[发明专利]一种使用空间机器人的空间桁架在轨装配系统及方法

说明书

本发明公开了一种使用空间机器人的空间桁架在轨装配系统及方法，包括多功能补给舱，以及设置于多功能补给舱内的初始轨道，初始轨道上安装有四个空间装配机器人；空间装配机器人由三维巡游装置和小卫星组成，小卫星安装于三维巡游装置上；三维巡游装置安装在初始轨道上，能够沿初始轨道轴向移动或周向转动；每个三维巡游装置均携带有两根备用杆，其中一根备用杆为首先安装的杆，其端部安装有连接器；本发明利用变构型机器人进行空间桁架在轨装配的方案，有效地解决了宇航员手动装配带来的安全性低、效率低和资源消耗高等问题；为在轨装配桁架机构设计的装配机器人体积小、重量轻，一次发射可携带多个，符合未来多智能体航天器发展趋势。

【技术领域】

本发明属于机器人空间操作技术领域，涉及一种使用空间机器人的空间桁架在轨装配系统及方法。

【背景技术】

针对空间桁架在轨装配方式，现有研究主要分为两种：第一种是宇航员手动装配；第二种是使用不同类型的空间机器人遥操作或自主装配。对于第一种方式，20世纪70年代到90年代早期，美国兰利研究中心进行了一系列大型空间结构的宇航员手动装配研究，已经被证明是一种有效的构建大型空间结构的方法。对于第二种方式，美国兰利研究中心的科研人员开发了一套遥控机器人空间桁架结构装配系统来装配一个由12块面板和102根支柱组成的直径8米的桁架结构。除了空间遥控机器人之外，一些研究人员开始致力于研究完全自主的空间机器人系统。Ueno开发了一种自由飞行机器人和特殊设计的桁架装配工具用来试验在轨装配任务，它具有无约束的移动能力。卡内基梅隆大学设计的Skyworker是一个空间结构附属移动机械臂，它可以在几公里范围里轻松自如地运输和操纵从公斤级到吨级的载荷。NASA喷气推进实验室设计了一种小型、灵活的六足行走机器人LEMUR，用来在空间结构上狭小区域里执行复杂的、细微的装配、检查和维护任务。NASA约翰逊航天中心开发了一种人形空间机器人Robonaut，目的是模仿空间行走宇航员的体积、运动范围、力量和持久力，它可以直接使用为宇航员设计的构建工具。F.Nigl和S.Li等人开发了一种可以三维巡游的桁架搭建机器人，它能到达桁架任意位置拆卸和安装杆件，并设计了独特的杆件和接头。

以上针对空间桁架在轨装配的方式主要存在以下三个问题。首先，当空间结构非常庞大，拥有成千上万个部件和装配步骤的时候，宇航员手动装配就变得不切实际。而且，宇航员舱外活动存在着一定的危险性，所需费用也较高。其次，现有的遥操作装配机器人系统体积庞大灵活性差，只能在空间站平台上使用。最后，现有的自主装配机器人仅能单独实现装配/拆卸杆件或运输杆件，无法同时完成这两项任务。而且现有的自主机器人无空间推进能力，无法对装配完成的桁架机构进行高精度的姿态控制和小范围轨道机动。

为了能更加高效、安全、灵活地完成空间桁架的装配任务，且能对桁架结构进行高精度的姿态控制和小范围轨道机动，需要一种新的自主机器人装配方法，能在装配杆件的同时运输和储存备用杆，且自带空间推进器，实现空间桁架协同装配和分布式控制。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种使用空间机器人的空间桁架在轨装配系统及方法，设计了变构型空间装配机器人、多功能补给舱和连接器与主被动杆，实现空间桁架在轨搭建及其姿轨联合控制需求。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种使用空间机器人的空间桁架在轨装配系统，包括多功能补给舱，以及设置于多功能补给舱内的初始轨道，初始轨道上安装有四个空间装配机器人；空间装配机器人由三维巡游装置和小卫星组成，小卫星安装于三维巡游装置上；三维巡游装置安装在初始轨道上，能够沿初始轨道轴向移动或周向转动；每个三维巡游装置均携带有两根备用杆，其中一根备用杆为首先安装的杆，其端部安装有连接器；定义三维坐标系，以小卫星的中心为原点，初始轨道的轴向为y轴，竖直向上的方向为z轴，垂直于y轴和z轴向纸面外且满足右手定则的方向为x轴。

本发明进一步的改进在于：