[发明专利]对称式空间机械臂的变结构数据总线及信息流传输方法

说明书

本发明涉及对称式空间机械臂的变结构数据总线及信息流传输方法，所述系统包括第一机械臂系统穿舱总线、第二机械臂系统穿舱总线、第三机械臂系统穿舱总线、第四机械臂系统穿舱总线；各穿舱总线之间能够通过硬件接口互联；核心舱舱内设有机械臂操作台；机械臂操作台设有双BC接口，其中一个BC接口连接第一机械臂系统穿舱总线，另一BC接口连接第二机械臂系统穿舱总线，机械臂操作台作为BC通过大臂适配器或者大臂基座过路连接大臂的机械臂末端执行器与大臂内总线进行通信，通过小臂适配器或者小臂基座过路连接小臂的末端执行器与小臂内总线进行通信。

技术领域

本发明涉及对称式空间机械臂的变结构数据总线及信息流传输方法，尤其适用于对称式空间机械臂在轨爬行变换位置工作。

背景技术

空间站机械臂在载人三期空间站上承担着舱段转位对接、悬停飞行器捕获与辅助对接、支持航天员出舱活动、舱外货物搬运及状态检查、暴露平台实验载荷照料以及光学平台照料等任务。如图1所示，空间站配置两套机械臂，核心舱配置一套大臂(臂展10米)，实验舱配置一套小臂(臂展5米)，两套机械臂在空间站不同舱段的不同位置上可实现单独工作、协同工作及串联组合工作。大臂、小臂均采用7自由度机械臂方案，本体由7个关节、2个末端执行器、2个臂杆、1个中央控制器以及1套视觉相机系统组成。所有关节为转动关节，采用“肩3+肘1+腕3”配置方案。为满足机械臂在空间站不同位置工作的需求，将两个末端执行器，分别安装在机械臂始端和末端的两个关节上，通过末端执行器交替连接舱体的“爬行”动作，实现机械臂在空间站表面的位置转移；“适配器”为机械臂末端和舱体在不同位置连接提供了电气、信息过路及机械接口。

而末端执行器还具有抓取载荷、航天员、舱段等功能。在两个末端执行器上，均安装可对目标进行识别和位姿测量的末端相机，而肘部或臂杆上配置监视相机。机械臂肘部设置中央控制器作为机械臂控制系统的核心，且集成了网络交换机对机械臂上相机的视频信号进行集中传输。机械臂整体采用模块化设计，各关节、末端执行器、末端相机的硬件完全相同，在两个末端分别连接舱体时，机械臂功能、构型、可达范围等均相同，即对称设计。

在空间站舱内配置有机械臂操作台，为航天员操作机械臂提供了操作界面与操作手柄，同时也作为机械臂系统的顶层信息管理设备，是与数管、GNC、仪表、测控等其他系统之间信息交换的枢纽。

我国载人航天领域的对接总线系统可满足空间站与载人飞船对接后的组合体信息流传输需求，对接完成组合体飞行状态建立后，组合体飞行以目标飞行器为主，地面测控跟踪目标飞行器，两飞行器通过对接总线有线连接，双向传输信息内容主要由数管分系统挑选传输，其总线拓扑结构如图2。

我国探月三期采样返回任务的总线系统，适应需要多次分离的多舱段组合式航天器的飞行任务。对于每次分离，设计有一组总线选通开关，分离之后不再组合。其总线拓扑结构如图3。

若机械臂系统仍采用图2、图3的设计方案，还存在如下瓶颈：

1、空间站机械臂系统的数据总线层级，若采用图2或图3的二级总线，已经不能满足任务需要。

2、机械臂在空间站上完成任务的总线拓扑，借鉴上述两种总线拓扑结构也不能满足需求。图2的拓扑，适用于独立总线接口的对接任务，并设置有专门的数据转换器，若机械臂在空间站上不同的位置设置类似的总线接口，则需要多个数据转换器和相应的总线选通开关，硬件开销较大且数据转换器处理数据存在时延。图3的拓扑，适用于多个独立顶层计算机(BC)所分管舱段的分离动作，每次分离设置单独的开关，分离之后舱段的部分功能不再使用，是一次性动作，不适合机械臂在舱体上经常变换位置工作的任务需求。

3、采用总线选通开关完成频繁总线切换动作，不可靠性环节增多。目前我国航天领域总线选通开关产品均无直接遥测，地面无法直观判断是否切换正常，而开关频繁动作也存在失效风险。图2、3的总线拓扑变换使用的各总线选通开关仅在任务过程中动作1次。而机械臂“爬行”变换位置，以及大、小臂串联组合及分离等动作频繁，应尽量减少或不设置总线选通开关。