空间机器人在轨精细操作的地面实验系统

摘要

本发明公开了一种空间机器人在轨精细操作的地面实验系统，包括工业机器人、用于模拟在轨操作工具的末端操作器和用于模拟在轨操作对象的操作对象，所述工业机器人的操作臂连接所述末端操作器，所述末端操作器用于对所述操作对象实施精细操作，所述末端操作器上安装有力传感器。该地面实验系统为在轨维修、在轨模块更换、在轨燃料加注等接触型操控任务的研究提供了可靠的实验和验证平台。

说明书

技术领域

本发明涉及航天器的在轨服务、目标捕获及在轨接触型操作的技术领 域，特别是一种空间机器人在轨精细操作的地面实验系统。

背景技术

所谓的在轨服务,是指在太空中通过人、机器人(或类机器人卫星) 或两者协同来完成涉及延长卫星、平台、空间站附属舱和空间运载器寿命 和能力的空间装配、维修和服务任务。

所谓的精细操作,是指在机器人的末端工具与被操作的对象或者环境 发生接触，且产生相互作用力和力矩的情况下，执行的复杂操作。

空间机器人通过自身具备的感知和机动能力，能够自主跟踪和接近目 标，并利用各种操作手段对空间目标实施在轨操控，将会在未来的在轨服 务中扮演越来越重要的角色。空间机器人在执行必须与环境(操作对象) 发生接触的任务时，精细操作十分的重要。由于空间环境的特殊性，在轨 航天器的维护十分困难。因此在空间机器人升空前，必须对相关的规划和 控制进行充分的验证，以保证在轨任务的成功。而目前已有的空间机器人 地面试验系统仅仅是针对目标测量、目标捕获，并没有涉及到接触型的精 细操作。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供空间机器人在轨精 细操作的地面实验系统,其可克服上述缺陷，在地面验证空间机器人精细操 作任务中的规划和控制。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种空间机器人在轨精细操作的地面实验系统，包括工业机器人、用 于模拟在轨操作工具的末端操作器和用于模拟在轨操作对象的操作对象， 所述工业机器人的操作臂连接所述末端操作器，所述末端操作器用于对所 述操作对象实施精细操作，所述末端操作器上安装有力传感器。

根据优选的实施例，本发明的技术方案还可能包括以下一些技术特 征：

所述末端操作器包括力传感器、法兰盘底座和操作工具，所述力传感 器安装在所述法兰盘底座上，所述操作工具与所述法兰盘底座可拆卸地连 接。

所述法兰盘底座上设有中空的安装柱，所述安装柱的内壁形成有内螺 纹，所述操作工具包括带有外螺纹的用于安装到所述安装柱内的柱体。

所述力传感器为与所述法兰盘底座贴设在一起的扁圆柱体。

所述法兰盘底座包括将所述法兰盘底座贴夹持在中间的第一座盘和第 二座盘，所述第一座盘耦合到所述工业机器人的操作臂，所述第二座盘与 所述操作工具可拆卸地连接。

所述操作工具为夹持工具、切割工具、钩取工具或按压工具。

所述地面实验系统包括操作台，所述操作台上安装所述操作对象或者 所述操作台的台面作为所述操作对象。

所述操作台上设置有放置所述操作对象的固定孔位，所述操作对象通 过与所述固定孔位匹配的插销固定于所述台面。

所述操作对象为带插孔的操作对象或具有曲面的操作对象。

所述操作台的台面上形成有曲线型或折线型的轨道。

所述工业机器人包括串联结构的6个可旋转的关节，所述6个可旋转 的关节分别绕不同的轴旋转,其中每相邻的两个关节的轴线相交于一点，其 中第1关节绕S轴旋转，构成腰部，第2关节绕L轴旋转，构成肩部，第 3关节绕U轴旋转，构成肘部，第4关节绕R轴旋转，第5关节绕B轴旋 转，第6关节绕T轴旋转，第4、第5和第6关节共同构成可活动的腕部， 所对应的三个轴的轴线交点为腕部中心点，连接每相邻的两个关节之间的 部分为连杆。

精细操作是在轨服务任务过程中的难点和关键技术，本发明提出以工 业机器人模拟空间机器人在轨精细操作的地面实验系统，为此关键技术提 供地面验证的实验平台。采用上述技术方案后，本发明可实现空间机器人 在轨精细操作任务的地面验证和模拟，为在轨维修、在轨模块更换、在轨 燃料加注等接触型精细操控任务的研究提供可靠的实验和验证平台。

附图说明

图1为本发明地面实验系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中的工业机器人结构示意图；

图3为本发明实施例中的末端操作器结构示意图；

图3a-图3d为本发明实施例中末端操作器的几种操作工具的结构示意 图；

图4为本发明实施例中的承载操作对象的操作台面示意图；

图5a-图5d为本发明实施例中的几种操作对象的结构示意图；

图6为应用本发明实施例进行模块更换典型操作任务的示意图；

图7为应用本发明实施例进行故障维修典型操作任务的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述 说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1，根据本发明的实施例，空间机器人在轨精细操作的地面实 验系统包括工业机器人1、末端操作器2和操作对象3这三部分。工业机 器人1用于模拟在轨的空间机器人，使工业机器人1的末端与空间机器人 的末端运动规律一致，可在整个任务中工业机器人模拟空间机器人，工业 机器人的操作臂连接末端操作器，末端操作器用于模拟空间机器人使用的 在轨操作工具,操作对象用于模拟空间机器人的在轨精细操作对象。通过末 端操作器对操作对象实施精细操作，该末端操作器上安装有力传感器，可 对实施精细操作的力和/或力矩进行监测。

如图2所示，在特别优选的实施例中，工业机器人包括串联结构的6 个可以旋转的关节，分别模仿人的腰部、肩部、肘部和手腕的运动。6个 可以旋转的关节设计成分别绕不同的轴旋转,其中每相邻的两个关节的轴 线相交于一点：第1关节1为绕S轴(S)旋转，相当于人的腰部；第2 关节2为绕L轴(L)旋转，相当于人的肩部；第3关节3为绕U轴(U) 旋转，相当于人的肘部；第4关节为绕R轴(R)旋转；第5关节为绕B 轴(B)旋转，；第6关节为绕T轴(T)旋转。第4、第5和第6关节4、5、 6共同组成相当于人的腕部的关节组合，所对应的三个轴的轴线交点为腕 部中心点。连接相邻的两个关节之间的部分为连杆。

末端操作器是用于模拟执行空间操作任务的工具，包括力和力矩的感 知系统。如图3所示，在一种优选的实施例中，末端操作器包括力传感器 4、法兰盘底座5和操作工具6，力传感器4安装在法兰盘底座5上，操作 工具6与法兰盘底座5可拆卸地连接。较优选地，法兰盘底座5上设有中 空的安装柱，安装柱的内壁形成有内螺纹(图示螺纹为示意)，操作工具包 括带有外螺纹7的用于安装到安装柱内的柱体。

在一种优选的实施例中，力传感器4为与法兰盘底座5贴设在一起的扁 圆柱体。更优选地，法兰盘底座包括将法兰盘底座贴夹持在中间的第一座 盘和第二座盘，第一座盘耦合到工业机器人的操作臂，第二座盘与操作工 具可拆卸地连接。

根据执行任务的特点，操作工具可以但不限于是夹持工具、切割工具、 勾行工具、按压工具等等。

在一些具体实施例中，末端操作器的操作工具例如是如图3a所示的 圆形的按压工具，或是如图3b所示的方形的按压工具，或是如图3c所示 的钩取工具，钩取工具的钩部的截面尺寸大小可根据待钩取模块的实际情 况确定。末端操作器的操作工具又例如是如图3d所示的带有弹片8的按压 工具。

操作对象设计成具有空间任务中的被操控目标的典型特征，以实现典 型空间操控任务的验证和模拟。在一种实施例中，操作对象包括操作台，台 面上设置具体操作对象，具体操作对像既可以是台面本身的部分，也可以 是安装于台面上的其他操作对象。如图4所示，例如，可以在台面设置各 种需要的运动轨道，也可以在台面开始放置操作对象的固定孔位9，根据 任务执行的特点将设计好的特定操作对象通过与固定孔位符合的插销固定 在台面。更具体地，如图4所示，例如，台面上可设置曲线型(如正弦形) 轨道10或折线型轨道11，轨道即具体的操作对象，可供末端操作器的操 作工具按轨道运行，实施相应的操作动作。又例如，台面上还可开设各种 形式的固定孔位，图5所示为带曲面的操作对象、图5b所示为带插孔的操 作对象，图5c和图5d所示分别为带圆形插孔的操作对象以及带方形插孔 的操作对象，这些操作对象可通过其底部插销12固定在台面上。

以下通过两个典型的空间在轨操作任务实例对本发明的地面实验系 统进行说明。

1、模块更换

如图6所示，模块更换部件需要演示的功能为将预备更换的部件13 拔出来，然后再装上。利用一个简单的电路来标识演示的效果，开始时预 备更换的部件处于底座14中，使两个导电块15电连接，电路导通，灯泡 16亮；接着通过末端操作器的夹持工具17将其拔出，电路阻断，灯熄灭； 然后，再将其装上，如果灯亮了，表示插入正确，电路导通。地面实验系 统通过实施该模块更换操作任务，对空间机器人在轨精细操作进行实验测 试和验证。

2、故障维修

如图7所示，故障维修部分的基本原理和上述模块更换部分一样，包 括底座14和末端操作器的末端维修工具18，其中底座可以采用插孔零部 件的底座设计，只是多了两个导电块和导线安置，维修工具是在圆形插孔 工具的末端焊接电连接的薄铁片，当铁片压住底座上的两个导电块时，灯 泡16重新通电。地面实验系统通过实施该故障维修操作任务，对空间机器 人在轨精细操作进行实验测试和验证。

针对具体的任务选择末端操作器的操作工具和精细操作对象，该实验 系统可以可靠地模拟和验证各种在轨任务。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这 些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当 视为属于本发明的保护范围。