CN113733118B - 一种带柔性臂的空间站舱外服务机器人及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带柔性臂的空间站舱外服务机器人及其工作方法，包括柔性仿生维护机构、柔性仿生监视机构、移动机构和控制主机；柔性仿生维护机构用于对空间站舱外表面和舱外设备检查维护；柔性仿生监视机构用于监视空间站舱外表面和舱外设备状态；所述移动机构收拢时配置为形成框架体并套设在所述柔性仿生维护机构和柔性仿生监视机构四周，所述移动机构展开时配置为用于在空间站舱外表面移动；该带柔性臂的空间站舱外服务机器人可以解决目前舱外小范围监视、舱外表面及设备状态检查，避免舱外仪器长时间缺乏维护维修而影响空间站在轨性能，空间站在受到外界航天器近距离跟踪时能对其舱外关键设备进行干扰。

Description

一种带柔性臂的空间站舱外服务机器人及其工作方法

技术领域

本发明涉及航空机器人技术领域，具体涉及一种带柔性臂的空间站舱外服务机器人及其工作方法。

背景技术

随着航天技术的发展，小型化、功能化的机器人正在为空间站和大型航天器在轨性能的提升和安全运行提供舱外服务。目前机器人的种类越来越多元化，应用的范围也越来越多样化。但是现在的机器人大多是用于在轨完成模块化功能的测试和单一任务实现，很少针对舱外服务设计专门的机器人，并对舱外的具体任务开展在轨服务，进行舱外小范围监视、舱外表面及设备状态检测、故障设备捕获、精密设备维护维修，以及干扰来访敌方航天器等。为此，有必要研发出针对舱外机器人进行多功能多状态的任务需求。

发明内容

本发明提供一种带柔性臂的空间站舱外服务机器人，解决目前舱外小范围监视、舱外表面及设备状态检查、舱外仪器长时间缺乏维护维修而影响空间站在轨性能，以及空间站在受到外界航天器近距离跟踪时对其舱外关键设备进行干扰等问题。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种带柔性臂的空间站舱外服务机器人，包括

用于对空间站舱外表面和舱外设备检查维护的柔性仿生维护机构；

用于监视空间站舱外表面和舱外设备状态的柔性仿生监视机构；

可收拢的移动机构，所述移动机构收拢时配置为形成框架体并套设在所述柔性仿生维护机构和柔性仿生监视机构四周，所述移动机构展开时配置为用于在空间站舱外表面移动；以及

控制主机，配置为与所述柔性仿生维护机构、柔性仿生监视机构和移动机构互连。其中，框架体的体积为3U。

作为优选，所述控制主机底面固定设置有用于吸附住舱外表面的静电吸附模块，所述静电吸附模块与控制主机电连接。

作为优选，所述控制主机包含有外壳、控制模块、传输模块、危险预警模块和供电系统；传输模块和危险预警模块均与控制模块电连接，外壳的体积为1.5U。所述柔性仿生维护机构、柔性仿生监视机构和移动机构均由所述控制模块控制。

其中，所述控制模块、传输模块、危险预警模块和供电系统均位于外壳内，所述外壳外表面设置有太阳能电池板，所述太阳能电池板与所述供电系统电连接。

作为优选，所述移动机构包含有

机械腿模块；以及

具有静电吸附能力的三爪脚部模块，所述三爪脚部模块安装在机械腿模块一端，所述机械腿模块另一端安装在所述控制主机的顶面。

作为优选，所述柔性仿生监视机构上设置有用于清洗设备表面杂质的清洗模块。

作为优选，所述柔性仿生监视机构包含有

第一柔性仿生臂；

装配在所述第一柔性仿生臂上的监视模块，所述监视模块配置为对来访航天器进行实时监视；

装配在所述第一柔性仿生臂上的干扰模块，所述干扰模块被配置为释放干扰物质对来访航天器进行干扰。

作为优选，所述柔性仿生维护机构包含有

第二柔性仿生臂；

装配在所述故障捕获维修模块上的扫描检测模块，所述扫描检测模块配置为用于检查空间站舱外表面和舱外设备的状态；

装配在所述第二柔性仿生臂上的故障捕获维修模块，所述故障捕获维修模块配置为用于捕获、维护和维修故障设备。

本发明还提供一种带柔性臂的空间站舱外服务机器人的工作方法，包括以下步骤：

混合工作模式：

1)释放至舱外：从舱内特定区域释放到空间站舱外表面，通过静电吸附模块紧贴于空间站舱外表面，移动机构、柔性仿生维护机构和柔性仿生监视机构处于收拢状态；

2)展开：移动机构开始展开，移动机构的机械腿模块开始转动，当机械腿模块的转动角度达到设定值后，停止静电吸附模块工作，使得控制主机与舱外表面分离，同时控制主机通过移动机构的三爪脚部模块静电吸附在空间站舱外表面；

3)监控：启动柔性仿生监视机构监视舱外小范围区域，并将监视结果反馈给控制主机，再由控制主机反馈给舱内相关设备；同时，一旦发现设备上附有异物，则开启清洗模块清洗设备上的异物。

4)检查维护：启动柔性仿生维护机构对空间站舱外表面及设备进行检查，根据实际情况，通过控制主机操控柔性仿生维护机构对故障设备采取捕获、维护或维修工作；

6)干扰：针对接近的来访大型航天器，采用柔性仿生监视机构对来访航天器进行实时监视，并将监视结果反馈给控制主机，控制主机一旦接收到干扰命令，则启动干扰模块释放干扰物质对其进行干扰，保证空间站舱外的安全。

单一工作模式：

1)在只需要进行一项舱外任务时，启动柔性仿生维护机构或柔性仿生监视机构在空间站舱外开展相关工作。

本发明的有益效果为：解决了目前舱外小范围监视、舱外表面及设备状态检查、舱外仪器长时间缺乏维护维修而影响空间站在轨性能，以及空间站在受到外界航天器近距离跟踪时对其舱外关键设备进行干扰等问题，同时能够减少航天员出仓的任务负担，缓解由于航天员出仓长时间执行检测任务危险程度高的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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他的附图。

图1为本发明一种带柔性臂的空间站舱外服务机器人展开状态时的结构示意图。

图2为本发明一种带柔性臂的空间站舱外服务机器人的爆炸图。

图3为本发明一种带柔性臂的空间站舱外服务机器人收拢状态时的结构示意图。

图4为本发明一种带柔性臂的空间站舱外服务机器人的柔性仿生维护机构的结构示意图。

图5为本发明一种带柔性臂的空间站舱外服务机器人的柔性仿生维护机构的局部结构示意图。

图6为本发明一种带柔性臂的空间站舱外服务机器人的柔性仿生监视机构的结构示意图。

图7为本发明一种带柔性臂的空间站舱外服务机器人的柔性仿生监视机构的局部结构示意图。

图8为本发明一种带柔性臂的空间站舱外服务机器人的控制主机的结构示意图。

图中：

10、柔性仿生维护机构；11、第二柔性仿生臂；12、扫描检测模块；13、故障捕获维修模块；

20、柔性仿生监视机构；21、清洗模块；22、第一柔性仿生臂；23、监视模块；24、干扰模块；

30、移动机构；31、机械腿模块；32、三爪脚部模块；

40、控制主机；41、静电吸附模块；42、外壳；43、控制模块；44、供电系统；45、太阳能电池板。

具体实施方式

下面将结合实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是一部分实施例，而不是全部的实施例。

在实施例中，需要理解的是，术语“中间”、“上”、“下”、“顶部”、“右侧”、“左端”、“上方”、“背面”、“中部”、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，仅是为了便于描述，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，因此不能理解为对的限制。

另外，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，安装、连接和相连等术语应做广义理解，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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

如图1至8所示，一种带柔性臂的空间站舱外服务机器人，包括柔性仿生维护机构10、柔性仿生监视机构20、移动机构30和控制主机40；柔性仿生维护机构10用于对空间站舱外表面和舱外设备检查维护；柔性仿生监视机构20用于监视空间站舱外表面和舱外设备状态；移动机构30可收拢和展开，所述移动机构30收拢时配置为形成框架体并套设在所述柔性仿生维护机构10和柔性仿生监视机构20四周，所述移动机构30展开时配置为用于在空间站舱外表面移动；控制主机40配置为与所述柔性仿生维护机构10、柔性仿生监视机构20和移动机构30连接，其中，框架体的体积为3U。

在本实施例中，所述控制主机40底面设置有用于吸附住舱外表面的静电吸附模块41，所述静电吸附模块41与控制主机40电连接。由于配置有静电吸附模块41，从舱内释放后通过静电力吸附在舱外表面，能够提升在移动机构30未展开时的整体工作稳定性。

在本实施例中，所述控制主机40包含有外壳42、控制模块43、传输模块(未图示)、危险预警模块(未图示)和供电系统44；传输模块和危险预警模块均与控制模块43电连接。供电系统44用于为各个器件供电，外壳42的体积为1.5U。柔性仿生维护机构10、柔性仿生监视机构20和移动机构30均由控制模块43控制。传输模块用于与舱内的其他设备连接，实现内外数据传输和发送控制指令。其中，所述控制模块43、传输模块、危险预警模块和供电系统44均位于外壳42内，所述外壳42外表面设置有太阳能电池板45，所述太阳能电池板45与供电系统44电连接，具备太阳能充电功能，为舱外机器人执行任务提供保障，减少因电量不足而需要返回舱内的情况。

在本实施例中，所述移动机构30包含有机械腿模块31、具有静电吸附能力的三爪脚部模块32，所述三爪脚部模块32安装在机械腿模块31一端，所述机械腿模块31另一端安装在所述控制主机40的顶面。

三爪脚部模块32和机械腿模块31均设置有四个，展开状态时，机械腿模块31展开，由三爪脚部模块32吸附在舱外表面。收拢状态时，三爪脚部模块32和机械腿模块31构成一个3U的框架体，且相邻的三爪脚部模块32通过静电吸附在一起，整个移动模块采用结构复用的设计思想，具有很好的可靠性和稳定性。

在本实施例中，所述柔性仿生监视机构20上设置有用于清洗设备表面杂质的清洗模块21。

在本实施例中，所述柔性仿生监视机构20包含有第一柔性仿生臂22、监视模块23和干扰模块24。

第一柔性仿生臂22主要采用柔性材料制作，由控制主机控制运作，通过末端设备保障空间站舱外表面的安全。

监视模块23装配在所述第一柔性仿生臂22上，所述监视模块23配置为对来访航天器进行实时监视。

干扰模块24装配在所述第一柔性仿生臂22上，所述干扰模块24被配置为释放干扰物质对来访航天器进行干扰。

在本实施例中，所述柔性仿生维护机构10包含有第二柔性仿生臂11、扫描检测模块12和故障捕获维修模块13。

第二柔性仿生臂11同样主要采用柔性材料制作，由控制主机控制运作，通过末端设备保障空间站舱外设备的良好状态。

扫描检测模块12装配在所述故障捕获维修模块13上，所述扫描检测模块12配置为用于检查空间站舱外表面和舱外设备的状态。

故障捕获维修模块13装配在所述第二柔性仿生臂11上的，所述故障捕获维修模块13配置为用于捕获、维护和维修故障设备。

在一些实施例中，扫描检测模块12为扫描相机。

在一些实施例中，故障捕获维修模块13为机械爪。

在一些实施例中，监视模块23选用摄像机。

本发明还提供一种带柔性臂的空间站舱外服务机器人的工作方法，包括以下步骤：

混合工作模式：

1)释放至舱外：从舱内特定区域释放到空间站舱外表面，通过静电吸附模块紧贴于空间站舱外表面，移动机构、柔性仿生维护机构和柔性仿生监视机构处于收拢状态；

2)展开：移动机构开始展开，移动机构的机械腿模块开始转动，当机械腿模块的转动角度达到设定值后，停止静电吸附模块工作，使得控制主机与舱外表面分离，同时控制主机通过移动机构的三爪脚部模块静电吸附在空间站舱外表面；

3)监控：启动柔性仿生监视机构监视舱外小范围区域，并将监视结果反馈给控制主机，再由控制主机反馈给舱内相关设备；同时，一旦发现设备上附有异物，则开启清洗模块清洗设备上的异物。

4)检查维护：启动柔性仿生维护机构对空间站舱外表面及设备进行检查，根据实际情况，通过控制主机操控柔性仿生维护机构对故障设备采取捕获、维护或维修工作。

6)干扰：针对接近的来访大型航天器，采用柔性仿生监视机构对来访航天器进行实时监视，并将监视结果反馈给控制主机，控制主机一旦接收到干扰命令，则启动干扰模块释放干扰物质对其进行干扰，保证空间站舱外的安全。

单一工作模式：

1)在只需要进行一项舱外任务时，启动柔性仿生维护机构或柔性仿生监视机构在空间站舱外开展相关工作。

以上所述，仅为本发明的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，除非明确说明，否则本文中使用的任何元件、动作或指令都不应解释为关键或必要的。另外，如本文所用，冠词“一”和“一个”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所用，冠词“该”旨在包括结合冠词“该”引用的一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”，除非另有明确说明。另外，如在本文所用，术语“或”在被串联使用时意图是包括性的，并且可以与“和/或”互换使用，除非另有明确说明，例如，如果与“或者”或“仅其中之一”结合使用。

Claims (7)

1.一种带柔性臂的空间站舱外服务机器人，其特征在于：包括

用于对空间站舱外表面和舱外设备检查维护的柔性仿生维护机构；

用于监视空间站舱外表面和舱外设备状态的柔性仿生监视机构；

可收拢的移动机构，所述移动机构收拢时配置为形成框架体并套设在所述柔性仿生维护机构和柔性仿生监视机构四周，所述移动机构展开时配置为用于在空间站舱外表面移动；以及

控制主机，配置为与所述柔性仿生维护机构、柔性仿生监视机构和移动机构连接，且所述柔性仿生维护机构、柔性仿生监视机构和移动机构均由所述控制主机控制；

所述控制主机底面设置有用于吸附住舱外表面的静电吸附模块，所述静电吸附模块与所述控制主机电连接。

2.根据权利要求1所述的一种带柔性臂的空间站舱外服务机器人，其特征在于：所述控制主机包含有

控制模块；

与所述控制模块连接的传输模块；

与所述控制模块连接的危险预警模块；

供电系统；以及

外壳；

其中，所述控制模块、传输模块、危险预警模块和供电系统均位于所述外壳内，所述外壳外表面设置有太阳能电池板，所述太阳能电池板与所述供电系统电连接。

3.根据权利要求1所述的一种带柔性臂的空间站舱外服务机器人，其特征在于：所述移动机构包含有

机械腿模块；以及

具有静电吸附能力的三爪脚部模块，所述三爪脚部模块安装在所述机械腿模块一端，所述机械腿模块另一端安装在所述控制主机的顶面。

4.根据权利要求1所述的一种带柔性臂的空间站舱外服务机器人，其特征在于：所述柔性仿生监视机构上设置有用于清洗设备表面杂质的清洗模块。

5.根据权利要求1所述的一种带柔性臂的空间站舱外服务机器人，其特征在于：所述柔性仿生监视机构包含有

第一柔性仿生臂；

装配在所述第一柔性仿生臂上的监视模块，所述监视模块配置为对来访航天器进行实时监视；

装配在所述第一柔性仿生臂上的干扰模块，所述干扰模块被配置为释放干扰物质对来访航天器进行干扰。

6.根据权利要求1所述的一种带柔性臂的空间站舱外服务机器人，其特征在于：所述柔性仿生维护机构包含有

第二柔性仿生臂；

装配在所述第二柔性仿生臂上的故障捕获维修模块，所述故障捕获维修模块配置为用于捕获、维护和维修故障设备；

装配在所述故障捕获维修模块上的扫描检测模块，所述扫描检测模块配置为用于检查空间站舱外表面和舱外设备的状态。

7.一种如权利要求2-6中任一项所述的带柔性臂的空间站舱外服务机器人的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

混合工作模式：

1)释放至舱外：从舱内特定区域释放到空间站舱外表面，控制主机底面通过静电吸附模块紧贴于空间站舱外表面，移动机构、柔性仿生维护机构和柔性仿生监视机构处于收拢状态；

2)展开：移动机构开始展开，移动机构的机械腿模块开始转动，当机械腿模块的转动角度达到设定值后，停止静电吸附模块工作，使得控制主机与舱外表面分离，同时控制主机通过移动机构的三爪脚部模块静电吸附在空间站舱外表面；

3)监控：启动柔性仿生监视机构监视舱外小范围区域，并将监视结果反馈给控制主机，再由控制主机反馈给舱内相关设备；同时，一旦发现设备上附有异物，则开启清洗模块清洗设备上的异物；

4)检查维护：启动柔性仿生维护机构对空间站舱外表面及设备进行检查，根据实际情况，通过控制主机操控柔性仿生维护机构对故障设备采取捕获、维护或维修工作；

6)干扰：针对接近的来访大型航天器，采用柔性仿生监视机构对来访航天器进行实时监视，并将监视结果反馈给控制主机，控制主机一旦接收到干扰命令，则启动干扰模块释放干扰物质对其进行干扰，保证空间站舱外的安全；

单一工作模式：

在只需要进行一项舱外任务时，启动柔性仿生维护机构或柔性仿生监视机构在空间站舱外开展相关工作。

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