CN110395414A - 一种面向空间维修作业的机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向空间维修作业的机器人，涉及自动化机械领域，能够解决以航天员出舱操作为主的有人在轨服务面临着高风险、高运行成本、劳动强度大，生产效率低问题。本发明包括：伸缩机构、滑动导轨、导轨滑块、滚珠丝杠、滚珠丝杠驱动电机、机械臂。伸缩机构设置在工作平面上，伸缩机构顶面上安装滑动导轨，滑动导轨之间设置滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺杆和滚珠丝杠驱动电机的输出轴连接，滚珠丝杠的螺母上安装导轨滑块，导轨滑块和滑动导轨配合连接；导轨滑块上设置机械臂。本发明实现了对空间维修作业的自动化操作，大大提高了空间维修作业的安全度。
Description
技术领域
本发明涉及自动化机械领域，尤其涉及一种面向空间维修作业的机器人。
背景技术
随着空间作业任务的复杂化与多样化，空间设备的在轨维修与故障设备的捕捉等任务也越来越多，现阶段，一般采用有人在轨服务技术，但以航天员出舱操作为主的有人在轨服务面临着高风险、高运行成本等问题，且空间作业任务日益繁重，航天员已无法完成大量、复杂的航天任务。
随着空间探索的深入，空间机器人将会发挥越来越重要的作用，空间机器人技术的研究已经成为各国航天技术的研究热点，空间机器人任务规划是空间机器人技术研究的热点之一。当前，空间探测装备已由完全地面平台组装，发展到依托空间机器人技术进行在轨组装和维护。大型复杂结构航天器相继出现，对在空间机器人技术要求越来越高，基于动基座的空间机器人技术正成为航天领域研究与应用的前沿。
空间机器人指在太空环境下进行空间作业的机器人，通常由基座飞行器和安装在基座上的机械臂组成，空间机器人的任务主要包括在轨装配、维护、空间碎片的抓取和后勤支援等任务。自上世纪80 年代起，有人在轨服务技术迅速发展，但以航天员出舱操作为主的有人在轨服务面临着高风险、高运行成本等问题，且空间作业任务日益繁重，航天员已无法独立完成大量、复杂的航天任务。因此，发展以空间机器人为主导的自主空间服务技术成为必然趋势。
空间机器人技术是未来航天大国进行在轨服务、空间碎片清除和太空攻防的基础，是当今世界航天强国争相发展且必须掌握的一项高新技术。随着我国航天技术的不断发展，为了适应新时代航天任务的需求，发展空间机器人技术是很有必要的。空间机器人是典型的多任务空间操控平台，现代自主空间服务技术主要使用空间机器人。空间机器人除了空间环境适应性约束外，有别于工业机械臂，要求重量轻，绝对定位精度要求高。重量轻带来机械臂挠性大，增强了结构设计、动力学建模与控制的复杂性。
随着空间任务需求的复杂化和多样化，与空间非合作目标相关的在轨操作任务需求也大量涌现，故障航天器在轨维修、轨道碎片离轨清理及空间攻防等已成为航天技术发展面对和待解决的现实问题，空间机器人在轨抓捕技术是解决这些问题的关键技术之一。
发明内容
本发明提供本发明提供了一种面向空间维修作业的多臂机器人装置，用于解决以航天员出舱操作为主的有人在轨服务面临着高风险、高运行成本、劳动强度大，生产效率低问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种面向空间维修作业的机器人，包括：伸缩机构、滑动导轨、导轨滑块、滚珠丝杠、滚珠丝杠驱动电机、机械臂。
伸缩机构包括：安装板、滑动导轨、滚珠丝杠。安装板设置在工作平面上，安装板顶面上安装滑动导轨，滑动导轨之间设置滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺杆和滚珠丝杠驱动电机的输出轴连接，滚珠丝杠的螺母上安装导轨滑块，导轨滑块和滑动导轨配合连接；导轨滑块上设置机械臂。
进一步的，机械臂包括：基座、腰转关节、肩转关节、肘转关节、腕俯仰关节、腕偏转关节、腕滚转关节、维修装置、大臂、小臂。
基座安装在导轨滑块上，基座和腰转关节活动连接，腰转关节另一端和肩转关节固定连接，肩转关节和大臂活动连接。
大臂的另一端和肘转关节活动连接，肘转关节和腕俯仰关节活动连接，腕俯仰关节另一端和小臂固定连接。
小臂另一端和腕偏转关节活动连接，腕偏转关节另一端和腕滚转关节活动连接，腕滚转关节的末端设置维修装置。
进一步的，腰转关节、肩转关节、肘转关节、腕俯仰关节、腕偏转关节、腕滚转关节均采用转动副结构。
进一步的，基座、腰转关节、肩转关节、肘转关节、腕俯仰关节、腕偏转关节、腕滚转关节分别连接独立的驱动电机。
进一步的，所述面向空间维修作业的机器人包括若干条滑动导轨，滑动导轨依次连接形成闭环。
进一步的，滑动导轨的两端设置光电式限位开关。
本发明提供的面向空间维修作业的多臂机器人装置，实现了对空间维修作业的自动化操作，大大提高了空间维修作业的安全度；该装置在空间作业时间长，工作精度高，可批量生产应用；可大大提高效率，减轻航天员劳动强度，降低空间作业成本；该结构设计合理，作业质量好，作业效率高，作业可靠，通用化程度高，完全满足了对卫星维修及空间站的装配作业的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明的轴测图；
图2为本发明机械臂的轴测图；
图3为本发明伸缩机构的轴测图。
图中各标号：1-卫星基座、2-太阳能电池阵、3-数传天线、4-安装板、5-滑动导轨、6-导轨滑块、7-光电式限位开关、8-导轨安装板、9-滚珠丝杠、10-联轴器、11-滚珠丝杠驱动电机、12-机械臂、121-基座关节、122-腰转关节、123-肩转关节、124-肘转关节、125-腕俯仰关节、126-腕偏转关节、127-腕滚转关节、128-维修机械手、129-大臂、120-小臂、13-机械臂安装支架。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例提供一种面向空间维修作业的机器人，如图1所示，包括：伸缩机构、滑动导轨5、导轨滑块6、光电式限位开关7、导轨安装板8、滚珠丝杠9、联轴器10、滚珠丝杠驱动电机11、机械臂12、机械臂安装支架13。
所述面向空间维修作业的机器人安装在卫星基座1上，卫星基座1的两侧安装太阳能电池阵2，通过太阳能电池阵2吸收太阳能提供装置工作动力；卫星基座1上还安装数传天线3，用于实现与地球地面站的通信功能，使得装置可以接受地面站指令并反馈任务完成状态。
卫星基座1的顶面截面为长方形，伸缩机构分别安装在卫星基座1顶面的各个侧边上，每一边的伸缩机构上设置一个机械臂12，使得机械臂12可以到达空间中的任意位置。
如图3所示，伸缩机构包括安装板4、滑动导轨5、导轨滑块6、导轨安装板8。安装板4上设置导轨安装板8，导轨安装板8上设置滑动导轨5，滑动导轨5的轨道中间设置滚珠丝杠9，在滚珠丝杠9的末端，滚珠丝杠驱动电机11的输出轴和滚珠丝杠9的螺杆通过联轴器10固定连接。
滚珠丝杠9的螺母上设置机械臂安装支架13，机械臂安装支架13上安装机械臂12。机械臂12均可在各自伸缩机构的滑动导轨5上自由移动，以便于四个机械臂能够协同工作，提高作业效率。
为了能够保证机械臂末端的维修机械手128能够以任意姿态到达空间中任意位置，因此设计机械臂12为六轴空间机械臂，机械臂12包括：基座121、腰转关节122、肩转关节123、肘转关节124、腕俯仰关节125、腕偏转关节126、腕滚转关节127、维修机械手128、大臂129、小臂120。
基座121安装在导轨滑块6上，基座121和腰转关节122活动连接，腰转关节122另一端和肩转关节122固定连接，肩转关节122和大臂129活动连接。
大臂129的另一端和肘转关节123活动连接，肘转关节123和腕俯仰关节125活动连接，腕俯仰关节125另一端和小臂120固定连接；
小臂120另一端和腕偏转关节126活动连接，腕偏转关节126另一端和腕滚转关节127活动连接，腕滚转关节127的末端设置维修机械手128。
其中每个关节都有驱动电机来提供转动力矩，通过驱动电机来驱动关节运动，如图2所示。机械臂12能保证空间机器人的维修机械手128以任意姿态到达空间中的任意位置，提升了单个机械臂的工作空间和任务种类。
机械臂12通过多个螺栓连接固定在机械臂安装支架13上，机械臂安装支架13通过螺栓连接至伸缩机构上，以确保机械臂可以在滑动导轨上来回直线运动，其具体实现过程为：滚珠丝杠驱动电机11通过联轴器10带动滚珠丝杠9转动，从而带动机械臂安装支架13通过导轨滑块6在滑动导轨5上往复运动。伸缩机构能保证空间机器人到达空间各个角落，保证空间机器人至少两个机械臂12能够协同工作，提高空间机器人装置的工作效率。导轨5能够确保伸缩机构往复运动过程中比较稳定，进而保证结构稳定性。伸缩机构4能够带动机械臂12以及安装支架13一起实现作用运动。进而确保维修与装配作业完成。滑动导轨5的两端设置光电式限位开关7，光电式限位开关7能够保证滑块与伸缩机构4不会发生碰撞，进而确保伸缩机构的往复运动。
本实施例的工作原理为：
滚珠丝杠驱动电机11通过联轴器10带动滚珠丝杠9转动，从而带动机械臂安装支架13通过导轨滑块6在滑动导轨5上往复运动。
伸缩机构4通过光电式限位开关7来控制机械臂安装支架13的运动范围，避免发生碰撞以保证设备安全工作，此时四个伸缩机构4通过合成运动可以使机械臂12平稳地移动，以便于四个机械臂能够协同工作，提高作业效率。选择其中一个机械臂12固定待维修装置，其他三个机械臂12可以通过协作完成相应的工作，也可以通过任意两个机械臂12固定待维修装置，其他两个机械臂12协同工作，在工作的过程中可以随时选择任意机械臂12作为固定机械臂，而其他机械臂12作为工作机械臂，使工作形式多样化。通过数传天线3实现与地球地面站的通信功能，使用二自由度的装置，保证指向对齐，使得装置可以接受地面站指令并反馈任务完成状态。机械臂12为六轴空间机械臂，通过各个关节合成运动，带动维修机械手128运动，维修机械手128能够以任意姿态到达空间中任意位置，其中每个关节都有驱动电机来提供机械臂转动的力矩，驱动电机通过电机支架与关节相连。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种面向空间维修作业的机器人，其特征在于，包括：伸缩机构、滑动导轨（5）、导轨滑块（6）、滚珠丝杠（9）、滚珠丝杠驱动电机（11）、机械臂（12）；
伸缩机构包括：安装板（4）、滑动导轨（5）、滚珠丝杠（9）；
安装板（4）设置在工作平面上，安装板（4）顶面上安装滑动导轨（5），滑动导轨（5）之间设置滚珠丝杠（9），滚珠丝杠（9）的螺杆和滚珠丝杠驱动电机（11）的输出轴连接，滚珠丝杠（9）的螺母上安装导轨滑块（6），导轨滑块（6）和滑动导轨（5）配合连接；
导轨滑块（6）上设置机械臂（12）。
2.根据权利要求1所述面向空间维修作业的机器人，其特征在于，机械臂（12）包括：基座（121）、腰转关节（122）、肩转关节（123）、肘转关节（124）、腕俯仰关节（125）、腕偏转关节（126）、腕滚转关节（127）、维修装置（128）、大臂（129）、小臂（120）；
基座（121）安装在导轨滑块（6）上，基座（121）和腰转关节（122）活动连接，腰转关节（122）另一端和肩转关节（122）固定连接，肩转关节（122）和大臂（129）活动连接；
大臂（129）的另一端和肘转关节（123）活动连接，肘转关节（123）和腕俯仰关节（125）活动连接，腕俯仰关节（125）另一端和小臂（120）固定连接；
小臂（120）另一端和腕偏转关节（126）活动连接，腕偏转关节（126）另一端和腕滚转关节（127）活动连接，腕滚转关节（127）的末端设置维修装置（128）。
3.根据权利要求2所述面向空间维修作业的机器人，其特征在于，腰转关节（122）、肩转关节（123）、肘转关节（124）、腕俯仰关节（125）、腕偏转关节（126）、腕滚转关节（127）均采用转动副结构。
4.根据权利要求2所述面向空间维修作业的机器人，其特征在于，基座（121）、腰转关节（122）、肩转关节（123）、肘转关节（124）、腕俯仰关节（125）、腕偏转关节（126）、腕滚转关节（127）分别连接独立的驱动电机。
5.根据权利要求1所述面向空间维修作业的机器人，其特征在于，所述面向空间维修作业的机器人包括若干条滑动导轨（5），滑动导轨（5）依次连接形成闭环。
6.根据权利要求4所述面向空间维修作业的机器人，其特征在于，滑动导轨（5）的两端设置光电式限位开关（7）。
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