本專利屬于小行星著陸探測微重力表面巡視技術領域，涉及一種基于仿生爬行和抓附技術的微重力表面巡視系統(tǒng)機構。

背景技術：

我國已經(jīng)在月球探測方面取得了舉世矚目的成就，火星和小行星探測正在成為研究熱點。表面著陸巡視探測作為最有效的探測方式，是行星和小行星探測的主要技術手段，國內(nèi)外已開發(fā)出多種月球和行星探測巡視平臺，但小行星探測多采用觀測方式，目前實現(xiàn)小行星表面采樣探測的只有日本的隼鳥號探測器和歐空局的羅塞塔菲萊著陸器，且僅后者實現(xiàn)了真正的著陸和就位探測，但由于采用了錨定附著方式，采樣只能在著陸處進行，不能實現(xiàn)多地點多目標探測。美國于2016年發(fā)射的OSIRIS探測器采用了類似隼鳥號的瞬時接觸式而非著陸式采樣。

小行星表面探測比月球和行星表面探測更加困難，主要在于其表面微重力環(huán)境和非結構化的表層結構，使得探測器著陸后極易受擾動而漂移，就位甚至多目標點采樣任務面臨巨大的技術挑戰(zhàn)，目前尚無公認可行的技術途徑。

國內(nèi)外有關爬壁機器人附著技術研究可為小天體附著問題提供解決思路，包括斯坦福大學和JPL開發(fā)的微刺式爬壁機器人RISE、SpinyBot和爪刺鉆采樣裝置、小天體捕獲機器人等，以及基于仿生剛毛干粘附技術的仿生壁虎附著技術等。國內(nèi)多家機構和大學也進行了相關技術的研究。

對于微重力小天體附著的具體實現(xiàn)技術形式還在探索中，現(xiàn)已逐漸聚焦到基于仿生方法的技術方向上。其中基于仿生甲蟲微刺和剛毛干粘附的抓附技術能夠在微重力和真空條件下使用，基本符合小行星表面附著的環(huán)境條件要求，是小行星表面附著技術的重要發(fā)展方向。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所解決的技術問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種小行星微重力表面巡視機構，解決在小行星微重力環(huán)境和表面地形地質(zhì)特性不確定的條件下實現(xiàn)小行星探測器的可靠附著和對多目標點的連續(xù)移動勘測的微重力表面巡視系統(tǒng)機構實現(xiàn)問題。

本發(fā)明所采用的技術解決方案是：一種小行星微重力表面巡視機構，包括：爪刺附著裝置、旋鉆裝置、爬行裝置；爬行裝置為自由度機械臂，一端沿周向安裝在著陸器主體上，另一端安裝旋鉆裝置；旋鉆裝置末端安裝爪刺附著裝置；爪刺附著裝置為仿生甲蟲壁面抓附機構；相間隔的各爬行裝置組成一組，其余組成另一組，控制器控制各組爬行裝置、旋鉆裝置、爪刺附著裝置完成交替移動、附著動作；同組的旋鉆裝置同時工作并旋入外部環(huán)境表層結構，旋鉆裝置與爪刺附著裝置共同提供表面附著力。

所述爬行裝置包括股節(jié)、脛節(jié)、關節(jié)電機，著陸器主體與股節(jié)之間、股節(jié)與脛節(jié)之間通過雙十字軸萬向節(jié)機構連接，關節(jié)電機驅(qū)動各雙十字軸萬向節(jié)運動。

所述旋鉆裝置包括驅(qū)動電機、導向裝置、多級旋鉆、萬向機構，多級旋鉆采用多級深矩形螺紋型旋轉(zhuǎn)鉆頭，螺距和螺紋直徑從尖部到尾部漸進增大，安裝在導向裝置內(nèi)；安裝在導向裝置上的驅(qū)動電機驅(qū)動多級旋鉆沿導向裝置的導向桿伸縮、旋轉(zhuǎn)；導向裝置一端與爬行裝置通過雙十字軸萬向節(jié)連接，另一端與萬向機構的連接。

所述爪刺附著裝置包括抓附電機裝置、固定安裝架、抓附拉線環(huán)、爪刺附著單元、繞線柱、柔性纜繩，抓附電機裝置安裝在固定安裝架環(huán)形端面上，抓附拉線環(huán)、繞線柱均沿固定安裝架周向分布且位于固定安裝架環(huán)形端面底部；柔性纜繩繞過繞線柱分別與爪刺附著單元、抓附拉線環(huán)連接；各爪刺附著單元沿周向安裝在固定安裝架環(huán)形側(cè)壁上，具有轉(zhuǎn)動和平移自由度；抓附電機裝置驅(qū)動各爪刺附著單元對外部環(huán)境表層結構進行抓附；多級旋鉆尖部穿過固定安裝架端面中部，萬向機構安裝在固定安裝架上。

所述爪刺附著單元包括連接座、扭簧、滑塊、直簧、套筒、爪掌組件、板簧、指節(jié)、爪刺；連接座一端安裝在固定安裝架上，另一端通過扭簧和轉(zhuǎn)軸與滑塊連接，滑塊通過導向桿與套筒連接，滑塊在導向桿上滑動，套筒固定在爪掌組件上，滑塊與爪掌組件通過直簧連接，柔性纜繩連接滑塊；爪掌組件通過板簧和轉(zhuǎn)軸與指節(jié)端部連接，具有轉(zhuǎn)動自由度，各指節(jié)并排安裝在爪掌組件上；指節(jié)為套筒結構，爪刺安裝在套筒內(nèi)通過壓縮直簧實現(xiàn)伸縮。

所述股節(jié)或脛節(jié)為桿件。

所述萬向機構為陀螺架式結構，中空的雙十字軸位于環(huán)形框中部，與環(huán)形框相連。

所述連接座為中部彎曲的桿件。

所述爬行裝置有六個。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明融合仿生甲蟲微爪刺抓附機理和旋鉆技術，提出了一種在微重力環(huán)境和表面地形地質(zhì)不確定條件下，實現(xiàn)小行星探測器表面巡視的一種巡視系統(tǒng)機構，為小行星微重力表面巡視提供了一種新型技術途徑，突破了目前國內(nèi)外在此技術領域的技術空白，區(qū)別于國外固定式錨定附著技術。

(2)本發(fā)明提出了將多個旋鉆斜向內(nèi)旋入而實現(xiàn)附著的技術方法，并提出了多級鉆技術，為硬質(zhì)光滑、松散和軟質(zhì)小行星表面的附著問題提供了新的技術解決途徑。

(3)本發(fā)明采用了仿生六足爬行裝置機構技術，每個爬行裝置機構具有6個自由度，通過穩(wěn)定的三足附著-三足爬行移動交替工作，實現(xiàn)對整個巡視器的水平移動和轉(zhuǎn)向，從而支撐巡視器的多地點多目標移動勘測任務。

附圖說明

圖1(a)為本發(fā)明小行星微重力表面巡視機構組成圖軸側(cè)圖；

圖1(b)為本發(fā)明小行星微重力表面巡視機構組成圖正視圖；

圖2為本發(fā)明單組爬行裝置、旋鉆裝置、爪刺附著裝置組合體；

圖3為本發(fā)明爬行裝置；

圖4為本發(fā)明旋鉆裝置；

圖5(a)為本發(fā)明爪刺附著裝置正視圖；

圖5(b)為本發(fā)明爪刺附著裝置軸側(cè)圖；

圖6為本發(fā)明爪刺附著單元。

具體實施方式

如圖1(a)、圖1(b)所示，一種小行星微重力表面巡視機構包括：爪刺附著裝置5、旋鉆裝置6、爬行裝置7；布置在著陸器主體4上，與視覺相機2、傳感器3及系統(tǒng)控制器協(xié)同工作，組成小行星微重力表面巡視系統(tǒng)。爬行裝置采用6個相同的6自由度機械臂，相間隔的3個為同一組，通過系統(tǒng)控制器控制兩組爬行裝置7、旋鉆裝置6和爪刺附著裝置5交替附著-移動循環(huán)動作，實現(xiàn)小行星探測器轉(zhuǎn)向和整體平移運動。太陽能電池板1、視覺相機2和傳感器3均安裝在著陸器主體4上。視覺相機2和傳感器3用于獲取著陸器周圍地形、障礙物或凹坑的距離和大小等環(huán)境信息。

如圖3所示，爬行裝置7包括股節(jié)9、脛節(jié)10、關節(jié)電機11，著陸器主體4與股節(jié)9之間、股節(jié)9與脛節(jié)10之間通過雙十字軸萬向節(jié)機構連接，關節(jié)電機11驅(qū)動各雙十字軸萬向節(jié)運動，末端安裝旋鉆裝置6，如圖2所示，爬行裝置7、旋鉆裝置6、爪刺附著裝置5共有6組，每個具有6自由度，均由關節(jié)電機11驅(qū)動運動，受控于系統(tǒng)控制器。爬行裝置7一端沿周向安裝在著陸器主體4上，另一端安裝旋鉆裝置6，股節(jié)9、脛節(jié)10均為桿件。

如圖4所示，旋鉆裝置6安裝在爬行裝置7的末端，主要由驅(qū)動電機12，導向裝置13、多級旋鉆14和萬向機構15組成，多級旋鉆14旋轉(zhuǎn)鉆頭采用多級深矩形螺紋型，螺距和螺紋直徑從尖部到尾部漸進增大，以適應于硬質(zhì)光滑、軟質(zhì)或松散地質(zhì)小行星表層結構，采用力矩電機類驅(qū)動裝置驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，多級旋鉆14安裝在導向裝置13內(nèi)；安裝在導向裝置13上的驅(qū)動電機12驅(qū)動多級旋鉆14沿導向裝置13的導向桿伸縮、旋轉(zhuǎn)；導向裝置13一端與爬行裝置7通過雙十字軸萬向節(jié)連接，另一端與萬向機構15連接。同組3個旋鉆裝置6同時工作且斜向內(nèi)旋入表層結構提供附著表面附著力。萬向機構15用于連接爪刺附著裝置5，采用兩自由度的雙十字陀螺架式結構形式，以使其能夠適應凹凸不平的表面地形，并保證多級旋鉆14能夠從關節(jié)中心通過。萬向機構15為陀螺架式結構，雙十字軸位于環(huán)形框中部，與環(huán)形框相連，萬向機構15與導向裝置13端部連接。

爪刺附著裝置5，如圖5(a)、圖5(b)所示，包括抓附電機裝置16，固定安裝架17，抓附拉線環(huán)18，爪刺附著單元19，繞線柱20、柔性纜繩等幾部分組成，抓附電機裝置16安裝在固定安裝架17環(huán)形端面上，抓附拉線環(huán)18、繞線柱20均沿固定安裝架17周向分布且位于固定安裝架17環(huán)形端面底部；柔性纜繩繞過繞線柱20分別與爪刺附著單元19、抓附拉線環(huán)18連接；各爪刺附著單元19沿周向安裝在固定安裝架17環(huán)形側(cè)壁上，具有轉(zhuǎn)動和平移自由度；抓附動作由系統(tǒng)控制器控制抓附電機裝置16實現(xiàn)，通過齒輪帶動抓附拉線環(huán)18拉動柔性纜繩驅(qū)動爪刺附著單元19，實現(xiàn)對所有爪刺單元的抓附動作控制。

爪刺附著單元19，如圖6所示，主要包括：連接座21，扭簧22，滑塊23，直簧24，套筒25，爪掌組件26，板簧27，指節(jié)28，爪刺29等。連接座21為中部彎曲的桿件，一端安裝在固定安裝架17上，另一端通過扭簧22和轉(zhuǎn)軸與滑塊23連接，滑塊23通過導向桿與套筒25連接，滑塊23在導向桿上滑動，套筒25固定在爪掌組件26上，滑塊23與爪掌組件26通過直簧24連接，柔性纜繩連接滑塊23；連接座21環(huán)形陣列安裝于爪刺附著機構5的固定安裝架17上，連接座21與滑塊23通過扭簧22-軸連接，形成一級轉(zhuǎn)動自由度，以使爪刺附著單元適應表面地形，滑塊23與爪掌組件26通過直簧24連接，形成一級平動自由度，起到柔性連接的作用，直簧24起到將爪掌組件26向外伸展的作用。爪掌組件26與指節(jié)28間通過板簧27-軸形成二級轉(zhuǎn)動自由度，以使各指節(jié)28適應凹凸不平的表面地形。指節(jié)28與爪刺29間通過壓縮直簧-套筒形成平動自由度，起到柔性連接的作用，避免使抓附表面損壞。指節(jié)28為套筒結構，爪刺29安裝在套筒內(nèi)通過壓縮直簧實現(xiàn)伸縮，爪刺29端部為鉤狀尖刺，便于實現(xiàn)抓附。

小行星表面巡視系統(tǒng)機構在起飛發(fā)射和在軌飛行期間處于緊湊折疊狀態(tài)，通過機構關節(jié)位置調(diào)整，收攏在六棱柱型著陸器的底面。著陸時底部包覆緩沖材料實現(xiàn)著陸過程的緩沖吸能；著陸穩(wěn)定后，系統(tǒng)啟動準備工作，驅(qū)動巡視系統(tǒng)的巡視移動機構運動，將巡視系統(tǒng)機構對稱展開。

由于小行星表面重力場極弱，巡視系統(tǒng)第一次附著必須借助于發(fā)動機推力。巡視系統(tǒng)機構將旋鉆裝置6向巡視器的內(nèi)側(cè)彎曲，在發(fā)動機按壓力作用下，系統(tǒng)控制器首先驅(qū)動爪刺附著裝置5的抓附電機裝置16對小行星表面實行抓附。

在抓附過程中，通過對抓附力值的反饋，系統(tǒng)控制器得出是否抓附成功，同時對表層結構的軟硬程度做出判斷。若抓附成功，則說明小行星表層地質(zhì)較硬，可以實施勘測任務；若均未抓附成功，則說明小行星表層地質(zhì)較軟或為散體，此時系統(tǒng)控制器驅(qū)動旋鉆裝置6旋入小行星表層。由于多個旋鉆裝置6斜插進入小行星表層，向內(nèi)合抱即可形成附著力。

當巡視器需要移動時，將巡視移動機構分成兩組，即相間隔的巡視移動機構3個分成一組，這樣可以使一組機構的抓附力或鉆附力向內(nèi)合抱而不至脫附。兩組巡視移動機構交互附著和運動：附著組維持附著狀態(tài)，運動組則首先將鉆旋出或爪刺復位，使該組巡視移動機構脫附并離開表面；附著組協(xié)調(diào)各機構關節(jié)狀態(tài)，使其與前進方向一致，然后驅(qū)動運動組關節(jié)，將巡視器向前移動并達到預定位置；運動組巡視移動機構以首次附著工作程序?qū)?個爪刺-鉆裝置附著到小行星表面，一次移動循環(huán)結束；以此類推，兩組巡視移動機構交互附著運動，使巡視器步態(tài)向前移動。

本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬本領域技術人員的公知技術。