本發(fā)明涉及空間站設(shè)備，具體來說涉及一種空間站艙內(nèi)機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、空間站艙內(nèi)機(jī)器人是用于空間站作用的輔助設(shè)備，可以輔助航天員工作，完成諸如巡視維護(hù)、物品運(yùn)輸、質(zhì)量測量、環(huán)境監(jiān)測等任務(wù)，極大減少航天員的工作量。

2、隨著中國空間站的逐步建成和完善，空間站任務(wù)的常態(tài)化，各類配套的空間站設(shè)施成為研究的熱點(diǎn)，其中包括空間站艙內(nèi)機(jī)器人的研制。通常意義上的艙內(nèi)機(jī)器人能夠在空間站環(huán)境中進(jìn)行六自由度的可控、靈敏、穩(wěn)定、自主的運(yùn)動(dòng)，具有體積小、能耗低、噪音小、智能化的特點(diǎn)，能夠在設(shè)定好任務(wù)要求的情況下在空間站內(nèi)自主完成一些任務(wù)。

3、在現(xiàn)有的空間站機(jī)器人設(shè)計(jì)中，多為使用噴氣的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)控制，其主要區(qū)別在于氣體的來源和噴氣方式。最早的spheres使用儲(chǔ)存于高壓氣罐中的壓縮的二氧化碳?xì)怏w，雖然這樣能夠產(chǎn)生可觀的推力，但由于使用高壓氣體作為推進(jìn)劑，儲(chǔ)量是有限的，在空間站中無法及時(shí)補(bǔ)充，這限制了機(jī)器人的續(xù)航能力。而且高壓氣體的噴出可能對(duì)空間站中的設(shè)備和人員造成損害。除此以外，儲(chǔ)存氣體的氣罐有較大的質(zhì)量，極大增加了機(jī)器人的體積和重量。astrobee使用離心風(fēng)扇來吸氣增壓，有效利用了空間站的艙內(nèi)氣壓環(huán)境，不需要額外的氣源。但離心風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)機(jī)器人姿態(tài)造成影響，需要嚴(yán)格的控制，且風(fēng)扇也占據(jù)了一定的體積和質(zhì)量。int-ba?l?l使用微型風(fēng)扇進(jìn)行推進(jìn)，使用飛輪進(jìn)行姿態(tài)控制。而直接使用風(fēng)扇推進(jìn)產(chǎn)生的推力較小，控制能力有限，故需要額外的飛輪進(jìn)行姿態(tài)穩(wěn)定控制。這樣的設(shè)計(jì)適合i?nt-ba?l?l這樣的體積小、質(zhì)量輕、功能較為單一的機(jī)器人，但由于風(fēng)扇直接推進(jìn)的效率低、推力小，且飛輪的設(shè)計(jì)產(chǎn)生冗余，并不適合我們的設(shè)計(jì)要求。

4、根據(jù)對(duì)現(xiàn)有空間站機(jī)器人的分析，我們決定采用離心風(fēng)扇吸氣增壓、噴口噴出氣體進(jìn)行推進(jìn)的方式，后面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將圍繞這種推進(jìn)方式展開。使用這種方式推進(jìn)，能夠產(chǎn)生可觀的推力，有著較好的控制能力，且能更好地利用空間站艙內(nèi)的氣壓環(huán)境，不需要額外的氣源，僅消耗電能，能夠使得結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)相對(duì)簡單。

5、在我們的初步設(shè)計(jì)中，機(jī)器人構(gòu)型為一正方體，邊長約為25cm，質(zhì)量在5kg之內(nèi)，能夠產(chǎn)生0.5n以上的推力，能夠測量自身線加速度與角加速度，實(shí)現(xiàn)可控的平面三自由度運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人使用i?mu(慣性測量單元)來測量線加速度、線速度、角加速度及角速度，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)控制。

6、為了便于在地面環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，我們將對(duì)機(jī)器人的構(gòu)型進(jìn)行簡化，使其僅能進(jìn)行平面三自由度運(yùn)動(dòng)，這樣降低了成本和系統(tǒng)復(fù)雜度，便于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。完整的的設(shè)計(jì)中，該機(jī)器人需要使用12個(gè)噴口進(jìn)行6自由度運(yùn)動(dòng)的控制，簡化為4個(gè)噴口，僅提供前后方向的平動(dòng)推力和平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩。

7、機(jī)器人的控制系統(tǒng)方面，我們使用搭載ros2(robot?operat?i?on?system,機(jī)器人操作系統(tǒng))樹莓派微型電腦來搭建機(jī)器人的上層控制系統(tǒng)。在基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)控制方面，使用基于c++語言的ardu?i?no單片機(jī)來直接控制離心風(fēng)扇和噴口。ros2系統(tǒng)和負(fù)責(zé)基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)控制的底層系統(tǒng)ardu?i?no、各個(gè)傳感器等連接。由于ros的分布式通信的特點(diǎn)，可以將機(jī)器人與電腦上的ros系統(tǒng)互聯(lián)，將部分較為復(fù)雜的計(jì)算在電腦上進(jìn)行，減輕了機(jī)器人本身的運(yùn)算壓力，同時(shí)方便從電腦端對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于填補(bǔ)空間站艙內(nèi)輔助機(jī)器人的空白，提供一種空間站艙內(nèi)機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)。其中，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)采用噴氣推動(dòng)，離心風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，噴口蓋的開閉采用伺服舵機(jī)控制。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案。

2、一種空間站艙內(nèi)機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)，包括離心風(fēng)扇吸氣增壓系統(tǒng)、內(nèi)部曲面導(dǎo)流系統(tǒng)和出口噴氣系統(tǒng)。其中，吸氣增壓系統(tǒng)主要部件包括進(jìn)口1、葉輪2、出口3；內(nèi)部曲面導(dǎo)流系統(tǒng)主要部件包括與外殼相連的弧形壁面4；出口噴氣系統(tǒng)主要部件包括伺服舵機(jī)5、噴口壁6、噴口蓋7、ⅰ型齒輪8、ⅱ型齒輪9、固定結(jié)構(gòu)10。

3、所述離心風(fēng)扇吸氣增壓系統(tǒng)的吸氣功能是通過離心風(fēng)扇的工作來完成的。整體外殼形狀為長方體，由3d打印制作完成，整體材質(zhì)為樹脂，離心風(fēng)扇安裝在長方體一側(cè)的中心，當(dāng)離心風(fēng)扇通電后，葉輪在電動(dòng)機(jī)的作用下旋轉(zhuǎn)，使殼體內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，氣體經(jīng)過進(jìn)口被吸入殼體內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)吸氣增壓。

4、離心風(fēng)扇的進(jìn)口通常是一個(gè)圓形，它是空氣流入風(fēng)扇的地方，位于風(fēng)扇的前端。葉輪呈圓盤狀在中間有若干葉片，葉片的形狀設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出一定的斜角，葉片的前沿角度較小，以便于將空氣吸入，并在風(fēng)扇內(nèi)部加速。而后沿角度較大，以便于將空氣以高速甩出。使得空氣能從進(jìn)口處吸入并以高速旋轉(zhuǎn)將空氣向外甩出。離心風(fēng)扇的出口是空氣被拋出的地方，是一個(gè)方形的開口，位于離心風(fēng)扇的后方，負(fù)責(zé)將旋轉(zhuǎn)后的氣流釋放到弧形壁面的內(nèi)側(cè)。

5、所述內(nèi)部曲面導(dǎo)流系統(tǒng)的導(dǎo)流功能是通過3d打印的弧形壁面引導(dǎo)氣流，材質(zhì)同樣為樹脂，氣流沿著弧形壁面運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)能損耗最小，從而使出口噴氣速度達(dá)到最大，增大推力。弧形壁面安裝的位置在離心風(fēng)扇的對(duì)側(cè)，整體處于外殼的內(nèi)部，兩個(gè)壁面呈中心對(duì)稱分布，其弧形壁面一端與圓形離心風(fēng)扇相切，另一端恰好與噴口相連。

6、所述出口噴氣系統(tǒng)安裝的位置在弧形壁面的出口處，選用的舵機(jī)型號(hào)為sg90，兩種類型的齒輪均為圓形金屬齒輪，固定結(jié)構(gòu)為彎折的金屬薄片，一端緊貼出口凸出殼體的一側(cè)壁面，另一端安裝有sg90舵機(jī)，舵機(jī)的傳動(dòng)部件與ⅰ型齒輪固連，ⅱ型齒輪與ⅰ型齒輪嚙合，同時(shí)ⅱ型齒輪的中心通過圓柱形金屬短棒與噴口蓋固連，短棒穿過固定結(jié)構(gòu)的圓形孔，從而被固定。噴口蓋為樹脂材質(zhì)的長方形薄板，其中一個(gè)長邊的兩端都固連有向外延申的圓柱形金屬短棒，短棒都穿過噴口壁上的圓形孔來固定。當(dāng)伺服舵機(jī)接受指令信號(hào)而轉(zhuǎn)過一定角度時(shí)，最終控制噴口蓋的轉(zhuǎn)動(dòng)。

7、本發(fā)明具有以下有益效果：

8、1、該發(fā)明采用離心風(fēng)扇進(jìn)氣，提供高效率、低噪聲和靈活的安裝選擇。

9、2、該發(fā)明的導(dǎo)流系統(tǒng)可以最大程度的利用吸入的氣體，產(chǎn)生可觀的推力。

10、3、該發(fā)明出口噴氣系統(tǒng)可以靈活控制開口大小，進(jìn)而控制推力的大小。

技術(shù)特征：

1.一種空間站艙內(nèi)機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于：包括離心風(fēng)扇吸氣增壓系統(tǒng)、內(nèi)部曲面導(dǎo)流系統(tǒng)和出口噴氣系統(tǒng)；其中，所述離心風(fēng)扇吸氣增壓系統(tǒng)的吸氣是通過離心風(fēng)扇的來完成的；所述內(nèi)部曲面導(dǎo)流系統(tǒng)包括與外殼相連的弧形壁面，安裝在離心風(fēng)扇的對(duì)側(cè)；所述出口噴氣系統(tǒng)安裝在弧形壁面的出口處。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間站艙內(nèi)機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于：所述離心風(fēng)扇吸氣增壓系統(tǒng)包括進(jìn)口、葉輪、出口。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種空間站艙內(nèi)機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于：所述離心風(fēng)扇吸氣增壓系統(tǒng)的離心風(fēng)扇的進(jìn)口是一個(gè)圓形，是空氣流入風(fēng)扇的地方，位于風(fēng)扇的前端；葉輪呈圓盤狀在中間有若干葉片，葉片的形狀設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出一定的斜角，葉片的前沿角度小，后沿角度大，使得空氣能從進(jìn)口處吸入并以高速旋轉(zhuǎn)將空氣向外甩出；離心風(fēng)扇的出口是一個(gè)方形的開口，位于離心風(fēng)扇的后方，負(fù)責(zé)將旋轉(zhuǎn)后的氣流釋放到弧形壁面的內(nèi)側(cè)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種空間站艙內(nèi)機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于：所述離心風(fēng)扇吸氣增壓系統(tǒng)整體外殼形狀為長方體，由3d打印制作完成，整體材質(zhì)為樹脂，離心風(fēng)扇安裝在長方體一側(cè)的中心。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間站艙內(nèi)機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于：所述內(nèi)部曲面導(dǎo)流系統(tǒng)是通過3d打印的弧形壁面引導(dǎo)氣流，材質(zhì)為樹脂。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種空間站艙內(nèi)機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于：氣流沿著弧形壁面運(yùn)動(dòng)時(shí)，損耗最小，使出口噴氣速度達(dá)到最大，增大推力；弧形壁面整體處于外殼的內(nèi)部，兩個(gè)壁面呈中心對(duì)稱分布，其弧形壁面一端與圓形離心風(fēng)扇相切，另一端恰好與噴口相連。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間站艙內(nèi)機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于：所述出口噴氣系統(tǒng)包括伺服舵機(jī)、噴口壁、噴口蓋、ⅰ型齒輪、ⅱ型齒輪、固定結(jié)構(gòu)。

8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的一種空間站艙內(nèi)機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于：所述出口噴氣系統(tǒng)兩種類型的齒輪均為圓形金屬齒輪，固定結(jié)構(gòu)為彎折的金屬薄片，一端緊貼出口凸出殼體的一側(cè)壁面，另一端安裝有sg90舵機(jī)。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種空間站艙內(nèi)機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于：舵機(jī)的傳動(dòng)部件與ⅰ型齒輪固連，ⅱ型齒輪與ⅰ型齒輪嚙合，同時(shí)ⅱ型齒輪的中心通過圓柱形金屬短棒與噴口蓋固連，短棒穿過固定結(jié)構(gòu)的圓形孔，從而被固定。

10.根據(jù)權(quán)利要求7或9所述的一種空間站艙內(nèi)機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于：噴口蓋為樹脂材質(zhì)的長方形薄板，其中一個(gè)長邊的兩端都固連有向外延申的圓柱形金屬短棒，短棒都穿過噴口壁上的圓形孔來固定；當(dāng)伺服舵機(jī)接受指令信號(hào)而轉(zhuǎn)過一定角度時(shí)，最終控制噴口蓋的轉(zhuǎn)動(dòng)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種空間站艙內(nèi)機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)，包括離心風(fēng)扇吸氣增壓系統(tǒng)、內(nèi)部曲面導(dǎo)流系統(tǒng)和出口噴氣系統(tǒng)；其中，所述離心風(fēng)扇吸氣增壓系統(tǒng)的吸氣是通過離心風(fēng)扇的來完成的；所述內(nèi)部曲面導(dǎo)流系統(tǒng)包括與外殼相連的弧形壁面，安裝在離心風(fēng)扇的對(duì)側(cè)；所述出口噴氣系統(tǒng)安裝在弧形壁面的出口處。本發(fā)明針對(duì)目前空間站微重力環(huán)境下傳統(tǒng)機(jī)器人難以正常工作的問題進(jìn)行設(shè)計(jì)。平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)所需的力和力矩均可由噴氣模塊的開合來控制，簡單實(shí)用。

技術(shù)研發(fā)人員：鐘睿,彭竹棋,殷世豪,龍家鑫,栗梓超,周煜軒,田庚居,杜一鳴
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/6/30