月面太阳能板仿生除尘机器人

1.本发明属于航空航天、仿生机器人领域，涉及电离集尘、仿生手掌功能的多足-履带式机器人。


背景技术：

2.登月开发月球资源、建设月球基地早已成为各国竞争焦点，在对月球的深入探索过程中，锋利且无处不在的月尘成为巨大的阻碍。月尘在月球表面广泛存在，在月面复杂环境中，伴随各种接触和摩擦作用，月尘颗粒极易带电，扬起后易粘附在任何表面。在月球基地的建设计划中，太阳能板的涵盖范围广，除尘需求量最大。而国内外现有的几种除尘方案——如机械振动除尘、电帘除尘和不同材料的刷子除尘——不免有电能消耗大，需要人工辅助和易扬尘等缺点，所以设计出一种功能完备的除尘工具就显得极为重要。
3.自然界多数适合做除尘刷的人工织物和生物毛发都存在静电，鸵鸟羽毛是唯一不带静电的生物羽毛，它具有超强的吸尘能力，能吸附微细带电尘埃颗粒，并且轻轻抖动即可使其掉落。且羽毛质地细软，不会对器具表面造成伤害。因鸵鸟羽毛的以上优异特性，现如今已广泛应用于电脑、精密仪器及汽车表面的抗静电除尘产品。因此，鸵鸟毛是制作月尘刷刷毛至关重要的部分。
4.电离除尘是目前为止最为实用且高效的一种除尘手段，但大范围应用时对电能的消耗很大，且操作较为繁琐。刷子除尘虽然稳定低耗，但需要宇航员参与，且刷毛上月尘无法处理，易扬起月尘再次覆盖，效率较低。本发明将二者与鸵鸟羽毛结合，基于对鸵鸟毛优秀除尘性能的利用，致力于为月球表面的除尘问题作出贡献，设计出该除尘机器人。
5.本发明还从自然生物获取灵感，利用工程仿生学原理更好地解决问题。在轻量高效原则的基础上，针对运动和除尘后续处理问题，分别加入了履带结构、四足结构、仿生手掌和电离集尘装置。本发明学习蜘蛛行走步态设计四足结构，再结合履带结构优化除尘机器人行走方式；仿照壁虎脚趾微结构改进机器人足底，适应斜面太阳能板；结合鸵鸟羽毛优秀的除尘性能，提高除尘效率。其中，履带结构和四足结构分别负责在太阳能板上的常规直线运动和转弯越障避障；仿生手掌增强了抓地能力，可协助履带进行斜面爬坡；电离集尘装置则可有效解决除尘后刷毛上月尘粘附的问题。
6.本发明以蜘蛛行走步态、壁虎脚趾微结构和鸵鸟毛为仿生原型，结合电离除尘和刷子除尘，设计出一款小型轻量化机器人，减轻大面积除尘负担并解决扬尘以及除尘后月尘的后续处理问题。


技术实现要素：

7.为解决上述问题，本发明提供一种月面太阳能板仿生除尘机器人。
8.本发明模仿蜘蛛行走步态、壁虎脚趾微结构和鸵鸟羽毛结构，结合电帘除尘和刷子除尘，有效减轻月面太阳能版大面积除尘负担并解决扬尘以及除尘后月尘的后续处理问题。
9.一种月面太阳能板仿生除尘机器人，是由机身、履带结构、四足结构和电离盒组成；所述的履带结构包括正反转差速器、托链轮、主动轮、张紧轮、摇杆、支重轮、内活塞、外活塞、弹簧、导向轮、第一履带板、第二履带板、第三履带板、第四履带板、外链板、内链板、套筒和履带销，正反转差速器固定在机身上，托链轮通过销轴与机身相连，铰接点为a，主动轮通过销轴与机身相连铰，接点为b，正反转差速器与主动轮相连，第一履带板、第二履带板、第三履带板、第四履带板相邻之间通过销轴进行连接，与外链板、内链板、套筒和履带销形成一个履带单元，不同履带单元通过外链板、内链板、套筒和履带销连接起来形成完整履带，主动轮与第一履带板、第二履带板、第三履带板、第四履带板、外链板、内链板、套筒、履带销和鸵鸟毛组成链啮合，第一履带板、第二履带板、第三履带板、第四履带板表面布满鸵鸟毛，摇杆一端通过销轴与机身相连，铰接点为f，摇杆另一端通过销轴与支重轮相连，铰接点为g，张紧轮通过销轴与机身相连，铰接点为e，导向轮通过销轴与机身相连，铰接点为h；正反转差速器的往复转动带动主动轮转动，主动轮通过与第一履带板、第二履带板、第三履带板、第四履带板、外链板、内链板、套筒和履带销组成的链啮合将履带向前推动，从而带动托链轮、张紧轮、支重轮、导向轮转动；支重轮与摇杆和内活塞相连，铰接点为g，内活塞与外活塞组成移动副，活塞外缠有弹簧，行走过程中，如果遇到剧烈颠簸，支重轮可以带动摇杆和内活塞上下摆动，同时弹簧被压缩可以减缓冲击，使机器人行走保持平稳。
10.所述的四足结构包括大腿、屈框、仿生手掌、小腿、屈框电机、大腿电机、和小腿电机；屈框通过销轴与机身相连，铰接点为d；大腿通过销轴与屈框相连，铰接点为c；小腿通过销轴与大腿相连，铰接点为i；仿生手掌固定在小腿末端；小腿电机固定在小腿上，小腿电机的轴从铰接点i伸出，小腿电机的往复转动驱动小腿转动；大腿电机固定在屈框内，大腿电机的轴从铰接点c伸出，大腿电机的往复转动驱动大腿转动；屈框电机固定在机身上，屈框电机的轴从铰接点d伸出，屈框电机的往复转动驱动屈框转动。
11.所述的电离盒包括集尘盒、集尘架、刮尘板、丝杠、除尘电极和除尘电机；集尘盒放在集尘架底层，集尘架顶层有刮尘板，丝杠与除尘电极上方的内螺纹组成螺旋副；除尘电机固定在电离盒的一侧，除尘电机的往复转动带动丝杠往复转动，丝杠的转动驱动除尘电极往复直线移动；当除尘电极运动至履带上方时，吸附并带走履带上的月尘，运动至集尘盒上方时表面附着的月尘被刮尘板刮下落入集尘盒中。
12.本发明的行走模式可分为两种：第一种：履带行走——第一履带板、第二履带板、第三履带板、第四履带板表面布满鸵鸟毛，主动轮带动履带向前运动的同时，第一履带板、第二履带板、第三履带板、第四履带板表面的鸵鸟毛可以粘住太阳能电池板表面沉积的月尘，从而实现除尘的目的。
13.第二种：四足行走——三个腿部电机的转动控制屈框、大腿和小腿的转动角度，同时小腿上的仿生手掌可以坚固地将机器人固定在太阳能电池板表面，实现在任意角度表面的行走；履带和四足结构相结合，解决四足机器人易倾倒，履带机器人难以转弯的问题，又可以做到清理无死角。
14.本发明的除尘过程可分为两步：第一步：正反转差速器驱动主动轮带动履带向前运动，循环利用第一履带板、第二履带板、第三履带板、第四履带板表面的鸵鸟毛对太阳能电池板表面的月尘进行粘附。
3、第四履带板13-4、外链板13-5、内链板13-6、套筒13-7和履带销13-8，正反转差速器26固定在机身16上，托链轮1通过销轴与机身16相连，铰接点为a，主动轮2通过销轴与机身相连铰，接点为b，正反转差速器26与主动轮2相连，第一履带板13-1、第二履带板13-2、第三履带板13-3、第四履带板13-4相邻之间通过销轴进行连接，与外链板13-5、内链板13-6、套筒13-7和履带销13-8形成一个履带单元，不同履带单元通过外链板13-5、内链板13-6、套筒13-7和履带销13-8连接起来形成完整履带，主动轮2与第一履带板13-1、第二履带板13-2、第三履带板13-3、第四履带板13-4、外链板13-5、内链板13-6、套筒13-7、履带销13-8和鸵鸟毛13-9组成链啮合，第一履带板13-1、第二履带板13-2、第三履带板13-3、第四履带板13-4表面布满鸵鸟毛13-9，摇杆6一端通过销轴与机身16相连，铰接点为f，摇杆6另一端通过销轴与支重轮7相连，铰接点为g，张紧轮5通过销轴与机身16相连，铰接点为e，导向轮12通过销轴与机身16相连，铰接点为h；正反转差速器26的往复转动带动主动轮2转动，主动轮2通过与第一履带板13-1、第二履带板13-2、第三履带板13-3、第四履带板13-4、外链板13-5、内链板13-6、套筒13-7和履带销13-8组成的链啮合将履带向前推动，从而带动托链轮1、张紧轮5、支重轮7、导向轮12转动；支重轮7与摇杆6和内活塞8相连，铰接点为g，内活塞8与外活塞10组成移动副，活塞外缠有弹簧9，行走过程中，如果遇到剧烈颠簸，支重轮7可以带动摇杆6和内活塞8上下摆动，同时弹簧9被压缩可以减缓冲击，使机器人行走保持平稳。
27.所述的四足结构包括大腿3、屈框4、仿生手掌11、小腿17、屈框电机23、大腿电机24、和小腿电机25；屈框4通过销轴与机身16相连，铰接点为d；大腿3通过销轴与屈框4相连，铰接点为c；小腿17通过销轴与大腿3相连，铰接点为i；仿生手掌11固定在小腿3末端；小腿电机25固定在小腿17上，小腿电机25的轴从铰接点i伸出，小腿电机25的往复转动驱动小腿17转动；大腿电机24固定在屈框4内，大腿电机24的轴从铰接点c伸出，大腿电机24的往复转动驱动大腿3转动；屈框电机23固定在机身16上，屈框电机23的轴从铰接点d伸出，屈框电机23的往复转动驱动屈框4转动。
28.所述的电离盒14包括集尘盒15、集尘架18、刮尘板19、丝杠20、除尘电极21和除尘电机24；集尘盒15放在集尘架18底层，集尘架18顶层有刮尘板19，丝杠与除尘电极上方的内螺纹组成螺旋副；除尘电机24固定在电离盒14的一侧，除尘电机24的往复转动带动丝杠20往复转动，丝杠20的转动驱动除尘电极21往复直线移动；当除尘电极21运动至履带13上方时，吸附并带走履带上的月尘，运动至集尘盒15上方时表面附着的月尘被刮尘板19刮下落入集尘盒15中。
29.本发明的行走模式可分为两种：第一种：履带行走——第一履带板13-1、第二履带板13-2、第三履带板13-3、第四履带板13-4表面布满鸵鸟毛13-9，主动轮2带动履带13向前运动的同时，第一履带板13-1、第二履带板13-2、第三履带板13-3、第四履带板13-4表面的鸵鸟毛13-9可以粘住太阳能电池板表面沉积的月尘，从而实现除尘的目的。
30.第二种：四足行走——三个腿部电机的转动控制屈框4、大腿3和小腿17的转动角度，同时小腿17上的仿生手掌11可以坚固地将机器人固定在太阳能电池板表面，实现在任意角度表面的行走；履带和四足结构相结合，解决四足机器人易倾倒，履带机器人难以转弯的问题，又可以做到清理无死角。
31.本发明的除尘过程可分为两步：
第一步：正反转差速器26驱动主动轮2带动履带13向前运动，循环利用第一履带板13-1、第二履带板13-2、第三履带板13-3、第四履带板13-4表面的鸵鸟毛13-9对太阳能电池板表面的月尘进行粘附。
32.第二步：粘有月尘的的第一履带板13-1、第二履带板13-2、第三履带板13-3、第四履带板13-4通过电离盒14时，利用往复移动的除尘电极21对鸵鸟毛13-9上的月尘进行电离，当除尘电极21运动至集尘盒15上方时，表面附着的月尘会被刮尘板19刮下，月尘落入集尘盒15中。

技术特征：
1.一种月面太阳能板仿生除尘机器人，其特征在于：是由机身（16）、履带结构、四足结构和电离盒（14）组成；所述的履带结构包括正反转差速器（26）、托链轮（1）、主动轮（2）、张紧轮（5）、摇杆（6）、支重轮（7）、内活塞（8）、外活塞（10）、弹簧（9）、导向轮（12）、第一履带板（13-1）、第二履带板（13-2）、第三履带板（13-3）、第四履带板（13-4）、外链板（13-5）、内链板（13-6）、套筒（13-7）和履带销（13-8），正反转差速器（26）固定在机身（16）上，托链轮（1）通过销轴与机身（16）相连，铰接点为a，主动轮（2）通过销轴与机身相连铰，接点为b，正反转差速器（26）与主动轮（2）相连，第一履带板（13-1）、第二履带板（13-2）、第三履带板（13-3）、第四履带板（13-4）相邻之间通过销轴进行连接，与外链板（13-5）、内链板（13-6）、套筒（13-7）和履带销（13-8）形成一个履带单元，不同履带单元通过外链板（13-5）、内链板（13-6）、套筒（13-7）和履带销（13-8）连接起来形成完整履带，主动轮（2）与第一履带板（13-1）、第二履带板（13-2）、第三履带板（13-3）、第四履带板（13-4）、外链板（13-5）、内链板（13-6）、套筒（13-7）、履带销（13-8）和鸵鸟毛（13-9）组成链啮合，第一履带板（13-1）、第二履带板（13-2）、第三履带板（13-3）、第四履带板（13-4）表面布满鸵鸟毛（13-9），摇杆（6）一端通过销轴与机身（16）相连，铰接点为f，摇杆（6）另一端通过销轴与支重轮（7）相连，铰接点为g，张紧轮（5）通过销轴与机身（16）相连，铰接点为e，导向轮（12）通过销轴与机身（16）相连，铰接点为h；正反转差速器（26）的往复转动带动主动轮（2）转动，主动轮（2）通过与第一履带板（13-1）、第二履带板（13-2）、第三履带板（13-3）、第四履带板（13-4）、外链板（13-5）、内链板（13-6）、套筒（13-7）和履带销（13-8）组成的链啮合将履带向前推动，从而带动托链轮（1）、张紧轮（5）、支重轮（7）、导向轮（12）转动；支重轮（7）与摇杆（6）和内活塞（8）相连，铰接点为g，内活塞（8）与外活塞（10）组成移动副，活塞外缠有弹簧（9），行走过程中，如果遇到剧烈颠簸，支重轮（7）可以带动摇杆（6）和内活塞（8）上下摆动，同时弹簧（9）被压缩可以减缓冲击，使机器人行走保持平稳；所述的四足结构包括大腿（3）、屈框（4）、仿生手掌（11）、小腿（17）、屈框电机（23）、大腿电机（24）、和小腿电机（25）；屈框（4）通过销轴与机身（16）相连，铰接点为d；大腿（3）通过销轴与屈框（4）相连，铰接点为c；小腿（17）通过销轴与大腿（3）相连，铰接点为i；仿生手掌（11）固定在小腿（3）末端；小腿电机（25）固定在小腿（17）上，小腿电机（25）的轴从铰接点i伸出，小腿电机（25）的往复转动驱动小腿（17）转动；大腿电机（24）固定在屈框（4）内，大腿电机（24）的轴从铰接点c伸出，大腿电机（24）的往复转动驱动大腿（3）转动；屈框电机（23）固定在机身（16）上，屈框电机（23）的轴从铰接点d伸出，屈框电机（23）的往复转动驱动屈框（4）转动；所述的电离盒（14）包括集尘盒（15）、集尘架（18）、刮尘板（19）、丝杠（20）、除尘电极（21）和除尘电机（24）；集尘盒（15）放在集尘架（18）底层，集尘架（18）顶层有刮尘板（19），丝杠与除尘电极上方的内螺纹组成螺旋副；除尘电机（24）固定在电离盒（14）的一侧，除尘电机（24）的往复转动带动丝杠（20）往复转动，丝杠（20）的转动驱动除尘电极（21）往复直线移动；当除尘电极（21）运动至履带（13）上方时，吸附并带走履带上的月尘，运动至集尘盒（15）上方时表面附着的月尘被刮尘板（19）刮下落入集尘盒（15）中。

技术总结
一种月面太阳能板仿生除尘机器人，由机身、履带结构、四足结构和电离盒组成，履带结构由正反转差速器、托链轮、主动轮、张紧轮、摇杆、支重轮、内外活塞、弹簧、导向轮、履带；四足结构由大腿、屈框、仿生手掌、小腿、屈框电机、大腿电机和小腿电机；电离盒由集尘盒、集尘架、刮尘板、丝杠、除尘电极和除尘电机。本发明创造性使用自然界唯一不带静电的鸵鸟毛，解决刷毛因静电粘附月尘难以处理的问题；四足-履带运动相结合，解决四足机器人易倾倒，履带机器人难以转弯的问题，同时将运动和除尘部位二合一，精简机构，减少扬尘问题；电离盒解决除尘后月尘处理问题，使得除尘一次搞定，提高除尘效率减少刷子的更换。少刷子的更换。少刷子的更换。


技术研发人员：张锐 伊若珺 黄钰杨 李雨婵 张华 胡震宇
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/5/10