CN111015620B - 一种适用于弱引力星表探测的飞航行走一体化机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于弱引力星表探测的飞航行走一体化机器人，属于空间机器人和工业机器人设计领域；包括机器人本体、尾部姿控发动机、头部姿控发动机、多自由度操作机械臂、4个可变形分段筛网轮、4个轮腿复用机械臂、2个太阳能电池阵和视觉系统；尾部姿控发动机安装在机器人本体尾端；头部姿控发动机安装在机器人本体头端；多自由度操作机械臂安装在机器人本体头端；视觉系统安装在机器人本体顶部；2个太阳能电池阵和4个轮腿复用机械臂对称固定安装在对称安装在机器人本体2侧侧壁；可变形分段筛网轮与轮腿复用机械臂对接；本发明的机器人具备高效移动、强通过性能、能适应星表复杂环境，具备星表巡视探测、搬运、组装操作等多功能。

Description

一种适用于弱引力星表探测的飞航行走一体化机器人

技术领域

本发明属于空间机器人和工业机器人设计领域，涉及一种适用于弱引力星表探测的飞航行走一体化机器人。

背景技术

地外天体着陆探测研究对揭示太阳系起源及建立地外科研站具有重大的科学及战略意义。根据NASA、ESA等航天组织的深空探测任务规划，对月球高纬度(南、北极)、火星等星球探测计划主要以着陆探测并采用机器人实施探测任务为主，探测任务中的机器人将进行勘察工作，主要目标是尽可能扩大区域科学探测范围，重点解决复杂区域的可达性。因此对机器人的移动性能和星表适应性要求很高。未来星表机器人除了进行勘察工作外，还将用于开展星球基地建设及地外服务工作，包括基地的建设、科学仪器设备的操作、基础设施的维护、星球资源利用等。基于上述分析，可预见未来的深空探测任务中，对星表机器人的用途、质量、功能和性能提出非常严苛的需求。因此质量轻、集成度高、移动能力强、具有一定智能和精细操作能力的机器人具有广阔的应用前景。

目前地外天体着陆探测方式以着陆器携带轮式巡视器为主，该种探测方式存在的不足主要表现为探测范围小，不能实现对星球大范围的有效探测，同时受限于通过性能，该类巡视器在复杂地形条件下难以完成探测任务。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种适用于弱引力星表探测的飞航行走一体化机器人，具备高效移动、强通过性能、智能精细操作、能适应星表复杂环境，具备星表巡视探测、搬运、组装操作等多功能。

本发明解决技术的方案是：

一种适用于弱引力星表探测的飞航行走一体化机器人，包括机器人本体、尾部姿控发动机、头部姿控发动机、多自由度操作机械臂、4个可变形分段筛网轮、4个轮腿复用机械臂、2个太阳能电池阵和视觉系统；其中，机器人本体为水平放置的长方体结构；尾部姿控发动机固定安装在机器人本体的尾端侧壁上；头部姿控发动机固定安装在机器人本体的头端侧壁上；多自由度操作机械臂固定安装在机器人本体的头端侧壁上；视觉系统固定安装在机器人本体的顶部；2个太阳能电池阵对称固定安装在机器人本体2侧侧壁的中部上；4个轮腿复用机械臂两两对称固定安装在对称固定安装在机器人本体2侧侧壁的底端；4个可变形分段筛网轮分别与4个轮腿复用机械臂对接。

在上述的一种适用于弱引力星表探测的飞航行走一体化机器人，所述太阳能电池阵为机器人提供太阳能源动力；视觉系统实现对机器人前进路况环境的监视。

在上述的一种适用于弱引力星表探测的飞航行走一体化机器人，所述多自由度操作机械臂为多杆旋转连接机构；多杆间通过旋转运动实现伸长和缩短；多自由度操作机械臂的伸出端末端对接探测工具；实现对星表的探测。

在上述的一种适用于弱引力星表探测的飞航行走一体化机器人，所述尾部姿控发动机实现竖直向上喷气和竖直向下喷气；头部姿控发动机实现竖直向上喷气和竖直向下喷气；尾部姿控发动机和头部姿控发动机配合喷气，实现对机器人本体俯仰角度的调整。

在上述的一种适用于弱引力星表探测的飞航行走一体化机器人，所述可变形分段筛网轮包括上半轮环和下半轮环；上半轮环和下半轮环均为半圆环状结构；上半轮环和下半轮环对接组成完整圆环结构的可变形分段筛网轮；上半轮环和下半轮环对接处的一端为旋转连接；对接处的另一端通过外部锁紧装置固定连接。

在上述的一种适用于弱引力星表探测的飞航行走一体化机器人，所述轮腿复用机械臂包括主臂和副臂；其中，主臂的轴向一端与机器人本体的侧壁旋转连接；主臂的轴向另一端与副臂的轴向一端旋转连接；副臂的轴向另一端与上半轮环连接；且副臂与上半轮环的连接处位于上半轮环与下半轮环旋转连接处。

在上述的一种适用于弱引力星表探测的飞航行走一体化机器人，可变形分段筛网轮由轮形变形为支腿的过程为：

外部锁紧装置对上半轮环和下半轮环固定连接端解锁；下半轮环沿上半轮环和下半轮环的旋转连接处逆时针旋转打开；下半轮环逆时针旋转打开至预定位置后，外部锁紧装置锁定；主臂相对于机器人本体顺时针旋转，带动副臂顺时针旋转，进而带动上半轮环顺时针旋转，上半轮环顺时针旋转至预定位置时，外部锁紧装置锁定；上半轮环和下半轮环变形为支腿。

在上述的一种适用于弱引力星表探测的飞航行走一体化机器人，所述机器人的运动方式包括轮行方式、步行方式和弹跳方式。

在上述的一种适用于弱引力星表探测的飞航行走一体化机器人，当机器人采用轮行方式时，可变形分段筛网轮为轮形结构；机器人通过轮形结构的可变形分段筛网轮滚动前进；当机器人采用步行方式时，可变形分段筛网轮展开变为支腿结构；机器人通过支腿结构的可变形分段筛网轮步行前进。

在上述的一种适用于弱引力星表探测的飞航行走一体化机器人，当机器人采用弹跳方式时，机器人本体头端2侧的可变形分段筛网轮变为支腿结构；机器人本体尾端2侧的可变形分段筛网轮保持轮形结构；轮形结构可变形分段筛网轮迅速变形为支腿结构；在上半轮环和下半轮环旋转打开的动力下，将机器人本体弹起实现跳跃；机器人本体腾空的过程中，通过调整尾部姿控发动机和头部姿控发动机的喷气方向，实现对机器人本体俯仰角度的调整。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明提出一种飞航行走一体化机器人，主要包括机器人本体、尾部姿控发动机、前部姿控发动机、多自由度操作机械臂、可变形分段筛网轮、轮腿复用机械臂、太阳能电池阵、视觉系统等，可实现轮行、腿行、弹跳、飞行、操作等功能；

(2)本发明使用轮腿复用机械臂实现行走/弹跳/辅助操作复合功能，该机械臂由操作关节、弹跳关节、曲面臂杆等组成，操作关节类似于传统的机械臂关节；弹跳关节在传统机器人关节基础上增加了蓄能、快速释放等环节，在可操作基础上实现了弹跳功能；曲面臂杆的设计使得臂杆可以组合为圆形轮胎，该机械臂解决了轮行、臂操作、腿行、腿弹跳功能复合的难题；

(3)本发明轮行时采用分段筛网轮，在减轻质量的同时，提高了机器人与星表的接触面积，可有效防止机器人在星表的沉陷.

附图说明

图1为本发明机器人结构示意图；

图2为本发明可变形分段筛网轮与轮腿复用机械臂配合示意图；

图3为本发明机器人步行方式运动示意图；

图4为本发明机器人弹跳方式运动示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供一种适用于弱引力星表探测的飞航行走一体化机器人，具有轮行、腿行、弹跳、飞行、操作功能的飞航行走一体化机器人。如图1所示，主要包括机器人本体1、尾部姿控发动机2、头部姿控发动机3、多自由度操作机械臂4、4个可变形分段筛网轮5、4个轮腿复用机械臂6、2个太阳能电池阵7和视觉系统8；其中，机器人本体1为水平放置的长方体结构；尾部姿控发动机2固定安装在机器人本体1的尾端侧壁上；头部姿控发动机3固定安装在机器人本体1的头端侧壁上；多自由度操作机械臂4固定安装在机器人本体1的头端侧壁上；视觉系统8固定安装在机器人本体1的顶部；2个太阳能电池阵7对称固定安装在机器人本体12侧侧壁的中部上；4个轮腿复用机械臂6两两对称固定安装在对称固定安装在机器人本体12侧侧壁的底端；4个可变形分段筛网轮5分别与4个轮腿复用机械臂6对接。其中，太阳能电池阵7为机器人提供太阳能源动力；视觉系统8实现对机器人前进路况环境的监视。多自由度操作机械臂4为多杆旋转连接机构；多杆间通过旋转运动实现伸长和缩短；多自由度操作机械臂4的伸出端末端对接探测工具；实现对星表的探测。尾部姿控发动机2实现竖直向上喷气和竖直向下喷气；头部姿控发动机3实现竖直向上喷气和竖直向下喷气；尾部姿控发动机2和头部姿控发动机3配合喷气，实现对机器人本体1俯仰角度的调整。

如图2所示，可变形分段筛网轮5包括上半轮环52和下半轮环51；上半轮环52和下半轮环51均为半圆环状结构；上半轮环52和下半轮环51对接组成完整圆环结构的可变形分段筛网轮5；上半轮环52和下半轮环51对接处的一端为旋转连接；对接处的另一端通过外部锁紧装置固定连接。轮腿复用机械臂6包括主臂61和副臂62；其中，主臂61的轴向一端与机器人本体1的侧壁旋转连接；主臂61的轴向另一端与副臂62的轴向一端旋转连接；副臂62的轴向另一端与上半轮环52连接；且副臂62与上半轮环52的连接处位于上半轮环52与下半轮环51旋转连接处。

机器人的运动方式包括轮行方式、步行方式和弹跳方式3种。

如图1所示，当在较为平坦的星表，机器人可通过轮行模型进行移动。机器人采用轮行方式时，可变形分段筛网轮5为轮形结构；机器人通过轮形结构的可变形分段筛网轮5滚动前进；在移动过程中，太阳能电池阵7可进行供电，视觉系统8用于导航，多自由度操作机械臂4可用于对感兴趣的星表特性进行探测。

如图3所示，在较为崎岖的星表，机器人可通过步行模型进行移动。当机器人采用步行方式时，可变形分段筛网轮5展开变为支腿结构；机器人通过支腿结构的可变形分段筛网轮5步行前进。在移动过程中，太阳能电池阵7可进行供电，视觉系统8用于导航，多自由度操作机械臂4可用于对感兴趣的星表特性进行探测。可变形分段筛网轮5由轮形变形为支腿的过程为：

外部锁紧装置对上半轮环52和下半轮环51固定连接端解锁；下半轮环51沿上半轮环52和下半轮环51的旋转连接处逆时针旋转打开；下半轮环51逆时针旋转打开至预定位置后，外部锁紧装置锁定；主臂61相对于机器人本体1顺时针旋转，带动副臂62顺时针旋转，进而带动上半轮环52顺时针旋转，上半轮环52顺时针旋转至预定位置时，外部锁紧装置锁定；上半轮环52和下半轮环51变形为支腿。

如图4所示，当遇到沟壑或较高障碍物时，机器人可通过弹跳飞行模型进行移动。当机器人采用弹跳方式时，机器人本体1头端2侧的可变形分段筛网轮5变为支腿结构；机器人本体1尾端2侧的可变形分段筛网轮5保持轮形结构；轮形结构可变形分段筛网轮5迅速变形为支腿结构；在上半轮环52和下半轮环51旋转打开的动力下，将机器人本体1弹起实现跳跃；机器人依靠展开瞬间的弹力将机器人本体弹起，弹起后，机器人依靠尾部姿控发动机2、前部姿控发动机3进行位姿调整，一方面提高机器人的飞行距离，另一方面可对机器人的的落点进行控制，太阳能电池阵7可进行供电，视觉系统8可用于飞行中的导航。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种适用于弱引力星表探测的飞航行走一体化机器人，其特征在于：包括机器人本体（1）、尾部姿控发动机（2）、头部姿控发动机（3）、多自由度操作机械臂（4）、4个可变形分段筛网轮（5）、4个轮腿复用机械臂（6）、2个太阳能电池阵（7）和视觉系统（8）；其中，机器人本体（1）为水平放置的长方体结构；尾部姿控发动机（2）固定安装在机器人本体（1）的尾端侧壁上；头部姿控发动机（3）固定安装在机器人本体（1）的头端侧壁上；多自由度操作机械臂（4）固定安装在机器人本体（1）的头端侧壁上；视觉系统（8）固定安装在机器人本体（1）的顶部；2个太阳能电池阵（7）对称固定安装在机器人本体（1）两侧侧壁的中部上；4个轮腿复用机械臂（6）两两对称固定安装在机器人本体（1）两侧侧壁的底端；4个可变形分段筛网轮（5）分别与4个轮腿复用机械臂（6）对接；

所述可变形分段筛网轮（5）包括上半轮环（52）和下半轮环（51）；上半轮环（52）和下半轮环（51）均为半圆环状结构；上半轮环（52）和下半轮环（51）对接组成完整圆环结构的可变形分段筛网轮（5）；上半轮环（52）和下半轮环（51）对接处的一端为旋转连接；对接处的另一端通过外部锁紧装置固定连接；

所述轮腿复用机械臂（6）包括主臂（61）和副臂（62）；其中，主臂（61）的轴向一端与机器人本体（1）的侧壁旋转连接；主臂（61）的轴向另一端与副臂（62）的轴向一端旋转连接；副臂（62）的轴向另一端与上半轮环（52）连接；且副臂（62）与上半轮环（52）的连接处位于上半轮环（52）与下半轮环（51）旋转连接处；

可变形分段筛网轮（5）由轮形变形为支腿的过程为：

外部锁紧装置对上半轮环（52）和下半轮环（51）固定连接端解锁；下半轮环（51）沿上半轮环（52）和下半轮环（51）的旋转连接处逆时针旋转打开；下半轮环（51）逆时针旋转打开至预定位置后，外部锁紧装置锁定；主臂（61）相对于机器人本体（1）顺时针旋转，带动副臂（62）顺时针旋转，进而带动上半轮环（52）顺时针旋转， 上半轮环（52）顺时针旋转至预定位置时，外部锁紧装置锁定；上半轮环（52）和下半轮环（51）变形为支腿。

2.根据权利要求1所述的一种适用于弱引力星表探测的飞航行走一体化机器人，其特征在于：所述太阳能电池阵（7）为机器人提供太阳能源动力；视觉系统（8）实现对机器人前进路况环境的监视。

3.根据权利要求2所述的一种适用于弱引力星表探测的飞航行走一体化机器人，其特征在于：所述多自由度操作机械臂（4）为多杆旋转连接机构；多杆间通过旋转运动实现伸长和缩短；多自由度操作机械臂（4）的伸出端末端对接探测工具；实现对星表的探测。

4.根据权利要求3所述的一种适用于弱引力星表探测的飞航行走一体化机器人，其特征在于：所述尾部姿控发动机（2）实现竖直向上喷气和竖直向下喷气；头部姿控发动机（3）实现竖直向上喷气和竖直向下喷气；尾部姿控发动机（2）和头部姿控发动机（3）配合喷气，实现对机器人本体（1）俯仰角度的调整。

5.根据权利要求4所述的一种适用于弱引力星表探测的飞航行走一体化机器人，其特征在于：所述机器人的运动方式包括轮行方式、步行方式和弹跳方式。

6.根据权利要求5所述的一种适用于弱引力星表探测的飞航行走一体化机器人，其特征在于：当机器人采用轮行方式时，可变形分段筛网轮（5）为轮形结构；机器人通过轮形结构的可变形分段筛网轮（5）滚动前进；当机器人采用步行方式时，可变形分段筛网轮（5）展开变为支腿结构；机器人通过支腿结构的可变形分段筛网轮（5）步行前进。

7.根据权利要求6所述的一种适用于弱引力星表探测的飞航行走一体化机器人，其特征在于：当机器人采用弹跳方式时，机器人本体（1）头端两侧的可变形分段筛网轮（5）变为支腿结构；机器人本体（1）尾端两侧的可变形分段筛网轮（5）保持轮形结构；轮形结构可变形分段筛网轮（5）迅速变形为支腿结构；在上半轮环（52）和下半轮环（51）旋转打开的动力下，将机器人本体（1）弹起实现跳跃；机器人本体（1）腾空的过程中，通过调整尾部姿控发动机（2）和头部姿控发动机（3）的喷气方向，实现对机器人本体（1）俯仰角度的调整。

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