[发明专利]空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构

说明书

本发明公开了一种空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，由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组成。主动收绳控制执行分机构的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，根据相对速度控制要求计算收绳电机转速。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，每组滑台控制单元的电机轴上安装绳轮，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转角。本发明可以实现绳的回收和拉力作用点的移动，从而控制空间机器人位置移动和姿态转动。

技术领域

本发明属于空间机器人结构设计与应用领域，尤其涉及一种基于主动收绳的空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构。

背景技术

绳系机器人由于采用绳子辅助相对运动控制，具有独特的优势和特点，在航天应用领域得到广泛研究。绳的柔韧性可以约束机器人的相对运动，使之不会失控，也很容易回收和释放，能够允许机器人很好地在大空间环境下飞行，从而具有高度的灵活性；在绳的辅助作用下，机器人运动效率可以得到提高，同时可以精简一部分传统的执行机构，进一步使空间机器人轻量化，提高任务的经济性。绳系机器人越来越多地应用于空间任务设想和新型空间任务探索中，并进行了相关的实验验证，具有较强的可行性。绳系机器人应用于在轨服务具有潜在的优势，特别在目标捕获、空间碎片清理、机器人与航天器的交会对接等方面，空间绳系机器人的优势明显。绳系机器人区别于一般的机器人在于绳子的存在，绳的回收和释放需要专门的控制执行机构来完成，该机构对绳系机器人的空间运动影响很大，不仅对机器人的质心位置移动具有明显作用，同时还会影响机器人绕质心的姿态运动。

收绳控制执行机构一般方式是采用电机带动卷轮，通过卷轮的旋转使绳缠绕或展开，从而回收或释放位于空间中绳的长度，辅助带动机器人的运动。事实上，收绳控制执行机构是绳系机器人(航天器)结构设计的关键之一，由于绳系机器人的研究大多仍停留在理论分析上，很少有研究系统地考虑如何设计控制执行机构实现可控的收放绳。

现有技术的缺点总结如下：

1.对于实现机器人在空间中的位置控制执行机构，现有的机构设计过于简化，并没有考虑绳系机器人通过绳子在实施相对运动控制的过程中，收绳需要快慢不定的变化，难以适应工程实际应用的要求；

2.现有的位置控制执行机构设计中，收绳机构安装在其他平台上，对机器人而言是一种被动收绳，而并非是机器人自身的主动收绳，这种设计降低了机器人的自主性和灵活性；

3.对于空间机器人的结构设计而言，现有的收绳控制执行机构，为了追求结构强度，体积偏大，质量偏重，结构不够紧凑，这种机构设计从空间应用的经济性来看，存在不足，同时还增加了收绳执行机构对机器人本体运动的影响；

4.对于实现机器人在空间中的姿态控制执行机构，现有的执行机构设计没有考虑绳的拉力对姿态的作用，没有充分利用绳的拉力，实现对机器人姿态的控制，对姿态控制采用额外执行机构，增加了机器人的质量。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种主动收绳的空间绳系机器人位姿一体化控制执行机构，用于解决以下问题：

1.通过主动收绳控制执行分机构回收绳，该分执行机构具有较高的精度，能够适应回收速率变化情况，通过电机转速的变化满足相对速度快慢变化的要求，由速度控制间接实现对机器人运动位置的控制；

2.通过将主动收绳控制执行分机构安装到机器人本体上，实现了机器人自主收绳，提高了机器人的自主性、灵活性和适应性；

3.设计了空间机器人位姿一体化控制执行机构，结构紧凑、体积小、质量轻，利用控制执行机构回收系绳，有效提高机器人的经济性；