具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1-2所示，本发明提供的一种具有冗余供电的空间站舱外移动式机器人系统，包括移动平台100、弧形轨道系统、收放线机构、空间站暴露平台舱段400及六轴机械臂500，其中弧形轨道系统设置于空间站主舱段和空间站暴露平台舱段400之间，移动平台100设置于弧形轨道系统上，六轴机械臂500设置于移动平台100上，移动平台100可沿弧形轨道系统运动，从而实现六轴机械臂500在空间站暴露平台舱段400所有象限内的连续可达；收放线机构设置于弧形轨道系统的底部，且与移动平台100连接，用于为移动平台100供电。

如图2所示，本发明的实施例中，收放线机构包括对称设置的收放线机构Ⅰ50和收放线机构Ⅱ60；收放线机构Ⅰ50和收放线机构Ⅱ60分别通过两组线缆4与移动平台100的两侧连接，通过收放线机构Ⅰ50和收放线机构Ⅱ60从两侧给移动平台100供电，有效保证了系统供电的高可靠性。具体地，两组线缆4分别为线缆Ⅰ7和线缆Ⅱ8，线缆Ⅰ7的一端缠绕于收放线机构Ⅰ50上，另一端与移动平台100的一侧连接，线缆Ⅰ7通过收放线机构Ⅰ50进行收放；线缆Ⅱ8的一端缠绕于收放线机构Ⅱ60上，另一端与移动平台100的另一侧连接，线缆Ⅱ8通过收放线机构Ⅱ60进行收放。在移动平台100的运动过程中，一侧线缆处于防线状态，另一侧线缆处于收线状态，且收放线过程中能实现力控制，也能实现对移动目标的动态跟随。

如图3所示，本发明的实施例中，收放线机构Ⅰ50和收放线机构Ⅱ60结构相同，均包括绕线臂1、测力组件2、线缆定位组件3、线缆4、绕线筒5及支架6，其中线缆定位组件3和绕线筒5设置于支架6上，绕线臂1底座设置于绕线筒5的端部，线缆4的一端缠绕于绕线筒5上，另一端依次经过绕线臂1和线缆定位组件3；绕线臂1具有绕线和排线两个自由度，分别用于线缆4的收放以及排列，线缆定位组件3用于线缆4的定位；测力组件2设置于线缆定位组件3的前端，用于实时测量线缆4的张力。

如图4所示，本发明的实施例中，绕线臂1包括直线运动平台110和与直线运动平台110的输出端连接的转动臂120，直线运动平台110设置于绕线筒5的内壁上，具有沿绕线筒5的轴线方向运动的自由度，即排线自由度；转动臂120具有绕绕线筒5的轴线转动的自由度，即绕线自由度。直线运动平台110和与转动臂120共同组成两自由度串联式机构。绕线筒5为中空式圆筒形结构，内部安装绕线臂基座，外部可排放线缆。

如图5所示，本发明的实施例中，直线运动平台110包括电机Ⅰ111、编码器Ⅰ112、丝杠115、丝母116、滑台117及基座118，其中基座118与绕线筒5的内壁连接，丝杠115可转动地设置于基座118上，且与绕线筒5的轴线平行；丝母116与丝杠115螺纹连接，滑台117与丝母116连接；电机Ⅰ111设置于基座118上，且输出端通过齿轮传动机构与丝杠115连接；编码器Ⅰ112设置于电机Ⅰ111的端部。

具体地，齿轮传动机构包括驱动齿轮113和从动齿轮114，其中驱动齿轮113设置于电机Ⅰ111的输出端，从动齿轮114设置于丝杠115的端部，且与驱动齿轮113啮合，电机Ⅰ111通过驱动齿轮113和从动齿轮114带动丝杠115转动，从而带动丝母116和滑台117沿轴向运动。

本发明的实施例中，编码器Ⅰ112同轴安装于电机Ⅰ111的后端，用于反馈电机Ⅰ111的运动位置。滑台117的表面设计有供转动臂120安装的螺纹接口。在基座118下部前后位置均设计有与绕线筒5连接的螺纹接口，用于将绕线臂1安装到绕线筒5的内部，但绕线臂1的部分结构处于绕线筒5的外部实现绕线功能。

如图6所示，本发明的实施例中，转动臂120包括电机Ⅱ121、编码器Ⅱ122、行星轮减速器123、转动连杆124、调向连杆125、凹槽滚轮组件Ⅰ126及限位环127，其中行星轮减速器123设置于直线运动平台110的滑台117上，且输入端与电机Ⅱ121的输出轴连接，编码器Ⅱ122设置于电机Ⅱ121的后端；转动连杆124的一端与行星轮减速器123的输出轴连接，另一端与调向连杆125连接，调向连杆125位于绕线筒5的外侧；调向连杆125上设有多组凹槽滚轮组件Ⅰ126及位于多组凹槽滚轮组件Ⅰ126的外侧的多个限位环127；线缆4依次经过多组凹槽滚轮组件Ⅰ126，且通过个多个限位环127防止脱落。

进一步地，调向连杆125的前端设有两个圆柱滚轮组件Ⅰ128，线缆4被夹持于两个圆柱滚轮组件Ⅰ128之间。

本发明的实施例中，调向连杆125包括L型杆1251和弧形杆1252，其中L型杆1251的一端与转动连杆124连接，另一端与弧形杆1252可拆卸连接，且连接位置可调。两个圆柱滚轮组件Ⅰ128设置于L型杆1251的前端，L型杆1251和弧形杆1252的顶部均排列有多个凹槽滚轮组件Ⅰ126。

本发明的实施例中，编码器Ⅱ122同轴安装于电机Ⅱ121的后端，用于反馈电机Ⅱ121的运动位置。行星轮减速器123同轴固定安装于电机Ⅱ121的输出轴，用于放大电机的输出转矩，并驱动转动连杆124作回转运动，实现对线缆4的缠绕。另外，行星轮减速器123的输出轴与绕线筒5的轴线重合。调向连杆125固定安装于转动连杆124的一端，在组装时，可以调整调向连杆125的方向，使得线缆4的出线方向相切于绕线筒5的圆周方向。在转动连杆124与调向连杆125的上部设计有供线缆穿过的槽型特征，在槽型特征的中间安装若干个凹槽滚轮组件Ⅰ126以减小线缆4运动时的阻力，在槽型特征的上部安装若干个限位环127，通过限位环127对线缆4进行限位。

如图7所示，本发明的实施例中，凹槽滚轮组件Ⅰ126包括凹槽滚轮1261、转轴Ⅰ1262、轴承Ⅰ1263及挡圈Ⅰ1264，其中凹槽滚轮1261的外表中部为凹槽形特征，可对圆柱形的线缆4进行限位，凹槽滚轮1261的内孔安装两个轴承Ⅰ1263，两个轴承Ⅰ1263同轴安装于转轴Ⅰ1262上，凹槽滚轮1261可绕转轴Ⅰ1262自由转动。在两个轴承Ⅰ1263的外端分别布置一个挡圈Ⅰ1264对轴承Ⅰ1263进行限位。转轴Ⅰ1262的两端设计有一定的长度余量，用于对转轴Ⅰ1262进行安装固定。由于采用了滚动轴承支撑，凹槽滚轮1261可以极小的摩擦力绕转轴Ⅰ1262进行转动。凹槽滚轮组件设计成模块化组件，在系统中多处使用。

如图8所示，本发明的实施例中，圆柱滚轮组件Ⅰ128包括圆柱滚轮1281、转轴Ⅱ1282、轴承Ⅱ1283及挡圈Ⅱ1284，其中圆柱滚轮1281的内部中心孔安装两个轴承Ⅱ1283，两个轴承Ⅱ1283同轴安装于转轴Ⅱ1282上，圆柱滚轮1281可绕转轴Ⅱ1282自由转动，圆柱滚轮1281用于滚动支撑线缆4的运行，减小线缆4的运行阻力。在两个轴承Ⅱ1283的外端分别安装一个挡圈Ⅱ1284，对轴承Ⅱ1283进行限位。转轴Ⅱ1282的两端设计有一定的长度余量，用于对转轴Ⅱ1282进行安装固定。由于采用了滚动轴承支撑，圆柱滚轮1281可以极小的摩擦力绕转轴Ⅱ1282进行转动。圆柱滚轮组件设计成模块化组件，在系统中多处使用。

如图10所示，本发明的实施例中，线缆定位组件3包括下支架31、前支架32及后支架33，其中下支架31的下端与支架6连接，下支架31的顶部设有前支架32和后支架33；前支架32和后支架33上均设有四个圆柱滚轮组件Ⅱ34，四个圆柱滚轮组件Ⅱ34呈口字型布设，从而形成过线孔，四个圆柱滚轮组件Ⅱ34实现对线缆4的导向与限位。

本发明的实施例中，线缆定位组件3的主要作用是对线缆4的缠绕进行预先定位，使即将进入缠绕的线缆输入点处于绕线筒5的轴线上。为能对线缆4进行上下左右四个方向定位，在前支架32上安装四组圆柱滚轮组件Ⅱ34，在四组圆柱滚轮组件Ⅱ34中间预留一定空间的过线孔，线缆4可从中间过线孔穿过，利用四个方向的圆柱滚轮组件Ⅱ34进行限位。为保证线缆4的平整性，在后支架33上也同理安装四组圆柱滚轮组件Ⅱ34对线缆4进行限位，这种设计能保证前、后支架之间的一段线缆都处于直线状态，实现了对缠绕线缆的预先整理、定位功能。

如图9所示，本发明的实施例中，测力组件2包括底板21、压力传感器22、左立柱24、右立柱26、压板组件及凹槽滚轮组件Ⅱ29，其中底板21与线缆定位组件3连接，左立柱24和右立柱26与底板21连接；压力传感器22设置于底板21上，且位于左立柱24和右立柱26之间；压板组件包括压板23、左压簧25、右压簧27及滑动压板28，其中压板23和滑动压板28均与左立柱24和右立柱26滑动连接，且压板23与压力传感器22连接；左压簧25和右压簧27分别套设于左立柱24和右立柱26上，并且均受限于滑动压板28和压板23之间；凹槽滚轮组件Ⅱ29设置于压板组件上，用于对线缆4进行导向。

具体地，滑动压板28的两侧设计有通孔，分别与左立柱24和右立柱26形成孔、轴滑动配合，即滑动压板28可沿左立柱24和右立柱26上下滑动，并可对左压簧25和右压簧27产生正压力。当线缆4穿过凹槽滚轮组件Ⅱ29的中间凹槽特征并在线缆4中存在一定张力时，线缆4将对凹槽滚轮组件Ⅱ29产生向下压力，滑动压板28将向下运动，对左压簧25和右压簧27产生正压力，左压簧25和右压簧27又将压力传递给压板23，安装于压板23下部的压力传感器22即可测量压板23承受的压力，通过一定的换算，即可求得线缆4中的张力值。由于压簧具有缓冲作用，因此可以容许线缆4两端的位置跟随存在一定误差，降低了对移动机器人线缆动态跟随控制的精度要求。

测力组件2通过滚轮与弹簧机构将线缆4中的张力转换为压力传感器的压力值，可实时测量线缆4中的张力，控制系统可根据线缆张力大小实时改变绕线臂1的运动方向，当线缆张力大于设定值时，绕线臂1放线，当线缆张力小于设定值时，绕线臂1收线。因此，可实现对移动目标进行动态跟随式收放线控制。

本发明的实施例中，绕线臂1为两自由运动机构，可实现对线缆4的收放以及排列，由直线运动自由度与回转自由度的联合运动实现。两个自由度均由伺服电机驱动，能进行高精度的位置控制。通过调节两组电机的运动速度，可适应不同线径的线缆排列收放，实现一机多用。传统滚筒式收放线机构，利用电机驱动绕线筒转动进行收放线，由于绕线筒一直处于运动状态，因此需要借助滑环装置将静止端线缆与运动端线缆的电路进行连接。而本发明采用绕线臂1主动将线缆4缠绕在绕线筒5上，绕线筒5始终处于静止状态，因此可规避使用滑环装置，整条线缆4从静止端到移动机器人端是一条完整、未分段的线缆，供电可靠性与使用寿命大大提升。在离绕线筒5一定距离的位置，布置线缆定位组件3，将线缆输入点限位在绕线筒5的轴线上，便于线缆的缠绕。另外，设置了测力组件2用于测量线缆中的张力，且测力组件2中采用弹簧缓冲，可容许线缆两端存在一定的位置差。具备测力感知能力的绕线机构，能对移动机器人的进行动态跟随式收放线。

如图11-13所示，本发明的实施例中，弧形轨道系统包括平行设置的右圆弧轨道200和左圆弧轨道300；移动平台110包括基座37及平行设置于基座37上的上驱动组件20和下驱动组件30，上驱动组件20的两端分别与右圆弧轨道200和左圆弧轨道300的上侧抵接，下驱动组件30的两端分别与右圆弧轨道200和左圆弧轨道300的下侧抵接。

进一步地，上驱动组件20和下驱动组件30通过弹性连接组件连接，上驱动组件20和下驱动组件30通过反向运动产生的反作用摩擦力推动移动平台100向前或向后运动。

如图14、图20所示，本发明的实施例中，上驱动组件20包括电机Ⅰ201、主动齿轮Ⅰ202、从动齿轮Ⅰ203、上转轴204、左上摩擦轮205、右上摩擦轮206、左上支架207及右上支架208，其中上转轴204的两端可转动地与左上支架207和右上支架208连接，电机Ⅰ201设置于右上支架208上，且输出端与主动齿轮Ⅰ202连接，从动齿轮Ⅰ203设置于上转轴204上，且与主动齿轮Ⅰ202啮合；左上摩擦轮205和右上摩擦轮206分别设置于上转轴204的两端；左上摩擦轮205与左圆弧轨道300的上侧抵接，右上摩擦轮206与右圆弧轨道200的上侧抵接。电机Ⅰ201驱动主动齿轮Ⅰ202转动，主动齿轮Ⅰ202带动从动齿轮Ⅰ203和上转轴204转动，从而带动左上摩擦轮205和右上摩擦轮206同步转动。上、下摩擦轮作相反方向运动，依靠弧形导轨对摩擦轮的反作用摩擦力推动移动平台100运动。

如图15、图20所示，本发明的实施例中，下驱动组件30包括电机Ⅱ301、主动齿轮Ⅱ302、从动齿轮Ⅱ303、下转轴304、左下摩擦轮305、右下摩擦轮306、左下支架307及右下支架308，其中下转轴304的两端分别可转动地与左下支架307和右下支架308连接，电机Ⅱ301设置于右下支架308上，且输出端与主动齿轮Ⅱ302连接，从动齿轮Ⅱ303设置于下转轴304上，且与主动齿轮Ⅱ302啮合。左下摩擦轮305和右下摩擦轮306分别设置于下转轴304的两端，左下摩擦轮305与左圆弧轨道300的下侧抵接，右下摩擦轮306与右圆弧轨道200的下侧抵接。

如图16所示，本发明的实施例中，左下支架307与左上支架207相对应，且通过两组弹性连接组件连接，右下支架308与右上支架208相对应，且通过另外两组弹性连接组件连接。电机Ⅱ301驱动主动齿轮Ⅱ302转动，主动齿轮Ⅱ302带动从动齿轮Ⅱ303和下转轴304转动，从而带动左下摩擦轮305和右下摩擦轮306同步转动。

进一步地，右上支架208和右下支架308上均设有齿轮容置腔，主动齿轮Ⅰ202和从动齿轮Ⅰ203容置于右上支架208的齿轮容置腔内，主动齿轮Ⅱ302和从动齿轮Ⅱ303容置于右下支架308的齿轮容置腔内。需要说明的是，也可在左下支架307和左上支架207上设置齿轮容置腔，在此不具体进行限定。

如图17所示，本发明的实施例中，弹性连接组件包括螺杆15、上弹簧16、下弹簧17及螺母18，其中螺杆15贯穿上驱动组件20和下驱动组件30，且端部通过螺母18锁紧；具体地，在左侧，螺杆15由上至下依次贯穿左上支架207、左横梁10及左下支架307；在右侧，螺杆15由上至下依次贯穿右上支架208、右横梁11及右下支架308。上弹簧16和下弹簧17均套设于螺杆15上，上弹簧16容置于左上支架207或右上支架208上设有凹槽内，且通过螺杆15的头部轴向限位；下弹簧17容置于左下支架307或右下支架308上设有的凹槽内，且通过螺母18轴向限位，上弹簧16和下弹簧17分别使上、下摩擦轮与弧形轨道压紧。

当将上、下摩擦轮与弧形导轨上、下面分别贴合时，上下弹簧可产生一定的预紧压缩力，从而使上、下摩擦轮均能压紧在弧形导轨面上。通过旋拧螺杆15与螺母18可以调节上、下摩擦轮之间预留的间隙，进而调节摩擦轮与弧形导轨组装之后的正压力。

具体地，四根螺杆15均穿过横梁(左、右横梁)上的过孔，螺杆15与过孔之间为小间隙配合，轴向方向可自由相对运动，径向方向间隙较小。当摩擦轮在弧形导轨表面滚动时，将带动螺杆15运动，螺杆15将利用径向圆柱面推动横梁运动，在左、右横梁的前后端留有与基座1的连接接口，左、右横梁均与基座1固连，因此基座1可随左右横梁同步运动。

如图12所示，本发明的实施例中，移动平台100还包括分别设置于基座37后端和前端的锁紧组件Ⅰ40和锁紧组件Ⅱ70，锁紧组件Ⅰ40和锁紧组件Ⅱ70通过与圆弧轨道系统连接，实现移动平台100的锁紧。

如图18所示，本发明的实施例中，锁紧组件Ⅰ40和锁紧组件Ⅱ70结构相同，均包括锁紧电机401、双向螺杆404、左插销405、右插销406、左套筒407及右套筒408，其中左套筒407和右套筒408同轴设置于基座37的左、右两侧；双向螺杆404与基座37转动连接，且与左套筒407和右套筒408同轴线；左插销405和右插销406与双向螺杆404的两端的反向螺纹连接，且左插销405与左套筒407滑动配合，右插销406与右套筒408滑动配合；锁紧电机401设置于基座37上，且输出端通过齿轮传动机构与双向螺杆404连接。

本实施例中，齿轮传动机构包括锁紧驱动齿轮402和锁紧从动齿轮403，其中锁紧驱动齿轮402设置于锁紧电机401的输出端，锁紧从动齿轮403设置于双向螺杆404上，且与锁紧驱动齿轮402啮合。锁紧电机401驱动锁紧驱动齿轮402转动，锁紧驱动齿轮402带动锁紧从动齿轮403和双向螺杆404转动，双向螺杆404转动时又可带动左插销405和右插销406往相反方向作直线运动，可实现左插销405和右插销406同步插入或退出左圆弧轨道300和右圆弧轨道200上预留的锁紧孔内，实现将移动平台100的锁紧或释放。

如图12、图19所示，本发明的实施例中，在基座37上配置有与空间机械臂的安装接口。基座37为方形结构，且四角分别设有四组支撑组件90；支撑组件90包括支撑支架901及设置支撑支架901上的滚轮Ⅰ902、滚轮Ⅱ903及滚轮Ⅲ904，其中滚轮Ⅰ902和滚轮Ⅱ903夹持于弧形轨道系统的上下侧；滚轮Ⅲ904与弧形轨道系统的内侧壁抵接，滚轮Ⅰ902、滚轮Ⅱ903及滚轮Ⅲ904共同约束移动平台100除运动方向外的其它五个自由度。

在移动平台100的前后位置分别通过线缆夹Ⅰ35和线缆夹Ⅱ36安装固定线缆Ⅰ7和线缆Ⅱ8，为移动平台100与六轴机械臂500提供电源与通讯线路。线缆Ⅰ7和线缆Ⅱ8为完全相同的两套线缆，包括电源与通讯线缆，互为备份，即使一套线缆损坏，另一套仍然能保证系统正常工作。

本发明实施例中，移动平台100可沿圆弧轨道运动，圆弧轨道安装在空间站圆柱形舱段的端面，可使平台上安装的六轴机械臂500在全象限空间内可达。在空间环境下，如果采用齿轮副做大范围运动，无法避免运动间隙，而且大型机构的齿圈副加工困难，难以实现。摩擦轮驱动是利用摩擦滚动原理，可实现高精度、无间隙传动，比较适合于精密驱动，并且可通过调整预紧弹簧的压力大小，改变驱动力。锁紧组件利用电机驱动双向螺杆进而带动锁紧插销做直线运动，可实现锁紧插销插入或退出导轨上的锁紧孔。当移动平台处于发射阶段或机械臂处于大负载操作阶段，需要将插销插入轨道上的锁紧孔，使移动平台能牢固连接于某一位置。在移动平台的四个角点处分别布置一个支撑组件，每个支撑组件均利用三个滚轮与导轨的三个面作滚动接触，在四个支撑组件的联合作用下，可约束移动平台的五个自由度，使移动平台稳定运行于轨道上。接近开关的作用是，当需要在某一位置锁紧移动平台时，利用轨道上的挡片触碰行程开关，向控制器发出开关信号，控制器接收到信号后，关停驱动组件的电机，并同时启动锁紧组件的电机，锁紧插销。前向接近开关与后向接近开关分别用于前向运动与后向运动时的锁紧信号反馈。控制器的主要作用是，接受相关信号，驱动或停止移动平台运动，插入或退出锁紧插销。

本发明的实施例中，空间站暴露平台舱段400用于系统的安装平台，并在表面布置舱外载荷，进行空间暴露科学实验。机器人系统需要具备搬运、安装其表面载荷的能力。六轴机械臂500为载荷操作机构，通过六个自由度的组合运动，实现末端三个位置与三个姿态的控制，可用于操作暴露平台上的载荷，实现对载荷的搬运与安装。移动平台100用于拓展六轴机械臂500的可达工作空间，利用摩擦轮驱动技术，进行高精度的位置控制，在移动平台的两侧分别安装一套供电线缆(包络电源与通讯线缆)，即移动平台100具备了双份冗余供电的能力。移动平台100还能利用锁紧机构，在需要大负载操作的位置进行机械式锁紧，有效保证了系统刚度。导轨系统采用双列导轨布置方式，用于支撑移动平台100的运动，以及供电线缆的布放与整理。收放线机构用于对移动平台100进行线缆收放控制，采用绕线臂1主动绕线技术，规避了使用导电滑环，保证了舱外极端环境下电路的可靠性与寿命要求。另外收放线机构配置了线缆张力测量装置，可实时测量线缆张力，用于对移动平台100进行动态跟随收放线控制的信号反馈。

本发明提供的一种具有冗余供电的空间站舱外移动式机器人系统，可用于空间站舱外暴露平台的载荷操作，结构紧凑、体积小、重量轻，具备大范围零间隙传动、特定位置点锁紧加强、摩擦力大小可调、自适应导轨厚度变化等功能。适用于极端环境下的移动机器人的收放线作业，具备线缆张力测量、移动目标自适应动态跟随能力，并且规避了使用导电滑环，保证了系统具备高可靠性与长寿命特征。尤其适用于空间舱外机器人、水下机器人等环境苛刻、又对可靠性、使用寿命要求极高的场合。并且设计了冗余备份的线缆供电系统，不但解决了传统舱外移动机器人爬行过程中可靠性低且难以保证精度的问题，也实现了空间站舱外移动式供电的的高可靠性设计。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。