本實用新型涉及空間機器人領(lǐng)域，尤其涉及一種用于空間機器人推進的裝置。

背景技術(shù)：

空間機器人是用于代替人類在太空中進行科學試驗、出艙操作、空間探測等活動的特種機器人?？臻g機器人代替宇航員出艙活動可以大幅度降低風險和成本。

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

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

要想實現(xiàn)空間機器人對目標進行有效捕獲，需要空間機器人具有較強的機動性和靈活性，即能夠以機動和靈活的推進能力對目標實施追擊，從而實現(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器配備的限制等原因，空間機器人機動和靈活飛行控制是制約目標捕獲能力的關(guān)鍵因素，并為空間機器人的設計提出了較大的挑戰(zhàn)。

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

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型解決的技術(shù)問題是：相比于現(xiàn)有技術(shù)，提供了一種用于空間機器人推進的裝置，控制了推力的大小、方向和作用點，滿足了機動和靈活飛行控制的需要。

本實用新型目的通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：一種用于空間機器人推進的裝置，該裝置包括：本體、儲氣罐、減壓閥、穩(wěn)壓氣容、比例控制閥、推進器、控制器和空間機械臂；其中，所述本體與所述空間機械臂相連接；所述儲氣罐、所述減壓閥和所述穩(wěn)壓氣容設置于所述本體內(nèi)，所述儲氣罐、所述減壓閥和所述穩(wěn)壓氣容依次通過氣管相連接；所述比例控制閥設置于所述空間機械臂內(nèi)，所述控制器設置于所述本體內(nèi)，所述比例控制閥的一端通過氣管與所述穩(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；所述推進器設置于所述空間機械臂的末端，所述推進器通過氣管與所述比例控制閥的另一端相連接；所述儲氣罐用于放置壓縮氣體，壓縮氣體通過氣管經(jīng)過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)輸送給所述推進器的氣流量，所述推進器根據(jù)所述氣流量的大小實現(xiàn)其推力大小的調(diào)節(jié)。

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

本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：

本實用新型通過將推進器設置在空間機械臂的末端，通過比例調(diào)節(jié)閥能夠控制推力的大小，通過空間機械臂的自由度與推進器的結(jié)合，能夠調(diào)節(jié)推力的方向和作用點，通過推力的大小、方向和作用點實現(xiàn)對空間機器人的機動和靈活的運動推進，從而提升了空間機器人的機動性和靈活性，為在空間中捕獲目標提供良好的基礎(chǔ)。

附圖說明

圖1示出了本實用新型的實施例提供的用于空間機器人推進的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出了本實用新型的實施例提供的機械臂推進力與本體需要推進力之間的關(guān)系的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步詳細說明：

圖1示出了本實用新型的實施例提供的用于空間機器人推進的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該裝置包括本體1、儲氣罐2、減壓閥3、穩(wěn)壓氣容4、比例控制閥5、推進器6、控制器7和空間機械臂8。其中，

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

儲氣罐2、減壓閥3、穩(wěn)壓氣容4和控制器7設置于本體1內(nèi)，儲氣罐2、減壓閥3和穩(wěn)壓氣容4依次通過氣管相連接。具體實施時，儲氣罐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設置于空間機械臂8內(nèi)，比例控制閥5的一端通過氣管與穩(wěn)壓氣容4相連接，控制器7與比例控制閥5相連接。具體實施時，控制器7通過電路與比例控制閥5的引腳相連接。

推進器6設置于空間機械臂8的末端，推進器6通過氣管與比例控制閥5的另一端相連接。具體實施時，推進器6與空間機械臂8的末端可以螺紋連接。

工作時，儲氣罐2用于放置壓縮氣體，壓縮氣體通過氣管到達減壓閥3，由于壓縮氣體的壓力很大，通過減壓閥3的減壓作用后壓縮氣體減壓，減壓后的氣體通過氣管到達穩(wěn)壓氣容4，由于減壓后的氣體壓力不穩(wěn)定，需要進行穩(wěn)壓，穩(wěn)壓氣容4對減壓后的氣體進行穩(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，通過比例控制閥5的開合程度可調(diào)節(jié)輸送給推進器6的氣流量，推進器6根據(jù)該氣流量的大小實現(xiàn)其推力大小的調(diào)節(jié)。

空間機械臂8具有六個及以上的自由度，能夠調(diào)節(jié)推進器6的推力的作用點和方向。

本實施例通過將推進器設置在空間機械臂的末端，通過比例調(diào)節(jié)閥能夠控制推力的大小，通過空間機械臂的自由度與推進器的結(jié)合，能夠調(diào)節(jié)推力的方向和作用點，通過推力的大小、方向和作用點實現(xiàn)對空間機器人的機動和靈活的運動推進，從而提升了空間機器人的機動性和靈活性，為在空間中捕獲目標提供良好的基礎(chǔ)。

下面通過空間機械臂8具有六個自由度舉例說明：

以具有六個自由度的空間機械臂為例，具有六自由度的空間機械臂在解空間內(nèi)可以將安裝于其末端的推進器以任意的姿態(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，就為改變推進器推力的作用點和方向提供了基礎(chǔ)。此外利用比例調(diào)節(jié)閥可以改變推力的大小。這樣就能實現(xiàn)對推力大小、方向和作用點的調(diào)節(jié)。

空間機械臂的擺動滿足條件：

其中，H_q為由本體和空間機械臂組成的空間機器人的慣性矩陣在空間機械臂關(guān)節(jié)空間的映射和體現(xiàn)，為空間機械臂關(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，空間機械臂在調(diào)節(jié)推進器推力位姿時產(chǎn)生的對本體的擾動為零。

如圖2所示，在上述公式(1)約束解空間下，使得推進器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器需要施加的推力f_h。

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

至此，利用控制器對空間機械臂進行運動控制，以實現(xiàn)期望的運動q，同時控制器對推進器的比例調(diào)節(jié)閥進行控制，以實現(xiàn)期望的推力f_h，從而可實現(xiàn)期望的運動。

與六自由度機械臂類似，七自由度及以上自由度的機械臂對實現(xiàn)推進器擺動任務來說屬于冗余機械臂，可增加約束并采用上述方法實現(xiàn)上述運動，沒有本質(zhì)區(qū)別。

本實用新型通過將推進器設置在空間機械臂的末端，通過比例調(diào)節(jié)閥能夠控制推力的大小，通過空間機械臂的自由度與推進器的結(jié)合，能夠調(diào)節(jié)推力的方向和作用點，通過推力的大小、方向和作用點實現(xiàn)對空間機器人的機動和靈活的運動推進，從而提升了空間機器人的機動性和靈活性，為在空間中捕獲目標提供良好的基礎(chǔ)。

以上所述的實施例只是本實用新型較優(yōu)選的具體實施方式，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實用新型技術(shù)方案范圍內(nèi)進行的通常變化和替換都應包含在本實用新型的保護范圍內(nèi)。