，利用视觉标记抓住操作机械臂的适配器，并通过抓捕机械臂的电连接器与操作机械臂的电接口对接，实现抓捕机械臂与操作机械臂的电气连接；

(5)抓捕机械臂将操作机械臂解锁，并将其移动到目标航天器需要维修的位置(即故障区域)后，一个多自由度机械臂通过维修工具解锁太阳帆板的压紧螺栓，另一个多自由度机械臂通过辅助工具实现照明；

(6)维修完毕后，操作机械臂从故障区域退出，释放太阳帆板，整个维修任务完成。

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 (10)

1.一种在轨维修的多臂空间机器人，该空间机器人安装在服务航天器上，其特征在于，包括；抓捕机械臂、操作机械臂、对接锁紧机构、视觉相机模块及运动控制模块；

所述抓捕机械臂安装在服务航天器的舱壁上，用于捕获目标航天器，还用于解锁安装在服务航天器舱壁上的操作机械臂，并将操作机械臂移动至故障操作位置；

所述操作机械臂包括适配器和安装在适配器上的两条多自由度机械臂，不需要进行维修工作时，操作机械臂通过适配器锁定在服务航天器的舱壁上，开展维修工作时，通过抓捕机械臂的末端抓捕机构抓取所述适配器并将操作机械臂从服务航天器的舱壁上解锁，并通过两条多自由度机械臂精确地实施维修操作；

所述对接锁紧机构安装在服务航天器的舱壁上，用于在所述抓捕机械臂将所捕获目标航天器移动至设定的对接位置时，实现所述服务航天器与目标航天器的刚性连接；

所述视觉相机模块包括交会相机、第一手眼相机、第二手眼相机；

在服务航天器的前侧舱壁上设置交会相机，用于对目标航天器上设定的典型特征进行识别和位姿测量，引导抓捕机械臂运动；

在所述抓捕机械臂的末端设置第一手眼相机，用于对目标航天器上的典型特征或操作机械臂的适配器进行识别和位姿测量；

在所述操作机械臂的末端设置第二手眼相机，用于对目标航天器的维修点的特征进行识别和测量，并对操作机械臂末端工具的操作进行视觉监视；

所述运动控制模块用于接收来自服务航天器的操作指令和视觉相机模块发送的目标航天器位姿测量信息，并进行运动规划后，形成运动指令A和运动指令B，将运动指令A发送给抓捕机械臂，进而控制抓捕机械臂运动以实现对目标航天器实施捕获动作/或对操作机械臂实施解锁动作，将运动指令B发送给操作机械臂的两条多自由度机械臂，进而控制两条多自由度机械臂运动，以实现对目标航天器进行维修动作；所述运动控制模块还用于控制对接锁紧机构的锁紧动作。

2.如权利要求1所述的一种在轨维修的多臂空间机器人，其特征在于，所述抓捕机械臂为七自由度机械臂，设置有肩部、肘部和腕部，肩部和肘部之间通过第一臂杆相连，肘部和腕部之间通过第二臂杆相连，肩部设置串联的肩回转关节、肩偏航关节和肩俯仰关节，肘部设置肘俯仰关节，腕部设置串联的腕俯仰关节、腕偏航关节和腕回转关节。

3.如权利要求1所述的一种在轨维修的多臂空间机器人，其特征在于，所述抓捕机械臂的末端设有抓捕机构，用于与目标航天器上设定的典型特征连接，还用于解锁操作机械臂。

4.如权利要求1所述的一种在轨维修的多臂空间机器人，其特征在于，抓捕机械臂的末端还设有电连接器，用于为操作机械臂提供配电和信息交互接口。

5.如权利要求3所述的一种在轨维修的多臂空间机器人，其特征在于，所述抓捕机构采用连杆组成双爪式结构。

6.如权利要求4所述的一种在轨维修的多臂空间机器人，其特征在于，所述适配器上设有视觉标记、电接口、和用于与服务航天器的舱壁连接的机械接口；所述视觉标记用于辅助定位适配器的位置；所述电接口用于与抓捕机械臂的电连接器对接。

7.如权利要求1所述的一种在轨维修的多臂空间机器人，其特征在于，所述操作机械臂的两条多自由度机械臂均为相同的七自由度机械臂，七自由度机械臂的肩部设置肩俯仰关节和肩回转关节，肘部设置肘俯仰关节和肘回转关节，腕部依次设置腕偏航关节、腕俯仰关节和腕回转关节。

8.如权利要求1所述的一种在轨维修的多臂空间机器人，其特征在于，所述多自由度机械臂的末端设有捕获机构，通过捕获来携带不同的操作工具；执行维修工作时，一条多自由度机械臂的捕获机构用于捕获维修工具，另一条多自由度机械臂的捕获机构用于捕获辅助工具。

9.如权利要求1所述的一种在轨维修的多臂空间机器人，其特征在于，所述对接锁紧机构包括环形的连接框架及安装在连接框架周向的三个卡爪机构。

10.如权利要求1所述的一种在轨维修的多臂空间机器人，其特征在于，所述视觉相机模块每个相机均集成有光源，用于辅助相机模块采集图像信息。