一种小天体探测仿生机器人

1.本发明涉及深空探测机器人，特别涉及一种小天体探测仿生机器人。


背景技术：

2.小天体数量多，分布广，组成成分以及环境特征不尽相同，主要包括小行星、彗星、流星体和其它星际物质。近年来，小天体探测任务受到广泛关注。出于空间资源开发、地球防御、揭示太阳系形成和演化以及探索生命起源等目的，采样返回与原位资源勘探已成为当前小天体探测任务的热点与重点。小天体巡视探测与资源开发利用等技术当前面临诸多挑战，小天体与月球、火星不同，其形状不规则，密度不均匀，旋转状态复杂，引力场微弱，对空间机器人在其表面长期巡视探测提出了较高要求；另一方面小天体表面地形条件复杂，其表面风化层和岩石的力学机理和物理性质目前相关研究较少难以确定，使得对小天体资源进行开发利用变得异常困难。由于小天体特殊的微重力环境、难以确定的表面情况等，当前的探测任务多为采样返回与原位分析，而长时间巡视探测与资源开采将是下一阶段研究的制高点。采用仿生技术设计与控制的空间机器人可以为未来小天体探测提供多种行之有效的解决思路，其中受蟑螂、壁虎等启发的附着机理以及动力攀爬机制已被应用于包括sp i nybot、st i ckybot等多款地面爬壁机器人以及包括lemur i i b、lemur i i i等多款空间机器人的设计与控制方案中。采用仿生技术设计与控制的空间机器人在小天体探测任务中具有良好的应用前景可加以考虑。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种小天体探测仿生机器人，以解决小天体巡视探测与资源开发利用问题。
4.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
5.一种小天体探测仿生机器人，包括仿生附着器、机械臂、相机组件及机身主体，其中机身主体的外侧沿周向设有多个机械臂，各机械臂的执行末端均设有仿生附着器；相机组件设置于机身主体的顶部，相机组件用于小天体地形场景的识别与建模。
6.所述机械臂包括机械臂基座、关节ⅰ、连杆ⅰ、关节ⅱ、转接头、关节ⅲ、连杆ⅱ及关节ⅳ，其中机械臂基座与所述机身主体连接，连杆ⅰ的一端通过关节ⅰ与机械臂基座连接，连杆ⅰ的另一端通过关节ⅱ与转接头的一端连接；连杆ⅱ的一端通过关节ⅲ与转接头的另一端连接，连杆ⅱ的另一端与关节ⅳ连接；关节ⅳ与所述仿生附着器连接。
7.所述相机组件包括回转支架、俯仰支座、相机、传感器ⅰ及传感器ⅱ，其中回转支架的一端与所述机身主体转动连接，回转支架的另一端两侧分别与俯仰支座和传感器ⅱ连接，相机和传感器ⅰ设置于俯仰支座上。
8.所述机身主体包括机身外壳、聚合物锂电池组、主控板、电机、限位支座、回转连接器、太阳能电池板及机架，其中聚合物锂电池组安装中机架的底部；限位支座为环状结构，限位支座设置于机架的中心位置，电机设置于限位支座内，且电机的输出端通过回转连接
器与所述相机组件连接；主控板设置于限位支座的顶部，主控板与电机和聚合物锂电池组连接；机身外壳设置于机架的外侧；太阳能电池板设置于机身外壳的顶部，且太阳能电池板与聚合物锂电池组和电机连接。
9.所述仿生附着器包括爪刺机构、连杆机构、驱动机构、张紧机构、释放机构、附着器基座及转接法兰，其中附着器基座通过转接法兰与所述机械臂的执行末端连接；附着器基座上沿周向设有多个连杆机构，各连杆机构的末端均连接有爪刺机构；传动机构、张紧机构及释放机构设置于附着器基座内部，传动机构与张紧机构连接，张紧机构和释放机构均与多个连杆机构连接；传动机构用于驱动张紧机构，张紧机构通过驱动连杆机构使爪刺机构附着在小天体风化层表面；释放机构通过驱动连杆机构使爪刺机构脱附于小天体风化层表面。
10.所述连杆机构包括连杆ⅰ、连杆ⅱ、连杆ⅲ、卷簧座、卷簧、滚动座、扭簧座、扭簧及支撑座，其中连杆ⅰ与所述爪刺机构和所述张紧机构连接，连杆ⅱ为平行四杆机构，且连杆ⅱ的两端分别与连杆ⅰ和连杆ⅲ转动连接；卷簧座安装在连杆ⅲ靠近连杆ⅱ的一端，卷簧安装在卷簧座上，卷簧的一端与连杆ⅱ连接；滚动座安装在连杆ⅲ的另一端，滚动座与所述释放机构转动连接；支撑座转动连接在连杆ⅲ的另一端端部，支撑座与所述附着器基座连接；扭簧座安装在连杆ⅲ的另一端，扭簧安装在扭簧座上，且扭簧的端部与支撑座抵接。
11.所述爪刺机构包括仿生柔顺爪刺片、滑动润滑垫、滑动销、侧板及悬挂保持架，其中仿生柔顺爪刺片为多个，且依次叠置形成仿生柔顺爪刺片阵列，相邻两个仿生柔顺爪刺片之间设有滑动润滑垫；仿生柔顺爪刺片阵列设置于悬挂保持架内，且前端通过滑动销与悬挂保持架连接，悬挂保持架的左右两侧设有侧板，仿生柔顺爪刺片阵列的后端与侧板连接；悬挂保持架的后端与所述连杆机构连接。
12.所述仿生柔顺爪刺片包括弹簧活动座、波形弹簧、波形弹簧固定座、直线弹簧、钩刺及钩刺固定座，其中弹簧活动座的前端设有水平滑槽，所述滑动销容置于该水平滑槽内；弹簧活动座与波形弹簧固定座通过波形弹簧连接，波形弹簧固定座通过固定销与所述侧板连接；弹簧活动座与钩刺固定座通过直线弹簧连接，钩刺安装在钩刺固定座下端，钩刺固定座的上端可活动地容置在所述弹簧活动座上设有的限位槽内。
13.所述驱动机构包括直流电机ⅰ、减速器ⅰ、编码器ⅰ、转接板ⅰ、转接套、深沟球轴承及小齿轮，其中编码器ⅰ安装在直流电机ⅰ下部，减速器ⅰ安装在直流电机ⅰ上部，减速器ⅰ通过转接板ⅰ与所述附着器基座连接，转接套安装在减速器ⅰ输出轴末端，转接套通过深沟球轴承与附着器基座连接，小齿轮通过螺钉与转接套和减速器ⅰ的输出轴末端连接；
14.所述张紧机构包括大齿轮、角接触球轴承ⅰ、中心丝杠、中心螺母、收紧盘、收紧弹簧及钢丝绳，其中中心丝杠通过角接触球轴承ⅰ与所述附着器基座转动连接；中心丝杠的上端设有大齿轮，大齿轮与所述小齿轮啮合；中心螺母与中心丝杠相互配合，收紧盘与中心螺母连接，且与所述附着器基座可沿竖直方向滑动地连接，收紧盘上沿周向连接有多个钢丝绳，各钢丝绳的前端分别与一所述连杆机构连接；
15.各所述钢丝绳的末端与所述收紧盘之间均连接有收紧弹簧。
16.所述释放机构包括直流电机ⅱ、减速器ⅱ、编码器ⅱ、转接板ⅱ、角接触球轴承ⅱ、小丝杠、释放螺母、丝杠固定罩、连杆支架、释放转接环及释放连杆，其中编码器ⅱ安装在直流电机ⅱ下部，减速器ⅱ安装在直流电机ⅱ上部，减速器ⅱ通过转接板ⅱ与附着器基座相
连，减速器ⅱ的输出端与小丝杠连接，小丝杠通过角接触球轴承ⅱ与所述附着器基座连接，丝杠固定罩罩设于小丝杠的外侧；释放螺母与小丝杠螺纹配合，连杆支架的一端与释放螺母连接，另一端与释放转接环连接，释放转接环设置于与所述附着器基座的外侧，释放转接环与所述附着器基座可沿竖直方向滑动连接；释放转接环上沿周向设有多个释放连杆，各释放连杆分别与一所述连杆机构连接；
17.所述附着器基座的外侧通过支座连接有多个导轨组件，各导轨组件均沿竖直方向设置；释放转接环的外侧沿周向设有多个滑块组件，各滑块组件分别与导轨组件滑动配合。
18.本发明与现有技术相比的优点有益效果是：
19.本发明通过使用基于蟑螂、蜘蛛等微刺仿生而来的附着器能够顺应附着在小天体风化层表面，极大克服小天体微重力环境以及不确定表面的影响。
20.本发明中机器人实现巡视探测过程共有两种模式，即攀爬模式和行走模式，并可通过相应步态规划控制，可实现四组四自由度机械臂协作运动完成运动两种模式之间的转换，使机器人具有较高的灵活性、机动性。
21.本发明中机器人主体采用对称式结构设计，机器人完成转向运动，直接控制相机组件转动至相应方位即可，无需对机械臂步态进行重新规划。
22.本发明中相机通过回转支架和俯仰基座并经电机驱动，可实现绕机身主体中心的圆周回转运动以及上下俯仰运动，可完成对小天体周围地形地势的立体建模与导航工作，并能利用辅助传感器i与传感器i i完成资源勘探工作。
23.本发明中机器人采用太阳能电池板与聚合物锂电池组联合供电方式，同时在电能充足时太阳能电池板也能为聚合物锂电池组供电。
附图说明
24.图1为本发明一种小天体探测仿生机器人的轴测图；
25.图2为本发明一种小天体探测仿生机器人的主视图；
26.图3为本发明中四自由度机械臂的轴测图；
27.图4为本发明中相机组件的轴测图之一；
28.图5为本发明中相机组件的轴测图之二；
29.图6为本发明中机身主体的剖视图；
30.图7为本发明中仿生附着器的轴测图；
31.图8为本发明中仿生附着器的主视图；
32.图9为本发明中仿生附着器的剖视图之一；
33.图10为本发明中仿生附着器的剖视图之二；
34.图11为本发明中爪刺机构的轴测图；
35.图12为本发明中爪刺片的轴测图；
36.图13为本发明中连杆机构的剖视图；
37.图14为本发明中驱动机构的剖视图；
38.图15为本发明中张紧机构的剖视图；
39.图16为本发明中释放机构的剖视图；
40.图17为本发明中附着器基座的剖视图；
41.图18(a)-(f)为本发明一种小天体探测仿生机器人攀爬步态规划序列的示意图；
42.图19(a)-(f)为本发明一种小天体探测仿生机器人行走步态规划序列的示意图；
43.图中：1为爪刺机构，101为仿生柔顺爪刺片，1011为弹簧活动座，1012为波形弹簧，1013为波形弹簧固定座，1014为直线弹簧，1015为钩刺，1016为钩刺固定座，102为滑动润滑垫，103为滑动销，104为侧板，105为悬挂保持架，2为连杆机构，201为连杆ⅰ，202为连杆ⅱ，203为连杆ⅲ，204为卷簧座，205为卷簧，206为滚动座，207为扭簧座，208为扭簧，209为支撑座，3为驱动机构，301为直流电机ⅰ，302为减速器ⅰ，303为编码器ⅰ，304为转接板ⅰ，305为转接套，306为深沟球轴承，307为小齿轮，4为张紧机构，401为大齿轮，402为轴承内圈上端盖，403为角接触球轴承ⅰ，404为轴承外圈上端盖，405为中心丝杠，406为中心螺母，407为收紧盘，408为收紧弹簧，409为钢丝绳，5为释放机构，501为直流电机ⅱ，502为减速器ⅱ，503为编码器ⅱ，504为转接板ⅱ，505为角接触球轴承ⅱ，506为小丝杠，507为释放螺母，508为丝杠固定罩，509为挡圈，510为连杆支架，511为释放转接环，512为滑块组件，513为支座，6为附着器基座，601为中心基座，602为顶部端盖，603为底部端盖，604为导向轴，605为直线轴承座，606为防撞垫，607为法兰架，7为转接法兰，11为仿生附着器，12为机械臂，121为机械臂基座,122为关节ⅰ,123为连杆ⅰ,124为关节ⅱ,125为转接头，126为关节ⅲ，127为连杆ⅱ，128为关节ⅳ，13为相机组件，131为回转支架，132为俯仰支座，133为相机，134为传感器ⅰ，135为传感器ⅱ，136为俯仰电机，14为机身主体，141为机身外壳，142为聚合物锂电池组，143为主控板，144为电机，145为限位支座，146为回转连接器，147为太阳能电池板，148为机架。
具体实施方式
44.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。
45.如图1-2所示，本发明提供的一种小天体探测仿生机器人，包括仿生附着器11、机械臂12、相机组件13及机身主体14，其中机身主体14的外侧沿周向设有多个机械臂12，各机械臂12的执行末端均设有仿生附着器11；相机组件13设置于机身主体14的顶部，相机组件13用于小天体地形场景的识别与建模。本发明通过使用多组机械臂12驱动仿生附着器11，并配合相机组件13建模，继而可实现机器人整体在小天体表面不同地形与地势场景的巡视探测。
46.如图6所示，本发明的实施例中，机身主体14包括机身外壳141、聚合物锂电池组142、主控板143、电机144、限位支座145、回转连接器146、太阳能电池板147及机架148，其中聚合物锂电池组142安装中机架148的底部；限位支座405为环状结构，限位支座405设置于机架148的中心位置，电机144设置于限位支座405内，且电机144的输出端通过回转连接器146与相机组件13连接；主控板143设置于限位支座405的顶部，主控板143与电机144和聚合物锂电池组142连接；机身外壳141设置于机架148的外侧；太阳能电池板147设置于机身外壳141的顶部，且太阳能电池板147与聚合物锂电池组142和电机144连接。机身主体14作为机器人核心部分为其余构件提供装配接口。
47.如图4所示，本发明的实施例中，相机组件13包括回转支架131、俯仰支座132、相机133、传感器ⅰ134及传感器ⅱ135，其中回转支架131的一端与机身主体14内的回转连接器
146连接，回转支架131的另一端两侧分别与俯仰支座132和传感器ⅱ135连接，相机133和传感器ⅰ134设置于俯仰支座132上。具体地，传感器ⅰ134设置于相机133的前面板上。
48.如图5所示，本发明的实施例中，俯仰支座132通过转轴与回转支架131转动连接，且俯仰支座132通过俯仰电机136驱动进行俯仰动作。具体地，俯仰电机136设置于回转支架131上，俯仰电机136的输出轴与转轴连接。
49.相机组件13通过电机144的驱动，可实现圆周回转运动，完成对机器人周围小天体地形场景的识别与建模，并辅助机器人的移动附着与路径规划控制。
50.如图3所示，本发明的实施例中，机械臂12包括机械臂基座121、关节ⅰ122、连杆ⅰ123、关节ⅱ124、转接头125、关节ⅲ126、连杆ⅱ127及关节ⅳ128，其中机械臂基座121与机身主体14连接，连杆ⅰ123的一端通过关节ⅰ122与机械臂基座121连接，连杆ⅰ123的另一端通过关节ⅱ124与转接头125的一端连接；连杆ⅱ127的一端通过关节ⅲ126与转接头125的另一端连接，连杆ⅱ127的另一端与关节ⅳ128连接；关节ⅳ128与仿生附着器11连接。机械臂12通过四自由度带动仿生附着器11运动，各关节均可完成回转动作。通过将四自由度机械臂均布安装在机身主体14的机身外壳141上，四自由度机械臂的末端与仿生附着器11连接，通过所设定步态规划控制算法可实现机器人在小天体表面的移动附着探测活动。
51.如图7-10所示，仿生附着器11包括爪刺机构1、连杆机构2、驱动机构3、张紧机构4、释放机构5及附着器基座6，其中附着器基座6与机械臂12的执行末端连接，附着器基座6上沿周向设有多个连杆机构2，各连杆机构2的末端均连接有爪刺机构1；传动机构3、张紧机构4及释放机构5设置于附着器基座6内部，传动机构3与张紧机构4连接，张紧机构4和释放机构5均与多个连杆机构2连接；传动机构3用于驱动张紧机构4，张紧机构4通过驱动连杆机构2使爪刺机构1附着在小天体风化层表面；释放机构5通过驱动连杆机构2使爪刺机构1脱附于小天体风化层表面。
52.如图17所示，本发明的实施例中，附着器基座6包括中心附着器基座601、顶部端盖602、底部端盖603、导向轴604、直线轴承座605、防撞垫606及法兰架607，其中顶部端盖602和底部端盖603分别与中心附着器基座601的顶部和底部连接，导向轴604设置于顶部端盖602与底部端盖603之间，直线轴承座605安装在导向轴604上，且与张紧机构4连接；防撞垫606安装在底部端盖603下部，法兰架607安装在顶部端盖602上部。
53.如图11所示，本发明的实施例中，爪刺机构1包括仿生柔顺爪刺片101、滑动润滑垫102、滑动销103、侧板104及悬挂保持架105，其中悬挂保持架105的一端与连杆机构2连接，另一端设有水平滑槽；仿生柔顺爪刺片101为多个，且依次叠置形成仿生柔顺爪刺片阵列，相邻两个仿生柔顺爪刺片101之间设有滑动润滑垫102，通过滑动润滑垫102润滑；仿生柔顺爪刺片阵列设置于悬挂保持架105内，且前端通过滑动销103与悬挂保持架105连接，悬挂保持架105的左右两侧设有侧板104，仿生柔顺爪刺片阵列的后端与侧板104连接；悬挂保持架105的后端与连杆机构2连接。
54.如图12所示，本发明的实施例中，仿生柔顺爪刺片101包括弹簧活动座1011、波形弹簧1012、波形弹簧固定座1013、直线弹簧1014、钩刺1015及钩刺固定座1016，其中弹簧活动座1011的前端设有水平滑槽，滑动销103容置于该水平滑槽内，从而使弹簧活动座1011可水平移动；弹簧活动座1011与波形弹簧固定座1013通过波形弹簧1012连接，波形弹簧固定座1013通过固定销与侧板104连接；弹簧活动座1011与钩刺固定座1016通过直线弹簧1014
连接，钩刺1015安装在钩刺固定座1016下端。具体地，钩刺固定座1016位于弹簧活动座1011的前端，钩刺固定座1016的上端可活动地容置于弹簧活动座1011上设有的限位槽内；当钩刺1015附着小天体风化层表面时，弹簧活动座1011可绕钩刺1015转动，从而实现转动自由度。
55.如图13所示，本发明的实施例中，连杆机构2包括连杆ⅰ201、连杆ⅱ202、连杆ⅲ203、卷簧座204、卷簧205、滚动座206、扭簧座207、扭簧208及支撑座209，其中连杆ⅰ201与爪刺机构1和张紧机构4连接，连杆ⅱ202为平行四杆机构，且连杆ⅱ202的两端通过销轴并配合套筒分别与连杆ⅰ201和连杆ⅲ203转动连接；卷簧座204安装在连杆ⅲ203靠近连杆ⅱ202的一端，卷簧205安装在卷簧座204上，卷簧205的一端与连杆ⅱ202连接；滚动座206安装在连杆ⅲ203的另一端，滚动座206与释放机构3转动连接；支撑座209转动连接在连杆ⅲ203的另一端端部，支撑座209与附着器基座6连接；扭簧座207安装在连杆ⅲ203的另一端，扭簧208安装在扭簧座207上，且扭簧208的端部与支撑座209抵接。
56.如图14所示，本发明的实施例中，驱动机构3包括直流电机ⅰ301、减速器ⅰ302、编码器ⅰ303、转接板ⅰ304、转接套305、深沟球轴承306及小齿轮307，其中编码器ⅰ303安装在直流电机ⅰ301下部，减速器ⅰ302安装在直流电机ⅰ301上部，减速器ⅰ302通过转接板ⅰ304与附着器基座6的基座顶部端盖602相连，转接套305安装在减速器ⅰ302输出轴末端，并通过紧定螺钉固定；转接套305通过深沟球轴承306与附着器基座6的基座顶部端盖602连接，小齿轮307通过螺钉与转接套306和减速器ⅰ302的输出轴末端连接。
57.如图15所示，本发明的实施例中，张紧机构4包括大齿轮401、角接触球轴承ⅰ403、中心丝杠405、中心螺母406、收紧盘407、收紧弹簧408及钢丝绳409，其中中心丝杠405通过角接触球轴承ⅰ403与附着器基座6转动连接；中心丝杠405的上端设有大齿轮401，大齿轮401与小齿轮307啮合；中心螺母406与中心丝杠405相互配合，收紧盘407与中心螺母406连接，且与附着器基座6可沿竖直方向滑动地连接，收紧盘407上沿周向连接有多个钢丝绳409，各钢丝绳409的前端分别与一连杆机构2的连杆ⅰ201连接。
58.进一步地，各钢丝绳409的末端与收紧盘407之间均连接有收紧弹簧408。直线轴承座605通过螺钉安装在收紧盘407上，用于与导向轴604相互配合限定收紧盘407上下移动。
59.具体地，大齿轮401通过螺钉安装在轴承内圈上端盖402上部，并与小齿轮307啮合，轴承内圈上端盖402通过螺钉安装在中心丝杠405的上部，并与角接触球轴承403内圈相抵，轴承外圈上端盖404通过螺钉安装在基座顶部端盖602上部，并与角接触球轴承ⅰ403外圈相抵；中心丝杠405通过与角接触球轴承ⅰ403配合限定于基座顶部端盖602与基座底部端盖603中心，并通过大齿轮401驱动做回转运动。
60.如图16所示，本发明的实施例中，释放机构5包括直流电机ⅱ501、减速器ⅱ502、编码器ⅱ503、转接板ⅱ504、角接触球轴承ⅱ505、小丝杠506、释放螺母507、丝杠固定罩508、连杆支架510、释放转接环511及释放连杆515，其中编码器ⅱ503安装在直流电机ⅱ501下部，减速器ⅱ502安装在直流电机ⅱ501上部，减速器ⅱ502通过转接板ⅱ504与附着器基座6相连，减速器ⅱ502的输出端与小丝杠506连接，小丝杠506通过角接触球轴承ⅱ505与附着器基座6连接，丝杠固定罩508罩设于小丝杠506的外侧；释放螺母507与小丝杠506螺纹配合，连杆支架510的一端与释放螺母507连接，另一端与释放转接环511连接，释放转接环511设置于与附着器基座6的外侧，释放转接环511与附着器基座6可沿竖直方向滑动连接；释放
转接环511上沿周向设有多个释放连杆515，各释放连杆515分别与一连杆机构2的滚动座206连接。
61.进一步地，附着器基座6的外侧通过支座514连接有多个导轨组件513，各导轨组件513均沿竖直方向设置；释放转接环511的外侧沿周向设有多个滑块组件512，各滑块组件512分别与导轨组件513滑动配合。
62.具体地，减速器ⅱ502通过转接板ⅱ504与基座顶部端盖602相连，两个角接触球轴承ⅱ505分别安装在基座顶部端盖602与丝杠固定罩508顶部，且与小丝杠506配合，同时小丝杠506下部通过紧定螺钉与减速器ⅱ502输出轴连接，其上部通过螺钉紧固挡圈509与角接触球轴承ⅱ505内圈相抵，释放螺母507与小丝杠506配合，丝杠固定罩508通过螺钉安装在基座顶部端盖602上部。
63.本发明的实施例中，仿生附着器11采用仿生设计可实现对小天体风化层表面的适应性附着与脱附，具体工作原理为：
64.(1)张紧附着过程：驱动机构3通过直流电机ⅰ301以及减速器ⅰ302带动小齿轮307转动，小齿轮307将动力传递给张紧机构4的大齿轮401，继而带动中心丝杠405回转，此时收紧盘407在中心螺母406与中心丝杠405配合作用下向上运动，进而张紧安装在收紧盘407周边的收紧弹簧408与钢丝绳409，在钢丝绳409的驱动下连杆ⅰ201向内收拢，从而使爪刺机构1向内运动，此时仿生柔顺爪刺片101便可实现顺应性钩附在小天体风化层表面。
65.(2)释放脱附过程：释放机构5通过直流电机ⅱ501以及减速器ⅱ502带动小丝杠506回转，进而使得释放螺母507向上提升，此时与释放螺母507连接的连杆支架510带动释放转接环511向上运动，继而带动释放连杆515，在释放连杆515驱动下连杆ⅲ203绕支撑座209向内回转，同时连杆ⅱ202在连杆ⅲ203以及卷簧205作用下向上提升，继而实现连杆ⅰ201与爪刺机构1向上提升，实现脱附。
66.本发明提供的一种小天体探测仿生机器人，实现巡视探测过程共有两种运动模式，即攀爬模式和行走模式，并可通过相应步态规划控制，可实现四组四自由度机械臂协作运动，完成两种运动模式之间的转换，使机器人具有较高的灵活性、机动性。
67.本发明的实施例中，以四组具有四自由度的机械臂为例，通过四组四自由度机械臂协作运动，完成攀爬模式和行走模式之间的转换。
68.如图18(a)-(f)所示，机器人爬行过程采用前后足依次交替附着的步态序列模式进行，该步态序列通过模仿壁虎、蜥蜴等四足爬行机制实现运动，其中图18(a)为机器人爬行开始时的原始状态，此时前后四组机械臂12处于均向内收拢状态，四组机械臂12末端的仿生附着器11均处于附着状态；之后，后足两组机械臂12与其末端的仿生附着器11均保持原始状态不变，控制前足左侧单组机械臂12末端的仿生附着器11使其处于脱附状态，然后控制前足左侧机械臂12伸出，使其处于图18(b)位置，最后控制前足左侧机械臂12末端的仿生附着器11处于附着状态；同样，保持前足左侧单组机械臂12与后足两组机械臂12处于图18(b)状态不变，且保持其末端的仿生附着器11均处于附着状态，并控制前足右侧机械臂12末端的仿生附着器11使其处于脱附状态，然后控制前足右侧机械臂12伸出，使其处于图18(c)位置，最后控制前足右侧机械臂12末端的仿生附着器11处于附着状态；接着，前后四组机械臂12末端的仿生附着器11均保持附着状态不变，协调控制四组机械臂12，前足两组机械臂12收缩，后足两组机械臂12伸出，使其处于图18(d)位置，此时机身主体14向前移动；然
后，前足两组机械臂12与后足右侧单组机械臂12均保持图18(d)状态不变，且保持其末端的仿生附着器11均处于附着状态，控制后足左侧单组机械臂12末端的仿生附着器11处于脱附状态，之后控制后足左侧单组机械臂12收缩，处于图18(e)位置，最后控制后足左侧机械臂12末端的仿生附着器11处于附着状态；最后一步，保持前足两组机械臂12与后足左侧单组机械臂12均保持图18(e)状态不变，且保持其末端的仿生附着器11均处于附着状态，控制后足右侧单组机械臂12末端的仿生附着器11处于脱附状态，之后控制后足右侧单组机械臂12收缩，处于图18(f)位置，最后控制后足右侧机械臂12末端的仿生附着器11处于附着状态，至此机器人完成爬行过程步态序列，连续执行上述步态序列，便可完成机器人在小天体表面的攀爬附着运动。
69.如图19(a)-(f)所示，本发明的实施例中，机器人直立行走过程采用后足交替附着的步态序列模式进行，该步态序列通过模仿人类攀爬岩石的动态机制实现运动。其中19(a)为机器人爬行开始时的原始状态,此时前后足四组机械臂12处于均向内收拢状态，其末端的仿生附着器11均处于附着状态；之后，前足两组机械臂12与其末端的仿生附着器11均保持原始状态不变，控制后足两组机械臂12末端的仿生附着器11使其处于脱附状态，然后控制后足两组机械臂12向后伸出，且使仿生附着器11旋转90度，使其处于图19(b)位置，最后控制后足两组机械臂12末端的仿生附着器11处于附着状态；前足两组机械臂12保持原始状态不变，其末端的仿生附着器11保持脱附状态，后足左侧单组机械臂12状态保持不变，其末端的仿生附着器11保持附着状态，控制后足右侧单组机械臂12末端的仿生附着器11处于脱附状态，接着控制后足右侧单组机械臂12向右侧伸出，处于图19(c)位置；前足两组机械臂12保持原始状态不变，其末端的仿生附着器11保持脱附状态不变，后足右侧单组机械臂12保持图19(c)位置不变，其末端的仿生附着器11处于脱附状态不变，后足左侧单组机械臂12末端的仿生附着器11保持附着状态不变，并控制后足左侧单组机械臂12向右侧伸出，处于图19(d)位置，此时机身主体14向右侧移动；前足两组机械臂12保持原始状态不变，其末端的仿生附着器11保持脱附状态，后足左侧单组机械臂12保持图19(d)位置不变，控制其末端的仿生附着器11处于脱附状态，后足右侧单组机械臂12末端的仿生附着器11保持附着状态，并控制后足右侧单组机械臂12收缩，使其末端的仿生附着器11向右侧移动，处于图19(e)位置；前足两组机械臂12保持原始状态不变，其末端的仿生附着器11保持脱附状态不变，后足右侧单组机械臂12保持图19(e)位置不变，其末端的仿生附着器11保持附着状态，控制左侧单组机械臂12收缩，使其末端的仿生附着器11向右侧移动，处于图19(f)位置，接着控制其末端的仿生附着器11处于附着状态，至此机器人完成行走过程步态序列，连续执行上述步态序列，便可完成机器人在小天体表面的行走附着运动。
70.本发明提供的一种小天体探测仿生机器人，可通过主探测器释放至小天体表面，完成对小天体风化层以及岩石表面的巡视探测与资源勘探任务。该机器人可实现微重力下的机动性附着，若四自由度机械臂末端的仿生附着器配合螺旋钻，可实现小天体资源开采利用，若对该机器人加以改造还可将其应用于月球、火星等星表巡视探测机器人的设计中，另外该机器人也能用于航天器巡检维修等任务中。
71.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。

技术特征：
(203)的另一端，扭簧(208)安装在扭簧座(207)上，且扭簧(208)的端部与支撑座(209)抵接。7.根据权利要求5所述的小天体探测仿生机器人，其特征在于，所述爪刺机构(1)包括仿生柔顺爪刺片(101)、滑动润滑垫(102)、滑动销(103)、侧板(104)及悬挂保持架(105)，其中仿生柔顺爪刺片(101)为多个，且依次叠置形成仿生柔顺爪刺片阵列，相邻两个仿生柔顺爪刺片(101)之间设有滑动润滑垫(102)；仿生柔顺爪刺片阵列设置于悬挂保持架(105)内，且前端通过滑动销(103)与悬挂保持架(105)连接，悬挂保持架(105)的左右两侧设有侧板(104)，仿生柔顺爪刺片阵列的后端与侧板(104)连接；悬挂保持架(105)的后端与所述连杆机构(2)连接。8.根据权利要求7所述的小天体探测仿生机器人，其特征在于，所述仿生柔顺爪刺片(101)包括弹簧活动座(1011)、波形弹簧(1012)、波形弹簧固定座(1013)、直线弹簧(1014)、钩刺(1015)及钩刺固定座(1016)，其中弹簧活动座(1011)的前端设有水平滑槽，所述滑动销(103)容置于该水平滑槽内；弹簧活动座(1011)与波形弹簧固定座(1013)通过波形弹簧(1012)连接，波形弹簧固定座(1013)通过固定销与所述侧板(104)连接；弹簧活动座(1011)与钩刺固定座(1016)通过直线弹簧(1014)连接，钩刺(1015)安装在钩刺固定座(1016)下端，钩刺固定座(1016)的上端可活动地容置在所述弹簧活动座(1011)上设有的限位槽内。9.根据权利要求5所述的小天体探测仿生机器人，其特征在于，所述驱动机构(3)包括直流电机ⅰ(301)、减速器ⅰ(302)、编码器ⅰ(303)、转接板ⅰ(304)、转接套(305)、深沟球轴承(306)及小齿轮(307)，其中编码器ⅰ(303)安装在直流电机ⅰ(301)下部，减速器ⅰ(302)安装在直流电机ⅰ(301)上部，减速器ⅰ(302)通过转接板ⅰ(304)与所述附着器基座(6)连接，转接套(305)安装在减速器ⅰ(302)输出轴末端，转接套(305)通过深沟球轴承(306)与附着器基座(6)连接，小齿轮(307)通过螺钉与转接套(306)和减速器ⅰ(302)的输出轴末端连接；所述张紧机构(4)包括大齿轮(401)、角接触球轴承ⅰ(403)、中心丝杠(405)、中心螺母(406)、收紧盘(407)、收紧弹簧(408)及钢丝绳(409)，其中中心丝杠(405)通过角接触球轴承ⅰ(403)与所述附着器基座(6)转动连接；中心丝杠(405)的上端设有大齿轮(401)，大齿轮(401)与所述小齿轮(307)啮合；中心螺母(406)与中心丝杠(405)相互配合，收紧盘(407)与中心螺母(406)连接，且与所述附着器基座(6)可沿竖直方向滑动地连接，收紧盘(407)上沿周向连接有多个钢丝绳(409)，各钢丝绳(409)的前端分别与一所述连杆机构(2)连接；各所述钢丝绳(409)的末端与所述收紧盘(407)之间均连接有收紧弹簧(408)。10.根据权利要求5所述的小天体探测仿生机器人，其特征在于，所述释放机构(5)包括直流电机ⅱ(501)、减速器ⅱ(502)、编码器ⅱ(503)、转接板ⅱ(504)、角接触球轴承ⅱ(505)、小丝杠(506)、释放螺母(507)、丝杠固定罩(508)、连杆支架(510)、释放转接环(511)及释放连杆(515)，其中编码器ⅱ(503)安装在直流电机ⅱ(501)下部，减速器ⅱ(502)安装在直流电机ⅱ(501)上部，减速器ⅱ(502)通过转接板ⅱ(504)与附着器基座(6)相连，减速器ⅱ(502)的输出端与小丝杠(506)连接，小丝杠(506)通过角接触球轴承ⅱ(505)与所述附着器基座(6)连接，丝杠固定罩(508)罩设于小丝杠(506)的外侧；释放螺母(507)与小丝杠(506)螺纹配合，连杆支架(510)的一端与释放螺母(507)连接，另一端与释放转接环(511)连接，释放转接环(511)设置于与所述附着器基座(6)的外侧，释放转接环(511)与所述附着器基座(6)可沿竖直方向滑动连接；释放转接环(511)上沿周向设有多个释放连杆(515)，各
释放连杆(515)分别与一所述连杆机构(2)连接；所述附着器基座(6)的外侧通过支座(514)连接有多个导轨组件(513)，各导轨组件(513)均沿竖直方向设置；释放转接环(511)的外侧沿周向设有多个滑块组件(512)，各滑块组件(512)分别与导轨组件(513)滑动配合。

技术总结
本发明涉及深空探测机器人，特别涉及一种小天体探测仿生机器人。包括仿生附着器、机械臂、相机组件及机身主体，其中机身主体的外侧沿周向设有多个机械臂，各机械臂的执行末端均设有仿生附着器；相机组件设置于机身主体的顶部，相机组件用于小天体地形场景的识别与建模。本发明通过使用基于蟑螂、蜘蛛等微刺仿生而来的附着器能够顺应附着在小天体风化层表面，极大克服小天体微重力环境以及不确定表面的影响。的影响。的影响。


技术研发人员：张伟 周维佳 程钦锟 李俊麟 李振新
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所
技术研发日：2021.12.17
技术公布日：2023/6/20