面向空间非合作目标的仿昆虫前跗节黏附足机构的制作方法

1.本发明涉及空间机器人在轨服务技术领域，具体涉及一种面向空间非合作目标的仿昆虫前跗节黏附足机构。


背景技术：

2.基于生物黏附机理的空间附着爬行机器人可满足大型航天器在轨服务和维护任务对航天器表面灵活移动能力的需求。空间附着爬行机器人采用腿足式工作方式，具有良好的地形适应能力和爬行速度。目前国内外对空间黏附爬行机器人黏附足方面的研究较少，存在技术问题主要集中不同目标表面的适应性弱和爬行速度低两方面。
3.一方面，在执行黏附任务时，足够的黏附面积是保证黏附足与目标面可靠黏附连接的重要前提，然而目标面存在不同表面形貌的凸起，降低了平整黏附面与目标面的有效黏附面积。而且当黏附足与目标面碰撞时，提供黏附作用的能量应控制在一定范围内，否则难以产生足够大的黏附力保证有效连接。目前末端黏附机构的黏附模块仅能完成对平整表面目标的黏附任务，对不同目标表面形貌适应性较弱，且未考虑保证可靠黏附的缓冲吸能问题。
4.另一方面，在执行脱附任务时，黏附足与目标面应在短时间内能快速高效的完全脱附，以保证空间黏附机器人能在目标面上快速爬行。目前黏附机构的驱动单元响应速度较慢，导致脱附机构的运动时间较长，影响整个空间机器人的运动速度。而且传统绳驱动的脱附机构构型限制了脱附效果，导致脱附结束时仍存在较多残余黏附区域。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了提供一种面向空间非合作目标的仿昆虫前跗节黏附足机构。此方法旨在解决传统方法中对于不同目标表面，空间黏附爬行机器人黏附足适用性较差且脱附时间长，影响爬行速度的问题。
6.为达到上述目的，本发明提供了一种面向空间非合作目标的仿昆虫前跗节黏附足机构，包括：
7.黏附模块和与其连接的脱附模块，
8.所述黏附模块包括：四个相互独立的扇形子黏附模块，四个所述子黏附模块围合成一圆盘型结构，
9.每一所述子黏附模块包括：黏附块，其用于整个机构的黏附；
10.传感器层，其设置在所述黏附块的上方，用于检测所述黏附块的接触信息；
11.黏附足趾爪，其设置在所述黏附块上，所述黏附足趾爪为扇形框架结构，用于所述黏附模块的固定和支撑；
12.弹性吸能层，其设置在所述传感器层和所述黏附足趾爪之间，用于缓冲吸能，
13.所述脱附模块包括：压电作动器，其外壁与四个所述黏附足趾爪连接，所述压电作动器的作动器轴分别与四个所述子黏附模块的内侧连接，所述压电作动器用于所述脱附模
块的驱动单元。
14.优选的，所述弹性吸能层为变刚度串联式缓冲结构层，其包括：
15.弹性层，其设置在所述传感器层的上表面，所述弹性层用于提前吸能降速；
16.黏附板，其设置在所述弹性层的上表面；
17.变刚度弹簧，其设置在所述黏附板和所述黏附足趾爪之间，所述变刚度弹簧用于匹配所述黏附块的黏附目标表面，以实现变形储能。
18.优选的，所述黏附块与所述传感器层、所述弹性吸能层和所述黏附板依次接触排列且外缘对齐，并采用一体化集成工艺紧固连接。
19.优选的，所述弹性吸能层还包括：调节螺柱，所述变刚度弹簧与所述黏附足趾爪通过所述调节螺柱连接，通过调节所述调节螺柱，以改变所述变刚度弹簧的预紧力。
20.优选的，根据非合作目标的表面形貌分别对四个所述子黏附模块上的调节螺柱进行调节，以适用于不同目标表面的形貌。
21.优选的，还包括连杆，所述压电作动器与四个所述黏附足趾爪分别通过四个所述连杆连接。
22.优选的，所述作动器轴分别与每一所述黏附足趾爪和所述黏附板的内侧分别连接。
23.优选的，所述作动器轴与每一所述黏附足趾爪和所述黏附板的内侧分别通过回转铰链连接。
24.优选的，所述弹性层内设置有吸能材料，以实现缓冲吸能。
25.优选的，每一所述黏附足趾爪均镂空设置，以减轻机构重量。
26.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
27.(1)本发明对非合作目标表面形貌适应的强缓冲吸能附着功能，黏附块与趾爪间的变刚度串联式缓冲结构层能实现前端阻尼材料提前吸能降速，且后端异形变刚度弹簧能匹配目标表面形貌发生变形实现部分储能，降低了对黏附目标的冲击，具有较强的目标面形貌适应能力，易形成高可靠性、高品质连接；
28.(2)本发明对非合作目标表面快速爬行的高效快速脱附功能，脱附模块仿照昆虫前跗节的黏附足结构，采用单个子黏附模块从目标面一侧远端支撑、逐步剥离的脱附方式能实现省力和省能耗，且在趾爪支撑下黏附块能完全从目标面上剥离，避免以往脱附任务完成后仍存在黏附区域大范围残留的问题，压电作动器具有在短时间快速作动的功能，能驱动杆机构快速实现高效脱附任务。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，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：
30.图1为本发明一实施例提供的一种面向空间非合作目标的仿昆虫前跗节黏附足机构的整体结构示意图；
31.图2为本发明一实施例提供的一种面向空间非合作目标的仿昆虫前跗节黏附足机构的黏附模块结构示意图；
32.图3为本发明一实施例提供的一种面向空间非合作目标的仿昆虫前跗节黏附足机构的黏附足脱附状态示意图；
33.图4为本发明一实施例提供的一种面向空间非合作目标的仿昆虫前跗节黏附足机构的黏附块结构示意图。
34.附图标记说明：1-压电作动器，2-连杆，3-调节螺柱，4-黏附足趾爪，5-缓冲弹簧，6-黏附板，7-弹性层，8-传感器层，9-黏附块，10-黏附目标，11-吸能材料，12-作动器轴。
具体实施方式
35.以下结合附图1-4和具体实施方式对本发明提出的一种面向空间非合作目标的仿昆虫前跗节黏附足机构作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
36.鉴于传统方法中对于不同目标表面，空间黏附爬行机器人黏附足适用性较差且脱附时间长，影响爬行速度的问题。本实施例提供了一种面向空间非合作目标的仿昆虫前跗节黏附足机构，参考图1所示，包括：黏附模块和与其连接的脱附模块。
37.所述黏附模块包括：四个相互独立的扇形子黏附模块，四个所述子黏附模块围合成一圆盘型结构，每一所述子黏附模块包括：黏附块9，其用于整个机构的黏附；传感器层8，其设置在所述黏附块9的上方，用于检测所述黏附块9的接触信息；黏附足趾爪4，其设置在所述黏附块9上，所述黏附足趾爪4为扇形框架结构，用于所述黏附模块的固定和支撑；弹性吸能层，其设置在所述传感器层8和所述黏附足趾爪4之间，用于缓冲吸能。
38.本实施例中所述弹性吸能层为变刚度串联式缓冲结构层，其包括：弹性层7，其设置在所述传感器层8的上表面，所述弹性层7用于提前吸能降速；黏附板6，其设置在所述弹性层7的上表面；变刚度弹簧，其设置在所述黏附板6和所述黏附足趾爪4之间，所述变刚度弹簧用于匹配所述黏附块9的黏附目标10表面，以实现变形储能。
39.所述黏附块9与所述传感器层8、所述弹性吸能层和所述黏附板6依次接触排列且外缘对齐，并采用一体化集成工艺紧固连接。
40.所述弹性吸能层还包括：调节螺柱3，所述变刚度弹簧与所述黏附足趾爪4通过所述调节螺柱3连接，通过调节所述调节螺柱3，以改变所述变刚度弹簧的预紧力。
41.根据非合作目标的表面形貌分别对四个所述子黏附模块上的调节螺柱3进行调节，以适用于不同目标表面的形貌。
42.为调节后端变刚度弹簧的预紧力，增减螺钉上部分螺母的旋入量，改变黏附足趾爪4与黏附板6的相对间距与缓冲弹簧5的压缩量。
43.在碰撞接触过程中，黏附模块的四部分子黏附模块能相互独立浮动，与目标形貌均有不同程度的匹配，使产生的弹性变形量有所区别，所以整体的黏附区域面积均得到提升，具有较强的目标表面适应能力，保证空间机器人在不同形貌目标表面能稳定、快速爬行
运动。
44.如图2所示，所述弹性层7内设置有吸能材料11，以实现缓冲吸能。
45.每一所述黏附足趾爪4均镂空设置，以减轻机构重量。
46.所述黏附模块构型仿照昆虫前附节的结构特点设计：整个所述黏附模块采用四部分相互独立浮动的扇形子黏附模块的布局形式，且在子黏附模块的黏附块9与趾爪4间连接变刚度的缓冲吸能层。
47.采用扇形裁刀将黏附块9裁剪成扇形结构，且在剪裁过程中注意防护黏附面。将黏附板6放入超声清洗机内清洗并取出烘干，保证黏附板6在装配前表面无油渍、颗粒等物质。将黏附块9的背面与传感器层8、弹性层7、吸能材料11、黏附板6依次接触排列且外缘对齐，并采用一体化集成工艺将其紧固连接。检测并考核所制备的四扇黏附子模块的一致性问题，保证其尺寸偏差在误差允许范围内。
48.用螺钉将清洗完的黏附足趾爪4和缓冲弹簧5紧固连接成一体，所选用的螺钉长度应不超过缓冲弹簧5的内表面，以免在缓冲弹簧5发生弹性压缩变形时与另一侧的弹簧内表面相接触，导致缓冲作用失效。缓冲弹簧5的另一侧与黏附板6的上表面贴紧，然后将紧定螺钉依次穿过含有通孔的黏附足趾爪4、缓冲弹簧5、螺母，旋入黏附板6后用螺母备紧。在黏附足趾爪4上端的紧定螺钉处装配螺母，通过螺母的旋入量调解缓冲弹簧5的变形量，进而改变调解黏附足趾爪4与黏附板6的相对位置和预紧力。
49.继续参考图1和图2所示，当具有一定初始动能的黏附足与不同形貌的目标接触时，产生的初始碰撞信息会传递给传感器。该碰撞能量依次经过弹性层7和吸能材料11，耗散一部分能量。剩余一部分动能通过压缩缓冲弹簧5，存储了一部分能量，降低了对黏附目标10的冲击。在碰撞接触过程中，四部分子黏附模块与目标形貌均有不同程度的匹配，使产生的弹性变形量有所区别，所以整体的黏附区域面积均得到提升，具有较强的目标面形貌适应附着能力。
50.参考图3所示，所述脱附模块包括：压电作动器1，其外壁与四个所述黏附足趾爪4连接，所述压电作动器1的作动器轴12分别与四个所述子黏附模块的内侧连接，所述压电作动器1用于所述脱附模块的驱动单元。
51.所述压电作动器1与四个所述黏附足趾爪4分别通过四个所述连杆2连接。所述作动器轴12分别与每一所述黏附足趾爪4和所述黏附板6的内侧分别连接。所述作动器轴12与每一所述黏附足趾爪4和所述黏附板6的内侧分别通过回转铰链连接。
52.继续参考图3所示，所述脱附模块的构型设计仿照昆虫的前跗节结构、爪和软垫相对运动特点，实现黏附足与接触面分离时能远端支撑、近端脱附的功能，构成一套基于导杆机构的省力机构。脱附模块的机构驱动单元采用响应速度较快的压电作动器1，能在短时间内驱动机构完成脱附运动。
53.当压电作动器1快速驱动轴向上运动时，压电作动器1的趾爪与轴的间相对位移减小。黏附足趾爪4和黏附板6随压电作动器1轴被提拉起来，直至黏附足的外缘足尖与目标面接触形成支撑点，黏附块9开始绕着支点运动，在边缘处逐渐与目标形成剥离缝隙，直到黏附足完成整个脱附运动。
54.脱附模块的构型设计仿照昆虫的前跗节结构、爪和软垫相对运动特点，实现黏附足与接触面分离时能远端支撑、近端脱附的功能，构成一套基于导杆机构的省力机构。机构
的驱动部分采用响应速度较快的压电作动器1，能在短时间内驱动机构完成脱附运动，实现空间机器人对非合作目标表面快速爬行的高效快速脱附功能。
55.脱附模块的压电作动器1、连杆2、黏附足趾爪4、黏附板6等几部分通过回转铰链连接，压电作动器1利用压电陶瓷堆叠的逆压电效应，将电能转换后的机械能不断地进行存储、释放，以两对驱动齿的高频尺蠖式线性运动，实现作动器与作动器轴12间的相对连续运动。按照图示内容，将四个连杆2的两端分别连接作动器的趾爪以及黏附足的趾爪4；作动器轴12与四个黏附足趾爪4通过销轴相连，构成了整个脱附模块。装配后的连杆2应与黏附块9环面垂直，能保证脱附机构具有较好的承载情况，且四部分子黏附模块的黏附面需满足平面度要求。
56.当压电作动器1快速驱动轴向上运动时，压电作动器1的趾爪与轴的间相对位移减小。黏附足趾爪4和黏附板6已被安装成整体，随压电作动器1轴被提拉起来。直至黏附足的外缘足尖与目标面接触形成支撑点，黏附块9开始绕着支点运动，在边缘处逐渐与目标形成剥离缝隙，直到黏附足完成整个脱附运动。由于支撑点处于最外侧边缘，黏附力均布在黏附块9与目标面的黏附区域，因而等效黏附载荷集中在材料的中间区域，构成省力杠杆机构，减小了完成脱附运动所需的驱动力。
57.综上所述，本实施例对非合作目标表面形貌适应的强缓冲吸能附着功能。黏附块9与趾爪4间的变刚度串联式缓冲结构层能实现前端阻尼材料提前吸能降速，且后端异形变刚度弹簧能匹配目标表面形貌发生变形实现部分储能，降低了对黏附目标10的冲击，具有较强的目标面形貌适应能力，易形成高可靠性、高品质连接。本实施例对非合作目标表面快速爬行的高效快速脱附功能。脱附模块仿照昆虫前跗节的黏附足结构，采用单个子黏附模块从目标面一侧远端支撑、逐步剥离的脱附方式能实现省力和省能耗，且在趾爪4支撑下黏附块9能完全从目标面上剥离，避免以往脱附任务完成后仍存在黏附区域大范围残留现象。压电作动器1具有在短时间快速作动的功能，能驱动杆机构快速实现高效脱附任务。
58.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
59.应当注意的是，在本文的实施方式中所揭露的装置和方法，也可以通过其他的方式实现。以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本文的多个实施方式的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方
框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用于执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
60.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

技术特征：
1.一种面向空间非合作目标的仿昆虫前跗节黏附足机构，其特征在于，包括：黏附模块和与其连接的脱附模块，所述黏附模块包括：四个相互独立的扇形子黏附模块，四个所述子黏附模块围合成一圆盘型结构，每一所述子黏附模块包括：黏附块，其用于对非合作目标的黏附；传感器层，其设置在所述黏附块的上方，用于检测所述黏附块的接触信息；黏附足趾爪，其设置在所述黏附块上，所述黏附足趾爪为扇形框架结构，用于所述黏附模块的固定和支撑；弹性吸能层，其设置在所述传感器层和所述黏附足趾爪之间，用于缓冲吸能，所述脱附模块包括：压电作动器，其外壁与四个所述黏附足趾爪连接，所述压电作动器的作动器轴分别与四个所述子黏附模块的内侧连接，所述压电作动器用于所述脱附模块的驱动单元。2.如权利要求1所述的面向空间非合作目标的仿昆虫前跗节黏附足机构，其特征在于，所述弹性吸能层为变刚度串联式缓冲结构层，其包括：弹性层，其设置在所述传感器层的上表面，所述弹性层用于提前吸能降速；黏附板，其设置在所述弹性层的上表面；变刚度弹簧，其设置在所述黏附板和所述黏附足趾爪之间，所述变刚度弹簧用于匹配所述黏附块的黏附目标表面，以实现变形储能。3.如权利要求2所述的面向空间非合作目标的仿昆虫前跗节黏附足机构，其特征在于，所述黏附块与所述传感器层、所述弹性吸能层和所述黏附板依次接触排列且外缘对齐，并采用一体化集成工艺紧固连接。4.如权利要求3所述的面向空间非合作目标的仿昆虫前跗节黏附足机构，其特征在于，所述弹性吸能层还包括：调节螺柱，所述变刚度弹簧与所述黏附足趾爪通过所述调节螺柱连接，通过调节所述调节螺柱，以改变所述变刚度弹簧的预紧力。5.如权利要求4所述的面向空间非合作目标的仿昆虫前跗节黏附足机构，其特征在于，根据非合作目标的表面形貌分别对四个所述子黏附模块上的调节螺柱进行调节，以适用于不同目标表面的形貌。6.如权利要求5所述的面向空间非合作目标的仿昆虫前跗节黏附足机构，其特征在于，还包括连杆，所述压电作动器与四个所述黏附足趾爪分别通过四个所述连杆连接。7.如权利要求6所述的面向空间非合作目标的仿昆虫前跗节黏附足机构，其特征在于，所述作动器轴分别与每一所述黏附足趾爪和所述黏附板的内侧分别连接。8.如权利要求7所述的面向空间非合作目标的仿昆虫前跗节黏附足机构，其特征在于，所述作动器轴与每一所述黏附足趾爪和所述黏附板的内侧分别通过回转铰链连接。9.如权利要求8所述的面向空间非合作目标的仿昆虫前跗节黏附足机构，其特征在于，所述弹性层内设置有吸能材料，以实现缓冲吸能。10.如权利要求9所述的面向空间非合作目标的仿昆虫前跗节黏附足机，其特征在于，每一所述黏附足趾爪均镂空设置，以减轻机构重量。

技术总结
本发明公开了一种面向空间非合作目标的仿昆虫前跗节黏附足机构，包括：黏附模块和与其连接的脱附模块，所述黏附模块包括：四个相互独立的扇形子黏附模块，四个所述子黏附模块围合成一圆盘型结构，每一所述子黏附模块包括：黏附块；传感器层；黏附足趾爪；弹性吸能层，所述脱附模块包括：压电作动器，其外壁与四个所述黏附足趾爪连接，本发明降低了对黏附目标的冲击，具有较强的目标面形貌适应能力，易形成高可靠性、高品质连接；脱附模块仿照昆虫前跗节的黏附足结构，实现高效快速脱附，避免以往脱附任务完成后仍存在黏附区域大范围残留的问题。的问题。的问题。


技术研发人员：李云涛 张晓龙 孙俊 王国鹏 李钻 刘志刚
受保护的技术使用者：上海航天控制技术研究所
技术研发日：2022.12.29
技术公布日：2023/6/4