CN112124641B - 空间着陆抓捕机器人 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种空间着陆抓捕机器人，包括：机器人本体；双关节脊柱机构组件，包括脊柱前段、脊柱关节和脊柱后段；所述脊柱前段与固定连接于所述机器人本体上，所述脊柱后段通过所述脊柱关节与所述脊柱前段连接，所述脊柱关节由两个电机分别驱动，以带动所述脊柱后段相对于所述脊柱前段转动和扭摆；至少四个着陆腿机构，包括髋关节、股骨组件、膝关节、胫骨组件和爪关节，所述髋关节设置于所述脊柱前段或所述脊柱后段上，所述股骨组件的一端与所述髋关节枢接，所述股骨组件另一端和所述胫骨组件的一端均枢接于所述膝关节，所述胫骨组件的另一端与所述爪关节枢接；抓捕机构，安装于所述爪关节上，抓捕组件能够张开和伸缩。

Description

空间着陆抓捕机器人

技术领域

本申请实施例涉及飞行器抓捕技术，涉及但不限于一种空间着陆抓捕机器人。

背景技术

卫星在轨发生故障或失效后将造成空间资产的巨大浪费，对其抓捕并实施维修或离轨等在轨服务操作，使故障卫星载荷任务能力得以延续，或释放重要轨道资源，可取得十分重要的经济效益和社会效益。对卫星的捕获是对其实施在轨服务操作的前提条件，而抓捕机器人的设计，则是卫星捕获的核心，是影响能否对卫星进行正常在轨服务操作的重要因素之一。

针对卫星的抓捕对接，目前国内外尚在研究中，并无相关技术可供参考。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种空间着陆抓捕机器人。

本申请提供一种空间着陆抓捕机器人，包括：

机器人本体，至少装设有深度相机模块、测距模块、探测模块、姿态控制模块、轨道控制模块、推进***、导航模块、通信单元、关节动作控制模块、着陆抓捕控制模块、供电单元、主控单元；所述姿态控制模块、所述轨道控制模块、所述导航模块、所述通信单元、所述关节动作控制模块、所述着陆抓捕控制模块均与所述主控单元电连接；

双关节脊柱机构组件，包括脊柱前段、脊柱关节和脊柱后段；所述脊柱前段固定连接于所述机器人本体上，所述脊柱后段通过所述脊柱关节与所述脊柱前段连接，所述脊柱关节由两个电机分别驱动，以带动所述脊柱后段相对于所述脊柱前段转动和扭摆；

至少四个着陆腿机构，至少两个着陆腿机构分设于所述脊柱前段的不同位置，以及至少两个着陆腿机构分设于所述脊柱后段的不同位置；所述着陆腿机构包括髋关节、股骨组件、膝关节、胫骨组件和爪关节，所述髋关节设置于所述脊柱前段或所述脊柱后段上，所述股骨组件的一端与所述髋关节枢接，所述股骨组件另一端和所述胫骨组件的一端均枢接于所述膝关节，所述胫骨组件的另一端与所述爪关节枢接；所述髋关节与第一驱动电机的动力输出端连接，所述髋关节在所述第一驱动电机的驱动下能运动，以驱动所述股骨组件运动；所述膝关节与第二驱动电机的动力输出端连接，所述膝关节在所述第二驱动电机的驱动下能运动，以驱动所述胫骨组件相对于所述股骨组件运动；

抓捕机构，安装于所述爪关节上；包括支撑组件、传动组件、推盘、滑动板、至少两个抓捕组件、弹簧及锁紧释放组件，所述传动组件及所述锁紧释放组件设置于所述支撑组件的支撑平台上，所述滑动板套设于所述支撑组件的支撑柱上，能沿所述支撑柱滑动；所述至少两个抓捕组件分设于所述滑动板周缘，并通过连杆结构分别与所述滑动板及所述支撑柱连接；弹簧套设于所述支撑柱上，并与抓捕组件的连杆结构一部分抵接，所述推盘连接于所述滑动板上，所述推盘及所述滑动板通过连杆与所述传动组件连接，所述传动组件驱动所述滑动板推动所述推盘压缩所述弹簧时，抓捕组件能够张开，所述滑动板推动所述推盘沿释放所述弹簧的反向运动时，抓捕组件能够收缩。

在一些实施例中，所述关节动作控制模块分别与所述脊柱关节的两个电机、所述第一驱动电机、所述第二驱动电机和所述传动组件分别电连接，用于根据待抓捕对象的形状、位姿，以及待抓捕对象与所述抓捕机构之间的位置相对关系，控制所述脊柱关节、所述髋关节和所述膝关节中至少之一调整所述抓捕机构与待抓捕对象之间的相对位置关系；

所述关节动作控制模块还控制所述传动组件调整所述抓捕机构的张开及收紧状态，实现对待抓捕对象的抓捕。

在一些实施例中，所述主控单元通过探测模块获取物体对象，基于所探测的物体对象调整深度相机模块和测距模块的位姿，对物体对象进行识别，确定是否为待抓捕对象；

基于深度相机模块获取待抓捕对象的形状及距离信息，基于测距模块获取待抓捕对象的位置信息；驱动推进***调整机器人本体与待抓捕对象之间的距离，基于关节动作控制模块驱动双关节脊柱机构组件、至少四个着陆腿机构以及抓捕机构实现对待抓捕对象的抓捕。

在一些实施例中，所述机器人还包括：

角度传感器，与所述主控单元电连接，设置于所述抓捕机构与所述爪关节之间的连接处，用于检测所述抓捕机构与所述爪关节之间的角度。

在一些实施例中，所述机器人还包括：

太阳电池阵，设置于所述机器人本体上，具有折叠结构，所述折叠结构与第三电机的驱动端连接，所述第三电机与所述主控单元连接，在所述第三电机的控制下，所述折叠结构能够伸展及收缩，从而所述太阳电池阵能够展开及收起；

所述太阳电池阵用于为供电单元提供工作电源，所述供电单元分别向深度相机模块、测距模块、探测模块、姿态控制模块、轨道控制模块、推进***、导航模块、通信单元、关节动作控制模块、着陆抓捕控制模块和主控单元提供工作电源。

发明效果：

本发明的星基增强***地面测试方法，直接从星基增强***(SBAS)地面数据处理中心服务器获取实时解算的增强信息，通过基带处理器将增强信息转换成中频信号，再通过上变频器将中频信号转换到全球导航***(GNSS)L频段信号，并与GNSS天线对天实收信号合路后一起发给GNSS/SBAS接收机，不需要GEO卫星转发器即可实时完成星基增强***(SBAS)终端定位性能测试。

因此，本发明与传统技术相比的有益效果：

本发明实施例提供了一种可对卫星通用结构表面着陆抓捕、释放分离的空间着陆抓捕机器人，在自带的测量***作用下对着陆目标进行探测和识别，寻找合适的着陆面，并进行飞行姿态的调整，使得到达某种合适的接触状态，触发爪刺微创刺入目标表面以实现着陆抓捕。在完成着陆抓捕后，能与目标脱开，实现与着陆目标释放分离。

本发明实施例的抓捕机器人无需提供合作的抓捕特征部位，适用于各类航天器，通用性强，适用范围广。

本发明实施例可进行重复的有效的着陆抓捕连接与释放分离，提高了对多种任务的适应性。

本发明实施例着陆腿机构具有三个自由度，双关节脊柱机构组件具有两自由度，能够灵活调整自身构型，在有足够着陆面积的着陆平面的情况下，采取直接对平面着陆附着的方式着陆抓捕。如果着陆平面法向凸起物体较高较多，没有足够平整的着陆面积，则可以采用棱或边角着陆的方式着陆抓捕，极大地提高了对着陆面的着陆适应性。

附图说明

图1为本发明实施例的一种适用于航天器通用结构表面的空间着陆抓捕机器人展开状态示意图；

图2为本发明实施例的一种适用于航天器通用结构表面的空间着陆抓捕机器人收拢状态示意图；

图3为本发明实施例提供的着陆腿机构示意图；

图4为本发明实施例提供的双关节脊柱机构组件示意图；

图5为本发明实施例提供的双关节脊柱机构组件中驱动脊柱后段相对脊柱前段转动和扭摆示意图；

图6为本发明实施例提供的微创爪式抓捕机构示意图；

图7为本发明实施例提供的空间着陆抓捕机器人采用棱或边角着陆方式对航天器通用结构表面着陆抓捕示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种适用于航天器通用结构表面的空间着陆抓捕机器人，适用于在轨对星表通用结构表面进行着陆、抓捕、释放，支持空间操控任务中服务飞行器对目标卫星的着陆抓捕连接与释放分离操作。图1为本发明实施例的一种适用于航天器通用结构表面的空间着陆抓捕机器人展开状态示意图，图2为本发明实施例的一种适用于航天器通用结构表面的空间着陆抓捕机器人收拢状态示意图，如图1、图2所示，本发明实施例的空间着陆抓捕机器人包括展开式太阳电池阵1、机器人本体2、着陆腿机构3、双关节脊柱机构组件4、微创爪式抓捕机构5。其中，展开式太阳电池阵1可以向机器人本体2上表面折叠收拢，在轨工作时展开，为空间着陆抓捕机器人供电。

机器人本体2是设备安装支撑和承力结构，可以用于安装相机模块、激光测距模块、探测信息处理模块、姿态控制模块、轨道控制模块、推进***、导航模块、通信单元、关节动作控制模块、着陆抓捕控制模块、供电单元、主控单元等功能模块。

本发明实施例的太阳电池阵1，设置于所述机器人本体2上，具有折叠结构，所述折叠结构与第三电机的驱动端连接，所述第三电机与所述主控单元连接，在所述第三电机的控制下，所述折叠结构能够伸展及收缩，从而所述太阳电池阵能够展开及收起；所述太阳电池阵1用于为供电单元提供工作电源，所述供电单元分别向深度相机模块、测距模块、探测模块、姿态控制模块、轨道控制模块、推进***、导航模块、通信单元、关节动作控制模块、着陆抓捕控制模块和主控单元提供工作电源。

本发明实施例的着陆腿机构3设置于双关节脊柱机构组件4上，图1、图2中示出了四套同构的着陆腿机构3，其中两套着陆腿机构3设置于双关节脊柱机构组件4的前侧，另外两套着陆腿机构3可设置于双关节脊柱机构组件4的后侧。需要说明是的，设置四套同构的着陆腿机构3是基于机器人本体2的体积及着陆腿机构3本身的体积所考虑的，本发明实施例并不限定设置着陆腿机构3的具体数量，可根据需要设置具体的数量，也可根据需要安排着陆腿机构3的排布方式。

图3为本发明实施例提供的着陆腿机构示意图，如图3所示，四套着陆腿机构3同构，每套着陆腿机构3包括髋关节6、股骨组件7、膝关节8、胫骨组件9和爪关节10等，所述髋关节6设置于所述脊柱前段11或所述脊柱后段13上，所述股骨组件7的一端与所述髋关节6枢接，所述股骨组件7另一端和所述胫骨组件9的一端均枢接于所述膝关节8，所述胫骨组件7的另一端与所述爪关节10枢接；所述髋关节6与第一驱动电机的动力输出端连接，所述髋关节6在所述第一驱动电机的驱动下能运动，以驱动所述股骨组件7运动；所述膝关节8与第二驱动电机的动力输出端连接，所述膝关节8在所述第二驱动电机的驱动下能运动，以驱动所述胫骨组件9相对于所述股骨组件7运动。如图3所示，本发明实施例中，其中髋关节6和膝关节8是主动关节，爪关节10为被动关节，主动关节具备一定的关节柔性，实现主动可控缓冲，被动关节通过扭簧适应构型变化，实现被动缓冲，每套着陆腿机构3由两个电机分别驱动两个主动关节，主动关节主动缓冲，被动关节被动缓冲，被动关节处设置角度传感器，对整个缓冲过程实现角度测量。

本发明实施例中，髋关节6、股骨组件7、膝关节8、胫骨组件9和爪关节10的实现结构，可参照人体的对应部位结构而设计，通过电机对髋关节6及膝关节8的驱动，可以实现从图1的伸展状态到图2收缩状态之间的运动变换，从而可以实现着陆腿机构的伸展及收缩，从而可以完成对待抓捕对象的抓捕。

图4为本发明实施例提供的双关节脊柱机构组件示意图，图5为本发明实施例提供的双关节脊柱机构组件中驱动脊柱后段相对脊柱前段转动和扭摆示意图，如图4、图5所示，本发明实施例的双关节脊柱机构组件4包括脊柱前段11、两自由度脊柱关节12和脊柱后段13三部分。脊柱前段11与机器人本体2为一体固连，脊柱后段13通过两自由度脊柱关节12(能够弯曲和扭转)与脊柱前段11连接，脊柱关节12由两个电机分别驱动，驱动脊柱后段13相对脊柱前段11转动和扭摆。如图4、图5所示，脊柱前段11的上部分板件固定于机器人本体2的下部，脊柱前段11的下部分板件用于安装着陆腿机构3的髋关节6，对应的，陆腿机构3的髋关节6也安装于脊柱后段13上。

图6为本发明实施例提供的微创爪式抓捕机构示意图，如图6所示，本发明所示的四套微创爪式抓捕机构5为同构结构，每套微创爪式抓捕机构5包括支撑组件14、传动组件15、推盘16、滑动板17、抓捕组件18、弹簧19及锁紧释放组件20等，所述传动组件15及所述锁紧释放组件20设置于所述支撑组件14的支撑平台上，所述滑动板17套设于所述支撑组件14的支撑柱上，能沿所述支撑柱滑动；抓捕组件18分设于所述滑动板周缘，并通过连杆结构分别与所述滑动板17及所述支撑柱连接；图6中示出的连接杆结构为五连杆结构，通过该五连杆结构，能够实现抓捕组件18的抓捕钩子能够张开及收拢，以便对待抓捕对象进行爪刺，使其完全被抓捕组件18固定住。弹簧19套设于所述支撑柱上，并与抓捕组件18的连杆结构一部分抵接，所述推盘16连接于所述滑动板17上，所述推盘16及所述滑动板17通过连杆与所述传动组件15连接，所述传动组件15驱动所述滑动板17推动所述推盘16压缩所述弹簧19时，抓捕组件18的爪刺处于张开状态，通过所述锁紧释放组件20对所述传动组件15的传动锁定，可以使抓捕组件18维持当前的状态；而当所述滑动板17推动所述推盘16沿释放所述弹簧19的反向运动时，抓捕组件18能够收缩，而抓捕钩子能够钩入待抓捕对象中。当本发明实施例提供的微创爪式抓捕机构着陆到航天器通用表面时，触发抓捕组件18的爪刺微创刺入目标表面以实现着陆抓捕。并且能在传动组件15中的电机作用下，使抓捕组件18的爪刺向外张开，实现微创爪式抓捕机构5与着陆抓捕目标的脱开。

本发明实施例的抓捕机构5可参照机械抓结构，其实现方式与工业用机械抓结构类似。

本发明实施例提供的一种适用于航天器通用结构表面的着陆抓捕机器人，可实现对航天器表面大部分面积的铝蜂窝板、边或棱的着陆抓捕连接与释放分离。本发明实施例提出的空间着陆抓捕机器人在机器人本体2中自带的测量***作用下对着陆目标进行探测和识别，寻找合适的着陆面，并依靠机器人本体2中的推进***、着陆腿机构3的各个关节和双关节脊柱机构组件4的各个关节进行飞行姿态的调整。使得达到某种合适的着陆初始状态，并继续调整姿态使得到达某种合适的接触状态，此时接触着陆目标的微创爪式抓捕机构5中的触发抓捕组件18的爪刺被触发，触发抓捕组件18的爪刺微创刺入目标表面以实现着陆抓捕。微创爪式抓捕机构5的触发面与目标着陆面具备一定的角度容差，调整姿态使得微创爪式抓捕机构5的触发面与着陆面碰撞，两面夹角在角度容差内均可触发。在完成着陆抓捕后，微创爪式抓捕机构5在传动组件15中的电机作用下，使抓捕组件18的爪刺向外张开，实现微创爪式抓捕机构5与着陆抓捕目标的脱开，当四套微创爪式抓捕机构5均匀着陆目标脱开后，着陆抓捕机器人与着陆目标释放分离。

本发明提出的空间着陆抓捕机器人通过对着陆目标进行探测和识别，寻找合适的着陆面，有足够着陆面积的着陆平面的情况下，采取直接对平面着陆附着的方式着陆抓捕。如果平面法向凸起物体较高较多，没有足够平整的着陆面积，则采用棱或边角着陆的方式着陆抓捕。如图7所示，本发明实施例提供的空间着陆抓捕机器人采用棱或边角着陆方式对航天器通用结构表面着陆抓捕示意图。

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本发明的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

以上所述，仅为本发明的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种空间着陆抓捕机器人，其特征在于，所述机器人包括：

机器人本体，至少装设有深度相机模块、测距模块、探测模块、姿态控制模块、轨道控制模块、推进***、导航模块、通信单元、关节动作控制模块、着陆抓捕控制模块、供电单元、主控单元；所述姿态控制模块、所述轨道控制模块、所述导航模块、所述通信单元、所述关节动作控制模块、所述着陆抓捕控制模块均与所述主控单元电连接；

双关节脊柱机构组件，包括脊柱前段、脊柱关节和脊柱后段；所述脊柱前段固定连接于所述机器人本体上，所述脊柱后段通过所述脊柱关节与所述脊柱前段连接，所述脊柱关节由两个电机分别驱动，以带动所述脊柱后段相对于所述脊柱前段转动和扭摆；

至少四个着陆腿机构，至少两个着陆腿机构分设于所述脊柱前段的不同位置，以及至少两个着陆腿机构分设于所述脊柱后段的不同位置；所述着陆腿机构包括髋关节、股骨组件、膝关节、胫骨组件和爪关节，所述髋关节设置于所述脊柱前段或所述脊柱后段上，所述股骨组件的一端与所述髋关节枢接，所述股骨组件另一端和所述胫骨组件的一端均枢接于所述膝关节，所述胫骨组件的另一端与所述爪关节枢接；所述髋关节与第一驱动电机的动力输出端连接，所述髋关节在所述第一驱动电机的驱动下能运动，以驱动所述股骨组件运动；所述膝关节与第二驱动电机的动力输出端连接，所述膝关节在所述第二驱动电机的驱动下能运动，以驱动所述胫骨组件相对于所述股骨组件运动；

抓捕机构，安装于所述爪关节上；包括支撑组件、传动组件、推盘、滑动板、至少两个抓捕组件、弹簧及锁紧释放组件，所述传动组件及所述锁紧释放组件设置于所述支撑组件的支撑平台上，所述滑动板套设于所述支撑组件的支撑柱上，能沿所述支撑柱滑动；所述至少两个抓捕组件分设于所述滑动板周缘，并通过连杆结构分别与所述滑动板及所述支撑柱连接；弹簧套设于所述支撑柱上，并与抓捕组件的连杆结构一部分抵接，所述推盘连接于所述滑动板上，所述推盘及所述滑动板通过连杆与所述传动组件连接，所述传动组件驱动所述滑动板推动所述推盘压缩所述弹簧时，抓捕组件能够张开，所述滑动板推动所述推盘沿释放所述弹簧的反向运动时，抓捕组件能够收缩。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述关节动作控制模块分别与所述脊柱关节的两个电机、所述第一驱动电机、所述第二驱动电机和所述传动组件分别电连接，用于根据待抓捕对象的形状、位姿，以及待抓捕对象与所述抓捕机构之间的位置相对关系，控制所述脊柱关节、所述髋关节和所述膝关节中至少之一调整所述抓捕机构与待抓捕对象之间的相对位置关系；

所述关节动作控制模块还控制所述传动组件调整所述抓捕机构的张开及收紧状态，实现对待抓捕对象的抓捕。

3.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述主控单元通过探测模块获取物体对象，基于所探测的物体对象调整深度相机模块和测距模块的位姿，对物体对象进行识别，确定是否为待抓捕对象；

基于深度相机模块获取待抓捕对象的形状及距离信息，基于测距模块获取待抓捕对象的位置信息；驱动推进***调整机器人本体与待抓捕对象之间的距离，基于关节动作控制模块驱动双关节脊柱机构组件、至少四个着陆腿机构以及抓捕机构实现对待抓捕对象的抓捕。

4.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述机器人还包括：

角度传感器，与所述主控单元电连接，设置于所述抓捕机构与所述爪关节之间的连接处，用于检测所述抓捕机构与所述爪关节之间的角度。

5.根据权利要求1至4任一项所述的机器人，其特征在于，所述机器人还包括：

太阳电池阵，设置于所述机器人本体上，具有折叠结构，所述折叠结构与第三电机的驱动端连接，所述第三电机与所述主控单元连接，在所述第三电机的控制下，所述折叠结构能够伸展及收缩，从而所述太阳电池阵能够展开及收起；

所述太阳电池阵用于为供电单元提供工作电源，所述供电单元分别向深度相机模块、测距模块、探测模块、姿态控制模块、轨道控制模块、推进***、导航模块、通信单元、关节动作控制模块、着陆抓捕控制模块和主控单元提供工作电源。

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