本發(fā)明涉及空間機(jī)器人領(lǐng)域，尤其涉及一種用于空間機(jī)器人推進(jìn)的裝置。

背景技術(shù)：

空間機(jī)器人是用于代替人類在太空中進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)、出艙操作、空間探測(cè)等活動(dòng)的特種機(jī)器人?？臻g機(jī)器人代替宇航員出艙活動(dòng)可以大幅度降低風(fēng)險(xiǎn)和成本。

2012年NASA繪制的技術(shù)路線圖中空間機(jī)器人分為遙操作機(jī)器人、自主機(jī)器人兩種，并將機(jī)器人、遙操作機(jī)器人和自主機(jī)器人列為其重要技術(shù)發(fā)展方向之一。

空間機(jī)器人是在空間環(huán)境中活動(dòng)的，空間環(huán)境和地面環(huán)境差別很大，空間機(jī)器人工作在微重力，高真空，超低溫，強(qiáng)輻射，照明差的環(huán)境中，因此，空間機(jī)器人與地面機(jī)器人的要求也必然不相同，有它自身的特點(diǎn)。

要想實(shí)現(xiàn)空間機(jī)器人對(duì)目標(biāo)進(jìn)行有效捕獲，需要空間機(jī)器人具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性和靈活性，即能夠以機(jī)動(dòng)和靈活的推進(jìn)能力對(duì)目標(biāo)實(shí)施追擊，從而實(shí)現(xiàn)捕獲操作。但是由于地球軌道環(huán)境的微重力特性和飛行器噴氣式推進(jìn)器配備的限制等原因，空間機(jī)器人機(jī)動(dòng)和靈活飛行控制是制約目標(biāo)捕獲能力的關(guān)鍵因素，并為空間機(jī)器人的設(shè)計(jì)提出了較大的挑戰(zhàn)。

空間機(jī)器人自由飛行控制主要分為姿態(tài)控制和軌道控制，而動(dòng)力裝置一般為反作用力飛輪和噴氣式推進(jìn)器。反作用力飛輪利用角動(dòng)量守恒原理對(duì)在軌飛行器的姿態(tài)進(jìn)行平衡控制，能夠以較高的控制精度實(shí)現(xiàn)姿態(tài)精細(xì)控制。但由于其容易飽和的特性并且其作用能力較弱，一般多用在用來(lái)抵消飛行器姿態(tài)擾動(dòng)的姿態(tài)穩(wěn)定控制場(chǎng)合，而無(wú)法滿足機(jī)動(dòng)和靈活飛行控制的需要。噴氣式推進(jìn)器則是利用動(dòng)量守恒原理，利用飛行器儲(chǔ)存的燃料，通過(guò)噴氣式推進(jìn)器噴射高速度的氣體，從而為飛行器提供反作用力動(dòng)量，用來(lái)進(jìn)行姿態(tài)控制和軌道運(yùn)動(dòng)。但由于其沖量推進(jìn)的特點(diǎn)，其控制柔順程度不如飛輪。并且由于噴氣推進(jìn)器自身限制，大推力推進(jìn)器姿控柔順性太差，小推力推進(jìn)器推進(jìn)能力太弱，很難滿足空間機(jī)器人自由飛行的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：相比于現(xiàn)有技術(shù)，提供了一種用于空間機(jī)器人推進(jìn)的裝置，控制了推力的大小、方向和作用點(diǎn)，滿足了機(jī)動(dòng)和靈活飛行控制的需要。

本發(fā)明目的通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種用于空間機(jī)器人推進(jìn)的裝置，該裝置包括：本體、儲(chǔ)氣罐、減壓閥、穩(wěn)壓氣容、比例控制閥、推進(jìn)器、控制器和空間機(jī)械臂；其中，所述本體與所述空間機(jī)械臂相連接；所述儲(chǔ)氣罐、所述減壓閥和所述穩(wěn)壓氣容設(shè)置于所述本體內(nèi)，所述儲(chǔ)氣罐、所述減壓閥和所述穩(wěn)壓氣容依次通過(guò)氣管相連接；所述比例控制閥設(shè)置于所述空間機(jī)械臂內(nèi)，所述控制器設(shè)置于所述本體內(nèi)，所述比例控制閥的一端通過(guò)氣管與所述穩(wěn)壓氣容相連接，所述控制器與所述比例控制閥的引腳相連接；所述推進(jìn)器設(shè)置于所述空間機(jī)械臂的末端，所述推進(jìn)器通過(guò)氣管與所述比例控制閥的另一端相連接；所述儲(chǔ)氣罐用于放置壓縮氣體，壓縮氣體通過(guò)氣管經(jīng)過(guò)所述減壓閥減壓作用和所述穩(wěn)壓氣容的穩(wěn)壓作用后輸送給所述比例控制閥，所述控制器控制所述比例控制閥的開合程度調(diào)節(jié)輸送給所述推進(jìn)器的氣流量，所述推進(jìn)器根據(jù)所述氣流量的大小實(shí)現(xiàn)其推力大小的調(diào)節(jié)。

上述用于空間機(jī)器人推進(jìn)的裝置中，所述空間機(jī)械臂具有六個(gè)及以上的自由度，能夠調(diào)節(jié)所述推進(jìn)器的推力的作用點(diǎn)和方向。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：

本發(fā)明通過(guò)將推進(jìn)器設(shè)置在空間機(jī)械臂的末端，通過(guò)比例調(diào)節(jié)閥能夠控制推力的大小，通過(guò)空間機(jī)械臂的自由度與推進(jìn)器的結(jié)合，能夠調(diào)節(jié)推力的方向和作用點(diǎn)，通過(guò)推力的大小、方向和作用點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間機(jī)器人的機(jī)動(dòng)和靈活的運(yùn)動(dòng)推進(jìn)，從而提升了空間機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性和靈活性，為在空間中捕獲目標(biāo)提供良好的基礎(chǔ)。

附圖說(shuō)明

圖1示出了本發(fā)明的實(shí)施例提供的用于空間機(jī)器人推進(jìn)的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出了本發(fā)明的實(shí)施例提供的機(jī)械臂推進(jìn)力與本體需要推進(jìn)力之間的關(guān)系的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明：

圖1示出了本發(fā)明的實(shí)施例提供的用于空間機(jī)器人推進(jìn)的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該裝置包括本體1、儲(chǔ)氣罐2、減壓閥3、穩(wěn)壓氣容4、比例控制閥5、推進(jìn)器6、控制器7和空間機(jī)械臂8。其中，

本體1與空間機(jī)械臂8相連接，具體實(shí)施時(shí)，本體1可以與空間機(jī)械臂8螺紋連接，需要理解的是，本體與空間機(jī)械臂的連接方式有多種，本實(shí)施例不加以限定。

儲(chǔ)氣罐2、減壓閥3、穩(wěn)壓氣容4和控制器7設(shè)置于本體1內(nèi)，儲(chǔ)氣罐2、減壓閥3和穩(wěn)壓氣容4依次通過(guò)氣管相連接。具體實(shí)施時(shí)，儲(chǔ)氣罐2和穩(wěn)壓氣容4可以由金屬材料制成，從而使得在高空狀態(tài)下，儲(chǔ)氣罐2和穩(wěn)壓氣容4具有一定的剛性，使其不易變形。

比例控制閥5設(shè)置于空間機(jī)械臂8內(nèi)，比例控制閥5的一端通過(guò)氣管與穩(wěn)壓氣容4相連接，控制器7與比例控制閥5相連接。具體實(shí)施時(shí)，控制器7通過(guò)電路與比例控制閥5的引腳相連接。

推進(jìn)器6設(shè)置于空間機(jī)械臂8的末端，推進(jìn)器6通過(guò)氣管與比例控制閥5的另一端相連接。具體實(shí)施時(shí)，推進(jìn)器6與空間機(jī)械臂8的末端可以螺紋連接。

工作時(shí)，儲(chǔ)氣罐2用于放置壓縮氣體，壓縮氣體通過(guò)氣管到達(dá)減壓閥3，由于壓縮氣體的壓力很大，通過(guò)減壓閥3的減壓作用后壓縮氣體減壓，減壓后的氣體通過(guò)氣管到達(dá)穩(wěn)壓氣容4，由于減壓后的氣體壓力不穩(wěn)定，需要進(jìn)行穩(wěn)壓，穩(wěn)壓氣容4對(duì)減壓后的氣體進(jìn)行穩(wěn)壓，穩(wěn)壓后的氣體平穩(wěn)的輸送給比例控制閥5，控制器7控制比例控制閥5的開合程度，通過(guò)比例控制閥5的開合程度可調(diào)節(jié)輸送給推進(jìn)器6的氣流量，推進(jìn)器6根據(jù)該氣流量的大小實(shí)現(xiàn)其推力大小的調(diào)節(jié)。

空間機(jī)械臂8具有六個(gè)及以上的自由度，能夠調(diào)節(jié)推進(jìn)器6的推力的作用點(diǎn)和方向。

本實(shí)施例通過(guò)將推進(jìn)器設(shè)置在空間機(jī)械臂的末端，通過(guò)比例調(diào)節(jié)閥能夠控制推力的大小，通過(guò)空間機(jī)械臂的自由度與推進(jìn)器的結(jié)合，能夠調(diào)節(jié)推力的方向和作用點(diǎn)，通過(guò)推力的大小、方向和作用點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間機(jī)器人的機(jī)動(dòng)和靈活的運(yùn)動(dòng)推進(jìn)，從而提升了空間機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性和靈活性，為在空間中捕獲目標(biāo)提供良好的基礎(chǔ)。

下面通過(guò)空間機(jī)械臂8具有六個(gè)自由度舉例說(shuō)明：

以具有六個(gè)自由度的空間機(jī)械臂為例，具有六自由度的空間機(jī)械臂在解空間內(nèi)可以將安裝于其末端的推進(jìn)器以任意的姿態(tài)擺放在笛卡爾空間的任意位置，其中，解空間為六自由度空間機(jī)械臂所有解的集合，在該集合內(nèi)能夠找到滿足末端位姿需求的解。這樣，就為改變推進(jìn)器推力的作用點(diǎn)和方向提供了基礎(chǔ)。此外利用比例調(diào)節(jié)閥可以改變推力的大小。這樣就能實(shí)現(xiàn)對(duì)推力大小、方向和作用點(diǎn)的調(diào)節(jié)。

空間機(jī)械臂的擺動(dòng)滿足條件：

$H_q\stackrel{\·}{q}=0---\left(1\right)$

其中，H_q為由本體和空間機(jī)械臂組成的空間機(jī)器人的慣性矩陣在空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間的映射和體現(xiàn)，為空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間關(guān)節(jié)角速度變量的矢量表示。按公式(1)表述的原則擺動(dòng)，空間機(jī)械臂在調(diào)節(jié)推進(jìn)器推力位姿時(shí)產(chǎn)生的對(duì)本體的擾動(dòng)為零。

如圖2所示，在上述公式(1)約束解空間下，使得推進(jìn)器6推力方向沿本體需求推力^bf_h的方向，根據(jù)下述公式便可確定推進(jìn)器需要施加的推力f_h。

${{}^{b}f}_h={}^{b}X_h^T{f}_h---\left(2\right)$

其中，^bf_h為能夠?qū)崿F(xiàn)期望運(yùn)動(dòng)空間機(jī)器人需要受到的力，為力從推進(jìn)器變換到本體上的變換矩陣，f_h為推進(jìn)器施加在空間機(jī)械臂末端的推力。

至此，利用控制器對(duì)空間機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，以實(shí)現(xiàn)期望的運(yùn)動(dòng)q，同時(shí)控制器對(duì)推進(jìn)器的比例調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)期望的推力f_h，從而可實(shí)現(xiàn)期望的運(yùn)動(dòng)。

與六自由度機(jī)械臂類似，七自由度及以上自由度的機(jī)械臂對(duì)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)器擺動(dòng)任務(wù)來(lái)說(shuō)屬于冗余機(jī)械臂，可增加約束并采用上述方法實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)動(dòng)，沒有本質(zhì)區(qū)別。

本發(fā)明通過(guò)將推進(jìn)器設(shè)置在空間機(jī)械臂的末端，通過(guò)比例調(diào)節(jié)閥能夠控制推力的大小，通過(guò)空間機(jī)械臂的自由度與推進(jìn)器的結(jié)合，能夠調(diào)節(jié)推力的方向和作用點(diǎn)，通過(guò)推力的大小、方向和作用點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間機(jī)器人的機(jī)動(dòng)和靈活的運(yùn)動(dòng)推進(jìn)，從而提升了空間機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性和靈活性，為在空間中捕獲目標(biāo)提供良好的基礎(chǔ)。

以上所述的實(shí)施例只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實(shí)施方式，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。