一种使用空间机器人的空间桁架在轨装配系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种使用空间机器人的空间桁架在轨装配系统，包括多功能补给舱，以及设置于多功能补给舱内的初始轨道，初始轨道上安装有四个空间装配机器人；空间装配机器人由三维巡游装置和小卫星组成，小卫星安装于三维巡游装置上；三维巡游装置安装在初始轨道上，能够沿初始轨道轴向移动或周向转动；每个三维巡游装置均携带有两根备用杆，其中一根备用杆为首先安装的杆，其端部安装有连接器；本实用新型专利技术利用变构型机器人进行空间桁架在轨装配的方案，有效地解决了宇航员手动装配带来的安全性低、效率低和资源消耗高等问题；为在轨装配桁架机构设计的装配机器人体积小、重量轻，一次发射可携带多个，符合未来多智能体航天器发展趋势。

A space truss in orbit assembly system using space robot

The utility model discloses a space robot space truss assembly system, including multifunctional replenishment module, and is arranged on the multifunctional replenishment cabin in the initial orbit, the initial orbit is installed on the four space robot assembly; space robot assembly by 3D parade device and small satellites, small satellite installation in three cruise device; 3D cruise device installed in the initial orbit, the initial orbit can move along the axial or circumferential rotation; each carry two 3D cruise device backup rod, wherein a spare rod is installed first rod, the end part is provided with a connector; the utility model uses the robot of allosteric space truss on orbit assembly scheme can effectively solve the safety of astronauts manual assembly brings low efficiency, low resource consumption and high; for on orbit. The assembly robot designed by the truss structure is small in size, light in weight, and can be carried at one time. It is in line with the development trend of future multi-agent spacecraft.

【技术实现步骤摘要】
一种使用空间机器人的空间桁架在轨装配系统
本技术属于机器人空间操作
，涉及一种使用空间机器人的空间桁架在轨装配系统。
技术介绍
针对空间桁架在轨装配方式，现有研究主要分为两种：第一种是宇航员手动装配；第二种是使用不同类型的空间机器人遥操作或自主装配。对于第一种方式，20世纪70年代到90年代早期，美国兰利研究中心进行了一系列大型空间结构的宇航员手动装配研究，已经被证明是一种有效的构建大型空间结构的方法。对于第二种方式，美国兰利研究中心的科研人员开发了一套遥控机器人空间桁架结构装配系统来装配一个由12块面板和102根支柱组成的直径8米的桁架结构。除了空间遥控机器人之外，一些研究人员开始致力于研究完全自主的空间机器人系统。Ueno开发了一种自由飞行机器人和特殊设计的桁架装配工具用来试验在轨装配任务，它具有无约束的移动能力。卡内基梅隆大学设计的Skyworker是一个空间结构附属移动机械臂，它可以在几公里范围里轻松自如地运输和操纵从公斤级到吨级的载荷。NASA喷气推进实验室设计了一种小型、灵活的六足行走机器人LEMUR，用来在空间结构上狭小区域里执行复杂的、细微的装配、检查和维护任务。NASA约翰逊航天中心开发了一种人形空间机器人Robonaut，目的是模仿空间行走宇航员的体积、运动范围、力量和持久力，它可以直接使用为宇航员设计的构建工具。F.Nigl和S.Li等人开发了一种可以三维巡游的桁架搭建机器人，它能到达桁架任意位置拆卸和安装杆件，并设计了独特的杆件和接头。以上针对空间桁架在轨装配的方式主要存在以下三个问题。首先，当空间结构非常庞大，拥有成千上万个部件和装配步骤的时候，宇航员手动装配就变得不切实际。而且，宇航员舱外活动存在着一定的危险性，所需费用也较高。其次，现有的遥操作装配机器人系统体积庞大灵活性差，只能在空间站平台上使用。最后，现有的自主装配机器人仅能单独实现装配/拆卸杆件或运输杆件，无法同时完成这两项任务。而且现有的自主机器人无空间推进能力，无法对装配完成的桁架机构进行高精度的姿态控制和小范围轨道机动。为了能更加高效、安全、灵活地完成空间桁架的装配任务，且能对桁架结构进行高精度的姿态控制和小范围轨道机动，需要一种新的自主机器人装配方法，能在装配杆件的同时运输和储存备用杆，且自带空间推进器，实现空间桁架协同装配和分布式控制。
技术实现思路
本技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种使用空间机器人的空间桁架在轨装配系统，设计了变构型空间装配机器人、多功能补给舱和连接器与主被动杆，实现空间桁架在轨搭建及其姿轨联合控制需求。为达到上述目的，本技术采用以下技术方案予以实现：一种使用空间机器人的空间桁架在轨装配系统，包括多功能补给舱，以及设置于多功能补给舱内的初始轨道，初始轨道上安装有四个空间装配机器人；空间装配机器人由三维巡游装置和小卫星组成，小卫星安装于三维巡游装置上；三维巡游装置安装在初始轨道上，能够沿初始轨道轴向移动或周向转动；每个三维巡游装置均携带有两根备用杆，其中一根备用杆为首先安装的杆，其端部安装有连接器；定义三维坐标系，以小卫星的中心为原点，初始轨道的轴向为y轴，竖直向上的方向为z轴，垂直于y轴和z轴向纸面外且满足右手定则的方向为x轴。本技术进一步的改进在于：三维巡游装置包括通过铰链铰接在一起的前部驱动块和后部驱动块，小卫星安装于前部驱动块的顶面上，且小卫星能够沿z轴旋转；前部驱动块和后部驱动块的底部均开始有与初始轨道啮合的驱动槽，使其能够在杆件上平移或反转；前部驱动块和后部驱动块的中部开设有杆件储备槽；设置于杆件储备槽内的杆件能够在电机驱动下沿y轴方向做平移运动。后部驱动块的前端面上方安装有两个备用连接器，备用连接器的接头中心与备用杆中心在同一平面内。小卫星的一组相对面的顶角部，安装有电推进器，小卫星的五个面上均贴有太阳能电池片。初始轨道包括中心杆，以及设置于中心杆正上方、正下方以及两侧的第一杆件、第二杆件、第三杆件和第四杆件；第一杆件、第三杆件与中心杆构成的平面与第二杆件、第四杆件与中心杆构成的平面垂直；中心杆的中心顶端安装有连接器，中心杆的末端设置有用于支撑整个初始轨道的支撑结构。第一杆件、第二杆件、第三杆件和第四杆件分别搭载第一装配机器人、第二装配机器人、第三装配机器人和第四装配机器人。与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：本技术利用变构型机器人进行空间桁架在轨装配的方案，有效地解决了宇航员手动装配带来的安全性低、效率低和资源消耗高等问题；为在轨装配桁架机构设计的装配机器人体积小、重量轻，一次发射可携带多个，符合未来多智能体航天器发展趋势；机器人的“T”型杆件夹持机构设计，使得机器人能在不影响装配的情况下，可携带两根备用杆，提高了机器人的装配效率；所设计的多功能补给舱集成了装配机器人、初始轨道、连接器和杆件等，不仅是桁架搭建的基座，还是杆件、备用模块的储藏室，便于利用火箭发射，未来还可以发射新型补给箱以升级和拓展系统功能；所提出的带有18个母接头的连接器和带有公接头的主被动杆方法为桁架在装配过程中框架稳定连接问题提供了一种有效地解决方法。【附图说明】图1为本技术变构型空间机器人结构图；图2为本技术杆件夹持与存储机构前视图；图3为本技术备用连接器安装位置示意图，其中a为前视图，b为左视图；图4为本技术小卫星电推进器安装位置；图5为本技术系统各部件安装关系图，其中a为左视图，b为前视图；图6为本技术多功能补给舱外壳三视图，其中a为前视图，b为顶视图，c为左视图；图7为本技术初始轨道“十字”构型示意图；图8为本技术初始轨道顶视图；图9为本技术初始轨道前视图；图10为本技术初始轨道左视图；图11为本技术初始轨道的装配机器人安装示意图，其中a为前视图，b为顶视图，c为左视图，d为正交图；图12为本技术连接器构型示意图，其中a为前视图，b为顶视图，c为左视图，d为正交图；图13为本技术装配过程示意图，其中a为前视图，b为顶视图，c为左视图，d为正交图。其中：1-三维巡游装置；2-小卫星部分；3-小卫星正面；4-小卫星背面；5-杆件储备槽；6-驱动槽；7-电推进器；8-多功能补给舱；9-初始轨道；10-装配机器人；11-第一杆件；12-第二杆件；13-第三杆件；14-第四杆件；15-中央杆件；16-中央连接器；17-支撑结构；18-第一装配机器人；19-第二装配机器人；20-第三装配机器人；21-第四装配机器人；22-第一装配机器人所携带的先安装备用杆；23-第二装配机器人所携带的先安装备用杆；24-第三装配机器人所携带的先安装备用杆；25-第四装配机器人所携带的先安装备用杆；26-第一装配机器人所携带的后安装备用杆；27-待安装杆件。【具体实施方式】下面结合附图对本技术做进一步详细描述：参见图1-图13，本技术使用空间机器人的空间桁架在轨装配系统，主要包括多功能补给舱、空间装配机器人、初始轨道三个部分。图5表示了各部分的结构关系，四个空间装配机器人呈“十字”向外放射状安装于“十字”构型初始轨道上，机器人可沿初始轨道向外移动。初始轨道安装于多功能补给舱内部，并可向外平移。空本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用空间机器人的空间桁架在轨装配系统，其特征在于，包括多功能补给舱(8)，以及设置于多功能补给舱(8)内的初始轨道(9)，初始轨道(9)上安装有四个空间装配机器人(10)；空间装配机器人由三维巡游装置(1)和小卫星(2)组成，小卫星(2)安装于三维巡游装置(1)上；三维巡游装置(1)安装在初始轨道(9)上，能够沿初始轨道(9)轴向移动或周向转动；每个三维巡游装置均携带有两根备用杆，其中一根备用杆为首先安装的杆，其端部安装有连接器；定义三维坐标系，以小卫星(2)的中心为原点，初始轨道(9)的轴向为y轴，竖直向上的方向为z轴，垂直于y轴和z轴向纸面外且满足右手定则的方向为x轴。

【技术特征摘要】
1.一种使用空间机器人的空间桁架在轨装配系统，其特征在于，包括多功能补给舱(8)，以及设置于多功能补给舱(8)内的初始轨道(9)，初始轨道(9)上安装有四个空间装配机器人(10)；空间装配机器人由三维巡游装置(1)和小卫星(2)组成，小卫星(2)安装于三维巡游装置(1)上；三维巡游装置(1)安装在初始轨道(9)上，能够沿初始轨道(9)轴向移动或周向转动；每个三维巡游装置均携带有两根备用杆，其中一根备用杆为首先安装的杆，其端部安装有连接器；定义三维坐标系，以小卫星(2)的中心为原点，初始轨道(9)的轴向为y轴，竖直向上的方向为z轴，垂直于y轴和z轴向纸面外且满足右手定则的方向为x轴。2.根据权利要求1所述的使用空间机器人的空间桁架在轨装配系统，其特征在于，三维巡游装置(1)包括通过铰链铰接在一起的前部驱动块(1-1)和后部驱动块(1-2)，小卫星(2)安装于前部驱动块(1-1)的顶面上，且小卫星能够沿z轴旋转；前部驱动块(1-1)和后部驱动块(1-2)的底部均开始有与初始轨道(9)啮合的驱动槽(6)，使其能够在杆件上平移或反转；前部驱动块(1-1)和后部驱动块(1-2)的中部开设有杆件储备槽(5)；设置于杆件储备槽(5)内的杆件能够在电机驱动下沿y轴方向做...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗建军，徐晨，王明明，马卫华，袁建平，朱战霞，吴珂，闫宇申，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：新型
国别省市：陕西,61