CN113703468A - 空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，由主动收绳控制执行分机构和拉力作用点移动控制执行分机构组成。主动收绳控制执行分机构的电机外转子上套装卷轮，系绳一端缠绕在卷轮上，另一端穿过底板上的孔和滑台上的孔进入空间与目标航天器相连，根据相对速度控制要求计算收绳电机转速。拉力作用点移动控制执行分机构包括滑台和四组协同工作的滑台控制单元，每组滑台控制单元的电机轴上安装绳轮，系绳一端缠绕在绳轮上，另一端穿过底板上的孔，与布设在机器人底板外侧的滑台固连，根据拉力作用点的位置控制要求计算每组滑台控制单元执行电机转角。本发明可以实现绳的回收和拉力作用点的移动，从而控制空间机器人位置移动和姿态转动。

Description

空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构

技术领域

本发明属于空间机器人结构设计与应用领域，尤其涉及一种基于主动收绳的空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构。

背景技术

绳系机器人由于采用绳子辅助相对运动控制，具有独特的优势和特点，在航天应用领域得到广泛研究。绳的柔韧性可以约束机器人的相对运动，使之不会失控，也很容易回收和释放，能够允许机器人很好地在大空间环境下飞行，从而具有高度的灵活性；在绳的辅助作用下，机器人运动效率可以得到提高，同时可以精简一部分传统的执行机构，进一步使空间机器人轻量化，提高任务的经济性。绳系机器人越来越多地应用于空间任务设想和新型空间任务探索中，并进行了相关的实验验证，具有较强的可行性。绳系机器人应用于在轨服务具有潜在的优势，特别在目标捕获、空间碎片清理、机器人与航天器的交会对接等方面，空间绳系机器人的优势明显。绳系机器人区别于一般的机器人在于绳子的存在，绳的回收和释放需要专门的控制执行机构来完成，该机构对绳系机器人的空间运动影响很大，不仅对机器人的质心位置移动具有明显作用，同时还会影响机器人绕质心的姿态运动。

收绳控制执行机构一般方式是采用电机带动卷轮，通过卷轮的旋转使绳缠绕或展开，从而回收或释放位于空间中绳的长度，辅助带动机器人的运动。事实上，收绳控制执行机构是绳系机器人(航天器)结构设计的关键之一，由于绳系机器人的研究大多仍停留在理论分析上，很少有研究系统地考虑如何设计控制执行机构实现可控的收放绳。

现有技术的缺点总结如下：

1.对于实现机器人在空间中的位置控制执行机构，现有的机构设计过于简化，并没有考虑绳系机器人通过绳子在实施相对运动控制的过程中，收绳需要快慢不定的变化，难以适应工程实际应用的要求；

2.现有的位置控制执行机构设计中，收绳机构安装在其他平台上，对机器人而言是一种被动收绳，而并非是机器人自身的主动收绳，这种设计降低了机器人的自主性和灵活性；

3.对于空间机器人的结构设计而言，现有的收绳控制执行机构，为了追求结构强度，体积偏大，质量偏重，结构不够紧凑，这种机构设计从空间应用的经济性来看，存在不足，同时还增加了收绳执行机构对机器人本体运动的影响；

4.对于实现机器人在空间中的姿态控制执行机构，现有的执行机构设计没有考虑绳的拉力对姿态的作用，没有充分利用绳的拉力，实现对机器人姿态的控制，对姿态控制采用额外执行机构，增加了机器人的质量。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种主动收绳的空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，用于解决以下问题：

1.通过主动收绳控制执行分机构回收绳，该分执行机构具有较高的精度，能够适应回收速率变化情况，通过电机转速的变化满足相对速度快慢变化的要求，由速度控制间接实现对机器人运动位置的控制；

2.通过将主动收绳控制执行分机构安装到机器人本体上，实现了机器人自主收绳，提高了机器人的自主性、灵活性和适应性；

3.设计了空间机器人位姿一体化控制执行机构，结构紧凑、体积小、质量轻，利用控制执行机构回收系绳，有效提高机器人的经济性；

4.通过拉力作用点移动控制执行分机构改变拉力作用点的位置，使绳的拉力方向偏离机器人质心，产生力矩，从而充分利用拉力实现对机器人的姿态控制。

本发明的目的是通过以下设计方案来实现的：一种空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，该机构包括主动收绳控制执行分机构和拉力作用点移动控制执行分机构；

所述主动收绳控制执行分机构包括一对电机支架、电机、卷轮和系绳；一对电机支架相互正对固定安装在机器人底板内侧，电机内转子的两端通过电机支架支撑和定位，电机外转子上套装卷轮，系绳一端缠绕在卷轮上，另一端穿过底板上的孔和滑台上的孔进入空间与目标航天器相连；根据机器人与目标航天器的相对速度控制要求，计算收绳电机的转速，从而实现机器人与目标航天器的相对位置控制；

所述拉力作用点移动控制执行分机构包括滑台和四组协同工作的滑台控制单元；每组滑台控制单元包括电机支架、电机、绳轮和系绳；电机支架安装在机器人底板内侧，电机安装在电机支架上，电机轴上安装绳轮，系绳一端缠绕在绳轮上，另一端穿过底板上的孔，与布设在机器人底板外侧的滑台固连；根据拉力作用点的位置控制要求，计算每组滑台控制单元执行电机的转角，通过电机转动改变四个方向系绳的长度，带动滑台移动，配合绳的拉力产生偏离机器人质心的力矩，从而实现对机器人的姿态控制。

进一步地，所述主动收绳控制执行分机构的电机支架由两块相互垂直的硬板构成，一块硬板与机器人底板内侧固连，另一块硬板用于支撑和定位电机内转子。

进一步地，所述主动收绳控制执行分机构的系绳是高强度柔性系绳，系绳能够随着电机的转动收绳或放绳，从而使进入空间的系绳缩短或变长。

进一步地，所述机器人与目标航天器的相对速度控制，设计如下：

式中ρ为机器人与航天器之间的距离，也即系绳在空间中的长度，t为时间。

进一步地，所述主动收绳控制执行分机构中，收绳电机的转速根据相对速度计算得到，公式如下：

式中

为根据机器人与目标航天器的相对速度控制要求设计的收绳速率，计算单位m/s；π为圆周率常数；

为卷轮半径，计算单位m；n为收绳电机转速，计算单位rpm。

进一步地，每组滑台控制单元的电机支架由两块相互垂直的硬板构成，一块硬板与机器人底板内侧固连，另一块硬板用于支撑和定位电机。

进一步地，所述主动收绳控制执行分机构的一对电机支架安装于机器人底板内侧中央，四组滑台控制单元的电机支架分布对称安装于机器人底板内侧四周。

进一步地，所述滑台为正方体结构，具有上下贯穿的绳孔，与机器人底板外侧的接触面设有滚轮用于移动，四条侧棱处分别设有相同高度的绳系点，用于分别固定四组滑台控制单元的系绳，绳系点的高度能够保证四条系绳上所分配的拉力合理。

进一步地，所述根据拉力作用点的位置控制要求，计算每组滑台控制单元执行电机的转角，公式如下：

式中(y_i,z_i)为第i组滑台控制单元系绳穿过的机器人底板上的孔坐标，(y,z)为拉力作用点的坐标，l_i0为第i组滑台控制单元系绳的初始长度，Δl_i为第i组滑台控制单元系绳长度的变化量，r_i为第i组滑台控制单元绳轮的半径，σ_i为第i组滑台控制单元执行电机的转角。

进一步地，该执行机构的执行过程如下：

(1)主动收绳控制执行分机构根据机器人与目标航天器的相对速度控制要求，计算收绳电机的转速，通过控制电机的转动带动卷轮旋转，卷轮的旋转带动系绳收放，从而使进入空间的系绳缩短或变长，拉动机器人产生位置变化，同时系绳上产生拉力；

(2)拉力作用点移动控制执行分机构根据拉力作用点的位置控制要求，计算每组滑台控制单元执行电机的转角，通过四个电机的协同旋转带动绳轮转动，实现四条绳的长度协同变化，带动滑台移动，滑台的移动改变系绳拉力作用点位置，拉力偏离机器人质心产生力矩，从而实现对机器人的姿态控制。

本发明的有益效果是：

1.本发明给出主动收绳控制执行分机构，可以满足系绳回收速率快慢变化的要求，能够以较高的精度控制机器人在空间中位置的变化；

2.本发明创新性地将主动收绳控制执行分机构安装于机器人本体上，实现了机器人自主收绳控制。

3.本发明中位姿一体化控制执行机构，结构简单、体积小、质量轻，可在较小的机器人上安装，经济性和实用性较强；

4.本发明创新性地增加了系绳拉力作用点移动的控制，不仅实现了拉力作用点的偏移，利用系绳的拉力产生力矩，将系绳同时用于控制机器人的位置和姿态，还在一定程度上有效减小了移动滑台所需的绳拉力。

附图说明

图1为空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构底板内侧结构示意图；

图2为空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构底板外侧结构示意图；

图3为主动收绳控制执行分机构的结构示意图；

图4为拉力作用点移动控制执行分机构底板内侧滑台控制单元的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明基于主动回收系绳技术，完成对空间绳系机器人姿态和位置控制指令的执行。

本发明提供了一种空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，该执行机构包括主动收绳控制执行分机构和拉力作用点移动控制执行分机构；

主动收绳控制执行分机构：该分机构包括一对电机支架、电机、卷轮和系绳；一对电机支架相互正对固定安装在机器人底板内侧，电机内转子的两端通过电机支架支撑和定位，电机外转子上套装卷轮，系绳一端缠绕在卷轮上，另一端穿过底板上的孔和滑台上的孔进入空间与目标航天器相连；根据机器人与目标航天器的相对速度控制要求，计算收绳电机的转速，从而实现机器人与目标航天器的相对位置控制；

拉力作用点移动控制执行分机构：该分机构包括滑台和四组协同工作的滑台控制单元；每组滑台控制单元包括电机支架、电机、绳轮和系绳；电机支架安装在机器人底板内侧，电机安装在电机支架上，电机轴上安装绳轮，系绳一端缠绕在绳轮上，另一端穿过底板上的孔，与布设在机器人底板外侧的滑台固连；根据拉力作用点的位置控制要求，计算每组滑台控制单元执行电机的转角，通过电机转动改变四个方向系绳的长度，带动滑台移动，配合绳的拉力产生偏离机器人质心的力矩，从而实现对机器人的姿态控制。

如图1和图3所示，本实施例中主动收绳控制执行分机构包括一对电机支架：第一电机支架2和第二电机支架6、无刷电机3、卷轮5和系绳4。

第一电机支架2和第二电机支架6均由两块相互垂直的硬板构成，一块硬板与机器人底板1内侧固连，另一块硬板用于支撑和定位无刷电机3的内转子。第一电机支架2和第二电机支架6相互正对安装于机器人底板1中央，正好位于无刷电机3内转子的两端。

卷轮5套装在无刷电机3的外转子上，采用螺丝固定。

系绳4具有高强度且柔性好，系绳4的一端缠绕在卷轮5上，另一端穿过底板1和滑台14上的绳孔13进入空间，系绳4能够随着无刷电机3的转动收绳或放绳，从而使进入空间的系绳4缩短或变长。

机器人与目标航天器的相对速度控制设计为

计算单位m/s，ρ为机器人与航天器之间的距离，也即系绳4在空间中的长度，可以根据相对速度计算收绳电机的转速：

式中π为圆周率常数；

为卷轮5半径，计算单位m；n为无刷电机3转速，计算单位rpm。

如图1、图2和图4所示，本实施例中拉力作用点移动控制执行分机构包括1个可移动滑台14和四组协同工作的滑台控制单元；每组滑台控制单元包括步进电机支架10、步进电机11、绳轮7和系绳9。

4个步进电机支架10结构相同，均由两块相互垂直的硬板构成，一块硬板通过螺丝与机器人底板1内侧固连，另一块硬板通过螺丝安装步进电机11。4个步进电机支架10分布对称安装于机器人底板1内侧四周。

系绳9一端连接并缠绕在绳轮7上，另一端穿过底板1上的绳孔8与滑台14相连于绳系点12。

滑台14通过4条系绳9的约束，在机器人底板1外侧平面上移动，滑台14上有绳孔13，系绳4从该绳孔13通过。

根据拉力作用点的位置控制要求，计算每组滑台控制单元步进电机11的转角，公式如下：

式中(y_i,z_i)为第i组滑台控制单元系绳穿过的机器人底板上的孔坐标，(y,z)为拉力作用点的坐标，l_i0为第i组滑台控制单元系绳的初始长度，Δl_i为第i组滑台控制单元系绳长度的变化量，r_i为第i组滑台控制单元绳轮7的半径，σ_i为第i组滑台控制单元步进电机11的转角。

在一个实施例中，如图2所示，滑台14为正方体结构，具有上下贯穿的绳孔13，与机器人底板1外侧的接触面设有滚轮用于移动，四条侧棱处分别设有相同高度的绳系点12，用于分别固定四组滑台控制单元的系绳9，绳系点12的高度能够保证四条系绳9上所分配的拉力合理。

以上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，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，其特征在于，该机构包括主动收绳控制执行分机构和拉力作用点移动控制执行分机构；

所述主动收绳控制执行分机构包括一对电机支架、电机、卷轮和系绳；一对电机支架相互正对固定安装在机器人底板内侧，电机内转子的两端通过电机支架支撑和定位，电机外转子上套装卷轮，系绳一端缠绕在卷轮上，另一端穿过底板上的孔和滑台上的孔进入空间与目标航天器相连；根据机器人与目标航天器的相对速度控制要求，计算收绳电机的转速，从而实现机器人与目标航天器的相对位置控制；

所述拉力作用点移动控制执行分机构包括滑台和四组协同工作的滑台控制单元；每组滑台控制单元包括电机支架、电机、绳轮和系绳；电机支架安装在机器人底板内侧，电机安装在电机支架上，电机轴上安装绳轮，系绳一端缠绕在绳轮上，另一端穿过底板上的孔，与布设在机器人底板外侧的滑台固连；根据拉力作用点的位置控制要求，计算每组滑台控制单元执行电机的转角，通过电机转动改变四个方向系绳的长度，带动滑台移动，配合绳的拉力产生偏离机器人质心的力矩，从而实现对机器人的姿态控制。

2.根据权利要求1所述的一种空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，其特征在于，所述主动收绳控制执行分机构的电机支架由两块相互垂直的硬板构成，一块硬板与机器人底板内侧固连，另一块硬板用于支撑和定位电机内转子。

3.根据权利要求1所述的一种空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，其特征在于，所述主动收绳控制执行分机构的系绳是高强度柔性系绳，系绳能够随着电机的转动收绳或放绳，从而使进入空间的系绳缩短或变长。

4.根据权利要求1所述的一种空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，其特征在于，所述机器人与目标航天器的相对速度控制，设计如下：

式中ρ为机器人与航天器之间的距离，也即系绳在空间中的长度，t为时间。

5.根据权利要求1所述的一种空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，其特征在于，所述主动收绳控制执行分机构中，收绳电机的转速根据相对速度计算得到，公式如下：

式中

为根据机器人与目标航天器的相对速度控制要求设计的收绳速率，计算单位m/s；π为圆周率常数；

为卷轮半径，计算单位m；n为收绳电机转速，计算单位rpm。

6.根据权利要求1所述的一种空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，其特征在于，每组滑台控制单元的电机支架由两块相互垂直的硬板构成，一块硬板与机器人底板内侧固连，另一块硬板用于支撑和定位电机。

7.根据权利要求1所述的一种空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，其特征在于，所述主动收绳控制执行分机构的一对电机支架安装于机器人底板内侧中央，四组滑台控制单元的电机支架分布对称安装于机器人底板内侧四周。

8.根据权利要求1所述的一种空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，其特征在于，所述滑台为正方体结构，具有上下贯穿的绳孔，与机器人底板外侧的接触面设有滚轮用于移动，四条侧棱处分别设有相同高度的绳系点，用于分别固定四组滑台控制单元的系绳，绳系点的高度能够保证四条系绳上所分配的拉力合理。

9.根据权利要求1所述的一种空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，其特征在于，所述根据拉力作用点的位置控制要求，计算每组滑台控制单元执行电机的转角，公式如下：

式中(y_i,z_i)为第i组滑台控制单元系绳穿过的机器人底板上的孔坐标，(y,z)为拉力作用点的坐标，l_i0为第i组滑台控制单元系绳的初始长度，Δl_i为第i组滑台控制单元系绳长度的变化量，r_i为第i组滑台控制单元绳轮的半径，σ_i为第i组滑台控制单元执行电机的转角。

10.根据权利要求1所述的一种空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，其特征在于，该执行机构的执行过程如下：

(1)主动收绳控制执行分机构根据机器人与目标航天器的相对速度控制要求，计算收绳电机的转速，通过控制电机的转动带动卷轮旋转，卷轮的旋转带动系绳收放，从而使进入空间的系绳缩短或变长，拉动机器人产生位置变化，同时系绳上产生拉力；

(2)拉力作用点移动控制执行分机构根据拉力作用点的位置控制要求，计算每组滑台控制单元执行电机的转角，通过四个电机的协同旋转带动绳轮转动，实现四条绳的长度协同变化，带动滑台移动，滑台的移动改变系绳拉力作用点位置，拉力偏离机器人质心产生力矩，从而实现对机器人的姿态控制。

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