CN113173213A - 小天体表面磁力移动机器人及其移动方法 - Google Patents

Abstract

本发明各实施例公开了一种小天体表面磁力移动机器人及其移动方法，该小天体表面磁力移动机器人包括：外壳体（1）、驱动部（3）和磁铁部（4）；其中：所述驱动部（3）和所述磁铁部（4）安装在所述外壳体（1）中；所述磁铁部（4）被设置为能够在所述驱动部（3）的驱动下进行动作；所述小天体表面磁力移动机器人具有第一运动状态和第二运动状态，在所述第一运动状态下，所述驱动部（3）驱动所述磁铁部（4）远离所述小天体表面；在所述第二运动状态下，所述驱动部（3）暂停工作，以使得所述磁铁部（4）在与所述小天体表面之间的磁力作用下会带动所述磁力移动机器人进行移动动作。

Description

小天体表面磁力移动机器人及其移动方法

技术领域

本公开的实施例总体上涉及航天领域中的小天体表面移动技术领域，并且更具体地，涉及一种小天体表面磁力移动机器人及其移动方法。

背景技术

小天体探测是认识太阳系起源和演化的主要途径，并对于小天体撞击的安全防御和未来太空资源利用具有重大意义。

小天体的一个最显著特点是质量小，内部热量散失很快，因此不存在剧烈的地质构造运动，也无法维持稠密大气层，保留了更多太阳系的原始信息，可以说小天体是太阳系的“活化石”。小天体包括小行星（指围绕太阳运行，体积和质量比行星和矮行星小，且没有明显气体释放）、彗星、行星的卫星等。作为小天体中的重要成员，小行星和彗星被认为保存着太阳系形成与演化的关键信息，故对其探索具有重大的科学意义。

2019年4月，国家航天局正式对外宣布了中国的首次小行星探测与采样任务。目前，我国深空探测正由月球挺进更深远的宇宙，未来深空探测工程将主要以火星和小行星探测为代表，因此对包括小行星在内的小天体进行深入研究，具有重要的科学价值。

相比于月球和火星等类地行星，小天体最显著的特点是体积小、质量轻、形状不规则，这导致其引力场不规则且十分微弱，进而使得探测器在小天体表面的附着十分困难。对于小天体来说，常规利用引力场进行着陆的技术，存在很大的失败风险，这是因为，探测器容易从着陆点弹走，运行轨迹不能受控，也不能采用机械方式打钻或锚定的方式进行固定。此外，大部分小天体比较原始，含有金属、磁铁矿等磁性矿物，表面动力学环境复杂，先验信息匮乏，这使得如何实现小天体表面安全、精确移动成为需要解决的难题。

小天体表面附着和移动技术是实现小天体表面探测的关键所在。国内外虽然结合小天体探测任务开展了一些小天体移动技术研究，甚至有的已在工程任务中得到较好的应用，但大多仍处在概念研究或初步研究阶段，可靠性和适应性都较差。因此如何研究可靠性更高、适应性更强的小天体表面移动技术，是亟需攻关的技术问题。

小天体表面附着和移动方案的设计需要考虑小天体表面引力加速度微弱、逃逸速度小、地形环境复杂等多重因素的影响，并紧密结合表面探测任务的需求。因此需要针对不同尺寸的小天体，设计轻型高效的移动单元，以实现探测器在弱引力环境下的快速有效移动。随着科学目标的提高和航天技术的发展，未来的小天体表面探测任务必将更为高级和复杂。充分把握小天体表面移动技术的特点和难点问题，在关键技术领域取得突破性进展，才能满足未来小天体表面探测工程任务的需求。

长远来看，探测器在小行星表面附着，对小行星进行采样是获取小行星信息的重要方式，需要实现小行星在弱引力环境下的交会、附着以及采样等操作。从小行星资源开发与利用需求来看，长期附着将在后续任务中扮演重要角色，而表面的多点采样探测将会扩大任务的探测范围，提高任务的回报。小行星附着采样过程可分为附着表面、样品收集、样品转移等环节，各个环节均面临新的问题和技术挑战。附着表面过程中，小行星的引力场微弱，表面逃逸速度小，最大的可能就是附着时发生反弹，而失控反弹是小行星附着中最危险的环节，因为探测器可能发生姿态失控、翻滚甚至碰撞损坏，如何在接触小行星的过程中维持姿态和避免失控是探测器设计的挑战之一。

第一台球形机器人是由芬兰人Halme在1996年制作，意大利人Bicchi于1997年、比利时人Ferriere于1998年对该设计进行了改进，2000年Bhattacharya等美国人使用垂直方向安装电机、2002年Javadi等伊朗人使用四个方向安装电机的方式来实现球形机器人的全向移动。此外，美国卡耐基麦隆大学研究团队利用驱动电机和陀螺仪，开发了一种单轮稳定运行机器人，但需要外人协助，并且转弯半径较大；日本电子通讯大学研制出一种球形行走机器人，采用两层可转动的陀螺框支架支撑单摆的行走执行机构，以实现全方位的稳定的行走，但是结构复杂，适应不平地面的性能较差；美国喷气实验室也提出一种球形机器人行走方案，用内部四个活塞来驱动球体重心，但是结构更加复杂。

在国内，北京邮电大学2002年的发明专利ZL 02128933.6《改进的球形机器人全方位行走装置》，描述了一种球形机器人，包含球壳和球壳内的行走传动机构，在圆环上安装两个电机，通过电机控制传动轴带动齿轮以改变球体重心，进行前进、转向动作，使用蓄电池进行配重，其在传动链中使用了多个锥齿轮，加工工艺复杂，成本高，对装配的垂直精度要求很高。西安电子科技大学2005年的发明专利ZL 200510041902.0《具有稳定平台的全向滚动球形机器人装置》，公开了一种具有稳定平台的全向滚动球形机器人装置，其内球壳与外球壳同心安装，稳定平台安装在内球壳的内部，平台稳定机构由滚珠轴承和短轴构成，通过平台稳定机构使球体作全向滚动。此外，中国专利ZL 200520078756.4《基于直线电机的球形机器人装置》则是通过直线电机控制丝杠来调整球体重心，进而控制球体移动。

以上国外球形机器人和国内球形机器人在设计思想上都类似，主要还是依靠重力改变球形机器人的重心来提供移动的动力，但这并不适用于小天体表面弱引力环境下的附着与定点移动，而且这些球形机器人的结构都过于复杂（不易实现），不能搭载检测装置等科研平台。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种小天体表面磁力移动机器人及其移动方法，以解决小天体表面弱引力环境下的附着与定点移动问题。

本公开的第一方面提出了一种小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，包括外壳体（1）、驱动部（3）和磁铁部（4）；其中：所述驱动部（3）和所述磁铁部（4）安装在所述外壳体（1）中；所述磁铁部（4）被设置为能够在所述驱动部（3）的驱动下进行动作；所述小天体表面磁力移动机器人具有第一运动状态和第二运动状态，在所述第一运动状态下，所述驱动部（3）驱动所述磁铁部（4）远离所述小天体表面；在所述第二运动状态下，所述驱动部（3）暂停工作，以使得所述磁铁部（4）在与所述小天体表面之间的磁力作用下会带动所述磁力移动机器人进行移动动作。

根据本公开的一些实施例，小天体表面磁力移动机器人还包括环状体（2），所述环状体（2）设置在所述外壳体（1）内部，并能够在所述驱动部（3）的驱动下相对于所述外壳体（1）转动。

根据本公开的一些实施例，所述磁铁部（4）安装在所述环状体（2）上靠近小天体表面的位置，并能够在所述环状体（2）转动时远离所述小天体表面。

根据本公开的一些实施例，所述环状体（2）与所述外壳体（1）在轴线上相互重合，并与所述外壳体（1）之间具有一定的间隔（D）。

根据本公开的一些实施例，所述环状体（2）的内表面上设置有均匀分布的啮齿部（20）。

根据本公开的一些实施例，所述驱动部（3）具有电机（30）、以及安装在所述电机（30）的输出轴上的第一齿轮部（31）；所述第一齿轮部（31）与所述啮齿部（20）相互啮合以带动所述环状体（2）转动。

根据本公开的一些实施例，所述外壳体（1）呈中空形状，并具有封闭的底面（12）、以及位于所述底面（12）上的周壁（13）。

根据本公开的一些实施例，所述外壳体（1）呈中空的圆柱形或中空的鼓形；在所述外壳体（1）呈中空的鼓形时，其与左半球壳（100）和右半球壳（200）共同构成完整的球体形状。

根据本公开的一些实施例，所述电机（30）安装在所述底面（12）上；所述磁力移动机器人在使用时，所述外壳体（1）的所述周壁（13）接触所述小天体表面。

根据本公开的一些实施例，所述驱动部（3）还包括：第二齿轮部（32），安装在所述底面（12）上，并与所述啮齿部（20）相互啮合；所述第二齿轮部（32）在所述第一齿轮部（31）转动时，跟随所述环状体（2）进行转动动作。

根据本公开的一些实施例，所述驱动部（3）还包括：第三齿轮部（33），安装在所述底面（12）上，并与所述啮齿部（20）相互啮合；所述第三齿轮部（33）在所述第一齿轮部（31）转动时，跟随所述环状体（2）进行转动动作。

根据本公开的一些实施例，所述第一齿轮部（31）、所述第二齿轮部（32）、所述第三齿轮部（33）均匀分布在所述环状体（2）的相应位置上。

根据本公开的一些实施例，所述环状体（2）在其上部和下部的对称位置上设置有第一贯通孔（21）和第二贯通孔（22）；所述第一贯通孔（21）上设置有配重块（5），所述第二贯通孔（22）上设置有所述磁铁部（4）。

根据本公开的一些实施例，所述配重块（5）和所述磁铁部（4）都呈圆柱形；所述驱动部（3）的电机（30）安装在靠近所述第一贯通孔（21）的位置。

根据本公开的一些实施例，所述小天体表面磁力移动机器人还包括电路板（6），所述电路板（6）包括：电源部（61），用于为所述磁力移动机器人提供电源。

根据本公开的一些实施例，所述电路板（6）还包括：控制部（62），用于控制所述磁力移动机器人的开关和动作。

根据本公开的一些实施例，所述电路板（6）还包括：遥控部（63），用于接收外部控制信号，以遥控所述磁力移动机器人。

根据本公开的一些实施例，所述遥控部（63）能够接收以下信号中的至少一种：无线遥感控制信号、红外信号、蓝牙信号。

根据本公开的一些实施例，在所述第一运动状态下，所述磁铁部（4）在所述驱动部（3）的驱动下提升到所述环状体（2）的八分之一直径高度位置。

根据本公开的一些实施例，所述第一运动状态和所述第二运动状态交替进行。

根据本公开的一些实施例，所述驱动部（3）被设置为能够改变其驱动速度和驱动方向，以控制所述磁力移动机器人的运动速度和运动方向。

本公开的第二方面还提供了一种小天体表面磁力移动机器人的移动方法，其特征在于，所述小天体表面磁力移动机器人包括外壳体（1）、驱动部（3）和磁铁部（4）；其中，所述驱动部（3）和所述磁铁部（4）安装在所述外壳体（1）中；所述磁铁部（4）被设置为能够在所述驱动部（3）的驱动下进行动作；所述小天体表面磁力移动机器人具有第一运动状态和第二运动状态，所述移动方法包括：在所述第一运动状态下，所述驱动部（3）驱动所述磁铁部（4）远离所述小天体表面；在所述第二运动状态下，所述驱动部（3）暂停工作，以使得所述磁铁部（4）在与所述小天体表面之间的磁力作用下会带动所述磁力移动机器人进行移动动作。

根据本公开的一些实施例，所述小天体表面磁力移动机器人还包括环状体（2），所述环状体（2）设置在所述外壳体（1）内部，并能够在所述驱动部（3）的驱动下相对于所述外壳体（1）转动。

根据本公开的一些实施例，所述磁铁部（4）安装在所述环状体（2）上靠近小天体表面的位置，并能够在所述环状体（2）转动时远离所述小天体表面。

根据本公开的一些实施例，所述环状体（2）与所述外壳体（1）在轴线上相互重合，并与所述外壳体（1）之间具有一定的间隔（D）；所述环状体（2）的内表面上设置有均匀分布的啮齿部（20）。

根据本公开的一些实施例，所述驱动部（3）具有电机（30）、以及安装在所述电机（30）的输出轴上的第一齿轮部（31）；所述第一齿轮部（31）与所述啮齿部（20）相互啮合以带动所述环状体（2）转动。

根据本公开的一些实施例，所述磁力移动机器人在所述小天体表面还具有静止状态，所述移动方法还包括：在所述静止状态下，所述电机（30）未开启工作，所述磁铁部（4）位于靠近小天体表面的位置上，并在所述磁铁部（4）与所述小天体表面之间的磁力作用下使得所述磁力移动机器人保持静止状态。

根据本公开的一些实施例，所述移动方法还包括：由所述静止状态进入所述第一运动状态：在所述第一运动状态下，所述电机（30）驱动所述第一齿轮部（31）转动，并带动与所述第一齿轮部（31）相互啮合的所述环状体（2）转动，以使得安装在所述环状体（2）下部位置上的所述磁铁部（4）提升到所述环状体（2）的八分之一直径高度位置。

根据本公开的一些实施例，所述移动方法还包括：由所述第一运动状态进入所述第二运动状态：在所述第二运动状态下，所述电机（30）暂停工作以便不驱动所述第一齿轮部（31）转动，此时所述磁铁部（4）在与所述小天体表面之间的磁力作用下会带动所述磁力移动机器人进行移动动作。

根据本公开的一些实施例，所述移动方法还包括：由所述第二运动状态再次进入所述第一运动状态，并使得所述第一运动状态和所述第二运动状态交替进行，以驱动所述磁力移动机器人在所述小天体表面上实现连续移动。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例小天体表面磁力移动机器人从正面看的结构示意图。

图2为本发明实施例小天体表面磁力移动机器人从侧面看的结构示意图。

图3为本发明实施例小天体表面磁力移动机器人的部分爆炸结构示意图。

图4为图1中小天体表面磁力移动机器人在第一运动状态时的结构示意图。

图5为图1中小天体表面磁力移动机器人在第二运动状态时的结构示意图。

图6为图1中的环状体等结构的结构示意图。

图7为图1中的驱动部等结构的结构示意图。

图8为图1中的驱动部等结构的安装示意图。

图9为替换实施例中的小天体表面磁力移动机器人的外壳体呈鼓形形状的结构示意图。

图10为替换实施例中的小天体表面磁力移动机器人整体呈球体形状的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本公开的发明人关注到，目前现有的国外球形机器人和国内球形机器人在设计思想上都类似，主要还是依靠重力改变球形机器人的重心来提供移动的动力，但这并不适用于小天体表面无引力或弱引力环境下的附着与定点移动，而且这些球形机器人的结构都过于复杂（不易实现），不能搭载检测装置等科研平台。因此，本公开的发明人设计了一种结构和原理上都与现有技术不同的小天体表面磁力移动机器人，其可以在无引力或弱引力环境下，通过机器人中的永磁铁或电磁铁与小天体表面的磁性矿物之间的磁作用力，实现机器人在小天体表面的稳定附着、以及定点移动。

如图1-图8所示，本发明实施例提供了一种小天体表面磁力移动机器人，其包括外壳体1、驱动部3和磁铁部4。其中：所述驱动部3和所述磁铁部4安装在所述外壳体1中；所述磁铁部4被设置为能够在所述驱动部3的驱动下进行动作；所述小天体表面磁力移动机器人具有第一运动状态和第二运动状态，在所述第一运动状态下，所述驱动部3驱动所述磁铁部4远离所述小天体表面；在所述第二运动状态下，所述驱动部3暂停工作，以使得所述磁铁部4在与所述小天体表面之间的磁力作用下会带动所述磁力移动机器人进行移动动作。例如，所述驱动部3暂停工作以便不驱动所述磁铁部4动作，此时所述磁铁部4在与所述小天体表面之间的磁力作用下会带动所述磁力移动机器人进行移动动作。

本公开实施例的小天体表面磁力移动机器人充分考虑到了小天体表面无引力或弱引力的特殊环境，这是因为，本公开在结构设计上，主要依靠与小天体表面磁性矿物之间的相互作用，从而利用相互之间的磁力来实现稳定附着。该小天体表面磁力移动机器人具有第一运动状态和第二运动状态，并通过磁铁部4与小天体表面的距离变化来利用磁力实现移动动作。实际上，由于本公开实施例的小天体表面磁力移动机器人的初始状态即可附着在小天体的表面上，并且主要使用磁力（而非弱引力）作为移动的动力，因此可以很好地克服现有技术中主要利用重力实现附着和移动的传统技术所存在的缺陷（例如克服了探测器在弱引力场环境下，安全附着小天体表面的难题）。

如图1所示，在一些实施例中，小天体表面磁力移动机器人包括外壳体1、环状体2、驱动部3和磁铁部4。

参考图1，外壳体1呈中空形状（例如呈上部开口11的中空形状），并具有封闭的底面12、以及位于底面12上的周壁13；开口11上可以设置有盖板14。优选地，磁力移动机器人在使用时，外壳体1的周壁13接触小天体表面。

在一些实施例中，外壳体1可以呈中空的圆柱形（如图1所示），外壳体1的厚度（也即周壁13的宽度）和直径之比优选地可以为1:1以上，以防止倾覆。例如外壳体1的厚度和直径之比为2:1，3:1等（例如外壳体1在厚度方向上的延伸部分的区域，可以作为太阳能电池的附着区域）。在具体尺寸上，外壳体1的厚度例如可以设计为30cm左右。

作为替换实施例，如图9和图10所示，外壳体1可以呈中空的鼓形，此时，外壳体1可以与左半球壳100和右半球壳200共同构成完整的球体形状。这样的球体形状例如可以由图1中所示的外壳体1，在左右两侧延伸出半球体形状的外壳（此时左右两侧延伸出的半球体形状的外壳可以作为太阳能电池的附着区域），并且外壳体1本身也适应性调整自身形状来形成，此时可以使得机器人整体上构成球体形状，这种球形机器人可以进一步防止发生倾覆。

在其他替换实施例中，外壳体1还可以根据具体的应用场景进行不同尺寸的定做，例如可以设计为橄榄体或者其他不规则形状，以适应在小天体表面崎岖与不规则地形上任意移动。

在一些实施例中，外壳体1的材料选用航天用轻质隔热材料，比如通过3D打印来完成制作，对加工工艺及装配精度无特殊要求。优选地，外壳体1还可拆卸地安装有缓冲壳，以提供缓冲保护，便于长期开展工作。

如图1-图8所示，小天体表面磁力移动机器人还包括环状体2，所述环状体2可以设置在所述外壳体1内部，并能够在所述驱动部3的驱动下相对于所述外壳体1转动。

参考图1和图6，环状体2例如可以设置在外壳体1内部并与外壳体1在轴线上相互重合；环状体2与外壳体1之间具有一定的间隔D；环状体2的内表面上设置有均匀分布的啮齿部20。

例如，环状体2大致呈圆环状，其内表面（或称为内边缘）上设置有啮齿部20，该啮齿部20形成交错的齿状或棱状，围绕着环状体2的中心轴线、均匀地分布和延伸。间隔D例如为约1mm宽度的缝隙，这样可以使得环状体2与外壳体1之间没有接触，确保彼此之间不会产生摩擦。外壳体1的轴线为垂直于其直径方向的中心轴线，同样地，环状体2的轴线为垂直于其直径方向的中心轴线。

参考图1和图3，驱动部3具有安装在底面12上的电机30、以及安装在电机30的输出轴上的第一齿轮部31；第一齿轮部31与啮齿部20相互啮合以带动环状体2转动。

例如，电机30可以采用1台步进电机，其安装在环状体2的上部（或顶部），电机30的输出轴伸向环状体2的内侧。第一齿轮部31可以采用传动齿轮，此时电机30可以驱动传动齿轮高速旋转，该传动齿轮例如还可以通过减速齿轮与啮齿部20相啮合而带动其转动。

参考图1和图3，磁铁部4安装在环状体2上靠近小天体表面的位置，并能够在环状体2转动时远离小天体表面。

例如，磁铁部4可以安装在环状体2的下部（或底部），可以采用1块磁铁的结构。磁铁可以为永磁铁或者电磁铁。而且，由于磁铁部4位于最底部，受磁力作用，本公开实施例中的磁力移动机器人，在平衡状态（静止状态）时姿态确定，可以实现稳定附着。因而，可以在磁力移动机器人内部方便地安装各种探测载荷，如摄像头、光谱仪、能谱仪等传感器，以进行小天体表面的原位探测。此外，在本公开的一些实施例中，例如可以采用电机30驱动，从而改变磁铁部4的位置，进而使磁铁部4与小天体表面产生磁作用力，并利用这种与小天体表面产生的磁力矩，可以驱动机器人向前或向后运动（例如电机正转/反转决定向前或向后运动）。在控制方式的设计上，可以采用远程遥控方式，从而操控磁力移动机器人在小天体表面的移动。

可见，本公开实施例的小天体表面磁力移动机器人在结构设计上更为简单，制作起来更为容易，耗能也较少，还可以通过远程遥控进行精确控制。而且，本公开实施例的小天体表面磁力移动机器人充分考虑到了小天体表面无引力或弱引力的特殊环境，这是因为，本公开在结构设计上，主要依靠与小天体表面磁性矿物之间的相互作用，从而利用相互之间的磁力来实现稳定附着。实际上，由于本公开实施例的小天体表面磁力移动机器人的初始状态即可附着在小天体的表面上，并且主要使用磁力（而非弱引力）作为移动的动力，因此可以很好地克服现有技术中主要利用重力实现附着和移动的传统技术所存在的缺陷（例如克服了探测器在弱引力场环境下，安全附着小天体表面的难题）。

此外，本公开实施例的小天体表面磁力移动机器人在使用时，外壳体1的周壁13接触小天体表面，因此与小天体表面是点接触，阻力小，驱动和转向灵活方便；而且其整体结构上重心较低，保证了低速或静止时的稳定性，易于控制，便于安装载荷，如摄像头、传感器等进行原位探测。

参考图1和图7，根据本公开的实施例，驱动部3还包括：第二齿轮部32，安装在底面12上，并与啮齿部20相互啮合；第二齿轮部32在第一齿轮部31转动时，跟随环状体2进行转动动作。

例如，外壳体1的底面12上可以安装有两个齿轮部，即第一齿轮部31、第二齿轮部32。当第一齿轮部31在电机30的带动下进行转动动作时，由于两个齿轮部都与环状体2上的啮齿部20相互啮合，因此，第二齿轮部32会跟随环状体2进行转动动作。在设计时，第一齿轮部31靠近环状体2的顶部，第二齿轮部32可以设置在环状体2靠近底部的位置。优选地，第一齿轮部31、第二齿轮部32在同一个圆面上。由于两个齿轮部的设计能够对环状体2起到相应的支撑作用和传动作用，因此，整体上可以使得环状体2在转动时与外壳体1之间持续保持一定的间隔，不会产生摩擦。

根据本公开的实施例，驱动部3还包括：第三齿轮部33，安装在底面12上，并与啮齿部20相互啮合；其中，第三齿轮部33在第一齿轮部31转动时，跟随环状体2进行转动动作。

根据本公开的实施例，第一齿轮部31、第二齿轮部32、第三齿轮部33均匀分布在环状体2的相应位置上。

例如，外壳体1的底面12上安装有三个齿轮部，即第一齿轮部31、第二齿轮部32和第三齿轮部33。当第一齿轮部31在电机30的带动下进行转动动作时，由于三个齿轮部都与环状体2上的啮齿部20相互啮合，因此，第二齿轮部32和第三齿轮部33会跟随环状体2进行转动动作。在设计时，第一齿轮部31靠近环状体2的顶部，第二齿轮部32和第三齿轮部33分别在环状体2的四分之一左右的直径高度位置处。优选地，第一齿轮部31、第二齿轮部32和第三齿轮部33在同一个圆面上，并均匀地进行分布。由于三个齿轮部的设计能够对环状体2起到最优的支撑作用和传动作用，因此，整体上可以使得环状体2在转动时与外壳体1之间持续保持一定的间隔，不会产生摩擦。

参考图1、图7和图8，根据本公开的实施例，驱动部3还包括：第四齿轮部34，安装在盖板14上，并与第一齿轮部31在轴线上相互重合；第五齿轮部35，安装在盖板14上，并通过第一螺钉320与第二齿轮部32相连接，以进行同步转动动作；第一螺钉320（例如M3×12的螺钉）的两端分别固定在底面12和盖板14上；第六齿轮部36，安装在盖板14上，并通过第二螺钉330与第三齿轮部33相连接，以进行同步转动动作；第二螺钉330（例如M3×12的螺钉）的两端分别固定在底面12和盖板14上；第四齿轮部34、第五齿轮部35和第六齿轮部36在第一齿轮部31转动时，跟随环状体2进行转动动作。

例如，第四齿轮部34、第五齿轮部35和第六齿轮部36分别与第一齿轮部31、第二齿轮部32和第三齿轮部33相对应。优选地，第四齿轮部34、第五齿轮部35和第六齿轮部36位于同一个圆面上，并且均匀地进行分布。其中，第四齿轮部34可以直接安装在盖板14上（第一齿轮部31与第四齿轮部34之间可以设置螺钉进行连接，也可以没有相互连接）。而第五齿轮部35经由第一螺钉320与第二齿轮部32相互连接，第六齿轮部36经由第二螺钉330与第三齿轮部33相互连接，这样可以使得其能够同步进行转动动作。在组装时，第二齿轮部32和第五齿轮部35可以分别安装到第一螺钉320的靠近两端的位置上，然后再将第一螺钉320的两端分别固定在底面12和盖板14上。同样地，第三齿轮部33和第六齿轮部36可以分别安装到第二螺钉330的靠近两端的位置上，然后再将第二螺钉330的两端分别固定在底面12和盖板14上，安装方式更为简单。

这样以来，第一螺钉320和第二螺钉330的设计，可以方便拆卸和安装（例如从底面12靠外的位置、盖板14靠外的位置进行拆卸或安装），在需要拆卸或安装时，从外部面向用户的方向上进行简单拆卸或安装即可。此外，六个齿轮部的设计，可以对环状体2起到最优的支撑作用和传动作用，并使得环状体2在转动时可以与外壳体1之间持续保持一定的间隔，不会产生摩擦。

参考图1和图6，根据本公开的实施例，环状体2在其上部和下部的对称位置上设置有第一贯通孔21和第二贯通孔22；第一贯通孔21上设置有配重块5，第二贯通孔22上设置有磁铁部4。作为示例，电机30安装在靠近第一贯通孔21的位置；配重块5和磁铁部4都呈圆柱形。

例如，配重块5可以安装在磁铁部4（例如永磁体）的相对的位置上（例如磁铁部4和配重块5在沿环状体2的直径方向上，分别设置在对角的位置上），以便用于平衡磁力移动机器人整体的重心，从而进一步确保其处于静止状态时的稳定性。

参考图1和图2，根据本公开的实施例，图1中的小天体表面磁力移动机器人还可以包括电路板6（可以整体安装在外壳体1的底面12上，其上还可以设置相应的配重），电路板6包括：电源部61，用于为磁力移动机器人提供电源；控制部62，用于控制磁力移动机器人的开关和动作；遥控部63，用于接收外部控制信号，以遥控磁力移动机器人。作为示例，电源部61为太阳能充电电池；控制部62采用ARM控制芯片；遥控部63能够接收以下信号中的至少一种：无线遥感控制信号、红外信号、蓝牙信号。

作为示例，控制部62可以采用ARM控制芯片，功耗低，硬件资源丰富，便于对功能进行扩展，为搭载检测器件预留了接口与软件指令集。控制部62与遥控部63可以相互配合，例如采用PID控制方法，以实现机器人的启、停及沿所要求的轨迹运动。遥控部63例如可以接受来自地球或小行星之外的飞行器的外部控制信号，以便实现对磁力移动机器人的无线遥控。又例如，遥控部63还可以接受红外信号、蓝牙信号等近距离的控制信号，此时磁力移动机器人例如可以受到释放其在小天体表面移动的着陆器（或其他位于小天体表面之上的航空器）的控制，从而实现无线遥控功能，进而实现在小天体表面进行编队联合探测。例如，电源部61（比如电池）可以安装在外壳体1的底面12上，用于对磁力移动机器人整体进行供电，比如采用太阳能充电电池，完整充电一次后，可确保续航40h以上，以实现多点采样。

参考图4和图5，根据本公开的实施例，磁力移动机器人具有第一运动状态和第二运动状态，其中：在第一运动状态下，磁铁部4在驱动部3的驱动下提升到环状体2的八分之一直径高度位置；在第二运动状态下，磁铁部4在与小天体表面之间的磁力作用下会带动磁力移动机器人进行移动动作。作为示例，第一运动状态和第二运动状态交替进行；驱动部3被设置为能够改变其驱动速度和驱动方向，以控制磁力移动机器人的运动速度和运动方向。

例如，当电机30未开启（未启动，例如机器人刚被释放到小天体上时，整体并未通电，电机30尚未启动）工作的情况下，磁铁部4位于环状体2的底部时，由于磁铁部4与小天体表面的磁性金属之间的相互作用，机器人静止不动（静止状态）。而在机器人进行运动时，可以认为其处于两个运动或传动状态，即：

（A）如图4所示，第一运动状态为启动电机30，通过传动使第一齿轮部31等机构转动，从而产生向前或向后的驱动力，这样可以带动磁铁部4移动至环状体2八分之一（1/8）直径高度位置。通过比对试验，发明人发现，带动磁铁部4移动至环状体2八分之一（1/8）直径高度位置时，既可以实现机器人的运动，也能使用最小的能耗。

（B）如图5所示，第二运动状态为由于磁铁部4与小天体表面之间的磁力、以及小天体表面对机器人整体的支持力，会形成一个力偶，此时会改变整个机器人的位置，从而驱动机器人产生移动。

这样以来，第一运动状态与第二运动状态可以交替进行（在两个运动或传动状态间进行切换），从机器人的状态来观察，就体现出驱动机器人在小行星表面上移动或滚动（有序滚动）。此时，可以控制力偶的大小和方向，从而控制机器人整体运动的速度和方向。

本公开的实施例还提供了一种小天体表面磁力移动机器人的移动方法，如图1所示，所述小天体表面磁力移动机器人包括外壳体1、驱动部3和磁铁部4；其中，所述驱动部3和所述磁铁部4安装在所述外壳体1中；所述磁铁部4被设置为能够在所述驱动部3的驱动下进行动作；所述小天体表面磁力移动机器人具有第一运动状态和第二运动状态，所述移动方法包括：在所述第一运动状态下，所述驱动部3驱动所述磁铁部4远离所述小天体表面；在所述第二运动状态下，所述驱动部3暂停工作，以使得所述磁铁部4在与所述小天体表面之间的磁力作用下会带动所述磁力移动机器人进行移动动作。例如，所述驱动部3暂停工作以便不驱动所述磁铁部4动作，此时所述磁铁部4在与所述小天体表面之间的磁力作用下会带动所述磁力移动机器人进行移动动作。

根据本公开的一些实施例，小天体表面磁力移动机器人的移动方法可以采用图1所示的小天体表面磁力移动机器人，磁力移动机器人在小天体表面具有静止状态、第一运动状态和第二运动状态。

在静止状态下，电机30未开启（未启动，例如机器人刚被释放到小天体上时，整体并未通电，电机30尚未启动）工作，磁铁部4位于靠近小天体表面的位置上，并在磁铁部4与小天体表面之间的磁力作用下使得磁力移动机器人保持静止状态。例如，电机30未启动工作的情况下，机器人的重心与机器人的形心重合时，机器人可以保持静止不动。

由静止状态进入第一运动状态：在第一运动状态下，电机30驱动第一齿轮部31转动（正转或反转），并带动与第一齿轮部31相互啮合的环状体2转动，以使得安装在环状体2下部位置上的磁铁部4提升到环状体2的八分之一直径高度位置。

由第一运动状态进入第二运动状态：在第二运动状态下，电机30暂停工作以便不驱动第一齿轮部31转动，此时磁铁部4在与小天体表面之间的磁力作用下会带动磁力移动机器人进行移动动作。

由第二运动状态再次进入第一运动状态，并使得第一运动状态和第二运动状态交替进行，以驱动磁力移动机器人在小天体表面上实现连续移动。

由于采用了不同于现有技术的移动方式，因此在结构设计上，本公开的小天体表面磁力移动机器人更为简单，制作起来更为容易，耗能也较少，还可以通过远程遥控进行精确控制。而且，本公开的小天体表面磁力移动机器人充分考虑到了小天体表面弱引力的特殊环境，这是因为，本公开小天体表面磁力移动机器人的结构设计主要依靠与小天体表面磁性矿物之间的相互作用，从而利用相互之间的磁力来实现稳定附着，这与传统的主要利用引力作用实现附着和移动的技术具有显著差别。实际上，由于本公开的小天体表面磁力移动机器人的初始状态即可附着在小天体的表面上，并且主要使用磁力（而非弱引力）作为移动的动力，因此可以很好地克服现有技术中主要利用引力作用的传统技术方案所存在的重大缺陷（例如克服了探测器在弱引力场环境下，安全附着小天体表面的难题）。此外，本公开的小天体表面磁力移动机器人在使用时，外壳体1的周壁13接触小天体表面，因此与小天体表面是点接触，阻力小，驱动和转向灵活方便；而且其整体结构上重心较低，保证了低速或静止时的稳定性，易于控制，便于安装载荷，如摄像头、传感器等进行原位探测。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明还可以通过其他结构来实现，本发明的特征并不局限于上述较佳的实施例。任何熟悉该项技术的人员在本发明的技术领域内，可轻易想到的变化或修饰，都应涵盖在本发明的专利保护范围之内。

Claims (30)

1.一种小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，包括外壳体（1）、驱动部（3）和磁铁部（4）；其中：

所述驱动部（3）和所述磁铁部（4）安装在所述外壳体（1）中；

所述磁铁部（4）被设置为能够在所述驱动部（3）的驱动下进行动作；

所述小天体表面磁力移动机器人具有第一运动状态和第二运动状态，

在所述第一运动状态下，所述驱动部（3）驱动所述磁铁部（4）远离所述小天体表面；

在所述第二运动状态下，所述驱动部（3）暂停工作，以使得所述磁铁部（4）在与所述小天体表面之间的磁力作用下会带动所述磁力移动机器人进行移动动作。

2.根据权利要求1所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，还包括环状体（2），所述环状体（2）设置在所述外壳体（1）内部，并能够在所述驱动部（3）的驱动下相对于所述外壳体（1）转动。

3.根据权利要求2所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述磁铁部（4）安装在所述环状体（2）上靠近小天体表面的位置，并能够在所述环状体（2）转动时远离所述小天体表面。

4.根据权利要求2或3所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述环状体（2）与所述外壳体（1）在轴线上相互重合，并与所述外壳体（1）之间具有一定的间隔（D）。

5.根据权利要求2或3所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述环状体（2）的内表面上设置有均匀分布的啮齿部（20）。

6.根据权利要求5所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述驱动部（3）具有电机（30）、以及安装在所述电机（30）的输出轴上的第一齿轮部（31）；所述第一齿轮部（31）与所述啮齿部（20）相互啮合以带动所述环状体（2）转动。

7.根据权利要求6所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述外壳体（1）呈中空形状，并具有封闭的底面（12）、以及位于所述底面（12）上的周壁（13）。

8.根据权利要求7所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述外壳体（1）呈中空的圆柱形或中空的鼓形；在所述外壳体（1）呈中空的鼓形时，其与左半球壳（100）和右半球壳（200）共同构成完整的球体形状。

9.根据权利要求7或8所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述电机（30）安装在所述底面（12）上；所述磁力移动机器人在使用时，所述外壳体（1）的所述周壁（13）接触所述小天体表面。

10.根据权利要求7或8所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述驱动部（3）还包括：

第二齿轮部（32），安装在所述底面（12）上，并与所述啮齿部（20）相互啮合；所述第二齿轮部（32）在所述第一齿轮部（31）转动时，跟随所述环状体（2）进行转动动作。

11.根据权利要求10所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述驱动部（3）还包括：

第三齿轮部（33），安装在所述底面（12）上，并与所述啮齿部（20）相互啮合；所述第三齿轮部（33）在所述第一齿轮部（31）转动时，跟随所述环状体（2）进行转动动作。

12.根据权利要求11所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述第一齿轮部（31）、所述第二齿轮部（32）、所述第三齿轮部（33）均匀分布在所述环状体（2）的相应位置上。

13.根据权利要求2或3所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述环状体（2）在其上部和下部的对称位置上设置有第一贯通孔（21）和第二贯通孔（22）；所述第一贯通孔（21）上设置有配重块（5），所述第二贯通孔（22）上设置有所述磁铁部（4）。

14.根据权利要求13所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述配重块（5）和所述磁铁部（4）都呈圆柱形；所述驱动部（3）的电机（30）安装在靠近所述第一贯通孔（21）的位置。

15.根据权利要求2或3所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，还包括电路板（6），所述电路板（6）包括：电源部（61），用于为所述磁力移动机器人提供电源。

16.根据权利要求15所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述电路板（6）还包括：控制部（62），用于控制所述磁力移动机器人的开关和动作。

17.根据权利要求15所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述电路板（6）还包括：遥控部（63），用于接收外部控制信号，以遥控所述磁力移动机器人。

18.根据权利要求17所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述遥控部（63）能够接收以下信号中的至少一种：无线遥感控制信号、红外信号、蓝牙信号。

19.根据权利要求2或3所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，在所述第一运动状态下，所述磁铁部（4）在所述驱动部（3）的驱动下提升到所述环状体（2）的八分之一直径高度位置。

20.根据权利要求1-3中任一项所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述第一运动状态和所述第二运动状态交替进行。

21.根据权利要求1-3中任一项所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述驱动部（3）被设置为能够改变其驱动速度和驱动方向，以控制所述磁力移动机器人的运动速度和运动方向。

22.一种小天体表面磁力移动机器人的移动方法，其特征在于，所述小天体表面磁力移动机器人包括外壳体（1）、驱动部（3）和磁铁部（4）；

其中，所述驱动部（3）和所述磁铁部（4）安装在所述外壳体（1）中；所述磁铁部（4）被设置为能够在所述驱动部（3）的驱动下进行动作；

所述小天体表面磁力移动机器人具有第一运动状态和第二运动状态，所述移动方法包括：

在所述第一运动状态下，所述驱动部（3）驱动所述磁铁部（4）远离所述小天体表面；

在所述第二运动状态下，所述驱动部（3）暂停工作，以使得所述磁铁部（4）在与所述小天体表面之间的磁力作用下会带动所述磁力移动机器人进行移动动作。

23.根据权利要求22所述的小天体表面磁力移动机器人的移动方法，其特征在于，

所述小天体表面磁力移动机器人还包括环状体（2），所述环状体（2）设置在所述外壳体（1）内部，并能够在所述驱动部（3）的驱动下相对于所述外壳体（1）转动。

24.根据权利要求23所述的小天体表面磁力移动机器人的移动方法，其特征在于，所述磁铁部（4）安装在所述环状体（2）上靠近小天体表面的位置，并能够在所述环状体（2）转动时远离所述小天体表面。

25.根据权利要求23或24所述的小天体表面磁力移动机器人的移动方法，其特征在于，所述环状体（2）与所述外壳体（1）在轴线上相互重合，并与所述外壳体（1）之间具有一定的间隔（D）；所述环状体（2）的内表面上设置有均匀分布的啮齿部（20）。

26.根据权利要求25所述的小天体表面磁力移动机器人的移动方法，其特征在于，所述驱动部（3）具有电机（30）、以及安装在所述电机（30）的输出轴上的第一齿轮部（31）；所述第一齿轮部（31）与所述啮齿部（20）相互啮合以带动所述环状体（2）转动。

27.根据权利要求26所述的小天体表面磁力移动机器人的移动方法，其特征在于，所述磁力移动机器人在所述小天体表面还具有静止状态，所述移动方法还包括：

在所述静止状态下，所述电机（30）未开启工作，所述磁铁部（4）位于靠近小天体表面的位置上，并在所述磁铁部（4）与所述小天体表面之间的磁力作用下使得所述磁力移动机器人保持静止状态。

28.根据权利要求27所述的小天体表面磁力移动机器人的移动方法，其特征在于，所述移动方法还包括：

由所述静止状态进入所述第一运动状态：在所述第一运动状态下，所述电机（30）驱动所述第一齿轮部（31）转动，并带动与所述第一齿轮部（31）相互啮合的所述环状体（2）转动，以使得安装在所述环状体（2）下部位置上的所述磁铁部（4）提升到所述环状体（2）的八分之一直径高度位置。

29.根据权利要求28所述的小天体表面磁力移动机器人的移动方法，其特征在于，所述移动方法还包括：

由所述第一运动状态进入所述第二运动状态：在所述第二运动状态下，所述电机（30）暂停工作以便不驱动所述第一齿轮部（31）转动，此时所述磁铁部（4）在与所述小天体表面之间的磁力作用下会带动所述磁力移动机器人进行移动动作。

30.根据权利要求29所述的小天体表面磁力移动机器人的移动方法，其特征在于，所述移动方法还包括：

由所述第二运动状态再次进入所述第一运动状态，并使得所述第一运动状态和所述第二运动状态交替进行，以驱动所述磁力移动机器人在所述小天体表面上实现连续移动。

Images