CN115383788A - 一种空间高可靠爬行机械臂系统 - Google Patents
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Abstract
一种空间高可靠爬行机械臂系统，机械臂本体七个关节为肩回转关节、肩偏航关节以及肩俯仰关节、一个肘部关节以及腕回转关节、腕偏航关节以及腕俯仰关节，两个末端执行器包括肩部末端执行器以及腕部末端执行器。机械臂处于长期在轨存储状态时，通过肩部末端执行器捕获固定基座适配器进行舱体供电，在需要爬行到舱体其他位置时，肩部末端执行器与基座适配器对紧、腕部末端执行器与目标适配器解锁的第一模式和肩部末端执行器与基座适配器解锁、腕部末端执行器与目标适配器对紧的第二模式交替执行，实现机械臂系统在轨大范围爬行移动操作。本发明实现了机械臂移动操作功能，扩展了机械臂操作范围，且具有较高的操作灵活性和故障安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于空间移动操作的高可靠爬行机械臂系统，属于载人航天领域。
技术背景
目前在轨应用的空间机械臂主要采用单臂设计方式，其自由度数量一般不超过6个，如“嫦娥五号”卫星上安装的表取机械臂仅有4个自由度。该类机械臂仅具有固定基座小范围操作能力，受限于地面发射能力限制，其臂杆长度一般较短，自由度数量也相对较少，导致机械臂基座固定操作时的工作空间受到很大限制，某些部位受障碍干涉约束姿态不可达。国际空间站的加拿大机械臂可以实现空间移动，但并不是采用爬行方式，而是选择将机械臂一端固定在滑动导轨底座上随动进行大范围移动操作。该方案需要在舱体表面安装大型导轨及支架等附加设施，对于中国空间站并不适用。另外加拿大机械臂采用航天员在轨手动展开并安装到位方案，不具备自动展开能力；同时未考虑承载航天员出舱活动机械臂故障情况下的人员攀爬返回安全性设计。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有空间机械臂长度、冗余度、移动能力及安全性方面的不足，提供一种简单、可靠的应用于空间移动操作的高可靠爬行机械臂系统。
本发明的技术解决方案是：
一种空间高可靠爬行机械臂系统，包括机械臂本体、若干基座适配器和若干目标适配器；
其中机械臂本体包括七个关节、两个末端执行器、臂杆A、臂杆B、一个中央控制器以及一套以太网交换机；所述七个关节为肩回转关节、肩偏航关节、肩俯仰关节、肘部关节、腕俯仰关节、腕偏航关节以及腕回转关节；两个末端执行器为肩部末端执行器以及腕部末端执行器，肩部末端执行器内部集成有六维力传感器，腕部末端执行器内部集成有六维力传感器；中央控制器与以太网交换机集成在一起，布置在肘部关节与臂杆B之间；
臂杆A和臂杆B通过肘部关节连接，臂杆A的另一端连接肩俯仰关节，肩俯仰关节依次通过肩偏航关节、肩回转关节与肩部末端执行器连接，臂杆B的另一端连接腕俯仰关节，腕俯仰关节依次通过腕偏航关节、腕回转关节与腕部末端执行器连接；
基座适配器和目标适配器均安装在舱体上；机械臂本体的肩部末端执行器能够与舱体上的基座适配器捕获固定，实现机电连接，腕部末端执行器能够与舱体上的目标适配器捕获固定，实现机电连接；在中央控制器的控制下，肩部末端执行器与基座适配器对紧、腕部末端执行器与目标适配器解锁的第一模式和肩部末端执行器与基座适配器解锁、腕部末端执行器与目标适配器对紧的第二模式交替执行，通过末端执行器的继电器开关控制供电通断切换，实现机械臂系统按照预定规划在轨大范围爬行移动操作。
优选的，肩部末端执行器上布置第一腕部相机，腕部末端执行器上布置第二腕部相机，肘部的中央控制器上布置1台可转动的肘部相机；
第一腕部相机和第二腕部相机能够对目标进行识别和位姿测量，肘部相机仅具备视频监视功能。
优选的，臂杆A、臂杆B、各个关节、肩部末端执行器、腕部末端执行器外部均布置供人员攀爬的扶手。
优选的，各个关节处的扶手为弧形，其他部位的扶手为矩形。
优选的，相邻扶手之间的间距不超过400mm。
优选的，矩形扶手长度不小于200mm，弧形扶手弧长不小于200mm。
优选的，扶手距安装面的最大高度不低于65mm，且扶手各方向不与机械臂各关节运动干涉。
优选的，扶手两端均布置了高反靶球10031。
优选的，机械臂随舱上行时收拢臂杆，通过肩部末端执行器捕获基座适配器，并通过压紧释放机构固定在舱体表面；入轨后，压紧释放机构解锁释放，机械臂在轨展开实现七自由度运动。
优选的，所有关节均由中央控制器进行统一规划控制，在正常情况下采用最小范数法实现七自由度冗余控制方式，在单关节故障情况下采用解析方法实现六自由度控制方式。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)面向在轨服务的空间机械臂目前主要采用固定基座设计方式，其臂杆长度一般较短，自由度数量一般不超过6个，导致机械臂执行载荷操作时的工作空间受到很大限制，某些部位距离过远位置不可达，某些部位受障碍干涉约束姿态不可达。本发明针对上述问题，为了弥补现有空间机械臂长度及冗余度方面的不足，采用可爬行七自由度机械臂方案可以摆脱固定基座活动范围限制，降低臂杆长度约束及上行包络限制，最终大幅提高机械臂移动操作空间及操作姿态调整能力。
(2)为了满足随舱上行的安装包络空间约束，加拿大机械臂采用折叠臂杆形式，导致必须通过航天员在轨组装操作才能完成机械臂在轨安装操作任务。本发明针对上述问题，采用收拢臂杆压紧状态上行方案，通过肩部捕获基座适配器和压紧释放机构解决机械臂的上行固定约束问题，实现形式相对简单、可靠。入轨在压紧释放机构解锁释放后，机械臂在轨展开恢复七自由度运动功能。其中机械臂本体的所有关节均可由机械臂肘部的中央控制器进行统一规划控制，正常采用七自由度冗余控制方式，故障情况下也可以采用六自由度简化控制方式，进而提高操作灵活性和可靠性。
(3)为了满足高可靠性及安全性工作需求，机械臂在任意构型故障情况下也需要具备支持航天员应急返回舱内的能力。本发明针对上述问题，采用弧形及矩形扶手相结合设计方式，保证在机械臂各关节转动到任意角度发生故障情况下，臂上航天员可以通过攀爬扶手快速安全返回舱内。
附图说明
图1是本发明的空间爬行机械臂系统立体外观图；
图2是本发明机械臂本体立体外观图(压紧状态)；
图3是本发明机械臂本体立体外观图(展开爬行状态)；
图4是本发明机械臂本体肩回转关节及其扶手外观图；
图5是本发明基座适配器或目标适配器立体外观图。
具体实施方式
本发明一种空间高可靠爬行机械臂系统，包括可分离的两个独立部分，一部分为机械臂本体，一般具有6～7个自由度，肩部、肘部和腕部均布置相机，中央控制器与以太网交换机集成安装在机械臂肘部；另一部分为适配器，数量不限。机械臂的肩部末端执行器和腕部末端执行器分别对应与基座适配器和目标适配器相匹配。两部分可以分别独立发射。该空间机械臂属于一种集成中央控制器及手眼视觉系统的七自由度冗余机械臂系统。
本发明七个关节分别包括三个肩部关节(肩回转关节、肩偏航关节以及肩俯仰关节)、一个肘部关节以及三个腕部关节(腕回转关节、腕偏航关节以及腕俯仰关节)，两个末端执行器包括肩部末端执行器以及腕部末端执行器。机械臂处于长期在轨存储状态时，通过肩部末端执行器捕获固定基座适配器进行舱体供电，在需要爬行到舱体其他位置时，需要通过大范围运动将腕部末端运动至目标适配器捕获位置，然后操作腕部末端执行器高刚度连接、对准和锁紧舱体表面的目标适配器，确认连接可靠到位后，将机械臂基座适配器与舱体的供电断开，切换与舱体供电到目标适配器，同时将机械臂肩部末端与基座适配器分离释放即可实现空间机械臂在航天器表面的爬行操作。机械臂本体外部布置可供人员攀爬的扶手，适用于机械臂本体故障情况下臂上承载人员可以通过扶手攀爬返回以及辅助维修操作。本发明克服现有空间机械臂不能爬行移动操作的不足，通过简单可靠爬行的形式实现了机械臂移动操作功能，扩展了机械臂操作范围，且具有较高的操作灵活性和故障安全性。本发明主要目的是提高空间机械臂系统操作范围及移动能力。
具体地，如图1～图3所示，本发明所提供的一种能够实现空间移动操作的爬行机械臂系统。其主要包括一个七自由度的大型串联机械臂本体10和若干适配器20和30。其中机械臂本体10主要包括七个关节11、两个末端执行器12、两根臂杆13(包括臂杆A 131、臂杆B 132)、一个中央控制器14、三套相机15以及一套以太网交换机16。其中机械臂本体10的七个关节11分别包括肩回转关节111、肩偏航关节112、肩俯仰关节113、肘部关节114、腕俯仰关节115、腕偏航关节116以及腕回转关节117；两个末端执行器包括肩部末端执行器121以及腕部末端执行器122，两者分别各自集成一套六维力传感器1211和1221；关节之间以及关节与臂杆、末端执行器和中央控制器之间均采用快速连接装置，能够通过航天员出舱操作实现在轨快速维修更换；为了实现机械臂内部电缆数量及直径缩减，将中央控制器14与以太网交换机16集成在一起并安装在机械臂肘部；机械臂本体10共配备三套视觉相机，肩部末端执行器121和腕部末端执行器122分别布置1台固定的腕部相机151和152，肘部的中央控制器14上布置1台可转动的肘部相机153，腕部相机151和152可对目标实现识别和位姿测量功能，肘部相机153仅需具备视频监视功能。机械臂本体外部布置可供人员攀爬的扶手1001～1024，适用于机械臂本体故障情况下臂上承载人员可以通过扶手攀爬返回或者辅助维修操作。在此为了保证在机械臂各关节转动到任意角度发生故障情况下，航天员可以通过攀爬本机械臂扶手快速安全返回舱内，需要针对扶手开展优化设计并通过全任务仿真验证。
具体地，本发明中，机械臂全长超过10m以上，臂杆A、臂杆B、各个关节、肩部末端执行器、腕部末端执行器外部均布置供人员安全攀爬的扶手。为了保证在机械臂各关节转动到任意角度发生故障情况下，扶手间距都能够适应臂上航天员工效学要求，解决安装扶手后关节包络增加导致的旋转运动干涉问题，需要在机械臂整机模型中采用关节旋转动态包络干涉检查方法，优化关节扶手结构形式为环形，并合理调整布局及安装位置，避开相邻关节的运动干涉部位，实现扶手不与机械臂各关节360°旋转运动干涉；为了解决发射载荷及关节热控保温等问题，还需要在扶手与安装设备之间增加隔热缓冲垫片；为了满足机械臂在轨运动精确测量标定需求，基于工效学和空间包络设计约束，在扶手两端均布置了测量相机专用高反靶球10031，安装效果具体如图4所示。最终相邻扶手之间的间距不超过400mm，矩形扶手长度不小于200mm，弧形扶手弧长不小于200mm，扶手距安装面的最大高度不低于65mm；通过全任务过程运动仿真分析，扶手各方向不与机械臂各关节运动干涉，并且满足任意构型航天员攀爬工效学要求。
在机械臂随舱上行时采用收拢臂杆13压紧状态方案，通过肩部捕获基座适配器20以及一系列的压紧释放机构固定在舱体表面。入轨在压紧释放机构解锁释放后，机械臂在轨展开恢复七自由度运动功能。机械臂本体10的所有关节均由其中央控制器14进行七自由度的统一规划控制，进而实现机械臂本体10的爬行移动操作。具体情况如下：机械臂本体10通过肩部末端执行器121与舱体的基座适配器20捕获固定实现供电连接，通过中央控制器14的统一规划控制运动到目标适配器30上方，腕部末端执行器122捕获目标适配器30实现自主机电连接、对准和锁紧，确认机械臂本体10与目标适配器30的机电连接可靠后，将肩部末端执行器121电连接器与舱体断电，依次解锁、分离、释放基座适配器20，进而实现机械臂本体10从基座适配器20爬行至目标适配器30。在中央控制器的控制下，肩部末端执行器121与基座适配器20对紧、腕部末端执行器122与目标适配器30解锁的第一模式和肩部末端执行器121与基座适配器20解锁、腕部末端执行器122与目标适配器30对紧的第二模式交替执行，通过末端执行器的继电器开关控制供电通断切换，实现机械臂系统按照预定规划在轨大范围爬行移动操作。图5为适配器示意图。
本发明机械臂本体的所有关节均由中央控制器14进行统一规划控制，在正常情况下采用最小范数法实现七自由度冗余控制方式，在单关节故障情况下采用解析方法实现六自由度简化控制方式。
本发明机械臂本体能够通过腕部末端执行器连接、对准和锁紧目标适配器，然后通过肩部末端执行器解锁、分离、释放基座适配器实现在轨爬行。肩部末端执行器和腕部末端执行器以及基座适配器和目标适配器在机械臂爬行后可以互换角色，实现往返移动。
本发明机械臂可通过以下方式实现随航天器发射：
首先将机械臂收拢臂杆成压紧状态构型，通过肩部捕获基座适配器和压紧释放机构解决机械臂的上行固定约束。入轨后，压紧释放机构在火工品管理器的控制下解锁释放，机械臂通过肩部捕获基座适配器进行供电及通信，按照一定顺序依次在轨展开各个关节，直至恢复七自由度运动功能。
本发明机械臂可通过以下方式实现在轨爬行：
首先机械臂本体通过肩部末端执行器与舱体上的基座适配器捕获固定实现供电连接，末端大范围运动到目标适配器捕获位置，基于腕部末端执行器的腕部相机测量数据进行伺服跟踪，运动到位后捕获目标适配器实现自主机电连接、对准和锁紧，检查确认机电连接可靠正确后，机械臂肩部末端执行器解锁、分离、释放基座适配器，实现机械臂本体从基座适配器向前爬行；
到达新的基座适配器后，机械臂本体通过肩部末端执行器与舱体上的基座适配器捕获固定实现供电连接，检查确认机电连接可靠正确后，腕部末端执行器解锁、分离、释放目标适配器，实现机械臂本体从目标适配器继续向前爬行；
不断重复上述过程，实现机械臂系统按照预定规划在轨大范围爬行移动操作。
本发明实现形式相对简单、可靠，使机械臂具备可爬行功能，具有可靠性高、操作能力强等特点，且可以大幅提高末端操作能力。采用本发明七自由度爬行机械臂系统方案一方面可以弥补现有固定空间机械臂操作范围及移动能力方面的不足，通过相对简单、可靠的形式实现机械臂移动功能，另一方面还可以提高机械臂末端操作灵活性，且具有较高的故障冗余操作能力和支持航天员通过扶手攀爬安全返回功能，从而大幅提高了机械臂工作可靠性。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
Claims (10)
1.一种空间高可靠爬行机械臂系统，其特征在于：包括机械臂本体(10)、若干基座适配器(20)和若干目标适配器(30)；
其中机械臂本体(10)包括七个关节(11)、两个末端执行器(12)、臂杆A(131)、臂杆B(132)、一个中央控制器(14)以及一套以太网交换机(16)；所述七个关节(11)为肩回转关节(111)、肩偏航关节(112)、肩俯仰关节(113)、肘部关节(114)、腕俯仰关节(115)、腕偏航关节(116)以及腕回转关节(117)；两个末端执行器为肩部末端执行器(121)以及腕部末端执行器(122)，肩部末端执行器(121)内部集成有六维力传感器(1211)，腕部末端执行器(122)内部集成有六维力传感器(1221)；中央控制器(14)与以太网交换机(16)集成在一起，布置在肘部关节(114)与臂杆B(132)之间；
臂杆A(131)和臂杆B(132)通过肘部关节(114)连接，臂杆A(131)的另一端连接肩俯仰关节(113)，肩俯仰关节(113)依次通过肩偏航关节(112)、肩回转关节(111)与肩部末端执行器(121)连接，臂杆B(132)的另一端连接腕俯仰关节(115)，腕俯仰关节(115)依次通过腕偏航关节(116)、腕回转关节(117)与腕部末端执行器(122)连接；
基座适配器(20)和目标适配器(30)均安装在舱体上；机械臂本体(10)的肩部末端执行器(121)能够与舱体上的基座适配器(20)捕获固定，实现机电连接，腕部末端执行器(122)能够与舱体上的目标适配器(30)捕获固定，实现机电连接；在中央控制器的控制下，肩部末端执行器(121)与基座适配器(20)对紧、腕部末端执行器(122)与目标适配器(30)解锁的第一模式和肩部末端执行器(121)与基座适配器(20)解锁、腕部末端执行器(122)与目标适配器(30)对紧的第二模式交替执行，通过末端执行器的继电器开关控制供电通断切换，实现机械臂系统按照预定规划在轨大范围爬行移动操作。
2.根据权利要求1所述的一种空间高可靠爬行机械臂系统，其特征在于：肩部末端执行器(121)上布置第一腕部相机(151)，腕部末端执行器(122)上布置第二腕部相机(152)，肘部的中央控制器(14)上布置1台可转动的肘部相机(153)；
第一腕部相机(151)和第二腕部相机(152)能够对目标进行识别和位姿测量，肘部相机(153)仅具备视频监视功能。
3.根据权利要求1所述的一种空间高可靠爬行机械臂系统，其特征在于：臂杆A(131)、臂杆B(132)、各个关节、肩部末端执行器(121)、腕部末端执行器(122)外部均布置供人员攀爬的扶手。
4.根据权利要求3所述的一种空间高可靠爬行机械臂系统，其特征在于：各个关节处的扶手为弧形，其他部位的扶手为矩形。
5.根据权利要求4所述的一种空间高可靠爬行机械臂系统，其特征在于：相邻扶手之间的间距不超过400mm。
6.根据权利要求5所述的一种空间高可靠爬行机械臂系统，其特征在于：矩形扶手长度不小于200mm，弧形扶手弧长不小于200mm。
7.根据权利要求6所述的一种空间高可靠爬行机械臂系统，其特征在于：扶手距安装面的最大高度不低于65mm，且扶手各方向不与机械臂各关节运动干涉。
8.根据权利要求1所述的一种空间高可靠爬行机械臂系统，其特征在于：扶手两端均布置了高反靶球10031。
9.根据权利要求1所述的一种空间高可靠爬行机械臂系统，其特征在于：机械臂随舱上行时收拢臂杆，通过肩部末端执行器捕获基座适配器(20)，并通过压紧释放机构固定在舱体表面；入轨后，压紧释放机构解锁释放，机械臂在轨展开实现七自由度运动。
10.根据权利要求1所述的一种空间高可靠爬行机械臂系统，其特征在于：所有关节均由中央控制器(14)进行统一规划控制，在正常情况下采用最小范数法实现七自由度冗余控制方式，在单关节故障情况下采用解析方法实现六自由度控制方式。
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