CN113406721B - 用于外星逆境调姿着陆巡视的多模式探测器 - Google Patents

Abstract

一种用于外星逆境调姿着陆巡视的多模式探测器，包括：主结构箱体以及分布在其四个侧面的四套多模式腿机构，其中：多模式腿机构包括：一条多模式主链和两条多模式辅链；本发明利用可重构原理设计出了融合调姿模式、着陆模式、巡视模式的多模式一体化腿型。在调姿模式能够根据外星复杂地表的几何形貌自主匹配足端触地点，然后平稳可靠地着陆，最终进行巡视探测。

Description

用于外星逆境调姿着陆巡视的多模式探测器

技术领域

本发明涉及的是一种空间探测器领域的技术，是指一种用于外星逆境调姿着陆巡视的多模式探测器。

背景技术

外星表面着陆以及区域移动巡视，是认知星球演化和地表构成的重要技术手段。现有技术为了实现外星表面着陆与移动式探测，有采用着陆器搭载巡视器，两者协同合作，如我国嫦娥探月工程和天问探火工程。或采用着陆巡视一体化机器人或可移动式着陆器。但上述现有技术的缺点包括组成复杂、冗余度高、发射质量大、成本高。且外星表面环境复杂，两器之间限于信号传输条件导致探测范围有限；连杆数量多、腿端工作空间小、刚度和可靠性低等问题。

更重要的是，上述两种方案仅具备着陆缓冲和巡视行走功能且仅能在外星平原地带等坡度小、表面平坦光整区域着陆巡视，极大地限制了探测区域范围。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于外星逆境调姿着陆巡视的多模式探测器。利用可重构原理设计出了融合调姿模式、着陆模式、巡视模式的多模式一体化腿型。在调姿模式能够根据外星复杂地表的几何形貌自主匹配足端触地点，在着陆模式能够确保平稳可靠的缓冲位形，在巡视模式能够进行四足式行走探测。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种用于外星逆境调姿着陆巡视的多模式探测器，包括：主结构箱体以及分布在其四个侧面的四套多模式腿机构，其中：多模式腿机构包括：一条多模式主链和两条多模式辅链。

所述的外星逆境调姿着陆巡视是指：调姿模式、着陆模式、巡视模式，通过多模式之间组合切换进一步实现折叠展开、自主调姿、着陆缓冲、巡视行走、地形适应、姿态调整，具体为：在调姿模式下，为了匹配外星地表的复杂几何形貌，需要改变足垫位形以匹配最佳足端触地点，此时多模式主链锁死不动，多模式主链中的主传动连杆在调姿模式下固定不动，多模式辅链以在辅电机的驱动下绕着定子轴线受控旋转，故多模式辅链的辅操纵杆始终贴着主结构箱体侧壁受控运动从而保证腿机构的桁架属性不变性和着陆稳定性；在着陆模式下，多模式主链和辅链均锁死不动，多模式主链和多模式辅链中的活塞杆作用于缓冲缸中的缓冲材料以吸收冲击能量，从而腿机构具备桁架属性和稳定可靠的着陆位形；在巡视模式下，腿机构在动力源的驱动下进行受控运动，多模式主链中的主传动连杆在巡视模式下受控运动，从而使该探测器进行四足机器人化行走探测。

所述的缓冲材料采用但不限于铝蜂窝、金属泡沫、气液、电液材料、磁流变材料等。

所述的多模式主链包括：主安装座、主电机安装法兰、丝杠螺母组件、主传动连杆、主外套筒缓冲缸、多头异形法兰、主活塞杆、足踝和足垫，其中：主安装座与主结构箱体固定相连且通过转动铰链分别与主电机安装法兰和主传动连杆中间部分相连，丝杠螺母组件与主安装座固定相连且其丝母通过转动铰链与主传动连杆的一端相连，主传动连杆的另一端通过虎克铰与主外套筒缓冲缸相连，主外套筒缓冲缸中内置缓冲吸能材料，多头异形法兰的一端与主外套筒缓冲缸固定相连，中间为空筒状结构可使主活塞杆缓冲伸缩，多头异形法兰进一步通过两个球铰分别与两个辅链相连，足踝与主活塞杆固定相连且通过球铰与足垫相连。

所述的多模式辅链包括：辅电机、辅电机安装法兰、辅电机输出摆杆、辅传动连杆、辅活塞杆、辅外套筒缓冲缸、辅操纵杆和可变转动轴线三模式自重构关节，其中：辅电机外壳通过安装法兰与主结构箱体固定相连且其转轴与辅电机输出摆杆固定相连，辅传动连杆的两端分别通过两个球铰与辅电机输出摆杆和辅操纵杆的中间部分相连，辅操纵杆的一端通过转动铰链与可变转动轴线三模式自重构关节相连，另一端通过虎克铰与辅外套筒缓冲缸相连，辅外套筒缓冲缸中内置缓冲吸能材料，辅活塞杆在着陆缓冲时相对辅外套筒缓冲缸伸缩且其一端通过球铰与多头异形法兰相连，可变转动轴线三模式自重构关节在调姿模式下，仅实现转子相对定子转动；在着陆模式下，该关节完全刚化、固定不动；在巡视模式下，该关节中仅实现辅操纵杆绕根部转轴旋转。

所述的可变转动轴线三模式自重构关节包括：定子、转子、离合电机、离合联动轮、离合连杆、六个离合柱塞、丝杠电机、复合丝母滑块、滑轨、抱爪推杆和抱爪，其中：定子与主结构箱体固定相连，转子与定子同轴设置并相对定子转动，离合电机的外壳与转子的端部固定相连且其输出轴与离合联动轮固定相连，离合联动轮通过转动铰链分别与六个离合连杆连接且每个离合连杆通过转动铰链与离合柱塞相连，离合柱塞活动设置于转子侧壁上以实现伸缩运动，丝杠电机的外壳与转子的端部固定相连，复合丝母滑块中内置螺纹与丝杠配合传动且其上有两处滑槽以在滑轨上导向并往复滑动，滑轨的两端均与转子固定相连，复合丝母滑块的两侧各通过一个转动铰链与抱爪推杆相连，抱爪推杆的另一端通过转动铰链与抱爪相连，抱爪的中间部分通过转动铰链与转子相连；在调姿模式下，抱爪牢牢抱住辅操纵杆，离合柱塞脱离定子，从而在辅电机的驱动下可以使转子相对定子受控转动一定角度且停止转动后离合柱塞插入定子从而使转子与定子固定不动；在着陆模式下，抱爪牢牢抱住辅操纵杆，离合柱塞插入定子并且转子与定子固定不动；在巡视模式下，离合柱塞继续保持插入定子并且转子与定子固定不动，抱爪完全打开，从而在辅电机的驱动下可以使辅操纵杆绕根部转轴受控旋转。

所述的伸缩运动是指：当离合柱塞伸出到极限位置时柱塞端部位于定子内部且处于死点状态，转子相对定子固定不动；当离合柱塞缩回至一定程度时，柱塞脱离定子，此时转子可以相对定子转动。

所述的滑轨、抱爪推杆、抱爪采用成对对称布置，当复合丝母滑块运动到一极限位置时，恰好贴着丝杠电机固定侧的转子端壁，抱爪处于死点状态且辅操纵杆被抱爪牢牢抱住无法脱离；当复合丝母滑块运动到另一极限位置时，该滑块恰好贴着另一侧转子端壁，抱爪完全打开，辅操纵杆可以绕着根部的转动铰链定轴旋转。

技术效果

本发明整体解决了目前的着陆器(包括宇航工程中实际应用的构型和文献检索到的构型)受限于只能在外星平原地带等坡度小、表面平坦光整区域着陆，探测范围小。无法在外星逆境地形地貌(如山脉、峡谷、丘陵、凹坑、石砾等)中着陆，否则将产生严峻的着陆安全性问题，而往往是逆境地形地貌更容易留存有大量星球演化的原始信息；目前的巡视器由于运动范围有限亦很难抵达外星逆境地形；

与现有技术相比，本发明以自主调姿着陆能力，能够根据外星表面复杂的几何形貌自主匹配足端触地点，并确保平稳的着陆缓冲位形。为着陆于人类现有技术手段无法抵达的地形提供了技术参考；本发明融合三种功能模式于一体的探测器，即调姿模式、着陆模式、和巡视模式。从而在外星逆境地形地貌进行区域足式行走探测；本发明显著地减少腿机构的连杆数量与支链数量、提高了腿机构的刚度、抗冲击能力和可靠性，提高了着陆稳定性和巡视行走阶段的稳定性。

附图说明

图1为本实施例在着陆模式的示意图；

图2为本实施例在调姿模式的示意图；

图3为本实施例在巡视模式的示意图；

图4为着陆模式下多模式腿机构的示意图；

图5为多模式腿机构的主链的示意图；

图6为多模式腿机构的辅链的示意图；

图7为可变转动轴线三模式自重构关节的示意图；

图8为可变转动轴线三模式自重构关节中的离合机构的示意图；

图9为可变转动轴线三模式自重构关节中的抱爪机构的示意图；

图中：主结构箱体100、多模式腿机构200、多模式主链300、主安装座301、主电机安装法兰302、丝杠螺母组件303、主传动连杆304、主外套筒缓冲缸305、多头异形法兰306、主活塞杆307、足踝308、足垫309、多模式辅链400、辅电机401、辅电机安装法兰402、辅电机输出摆杆403、辅传动连杆404、辅活塞杆405、辅外套筒缓冲缸406、辅操纵杆407、可变转动轴线三模式自重构关节500、关节定子501、关节转子502、关节离合电机503、关节离合联动轮504、关节离合连杆505、关节离合柱塞506、关节丝杠电机507、关节复合丝母滑块508、关节滑轨509、关节抱爪推杆510、关节抱爪511。

具体实施方式

如图1～图3所示，本实施例包括：主结构箱体100以及分布在其四个侧面的四套多模式腿机构200，该多模式腿机构200通过自重构实现在调姿模式、着陆模式、巡视模式之间的任务转换，具备折叠展开、自主调姿、着陆缓冲、巡视行走、地形适应、姿态调整。

如图4所示，所述的多模式腿机构200包括：一条多模式主链300和两条多模式辅链400。

如图5所示，所述的多模式主链300包括：主安装座301、主电机安装法兰302、丝杠螺母组件303、主传动连杆304、主外套筒缓冲缸305、多头异形法兰306、主活塞杆307、足踝308、足垫309，其中：主安装座301固定连接于主结构箱体100上且通过转动铰链分别与主电机安装法兰302和主传动连杆304中间部分相连，丝杠螺母组件303固定于主安装座301上且其丝母通过转动铰链与主传动连杆304的一端相连，主传动连杆304的另一端通过虎克铰与主外套筒缓冲缸305相连，主外套筒缓冲缸305中内置缓冲吸能材料。多头异形法兰306的一端固定连接于主外套筒缓冲缸305上，中间为空筒状结构可使主活塞杆307缓冲伸缩，多头异形法兰306进一步通过两个球铰分别与两个辅链400相连，足踝308固定连接于主活塞杆307上且通过球铰与足垫309相连，

如图6所示，所述的多模式辅链400包括：辅电机401、辅电机安装法兰402、辅电机输出摆杆403、辅传动连杆404、辅活塞杆405、辅外套筒缓冲缸406、辅操纵杆407、可变转动轴线三模式自重构关节500，其中：辅电机401外壳通过安装法兰402固定连接在主结构箱体100上且其转轴与辅电机输出摆杆403固定相连，辅传动连杆404的两端分别通过两个球铰与辅电机输出摆杆403和辅操纵杆407的中间部分相连，辅操纵杆407的一端通过转动铰链与可变转动轴线三模式自重构关节500相连，另一端通过虎克铰与辅外套筒缓冲缸406相连，辅外套筒缓冲缸406中内置缓冲吸能材料。辅活塞杆405在着陆缓冲时相对辅外套筒缓冲缸406伸缩且其一端通过球铰与多头异形法兰306相连，

如图7～9所示，所述的可变转动轴线三模式自重构关节500，包括：定子501、转子502、离合电机503、离合联动轮504、离合连杆505、离合柱塞506、丝杠电机507、复合丝母滑块508、滑轨509、抱爪推杆510、抱爪511，其中：定子501与主结构箱体100固定相连，转子502与定子501同轴，具有相对定子501转动的能力。离合电机503的外壳固定连接在转子502的端部且其输出轴与离合联动轮504固定相连，离合联动轮504通过转动铰链分别与六个离合连杆505连接且每个离合连杆505通过转动铰链与离合柱塞506相连，离合柱塞506共六个，以在转子502侧壁上作伸缩运动，当离合柱塞506伸出到极限位置时柱塞端部位于定子501内部且处于死点状态，转子502相对定子501固定不动；当离合柱塞506缩回至一定程度时，柱塞脱离定子501，此时转子502可以相对定子501转动。丝杠电机507的外壳固定连接在转子502的端部。复合丝母滑块508中内置螺纹与丝杠配合传动且其上有两处滑槽以在滑轨509上导向并往复滑动，滑轨509的两端均固定连接在转子502上。复合丝母滑块508的两侧各通过一个转动铰链与抱爪推杆510相连，抱爪推杆510的另一端通过转动铰链与抱爪511相连，抱爪511的中间部分通过转动铰链与转子502相连，所述的滑轨509、抱爪推杆510、抱爪511采用成对对称布置。当复合丝母滑块508运动到一极限位置时，恰好贴着丝杠电机507固定侧的转子502端壁，抱爪511处于死点状态且辅操纵杆407被抱爪511牢牢抱住无法脱离；当复合丝母滑块508运动到另一极限位置时，该滑块恰好贴着另一侧转子502端壁，抱爪511完全打开，辅操纵杆407可以绕着根部的转动铰链定轴旋转。

如图2、4～9所示，所述的调姿模式是指：主传动连杆304相对主安装座301固定不动，从而使多模式主链300锁死不动。在可变转动轴线三模式自重构关节500中，抱爪511牢牢抱住辅操纵杆407，离合柱塞506脱离定子501。从而对于多模式辅链400，辅电机401可以驱动自重构关节500中的转子502相对定子501受控旋转且停止转动后离合柱塞506插入定子501从而使转子502与定子501固定不动。故辅操纵杆407始终贴着主结构箱体100侧壁运动从而保证腿机构200的桁架属性不变性和着陆稳定性；

如图1、4～9所示，所述的着陆模式是指：自重构关节500中的抱爪511牢牢抱住辅操纵杆407且离合柱塞506插入定子501锁死刚化。从而使得多模式主链300和辅链400均锁死不动，从而多模式腿机构200具备桁架属性和稳定可靠的着陆位形，其机构拓扑与嫦娥工程系列着陆器完全一致。

如图3～9所示，所述的巡视模式是指：主传动连杆304以在丝杠螺母组件303的驱动下相对主安装座301进行定轴转动。自重构关节500中的离合柱塞506继续保持插入定子501锁死刚化，抱爪511完全打开，从而在辅电机401的驱动下可以使辅操纵杆407绕根部转轴受控旋转。综上，多模式主链300和辅链400分别进行受控运动以巡视探测。

经过具体实际实验，本实施例在UG NX12.0的软件环境中进行1:1设计建模，得到探测器的主结构箱体边长为2.46m，整机高度为1.95m。进一步在Matlab中绘制工作空间并分析规划运动能力和步态，联合使用UG NX12.0自带的运动仿真求解器进行仿真解算，得到在当前参数下该探测器：1)对于自主调姿继而着陆，以在最大坡度为14.76°的斜坡上保持机身水平着陆，以使其不发生倾覆。另外，足垫在水平侧向方向上的最大调节范围是正负0.635m，意味着单腿通过调节足垫位置可以避开长度为1.27米的石砾。同理，经过分析，足垫在竖直方向通过调节可以踩在0.46m的石砾之上；2)在巡视模式，本实施例可以以最大步长0.85m、最大步高0.6m进行静态行走。

与现有技术相比，本装置基于可重构理论进行创新设计，使得探测器同时具备调姿模式、着陆模式、巡视模式，本实施例显著地减少腿机构的连杆数量与支链数量、提高了腿机构的刚度、抗冲击能力和可靠性，提高了着陆稳定性和巡视行走阶段的稳定性。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种用于外星逆境调姿着陆巡视的多模式探测器，其特征在于，包括：主结构箱体以及分布在其四个侧面的四套多模式腿机构，其中：多模式腿机构包括：一条多模式主链和两条多模式辅链；

所述的外星逆境调姿着陆巡视是指：调姿模式、着陆模式、巡视模式，通过多模式之间组合切换进一步实现折叠展开、自主调姿、着陆缓冲、巡视行走、地形适应、姿态调整，具体为：在调姿模式下，为了匹配外星地表的复杂几何形貌，需要改变足垫位形以匹配最佳足端触地点，此时多模式主链锁死不动，多模式主链中的主传动连杆在调姿模式下固定不动，多模式辅链以在辅电机的驱动下绕着定子轴线受控旋转，故多模式辅链的辅操纵杆始终贴着主结构箱体侧壁受控运动从而保证腿机构的桁架属性不变性和着陆稳定性；在着陆模式下，多模式主链和辅链均锁死不动，多模式主链和多模式辅链中的活塞杆作用于缓冲缸中的缓冲材料以吸收冲击能量，从而腿机构具备桁架属性和稳定可靠的着陆位形；在巡视模式下，腿机构在动力源的驱动下进行受控运动，多模式主链中的主传动连杆在巡视模式下受控运动，多模式主链和多模式辅链中的活塞杆作用于缓冲缸中的缓冲材料以吸收冲击能量，从而使该探测器进行四足机器人化行走探测；

所述的多模式辅链包括：辅电机、辅电机安装法兰、辅电机输出摆杆、辅传动连杆、辅活塞杆、辅外套筒缓冲缸、辅操纵杆和可变转动轴线三模式自重构关节，其中：辅电机外壳通过安装法兰与主结构箱体固定相连且其转轴与辅电机输出摆杆固定相连，辅传动连杆的两端分别通过两个球铰与辅电机输出摆杆和辅操纵杆的中间部分相连，辅操纵杆的一端通过转动铰链与可变转动轴线三模式自重构关节相连，另一端通过虎克铰与辅外套筒缓冲缸相连，辅外套筒缓冲缸中内置缓冲吸能材料，辅活塞杆在着陆缓冲时相对辅外套筒缓冲缸伸缩且其一端通过球铰与多头异形法兰相连，可变转动轴线三模式自重构关节在调姿模式下，仅实现转子相对定子转动；在着陆模式下，该关节完全刚化、固定不动；在巡视模式下，该关节中仅实现辅操纵杆绕根部转轴旋转。

2.根据权利要求1所述的用于外星逆境调姿着陆巡视的多模式探测器，其特征是，所述的多模式主链包括：主安装座、主电机安装法兰、丝杠螺母组件、主传动连杆、主外套筒缓冲缸、多头异形法兰、主活塞杆、足踝和足垫，其中：主安装座与主结构箱体固定相连且通过转动铰链分别与主电机安装法兰和主传动连杆中间部分相连，丝杠螺母组件与主安装座固定相连且其丝母通过转动铰链与主传动连杆的一端相连，主传动连杆的另一端通过虎克铰与主外套筒缓冲缸相连，主外套筒缓冲缸中内置缓冲吸能材料，多头异形法兰的一端与主外套筒缓冲缸固定相连，中间为空筒状结构可使主活塞杆缓冲伸缩，多头异形法兰进一步通过两个球铰分别与两个辅链相连，足踝与主活塞杆固定相连且通过球铰与足垫相连。

3.根据权利要求1所述的用于外星逆境调姿着陆巡视的多模式探测器，其特征是，所述的可变转动轴线三模式自重构关节包括：定子、转子、离合电机、离合联动轮、离合连杆、六个离合柱塞、丝杠电机、复合丝母滑块、滑轨、抱爪推杆和抱爪，其中：定子与主结构箱体固定相连，转子与定子同轴设置并相对定子转动，离合电机的外壳与转子的端部固定相连且其输出轴与离合联动轮固定相连，离合联动轮通过转动铰链分别与六个离合连杆连接且每个离合连杆通过转动铰链与离合柱塞相连，离合柱塞活动设置于转子侧壁上以实现伸缩运动，丝杠电机的外壳与转子的端部固定相连，复合丝母滑块中内置螺纹与丝杠配合传动且其上有两处滑槽以在滑轨上导向并往复滑动，滑轨的两端均与转子固定相连，复合丝母滑块的两侧各通过一个转动铰链与抱爪推杆相连，抱爪推杆的另一端通过转动铰链与抱爪相连，抱爪的中间部分通过转动铰链与转子相连；在调姿模式下，抱爪牢牢抱住辅操纵杆，离合柱塞脱离定子，从而在辅电机的驱动下可以使转子相对定子受控转动一定角度且停止转动后离合柱塞插入定子从而使转子与定子固定不动；在着陆模式下，抱爪牢牢抱住辅操纵杆，离合柱塞插入定子并且转子与定子固定不动；在巡视模式下，离合柱塞继续保持插入定子并且转子与定子固定不动，抱爪完全打开，从而在辅电机的驱动下可以使辅操纵杆绕根部转轴受控旋转。

4.根据权利要求3所述的用于外星逆境调姿着陆巡视的多模式探测器，其特征是，所述的伸缩运动是指：当离合柱塞伸出到极限位置时柱塞端部位于定子内部且处于死点状态，转子相对定子固定不动；当离合柱塞缩回至一定程度时，柱塞脱离定子，此时转子可以相对定子转动。

5.根据权利要求3所述的用于外星逆境调姿着陆巡视的多模式探测器，其特征是，所述的滑轨、抱爪推杆、抱爪采用成对对称布置，当复合丝母滑块运动到一极限位置时，恰好贴着丝杠电机固定侧的转子端壁，抱爪处于死点状态且辅操纵杆被抱爪牢牢抱住无法脱离；当复合丝母滑块运动到另一极限位置时，该滑块恰好贴着另一侧转子端壁，抱爪完全打开，辅操纵杆可以绕着根部的转动铰链定轴旋转。

Images