[发明专利]空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构

权利要求书

1.一种空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，其特征在于，该机构包括主动收绳控制执行分机构和拉力作用点移动控制执行分机构；

所述主动收绳控制执行分机构包括一对电机支架、电机、卷轮和系绳；一对电机支架相互正对固定安装在机器人底板内侧，电机内转子的两端通过电机支架支撑和定位，电机外转子上套装卷轮，系绳一端缠绕在卷轮上，另一端穿过底板上的孔和滑台上的孔进入空间与目标航天器相连；根据机器人与目标航天器的相对速度控制要求，计算收绳电机的转速，从而实现机器人与目标航天器的相对位置控制；

所述拉力作用点移动控制执行分机构包括滑台和四组协同工作的滑台控制单元；每组滑台控制单元包括电机支架、电机、绳轮和系绳；电机支架安装在机器人底板内侧，电机安装在电机支架上，电机轴上安装绳轮，系绳一端缠绕在绳轮上，另一端穿过底板上的孔，与布设在机器人底板外侧的滑台固连；根据拉力作用点的位置控制要求，计算每组滑台控制单元执行电机的转角，通过电机转动改变四个方向系绳的长度，带动滑台移动，配合绳的拉力产生偏离机器人质心的力矩，从而实现对机器人的姿态控制。

2.根据权利要求1所述的一种空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，其特征在于，所述主动收绳控制执行分机构的电机支架由两块相互垂直的硬板构成，一块硬板与机器人底板内侧固连，另一块硬板用于支撑和定位电机内转子。

3.根据权利要求1所述的一种空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，其特征在于，所述主动收绳控制执行分机构的系绳是高强度柔性系绳，系绳能够随着电机的转动收绳或放绳，从而使进入空间的系绳缩短或变长。

4.根据权利要求1所述的一种空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，其特征在于，所述机器人与目标航天器的相对速度控制，设计如下：

式中ρ为机器人与航天器之间的距离，也即系绳在空间中的长度，t为时间。

5.根据权利要求1所述的一种空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，其特征在于，所述主动收绳控制执行分机构中，收绳电机的转速根据相对速度计算得到，公式如下：

式中为根据机器人与目标航天器的相对速度控制要求设计的收绳速率，计算单位m/s；π为圆周率常数；为卷轮半径，计算单位m；n为收绳电机转速，计算单位rpm。

6.根据权利要求1所述的一种空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，其特征在于，每组滑台控制单元的电机支架由两块相互垂直的硬板构成，一块硬板与机器人底板内侧固连，另一块硬板用于支撑和定位电机。

7.根据权利要求1所述的一种空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，其特征在于，所述主动收绳控制执行分机构的一对电机支架安装于机器人底板内侧中央，四组滑台控制单元的电机支架分布对称安装于机器人底板内侧四周。

8.根据权利要求1所述的一种空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，其特征在于，所述滑台为正方体结构，具有上下贯穿的绳孔，与机器人底板外侧的接触面设有滚轮用于移动，四条侧棱处分别设有相同高度的绳系点，用于分别固定四组滑台控制单元的系绳，绳系点的高度能够保证四条系绳上所分配的拉力合理。

9.根据权利要求1所述的一种空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，其特征在于，所述根据拉力作用点的位置控制要求，计算每组滑台控制单元执行电机的转角，公式如下：

式中(y_i,z_i)为第i组滑台控制单元系绳穿过的机器人底板上的孔坐标，(y,z)为拉力作用点的坐标，l_i0为第i组滑台控制单元系绳的初始长度，Δl_i为第i组滑台控制单元系绳长度的变化量，r_i为第i组滑台控制单元绳轮的半径，σ_i为第i组滑台控制单元执行电机的转角。

10.根据权利要求1所述的一种空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，其特征在于，该执行机构的执行过程如下：

(1)主动收绳控制执行分机构根据机器人与目标航天器的相对速度控制要求，计算收绳电机的转速，通过控制电机的转动带动卷轮旋转，卷轮的旋转带动系绳收放，从而使进入空间的系绳缩短或变长，拉动机器人产生位置变化，同时系绳上产生拉力；

(2)拉力作用点移动控制执行分机构根据拉力作用点的位置控制要求，计算每组滑台控制单元执行电机的转角，通过四个电机的协同旋转带动绳轮转动，实现四条绳的长度协同变化，带动滑台移动，滑台的移动改变系绳拉力作用点位置，拉力偏离机器人质心产生力矩，从而实现对机器人的姿态控制。