连续体机器人和卫星燃料加注系统的制作方法

本实用新型属于机器人领域，涉及连续体机器人，尤其涉及一种用于空间燃料加注的在轨服务机器人和具有其的卫星燃料加注系统。

背景技术：

目前，卫星失效的重要原因之一就是推进燃料用尽，一般由其他卫星平台搭载的空间机器人接近目标星，然后空间机器人利用自身的姿态控制能力实现加油嘴对目标星燃料储存箱的对接，完成燃料注入。空间机器人通过运动控制实现油路管道操作、油路对接等灵巧操作，提高卫星的在轨工作寿命。

传统的机器人一般由偏置的刚性关节连接刚性连杆构成，在完成卫星燃料加注时，本体要占用很大的空间来满足较大的灵巧工作空间，因此难以完成非结构化、狭小的空间操作，且本体惯量大，灵活度会受影响。

技术实现要素：

本实用新型旨在解决现有技术中存在的技术问题，本实用新型的第一个目的是提供连续体机器人，以解决现有机器人难以实现狭小空间操作的技术问题。本实用新型的第二个目的是提供一种利用前述连续体机器人的卫星燃料加注系统。

为达到上述第一个目的，本实用新型采用如下技术方案：连续体机器人，包括支撑模块、驱动模块和安装在支撑模块末端的执行器；

支撑模块包括n个串联的铰接件,n为大于1的整数；

驱动模块驱动n个铰接件运动，从而使支撑模块弯曲以调整执行器的姿态。

上述技术方案中，将n个铰接件依次串联得到的串联构型，即具有n个活动关节，驱动模块驱动n个铰接件运动以使支撑模块弯曲，通过对支撑模块的曲率控制实现连续体机器人姿态变化。本实用新型的连续体机器人体积小，运动灵活，能够满足末端执行器对响应灵活性、对接精度的要求，能够实现狭小空间操作。

在本实用新型的一种优选实施方式中，支撑模块还包括n+1个间隔设置的连接板，连接板与铰接件交错设置，铰接件包括铰接的第一主体和第二主体，第一主体和第二主体分别与该铰接件相邻的两个连接板直接或间接固定连接，执行器安装在支撑模块末端的连接板上；

驱动模块包括至少两根并联连接的绳索，所有连接板通过绳索串联连接，每根绳索的末端均与支撑模块末端的连接板固定连接，每根绳索的前端连接有对绳索进行绕线和放线的驱动机构，驱动结构驱动绳索绕线或放线以使支撑模块弯曲。

上述技术方案中，设置至少两根并联连接的绳索，通过控制绳索的拉与放，实现绳索在支撑模块对应部分长度的变化，以控制n个铰接头同时运动，结构简单，运动灵活。

在本实用新型的一种优选实施方式中，支撑模块还包括若干连杆，铰接件的第一主体和第二主体均通过连杆与连接板固定连接。

上述技术方案中，当支撑模块的长度相同时，设置连杆后，铰接件的数量减少，结构更为简化，但连续体机器人的灵活度略有降低，应根据实际情况进行选择。

在本实用新型的一种优选实施方式中，支撑模块前端的连接板为基座，驱动机构包括安装在基座上的与绳索连接的可正、反转的电机，一根绳索连接一个电机。通过电机的正、反转，控制绳索的拉与放，结构简单。

在本实用新型的一种优选实施方式中，驱动机构还包括安装在基座上的与电机输出轴同轴连接的卷扬机，绳索的前端缠绕在卷扬机上。卷扬机用于绕线，相比电机的输出轴绕线，本方案可减小电机输出轴的磨损。

在本实用新型的另一种优选实施方式中，连接板上均开设有与绳索数量对应的过线孔，绳索的末端从从支撑模块的前端向末端依次穿过连接板的过线孔，并与末端连接板固定连接。绳索的前端与驱动机构连接，绳索依次穿过连接板的过线孔，绳索的末端与末端的连接板固定连接，实现绳索的力学回路。

在本实用新型的另一种优选实施方式中，绳索的数量为三根，连接板为三角平台，三根绳索分别与三角平台的三个顶角连接，铰接件位于三角平台的中间。设置三根绳索相比四根、五根其结构简单，而且三角形稳定性好，三条绳索实现对支撑模块两自由度控制。

在本实用新型的另一种优选实施方式中，支撑模块的末端设有用于感知执行器姿态的姿态传感器，姿态传感器的信号输出端与控制器的输入端电连接，控制器的控制输出端分别与每个电机的使能端电连接；

控制器接收姿态传感器的信息调整支撑模块的姿态，以改变执行器的姿态。

为达到上述第二个目的，本实用新型采用如下技术方案：一种利用前述连续体机器人的卫星燃料加注系统，其包括具有燃料供给系统的卫星平台，连续体机器人安装在卫星平台上，执行器为夹持器，燃料供给系统的加油嘴由夹持器夹持。

上述技术方案，根据支撑模块的弯曲变形，以改变连续体机器人的姿态，从而实现连续体机器人的油路管道移动、油路对接等灵巧操作，能够满足加注操控时对控制响应灵活性、对接精度的要求。

相比现有技术，本实用新型的有益效果如下：连续体机器人的中央部分由一种串联机构组成的支撑模块，串联机构包括数个铰接件和连杆，串联机构运动由并联布置的绳索来实现驱动，三条绳索由安装在基座的电机主动驱动，对支撑模块的曲率控制实现连续体机器人姿态变化，从而实现连续体机器人的油路管道移动、油路对接等灵巧操作；而且本实用新型的连续体机器人不仅大大降低了燃料加注系统的质量和成本，而且能够实现更高的空间操控精度和分辨率，实现更精准的空间对接。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本申请实施例一的连续体机器人的立体结构示意图。

图2是本申请实施例一的连续体机器人的弯曲状态示意图。

说明书附图中的附图标记包括：电机1、连杆2、绳索3、连接板4、铰接件5、执行器6、姿态传感器7、电缆8、控制器9、卷扬机10。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例一

本实施例提供了连续体机器人，如图1和图2所示，在一种优选实施方式中，其包括支撑模块、驱动模块和安装在支撑模块末端(图中所示的上方)的执行器6。支撑模块包括n个串联的铰接件5,n为大于1的整数，图1中所示为设置五个铰接件5，铰接件5可以为现有技术中的球铰链或虎克铰链。驱动模块驱动五个铰接件5运动，从而使支撑模块弯曲以调整连续体机器人的姿态，进而调节执行器6的姿态。铰接件5的数量可根据实际需求进行选择，实际中可通过增加或减少铰接件5的数量，以改变支撑模块的长短。

本实用新型的支撑模块包括n个串联的铰接件5，即具有n个活动关节，驱动模块驱动n个铰接件5运动以使支撑模块弯曲，图2中所示为所有铰接件5均朝一个方向运动，以使支撑模块弯曲为一个弧形，通过对支撑模块的曲率控制实现连续体机器人的姿态变化。

在本实施方式中，驱动各铰接件5运动的方式可以用电机驱动，也可以采用液压驱动或气动肌肉驱动。

在另一种优选地实施方式中，支撑模块还包括n+1个间隔设置的连接板4，图1中所示为设置六个连接板4，连接板4与铰接件5交错设置。铰接件5包括铰接的第一主体和第二主体，第一主体和第二主体分别与该铰接件5相邻的两个连接板4直接或间接固定连接，比如图1种中，从下向上的第一个铰接件5的第一主体与最下方的第一个连接板4连接，其第二主体与第二个连接板4连接，依此类推，将五个铰接件5和六个连接板4串联起来；执行器6安装在支撑模块末端的连接板4上，即图1中最上方的连接板4上。

可选地，支撑模块还包括若干连杆2，铰接件5的第一主体和第二主体均通过连杆2与连接板4固定连接。

在本实施方式中，驱动模块包括至少两根并联连接的绳索3，所有连接板4通过绳索3串联连接，每根绳索3的末端均与支撑模块末端的连接板4固定连接，每根绳索3的前端连接有对绳索3进行绕线和放线的驱动机构，驱动结构驱动绳索3绕线或放线以使支撑模块弯曲。

本实施例以设置三根绳索3为例进行说明，设置三根绳索3时，连接板4为三角形的三角平台，三根绳索3分别与三角平台的三个顶角连接，铰接件5位于三角平台的中间，本实施方式优选铰接件5为虎克铰链，三条绳索3实现对连续体机器人两自由度控制。具体地，连接板4上均开设有与绳索3数量对应的光滑的过线孔，即一个连接板4上设三个过线孔，绳索3的末端从支撑模块的前端向末端依次穿过连接板4的过线孔，并与末端连接板4固定连接。

其中，支撑模块前端(图中最下方)的连接板4为基座，驱动机构包括安装在基座上的与绳索3连接的可正、反转的电机1，一根绳索3连接一个电机1，绳索3从基座到末端依次穿过连接板4的过线孔，且绳索3末端固接于末端的连接板4。可选地，驱动机构还包括安装在基座上的与电机1输出轴通过联轴器同轴连接的卷扬机10，绳索3的前端缠绕在卷扬机10上，电机1驱动控制卷扬机10的双向转动，实现绳索3的收和放。

在另一种优选地实施方式中，支撑模块的末端设有用于感知执行器6姿态的姿态传感器7，姿态传感器7的信号输出端与控制器9的输入端电连接，控制器9的控制输出端分别与每个电机1的使能端电连接。控制器9安装在基座上，控制器9用电缆8来连接电机1的内部驱动器，控制电机1的启停。

在本实施方式中，姿态传感器7可选用陀螺仪，实现三轴姿态信息感知，获取执行器6当前姿态信息，控制器接收姿态传感器6的信息调整支撑模块的姿态，以改变执行器6的姿态。

将该连续体机器人应用于卫星加注时，执行器6为市面上常用的夹持器，油路管道的加油嘴由夹持器夹持。控制器9接收姿态传感器7的信息，作为电机1的控制指令，控制三条绳索3的拉与放，绳索3在支撑模块对应部分长度变化，来控制铰接件5和连杆2的运动，实现对该连续体机器人运动的控制，实现末端执行器6上的加油嘴对目标星燃料储存箱的对接。具体改变执行器6位姿的方法可采用cn201710661193.9中公开的控制末端手术钳机构姿态的方法、或者cn201910628528.6中公开的控制折叠式手术钳姿态的方法。

实施例二

本实施例提供一种利用上述实施例一的连续体机器人的卫星燃料加注系统，其包括具有燃料供给系统的卫星平台，连续体机器人安装在卫星平台上，执行器6为夹持器，燃料供给系统的加油嘴由夹持器夹持。

根据支撑模块的弯曲变形，以改变连续体机器人的姿态，从而实现连续体机器人的油路管道移动、油路对接等灵巧操作，能够满足加注操控时对控制响应灵活性、对接精度的要求。

需要说明的是，卫星平台和目标星相对位置与姿态确定可通过机器视觉系统确定，例如通过视觉伺服来开环实现点到点的位置控制，其不是本专利申请的创新点，在此不详述。

在本说明书的描述中，参考术语“优选的实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

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