CN113581502B - 基于多空间机器人系统的超大型太空望远镜在轨组装方法 - Google Patents

Abstract

基于多空间机器人系统的超大型太空望远镜在轨组装方法，属于航天器在轨服务技术领域。本发明为了解决现有火箭运载能力不足以及大型空间设备维护的难度大，无法满足大型太空望远镜在轨建造与后续维护的问题。本发明将大型太空望远镜进行模块化设计，通过运载工具将望远镜组件分多次送入太空，利用七自由度空间机械臂与可再生多分支超冗余空间机器人组成的超冗余空间机器人在轨组装太空望远镜，该技术可以突破大型太空望远镜在轨建造难度大的难题，使在轨再造大型空间设备成为可能。提供了七自由度空间机械臂与可再生多分支超冗余空间机器人协同操作的方法，增强基于空间机器人的在轨装配系统的灵活性。

Description

基于多空间机器人系统的超大型太空望远镜在轨组装方法

技术领域

本发明属于航天器在轨服务技术领域，具体涉及一种基于多空间机器人系统的超大型太空望远镜在轨组装方法。

背景技术

随着空间科学技术的不断发展，空间设备功能的日益完善，太空已经成为各大科技强国的竞争新战场，建造功能更为强大的大型空间设备的需求日益迫切。受运载工具运载能力限制，大型空间设备难以通过传统的一体化发射方式直接送入太空，在轨装配技术的出现彻底解决了这一问题，使得大型空间设备的部署成为可能。大型太空望远镜的在轨建造是国际上研究的热点问题，与其他大型空间平台相比具有拼接精度要求高、拼接范围跨度大等难题。因此，为了解决在现有运载能力下建造大口径太空望远镜的难题，研发一种基于多空间机器人系统的超大型太空望远镜在轨组装方法是非常必要的。

发明内容

本发明为了解决现有火箭运载能力不足以及大型空间设备维护的难度大，无法满足大型太空望远镜在轨建造与后续维护的问题，进而提供一种基于多空间机器人系统的超大型太空望远镜在轨组装与维护方法。

本发明所采取的技术方案是：基于多空间机器人系统的超大型太空望远镜在轨组装方法，包括以下步骤：

S1.将太空望远镜拆分为：主镜部、次镜部和挡光部，并将主镜部和超大型太空望远镜组装系统通过运载火箭送入预定轨道；

S2.通过超大型太空望远镜组装系统将主镜部的模块化子镜按照模块化设计的结果预先拼接成双子镜、三子镜、五子镜与六子镜模块；

S3.将模块化子镜拼接出前三圈主镜结构；

S4.七自由度空间机械臂与可再生多分支超冗余空间机器人组合形成新的超冗余空间机器人，并对余下模块化子镜进行装配；

S5.利用运载火箭将次镜部送入预定轨道，对次镜组件进行装配；

S6.利用运载火箭将挡光部送入预定轨道，将挡光部进行装配。

本发明的有益效果在于：

1、本发明将大型太空望远镜进行模块化设计，通过运载工具将望远镜组件分多次送入太空，利用七自由度空间机械臂与可再生多分支超冗余空间机器人组成的超冗余空间机器人在轨组装太空望远镜，该技术可以突破大型太空望远镜在轨建造难度大的难题，使在轨再造大型空间设备成为可能。

2、本发明提供了七自由度空间机械臂与可再生多分支超冗余空间机器人协同操作的方法，增强基于空间机器人的在轨装配系统的灵活性，为在轨装配空间大型设备进行技术储备。

附图说明

图1是本发明中超大型太空望远镜在轨装配系统的示意图；

图2是本发明中超大型太空望远镜主镜部模块化子镜装配顺序示意图；

图3是本发明中可再生多分支超冗余空间机器人三分支形态示意图；

图4是本发明中可再生多分支超冗余空间机器人四分支形态示意图；

图5是本发明中超大型太空望远镜主镜系统装配完成后的示意图；

其中：1、货运仓一；2、可旋转航天器平台；3、太阳翼翻板；4、七自由度空间机械臂；5、三镜模块；6、适配器；7、可再生多分支超冗余空间机器人；8、模块化子镜；9、次镜支架；10、次镜模块；11、遮光罩。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式提供了一种基于多空间机器人系统的超大型太空望远镜在轨组装方法，所述方法是通过以下步骤实现的：

S1.将太空望远镜拆分为：主镜部、次镜部和挡光部，并将主镜部和超大型太空望远镜组装系统通过运载火箭送入预定轨道；

具体为：主镜部由模块化子镜8围绕三镜模块5拼接而成，次镜部由次镜支架9和次镜模块10组成，挡光部由遮光罩11拼接而成，将装有模块化子镜8的货运仓一1、可旋转航天器平台2、三镜模块5、七自由度空间机械臂4、太阳翼翻板3和可再生多分支超冗余空间机器人7通过运载火箭送入预定轨道；

S2.通过超大型太空望远镜组装系统将主镜部的模块化子镜8按照模块化设计的结果预先拼接成双子镜、三子镜、五子镜与六子镜模块；如图2所示，

具体为：通过可再生多分支超冗余空间机器人7将货运仓一1中的模块化子镜8按照模块化设计的结果预先拼接成双子镜、三子镜、五子镜与六子镜模块；

可再生多分支超冗余空间机器人7解锁后，连接具有标准化模块接口的关节与被动伸缩臂杆，组合成四分支构型，其中两个分支作为固定臂，与适配器6连接，并且可以利用两个固定臂完成在适配器6之间攀爬的功能，余下两个分支为工作臂，可以用来进行模块化子镜的抓取、搬运及装配工作。

S3.将模块化子镜8拼接出前三圈主镜结构；

具体为：利用所述七自由度空间机械臂4抓取预组装完成的双子镜、三子镜、五子镜或六子镜模块，并将模块搬运至可旋转航天器平台2的装配点附近进行装配操作。

S4.七自由度空间机械臂4与可再生多分支超冗余空间机器人7组合形成新的超冗余空间机器人，并对太空望远镜主镜部余下模块化子镜8进行装配；

所述可再生多分支超冗余空间机器人7为三分支构型，其中一个分支为固定臂，余下两个分支为工作臂；

由可再生多分支超冗余空间机器人7与七自由度空间机械臂4组成超冗余空间机器人完成一个模块化子镜8装配任务后，可旋转航天器平台2可旋转部带动望远镜主镜部旋转，调整下一个装配位置；

S5.利用运载火箭将次镜部送入预定轨道，对次镜组件进行装配；

具体为：装有模块化子镜8的货运仓一1与可旋转航天器平台2脱离，利用运载火箭将装有次镜部组件的货运仓二送入预定轨道，并与可旋转航天器平台2固连，利用七自由度空间机械臂4与可再生多分支超冗余空间机器人7协同操作依次将货运仓二中的次镜组件进行装配；

可再生多分支超冗余空间机器人7在次镜支架9装配阶段为三分支构型，其中一个分支为固定臂，余下两个分支为工作臂，在次镜模块10装配阶段为四分支构型，其中两个分支为固定臂，余下两个分支为工作臂。

S6.利用运载火箭将挡光部送入预定轨道，将挡光部进行装配。

具体为：装有次镜部组件的货运仓二与可旋转航天器平台2脱离，利用运载火箭将装有挡光部的货运仓三送入预定轨道，并与可旋转航天器平台2固连，利用七自由度空间机械臂4与可再生多分支超冗余空间机器人7组合形成新的超冗余空间机器人依次将遮光罩11进行装配。

具体实施方式二，参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的步骤一做进一步限定，本实施方式中，

本实施方式中，所述超大型太空望远镜组装系统包括货运仓一1、可旋转航天器平台2、两个太阳翼翻板3、七自由度空间机械臂4、三镜模块5、适配器6和可再生多分支超冗余空间机器人7，所述货运仓一1位于最下端，所述可旋转航天器平台2位于货运仓一1之上，可旋转航天器平台2主要分为两部分，与货运仓一1固连的部分为固定部，另一部分为可旋转部，具备相对于固定部旋转的能力，两个太阳翼翻板3沿径向等距安装在可旋转航天器平台2的固定部上，所述七自由度空间机械臂4位于可旋转航天器平台2的固定部上，七自由度空间机械臂4可抓取搬运货运仓一1中的模块化子镜8，可以进行模块化子镜8的装配操作，所述三镜模块5位于可旋转航天器平台2的轴线上，并与可旋转航天器平台2的旋转部固连，随着可旋转航天器平台2旋转部的转动而转动，货运仓一1、可旋转航天器平台2上分布着适配器6，可再生多分支超冗余空间机器人7通过适配器6与舱体进行机械和电气连接，并可在适配器6之间攀爬以改变自身位置。

具体实施方式三，参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二的七自由度空间机械臂4做进一步限定，本实施方式中，所述七自由度空间机械臂4为SSRMS肩-肘-腕偏置型机械臂，具备七个旋转关节，为固定基座机械臂，且其工作空间固定，大口径太空望远镜主镜部口径大，装配范围变化大，单个固定基座七自由度空间机械臂4无法完成大口径太空望远镜的装配任务，故采用可再生多分支超冗余空间机器人7与七自由度空间机械臂4组成多空间机器人系统，并与可旋转航天器平台2配合。其他组成和连接方式与具体实施方式二相同；

具体实施方式四，参照图4至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二的可再生多分支超冗余空间机器人7做进一步限定，本实施方式中，

可再生多分支超冗余空间机器人7为可变构型空间机器人，可以根据任务需求改变自身分支数目，常见的有三分支与四分支构型，每个分支可根据任务需求组合大量具有标准化模块接口的关节与被动伸缩臂杆，使得再生机器人系统可以在空间复杂环境下完成大口径太空望远镜的维护任务。

本实施方式中，通过对目标任务的分析以及传感器采集的环境信息进行综合处理，确定可再生多分支超冗余空间机器人7所需要的分支数目和模块组成。可再生多分支超冗余空间机器人7分支数目的基本确认原则为：可再生多分支超冗余空间机器人7分支分为固定臂与工作臂，固定臂末端具备与航天器表面连接的适配器，起到移动和固定的目的，当可再生多分支超冗余空间机器人7不需要大范围移动自身位置时，仅需要一个固定臂与舱体进行固定，当可再生多分支超冗余空间机器人7需要大范围操作时，需要两个分支作为固定臂，通过两个固定臂协同操作完成可再生多分支超冗余空间机器人7的转移。根据任务需求确定可再生多分支超冗余空间机器人7工作臂的分支数目，工作臂需要完成模块的搬运与操作任务。当模块化子镜8质量较小时，可以用一个分支完成模块的搬运任务；当待操作模块化子镜8质量较大时，为保证工作臂关节力矩不超过额定设计极限，需要利用两个分支进行协同搬运以提升机器人系统的负载操作能力，两个分支之间形成闭链系统，需要利用双臂紧协调策略对协同操作的两个分支进行控制。然后根据操作任务的需求，确定完成操作任务所需的分支数目。根据操作任务与视觉传感器采集的环境信息决定可再生多分支超冗余空间机器人7每个分支自由度数目，环境与执行的任务越复杂，每个分支的自由度数目越多，机器人系统可以通过冗余自由度来完成诸如避障等额外的任务。

本实施方式中，可再生多分支超冗余空间机器人7根据任务需求在空间环境中自主改变构型。可再生多分支超冗余空间机器人7系统主要由旋转关节与被动伸缩臂杆组成，被动伸缩臂杆可以大大增加机器人系统的操作空间。模块的配合面相互接触，可完成机械与电气锁紧，达到变构型的目的。

具体实施方式五，参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的S1做进一步限定，本实施方式中，所述S1中的模块化子镜8由标准化接口、目标适配器、主动光学调整机构以及子镜镜体组成，其中模块化子镜8之间，模块化子镜8与三镜模块5之间通过标准化接口完成机械与电气连接，标准化接口应具备可靠的解锁能力。其他组成和连接方式与具体实施方式一相同；

具体实施方式六，参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对S2做进一步限定，本实施方式中，是通过以下步骤实现的：

S21.在轨装配系统进入预定轨道后，太阳翼翻板3打开，七自由度空间机械臂4和可再生多分支超冗余空间机器人7解锁，货运仓一1装有模块化子镜8的舱门解锁；

S22.根据任务需求，可再生多分支超冗余空间机器人7重构成四分支构型，其中两个分支为固定臂，余下两个分支为工作臂，利用两个工作臂协同操作将模块化子镜8拼接成预定的组合形式；

S23.重复S22，直至所有模块化子镜8均按照模块化设计结果拼接成双子镜、三子镜、五子镜或六子镜模块。

具体实施方式七，参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对S3做进一步限定，本实施方式中，是通过以下步骤实现的：

S31.可旋转航天器平台2的旋转部旋转到合适位置；

S32.七自由度空间机械臂4捕获、搬运并将模块化子镜8在可旋转航天器平台2上进行装配；

S33.重复S31和S32，直至太空望远镜前三圈主镜结构拼接完成。

具体实施方式八，参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对S4做进一步限定，本实施方式中，可再生多分支超冗余空间机器人7通过固定臂与七自由度空间机械臂4末端适配器相连，并利用超冗余空间机器人的组合臂完成余下模块化子镜8的装配任务。

具体实施方式九，参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对S5做进一步限定，本实施方式中，是通过以下步骤实现的：

S51.利用超冗余空间机器人将货运仓二中的次镜支架9取出，并将次镜支架9安装在预定位置，并将其伸长至工作状态；

S52.重复S51，直至次镜部三个次镜支架9装配完成；

S53.利用超冗余空间机器人将次镜模块10从货运仓二中取出，超冗余空间机器人的组合臂运动至次镜支架9附近，可再生多分支超冗余空间机器人7与七自由度空间机械臂4脱离；

S54.可再生多分支超冗余空间机器人7沿次镜支架9爬行至次镜模块10安装点，利用工作臂将次镜模块进行装配。

具体实施方式十，参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对S6做进一步限定，本实施方式中，是通过以下步骤实现的：

S61.利用超冗余空间机器人将货运仓三内的遮光罩11搬运至装配点附近进行装配，并将遮光罩11展开；

S62.重复S61直至六块遮光罩11完全装配完毕。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (7)

1.基于多空间机器人系统的超大型太空望远镜在轨组装方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.将太空望远镜拆分为：主镜部、次镜部和挡光部，并将主镜部和超大型太空望远镜组装系统通过运载火箭送入预定轨道；

S2.通过超大型太空望远镜组装系统将主镜部的模块化子镜（8）按照模块化设计的结果预先拼接成双子镜、三子镜、五子镜与六子镜模块，通过以下步骤实现：

S21.在轨装配系统进入预定轨道后，太阳翼翻板（3）打开，七自由度空间机械臂（4）和可再生多分支超冗余空间机器人（7）解锁，可再生多分支超冗余空间机器人（7）由具有标准化模块接口的关节和被动伸缩臂杆组合多个分支，构成所需要的空间机器人构型，货运仓一（1）装有模块化子镜（8）的舱门解锁；

S22.根据任务需求，可再生多分支超冗余空间机器人（7）重构成四分支构型，其中两个分支为固定臂，与航天器表面的适配器（6）连接，利用两个固定臂完成在适配器（6）之间攀爬的功能，余下两个分支为工作臂，用来进行模块化子镜（8）的抓取、搬运及装配工作，利用两个工作臂协同操作将模块化子镜（8）拼接成预定的组合形式；

S23.重复S22，直至所有模块化子镜（8）均按照模块化设计结果拼接成双子镜、三子镜、五子镜或六子镜模块；

S3.将模块化子镜（8）拼接出前三圈主镜结构；

S4.可再生多分支超冗余空间机器人（7）重构成三分支构型，其中一个分支为固定臂，余下两个分支为工作臂，七自由度空间机械臂（4）末端适配器与可再生多分支超冗余空间机器人（7）的固定臂相连组合形成新的超冗余空间机器人，利用超冗余空间机器人的组合臂对余下模块化子镜（8）进行装配；

S5.利用运载火箭将次镜部送入预定轨道，对次镜组件进行装配；

S6.利用运载火箭将挡光部送入预定轨道，将挡光部进行装配。

2.根据权利要求1所述的基于多空间机器人系统的超大型太空望远镜在轨组装方法，其特征在于：在所述S1中，所述超大型太空望远镜组装系统包括货运仓一（1）、可旋转航天器平台（2）、两个太阳翼翻板（3）、七自由度空间机械臂（4）、三镜模块（5）、适配器（6）和可再生多分支超冗余空间机器人（7），所述货运仓一（1）位于最下端，所述可旋转航天器平台（2）位于货运仓一（1）之上，可旋转航天器平台（2）分为两部分，与货运仓一（1）固连的部分为固定部，另一部分为可旋转部，具备相对于固定部旋转的能力，两个太阳翼翻板（3）沿径向等距安装在可旋转航天器平台（2）的固定部上，所述七自由度空间机械臂（4）位于可旋转航天器平台（2）的固定部上，七自由度空间机械臂（4）可抓取搬运货运仓一（1）中的模块化子镜（8），可以进行模块化子镜（8）的装配操作，所述三镜模块（5）位于可旋转航天器平台（2）的轴线上，并与可旋转航天器平台（2）的旋转部固连，随着可旋转航天器平台（2）旋转部的转动而转动，货运仓一（1）、可旋转航天器平台（2）上分布着适配器（6），可再生多分支超冗余空间机器人（7）通过适配器（6）与舱体进行机械和电气连接，并可在适配器（6）之间攀爬以改变自身位置。

3.根据权利要求2所述的基于多空间机器人系统的超大型太空望远镜在轨组装方法，其特征在于：在所述S4中，所述七自由度空间机械臂（4）为SSRMS肩-肘-腕偏置型机械臂，具备七个旋转关节，为固定基座机械臂。

4.根据权利要求2所述的基于多空间机器人系统的超大型太空望远镜在轨组装方法，其特征在于：所述S1中的模块化子镜（8）之间通过标准化接口进行连接，模块化子镜（8）与三镜模块（5）之间通过标准化接口完成机械与电气连接，通过适配器（6）与可再生多分支超冗余空间机器人（7）末端执行器进行连接。

5.根据权利要求2所述的基于多空间机器人系统的超大型太空望远镜在轨组装方法，其特征在于：所述S3是通过以下步骤实现的：

S31.可旋转航天器平台（2）的旋转部旋转到合适位置；

S32.七自由度空间机械臂（4）捕获、搬运并将模块化子镜（8）在可旋转航天器平台（2）上进行装配；

S33.重复S31和S32，直至太空望远镜前三圈主镜结构拼接完成。

6.根据权利要求2所述的基于多空间机器人系统的超大型太空望远镜在轨组装方法，其特征在于：所述S5是通过以下步骤实现的：

S51.利用超冗余空间机器人将货运仓二中的次镜支架（9）取出，并将次镜支架（9）安装在预定位置，并将其伸长至工作状态；

S52.重复S51，直至次镜部三个次镜支架（9）装配完成；

S53.利用超冗余空间机器人将次镜模块（10）从货运仓二中取出，超冗余空间机器人的组合臂运动至次镜支架（9）附近，可再生多分支超冗余空间机器人（7）与七自由度空间机械臂（4）脱离；

S54.可再生多分支超冗余空间机器人（7）沿次镜支架（9）爬行至次镜模块（10）安装点，利用工作臂将次镜模块进行装配。

7.根据权利要求2所述的基于多空间机器人系统的超大型太空望远镜在轨组装方法，其特征在于：所述S6是通过以下步骤实现的：

S61.利用超冗余空间机器人将货运仓三内的遮光罩（11）搬运至装配点附近进行装配，并将遮光罩（11）展开；

S62.重复S61直至六块遮光罩（11）完全装配完毕。

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