CN114197873A - 一种仿生蜘蛛的月面可重构打印装置及月面原位建造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生蜘蛛的月面可重构打印装置及月面原位建造方法,属于月球基地建设领域,包括软着陆缓冲机构、移动机构、可调节机械臂、可重构末端组件、机架和移动增材制造模块;软着陆缓冲机构在月球着陆前的姿态调整和着陆时的缓冲减速;可调节机械臂装配于机架的上部;可重构末端组件连接于可调节机械臂的一端,包括随形打印机构、钻孔注浆机构、柔性抓取机构、振捣夯实机构和铲运挖掘机构;移动增材制造模块接收施工指令并更换可重构末端组件中各施工机构,实现月面原位建造。本发明使用至少一个该打印装置进行月球原位建造,充分利用月球的现有资源进行打印作业,解决了建造月面建筑所需材料需要从地球制造、运输的成本问题。
Description
技术领域
本发明属于月球基地建设领域,更具体地,涉及一种仿生蜘蛛的月面可重构打印装置及月面原位建造方法。
背景技术
月球是人类向深空探测的一个起点,但是建设月球基地所需的大量原材料如果从地球运输到月球,运输的成本将十分高昂,运输周期也会十分漫长。而月球本身具有丰富的资源储备,因此国内外专家提出了空间原位资源利用(ISRU),利用月壤原位成型进行月球基地建设。
3D打印技术是一种直接由数字模型来构建物体的技术,将3D打印技术应用到建筑中,已经成为一个较为成熟的发展方向,而对于月面大型建筑,如何设计一个轻量化可重构的高效灵活的3D打印系统,利用月球丰富的原位资源完成建造任务,成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种仿生蜘蛛的月面可重构打印装置及月面原位建造方法,其目的在于通过控制可重构末端组件根据施工需要更换不同的施工机械工具完成不同的建造任务,以实现月球表面原位建造,由此解决月面建筑所需材料需要从地球制造、运输的成本问题的技术问题。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种仿生蜘蛛的月面可重构打印装置,该装置包括软着陆缓冲机构、移动机构、可调节机械臂、可重构末端组件、机架和移动增材制造模块;
所述软着陆缓冲机构设置于所述机架底部,用于在月球着陆前的姿态调整和着陆时的缓冲减速;所述移动机构设置于所述机架底部;所述可调节机械臂装配于所述机架的上部,所述可重构末端组件连接于所述可调节机械臂的一端;所述移动增材制造模块设置于所述机架内部,且与所述软着陆缓冲机构、移动机构、可调节机械臂和可重构末端组件通信连接;
所述可重构末端组件包括随形打印机构、钻孔注浆机构、柔性抓取机构、振捣夯实机构和铲运挖掘机构;所述移动增材制造模块用于接收施工指令并根据施工指令更换所述可重构末端组件中各施工机构,从而实现月面原位建造。
优选地,所述移动机构包括支撑单元和视觉定位单元;
所述支撑单元装配于所述机架底部并设有多个,多个所述支撑单元在移动增材制造模块的控制系统分别用于所述打印装置的支撑和移动,以实现所述打印装置移动和打印同步进行;
所述视觉定位单元用于实时获取月面信息并将所述月面信息传输至所述移动增材制造模块并根据施工指令使打印装置定位至规划位置。
优选地,所述支撑单元设有6个;靠近打印区域的前端支撑单元用于倚靠在打印成型的建筑上,远离打印区域的后端支撑单元用于支撑所述打印装置。
优选地,所述可调节机械臂在竖直方向具有240度的作业角度;所述可调节机械臂在水平方向具有360度的作业角度。
优选地,移动增材制造模块包括控制单元、导航单元和驱动单元;所述控制单元由中央控制器组成,所述控制单元用于将获取的月面信息传输至地球的远程控制端,并将远程控制端所发出的控制指令传输至所述驱动单元;所述导航单元由基于GPS的传感器元件组成,用于识别打印装置的位置和状态;所述驱动单元用于接收控制指令并驱动所述移动机构、可调节机械臂和可重构末端组件完成打印作业。
按照本发明的另一方面,提供了一种月面原位建造方法,使用至少一个仿生蜘蛛的月面可重构打印装置在月球上利用原位资源完成月面建造任务。
优选地,所述建造方法具体包括以下步骤:
步骤一,收集月球表面土壤,与打印装置内的粘合剂进行混合搅拌;
步骤二,清理月壤表面碎石,平整月面,对平整后的月面进行钻孔注浆,加固地基,并对加固后的地基振捣夯实,完成对地基的处理;
步骤三,接收并执行远程控制端的打印指令,在移动的同时打印出预设的月面建筑结构;
步骤四,重复步骤一到步骤三,利用月球原位资源打印出多个月面建筑组成的建筑群。
优选地,还包括所述打印装置在着陆前调整姿态,扫描月球表面的地形地貌,选择合适的地点完成着陆。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:本发明提出的一种仿生蜘蛛的月面可重构打印装置,末端工具可重构,能实现钻孔注浆、柔性抓取、振捣夯实、铲运挖掘等多种施工工序,适应月面原位建造的各种任务;设置多个支撑单元有足够的打印空间,移动也更加灵活,能打印较大尺寸的月面建筑,可实现边移动边打印。本发明提出的月面原位建造方法使用一个或多个该打印装置进行月球原位建造的方法能够充分利用月球的现有资源进行打印作业,解决了建造月面建筑所需材料需要从地球制造、运输的成本问题。
附图说明
图1是本发明实施例中仿生蜘蛛的月面可重构打印装置的结构示意图;
图2是本发明实施例可重构末端组件中随形打印机构、钻孔注浆机构、柔性抓取机构、振捣夯实机构和铲运挖掘机构的结构示意图;
图3是本发明实施例中仿生蜘蛛的月面可重构打印装置打印过程示意图。
在所有附图中,相同的附图标记用来表示相同的元件或结构,其中:1-软着陆缓冲机构;2-移动机构;3-可调节机械臂;4-机架;5-可重构末端组件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1和图2所示,本发明提出了一种仿生蜘蛛的月面可重构打印装置,包括软着陆缓冲机构1、移动机构2、可调节机械臂3、机架4、移动增材制造模块和可重构末端组件5。
具体的,所述软着陆缓冲机构1位于机架4的下端,用于打印装置在月球着陆前的姿态调整和着陆时的缓冲减速;所述移动机构包括打印装置底部的六个机械臂构成的“六足”支撑单元和视觉定位单元;所述可调节机械臂3为轻量化可调节臂,其位于所述机架4的上部,使用轻量结构化构造,其末端可以更换不同的施工机械工具,实现不同的打印任务;所述移动增材制造模块位于所述机架4的内部,包括控制单元、导航单元和驱动单元。
更进一步的说明,月面可重构打印装置从绕月轨道脱离,减速飞行依靠月球引力进入月面,在快接近月面时,打印装置扫描月面地形地貌,软着陆缓冲机构1调整打印装置着陆姿态,在快着陆时点燃燃料,依靠反作用力迅速降低打印装置速度,使打印装置能安稳着陆。
更进一步的说明,打印装置着陆后由底部六个机械臂进行支撑移动,可调节机械臂3同时进行工作,收集附近的月球土壤,与打印装置所带的粘合剂进行混合并搅拌。打印装置的建造成形空间将大于5米*5米*5米,底部前端支撑单元能够依靠在打印成型的建筑上,后端支撑单元作为支撑使得打印装置能够站立,运动空间更大更灵活。轻量化可调节臂采用满足性能要求的轻量化结构构造,在竖直方向拥有240度的作业角度,在水平方向拥有360度全方位的作业角度。
如图2所示,所述的可调节机械臂3具有可重构的打印末端,可装备不同的施工机械工具实现多种不同的月面原位建造工序需求,可重构末端组件5先使用铲运工具,清理掉月壤表面的碎石,平整月面,进行地基处理;然后使用钻孔工具,进行钻孔注浆,加固地基;再更换振捣工具,进行地基振捣夯实。
更进一步的说明,打印装置的移动增材制造模块位于机架4内部,包括控制单元、导航单元和驱动单元。其中,控制单元由中央控制器组成,所述中央控制器能够控制连接所述的软着陆缓冲机构1、移动机构2、可调节机械臂3及可重构末端组件5,能够将打印装置获得的月面信息传回地球,并执行地球发出的指令;导航单元由基于GPS技术的传感器元件组成,识别打印装置的位置和状态;驱动单元处理指令,执行程序,完成打印装置移动及打印的过程。如图3所示,地基处理完毕后,打印装置开始进行随形3D打印,执行地面传输的打印程序,边移动,边打印出电脑软件设计好的月面建筑。
本发明的一个实施例提出一种月面原位建造方法,该方法包括以下步骤:
步骤一,收集月球表面土壤,与打印装置内的粘合剂进行混合搅拌;
步骤二,清理月壤表面碎石,平整月面,对平整后的月面进行钻孔注浆,加固地基,并对加固后的地基振捣夯实,完成对地基的处理;
步骤三,接收并执行远程控制端的打印指令,在移动的同时打印出预设的月面建筑结构;
步骤四,重复步骤一到步骤三,利用月球原位资源打印出多个月面建筑组成的建筑群。
更进一步的说明,本发明中使用一个或多个仿生蜘蛛的月面可重构打印装置重复上述操作步骤,最终实现使用月球原位资源,建造出一个月面建筑群,等待人类的到来。
综上所述,本发明所提出的仿生蜘蛛的月面可重构打印装置及月面原位建造方法有足够的打印空间,移动也更加灵活,能打印较大尺寸的月面建筑,可实现边移动边打印,末端工具可重构,更换不同施工机械工具能实现钻孔注浆、柔性抓取、振捣夯实、铲运挖掘等多种施工工序,适应月面原位建造的各种任务。使用一个或多个该打印装置进行月球原位建造的方法能够充分利用月球的现有资源进行打印作业,解决了建造月面建筑所需材料需要从地球制造、运输的成本问题。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种仿生蜘蛛的月面可重构打印装置,其特征在于,该装置包括软着陆缓冲机构(1)、移动机构(2)、可调节机械臂(3)、可重构末端组件(5)、机架(4)和移动增材制造模块;
所述软着陆缓冲机构(1)设置于所述机架(4)底部,用于在月球着陆前的姿态调整和着陆时的缓冲减速;所述移动机构(2)设置于所述机架(4)底部;所述可调节机械臂(3)装配于所述机架(4)的上部,所述可重构末端组件(5)连接于所述可调节机械臂(3)的一端;所述移动增材制造模块设置于所述机架(4)内部,且与所述软着陆缓冲机构(1)、移动机构(2)、可调节机械臂(3)和可重构末端组件(5)通信连接;
所述可重构末端组件(5)包括随形打印机构、钻孔注浆机构、柔性抓取机构、振捣夯实机构和铲运挖掘机构;所述移动增材制造模块用于接收施工指令并根据施工指令更换所述可重构末端组件(5)中各施工机构,从而实现月面原位建造。
2.根据权利要求1所述的一种仿生蜘蛛的月面可重构打印装置,其特征在于,所述移动机构(2)包括支撑单元和视觉定位单元;
所述支撑单元装配于所述机架(4)底部并设有多个,多个所述支撑单元在移动增材制造模块的控制系统分别用于所述打印装置的支撑和移动,以实现所述打印装置移动和打印同步进行;
所述视觉定位单元用于实时获取月面信息并将所述月面信息传输至所述移动增材制造模块并根据施工指令使打印装置定位至规划位置。
3.根据权利要求2所述的一种仿生蜘蛛的月面可重构打印装置,其特征在于,所述支撑单元设有6个;靠近打印区域的前端支撑单元用于倚靠在打印成型的建筑上,远离打印区域的后端支撑单元用于支撑所述打印装置。
4.根据权利要求1所述的一种仿生蜘蛛的月面可重构打印装置,其特征在于,所述可调节机械臂(3)在竖直方向具有240度的作业角度;所述可调节机械臂(3)在水平方向具有360度的作业角度。
5.根据权利要求1所述的一种仿生蜘蛛的月面可重构打印装置,其特征在于,移动增材制造模块包括控制单元、导航单元和驱动单元;所述控制单元由中央控制器组成,所述控制单元用于将获取的月面信息传输至地球的远程控制端,并将远程控制端所发出的控制指令传输至所述驱动单元;所述导航单元由基于GPS的传感器元件组成,用于识别打印装置的位置和状态;所述驱动单元用于接收控制指令并驱动所述移动机构、可调节机械臂和可重构末端组件完成打印作业。
6.一种月面原位建造方法,其特征在于,使用至少一个如权利要求1-5任一项所述的仿生蜘蛛的月面可重构打印装置在月球上利用原位资源完成月面建造任务。
7.根据权利要求6所述的一种月面原位建造方法,其特征在于,所述建造方法具体包括以下步骤:
步骤一,收集月球表面土壤,与打印装置内的粘合剂进行混合搅拌;
步骤二,清理月壤表面碎石,平整月面,对平整后的月面进行钻孔注浆,加固地基,并对加固后的地基振捣夯实,完成对地基的处理;
步骤三,接收并执行远程控制端的打印指令,在移动的同时打印出预设的月面建筑结构;
步骤四,重复步骤一到步骤三,利用月球原位资源打印出多个月面建筑组成的建筑群。
8.根据权利要求7所述的一种月面原位建造方法,其特征在于,还包括所述打印装置在着陆前调整姿态,扫描月球表面的地形地貌,选择合适的地点完成着陆。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220318 |