CN114148552A - 一种航天器表面吸附爬行及操作机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航天器表面吸附爬行及操作机器人，机器人分为机械结构、静电吸附模块和能源供给模块、控制系统四个部分。机械结构包括六个多自由度腿足和两块安装结构板，六个腿足分别为四个移动足和两个操作移动切换足，均安装在两块结构板之间。静电吸附模块包括继电器开关、升压器、静电吸附膜；能源供给模块包括蓄电池，可伸展太阳能板等。控制系统包括深度相机和嵌入式微处理器。本发明实现了机器人在航天器表面的吸附、爬行和操作，并将移动和操作能力进行集成，在无需额外安装机械臂的条件下实现移动机器人的操作能力扩展，主要可用于航天器的在轨检测、维修等。

Description

一种航天器表面吸附爬行及操作机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是涉及一种航天器表面吸附爬行及操作机器人。

背景技术

2021年4月29日，22.5吨重的中国空间站天和核心舱，从文昌航天发射场启程，进入地球轨道，这也意味中国空间站建设进入实质性施工阶段。而空间站的建设、监测和维修等则离不开空间机器人的在轨服务和操作，利用空间机器人代替宇航员进行太空作业，不仅可以使宇航员避免在恶劣太空环境中作业时可能受到的伤害，还可以降低成本、提高效率。

空间机器人在轨服务概念最早是在20世纪60年代提出的，然后在上个世纪的许多重点任务中得到实施。一个典型的例子是哈勃太空望远镜(HST)进行了五次维修，其中包括更换电路板。空间机器人在轨服务的主要应用包括：在轨维修、航天器对接、在轨停泊、在轨加注、在轨运输、航天器外表面检查、空间救援和清除轨道碎片。这些在轨服务能够有效的减少航天器的故障报废率，具有良好的经济效益。

但目前使用的在轨服务通常是一个或多个安装在航天器上的大型机械臂提供，这种方式的好处在于机械臂运动范围大，自由度高，可以执行多种在轨服务任务，如捕获、维修等。但机械臂制造、安装、发射成本昂贵，控制难度大，只有极少数航天器具备在轨服务能力，并主要为大型航天器提供服务(如空间站)。同时，基于机械臂的在轨服务需要先对航天器进行对接和捕获，这对信息未知的非合作航天器来说难度较大，且具有较高风险。

另一种思路是将灵巧小型的太空爬行机器人用于在轨服务。但一般的太空爬行机器人只具备移动的能力，只能完成航天器表面移动和监测的功能，如果需要进行维修或者救援等操作，则需要额外安装机械臂。但机械臂重量和体积大，添加到爬行机器人上不可避免的会增大其体积重量，增加其制作和发射成本。额外的机械臂添加，也增加了机器人移动控制难度，增大倾翻和脱附风险。

发明内容

基于上述说明，本发明的目的在于提出一种航天器表面吸附爬行及操作机器人，将机器人操作和移动能力进行集成；

1.在机械结构设计中，将机器人操作执行器集成到爬行机器人前足。通过一个转换机构进行爬行和操作两种状态的切换，在不额外安装机械臂的条件下实现移动机器人的操作能力扩展。这种设计使得操作结构和移动结构共用了多个舵机，减少了舵机的使用，从而减少机器人所需的重量和体积，降低了制造和发射成本。

2.在机器人顶部设计了一种可展开的太阳能板结构，当机器人移动时，太阳能板收回，避免干涉机器人的移动。当机器人停止移动，进行补电时，太阳能板展开，展开后的面积为展开前的两倍，提高其充电效率。

3.机器人的吸附方式选择为静电吸附，其可适应多种表面环境，同时静电吸附膜上的力可控制，能与移动步态配合。减少移动时机器人的震动和脱离航天器表面的风险。

所采用的技术方案如下：

一种航天器表面吸附爬行及操作机器人，包括机械结构、静电吸附模块、能源供给模块和控制系统。

机械结构包括左前足，左中足，左后足，右后足，右中足，右前足和驱干；左前足、左中足、左后足、右后足、右中足、右前足逆时针方针，均匀的固定在驱干的上结构板和下结构板之间；左中足，左后足，右后足，右中足结构相同；左前足和右前足结构相同。

以右后足为例，包括首部舵机、中部舵机和尾部舵机；首部舵机固定在驱干的上结构板和下结构板之间，通过变向连接件与中部舵机连接，且首部舵机的转动轴与中部舵机的转动轴相垂直；中部舵机通过同向连接件与尾部舵机相连，且中部舵机的转动轴与尾部舵机的转动轴相平行；尾部舵机的末端与足端机构连接。

左前足和右前足为操作移动换足，位于机器人前部，两者结构相同；以右前足为例，右前足包括前足首部舵机、前足中部舵机、转换机构、操作夹持机构和移动足端；前足首部舵机一端固定在驱干的上结构板和下结构板之间，另一端通过前足变向连接件与前足中部舵机的一端连接，且前足首部舵机的转动轴与前足中部舵机的转动轴相垂直；前足中部舵机的另一端与支架连接；支架内安装有转换机构、微型舵机云台和操作夹持机构；右前足通过一个转换机构进行操作和移动状态的切换。

转换机构包括转换舵机、前连接件和后连接件；转换舵机的一端通过前连接件与移动足端相连，另一端通过后连接件与微型舵机云台连接；微型舵机云台的转动盘连接操作夹持机构；转换舵机的转动舵盘通过螺丝固定到支架上，从而控制右前足的转动角度。

移动足端包括足端舵机和小足端机构；足端舵机的转动舵盘连接到小足端机构上，足端舵机的末端连接到前连接件上。

操作夹持机构包括微型舵机、滑动轨道、两个夹爪、两个连接轴；微型舵机通过螺丝安装在滑动轨道上，微型舵机的舵盘通过两连接轴与两个夹爪相连；当微型舵机顺时针转动时，微型舵机的舵盘带动夹爪在滑动轨道上向中间滑动，完成夹取动作；当微型舵机逆时针转动时，微型舵机的舵盘带动夹爪在滑动轨道上向两边滑动，完成释放动作；微型舵机云台的转动舵盘通过螺丝与滑动轨道相连接，末端安装在后连接件；

当转换机构切换为移动足端状态时，前足首部舵机、前足中部舵机、转换舵机和足端舵机四个舵机控制足端点状态；

当转换机构切换为操作夹持状态时，前足首部舵机、前足中部舵机和转换舵机三个舵机控制操作夹持机构末端点位置。

静电吸附模块包括静电吸附膜、继电器开关和升压器，三者组成一个充放电电路；继电器开关和升压器安装在所述的下结构板上，静电吸附膜安装在每个足的足端机构上；升压器输入端连接蓄电池，输出端连接到继电器开关输入端，继电器输出端连接静电吸附膜；通过控制继电器的开关通断控制静电吸附膜上高压有无；当静电吸附膜上通有高压的时候，静电吸附膜上产生静电力，静电吸附膜吸附在航天器表面。

能源控制模块包括蓄电池、可展开太阳能板和电源管理电路板；蓄电池和电源管理电路板安装在下结构板上，给机器人的所有机构供电；同时能接受太阳能板的充电；可展开太阳能板安装在上结构板上。

控制系统，包括嵌入式微处理器和深度相机；深度相机采集深度数据和RGB图像数据；嵌入式微处理器对其他单机进行控制。

进一步的，微型舵机选用堵转扭矩为0.45N·m的串行总线舵机。

进一步的，可展开太阳能板，通过两个平行四连杆机构进行太阳能板的展开，平行四连杆机构的基座安装在上结构板上，基座通过两个平行等长的连杆与太阳能板连接；当其中的驱动连杆转动时，将带动太阳能板和另一连杆转动，根据几何约束，太阳能板转动过程中始终平行于基座，保证正面朝上；两个平行

进一步的，静电吸附膜呈圆形，直径为60mm。

进一步的，嵌入式微处理器采用带有GPU计算单元的英伟达微处理器。

当在机器人移动过程中，太阳能板为收回状态；在需要充电时，机器人停止移动，展开太阳能板，进行补电。

当机器人抬起足端时，静电吸附膜放电，吸附力消失；当机器人落下足端时，静电吸附膜充电，吸附力产生。

本发明的有益效果是：

1.本发明将机器人操作臂集成到到移动足端上，并通过一个转换机构进行移动状态和操作状态切换，避免额外的机械臂安装，同时移动足端和操作机构共用了多个舵机，减少了舵机的使用，从而减少机器人所需体积和重量，减少了机器人的控制难度，增强了其稳定性。

2.本发明设计一种可展开式的太阳能板安装在机器人顶面，在收回状态时面积同机器人本体包络面积一样大，在展开状态时为收回状态面积的两倍。保证了在机器人移动时，太阳能板不会形成干涉，同时在需要充电时，能展开足够面积进行充电。

3.本发明使用基于静电吸附原理作为吸附力来源，简化了机器人结构设计难度，同时静电吸附模块的充放电电路设计，允许控制系统根据步态调节吸附力，可减小爬行机器人脱附风险。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的另一角度的结构示意图；

图3为本发明中右前足的结构示意图；

图4为本发明中操作夹持机构的结构示意图；

图5为静电吸附膜电极原理图；

图6为可展开太阳能板结构图。

具体实施方式

以下详细描述本发明的技术方案。本发明实施例仅供说明具体结构，该结构的规模不受实施例的限制。

实施例

参阅图1至图6，一种航天器表面吸附爬行及操作机器人，包括机械结构、静电吸附模块、能源供给模块和控制系统四个部分。机械结构包括逆时针依次固定在躯干700上的左前足100，左中足200，左后足300，右后足400，右中足500，右前足600。

左中足200，左后足300，右后足400，右中足500相同结构，装在机器人躯干700的上结构板711和下结构板712之间。

以右后足为例，其由三个舵机组成，首部舵机411、中部舵机412和尾部舵机413；首部舵机411通过一个变向连接件421与中部舵机412连接，变向连接件421的作用是将转动轴垂直的两个舵机向连接；中部舵机412通过同向连接件422与尾部舵机413连接，同向连接件422所连接的两个舵机转动轴平行；尾部舵机413的末端与足端机构423一端连接，另一端安装有静电吸附膜424。

首部舵机、中部舵机和尾部舵机采用堵转扭矩为4N·m串行总线舵机，机身和齿轮均为金属制造，其优点为力矩大，精度高，接线简单，使用寿命长。上结构板711和下结构板712为2mm厚度的铝合金板，在保证强度的同时减轻重量。

左前足100和右前足600为操作移动切换足，安装在机器人的躯干700的上结构板711和下结构板712之间，位于机器人前部，两足结构相同。

以右前足600为例，右前足600的前足首部舵机611通过前足变向连接件621与中部舵机612的一端连接，中部舵机612的另一端与支架622连接。支架622内安装有操作夹持机构640、微型舵机云台641和转换机构630；右前足600通过一个转换机构630进行操作和移动状态的切换，转换机构630由转换舵机633、前连接件631和后连接件632构成。转换舵机633通过前连接件631与移动足端650相连，通过后连接件632与操作夹持机构640相连，转换舵机633的转动舵盘通过螺丝固定到支架622上从而控制转动角度。当转换机构630切换为移动足端状态时，有四个舵机控制足端点状态，当转换机构630切换为操作夹持状态时，有三个舵机控制操作夹持机构末端点位置。无论是移动还是操作状态自由度都是足够的，保证了机器人的灵活性。

移动足端650由足端舵机651和一个小足端机构652构成，足端舵机651的转动舵盘连接到小足端机构上652，末端连接到前连接件631上。

操作加持机构640由微型舵机云台641的转动舵盘连接到后连接件632，操作夹持机构由一个微型舵机642一个滑动轨道643，两个夹爪644，两个连接轴645构成。微型舵机642通过螺丝安装在滑动轨道643上，微型舵机的舵盘646通过两连接轴645与两个夹爪644相连。当微型舵机642顺时针转动时，舵盘646带动夹爪644在轨道上向中间滑动，完成夹取动作。当微型舵机642逆时针转动时，舵盘646带动夹爪644在轨道上向两边滑动，完成释放动作。微型舵机云台641的转动舵盘通过螺丝与滑动轨道643相连接，末端安装在后连接件632。微型舵机642选用堵转扭矩为0.45N·m的串行总线舵机。连线简单，布局美观，且力矩足够大进行目标物体的夹取。

静电吸附模块包括静电吸附膜424、继电器开关721、升压器722，三者组成一个充放电电路，继电器开关721和升压器722安装在机器人下结构板712)。静电吸附膜424为同心圆电极结构，当静电吸附膜424上带有高压时，其可实现对壁面的极化，在电极和壁面上电性相反的电荷，从而形成静电吸附力。根据动力学仿真分析，对于典型案例尺寸的机器人来说，直径60mm的静电吸附膜提高的静电吸附力为1.2N，足够完成其在航天器表面的吸附。

升压器722输入端连接蓄电池，输出端连接到继电器开关721输入端，继电器721输出端连接静电吸附膜424，通过控制继电器721的开关通断控制静电吸附膜424上高压有无。当静电吸附膜424上通有高压的时候，静电吸附膜424上产生静电力吸附在航天器表面。静电吸附膜424上的吸附力可与机器人移动步态相配合，当机器人需要抬腿时，静电吸附膜424放电，吸附力消失；当机器人落腿时，静电吸附膜424充电，吸附力产生。减少了机器人移动时的震动和脱附航天器的风险。继电器选用了能耐高压的微型继电器，便于安装到机器人内部。

能源供给模块包括：蓄电池724、可展开太阳能板731、电源管理电路板723。蓄电池724和电源管理电路板723安装在机器人下结构板712上给机器人所有机构供电，同时能接受太阳能板731的充电。

如图6所示，可展开太阳能板731安装在机器人上结构板上721。太阳能板731为可展开机构，展开后面积为展开前的两倍。在机器人移动过程中，太阳能板731为收回状态，避免干涉机器人移动；在需要充电时，机器人停止移动，展开太阳能板731，进行补电。蓄电池选用6000mAH的锂电池，能支持机器人全功率运动30分钟左右。

由于机器人自身空间有限，如果仅在上结构板711上安装太阳能片，其充电效率较低，不足以满足机器人长期在航天器表面工作的需求。所以通过两个平行四连杆机构732进行太阳能板展开，平行四连杆机构的基座安装在上结构板711上，基座通过两个平行等长的连杆与太阳能板731连接，当其中的驱动连杆转动时，将带动太阳能板731和另一连杆转动，根据几何约束，太阳能板转动过程中始终平行于基座，保证了太阳能片正面朝上，两个平行四连杆机构732分别由一个电机733进行驱动。

感知控制系统包括：硬件由嵌入式微处理器725和深度相机(726)组成，深度相机采集深度数据和RGB图数据，嵌入式微处理器采用带有GPU计算单元的英伟达微处理器，提高计算效率，增强控制能力。

Claims (8)

1.一种航天器表面吸附爬行及操作机器人，其特征在于包括机械结构、静电吸附模块、能源供给模块和控制系统；

其中的机械结构，包括左前足，左中足，左后足，右后足，右中足，右前足和驱干；左前足、左中足、左后足、右后足、右中足、右前足逆时针方针，均匀的固定在所述的驱干的上结构板和下结构板之间；所述的左中足，左后足，右后足，右中足结构相同；所述的左前足和右前足结构相同；

所述的右后足，包括首部舵机、中部舵机和尾部舵机；所述的首部舵机固定在所述的驱干的上结构板和下结构板之间；首部舵机通过变向连接件与中部舵机连接，且首部舵机的转动轴与中部舵机的转动轴相垂直；中部舵机通过同向连接件与尾部舵机相连，且中部舵机的转动轴与尾部舵机的转动轴相平行；尾部舵机末端与足端机构连接；

所述的左前足和右前足为操作移动换足，位于机器人前部，两者结构相同；右前足包括前足首部舵机、前足中部舵机、转换机构、操作夹持机构和移动足端；前足首部舵机一端固定在所述的驱干的上结构板和下结构板之间，另一端通过前足变向连接件与前足中部舵机的一端连接，且前足首部舵机的转动轴与前足中部舵机的转动轴相垂直；前足中部舵机的另一端与支架连接；支架内安装有所述的转换机构、微型舵机云台和操作夹持机构；

所述的转换机构包括转换舵机、前连接件和后连接件；转换舵机的一端通过前连接件与移动足端相连，另一端通过后连接件与微型舵机云台连接；微型舵机云台的转动盘连接操作夹持机构；转换舵机的转动舵盘通过螺丝固定到支架上；

所述的移动足端，包括足端舵机和小足端机构；足端舵机的转动舵盘连接到小足端机构上，足端舵机的末端连接到前连接件上；

所述的操作夹持机构，包括微型舵机、滑动轨道、两个夹爪、两个连接轴；微型舵机通过螺丝安装在滑动轨道上，微型舵机的舵盘通过两连接轴与两个夹爪相连；当微型舵机顺时针转动时，微型舵机的舵盘带动夹爪在滑动轨道上向中间滑动，完成夹取动作；当微型舵机逆时针转动时，微型舵机的舵盘带动夹爪在滑动轨道上向两边滑动，完成释放动作；微型舵机云台的转动舵盘通过螺丝与滑动轨道相连接，末端安装在后连接件；

当转换机构切换为移动足端状态时，前足首部舵机、前足中部舵机、转换舵机和足端舵机四个舵机控制足端点状态；

当转换机构切换为操作夹持状态时，前足首部舵机、前足中部舵机和转换舵机三个舵机控制操作夹持机构末端点位置；

所述的静电吸附模块，包括静电吸附膜、继电器开关和升压器，三者组成一个充放电电路；所述的继电器开关和升压器安装在所述的下结构板上，静电吸附膜安装在每个足的足端机构上；升压器输入端连接蓄电池，输出端连接到继电器开关输入端，继电器输出端连接静电吸附膜；通过控制继电器的开关通断控制静电吸附膜上高压有无；当静电吸附膜上通有高压的时候，静电吸附膜上产生静电力，静电吸附膜吸附在航天器表面；

所述的能源控制模块，包括蓄电池、可展开太阳能板和电源管理电路板；蓄电池和电源管理电路板安装在下结构板上，给机器人所有机构供电；同时能接受太阳能板的充电；可展开太阳能板安装在上结构板上；

所述的控制系统，包括嵌入式微处理器和深度相机；深度相机采集深度数据和RGB图像数据；嵌入式微处理器对其他单机进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种航天器表面吸附爬行及操作机器人，其特征是所述的微型舵机选用堵转扭矩为0.45N·m的串行总线舵机。

3.根据权利要求1所述的一种航天器表面吸附爬行及操作机器人，其特征是所述的可展开太阳能板，通过两个平行四连杆机构进行太阳能板的展开，平行四连杆机构的基座安装在上结构板上，基座通过两个平行等长的连杆与太阳能板连接；当其中的驱动连杆转动时，将带动太阳能板和另一连杆转动，根据几何约束，太阳能板转动过程中始终平行于基座，保证正面朝上；两个平行四连杆机构分别由一个电机进行驱动。

4.根据权利要求1所述的一种航天器表面吸附爬行及操作机器人，其特征是所述的静电吸附膜呈圆形，直径为60mm。

5.根据权利要求1所述的一种航天器表面吸附爬行及操作机器人，其特征是所述的嵌入式微处理器采用带有GPU计算单元的英伟达微处理器。

6.根据权利要求1所述的一种航天器表面吸附爬行及操作机器人，其特征是：当在机器人移动过程中，太阳能板为收回状态；在需要充电时，机器人停止移动，展开太阳能板，进行补电。

7.根据权利要求1所述的一种航天器表面吸附爬行及操作机器人，其特征是：当机器人抬起足端时，静电吸附膜放电，吸附力消失；当机器人落下足端时，静电吸附膜充电，吸附力产生。

8.根据权利要求1所述的一种航天器表面吸附爬行及操作机器人，其特征是所述的首部舵机、中部舵机和尾部舵机采用堵转扭矩为4N·m串行总线舵机。

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