CN113459068A - 一种用于空间站载荷在轨维修的机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及载人航天空间站科学实验操作设备，特别涉及一种用于空间站载荷在轨维修的机械臂。包括维修箱及倒挂于维修箱内的载荷维修机械臂；载荷维修机械臂具有七自由度，且执行末端设有快锁机构和相机模块，其中快锁机构用于连接维修工具，相机模块用于采集待维修载荷的图像信息。本发明能实现尺寸、重量与能耗的最小化设计，满足在空间站上进行载荷维修的功能要求，自主或辅助航天员完成载荷在轨就位维修。

Description

一种用于空间站载荷在轨维修的机械臂

技术领域

本发明涉及载人航天空间站科学实验操作设备，特别涉及一种用于空间站载荷在轨维修的机械臂。

背景技术

为了探索太空领域，我国即将建成空间站，空间站将能有力推动空间科学的研究活动。受天地运输能力的限制，我国和其他国家一样面临着空间站后勤补给的困难，每一次货运飞船的上、下行都需要投入大量的人力和物力，因此很有必要为空间站建立一个操作平台，用于支持科学应用载荷的在轨维修。

为满足在轨进行载荷维修的操作需求，我国空间站中布置了载荷维修箱，为在轨维修操作提供工作空间和基础资源，自主或辅助航天员进行载荷的拆卸和组装、清洁、消毒以及调试等操作，并代替航天员完成操作精度要求高、操作时间长、操作环境恶劣的工作。在轨维修操作技术面向空间站应用系统的载荷，提供维修功能和实时观察功能，能够实现高效快速、准确可靠的维护操作任务，一方面提高在轨设备的可维修性，有效减少应用系统对维修保障备件数量的需求，显著提高设备的利用率，降低天地运输成本；另一方面提高了航天员操作时的安全性和高效性，大大地减轻了航天员的工作强度，有效地缓解了航天员因长时间操作而引发的疲劳，让航天员有更多的时间投入科学研究和空间站的运营管理。

为完成在轨维修操作任务，需要在维修箱中布置一套机械臂，用于灵巧与精细操作。维修箱内属于狭小、非规则空间，目前工业中普遍使用的机器人，重量、体积与构型等特征，均不能直接搬用到维修箱内使用，因此，需要设计一种能适应维修箱内特殊空间与任务要求的机械臂，以满足在轨载荷维修需求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种用于空间站载荷在轨维修的机械臂，以满足在空间站上进行载荷维修的功能要求，自主或辅助航天员完成载荷在轨就位维修。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于空间站载荷在轨维修的机械臂，包括维修箱及倒挂于所述维修箱内的载荷维修机械臂；所述载荷维修机械臂具有七自由度，且执行末端设有快锁机构和相机模块，其中快锁机构用于连接维修工具，所述相机模块用于采集待维修载荷的图像信息。

所述载荷维修机械臂包括依次连接的关节Ⅰ、关节Ⅱ、关节Ⅲ、关节Ⅳ、关节Ⅴ、关节Ⅵ及关节Ⅶ，其中关节Ⅰ为直线运动关节，所述关节Ⅱ、关节Ⅲ、关节Ⅳ、关节Ⅴ、关节Ⅵ及关节Ⅶ均为模块化旋转运动关节；所述相机模块设置于所述关节Ⅶ的外侧；所述快锁机构设置于所述关节Ⅶ的输出端。

所述关节Ⅱ的旋转轴线与所述关节Ⅰ的移动方向垂直；

所述关节Ⅲ和所述关节Ⅱ的旋转轴线相互垂直；

所述关节Ⅲ的输出端通过连杆与所述关节Ⅳ连接，且所述关节Ⅲ和所述关节Ⅳ的旋转轴线相互平行；

所述关节Ⅴ的旋转轴线与所述关节Ⅳ和所述关节Ⅵ的旋转轴线垂直；

所述关节Ⅶ和所述关节Ⅵ的旋转轴线相互垂直。

所述关节Ⅰ包括安装架、导轨A、导轨B、丝杠组件、丝母转接板及驱动组件，其中导轨A、导轨B和丝杠组件相互平行地设置于安装架上，且丝杠组件可转动；丝母转接板与所述丝杠组件中的丝母连接，且两端分别与导轨A和导轨B滑动连接；所述驱动组件设置于所述安装架的一端，且输出端与所述丝杠组件连接，用于驱动所述丝杠组件转动；

所述关节Ⅱ设置于所述丝母转接板上。

所述关节Ⅰ还包括设置于所述安装架上的驱动控制器组件，所述驱动控制器组件与所述驱动组件电连接，用于控制所述驱动组件，从而实现所述关节Ⅰ的运动控制。

所述关节Ⅱ、关节Ⅲ、关节Ⅳ、关节Ⅴ、关节Ⅵ及关节Ⅶ结构相同，均包括基座及设置于所述基座上且依次连接的无刷直流电机、谐波减速器及扭矩传感器，所述扭矩传感器用于测量关节的负载扭矩。

所述无刷直流电机的后部设有增量式编码器、绝对式编码器及关节驱动器，其中关节驱动器与增量式编码器、绝对式编码器及扭矩传感器电连接；增量式编码器用于反馈电机侧的位置；绝对式编码器用于反馈关节的位置；关节驱动器用于控制所述无刷直流电机，从而实现关节运动的控制。

所述关节Ⅱ、关节Ⅲ、关节Ⅳ、关节Ⅴ、关节Ⅵ及关节Ⅶ均为方便走线的中空结构。

所述快锁机构包括快锁基座、螺纹套及若干钢球，其中快锁基座与所述关节Ⅶ的输出端连接，螺纹套套设于快锁基座的外侧，且与快锁基座螺纹连接；所述快锁基座上沿周向等间距设有通孔，在通孔中放置若干钢球；当螺纹套向上运动时挤压钢球嵌入工具的沟槽中，实现对工具的连接与锁紧。

所述螺纹套的端部内侧为斜面结构，通过该斜面结构挤压或释放所述钢球。

本发明与现有技术相比的优点及有益效果是：

适用于空间站载荷维修箱内部空间的优化构型：空间站载荷维修箱内部为非规则空间，如果采用工业机器人构型，为实现全局可达，将不得不选用较长尺寸的连杆，导致机械臂尺寸与重量过大，降低操作的灵巧性，甚至无法使用。采用本发明提出的机械臂构型与结构方案，能实现尺寸、重量与能耗的最小化设计。

操作更安全：本发明的机械臂配置了扭矩传感器，通过柔顺控制以及碰撞保护功能，不但可以设置载荷维修过程中的操作力大小，实现对载荷的安全操作，也可以规避对航天员的伤害。

附图说明

图1为本发明一种用于空间站载荷在轨维修的机械臂的工作状态示意图；

图2为本发明一种用于空间站载荷在轨维修的机械臂的结构示意图；

图3为本发明中关节Ⅰ的结构示意图；

图4为本发明中关节Ⅱ结构示意图；

图5为本发明中快锁机构的结构示意图；

图中：1为载荷维修机械臂，11为关节Ⅰ，111为导轨A，112为导轨B，113为丝杠组件，114为丝母转接板，115为驱动组件，116为驱动控制器组件，12为关节Ⅱ，121为无刷直流电机，122为谐波减速器，123为交叉滚子轴承，124为增量式编码器，125为绝对式编码器，126为扭矩传感器，127为关节驱动器，128为基座，13为关节Ⅲ，14为关节Ⅳ，15为关节Ⅴ，16为关节Ⅵ，17为关节Ⅶ，18为连杆，19为快锁机构，191为快锁基座，192为螺纹套，193为钢球，194为斜面结构，20为相机模块，2为维修工具，3为待维修载荷，4为维修箱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种用于空间站载荷在轨维修的机械臂，包括维修箱4及倒挂于维修箱4内的载荷维修机械臂1；载荷维修机械臂1具有七自由度，且执行末端设有快锁机构19和相机模块20，其中快锁机构19用于连接维修工具，相机模块20用于采集待维修载荷3的图像信息。

本发明适用于空间站载荷维修箱内部空间的优化构型，能实现尺寸、重量与能耗的最小化设计。

如图2所示，本发明的实施例中，载荷维修机械臂1包括依次连接的关节Ⅰ11、关节Ⅱ12、关节Ⅲ13、关节Ⅳ14、关节Ⅴ15、关节Ⅵ16及关节Ⅶ17，其中关节Ⅰ11为直线运动关节，关节Ⅱ12、关节Ⅲ13、关节Ⅳ14、关节Ⅴ15、关节Ⅵ16及关节Ⅶ17均为模块化旋转运动关节；相机模块20设置于关节Ⅶ17的外侧；快锁机构19设置于关节Ⅶ17的输出端。载荷维修机械臂1整体为1P6R构型，各关节的变量分别记为d₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅、θ₆和θ₇。

本发明的实施例中，关节Ⅱ12的旋转轴线与关节Ⅰ11的移动方向垂直，关节Ⅲ13和关节Ⅱ12的旋转轴线相互垂直，关节Ⅲ13的输出端通过连杆18与关节Ⅳ14连接，且关节Ⅲ13和关节Ⅳ14的旋转轴线相互平行，连杆18用于连接关节Ⅲ13与关节Ⅳ14，使机械臂满足操作空间的要求。关节Ⅴ15的旋转轴线与关节Ⅳ14和关节Ⅵ16的旋转轴线垂直，关节Ⅶ17和关节Ⅵ16的旋转轴线相互垂直。

如图3所示，本发明的实施例中，关节Ⅰ11包括安装架、导轨A111、导轨B112、丝杠组件113、丝母转接板114及驱动组件115，其中安装架与维修箱4的内侧顶部连接，导轨A111和导轨B112相互平行地设置于安装架的两侧，丝杠组件113可转动地设置于安装架的中间位置，且与轨A111和导轨B112平行。丝母转接板114与丝杠组件113中的丝母连接，且两端分别与导轨A111和导轨B112滑动连接；驱动组件115设置于安装架的一端，且输出端与丝杠组件113连接，用于驱动丝杠组件113转动；关节Ⅱ12设置于丝母转接板114上。

进一步地，关节Ⅰ11还包括设置于安装架上的驱动控制器组件116，驱动控制器组件116与驱动组件115电连接，用于控制驱动组件115，从而实现关节Ⅰ11的运动控制。

具体地，驱动组件115由无刷直流电机、行星轮减速器与多圈绝对式编码器组成，可做多圈旋转运动并能反馈绝对位置。驱动组件115安装于丝杠组件113的端部，驱动丝杠组件113运动，丝杠组件113由丝杠与丝母组成，可将旋转运动转换为直线运动。丝母转接板114随丝母作直线运动，丝母转接板114的两侧分别通过滑块与导轨A111和导轨B112连接，两侧滑块对丝母转接板114起支撑作用。驱动控制器组件116由关节驱动器、控制盒以及接插件等组成，就近安装于驱动组件115附近。关节Ⅰ11的关节驱动器与无刷直流电机和多圈绝对式编码器电气连接，并与系统控制器作总线通讯，其作用是接受上层的系统控制器下发的运动指令，驱动无刷直流电机运动，带动丝母转接板114作直线运动，并向系统控制器反馈关节Ⅰ11的参数，包括电流、位置、速度、故障模式等参数。丝母转接板114上布置有与关节Ⅱ12对接安装的螺纹孔与定位销钉孔，可实现关节Ⅰ11与关节Ⅱ12的高精度定位组装。

本发明的实施例中，关节Ⅰ11提供直线运动，实现机械臂在维修箱4内的大范围可达，并增强6R构型机构的灵巧性。关节Ⅰ11采用双列直线滚珠导轨作支撑，实现了高刚度的结构设计，采用伺服电机驱动滚珠丝杠的驱动方式，可以实现高精度定位与大范围可达的功能。关节驱动器就近安装于关节电机附近，方便布线。

如图4所示，本发明的实施例中，关节Ⅱ12、关节Ⅲ13、关节Ⅳ14、关节Ⅴ15、关节Ⅵ16及关节Ⅶ17结构相同，均包括基座128及设置于基座128上且依次连接的无刷直流电机121、谐波减速器122及扭矩传感器126，谐波减速器122的输出端通过交叉滚子轴承123支撑，扭矩传感器126用于测量关节的负载扭矩。

进一步地，无刷直流电机121的后部设有增量式编码器124、绝对式编码器125及关节驱动器127，其中关节驱动器127与增量式编码器124、绝对式编码器125及扭矩传感器126电连接；增量式编码器124用于反馈电机侧的位置；绝对式编码器125用于反馈关节的位置；关节驱动器127用于控制无刷直流电机121，从而实现关节运动的控制。

进一步地，关节Ⅱ12、关节Ⅲ13、关节Ⅳ14、关节Ⅴ15、关节Ⅵ16及关节Ⅶ17均为方便走线的中空结构。

具体地，无刷直流电机121的输出轴连接于谐波减速器122的波发生器，无刷直流电机121运动经过减速器放大扭矩后带动关节输出端运动。扭矩传感器126安装于谐波减速器122的输出端，测量关节的负载扭矩，作为柔顺控制与碰撞保护的反馈信息。增量式编码器124、绝对式编码器125和扭矩传感器126的信息均输入到关节驱动器127内，关节驱动器127通过总线与系统控制器作信息交互。在关节驱动器127内部利用增量式编码器124和绝对式编码器125的信息构建位置伺服控制，控制关节按接收到的系统控制器从总线发过来的指令进行运动。系统控制器通过总线获取扭矩传感器126反馈的信息构建机械臂的柔顺控制。交叉滚子轴承123用于支撑输出端的负载，关节结构设计中采用中空走线，机械臂的线缆从关节中心孔中穿过，可以实现±180°回转运动。关节Ⅱ12的基座128上配置有与关节Ⅰ11对接安装的特征，包括用于定位的销钉孔与安装螺钉的通孔，且关节Ⅱ12的基座128下部安装于关节Ⅰ11的丝母转接板114上。关节Ⅱ12的输出端与关节Ⅲ13的基座连接，关节Ⅲ13的输出端与连杆18的一端连接，且连杆18的另一端与关节Ⅳ14的基座连接，关节Ⅳ14的输出端与关节Ⅴ15的基座连接，关节Ⅴ15的输出端与关节Ⅵ16的基座连接，关节Ⅵ16的输出端与关节Ⅶ17的基座连接。快锁机构19安装于关节Ⅶ17的输出端，相机模块20安装于关节Ⅶ17的基座外部，且相机模块20中的相机轴线与关节Ⅶ17轴线平行。

本发明的实施例中，关节Ⅱ12至关节Ⅶ17为模块化关节，提供旋转运动，设计原理相同，均是采用无刷直流电机、谐波减速器作驱动器件，在电机侧与关节输出侧分别配置增量式编码器与绝对式编码器作为反馈器件，另外在关节输出部位安装扭矩传感器，测量关节扭矩，为柔顺控制与碰撞保护提供扭矩测量。关节Ⅱ12至关节Ⅶ17均将关节驱动器置于关节内部，机械臂线缆从关节内部穿过，实现了结构上的美观化、高可靠性设计。

如图5所示，本发明的实施例中，快锁机构19包括快锁基座191、螺纹套192及若干钢球193，其中快锁基座191与关节Ⅶ17的输出端连接，螺纹套192套设于快锁基座191的外侧，且与快锁基座191螺纹连接；快锁基座191上沿周向等间距设有通孔，在通孔中放置若干钢球193；当螺纹套192向上运动时挤压钢球193嵌入工具的沟槽中，实现对工具的连接与锁紧。

进一步地，螺纹套192的端部内侧为斜面结构194，通过该斜面结构194挤压或释放钢球193。

本实施例中，快锁机构不局限于上述结构，快锁机构还可以通过螺纹连接方式对工具实现锁紧，其中机械臂末端安装可以旋转的内螺纹套筒，工具端部外表面加工成外螺纹特征，当需要将工具安装于机械臂末端时，旋拧机械臂末端的内螺纹套筒至拧紧状态，可通过内、外螺纹啮合方式将工具与机械臂末端牢固连接。

快锁机构19为机械臂末端提供标准的机械安装接口，可实现对不同维修工具进行标准化安装，通过螺纹旋钮式的锁紧连接方式，可实现机械臂末端与工具之间的高精度、高刚度的连接。相机模块20安装于关节Ⅶ17的基座上，用于观察操作目标，为机械臂的自主操作与遥操作提供视觉反馈。

本发明提出的一种空间站载荷在轨维修机械臂，实现舱内科学载荷的在轨就位维修，可避免将载荷返回地面再维修耗费的巨额成本。由于现有工业机器人重量、体积与构型难以适用于在轨维修操作需求，因此本发明提供了一种适用于空间站维修箱特殊内部空间的七自由度机械臂，并构建了安全可靠的操作控制方式，使机械臂不但可自主完成在轨维修操作任务，也能极大地便于航天员与机械臂的协同操作。

以上所述仅为本发明的实施方式，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、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于空间站载荷在轨维修的机械臂，其特征在于，包括维修箱(4)及倒挂于所述维修箱(4)内的载荷维修机械臂(1)；所述载荷维修机械臂(1)具有七自由度，且执行末端设有快锁机构(19)和相机模块(20)，其中快锁机构(19)用于连接维修工具，所述相机模块(20)用于采集待维修载荷(3)的图像信息。

2.根据权利要求1所述的用于空间站载荷在轨维修的机械臂，其特征在于，所述载荷维修机械臂(1)包括依次连接的关节Ⅰ(11)、关节Ⅱ(12)、关节Ⅲ(13)、关节Ⅳ(14)、关节Ⅴ(15)、关节Ⅵ(16)及关节Ⅶ(17)，其中关节Ⅰ(11)为直线运动关节，所述关节Ⅱ(12)、关节Ⅲ(13)、关节Ⅳ(14)、关节Ⅴ(15)、关节Ⅵ(16)及关节Ⅶ(17)均为模块化旋转运动关节；所述相机模块(20)设置于所述关节Ⅶ(17)的外侧；所述快锁机构(19)设置于所述关节Ⅶ(17)的输出端。

3.根据权利要求2所述的用于空间站载荷在轨维修的机械臂，其特征在于，所述关节Ⅱ(12)的旋转轴线与所述关节Ⅰ(11)的移动方向垂直；

所述关节Ⅲ(13)和所述关节Ⅱ(12)的旋转轴线相互垂直；

所述关节Ⅲ(13)的输出端通过连杆(18)与所述关节Ⅳ(14)连接，且所述关节Ⅲ(13)和所述关节Ⅳ(14)的旋转轴线相互平行；

所述关节Ⅴ(15)的旋转轴线与所述关节Ⅳ(14)和所述关节Ⅵ(16)的旋转轴线垂直；

所述关节Ⅶ(17)和所述关节Ⅵ(16)的旋转轴线相互垂直。

4.根据权利要求2所述的用于空间站载荷在轨维修的机械臂，其特征在于，所述关节Ⅰ(11)包括安装架、导轨A(111)、导轨B(112)、丝杠组件(113)、丝母转接板(114)及驱动组件(115)，其中导轨A(111)、导轨B(112)和丝杠组件(113)相互平行地设置于安装架上，且丝杠组件(113)可转动；丝母转接板(114)与所述丝杠组件(113)中的丝母连接，且两端分别与导轨A(111)和导轨B(112)滑动连接；所述驱动组件(115)设置于所述安装架的一端，且输出端与所述丝杠组件(113)连接，用于驱动所述丝杠组件(113)转动；

所述关节Ⅱ(12)设置于所述丝母转接板(114)上。

5.根据权利要求4所述的用于空间站载荷在轨维修的机械臂，其特征在于，所述关节Ⅰ(11)还包括设置于所述安装架上的驱动控制器组件(116)，所述驱动控制器组件(116)与所述驱动组件(115)电连接，用于控制所述驱动组件(115)，从而实现所述关节Ⅰ(11)的运动控制。

6.根据权利要求2所述的用于空间站载荷在轨维修的机械臂，其特征在于，所述关节Ⅱ(12)、关节Ⅲ(13)、关节Ⅳ(14)、关节Ⅴ(15)、关节Ⅵ(16)及关节Ⅶ(17)结构相同，均包括基座(128)及设置于所述基座(128)上且依次连接的无刷直流电机(121)、谐波减速器(122)及扭矩传感器(126)，所述扭矩传感器(126)用于测量关节的负载扭矩。

7.根据权利要求6所述的用于空间站载荷在轨维修的机械臂，其特征在于，所述无刷直流电机(121)的后部设有增量式编码器(124)、绝对式编码器(125)及关节驱动器(127)，其中关节驱动器(127)与增量式编码器(124)、绝对式编码器(125)及扭矩传感器(126)电连接；增量式编码器(124)用于反馈电机侧的位置；绝对式编码器(125)用于反馈关节的位置；关节驱动器(127)用于控制所述无刷直流电机(121)，从而实现关节运动的控制。

8.根据权利要求2所述的用于空间站载荷在轨维修的机械臂，其特征在于，所述关节Ⅱ(12)、关节Ⅲ(13)、关节Ⅳ(14)、关节Ⅴ(15)、关节Ⅵ(16)及关节Ⅶ(17)均为方便走线的中空结构。

9.根据权利要求2所述的用于空间站载荷在轨维修的机械臂，其特征在于，所述快锁机构(19)包括快锁基座(191)、螺纹套(192)及若干钢球(193)，其中快锁基座(191)与所述关节Ⅶ(17)的输出端连接，螺纹套(192)套设于快锁基座(191)的外侧，且与快锁基座(191)螺纹连接；所述快锁基座(191)上沿周向等间距设有通孔，在通孔中放置若干钢球(193)；当螺纹套(192)向上运动时挤压钢球(193)嵌入工具的沟槽中，实现对工具的连接与锁紧。

10.根据权利要求9所述的用于空间站载荷在轨维修的机械臂，其特征在于，所述螺纹套(192)的端部内侧为斜面结构(194)，通过该斜面结构(194)挤压或释放所述钢球(193)。

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