一种用于高速大负载运输的太空天梯攀爬机器人

摘要

本发明公开了一种用于高速大负载运输的太空天梯攀爬机器人，包括至少两个驱动系统和连接于两所述驱动系统之间的负载系统；所述驱动系统包括驱动系统框架，设置于所述驱动系统框架的主动粘附装置、导向机构和动力输出系统；所述主动粘附装置包括驱动辊筒、被动辊筒组件和粘附调节机构；所述被动辊筒组件包括铰接于驱动系统框架的被动辊筒安装板和可转动安装于被动辊筒安装板上的两个被动辊筒；所述被动辊筒与驱动辊筒之间形成使攀爬带通过的缝隙；所述粘附调节机构包括滑块、连接于滑块与被动辊筒安装板之间的拉簧、用于带动所述滑块滑动的丝杠螺母副；所述导向机构包括两个相互平行导向轮；所述动力输出系统用于驱动所述驱动辊筒转动。

说明书

技术领域

本发明涉及航天运输系统技术领域,具体的，涉及通过研究具有一种大载荷高速稳定爬升的太空天梯爬升机构，为太空天梯攀爬机器人研究提供理论支撑。

背景技术

随着人类社会的不断发展,对航天任务的需求越来越强烈,未来航天活动将变得越来越频繁,甚至可能成为一种日常的活动,这就对进入空间的方式从经济性、可靠性、安全性方面提出了新的需求,为了应对这种需求,需在运载火箭外开拓新的途径,天梯作为符合以上要求的概念,自提出以来备受国际航天领域的关注,并开展了大量的前期研究工作。

天梯是一种将有效载荷从地球表面运送到空间的新型运输系统,其原理为通过缆绳将地球表面的锚点与位于太空的锚点连接,通过运行于缆绳上的载荷舱将有效载荷送入空间。当前人类设想的太空天梯主要由缆绳、基站以及太空电梯攀爬机器人组成，作为运输主体的太空天梯攀爬机器人是实现太空天梯功能的一个重要组成部分。其主要由爬升机构、供能系统、环境支持系统、控制系统等组成。由于太空电梯的应用环境为自然条件下的非结构化复杂环境，包括大气层内不同程度的雨雪等恶劣天气，因此，利用太空天梯攀爬器的爬升机构完成货物运输的任务，要求其能够实现携带负载沿攀爬带缆快速稳定上升、具备较强的环境适应能力。

目前国内关于太空电梯领域研究其主要集中在对太空电梯缆绳布置领域的研究，而针对太空电梯攀爬机器人的研究较少，因此太空电梯可采用的爬升机构基本没有。对比其它爬升机构领域如电缆检测机器人、桥梁检测机器人等，由于其爬升机构均存在爬升速度慢、环境适应能力单一以及稳定性不高等的缺点，不适用于太空电梯攀爬机器人研究领域。如CN111114665A公开了一种缆索攀爬机器人，其爬升机构由于尺寸重量大，爬升效率低，对缆绳粘附力不可调导致适应性差，因此不适用于太空电梯攀爬领域；如CN104652263A公开了一种爬缆机器人,其包括外框架和内部的爬行机构、通过两对滑架及其对应的导向轮、主动轮和从动轮从四个方向夹紧缆索,同时可以方便地通过对步进电机的控制,实现对缆索夹紧力地控制。但该新型的缆索机器人有以下不足：第一爬升机构横向尺寸大不适用于高速运行状态；第二其结构较复杂拆装不方便；第三爬升机构尺寸重量大，结构冗余度高，造成爬升机构负载性能太差。

发明内容

本发明的目的是针对目前太空电梯机器人实现高效率运输的需求以及所处的非结构化复杂工作环境，设计一种适合应用于太空天梯领域攀爬机器人，解决现有爬升机构爬升速度慢，运行稳定性差、拆装不便、负载性能差等问题。具体的通过结构优化设计，实现攀爬机器人快速拆装，同时提升机器人结构冗余度；利用多电机驱动和高效率传动系统实现太空天梯攀爬机器人大载荷高速运行；通过设计一种新型粘附装置，实现机器人压紧力主动控制，提升机器人运行稳定性和环境适应能力。

本发明的用于高速大负载运输的太空天梯攀爬机器人包括至少两个驱动系统和连接于两所述驱动系统之间的负载系统；

所述驱动系统包括驱动系统框架，设置于所述驱动系统框架的主动粘附装置、导向机构和动力输出系统；

所述主动粘附装置包括驱动辊筒、被动辊筒组件和粘附调节机构；所述被动辊筒组件包括铰接于驱动系统框架的被动辊筒安装板和可转动安装于被动辊筒安装板上的两个被动辊筒；所述被动辊筒与驱动辊筒之间形成使攀爬带通过的缝隙；所述粘附调节机构包括滑块、连接于滑块与被动辊筒安装板之间的拉簧、用于带动所述滑块滑动的丝杠螺母副；所述导向机构包括两个相互平行导向轮；所述动力输出系统用于驱动所述驱动辊筒转动。

进一步，所述负载系统包括负载系统框架和设置于所述负载系统框架的负载导向机构、控制箱和负载/电源安装箱；所述负载导向机构包括两个相互平行负载系统导向轮Ⅱ。

进一步，所述主动粘附装置对称设置两组；两组主动粘附装置的驱动辊筒同轴固定有同步带轮；两所述同步带轮之间通过同步带连接。

进一步，所述导向轮和负载系统导向轮Ⅱ的两端设有挡边。

进一步，所述驱动系统框架和负载系统框架均包括两平行设置的碳纤维框架板和固定于两所述碳纤维框架板之间的铜柱；

进一步，所述驱动系统还包括用于在失电时将所述驱动辊筒抱死的电磁制动器。

本发明的有益效果：

1.本发明的攀爬机器人主要包括三部分:首部和尾部的驱动系统、机构中间的负载系统，为提升爬升机构可拆装性，爬升机构采用模块化设计，驱动系统与负载、控制系统为独立的模块，同时爬升机构采用了一种类似动车式的结构布局方式，从而有效地提升了机器人可拆装性。

2.本发明的攀爬机器人的驱动系统主要由内部的动力输出系统、粘附装置，导向机构以及外部框架组成。攀爬机器人整体结构采用炭纤维框架结构，通过对动力系统结构进行最优化设计，使电机、粘附装置、传动系统均位于机架内部；整个驱动系统主机体以炭纤维框架作为结构基础，极大地减小了机器人空间体积和重量。同时框架由碳纤维板通过铜柱连接构成，提升了机器人的可拆装性。

3.爬升机构在运行过程中具有稳定的姿态是保证机器人稳定运行的关键，针对姿态稳定问题，本发明采用一组前后对称的导向机构对机器人进行限位，导向机构的设计能有效避免爬升机构在运动过程中攀爬带发生侧移、翻转，从而使爬升机构始终稳定的沿攀爬带上由于爬升器在执行任务时一直处于高速运动状态，导向机构与攀爬带的摩擦将极大影响攀爬器的攀爬效率，为了尽可能减少导向机构与攀爬带摩擦对攀爬机器人的影响，导向机构的的导向轮采用挡边式，攀爬带从两导向轮之间缝隙穿过，两滚轮径向间隙即攀爬带纵向运动空间，导向轮两档边距离即为攀爬带横向运动距离，挡边式滚轮的采用相对于非挡边滚轮可使机器人在运动过程中攀爬带横向与导向轮摩擦极大减小。

4.针对攀爬机器人在运行过程中所面对复杂环境，本发明采用一种新型单电机驱动的主动粘附装置，主动粘附装置主要通过电机驱动丝杠转动带动，然后带动丝杠上的滑块装置拉伸拉簧，使被动辊筒组件绕轴旋转，最终使辊筒压紧攀爬带。主动粘附装置的应用可实现攀爬机器人压紧力远程调节，提高机器人面对不同复杂情况(攀爬带厚度变化、负载变化、外部环境干扰等)的适应性机器人。

5.本发明的负载系统整体框架采用碳纤维框架，框架内部安装电源、负载、控制系统。

6.本发明的驱动系统框架设有编码器同步带与驱动轮相连，最终可驱动轮转速反馈，实现机器人速度控制；驱动轮轴同时设有电磁制动器，电磁制动器失电抱紧，可以实现机器人紧急制动，防止机器人因意外断电坠落。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的驱动系统的轴测图Ⅰ；

图3为本发明的驱动系统的轴测图Ⅱ；

图4为本发明的主动粘附装置的安装示意图；

图5为本发明的负载系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的用于高速大负载运输的太空天梯攀爬机器人，包括两个驱动系统101和连接于两所述驱动系统101之间的负载系统；攀爬带从整个机器人中部穿过。

如图2所示，所述驱动系统101包括驱动系统框架，设置于所述驱动系统框架的主动粘附装置、导向机构和动力输出系统；

所述驱动系统框架包括两个相互平行的驱动系统碳纤维框架板201和固定于两驱动系统碳纤维框架板201之间的若干根铜柱202；驱动系统碳纤维框架板201上分布有若干个减重孔以减轻整个机器人自重；

所述主动粘附装置包括驱动辊筒204、被动辊筒组件和粘附调节机构；所述驱动辊筒204通过轴承座203支承在两驱动系统碳纤维框架板201之间；所述被动辊筒组件包括通过转轴210铰接于驱动系统框架的被动辊筒安装板401和可转动安装于被动辊筒安装板401上的两个被动辊筒306；两所述被动辊筒306与驱动辊筒204之间形成使攀爬带通过的缝隙；如图3和4所示，所述粘附调节机构包括滑块307、连接于滑块307与被动辊筒安装板401之间的拉簧305、用于带动所述滑块307滑动的丝杠螺母副；所述滑块307滑动配合于导向轴308，滑块307中部固定有螺母310；丝杠309安装于丝杠安装架311，其通过丝杠驱动电机314驱动转动，丝杠驱动电机314通过电机安装架313固定于驱动系统框架；所述拉簧305两端通过两拉簧安装轴(403、404)连接于被动辊筒安装板401和滑块307上的轴安装架402；

本实施例中，每一驱动系统101上对称设置两组主动粘附装置；两组主动粘附装置的驱动辊筒204同轴固定有同步带轮208；两所述同步带轮208之间通过同步带209连接；因此，两组主动粘附装置的驱动辊筒204能够保持同步转动；动力输出系统包括固定于驱动系统框架的驱动电机205；驱动电机205的输出轴固定安装有电机输出轴同步带轮301，驱动辊轴端部固定有驱动辊轴同步带轮303，二者之间通过同步带302连接。

如图2所示，所述驱动系统框架外端固定有相互平行的两导向机构安装板206；两导向机构安装板206之前安装有两个相互平行的导向轮207；所述导向轮207的两端设有挡边。

如图5所示，所述负载系统包括负载系统框架和设置于所述负载系统框架的负载导向机构、控制箱506和负载/电源安装箱507；每一所述负载系统框架内设有相互平行的两负载系统导向轮Ⅱ504；负载系统导向轮Ⅱ504通过导向轮安装架503安装于负载系统框架内；所述负载系统导向轮Ⅱ504的两端亦设有挡边。所述负载系统框架包括两平行设置的负载系统碳纤维框架板501和固定于两所述负载系统碳纤维框架板501之间的铜柱502。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。