CN115416874B - 一种模块化可重构多臂航天器及其重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种模块化可重构多臂航天器及其重构方法。所述多臂航天器采用模块化设计，其基本构型为单臂构型，所述多臂航天器基本构型包括中心体模块、机械臂模块和末端执行器模块；中心体模块承担数据处理、供能和通信功能；机械臂模块负责末端定位定姿功能；末端执行器模块负责具体操作功能；模块间通过通用机电接口连接，实现模块在轨快速连接。所述多臂航天器及其重构方法能够胜任多样化的在轨服务任务，包括在轨制造、在轨装配、在轨搬运、在轨维护等，并具备后期在轨扩展升级能力，以及在轨可重构，适应多变环境。

Description

一种模块化可重构多臂航天器及其重构方法

技术领域

本发明属于航天器在轨服务技术领域，特别是涉及一种模块化可重构多臂航天器及其重构方法。

背景技术

随着空间技术的不断发展，动态非合作目标抓捕、大型空间设施建设等航天任务对服务航天器提出了更高的要求。现有服务航天器大多通过一个或多个机械臂对目标进行操作。例如CN108908291B提出了一种在轨维修多臂空间机器人，包括抓捕机械臂和操作机械臂。其中，抓捕机械臂为七自由度机械臂，用于捕获目标航天器和解锁维修机械臂；维修机械臂为两条多自由度机械臂，用于实施修理任务。该方案通过抓捕机械臂调整与目标间的相对位置。CN210942316U提出了一种面向空间维修作业的机器人，包含空间操作机械臂、滚柱丝杠、直线导轨和航天器本体。其中，机械臂安装在直线导轨的滑块上，通过滚柱丝杠驱动其进行直线运动，避免了传统航天器通过推力器调整位置、位置精度不高的问题。上述方案的任务类型严重受限，只能进行在轨维修任务。其次，相较于配备的机械臂，该空间机器人本体尺寸过大，机械臂操作空间受限，在轨维修灵活性不足。CN201552574U提出了一种模块化可重构机器人，包括基座模块、夹爪模块、关节模块、连杆模块等。CN103395061B提出一种可重构模块机器人系统，包括单自由度模块、多自由度模块、连接模块等。上述方案按结构组成将单臂机器人拆分为多个模块，但其模块划分过细，重构过程复杂，不适用于空间机器人在轨重构。

现有航天器存在以下缺陷：

(1)现有方案仅针对单一简单任务，功能密度低，无法满足未来在轨制造、组装等多元化复杂的任务需求。

(2)现有技术方案大部分基于专星专用的设计理念，但后期任务变化，需要执行新的任务时，不具备在轨扩展升级能力。

(3)现有技术方案大多采用固定构型设计，对于复杂多变的在轨服务任务适应性差。

综上所述，传统固定构型服务航天器大多采用“专星专用”的设计模式，任务类型单一，不具备在轨拓展能力，无法满足日益提高的在轨服务任务需求。因此，需要一种模块化在轨可重构可升级的多臂航天器。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种模块化可重构多臂航天器及其重构方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种模块化可重构多臂航天器，所述多臂航天器采用模块化设计，其基本构型为单臂构型，所述多臂航天器基本构型包括中心体模块、机械臂模块和末端执行器模块；中心体模块承担数据处理、供能和通信功能；机械臂模块负责末端定位定姿功能；末端执行器模块负责具体操作功能；模块间通过通用机电接口连接，实现模块在轨快速连接。

进一步地，中心体模块作为航天器的核心，中心体主体为一六棱柱，内部装有航天器的功能元件，包括综合电子、蓄电池和陀螺；主体上下表面各装有一个发射/接收天线，用于通信；主体侧面均布有通用机电接口，用于连接机械臂模块，最多允许6个机械臂同时连接；侧面均布有3个视觉相机，用于中心体定位定姿。

进一步地，机械臂模块是一个独立的机械臂结构，须安装在中心体后才能进行工作，机械臂为7自由度，机械臂关节配置采用SRS构型，即腕部和肩部均为三个相互垂直、轴线交于一点的等效球关节，肘部为旋转关节；其中，肩部和腕部均有一个关节电机内嵌在臂杆内部，转动方向与臂杆轴向平行，机械臂模块两端设计有通用机电模块，用于连接中心体模块和末端执行器模块。

进一步地，所述末端执行器模块用于执行各项任务，能够通过通用机电接口与机械臂模块或中心体模块相连；所述末端执行器模块包括通用工具模块、3D打印模块、移动模块和夹持模块。

进一步地，所述通用工具模块用于执行拆卸、安装和更换操作任务，通用工具模块上设计有变矩螺丝刀和批头，用于拆卸/安装航天器上的螺栓，夹持器用于夹持被操作对象，实现稳定操作，视觉相机用于精准确定操作对象与通用工具模块的相对位姿；通用工具模块需成对使用。

进一步地，3D打印模块用于进行在轨零部件制造，所述3D打印模块包括原料仓、主控单元以及喷嘴，并依次连接。

进一步地，移动模块用于多臂航天器在空间中快速高效移动，根据移动场景不同，分为吸盘式和轮式移动模块。

进一步地，夹持模块用于钩挂大型货物，从而实现大型货物的快速搬运。

本发明提出一种模块化多臂航天器重构方法，所述重构方法利用所述的多臂航天器进行重构，根据在轨服务过程中制造、搬运和操作过程，利用模块化功能组件，通过不同模块的相互组合，规划了制造航天器、搬运航天器和操作航天器三种机器人型谱，借助通用机电接口设计，航天器通过模块间快速插拔在不同型谱间切换，从而实现在轨功能重构。

进一步地，三种机器人型谱具体为：

制造航天器以中心体模块为中心，设计有三个机械臂模块，其中一个机械臂末端装有3D打印模块，用于制造零部件；两个机械臂模块末端带有通用工具模块，用于夹持打印出来的零部件；

搬运航天器以中心体模块为中心，设计有六个机械臂模块，其中两个机械臂末端装有夹持模块，用于钩挂零部件；4个机械臂模块末端装有吸盘/轮式移动模块，用于服务航天器在轨/行星表面快速移动；

操作航天器以中心体模块为中心，设计有三个机械臂模块，每个机械臂模块末端装有通用工具模块，用于实现“单臂固定，双臂操作”、“双臂夹持，单臂操作”以及“三臂夹持”操作形式。

本发明的有益效果为：

本发明所述模块化可重构多臂航天器及其重构方法，能够胜任多样化的在轨服务任务，包括在轨制造、在轨装配、在轨搬运、在轨维护等，并具备后期在轨扩展升级能力，以及在轨可重构，适应多变环境。

附图说明

图1是多臂航天器基本构型示意图。

图2是中心体模块示意图。

图3是机械臂模块示意图，其中(a)为收拢状态，(b)为展开状态。

图4是通用工具模块示意图。

图5是3D打印模块示意图。

图6是吸盘式移动模块示意图。

图7是轮式移动模块示意图。

图8是夹持模块示意图。

图9是制造航天器示意图。

图10是搬运航天器示意图。

图11是操作航天器示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明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本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1-图11，本发明提出一种模块化可重构多臂航天器，所述多臂航天器采用模块化设计，其基本构型为单臂构型，如图1所示，所述多臂航天器基本构型包括中心体模块、机械臂模块和末端执行器模块；中心体模块承担数据处理、供能和通信功能；机械臂模块负责末端定位定姿功能；末端执行器模块负责具体操作功能；模块间通过通用机电接口连接，实现模块在轨快速连接。

为提高组装/拆解效率，模块间通过通用机电接口连接，实现模块在轨快速连接。每种模块自身采用相同或类似的设计，具备良好的互换性；但各种模块相互之间完全独立，无法单独工作。如果后期有其他额外的任务需求，只需要将设计并发射对应的升级模块即可，无需重复发射其他模块。具体地，各模块设计如下：

中心体模块包括姿控、能源、通信、热控在内的绝大部分分系统，但没有有效载荷，是一个具有绝大部分功能的航天器单元，作为服务航天器的核心。中心体模块设计如图2所示。中心体模块作为航天器的核心，中心体主体为一六棱柱，内部装有航天器的功能元件，包括综合电子、蓄电池和陀螺；主体上下表面各装有一个发射/接收天线，用于通信；主体侧面均布有通用机电接口，用于连接机械臂模块，最多允许6个机械臂同时连接；侧面均布有3个视觉相机，用于中心体定位定姿。

机械臂模块是一个独立的机械臂结构机构，必须安装在中心体后才能进行工作。机械臂模块如图3所示。为提高机械臂的避障避奇异能力，实现一定程度的关节备份，机械臂设计为7自由度，机械臂关节配置采用SRS(Spherial-Roll-Spherial)构型，即腕部和肩部均为三个相互垂直、轴线交于一点的等效球关节，肘部为旋转关节；其中，肩部和腕部均有一个关节电机内嵌在臂杆内部，转动方向与臂杆轴向平行，机械臂模块两端设计有通用机电模块，用于连接中心体模块和末端执行器模块。

所述末端执行器模块用于执行各项任务，能够通过通用机电接口与机械臂模块或中心体模块相连；本发明根据可能的任务场景设计了以下几种末端执行器模块，后续任务如果有额外需求，只需将相应的末端执行器模块发射至入轨并安装即可，无需重复发射服务航天器。

(1)通用工具模块

所述通用工具模块用于执行拆卸、安装和更换操作任务，模块设计如图4所示，通用工具模块上设计有变矩螺丝刀和批头，用于拆卸/安装航天器上的螺栓，夹持器用于夹持被操作对象，实现稳定操作，视觉相机用于精准确定操作对象与通用工具模块的相对位姿；通用工具模块需成对使用。

(2)3D打印模块

3D打印模块用于进行在轨零部件制造，所述3D打印模块包括原料仓、主控单元以及喷嘴，并依次连接。模块设计如图5所示。

(3)移动模块

移动模块用于多臂航天器在空间中快速高效移动，根据移动场景不同，分为吸盘式和轮式移动模块。针对在轨移动场景，服务航天器需要在大型航天器表面爬行，采用吸盘式移动模块，如图6所示。吸附介质采用邻苯二酚-硼酸复合水凝胶，可通过控制水凝胶两侧电压控制吸盘吸附与脱离；针对地外行星基地建设场景，服务航天器需要在行星表面移动，采用轮式移动模块，如图7所示。

(4)夹持模块

夹持模块用于钩挂大型货物，从而实现大型货物的快速搬运。夹持模块如图8所示。

本发明提出一种模块化多臂航天器重构方法，所述重构方法利用所述的多臂航天器进行重构，根据在轨服务过程中制造、搬运和操作过程，利用模块化功能组件，通过不同模块的相互组合，规划了制造航天器、搬运航天器和操作航天器三种机器人型谱，借助通用机电接口设计，航天器通过模块间快速插拔在不同型谱间切换，从而实现在轨功能重构。

三种机器人型谱具体为：

制造航天器主要根据现有原材料，按需在轨生产新的零部件。要求其具有较高的精度和在轨制造能力。据此设计的制造航天器如图9所示。制造航天器以中心体模块为中心，设计有三个机械臂模块，其中一个机械臂末端装有3D打印模块，用于制造零部件；两个机械臂模块末端带有通用工具模块，用于夹持打印出来的零部件；

搬运航天器主要负责将大型货物从货运飞船移动至目标区域，要求其具有较强的移动能力。据此设计的搬运航天器如图10所示。搬运航天器以中心体模块为中心，设计有六个机械臂模块，其中两个机械臂末端装有夹持模块，用于钩挂零部件；4个机械臂模块末端装有吸盘/轮式移动模块，用于服务航天器在轨/行星表面快速移动；

操作航天器主要用于拆卸、安装、更换航天器部组件，在整个航天器建造过程中通常只完成简单的工步，需要具有一定的机电工具操作能力、较高的灵活度与精度。据此设计的操作航天器如图11所示。操作航天器以中心体模块为中心，设计有三个机械臂模块，每个机械臂模块末端装有通用工具模块，用于实现“单臂固定，双臂操作”、“双臂夹持，单臂操作”以及“三臂夹持”操作形式。

如果未来有额外的任务需求，只需将相应的末端执行器模块发射入轨，在轨重构为相应的机器人型谱，从而实现服务航天器的在轨升级拓展。

以上对本发明所提出的一种模块化可重构多臂航天器及其重构方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种模块化可重构多臂航天器的重构方法，其特征在于，所述多臂航天器采用模块化设计，其基本构型为单臂构型，所述多臂航天器基本构型包括中心体模块、机械臂模块和末端执行器模块；中心体模块承担数据处理、供能和通信功能；机械臂模块负责末端定位定姿功能；末端执行器模块负责具体操作功能；模块间通过通用机电接口连接，实现模块在轨快速连接；

中心体模块作为航天器的核心，中心体主体为一六棱柱，内部装有航天器的功能元件，包括综合电子、蓄电池和陀螺；主体上下表面各装有一个发射/接收天线，用于通信；主体侧面均布有通用机电接口，用于连接机械臂模块，最多允许6个机械臂同时连接；侧面均布有3个视觉相机，用于中心体定位定姿；

机械臂模块是一个独立的机械臂结构，其安装在中心体上，机械臂为7自由度，机械臂关节配置采用SRS构型，腕部和肩部均为三个相互垂直、轴线交于一点的等效球关节，肘部为旋转关节；其中，肩部和腕部均有一个关节电机内嵌在臂杆内部，转动方向与臂杆轴向平行，机械臂模块两端设计有通用机电接口，用于连接中心体模块和末端执行器模块；

所述末端执行器模块用于执行各项任务，能够通过通用机电接口与机械臂模块或中心体模块相连；所述末端执行器模块包括通用工具模块、3D打印模块、移动模块和夹持模块；

所述通用工具模块用于执行拆卸、安装和更换操作任务，通用工具模块上设计有变矩螺丝刀和批头，用于拆卸/安装航天器上的螺栓，夹持器用于夹持被操作对象，视觉相机用于确定操作对象与通用工具模块的相对位姿；通用工具模块成对使用；

3D打印模块用于进行在轨零部件制造，所述3D打印模块包括原料仓、主控单元以及喷嘴，并依次连接；

移动模块用于多臂航天器在空间中的移动，根据移动场景不同，分为吸盘式和轮式移动模块；

夹持模块用于钩挂大型货物，用于大型货物的搬运；

所述模块化可重构多臂航天器通过通用机电接口，通过模块间快速插拔在不同型谱间切换，从而实现在轨功能重构；

所述型谱包括制造航天器、搬运航天器和操作航天器三种机器人型谱；

三种机器人型谱具体为：

制造航天器以中心体模块为中心，设计有三个机械臂模块，其中一个机械臂末端装有3D打印模块，用于制造零部件；两个机械臂模块末端带有通用工具模块，用于夹持打印出来的零部件；

搬运航天器以中心体模块为中心，设计有六个机械臂模块，其中两个机械臂末端装有夹持模块，用于钩挂零部件；4个机械臂模块末端装有吸盘/轮式移动模块，用于服务航天器在轨/行星表面快速移动；

操作航天器以中心体模块为中心，设计有三个机械臂模块，每个机械臂模块末端装有通用工具模块，用于实现“单臂固定，双臂操作”、“双臂夹持，单臂操作”以及“三臂夹持”操作形式。