一种用于空间桁架在轨组装的轮式机器人及其控制方法技术

本发明专利技术针对空间在轨操作与在轨组装，发明专利技术了一种用于空间在轨组装的变构型轮式机器人。该机器人可以在桁架上进行自主运行或者通过遥控进行远距离操作，通过事先制定的特殊的安装和移动策略，可以在桁架上进行精确的移动以及安装，可以实现大范围空间桁架的组装。本发明专利技术通过机器人各种功能子单元的排列与组合，可以实现在空间桁架上的移动与杆件的安装和拆卸，继而实现使用机器人安装和拆装空间正六面体桁架结构。

Wheeled robot for assembling space truss in orbit and control method thereof

The invention relates to an allosteric wheeled robot for space orbiting assembly for space orbiting operation and on orbit assembly. The robot can operate independently on the truss or for remote operation by remote control, through the pre established special installation and mobile strategy, can accurately move and arranged on the truss assembly, can achieve a wide range of space truss. Through the arrangement and combination of various functional sub unit robot, can realize the installation and removal of mobile and bar in the space truss, and then realize the robot mounting and dismounting a cube space truss structure.

【技术实现步骤摘要】
一种用于空间桁架在轨组装的轮式机器人及其控制方法
本专利技术涉及基于空间在轨操作与在轨组装技术，具体为一种用于空间桁架在轨组装的轮式机器人及其控制方法。
技术介绍
按照是否有人直接参与在轨组装，可以将其大体分为“有人在轨组装”和“无人在轨组装”两种类型。(1)有人在轨组装的现有技术有人在轨组装即通过宇航员对一系列大型空间结构进行手动装配。美国在这方面具有先导性的经验并进行了一系列探索。1973年，美国成功对天空实验室实现了在轨模块的更换和维护等在轨操作，首次成功验证在轨组装的可行性。1990年4月哈勃空间望远镜搭载“发现号”航天飞机发射升空，此后NASA和ESA前后对其进行了共计5次大规模的在轨维护工作，航天员在舱外为其更换、添加模块，有效延长了哈勃望远镜的使用寿命。有人在轨组装技术通过上面的应用已经被证明是一种在轨装配空间桁架机构的有效方法，由于有人的直接参与，所以任务体现出了很高的灵活性与智能性，能够对实际操作中出现但事先未进行考虑的问题进行很好的解决。但是随之而来，这种方法的局限性也就暴露了出来：首先，面对复杂的空间环境，航天员在舱外的操作活动会对其安全构成极大的威胁，而且在这种情况下，航天员很难承受较重的工作负荷，所以这种方法面对庞大复杂的空间结构时，也面临着操作的不可实施性；此外，从成本方面考虑，航天员直接参与到在轨组装中，会极大提高在轨组装的成本。从上面几个方面来考虑，有人在轨组装需要找到更有效，更安全的替代方法。(2)无人在轨组装现有技术无人在轨组装是指借助空间机器人、机械臂等装置通过地面遥控或者自主操作进行的在轨组装。早在上世纪90年代，美国开始重点着手于自主性较高的空间在轨组装试验的研究，例如NASA的Langley研究中心开始研制空间组装的遥操作系统，并成功搭建了图1中的空间结构。而这些试验中，“轨道快车(OrbitalExpress)”计划具有较强的代表性。它于1999年11月提出，主要由目标卫星NEXTSat与服务卫星ASTRO两颗卫星共同组成。其中，服务星安装有机械臂等进行空间组装、在轨服务的部分，而目标星则是对失效卫星进行模拟。此试验可以实现对目标星的捕获与对接、模块替换等操作。除了上面提到的空间操控机器人之外，还有很多研究机构开始进行自主机器人的研究。例如CMU的SkyWorker，可以进行大范围高载荷的空间操作；NASA的约翰逊航天中心也开发了一种人形的空间机器人Robonaut，目的是为了模拟宇航员进行操作；NASA的喷气推进实验室的LEMUR是一种小型六足机器人，基于其体积小的优点，可以进行狭小区域的精密装配与日常检查、维护的任务。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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有在轨组装成本高、自主性低等问题，提供一种用于空间桁架在轨组装的轮式机器人及其控制方法。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种用于空间桁架在轨组装的轮式机器人，包括电源模块、控制器、执行器及传感器；电源模块，将12V锂电池的电压转化为各个模块所需要的5V、3.3V以及15V电压；单片机，通过传感器返回的信号进行工况的判断，并发送信号给执行器，使得执行器能够输出期望的运动；传感器，包括摄像头以及红外传感器，用于检测和测量外界信息，并将信息返回给单片机进行处理，让单片机知道现在所处的环境而给出相应的指令；执行器包括前轮部分和后轮部分，以及连接前轮部分和后轮部分的转向变形机构；前轮部分包括两组用于控制前轮夹持或离开桁架的前轮执行机构，后轮部分包括至少两组用于控制后轮夹持或离开桁架的后轮执行机构；前轮部分和后轮部分能够在转向变形机构的控制下变形为夹持桁架运行的移动机器人或在地面行驶的四轮车。本专利技术进一步的改进在于：前轮执行机构包括第一舵机、第二舵机、第一电机以及第二电机；第一舵机和第二舵机安装于前安装架两侧，第一舵机和第一电机通过第一舵盘相连，第一舵机通过第一舵盘带动第一电机移动；第一电机的输出端连接一个前轮；第二舵机和第二电机通过第二舵盘相连，第二舵机通过第二舵盘带动第二电机移动；第二电机的输出端连接另一个前轮。后轮执行机构包括第三舵机、第四舵机、第三电机以及第四电机；第三舵机和第四舵机安装于后安装架两侧，第三舵机和第三电机通过第三舵盘相连，第三舵机通过第三舵盘带动第三电机移动；第三电机的输出端连接一个后轮；第四舵机和第四电机通过第四舵盘相连，第四舵机通过第四舵盘带动第四电机移动；第四电机的输出端连接另一个后轮。第五舵机、第六舵机以及第七舵机；第五舵机与前安装架通过第一舵机支架及若干连杆相连；第五舵机与第六舵机通过若干连杆、第二舵机支架及第三舵机支架相连，第六舵机与第七舵机通过第五舵盘和第四舵机支架相连；第七舵机与后安装架通过舵机摇臂、若干连杆、第五舵机支架及第六舵机支架相连。前安装架、后安装架以及第六舵机的底部均设置有起导向作用的导向块，机器人在桁架上运动时，三个导向块均套设于桁架上。连杆采用4cm、5cm或8cm的铜柱。一种用于空间桁架在轨组装的轮式机器人的控制方法：直线移动时：控制器控制第一舵机、第二舵机、第三舵机和第四舵机分别执行夹紧的动作，使机器人的两个前轮和两个后轮分别加紧桁架，并在桁架上的姿态保持不变，然后通过控制第一电机、第二电机、第三电机和第四电机的转动来带动两个前轮和两个后轮转动，进而控制机器人在桁架上的前后移动；转弯时：首先第三舵机和第四舵机松开，然后使用第七舵机将前部向上抬起90°，然后使用第一电机和第二电机推动机器人继续向前移动，移动到转弯标志位以后，红外模块将这个信号检测到并传递给控制器，控制器控制机器人进行转弯动作；转弯动作的执行过程为在标志位控制第一电机和第二电机停止运行，机器人停在固定位置，然后第六舵机带动前部沿顺时针方向转动90°，接着第七舵机将前部向下转动90°，然后使用第三舵机和第四舵机将前部夹紧在桁架上，再松开第一舵机和第二舵机，然后第四舵机向上将后部抬升90°，然后第六舵机向逆时针方向转动90°，接着使用第三电机和第四电机带动机器人向前移动直到下一个标志位，然后控制第五舵机将后部向下转动90°，接着将第一舵机和第二舵机夹紧；拆卸桁架时：机器人移动到拆卸桁架的标志点，将第三舵机和第四舵机松开并使用第七舵机将前部抬升90°，然后用第一电机和第二电机推动机器人向前移动，直到机器人移动到桁架拆卸的位置，接着使用第三舵机和第四舵机将桁架夹紧，并使用第三电机和第四电机转动抬升桁架要拆卸的杆件，完成桁架的拆卸；安装桁架时：机器人夹持要安装的杆件移动至安装位置，停止第一电机和第二电机的运行，运行第三电机和第四电机将桁架进行插入安装位置，将第三舵机和第四舵机松开，然后通过按照相反顺序执行抬头动作；变形地面车时：第七舵机转动180°，然后第一舵机、第二舵机以及第三舵机、第四舵机分别向外侧旋转10°，使得机器人即变形为地面四轮车；通过WIFI模块将机器人摄像头拍到的图像发送给手机端APP，通过APP查看机器人所看到的实时图像，并通过客户端发送“前”、“后”、“顺时针旋转”或“逆时针旋转”的指令传输到机器人来控制四轮车的运动。与现本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于空间桁架在轨组装的轮式机器人，其特征在于，包括电源模块、控制器、执行器及传感器；电源模块，将12V锂电池的电压转化为各个模块所需要的5V、3.3V以及15V电压；单片机，通过传感器返回的信号进行工况的判断，并发送信号给执行器，使得执行器能够输出期望的运动；传感器，包括摄像头以及红外传感器，用于检测和测量外界信息，并将信息返回给单片机进行处理，让单片机知道现在所处的环境而给出相应的指令；执行器包括前轮部分和后轮部分，以及连接前轮部分和后轮部分的转向变形机构；前轮部分包括两组用于控制前轮夹持或离开桁架的前轮执行机构，后轮部分包括至少两组用于控制后轮夹持或离开桁架的后轮执行机构；前轮部分和后轮部分能够在转向变形机构的控制下变形为夹持桁架运行的移动机器人或在地面行驶的四轮车。

【技术特征摘要】
1.一种用于空间桁架在轨组装的轮式机器人，其特征在于，包括电源模块、控制器、执行器及传感器；电源模块，将12V锂电池的电压转化为各个模块所需要的5V、3.3V以及15V电压；单片机，通过传感器返回的信号进行工况的判断，并发送信号给执行器，使得执行器能够输出期望的运动；传感器，包括摄像头以及红外传感器，用于检测和测量外界信息，并将信息返回给单片机进行处理，让单片机知道现在所处的环境而给出相应的指令；执行器包括前轮部分和后轮部分，以及连接前轮部分和后轮部分的转向变形机构；前轮部分包括两组用于控制前轮夹持或离开桁架的前轮执行机构，后轮部分包括至少两组用于控制后轮夹持或离开桁架的后轮执行机构；前轮部分和后轮部分能够在转向变形机构的控制下变形为夹持桁架运行的移动机器人或在地面行驶的四轮车。2.根据权利要求1所述的用于空间桁架在轨组装的轮式机器人，其特征在于，前轮执行机构包括第一舵机(2)、第二舵机(4)、第一电机(1)以及第二电机(3)；第一舵机(2)和第二舵机(4)安装于前安装架两侧，第一舵机(2)和第一电机(1)通过第一舵盘相连，第一舵机(2)通过第一舵盘带动第一电机(1)移动；第一电机(1)的输出端连接一个前轮；第二舵机(4)和第二电机(3)通过第二舵盘相连，第二舵机(4)通过第二舵盘带动第二电机(3)移动；第二电机(3)的输出端连接另一个前轮。3.根据权利要求2所述的用于空间桁架在轨组装的轮式机器人，其特征在于，后轮执行机构包括第三舵机(6)、第四舵机(8)、第三电机(5)以及第四电机(7)；第三舵机(6)和第四舵机(8)安装于后安装架两侧，第三舵机(6)和第三电机(5)通过第三舵盘相连，第三舵机(6)通过第三舵盘带动第三电机(5)移动；第三电机(5)的输出端连接一个后轮；第四舵机(8)和第四电机(7)通过第四舵盘相连，第四舵机(8)通过第四舵盘带动第四电机(7)移动；第四电机(7)的输出端连接另一个后轮。4.根据权利要求3所述的用于空间桁架在轨组装的轮式机器人，其特征在于，第五舵机(9)、第六舵机(10)以及第七舵机(11)；第五舵机(9)与前安装架通过第一舵机支架及若干连杆相连；第五舵机(9)与第六舵机(10)通过若干连杆、第二舵机支架及第三舵机支架相连，第六舵机(10)与第七舵机(11)通过第五舵盘和第四舵机支架相连；第七舵机(11)与后安装架通过舵机摇臂、若干连杆、第五舵机支架及第六舵机支架相连。5.根据权利要求4所述的用于空间桁架在轨组装的轮式机器人，其特征在于，前安装架、后安装架以及第六舵机(10)的底部均设置有起导向作用的导向块，机器人在桁架上运动时，三个导向...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗建军，吴珂，王明明，马卫华，袁建平，朱战霞，徐晨，闫宇申，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61