CN110189960A - 一种空间站机械臂舱外航天员手动制动装置 - Google Patents

一种空间站机械臂舱外航天员手动制动装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种空间站机械臂舱外航天员手动制动装置，包括指令电源电路A和遥测电路B，外部脉冲指令能够作用于在指令电源电路上的三极管的基极从而控制机械臂驱动电机电路C的电源通断，进而控制所述机械臂工作状态，所述遥测电路能通过测量所测TL点电压的大小来判断制动开关是否按压和制动装置连接是否正常的依据；指令电源电路A包括按压开关B°，按压开关B°能控制断开三极管的断开线圈所在电路的通断从而控制机械臂驱动电机电路C的电源通断，进而控制所述机械臂工作状态；本发明解决了现有技术消除仅依靠通话或总线通信方式存在的误操作、反应慢、操作复杂的风险，可在危险发生时立刻实现机械臂的制动，提高了舱外作业的安全性。

Description

一种空间站机械臂舱外航天员手动制动装置
技术领域
本发明涉及机械臂制动领域，尤其涉及一种机械臂舱外航天员手动制动装置。
背景技术
机械臂可用于辅助航天员舱外作业，通常情况下，舱外作业航天员通过脚限位器将自身固定在机械臂末端，舱内航天员操作机械臂将舱外航天员运送到作业区域，由于站上构型复杂，在机械臂运行过程中，存在舱外航天员或机械臂与舱体发生碰撞的危险。目前，正在运行使用的加拿大机械臂SSMSS以及日本机械臂JEMRMS在执行舱外作业任务期间，由舱外宇航员和舱内宇航员时时进行通话，在紧急情况下由舱外宇航员告知舱内宇航员发指令停止机械臂运动；这种操作方式需要舱外航天员给出命令后由舱内航天员做出反应，其操作链路长，响应慢，若通信设备故障可能引发碰撞危及航天员的安全。在研的欧洲机械臂ERA在辅助航天员执行舱外任务期间，由舱外航天员通过专用的人机交互设备IMMI与机械臂控制计算机实现总线通信，当紧急情况发生时由舱外航天员通过IMMI向控制计算机发出停止指令，再由控制计算机停止机械臂运动，这种方式操作复杂，响应链路仍然较长，因此可靠性较低，并且存在执行设备复杂、体积大、功耗高的缺点。
CN109070363A提供了一种机械臂控制方法，其中处理器确定在通过致动器驱动而操作的机械臂被制动机构固定的状态下机械臂中是否存在异常。本专利公开能够确定在机械臂被制动机构固定的状态下机械臂是否存在异常。因此，可以更安全地确定该机械臂是否存在异常。此外，能够更可靠地防止该机械臂执行异常操作；CN203697014U公开了一种反篮检测制动系统，包括：传感器，检测待检物位置；继电器线圈，与传感器输出端连接；停止器，与传感器输出端连接，用于停止机械臂动作；示警器；继电器常开开关，两端分别与示警器和电源连接；继电器常闭开关，两端分别与示警器和机械臂的示警控制系统连接，用于控制示警器与所述机械臂的示警控制系统的连接通断。本实用新型的反篮检测制动系统合理契入现有机械臂的系统，使机械臂能够实现载片篮方向识别、示警和制动的功能，避免载片篮方向放置错误的现象。CN208344209U公开了一种工程机械双驾驶位驻车制动控制系统，属于工程机械领域。其技术方案是：包括主启动开关、主电源互锁继电器、主电源继电器、主制动开关、副启动开关、副电源互锁继电器、副电源继电器、副制动开关、制动切换继电器、制动电磁阀和蓄电池，主电源继电器常开触点与主制动开关连接，副电源继电器常开触点与副制动开关连接，制动切换继电器的常闭触点与主制动开关连接；主电源互锁继电器的线圈端接入副电源继电器常开的线圈端；副电源互锁继电器的线圈端接入主电源继电器常开的线圈端。本实用新型实现了两个驾驶位互不干扰的完成驻车制动，能有效防止误操作，但以上机械臂控制系统结构较复杂，所连电路和传感器较多，成本较高。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种空间站机械臂舱外航天员手动制动装置，以使上述问题得到改善。
为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案实现：
一种空间站机械臂舱外航天员手动制动装置，所述空间站机械臂舱外航天员手动制动装置的电路中包括指令电源电路A和遥测电路B，外部脉冲指令能够作用于在指令电源电路上的三极管的基极从而控制机械臂驱动电机电路C的电源通断，进而控制所述机械臂工作状态，所述遥测电路能通过测量所测TL点电压的大小来判断制动开关是否按压和制动装置连接是否正常的依据；
进一步的，所述指令电源电路A包括按压开关B°，按压开关B°能控制断开三极管的断开线圈所在电路的通断从而控制机械臂驱动电机电路C的电源通断，进而控制所述机械臂工作状态；
进一步的，所述指令电源电路A能通过继电器的闭合线圈的通电控制机械臂驱动电机电路C的触点的开闭从而控制电机工作状态，进而控制所述机械臂工作状态。
进一步的，所述指令电源电路A、遥测电路B、机械臂驱动电机电路C位于舱内宇航员空间内，穿过所述空间用机械臂通过末端执行器D与舱外宇航员身上的所述空间站机械臂舱外航天员手动制动装置连接。
进一步的，一种空间站机械臂舱外航天员手动制动装置，可通过尼龙粘钩紧贴尼龙搭扣面1固定在宇航服手臂位置，其侧面的电缆出线口2与机械臂驱动电机电路C相连的末端执行器D里面的末端电连接器3通过电缆连接。
进一步的，所述空间站机械臂舱外航天员手动制动装置的电路中指令电源电路A包括继电器J1的闭合线圈J1-X1、断开线圈J1-X2、继电器J2的闭合线圈J2-X1、断开线圈J2-X2；
进一步的，所述机械臂驱动电机电路C包括触点J1-C、触点J2-C和机械臂驱动电机M1、M2；
进一步的，所述断开线圈J1-X2、断开线圈J2-X2分别控制触点J1-C、触点J2-C的断开状态；
进一步的，所述闭合线圈J1-X1、闭合线圈J2-X1分别控制触点J1-C、触点J2-C的闭合状态。
进一步的，所述指令电源电路A还包括：三极管T1、T2、T3、T4；二极管D1、D2、D3，发光二极管D4；电阻R1、R2、R3、R4；按压开关B°、机械臂电源S、接插件触点PL1、PL2、PL3、PL4、PL5；
进一步的，所述继电器J1的触点J1-C一端连接电机M1，另一端连接机械臂电源S；继电器J2的触点J2-C一端连接电机M2，另一端连接机械臂电源S。
进一步的，所述继电器J1的触点J1-C，继电器J2的触点J2-C并联连接在电路中，继电器J1的触点J1-C，继电器J2的触点J2-C的并联电路的左端连接机械臂电源S；
进一步的，电机M2，电机M1并联，左端与继电器J1的触点J1-C，继电器J2的触点J2-C的并联电路右端连接，右连接机械臂电源S，共同形成回路。
进一步的，所述继电器J1的断开线圈J1-X2通过接插件触点PL1连接到二极管D1的正极，继电器J2的断开线圈J2-X2通过接插件触点PL2连接到二极管D2的正极；
进一步的，所述继电器J1的断开线圈J1-X2与三极管T2入口连接，三极管T2出口接地；
进一步的，所述继电器J2的断开线圈J2-X2与三极管T4入口连接，三极管T4出口接地；
进一步的，所述二极管D1、D2的负极连接到按压开关B°的一端，开关B的另一端连接发光二极管D4的正极，D4的负极接地；同时，所述二极管D1、D2的负极还通过接插件触点PL3连接到电阻R1的一端，R1的另一端与二极管D3的负极相连；
进一步的，所述二极管D3的正极与电阻R4一端相连，同时还连接到电阻R2一端，R4的另一端连接+5V电源；从电阻R2和R4之间引出电压遥测点TL，电阻R2另一端通过接插件触点PL4、PL5连接到电阻R3一端，R3另一端接地。
进一步的，所述继电器J1的闭合线圈J1-X1、断开线圈J1-X2连接指令电源，三极管T1、T2的基极连接控制脉冲P1-1，P1-2；
进一步的，所述继电器J2的闭合线圈J2-X1、断开线圈J2-X2连接指令电源，三极管T3、T4的基极连接控制脉冲P2-3，P2-4。
一种空间站机械臂舱外航天员手动制动装置，使用步骤如下：
(1)舱外航天员将自身固定在机械臂末端后，取出手动制动装置并粘连固定在宇航服上，此时连接器尚未插接到末端，TL点电压为+5V；
(2)舱外航天员将手动制动装置插接到机械臂末端，此时TL点电压为电阻R2、R3串联后的分压，该电压可作为制动装置连接是否正常的判据；
(3)舱外航天员按下开关B，此时继电器J1-X2线圈、J2-X2线圈通电，触点J1-C、J2-C断开，机械臂电机M1、M2断电，机械臂制动，同时发光二极管D4变亮，此时TL点电压为电阻R2、R3串联后再与电阻R1并联后的分压，该电压可作为制动开关是否按压的判据；
(4)当需要恢复机械臂电机M1、M2供电时，通过外部脉冲指令P1-1、P2-3使三极管T1、T3导通，继电器闭合线圈J1-X1、J2-X1通电，触点J1-C、J2-C接通，机械臂可正常工作。
本发明的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
(1)由舱外作业航天员直接制动机械臂，消除仅依靠通话或总线通信方式存在的误操作、反应慢、操作复杂的风险，可在危险发生时立刻实现机械臂的制动，提高了舱外作业的安全性；
(2)可在舱内产生三种电压遥测，分别对应三种操作状态：制动装置未连接、制动装置连接、机械臂手动制动；舱内航天员根据电压遥测，可以判断机械臂制动状态；
(3)通过装置底面的尼龙粘钩将装置固定在舱外宇航服上，具有装置安装简便、体积小、功耗低的优点。
附图说明
图1为本发明使用环境示意图；
图2本发明实现原理示意图；
图3为本发明外形示意图；
图4为本发明空间站机械臂舱外航天员手动制动装置电路原理图；
图5为本发明与手动制动装置相关联控制的机械臂驱动电机电路第一个优选的实施例原理图；
图6为本发明与手动制动装置相关联控制的机械臂驱动电机电路第二个优选的实施例原理图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对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部分实施例。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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“背面”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系。这类术语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。
还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-6所示，所述空间站机械臂舱外航天员手动制动装置的电路中包括指令电源电路A和遥测电路B，外部脉冲指令能够作用于在指令电源电路上的三极管的基极从而控制机械臂驱动电机电路C的电源通断，进而控制所述机械臂工作状态，所述遥测电路能通过测量所测TL点电压的大小来判断制动开关是否按压和制动装置连接是否正常的依据；
指令电源电路A包括按压开关B°，按压开关B°能控制断开三极管的断开线圈所在电路的通断从而控制机械臂驱动电机电路C的电源通断，进而控制所述机械臂工作状态；
进一步的，所述指令电源电路A能通过继电器的闭合线圈的通电控制机械臂驱动电机电路C的触点的开闭从而控制电机工作状态，进而控制所述机械臂工作状态；
进一步的，所述指令电源电路A、遥测电路B、机械臂驱动电机电路C位于舱内宇航员空间内，穿过所述空间用机械臂通过末端执行器D与舱外宇航员身上的所述空间站机械臂舱外航天员手动制动装置连接；
作为本发明一个优选的实施例，一种空间站机械臂舱外航天员手动制动装置，可通过尼龙粘钩紧贴尼龙搭扣面1固定在宇航服手臂位置，其侧面的电缆出线口2与机械臂驱动电机电路C相连的末端执行器D里面的末端电连接器3通过电缆连接；
进一步的，所述空间站机械臂舱外航天员手动制动装置的电路中指令电源电路A包括继电器J1的闭合线圈J1-X1、断开线圈J1-X2、继电器J2的闭合线圈J2-X1、断开线圈J2-X2；
进一步的，所述机械臂驱动电机电路C包括触点J1-C、触点J2-C和机械臂驱动电机M1、M2；
进一步的，所述断开线圈J1-X2、断开线圈J2-X2分别控制触点J1-C、触点J2-C的断开状态；
进一步的，所述闭合线圈J1-X1、闭合线圈J2-X1分别控制触点J1-C、触点J2-C的闭合状态；
进一步的，所述指令电源电路A还包括：三极管T1、T2、T3、T4；二极管D1、D2、D3，发光二极管D4；电阻R1、R2、R3、R4；按压开关B°、机械臂电源S、接插件触点PL1、PL2、PL3、PL4、PL5；
进一步的，所述继电器J1的触点J1-C一端连接电机M1，另一端连接机械臂电源S；继电器J2的触点J2-C一端连接电机M2，另一端连接机械臂电源S；
作为本发明另一个优选的实施例，所述继电器J1的触点J1-C，继电器J2的触点J2-C并联连接在电路中，继电器J1的触点J1-C，继电器J2的触点J2-C的并联电路的左端连接机械臂电源S；
电机M2，电机M1并联，左端与继电器J1的触点J1-C，继电器J2的触点J2-C的并联电路右端连接，右连接机械臂电源S，共同形成回路；
进一步的，所述继电器J1的断开线圈J1-X2通过接插件触点PL1连接到二极管D1的正极，继电器J2的断开线圈J2-X2通过接插件触点PL2连接到二极管D2的正极；
进一步的，所述继电器J1的断开线圈J1-X2与三极管T2入口连接，三极管T2出口接地；
所述继电器J2的断开线圈J2-X2与三极管T4入口连接，三极管T4出口接地；
进一步的，所述二极管D1、D2的负极连接到按压开关B°的一端，开关B的另一端连接发光二极管D4的正极，D4的负极接地；同时，所述二极管D1、D2的负极还通过接插件触点PL3连接到电阻R1的一端，R1的另一端与二极管D3的负极相连；
进一步的，所述二极管D3的正极与电阻R4一端相连，同时还连接到电阻R2一端，R4的另一端连接+5V电源；从电阻R2和R4之间引出电压遥测点TL，电阻R2另一端通过接插件触点PL4、PL5连接到电阻R3一端，R3另一端接地。
所述继电器J1的闭合线圈J1-X1、断开线圈J1-X2连接指令电源，三极管T1、T2的基极连接控制脉冲P1-1，P1-2。
所述继电器J2的闭合线圈J2-X1、断开线圈J2-X2连接指令电源，三极管T3、T4的基极连接控制脉冲P2-3，P2-4。
一种空间用机械臂舱外航天员手动制动装置，使用步骤如下：
(1)舱外航天员将自身固定在机械臂末端后，取出手动制动装置并粘连固定在宇航服上，此时连接器尚未插接到末端，TL点电压为+5V；
(2)舱外航天员将手动制动装置插接到机械臂末端，此时TL点电压为电阻R2、R3串联后的分压，该电压可作为制动装置连接是否正常的判据；
(3)舱外航天员按下开关B，此时继电器J1-X2线圈、J2-X2线圈通电，触点J1-C、J2-C断开，机械臂电机M1、M2断电，机械臂制动，同时发光二极管D4变亮，此时TL点电压为电阻R2、R3串联后再与电阻R1并联后的分压，该电压可作为制动开关是否按压的判据；
(4)当需要恢复机械臂电机M1、M2供电时，通过外部脉冲指令P1-1、P2-3使三极管T1、T3导通，继电器闭合线圈J1-X1、J2-X1通电，触点J1-C、J2-C接通，机械臂可正常工作。
下面对本实施例进行进一步的描述：
与本发明手动制动装置包含的指令电源电路A和遥测电路B相关联的电路为机械臂驱动电机电路C；
1)当舱外航天员没有将手动制动装置插接到机械臂末端时，接插件触点PL1、PL2、PL3、PL4、PL5都不闭合，此时TL点显示电压为+5V；
2)当舱外航天员将手动制动装置插接到机械臂末端时，接插件触点PL1、PL2、PL3、PL4、PL5都闭合，当不按下按压开关B°时，TL点显示电压为电阻R2、R3串联后的分压；此时需要控制脉冲P1-1、P2-3分别作用在三极管T1、T3上才能形成通路，保证J1-C、J2-C闭合；从而控制机械臂驱动电机处于运行状态；
3)当舱外航天员将手动制动装置插接到机械臂末端时，接插件触点PL1、PL2、PL3、PL4、PL5都闭合，当按下按压开关B°时，TL点显示电压为电阻R2、R3串联后再与电阻R1并联后的分压，此时T2、T4分别被PL1、PL2短路，继电器闭合线圈J1-X2、J2-X2通电，此时触点J1-C、J2-C打开；
进一步的，在3)步骤中可以通过P1-2、P2-4使T2、T4导通，从而继电器闭合线圈J1-X2、J2-X2通电，控制触点J1-C、J2-C打开，从而控制机械臂驱动电机处于制动状态；
以上实施方案仅用于说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种空间站机械臂舱外航天员手动制动装置，其特征在于：所述空间站机械臂舱外航天员手动制动装置的电路中包括指令电源电路A和遥测电路B，外部脉冲指令能够作用于在指令电源电路上的三极管的基极从而控制机械臂驱动电机电路C的电源通断，进而控制所述机械臂工作状态，所述遥测电路能通过测量所测TL点电压的大小来判断制动开关是否按压和制动装置连接是否正常的依据。
2.根据权利要求1所述的一种空间站机械臂舱外航天员手动制动装置，其特征在于：指令电源电路A包括按压开关B°，按压开关B°能控制断开三极管的断开线圈所在电路的通断从而控制机械臂驱动电机电路C的电源通断，进而控制所述机械臂工作状态；
所述指令电源电路A能通过继电器的闭合线圈的通电控制机械臂驱动电机电路C的触点的开闭从而控制电机工作状态，进而控制所述机械臂工作状态。
3.根据权利要求1所述的一种空间站机械臂舱外航天员手动制动装置，其特征在于：所述指令电源电路A、遥测电路B、机械臂驱动电机电路C位于舱内宇航员空间内，穿过所述空间用机械臂通过末端执行器D与舱外宇航员身上的所述空间站机械臂舱外航天员手动制动装置连接。
4.根据权利要求1所述的一种空间站机械臂舱外航天员手动制动装置，其特征在于：一种空间站机械臂舱外航天员手动制动装置，可通过尼龙粘钩紧贴尼龙搭扣面1固定在宇航服手臂位置，其侧面的电缆出线口2与机械臂驱动电机电路C相连的末端执行器D里面的末端电连接器3通过电缆连接。
5.根据权利要求1所述的一种空间站机械臂舱外航天员手动制动装置，其特征在于：所述空间站机械臂舱外航天员手动制动装置的电路中指令电源电路A包括继电器J1的闭合线圈J1-X1、断开线圈J1-X2、继电器J2的闭合线圈J2-X1、断开线圈J2-X2；
所述机械臂驱动电机电路C包括触点J1-C、触点J2-C和机械臂驱动电机M1、M2；
所述断开线圈J1-X2、断开线圈J2-X2分别控制触点J1-C、触点J2-C的断开状态；
所述闭合线圈J1-X1、闭合线圈J2-X1分别控制触点J1-C、触点J2-C的闭合状态。
6.根据权利要求5所述的一种空间站机械臂舱外航天员手动制动装置，其特征在于：所述指令电源电路A还包括：三极管T1、T2、T3、T4；二极管D1、D2、D3，发光二极管D4；电阻R1、R2、R3、R4；按压开关B°、机械臂电源S、接插件触点PL1、PL2、PL3、PL4、PL5；
进一步的，所述继电器J1的触点J1-C一端连接电机M1，另一端连接机械臂电源S；继电器J2的触点J2-C一端连接电机M2，另一端连接机械臂电源S。
7.根据权利要求5所述的一种空间站机械臂舱外航天员手动制动装置，其特征在于：所述继电器J1的触点J1-C，继电器J2的触点J2-C并联连接在电路中，继电器J1的触点J1-C，继电器J2的触点J2-C的并联电路的左端连接机械臂电源S；
电机M2，电机M1并联，左端与继电器J1的触点J1-C，继电器J2的触点J2-C的并联电路右端连接，右连接机械臂电源S，共同形成回路。
8.根据权利要求7所述的一种空间站机械臂舱外航天员手动制动装置，其特征在于：所述继电器J1的断开线圈J1-X2通过接插件触点PL1连接到二极管D1的正极，继电器J2的断开线圈J2-X2通过接插件触点PL2连接到二极管D2的正极；
所述继电器J1的断开线圈J1-X2与三极管T2入口连接，三极管T2出口接地；
所述继电器J2的断开线圈J2-X2与三极管T4入口连接，三极管T4出口接地；
所述二极管D1、D2的负极连接到按压开关B°的一端，开关B的另一端连接发光二极管D4的正极，D4的负极接地；同时，所述二极管D1、D2的负极还通过接插件触点PL3连接到电阻R1的一端，R1的另一端与二极管D3的负极相连；
所述二极管D3的正极与电阻R4一端相连，同时还连接到电阻R2一端，R4的另一端连接+5V电源；从电阻R2和R4之间引出电压遥测点TL，电阻R2另一端通过接插件触点PL4、PL5连接到电阻R3一端，R3另一端接地。
9.根据权利要求8所述的一种空间站机械臂舱外航天员手动制动装置，其特征在于：所述继电器J1的闭合线圈J1-X1、断开线圈J1-X2连接指令电源，三极管T1、T2的基极连接控制脉冲P1-1，P1-2；
所述继电器J2的闭合线圈J2-X1、断开线圈J2-X2连接指令电源，三极管T3、T4的基极连接控制脉冲P2-3，P2-4。
10.一种空间站机械臂舱外航天员手动制动装置，其特征在于，使用步骤如下：
(1)舱外航天员将自身固定在机械臂末端后，取出手动制动装置并粘连固定在宇航服上，此时连接器尚未插接到末端，TL点电压为+5V；
(2)舱外航天员将手动制动装置插接到机械臂末端，此时TL点电压为电阻R2、R3串联后的分压，该电压可作为制动装置连接是否正常的判据；
(3)舱外航天员按下开关B，此时继电器J1-X2线圈、J2-X2线圈通电，触点J1-C、J2-C断开，机械臂电机M1、M2断电，机械臂制动，同时发光二极管D4变亮，此时TL点电压为电阻R2、R3串联后再与电阻R1并联后的分压，该电压可作为制动开关是否按压的判据；
(4)当需要恢复机械臂电机M1、M2供电时，通过外部脉冲指令P1-1、P2-3使三极管T1、T3导通，继电器闭合线圈J1-X1、J2-X1通电，触点J1-C、J2-C接通，机械臂可正常工作。
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