[发明专利]一种模块化可重构多臂航天器及其重构方法

说明书

本发明提出一种模块化可重构多臂航天器及其重构方法。所述多臂航天器采用模块化设计，其基本构型为单臂构型，所述多臂航天器基本构型包括中心体模块、机械臂模块和末端执行器模块；中心体模块承担数据处理、供能和通信功能；机械臂模块负责末端定位定姿功能；末端执行器模块负责具体操作功能；模块间通过通用机电接口连接，实现模块在轨快速连接。所述多臂航天器及其重构方法能够胜任多样化的在轨服务任务，包括在轨制造、在轨装配、在轨搬运、在轨维护等，并具备后期在轨扩展升级能力，以及在轨可重构，适应多变环境。

技术领域

本发明属于航天器在轨服务技术领域，特别是涉及一种模块化可重构多臂航天器及其重构方法。

背景技术

随着空间技术的不断发展，动态非合作目标抓捕、大型空间设施建设等航天任务对服务航天器提出了更高的要求。现有服务航天器大多通过一个或多个机械臂对目标进行操作。例如CN108908291B提出了一种在轨维修多臂空间机器人，包括抓捕机械臂和操作机械臂。其中，抓捕机械臂为七自由度机械臂，用于捕获目标航天器和解锁维修机械臂；维修机械臂为两条多自由度机械臂，用于实施修理任务。该方案通过抓捕机械臂调整与目标间的相对位置。CN210942316U提出了一种面向空间维修作业的机器人，包含空间操作机械臂、滚柱丝杠、直线导轨和航天器本体。其中，机械臂安装在直线导轨的滑块上，通过滚柱丝杠驱动其进行直线运动，避免了传统航天器通过推力器调整位置、位置精度不高的问题。上述方案的任务类型严重受限，只能进行在轨维修任务。其次，相较于配备的机械臂，该空间机器人本体尺寸过大，机械臂操作空间受限，在轨维修灵活性不足。CN201552574U提出了一种模块化可重构机器人，包括基座模块、夹爪模块、关节模块、连杆模块等。CN103395061B提出一种可重构模块机器人系统，包括单自由度模块、多自由度模块、连接模块等。上述方案按结构组成将单臂机器人拆分为多个模块，但其模块划分过细，重构过程复杂，不适用于空间机器人在轨重构。

现有航天器存在以下缺陷：

(1)现有方案仅针对单一简单任务，功能密度低，无法满足未来在轨制造、组装等多元化复杂的任务需求。

(2)现有技术方案大部分基于专星专用的设计理念，但后期任务变化，需要执行新的任务时，不具备在轨扩展升级能力。

(3)现有技术方案大多采用固定构型设计，对于复杂多变的在轨服务任务适应性差。

综上所述，传统固定构型服务航天器大多采用“专星专用”的设计模式，任务类型单一，不具备在轨拓展能力，无法满足日益提高的在轨服务任务需求。因此，需要一种模块化在轨可重构可升级的多臂航天器。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种模块化可重构多臂航天器及其重构方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种模块化可重构多臂航天器，所述多臂航天器采用模块化设计，其基本构型为单臂构型，所述多臂航天器基本构型包括中心体模块、机械臂模块和末端执行器模块；中心体模块承担数据处理、供能和通信功能；机械臂模块负责末端定位定姿功能；末端执行器模块负责具体操作功能；模块间通过通用机电接口连接，实现模块在轨快速连接。

进一步地，中心体模块作为航天器的核心，中心体主体为一六棱柱，内部装有航天器的功能元件，包括综合电子、蓄电池和陀螺；主体上下表面各装有一个发射/接收天线，用于通信；主体侧面均布有通用机电接口，用于连接机械臂模块，最多允许6个机械臂同时连接；侧面均布有3个视觉相机，用于中心体定位定姿。

进一步地，机械臂模块是一个独立的机械臂结构，须安装在中心体后才能进行工作，机械臂为7自由度，机械臂关节配置采用SRS构型，即腕部和肩部均为三个相互垂直、轴线交于一点的等效球关节，肘部为旋转关节；其中，肩部和腕部均有一个关节电机内嵌在臂杆内部，转动方向与臂杆轴向平行，机械臂模块两端设计有通用机电模块，用于连接中心体模块和末端执行器模块。