CN109483192A - 一种基于机器人的空间桁架单元快速装配系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于机器人的空间桁架单元快速装配系统，包括摄影测量装置、母平台、保持架、六自由度姿态调整装置、气浮支撑装置、六维力感知系统、执行机构、可移动机器人控制器及气浮平台；本发明通过六自由度姿态调整装置、气浮支撑装置将桁架单元模块进行重力卸载，与现有三自由度方向上模拟在轨状态相比，可在六自由度方向上模拟在轨空间环境中的真实状态。

Description

一种基于机器人的空间桁架单元快速装配系统及方法

技术领域

本发明涉及的空间桁架单元快速装配系统，是一种基于可移动机器人，面向空间桁架单元模块在轨组装的地面验证，具有自主空间位姿测量、六维力感知及空间六自由度调姿等功能。

背景技术

随着载人航天技术的不断发展，受空间运载能力及成本限制，空间站、空间操作平台等大型空间系统，逐步将单元模块或部件分别上行，依靠在轨组装的模式代替传统地面制造上行补给的模式，以满足大规模空间应用需求。在轨组装在空间应用中具有经济性、可靠性与安全性，适合于我国国情。由于我国在这方面起步较晚，航天器在轨组装目前处于起步阶段，虽然在单项技术方面取得了一定进展，但在在轨组装天地一致性装调技术、地面验证技术等技术领域并未开展深入的研究。

目前，针对空间结构机构在轨组装的地面验证技术有以下缺点和不足：

(1)仅能实现三自由度方向上的微重力模拟，且在验证方法上有一定局限性；

(2)对接过程中接口大多采用锥形导向后直接预紧锁定的连接方式，装配过程中应力较大；

(3)在轨组装的地面验证基本为是分阶段验证，且验证过程中为人工操作，无法模拟在轨组装无人自主装配的状态。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于机器人的空间桁架单元快速装配系统，以保证桁架单元模块地面模拟在轨组装的性能指标及精度。

本发明包括如下技术方案：一种基于机器人的空间桁架单元快速装配系统，包括摄影测量装置、母平台、保持架、六自由度姿态调整装置、气浮支撑装置、六维力感知系统、执行机构、可移动机器人控制器及气浮平台；

摄影测量装置通过螺纹连接或胶接的方式固定在母平台上，用于对装配过程中桁架单元模块的位姿进行测量；

保持架与母平台固定连接，用于对母平台进行固定和姿态调整；

六自由度姿态调整装置用于对桁架单元模块进行姿态调整；所述六自由度姿态调整装置上端与桁架单元模块固定连接，下端通过气浮支撑装置支撑在气浮平台上；

六维力感知系统与可移动机器人固定连接，用于执行机构在抓取桁架单元模块及装配过程中对力和力矩的采集和反馈；

所述执行机构作为可移动机器人的末端执行机构，与六维力感知系统固定连接；

控制器作为摄影测量装置、六自由度姿态调整装置、六维力感知系统及可移动机器人的控制系统，固定连接在可移动机器人的平台上，实现摄影测量装置、六自由度姿态调整装置、六维力感知系统及可移动机器人间协同控制及数据传输功能；

气浮平台作为空间桁架单元快速装配系统的操作平台，为气浮支撑装置提供支撑。

所述六自由度姿态调整装置与空间微重力环境的一致性为97％，姿态调整精度为0.02°。

所述执行机构包括导向装置、捕获机构和柔性防脱机构；导向装置采用过盈配合的方式固定在执行机构上，捕获机构采用多连杆结合弹簧驱动的连接方式与执行机构相连，柔性防脱机构采用螺接的方式与捕获机构相连接；

所述导向装置具有捕获定位能力，可重复实现对桁架单元模块的捕获、拖动、锁紧。

所述导向装置的捕获定位精度≤0.5mm。

所述捕获机构的捕获与锁紧时间<240s；捕获机构的捕获位置容差≥40mm，角度容差≥4°。

一种基于机器人的空间桁架单元快速装配方法，步骤如下：

(1)将母平台放置在气浮平台的规定位置，通过保持架将母平台的俯仰、偏航及高度调整到指标要求；

(2)摄影测量装置实时监测桁架单元模块的空间位置及姿态，将测量得到的位置及姿态并反馈给控制器，控制器分别发送指令给控制六自由度姿态调整装置及可移动机器人，六自由度姿态调整装置接收指令后调整桁架单元模块至规定姿态要求，可移动机器人接收指令后通过执行机构抓取并调整桁架单元模块至要求位置；

(3)桁架单元模块的空间位置及姿态调整完成后，执行机构抓取桁架单元模块与母平台进行对接，对接过程中可移动机器人通过六维力感知系统监测并反馈对接力和力矩数值至控制器，当六维力感知系统力和力矩数值达到设定阈值时，可移动机器人执行机构执行脱腕指令，可移动机器人采用被动跟随的方式，直至完成桁架单元模块与母平台对接，完成装配任务。

所述步骤(1)中指标要求为：高度位置精度0.01mm，俯仰、偏航姿态精度0.02°。

所述步骤(2)中摄影测量装置视场角为74°x53°，摄影测量装置的视场轴线与母平台成37°夹角。

所述步骤(2)中的规定姿态要求为：姿态精度0.02°；所述步骤(3)中设定阈值为5N。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明的空间桁架单元快速装配系统，通过六自由度姿态调整装置、气浮支撑装置将桁架单元模块进行重力卸载，与现有三自由度方向上模拟在轨状态相比，可在六自由度方向上模拟在轨空间环境中的真实状态；

(2)本发明空间桁架单元快速装配系统，通过六维力感知系统，可实现桁架单元装配过程中的微应力状态和可移动机器人装配过程中的主动抓取与被动跟随，并可防止装配过程中的超调与碰撞，保证桁架单元的装配精度及安全性；

(3)本发明的恒力装置，可实现装配过程中的无人自主装配，最大程度上模拟空间在轨组装过程中的真实状态。

(4)本发明的执行机构采用三手指的柔性构型方式，由三组导向装置、捕获机构及柔性防脱机构等组成。可实现与捕获对象快速定位与可靠机械连接(定位精度≤0.5mm)，具有较大的捕获容差范围(位置容差≥40mm，角度容差≥4°)，具有机电气液连通功能，具备快速捕获与锁紧能力(捕获与锁紧时间<240s)，可重复实现对捕获对象的捕获、拖动、锁紧等功能，既能实现空间对接过程中无损抓取，又能满足多种接口对接的不同需求。

附图说明

图1为本发明的空间桁架单元快速装配系统结构主视图；

图2为本发明的空间桁架单元快速装配系统结构左视图；

图3为本发明的空间桁架单元快速装配系统结构俯视图；

图4为本发明的空间桁架单元快速装配系统执行机构7机构图；

具体实施方式

参见图1～图3所示，一种基于机器人的空间桁架单元快速装配系统，包括摄影测量装置1、母平台2、保持架3、六自由度姿态调整装置4、气浮支撑装置5、六维力感知系统6、执行机构7、可移动机器人8控制器10及气浮平台11；

摄影测量装置1通过螺纹连接或胶接的方式固定在母平台2上，用于对装配过程中桁架单元模块9的位姿进行测量；

保持架3与母平台2固定连接，用于对母平台2进行固定和姿态调整；

六自由度姿态调整装置4用于对桁架单元模块9进行姿态调整；所述六自由度姿态调整装置4上端与桁架单元模块9固定连接，下端通过气浮支撑装置5支撑在气浮平台11上；

六维力感知系统6与可移动机器人8固定连接，用于执行机构7在抓取桁架单元模块9及装配过程中对力和力矩的采集和反馈，实现桁架单元模块9的微应力装配，消除桁架单元模块9地面模拟在轨装配时外界工装设备带来的影响，同时防止装配过程中的桁架单元模块9与执行机构7间的超调与碰撞，保证桁架单元模块9的装配精度及安全；

所述执行机构7作为可移动机器人8的末端执行机构，与六维力感知系统6固定连接，由导向装置12、捕获机构13及柔性防脱机构14等组成。捕获机构13可实现与桁架单元模块9接口的可靠机械连接，同时导向装置12具有捕获定位能力(定位精度≤0.5mm)，具有较大的捕获容差范围(位置容差≥40mm，角度容差≥4°)，具有机电气液连通功能，具备快速捕获与锁紧能力(捕获与锁紧时间<240s)，可重复实现对桁架单元模块9的捕获、拖动、锁紧等功能。控制器10作为摄影测量装置1、六自由度姿态调整装置4、六维力感知系统6及可移动机器人8的控制系统，固定连接在可移动机器人8的平台上，可实现摄影测量装置1、六自由度姿态调整装置4、六维力感知系统6及可移动机器人8等各系统间协同控制及数据传输等功能；

气浮平台11作为空间桁架单元快速装配系统的操作平台，为气浮支撑装置5提供支撑。

所述六自由度姿态调整装置4与空间微重力环境的一致性为97％，姿态调整精度为0.02°。

本发明一种基于机器人的空间桁架单元快速装配方法，步骤如下：

(1)将母平台2放置在气浮平台11的规定位置，通过保持架3将母平台2俯仰、偏航及高度调整到指标要求，位置精度0.01mm，姿态精度0.02°；

(2)摄影测量装置1实时监测桁架单元模块9的空间位置及姿态，视场角为74°x53°，摄影相机视场轴线与母平台侧壁成37°夹角，并反馈给控制器10，控制器10分别发送指令给控制六自由度姿态调整装置4及可移动机器人8，六自由度姿态调整装置4接收指令后调整桁架单元模块9至规定姿态要求，精度要求0.02°，可移动机器人8接收指令后通过执行机构7抓取并调整桁架单元模块9至要求位置；

(3)桁架单元模块9的空间位置及姿态调整完成后，执行机构7抓取桁架单元模块9与母平台2进行对接，对接过程中可移动机器人8通过六维力感知系统6监测并反馈对接力和力矩数值至控制器10，当六维力感知系统6力和力矩数值达到设定阈值5N时，可移动机器人8执行机构7执行脱腕指令，可移动机器人8采用被动跟随的方式，直至完成桁架单元模块9与母平台2对接，完成装配任务。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于机器人的空间桁架单元快速装配系统，其特征在于：包括摄影测量装置(1)、母平台(2)、保持架(3)、六自由度姿态调整装置(4)、气浮支撑装置(5)、六维力感知系统(6)、执行机构(7)、可移动机器人(8)控制器(10)及气浮平台(11)；

摄影测量装置(1)通过螺纹连接或胶接的方式固定在母平台(2)上，用于对装配过程中桁架单元模块(9)的位姿进行测量；

保持架(3)与母平台(2)固定连接，用于对母平台(2)进行固定和姿态调整；

六自由度姿态调整装置(4)用于对桁架单元模块(9)进行姿态调整；所述六自由度姿态调整装置(4)上端与桁架单元模块(9)固定连接，下端通过气浮支撑装置(5)支撑在气浮平台(11)上；

六维力感知系统(6)与可移动机器人(8)固定连接，用于执行机构(7)在抓取桁架单元模块(9)及装配过程中对力和力矩的采集和反馈；

所述执行机构(7)作为可移动机器人(8)的末端执行机构，与六维力感知系统(6)固定连接；

控制器(10)作为摄影测量装置(1)、六自由度姿态调整装置(4)、六维力感知系统(6)及可移动机器人(8)的控制系统，固定连接在可移动机器人(8)的平台上，实现摄影测量装置(1)、六自由度姿态调整装置(4)、六维力感知系统(6)及可移动机器人(8)间协同控制及数据传输功能；

气浮平台(11)作为空间桁架单元快速装配系统的操作平台，为气浮支撑装置(5)提供支撑。

2.根据权利要求1所述的一种基于机器人的空间桁架单元快速装配系统，其特征在于：所述六自由度姿态调整装置(4)与空间微重力环境的一致性为97％，姿态调整精度为0.02°。

3.根据权利要求1所述的一种基于机器人的空间桁架单元快速装配系统，其特征在于：所述执行机构(7)包括导向装置(12)、捕获机构(13)和柔性防脱机构(14)；导向装置(12)采用过盈配合的方式固定在执行机构(7)上，捕获机构(13)采用多连杆结合弹簧驱动的连接方式与执行机构(7)相连，柔性防脱机构(14)采用螺接的方式与捕获机构(13)相连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于机器人的空间桁架单元快速装配系统，其特征在于：所述导向装置(12)具有捕获定位能力，可重复实现对桁架单元模块(9)的捕获、拖动、锁紧。

5.根据权利要求4所述的一种基于机器人的空间桁架单元快速装配系统，其特征在于：所述导向装置(12)的捕获定位精度≤0.5mm。

6.根据权利要求4所述的一种基于机器人的空间桁架单元快速装配系统，其特征在于：所述捕获机构(13)的捕获与锁紧时间<240s；捕获机构(13)的捕获位置容差≥40mm，角度容差≥4°。

7.一种基于机器人的空间桁架单元快速装配方法，其特征在于步骤如下：

(1)将母平台(2)放置在气浮平台(11)的规定位置，通过保持架(3)将母平台(2)的俯仰、偏航及高度调整到指标要求；

(2)摄影测量装置(1)实时监测桁架单元模块(9)的空间位置及姿态，将测量得到的位置及姿态并反馈给控制器(10)，控制器(10)分别发送指令给控制六自由度姿态调整装置(4)及可移动机器人(8)，六自由度姿态调整装置(4)接收指令后调整桁架单元模块(9)至规定姿态要求，可移动机器人(8)接收指令后通过执行机构(7)抓取并调整桁架单元模块(9)至要求位置；

(3)桁架单元模块(9)的空间位置及姿态调整完成后，执行机构(7)抓取桁架单元模块(9)与母平台(2)进行对接，对接过程中可移动机器人(8)通过六维力感知系统(6)监测并反馈对接力和力矩数值至控制器(10)，当六维力感知系统(6)力和力矩数值达到设定阈值时，可移动机器人(8)执行机构(7)执行脱腕指令，可移动机器人(8)采用被动跟随的方式，直至完成桁架单元模块(9)与母平台(2)对接，完成装配任务。

8.根据权利要求7所述的一种基于机器人的空间桁架单元快速装配方法，其特征在于：所述步骤(1)中指标要求为：高度位置精度0.01mm，俯仰、偏航姿态精度0.02°。

9.根据权利要求7所述的一种基于机器人的空间桁架单元快速装配方法，其特征在于：所述步骤(2)中摄影测量装置(1)视场角为74°x53°，摄影测量装置(1)的视场轴线与母平台(2)成37°夹角。

10.根据权利要求7所述的一种基于机器人的空间桁架单元快速装配方法，其特征在于：所述步骤(2)中的规定姿态要求为：姿态精度0.02°；所述步骤(3)中设定阈值为5N。