CN109108990A - 一种具有非共面多旋翼的空间站舱内机器人 - Google Patents

一种具有非共面多旋翼的空间站舱内机器人 Download PDF

Info

Publication number
CN109108990A
CN109108990A CN201810821266.0A CN201810821266A CN109108990A CN 109108990 A CN109108990 A CN 109108990A CN 201810821266 A CN201810821266 A CN 201810821266A CN 109108990 A CN109108990 A CN 109108990A
Authority
CN
China
Prior art keywords
rotor
planar
station module
machine people
module inner
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201810821266.0A
Other languages
English (en)
Inventor
袁建平
车德佳
宁昕
马川
赵迪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northwestern Polytechnical University
Original Assignee
Northwestern Polytechnical University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Northwestern Polytechnical University filed Critical Northwestern Polytechnical University
Priority to CN201810821266.0A priority Critical patent/CN109108990A/zh
Publication of CN109108990A publication Critical patent/CN109108990A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J11/00—Manipulators not otherwise provided for
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J15/00—Gripping heads and other end effectors
    • B25J15/04—Gripping heads and other end effectors with provision for the remote detachment or exchange of the head or parts thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C39/00—Aircraft not otherwise provided for
    • B64C39/02—Aircraft not otherwise provided for characterised by special use
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U10/00—Type of UAV
    • B64U10/10—Rotorcrafts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U50/00—Propulsion; Power supply
    • B64U50/10—Propulsion
    • B64U50/19—Propulsion using electrically powered motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U2101/00—UAVs specially adapted for particular uses or applications
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U2101/00—UAVs specially adapted for particular uses or applications
    • B64U2101/30—UAVs specially adapted for particular uses or applications for imaging, photography or videography

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Manipulator (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

本发明公开了一种具有非共面多旋翼的空间站舱内机器人，包括机械臂和多个非共面的旋翼，机械臂的一端设置有机架，另一端设置有末端执行器，多个非共面的旋翼设置在机架上，通过机架上设置的控制装置进行控制，控制装置周围设置有用于测距的超声波距离传感器，由非共面的旋翼与机械臂旋转实现空间机器人的六自由度运动。本发明安全性好，不依赖工质，无爆炸风险；维护难度低，无需补充工质，仅需充电；具有较高安全性，能够主动规避路径上的障碍物。

Description

一种具有非共面多旋翼的空间站舱内机器人
技术领域
本发明属于航天技术领域，具体涉及一种具有非共面多旋翼的空间站舱内机器人。
背景技术
空间站是人类最为精尖的技术的体现，航天员需要花费大量的时间进行空间站的维护、操作；空间站自有的失重环境是生物、化学、物理等一系列学科的理想实验场所，因而航天员需要处理为数众多的科研任务。而太空环境的失重、昼夜环境等直接或间接地降低了航天员的工作效率。因此有必要开发一种能辅助航天员工作的空间站舱内机器人。
NASA、DLR、JAXA等开发了不同的空间站舱内机器人，它们具有情感交互功能，且具有六自由度机动的能力。但是由于使用压缩工质进行机动，此类机器人存在爆炸风险，且存在控制难度高，维护困难的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种具有非共面多旋翼的空间站舱内机器人，采用了非共面多旋翼+机械臂的结构，具有无爆炸风险、无需补充工作介质、控制难度低的特征，具有自动规避障碍物的功能，可执行任务种类多。
本发明采用以下技术方案：
一种具有非共面多旋翼的空间站舱内机器人，包括机械臂和多个非共面的旋翼，机械臂的一端设置有机架，另一端设置有末端执行器，多个非共面的旋翼设置在机架上，通过机架上设置的控制装置进行控制，控制装置周围设置有用于测距的超声波距离传感器，由非共面的旋翼与机械臂旋转实现空间机器人的运动。
具体的，机械臂至少具有六自由度，用于完成空间机器人的姿态辅助控制。
进一步的，六自由度运动包括平动和转动。
具体的，机架上设置有多个旋翼罩，每个旋翼罩内对应设置有一个旋翼及其控制电机，旋翼罩用于避免旋翼与空间站物体接触。
具体的，旋翼不少于三个，且旋翼的旋翼面均不在同一平面上，旋翼面的法向向量关于空间机器人的对称轴呈放射对称。
进一步的，旋翼包括第一旋翼、第二旋翼、第三旋翼和第四旋翼，第一旋翼和第三旋翼为反桨，第二旋翼和第四旋翼为正桨，每个旋翼的旋翼面法向轴与z轴的角度相同。
具体的，超声波距离传感器包括多个，间隔设置在控制装置的表面。
进一步的，超声波距离传感器包括六个。
具体的，末端执行器为可更换式，用于携带相机或者机械爪完成监控或者辅助操作的任务。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种具有非共面多旋翼的空间站舱内机器人，多个非共面的旋翼通过机架与机械臂的一端连接，机械臂的另一端连接末端执行器，在机架上设置控制装置和超声波距离传感器，由非共面的旋翼与机械臂旋转实现空间机器人的六自由度运动。超声波距离传感器能够测量空间机器人与周围物体的距离，并根据空间机器人的姿态信息、速度信息计算机器人的规避区，从而选取安全路径进行运动。
进一步的，机械臂至少具有六自由度，不仅能够提供机器人的姿态补偿力矩，而且具有完整的操作能力，能够选取不同的末端执行器完成不同的任务，例如使用双目相机执行深度学习实验，利用机械爪完成无人微重力实验等任务。
进一步的，旋翼不少于三个，且旋翼面均不在同一平面上，可以在无重力的情况下提供三个方向的力与力矩。旋翼面的法向向量关于空间机器人的对称轴呈放射对称，并使其俯仰与偏航相似，降低控制难度和制造难度。
进一步的，第一旋翼和第三旋翼为反桨，第二旋翼和第四旋翼为正桨，为机器人提供z轴方向的冲量，并保证机器人受空气作用力矩的总角动量为零。
进一步的，机械臂具有可更换末端执行器，具有更为强大的多任务辅助操作功能。
进一步的，超声波距离传感器可以测到空间机器人六个方向上最近物体的距离，在控制器的控制下规避其他物体，避免发生碰撞。
综上所述，本发明安全性好，不依赖工质，无爆炸风险；维护难度低，无需补充工质，仅需充电；具有较高安全性，能够主动规避路径上的障碍物。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明旋翼机器人总体结构图；
图2为本发明为旋翼体轴俯视图；
图3为本发明旋翼受力分析图。
其中：1.旋翼；2.旋翼罩；3.机架；4.控制装置；5.机械臂；6.超声波距离传感器；7.末端执行器；11.第一旋翼；12.第二旋翼；13.第三旋翼；14.第四旋翼。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种具有非共面多旋翼的空间站舱内机器人，具有多个非共面的旋翼和一个机械臂；多个非共面旋翼使机器人具有完整而灵活的六自由度运动能力，六自由度机械臂不仅可以通过安装不同的末端执行器执行不同的操作任务，而且可以为空间站机器人提供运动补偿，增强其运动能力。本发明在保证机器人机动性的前提下，解决了目前空间站机器人因广泛使用压缩工质而导致的安全性低、维护难度高的问题，并且具备更完整的任务操作能力。
请参阅图1，本发明一种具有非共面多旋翼的空间站舱内机器人，包括旋翼1、机架3、机械臂5和末端执行器7，旋翼1包括多个，且非共面设置在机架3上，通过机架3与机械臂5的一端连接，末端执行器7与机械臂5的另一端连接，在机架3上设置有用于控制旋翼1的控制装置4，控制装置4上设置有超声波距离传感器6，由非共面旋翼与机械臂旋转实现空间机器人的六自由度运动。
旋翼1不少于三个，其旋翼面均不在同一平面上，且其法向向量关于空间机器人的对称轴呈放射对称。
旋翼1包括第一旋翼11、第二旋翼12、第三旋翼13和第四旋翼14，第一旋翼11和第三旋翼13为反桨，第二旋翼12和第四旋翼14为正桨，每个旋翼的旋翼面法向轴与z轴之间角度相同。
请参阅图2，从z轴方向观察，第一旋翼11和第三旋翼13旋转方向为顺时针，第二旋翼12和第四旋翼14旋转方向为逆时针，这种飞行模式将会为空间机器人提供z轴方向的冲量，并保证空间机器人受空气作用力矩的总角动量为零。
通过调整旋翼的转速、转向，以及机械臂的关节角速度，机器人可以实现任意方向的平移，也可以绕其质心翻滚。
超声波距离传感器6包括六个，间隔设置在控制装置4的表面，用于测量机器人六个方向上最近物体的距离，由控制装置4控制规避其他物体，避免发生碰撞。
机架3上设置有多个旋翼罩2，每个旋翼1与其控制电机安装在对应旋翼罩2的内部，用于避免旋翼1与空间站物体接触。
末端执行器7为可更换式，用于携带相机或者机械爪，完成监控或者辅助操作的任务。
机械臂5至少具有六自由度，用于完成空间机器人的姿态辅助控制。
六自由度运动包括平动和转动。
请参阅图3，描述了每个旋翼在图2状态下所受的空气反作用力、反作用力矩；根据简单的力学分析可知，图例中的四旋翼通过调整转速、方向，并通过六自由度机械臂产生的补偿力矩，可以产生任意方向的合力、合力矩，从而完成位置、姿态调整。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了提高空间站机器人的安全性，本发明采用两种途径：
1)在旋翼周围添加旋翼罩2，从而避免旋翼与其他物体接触；
2)在控制装置4周围安装超声波距离传感器6，测量机器人与周围物体的距离，并根据机器人的姿态信息、速度信息计算机器人的规避区，从而选取安全路径进行运动。
空间机器人选用不少于六自由度的机械臂5，从而不仅能够提供机器人的姿态补偿力矩，而且具有完整的操作能力，能够选取不同的末端执行器7完成不同的任务，例如使用双目相机执行深度学习实验，利用机械爪完成无人微重力实验等任务。
本发明克服了无人机在失重环境下不具备完整运动能力的限制，因此，可以将低成本、技术成熟的多旋翼无人机应用到空间站中。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有非共面多旋翼的空间站舱内机器人，其特征在于，包括机械臂(5)和多个非共面的旋翼(1)，机械臂(5)的一端设置有机架(3)，另一端设置有末端执行器(7)，多个非共面的旋翼(1)设置在机架(3)上，通过机架(3)上设置的控制装置(4)进行控制，控制装置(4)周围设置有用于测距的超声波距离传感器(6)，由非共面的旋翼(1)与机械臂(5)旋转实现空间机器人的运动。
2.根据权利要求1所述的一种具有非共面多旋翼的空间站舱内机器人，其特征在于，机械臂(5)至少具有六自由度，用于完成空间机器人的姿态辅助控制。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有非共面多旋翼的空间站舱内机器人，其特征在于，六自由度运动包括平动和转动。
4.根据权利要求1所述的一种具有非共面多旋翼的空间站舱内机器人，其特征在于，机架(3)上设置有多个旋翼罩(2)，每个旋翼罩(2)内对应设置有一个旋翼(1)及其控制电机，旋翼罩(2)用于避免旋翼(1)与空间站物体接触。
5.根据权利要求1所述的一种具有非共面多旋翼的空间站舱内机器人，其特征在于，旋翼(1)不少于三个，且旋翼(1)的旋翼面均不在同一平面上，旋翼面的法向向量关于空间机器人的对称轴呈放射对称。
6.根据权利要求5所述的一种具有非共面多旋翼的空间站舱内机器人，其特征在于，旋翼(1)包括第一旋翼(11)、第二旋翼(12)、第三旋翼(13)和第四旋翼(14)，第一旋翼(11)和第三旋翼(13)为反桨，第二旋翼(12)和第四旋翼(14)为正桨，每个旋翼的旋翼面法向轴与z轴的角度相同。
7.根据权利要求1所述的一种具有非共面多旋翼的空间站舱内机器人，其特征在于，超声波距离传感器(6)包括多个，间隔设置在控制装置(4)的表面。
8.根据权利要求7所述的一种具有非共面多旋翼的空间站舱内机器人，其特征在于，超声波距离传感器(6)包括六个。
9.根据权利要求1所述的一种具有非共面多旋翼的空间站舱内机器人，其特征在于，末端执行器(7)为可更换式，用于携带相机或者机械爪完成监控或者辅助操作的任务。
CN201810821266.0A 2018-07-24 2018-07-24 一种具有非共面多旋翼的空间站舱内机器人 Pending CN109108990A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810821266.0A CN109108990A (zh) 2018-07-24 2018-07-24 一种具有非共面多旋翼的空间站舱内机器人

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810821266.0A CN109108990A (zh) 2018-07-24 2018-07-24 一种具有非共面多旋翼的空间站舱内机器人

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109108990A true CN109108990A (zh) 2019-01-01

Family

ID=64863122

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810821266.0A Pending CN109108990A (zh) 2018-07-24 2018-07-24 一种具有非共面多旋翼的空间站舱内机器人

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109108990A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113459118A (zh) * 2021-06-16 2021-10-01 中国科学院沈阳自动化研究所 一种空间站舱内可自由飞行的仿生机械手

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013098736A2 (en) * 2011-12-29 2013-07-04 Alma Mater Studiorum - Universita' Di Bologna A four-rotor helicopter
CN103387051A (zh) * 2013-07-23 2013-11-13 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 四旋翼飞行器
CN105857593A (zh) * 2016-05-16 2016-08-17 苏州金建达智能科技有限公司 一种四旋翼多用途飞行机器人
CN205891228U (zh) * 2016-07-29 2017-01-18 华南理工大学 一种飞行机器人
CN107908193A (zh) * 2017-12-29 2018-04-13 福州大学 一种非平面式八旋翼全向飞行器及控制方法
CN107933915A (zh) * 2017-10-24 2018-04-20 江苏理工学院 一种基于六旋翼无人机的空中机器人

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013098736A2 (en) * 2011-12-29 2013-07-04 Alma Mater Studiorum - Universita' Di Bologna A four-rotor helicopter
CN103387051A (zh) * 2013-07-23 2013-11-13 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 四旋翼飞行器
CN105857593A (zh) * 2016-05-16 2016-08-17 苏州金建达智能科技有限公司 一种四旋翼多用途飞行机器人
CN205891228U (zh) * 2016-07-29 2017-01-18 华南理工大学 一种飞行机器人
CN107933915A (zh) * 2017-10-24 2018-04-20 江苏理工学院 一种基于六旋翼无人机的空中机器人
CN107908193A (zh) * 2017-12-29 2018-04-13 福州大学 一种非平面式八旋翼全向飞行器及控制方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113459118A (zh) * 2021-06-16 2021-10-01 中国科学院沈阳自动化研究所 一种空间站舱内可自由飞行的仿生机械手

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lippiello et al. Exploiting redundancy in Cartesian impedance control of UAVs equipped with a robotic arm
Sarkisov et al. Development of sam: cable-suspended aerial manipulator
Park et al. Design, modeling and control of omni-directional aerial robot
Jiang et al. Hexrotor uav platform enabling dextrous interaction with structures-flight test
Zhang et al. Grasp a moving target from the air: System & control of an aerial manipulator
CN111687821B (zh) 转动式并联型飞行机械臂系统及期望转角解算方法
Bouabdallah et al. Backstepping and sliding-mode techniques applied to an indoor micro quadrotor
Xiong et al. Sliding mode control for a quadrotor UAV with parameter uncertainties
Lippiello et al. Cartesian impedance control of a UAV with a robotic arm
Lippiello et al. Emergency landing for a quadrotor in case of a propeller failure: A backstepping approach
Li et al. Adaptive robust coordinated control of multiple mobile manipulators interacting with rigid environments
Suarez et al. Lightweight and human-size dual arm aerial manipulator
CN106985159B (zh) 一种带有柔性抓取器的飞行机械臂
JP6425466B2 (ja) 飛行装置
Anzai et al. Aerial grasping based on shape adaptive transformation by halo: Horizontal plane transformable aerial robot with closed-loop multilinks structure
Sanca et al. Dynamic modeling with nonlinear inputs and backstepping control for a hexarotor micro-aerial vehicle
Matouk et al. Second-order sliding mode for Position and Attitude tracking control of Quadcopter UAV: Super-Twisting Algorithm
Nigro et al. Preliminary design, modeling and control of a fully actuated quadrotor uav
CN109108990A (zh) 一种具有非共面多旋翼的空间站舱内机器人
Yaou et al. The attitude control of the four–rotor unmanned helicopter based on feedback linearization control
Lasnier et al. Hybrid sensorless bilateral teleoperation of two-wheel mobile manipulator with underactuated joint
Buzzatto et al. An agile, coaxial, omnidirectional rotor module: On the development of hybrid, all terrain robotic rotorcrafts
Yiğit et al. Aerial manipulator suspended from a cable-driven parallel robot: Preliminary experimental results
Li et al. BioTetra: a bioinspired multi-rotor aerial vehicle
Six et al. Dynamic modeling and trajectory tracking controller of a novel flying parallel robot

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190101

RJ01 Rejection of invention patent application after publication