CN113733151A - 一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人，包括控制主机、至少一个柔性仿生臂机构、至少一个执行机构和驱动机构，控制主机配置为具有人机交互模块和至少一个检测子机构；所述至少一个柔性仿生臂机构可活动的配置在所述控制主机上；所述至少一个执行机构用于抓取物品，所述至少一个执行机构可拆卸的设置在所述至少一个柔性仿生臂机构上；驱动机构用于为所述控制主机和所述至少一个执行机构提供在空间站中活动所需要的驱动力；该带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人能够实现自动巡航飞行检测维护一体化，大大减轻宇航员工作量，方便空间站内部宇航员或地面站工作人员及时下达指令实施任务。

Description

一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人。

背景技术

空间站是目前各国航天科技竞逐的重要舞台。近年来，空间站发展呈现结构大型化、功能复杂化和任务多样化等特点，这些特点一方面要求空间站配备新型机电系统，另外一方面不可避免地增加了航天员的舱内工作量。因此，空间站舱内自动化设备，尤其是通过舱内辅助操作的微纳卫星减轻航天员工作量，进而实现非值守运营的必要手段。

宇航员在空间站内除需要进行日常科研与舱内维护工作，如进行空间科学实验、对空间环境进行拍照，以及对空间站舱内环境进行检查与维护等，还需处理日常生活中多种事项，如搬运和挪动物资、收集空间站内部杂物等。因此亟需可在空间特殊工况下完成多种复合功能的舱内机器人辅助航天员完成重复性工作，从而提升舱内工作效率及减轻航天员工作负担。目前现有舱内机器人装备了传统刚性机械臂，在舱内狭小环境中的检测/操作功能受限，且刚性机构可能冲撞航天员及精密设备，存在一定安全风险。综上，亟需一款高安全度的舱内机器人满足使用需求。

发明内容

本发明为解决上述的技术问题而提供一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人，能够实现自动巡航飞行检测维护一体化，大大减轻宇航员工作量，方便空间站内部宇航员或地面站工作人员及时下达指令实施任务，同时采用了柔性仿生臂机构，能够有效的提升安全度。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人，包括

控制主机，配置为具有人机交互模块和至少一个检测子机构；

至少一个柔性仿生臂机构，所述至少一个柔性仿生臂机构可活动的配置在所述控制主机上；

用于抓取物品的至少一个执行机构，所述至少一个执行机构可拆卸的设置在所述至少一个柔性仿生臂机构上；以及

驱动机构，用于为所述控制主机、所述至少一个柔性仿生臂机构和所述至少一个执行机构提供在空间站中活动所需要的驱动力。

根据权利要求1所述的一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人，其特征在于：所述控制主机上设置有至少一个关节，所述至少一个关节被配置为具有自锁功能，所述柔性仿生臂机构通过所述关节与控制主机连接。

作为优选，所述控制主机上设置有供所述至少一个检测子机构伸缩活动的至少一个活动孔，所述至少一个检测子机构位于所述控制主机内，所述至少一个检测子机构包含有

储存仓；

设置在所述储存仓内的至少一个柔性套筒；

设置在所述储存仓上的电机；

用于将所述电机和至少一个柔性套筒联接的齿轮传动机构，所述至少一个柔性套筒通过所述电机和所述齿轮传动机构形成电动伸缩结构；以及

设置在所述至少一个柔性套筒上的科学摄像头。

作为优选，所述至少一个检测子机构还包含有

设置在所述储存仓一端的拉线机构；

其中，所述齿轮传动机构包含有齿轮和柔性齿条，所述拉线机构被配置为通过拉动使所述至少一个柔性套筒和柔性齿条弯曲。

作为优选，所述驱动机构包含有

集成电磁阀；

叶轮离心装置；用于将舱内的空气吸入控制主机内；

储气箱，用于储存压缩空气；以及

压缩机，用于将空气压缩到所述储气箱内；

其中，所述集成电磁阀与所述储气箱连接，所述集成电磁阀上设置有用于为控制主机、执行机构和柔性仿生臂机构供气的至少一个气路。

作为优选，所述控制主机具有至少一个连接面，所述至少一个连接面上设置有至少一个出气孔，所述至少一个出气孔与所述至少一个气路连接。

作为优选，所述至少一个关节被配置为由控制主机控制旋转角度和位置锁定。

作为优选，所述控制主机具有至少一个导航摄像头和至少一个避障摄像头，所述至少一个导航摄像头设置在所述关节旁边。

作为优选，所述控制主机具有用于与地面通讯的网络传输模块。

本发明还提供一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人的工作方法，包括以下步骤：

1)驱动机构储存压缩气体：驱动机构将外界的气体抽入并压缩储存；

2)控制主机的运动：由控制主机控制驱动机构工作，使得驱动机构喷射出气流推动控制主机运动；

3)柔性仿生臂机构：由控制主机控制驱动机构工作，使得柔性仿生臂机构受到气压的作用出现弹性形变弯曲；

4)执行机构：由控制主机控制驱动机构对执行机构供气或吸气，使得执行机构拿持所需的物体。

本发明的有益效果为：能够实现自动巡航飞行检测维护一体化，大大减轻宇航员工作量；其次具备完善的人机交互系统，方便空间站内部宇航员或地面站工作人员及时下达指令实施任务，再次，模块化的设计使得其配置更加灵活，面对不同任务需求仅需要更换执行机构前端即可，运动机动方便，最后，没有过多的凸出造型，相对于完全裸露在外部的涡扇旋翼更加安全，为空间站舱内安全运行提供了保障。

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为本发明一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人的主视图。

图2为本发明一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人的控制主机的立体图。

图3为本发明一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人的控制主机的结构示意图。

图4为本发明一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人的检测子机构的局部结构示意图。

图5为本发明一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人的检测子机构的局部结构示意图。

图6为本发明一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人的检测子机构的局部结构示意图。

图7为本发明一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人的驱动机构的结构示意图。

图8为本发明一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人的柔性仿生臂机构的立体图。

图9为本发明一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人的柔性仿生臂机构的剖面图。

图10为图9中A处的放大图。

图11为图9中B处的放大图。

图中：

10、控制主机；11、人机交互模块；12、检测子机构；111、可触摸式显示器；112、操作按键；13、电动关节；121、储存仓；122、柔性套筒；123、电机；124、齿轮传动机构；125、科学摄像头；126、。拉线机构；14、出气孔；15、导航摄像头；16、避障摄像头。

20、柔性仿生臂机构；21、定位框架；22、第一柔性节臂；23、第二柔性节臂；24、气腔；25、进气口；26、柔性空心体；

30、执行机构；

40、驱动机构；41、集成电磁阀；42、叶轮离心装置；43、储气箱；44、压缩机；45、气路。

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7所示，一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人，包括控制主机10、柔性仿生臂机构20、执行机构30和驱动机构40。

控制主机10配置为具有人机交互模块11和检测子机构12。人机交互模块11包括但不限于可触摸式显示器111、操作按键112、LED显示灯(未图示)、麦克风(未图示)和音响设备(未图示)，可以通过语音或按键形式实现人机交互功能。

执行机构30具有柔性抓取功能，与被抓物接触的部位均采用柔性材料制作，执行机构30可拆卸的设置在柔性仿生臂机构20上。执行机构30连接在柔性仿生臂机构的前端，可以根据不同任务需求更换不同功能的执行机构30。

驱动机构40为控制主机10、柔性仿生臂机构20和执行机构30提供在空间站中活动所需要的驱动力。

其中，控制主机10的体积为2U；柔性仿生臂机构20由柔性材料经过3D打印制造产生，因此具备有更多的自由度，柔性材料对空间站内部环境极度友好，因碰撞产生意外的几率较低，柔性仿生臂机构20采用气压致弯的方式控制。

在本实施例中，控制主机10上设置有电动关节13，电动关节13被配置为具有自锁功能，柔性仿生臂机构20通过电动关节13与控制主机10连接，柔性仿生臂机构20和电动关节13均设置有两组，分别位于控制主机10的上面和下面。电动关节13由控制主机10控制旋转角度和位置锁定。

在本实施例中，控制主机10上设置有活动孔(未图示)，检测子机构12位于控制主机10内，检测子机构12包含有储存仓121、柔性套筒122、电机123、齿轮传动机构124和拉线机构126，活动孔供柔性套筒122伸出。

在本实施例中，控制主机10和柔性套筒122上均设置有科学摄像头125。

在本实施例中，柔性套筒122设置在储存仓121内；电机123设置在储存仓121上；齿轮传动机构124用于将电机123和柔性套筒122联接，柔性套筒122通过电机123和齿轮传动机构124形成电动伸缩结构。拉线机构126设置在储存仓121一端；其中，齿轮传动机构124包含有齿轮和柔性齿条。检测子机构12可以从本体伸出的材质均为柔性材质制作而成；柔性套筒122和柔性齿条都可以通过拉线机构126实现的弯曲，柔性齿条其中一个柔性套筒122固定连接，各个柔性套筒122滑动连接；通过电机旋转带动齿轮旋转，将柔性齿条和柔性套筒122从控制主机10内部伸出，进而可以将前端的科学摄像头125伸入至需观测的狭缝之中，通过拉线机构126拉动柔性齿条或柔性套筒122的前端，从而使得柔性齿条以及柔性套筒122实现弯曲，进而可以多角度观测与状态监测。

在本实施例中，驱动机构40包含有集成电磁阀41、叶轮离心装置42、储气箱43和压缩机44。叶轮离心装置42包含但不限于高效的离心式叶轮(未图示)和用于遮盖住高效的离心式叶轮的网罩(未图示)，叶轮离心装置42可以从空间站内部不断的吸入气体，使整体具备有足够的气源。储气箱43用于储存压缩空气。压缩机44用于将空气压缩到储气箱43内；其中，集成电磁阀41与储气箱43连接，集成电磁阀41上设置有用于为控制主机10、执行机构30和柔性仿生臂机构20供气的气路45。

在本实施例中，控制主机10具有连接面，连接面上设置有出气孔14，出气孔14与气路45连接。控制主机10每个面上均设置有两个气孔，控制主机10具有六个面，共计十二个出气孔，由控制主机10控制集成电磁阀41实现对十二个气孔的气路45的开关，通过控制集成电磁阀41打开的时长进而实现在空间中6个自由度的运动。

在本实施例中，控制主机10具有导航摄像头15和避障摄像头16，导航摄像头15设置在电动关节13旁边。既可以保证在空间站舱内飞行的安全稳定性，同时又为柔性仿生臂机构20提供了可操作的视场，为其他部件的工作提供了参考，也提供了空间站舱内科学摄像任务的可行性。

在本实施例中，控制主机10具有用于与地面通讯的网络传输模块(未图示)。具有网络功能，可以将检测拍摄的画面和代码信息等均通过网络传输至地面站，地面站和宇航员也可以随时实现任务指令的下达。能够实现地面站或空间站对其任务指令进行额外添加，使整体具备额外的空间站舱内实验功能，为科学实验提供新的平台。

在一些实施例中，执行机构30为气动机械爪。

在一些实施例中，执行机构30为负压吸盘。

在一些实施例中，柔性仿生臂机构20包含有定位框架21、第一柔性节臂22和第二柔性节臂23，所述第一柔性节臂22和第二柔性节臂23均与定位框架21固定连接，所述第一柔性节臂22和第二柔性节臂23均由四个褶皱形的柔性空心体26构成，柔性空心体26内部具有气腔24，所述柔性空心体26上设置有进气口25，气路45与进气口25连接，从而能够为气腔24内充气，在使用时能够根据弯曲的需求进而调节八个气腔内的气压，使得相应的柔性空心体26膨胀弯曲，从而使得整体实现弯曲。由于采用了柔性空心体构成，碰撞时造成的损害较少，同时采用了气动弯曲的结构，具有良好的灵活性。

本发明还提供一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人的工作方法，包括以下步骤：

1)驱动机构40储存压缩气体：驱动机构40将外界的气体抽入并压缩储存；

2)控制主机10的运动：由控制主机10控制驱动机构40工作，使得驱动机构40喷射出气流推动控制主机10运动；

3)柔性仿生臂机构20：由控制主机10控制驱动机构40工作，使得柔性仿生臂机构20受到气压的作用出现弹性形变弯曲；

4)执行机构30：由控制主机10控制驱动机构40对执行机构30供气或吸气，使得执行机构30拿持所需的物体。

该带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人能够实现自动巡航飞行检测维护一体化，大大减轻宇航员工作量；其次具备完善的人机交互系统，方便空间站内部宇航员或地面站工作人员及时下达指令实施任务，再次，模块化的设计使得其配置更加灵活，面对不同任务需求仅需要更换执行机构前端即可，运动机动方便，最后，由于配备有网罩相对于完全裸露在外部的涡扇旋翼更加安全，为空间站舱内安全运行提供了保障。

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 (9)

1.一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人，其特征在于：包括

控制主机，配置为具有人机交互模块和至少一个检测子机构；

至少一个柔性仿生臂机构，所述至少一个柔性仿生臂机构可活动的配置在所述控制主机上；

用于抓取物品的至少一个执行机构，所述至少一个执行机构设置在所述至少一个柔性仿生臂机构上；以及

驱动机构，用于为所述控制主机、所述至少一个柔性仿生臂机构和所述至少一个执行机构提供在空间站中活动所需要的驱动力。

2.根据权利要求1所述的一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人，其特征在于：所述控制主机上设置有至少一个关节，所述柔性仿生臂机构通过所述关节与控制主机连接。

3.根据权利要求1所述的一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人，其特征在于：所述控制主机上设置有供所述至少一个检测子机构伸缩活动的至少一个活动孔，所述至少一个检测子机构位于所述控制主机内，所述至少一个检测子机构包含有

储存仓；

设置在所述储存仓内的至少一个柔性套筒；

设置在所述储存仓上的电机；

用于将所述电机和至少一个柔性套筒联接的传动机构，所述至少一个柔性套筒通过所述电机和所述传动机构形成电动伸缩结构；以及

设置在所述至少一个柔性套筒上的科学摄像头。

4.根据权利要求3所述的一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人，其特征在于：所述至少一个检测子机构还包含有

设置在所述储存仓一端的拉线机构；

其中，所述传动机构包含有齿轮和柔性齿条，所述拉线机构被配置为通过拉动使所述至少一个柔性套筒和柔性齿条弯曲。

5.根据权利要求1所述的一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人，其特征在于：所述驱动机构包含有

集成电磁阀；

叶轮离心装置；用于将舱内的空气吸入控制主机内；

储气箱，用于储存压缩空气；以及

压缩机，用于将空气压缩到所述储气箱内；

其中，所述集成电磁阀与所述储气箱连接，所述集成电磁阀上设置有用于为控制主机、执行机构和柔性仿生臂机构供气的至少一个气路。

6.根据权利要求5所述的一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人，其特征在于：所述控制主机具有至少一个连接面，所述至少一个连接面上设置有至少一个出气孔，所述至少一个出气孔与所述至少一个气路连接。

7.根据权利要求2所述的一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人，其特征在于：所述至少一个关节被配置为由控制主机控制旋转角度和位置锁定。

8.根据权利要求1所述的一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人，其特征在于：所述控制主机具有至少一个导航摄像头和至少一个避障摄像头，所述至少一个导航摄像头设置在所述关节旁边。

9.根据权利要求1所述的一种带仿生柔性臂的空间站舱内服务机器人，其特征在于：所述控制主机具有用于与地面通讯的网络传输模块。

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