CN104859746B - 仿壁虎机器人在微重力环境下的实验系统及地面实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿壁虎机器人在微重力环境下的实验系统，属于机器人技术领域。包括仿壁虎机器人机构、气球、三自由度运动平台和运动控制单元；气球用于向仿壁虎机器人机构提供重力补偿，运动控制单元控制仿壁虎机器人机构运行；仿壁虎机器人机构包括机身和与机身相连接的四条结构相同的肢体，任意相邻两条肢体相对称；气球所填充气体的密度小于空气密度。本发明使用所填充气体的密度小于空气密度的气球模拟了微重力环境，实现了微小型机器人在三维空间下的重力补偿，相对于传统的方法成本低、操作性强并且可靠性高。本发明还提供了一种仿壁虎机器人在微重力环境下的实验方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种仿壁虎机器人实验系统及地面实验方法，具体讲是一种仿壁虎机器人在微重力环境下的实验系统及地面实验方法，属于机器人技术领域。
背景技术
随着科技的进步，人类对太空的探索、研究与开发应用的能力在不断扩展与提高。自二十世纪五十年代以来，航天事业得以迅速发展，航天飞机、宇宙飞船的产生，以及空间站的建立，标志着外层空间开始成为人类的活动空间。在太空活动中，针对空间航天设备的维护维修、燃料加注以及轨道垃圾清理检查等在轨服务的需求变得越来越迫切。为了降低成本，提高航天员空间舱外作业效率，空间机器人成为美国、欧共体、俄罗斯等航天强国的重点发展方向。目前比较流行的做法是在航天器上设置很多接口，机械臂在各个接口间切换，实现移动和作业。但此类机械臂重量大、作业空间受到限制，比较适合于在轨装配等大型作业任务，无法应于常规的小型作业任务。另一方面，航天器在空间面临各种复杂环境和意外损伤，迫切需要能够在航天器上方便移动的机器人，完成检测、维修等任务，以减少航天员空间舱外作业，提高舱外作业的安全系数。
在微重力环境下，航天器和机器人间的稳定接触是实现良好运动的基础，由于没有重力锁和，黏附力成为固体间稳定接触的关键。从机制上，真空吸附不再有效，磁吸附不能使用，湿黏附无法使用，基于范德华力的干黏附是目前已知最好的选择。在亿万年的演化中，壁虎具有出色的黏附和运动能力，拥有空间三维表面（从地面、墙面到天花板）无障碍的运动能力，且爬行几乎不受材料种类的影响，在光滑或粗糙表面没有明显区别。壁虎的空间三维表面无障碍运动能力，是依赖脚趾上的刚毛微/纳米多等级结构，依靠分子间的范德华力机制，保证了刚毛对从纳米到毫米的宏观尺度的多尺度粗糙度的适应性，增加了刚毛与被黏附表面的实际接触面积以保障强黏附性。这种依靠分子间范德华力的黏附机制更适用于空间微重力环境下固体间黏附，仿壁虎刚毛黏附材料的应用将有可能解决微重力环境下如何保证服务机器人在目标航天器上稳定黏附、运动的问题。
国内外研制了一系列的使用干黏附材料的仿壁虎机器人，实现了不同结构表面的运动。例如，美国斯坦福大学的Cutkosky等人研制的Stickybot（Kim S, Spenko M,Trujillo S, et al. Robotics and Automation, 2007 IEEE InternationalConference on. IEEE, 2007: 1268-1273），卡耐基梅隆大学的微小型机器人实验室研制的Waalbot（Murphy M P, Sitti M.. Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on,2007, 12(3): 330-338）和Daltorio等人研制的Mini-Whegs（Daltorio K A, Horchler AD, Gorb S, et al. Intelligent Robots and Systems, 2005.(IROS 2005). 2005IEEE/RSJ International Conference on. IEEE, 2005: 3648-3653）。但上述的机器人仅能在水平面、竖直面或是天花板表面的运动，无法在微重力下的进行运动。
对于空间微重力环境地面模拟试验方法，主要有落塔法、悬吊法、水浮法和气浮法等。落塔法是通过在微重力塔中执行自由落体运动，从而能产生微重力实验环境的一种方法。它的空间微重力环境模拟精度较高，但是造价昂贵，试验时间短，通用性差。悬吊法是通过吊丝的垂直拉力来平衡试验对象的重力。该方法的试验时间不受限制，但是重力补偿精度不高。水浮法是利用水的浮力来平衡试验对象的重力，通过精确调整漂浮器的浮力，使试验对象所受的浮力和重力平衡，产生随机平衡的漂浮状态。该方法易受水的阻力和紊流影响，且要保证系统的密封性。气浮法是利用气体压力，由气膜浮起试验对象，使其可以在一定的空间自由移动。该方法较为简便，但是只能模拟平面内的试验。此外，现有空间微重力环境地面模拟试验装置及方法，都是针对大型机械臂和空间飞行器，通常成本高、造价昂贵、存在各种不同的缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术缺陷，提供一种成本低、操作性强、可靠性高，在微重力环境实现下的仿壁虎机器人实验系统及地面实验方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供的仿壁虎机器人在微重力环境下的实验系统，包括仿壁虎机器人机构、气球、三自由度运动平台和运动控制单元；所述气球用于向仿壁虎机器人机构提供重力补偿；所述仿壁虎机器人机构包括机身和与机身相连接的四条结构相同的肢体，任意相邻两条肢体相对称；所述肢体包括与机身连接的三自由度驱动装置、三维力传感器、球关节和黏附脚掌；所述三维力传感器连接三自由度驱动装置，所述黏附脚掌连接球关节，所述球关节连接三维力传感器；所述三自由度驱动装置和三维力传感器电连接运动控制单元；所述黏附脚掌包括前向脚掌和侧向脚掌；所述仿壁虎机器人机构四条肢体上的前向脚掌和侧向脚掌呈对称分布，均指向机身的外侧；所述气球所填充气体的密度小于空气密度。
本发明中，所述三自由度驱动装置包括相互连接三个电机，所述第一电机连接机身固定连接，第三电机连接三维力传感器，第一电机与第二电机相垂直设置；所述第一电机带动第二电机旋转，第二电机带动第三电机旋转，第三电机带动三维力传感器旋转。
本发明中，所述黏附脚掌采用干黏附材料制成。
本发明中，所述干黏附材料为碳纳米管。
本发明中，所述黏附脚掌与三维力传感器之间连接弹簧阻尼。
本发明还提供了一种仿壁虎机器人在微重力环境下的地面模拟测试方法，采用上述实验系统，包括以下步骤：
1）、将气球连接仿壁虎机器人机身的质心位置；
2）、将仿壁虎机器人黏附在三自由度运动平台上；
3）、运行三自由度运动平台，在运动过程中时刻保持仿壁虎机器人任意对角的肢体上的黏附脚掌黏附在三自由度运动平台上，与气球呈Y型姿态，拉向仿壁虎机器人机身的质心，保持黏附。
本发明的有益效果在于：(1)、本发明使用所填充气体的密度小于空气密度的气球模拟了微重力环境，实现了微小型机器人在三维空间下的重力补偿，相对于传统的方法成本低、操作性强并且可靠性高；(2)、黏附脚掌采用干黏附材料实现机器人的黏/脱附，此种基于范德华力的黏/脱附机制对不同表面有广泛的适应性，可用于在太空环境下可自主移动检测功能的在轨服务机器人，实现在轨服务机器人在目标航天器上稳定黏附和运动，完成空间检测维护或特种操作的任务；(3)、仿壁虎机器人的四个脚掌对称分布，均指向外侧，在微重力环境下四条脚掌受力拉向身体的质心，保证了机器人稳定的黏附和运动，提高实验数据的准确性。(4)、黏附脚掌与三维力传感器之间连接弹簧阻尼可以增加黏附脚掌的被动自由度，使其能和黏附平台更好的接触，并减小脚掌受黏附平台的冲击，延长黏附脚掌使用寿命。
附图说明
图1为本发明仿壁虎机器人在微重力环境下的实验系统结构示意图；
图2为本发明中仿壁虎机器人结构示意图。
图3为本发明仿壁虎机器人在微重力环境下的实验系统的地面模拟测试方法示意图；
图4为本发明仿壁虎机器人在微重力环境下的实验系统的左前腿系统框图；
图5为本发明仿壁虎机器人在微重力环境下的实验系统的力柔顺反馈控制流程示意图；
图6是本发明仿壁虎机器人在微重力环境下运动单腿黏/脱附轨迹。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本实施方式的仿壁虎机器人在微重力环境下的实验系，包括仿壁虎机器人1、气球2、黏附平台3和控制单元4。气球2用于在三维空间下任意位姿为仿壁虎机器人1提供重力补偿；气球2采用氢气球，也可以采用氦气球、热气球等所填充气体的密度小于空气密度的气球。仿壁虎机器人1可对与黏附平台3进行黏脱。黏附平台3具有x、y、z三个方向的自由度，可为仿壁虎机器人1设置不同的黏脱环境。控制单元4安装在仿壁虎机器人1上，用于控制仿壁虎机器人1的运行。
如图2所示，仿壁虎机器人1包括机身1-1，机身1-1的前后两端分别安装两条肢体，共四条肢体1-2、1-3、1-4和1-5，四条肢体结构相同，肢体1-2和1-3位于机身1-1前端，肢体1-4和1-5位于机身1-1后端。肢体包括第一电机1-6、第二电机1-7、第三电机1-8、三维力传感器1-9、球关节1-10和黏附脚掌，第一电机1-6、第二电机1-7和第三电机1-8电连接控制单元4，控制单元4控制三个电机的运行。第一电机1-6固定安装在机身1-1上，第二电机1-7通过连接架连接第一电机1-6，第一电机1-6与第二电机1-7相垂直设置，第一电机1-6带动第二电机1-7旋转。第二电机1-7通过连接架1-15连接第三电机1-8，第二电机1-7带动第三电机1-8绕其旋转，从而实现肢体三个主动自由度运动。第三电机1-8通过连接架1-15连接三维力传感器1-9，三维力传感器1-9电连接控制单元4，第三电机1-8带动三维力传感器1-9绕其旋转。位于机身1-1前侧的两个肢体1-2和1-3之间、位于机身1-1后侧的肢体1-4和1-5之间均通过连接杆1-14相互连接，以仿壁虎机器人1提高整体稳定性。三维力传感器1-9的下方固定连接球关节1-10，球关节1-10具有三个被动自由度。球关节1-10连接黏附脚掌，黏附脚掌包括前向脚掌1-11和侧向脚掌1-12，前向脚掌1-11和侧向脚掌1-12圴采用由干黏附材料制成，在本实施例中为碳纳米管，当然也可以采用聚酯类的弹性体等具有微观结构的各项异性材料。在前向脚掌1-11和侧向脚掌1-12与三维力传感器1-9之间设有弹簧阻尼1-13，弹簧阻尼1-13可以增加脚掌的被动自由度，使其能和黏附平台3更好的接触，并减小脚掌受黏附平台3的冲击。仿壁虎机器人1的四条肢体上的前向脚掌1-11和侧向脚掌1-12呈对称分布，均指向机身1-1的外侧。仿壁虎机器人1的四条肢体中，任意相邻的两条肢体相对称。
如图3所示，本发明仿壁虎机器人在微重力环境下的实验系统的地面模拟测试方法按以下方式实现：
1）、对黏附平台3的初始位置进行任意调节，以用于模拟不同位置的黏附表面；
2）、将气球2安装连接在仿壁虎机器人1机身的质心位置，用于实现仿壁虎机器人1在三维空间下任意位姿的重力补偿；
3）、初始时刻将仿壁虎机器人1黏附在黏附平台3上；运行黏附平台3模拟不同位置的黏附表面，在运动过程中任意时刻保持仿壁虎机器人1对角肢体（即肢体1-2和1-5、肢体1-3和1-4）的黏附脚掌黏附在黏附平台3上，与气球形成Y型姿态，以拉向仿壁虎机器人1机身的质心，保证稳定的黏附，进行实验及各类数据的采集。
本实施例中仿壁虎机器人在微重力环境下的控制方法如下：
1、在Matlab下的SimMechanics的仿真环境里建立所述仿壁虎机器人在微重力环境下的运动模型；分析其运动特点并设定它的步态参数（例如步距，周期，抬腿高度，下压深度等），通过设定不同参数规划仿壁虎机器人的相应步态，从而获得黏附脚掌的黏/脱附轨迹。如图4所示，两自由度的运动副（相当于抬腿关节和关节1）连接大腿与机身；大小腿间用单自由度（相当于关节2）的运动副连接；脚掌通过球关节与小腿末端连接，球关节具有三个转动关节，定义脚掌落地时转动轴与平面垂直的关节为脚掌摆动关节。步态数据从工作空间（Workspace）输入，通过关节驱动模块驱动各个关节，其中球关节里的脚掌摆动关节也由关节驱动模块驱动，用来保证脚掌落地时预期的摆放方向，而球关节的另外两关节为具有弹性阻尼的被动关节，每当腿抬起时该两个关节复位。力反馈模块计算并输出脚掌与黏附表面的接触力，最后通过刚体驱动模块施加作用在脚掌上。步态规划时需要保证任意时刻至少有两个对角的黏附脚掌与黏附平台保持黏附；
2、利用计算机仿真获得所述仿壁虎机器人所有肢体上全部电机（共12个）的角度变量，通过软件编程，由控制单元实现12个电机运动控制，从而实现仿壁虎机器人的运动；
3、采用力柔顺反馈控制，通过三维力传感器采集黏附脚掌的黏/脱附力，将三维力传感器采集的黏/脱附力与期望给定的黏/脱附力比较后，将两者之间的偏差发送给仿壁虎机器人的运动模型，通过调节运动过程中的关节角度来进一步调节仿壁虎机器人黏附脚掌的黏/脱附轨迹，从而获得期望的黏/脱附轨迹，满足相应黏/脱附力值的控制要求，如图5所示。
通过实验验证，仿壁虎机器人在微重力环境下的运动步态顺序为：右前腿-右后腿-身体拉伸-左前腿-左后腿-身体拉伸；其中运动周期为10s，速度为2.8mm/s，抬腿高度为60mm，下压深度为13mm；其中左前腿脚掌的黏/脱附轨迹，如图6所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种仿壁虎机器人在微重力环境下的实验系统，其特征在于：包括仿壁虎机器人机构、气球、三自由度运动平台和运动控制单元；所述气球用于向仿壁虎机器人机构提供重力补偿；所述仿壁虎机器人机构包括机身和与机身相连接的四条结构相同的肢体，任意相邻两条肢体相对称；所述肢体包括与机身连接的三自由度驱动装置、三维力传感器、球关节和黏附脚掌；所述三维力传感器连接三自由度驱动装置，所述黏附脚掌连接球关节，所述球关节连接三维力传感器；所述三自由度驱动装置和三维力传感器电连接运动控制单元；所述黏附脚掌包括前向脚掌和侧向脚掌；所述仿壁虎机器人机构四条肢体上的前向脚掌和侧向脚掌呈对称分布，均指向机身的外侧；所述气球所填充气体的密度小于空气密度；所述黏附脚掌采用干黏附材料制成。
2.根据权利要求1所述的仿壁虎机器人在微重力环境下的实验系统，其特征在于：所述三自由度驱动装置包括相互连接三个电机，第一电机连接机身固定连接，第三电机连接三维力传感器，第一电机与第二电机相垂直设置；第一电机带动第二电机旋转，第二电机带动第三电机旋转，第三电机带动三维力传感器旋转。
3.根据权利要求2所述的仿壁虎机器人在微重力环境下的实验系统，其特征在于：所述干黏附材料为碳纳米管。
4.根据权利要求1至3任一项所述的仿壁虎机器人在微重力环境下的实验系统，其特征在于：所述黏附脚掌与三维力传感器之间连接弹簧阻尼。
5.一种仿壁虎机器人在微重力环境下的地面实验方法，采用权利要求1所述的实验系统，其特征在于包括以下步骤：
1）、将气球连接仿壁虎机器人机身的质心位置；
2）、将仿壁虎机器人黏附在三自由度运动平台上；
3）、运行三自由度运动平台，在运动过程中时刻保持仿壁虎机器人任意对角的肢体上的黏附脚掌黏附在三自由度运动平台上，与气球呈Y型姿态，拉向仿壁虎机器人机身的质心，保持黏附，进行实验及各类数据的采集。
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