一种空间目标表面柔体爬行机器人及其爬行方法与流程

1.本发明属于航天器在轨服务技术领域，特别涉及一种可在空间目标表面上行走的柔体爬行机器人及其爬行方法。


背景技术：

2.为了使航天器发挥最大效益，在轨零故障是航天器设计和研制的理想目标，但由于技术及经济等方面的限制，特别是航天器的特殊工作环境，发生在轨故障很难避免，如燃料耗尽、控制与推进分系统故障、有效载荷分系统故障、供配电分系统故障等。这些航天器通常研制成本较高，当在轨发生故障导致无法正常完成任务将会造成空间资源的巨大浪费，甚至会对国家政治、经济等各方面造成严重影响。
3.为了降低损失或消除影响，实施在轨维修维护等操作，使得航天器故障得以恢复，是解决此类问题的有效措施。纵观未来，为了提高空间资产使用效益、充分利用轨道资源，发展可在轨维修维护能力、实施在轨维修维护等操作是必然趋势。尤其是未来可在轨维修的综合应用和高价值航天器，对其实施在轨维修与维护，可实现航天器在轨故障恢复、在轨延长寿命、在轨功能扩展，充分发挥航天器在轨价值。
4.实施在轨维修维护等操作任务的前提是首先服务航天器与目标航天器实现刚性连接，然后由服务航天器上携带的操作工具执行具体操作任务。但待维修维护的特定部位往往与两个航天器的连接部位不在一个区域，甚至两者可能位置相距较远，这就给实施在轨维修维护等操作任务带来了较大的困难，甚至可能无法完成操作任务。因此，设计和研制能够在目标航天器表面上爬行的机器人，机器人携带操作工具，由两个航天器的连接部位爬行到待维修维护的特定部位附近，然后执行具体操作任务，则可以解决待维修维护的特定部位与两个航天器的连接部位不在一个区域的难题。
5.目前，国外针对于空间爬行机器人的典型案例是欧洲航天局设计的攀爬机器人(abigaille)项目。“abigaille”机器人共有六条腿，每条腿具有四个自由度，在爬行时能够从水平环境转化为垂直环境，可用于宇宙飞船船体攀爬、飞船清理及维修。“abigaille”机器人的爬行方式是基于腿式的爬行方式，这种基于腿式的爬行方式步态较为单一，对目标航天器表面复杂形貌的适应能力有限，从而制约了任务执行能力。为了进一步提高航天器在轨维修维护操作能力，有必要设计一种能够适应目标航天器表面复杂形貌特征的柔体爬行机器人。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种空间目标表面柔体爬行机器人及其爬行方法，解决了传统机器人步态单一，难以适应目标航天器表面复杂形貌的技术问题，本发明通过柔性装置本体的变形能力实现机器人的运动功能，具有复杂非结构化环境的适应能力。
7.为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种空间目标表面柔体爬行机器人，包括依次连接的头部单元、中间单元和尾部单元；
9.头部单元、中间单元和尾部单元均包含柔体结构和驱动器，头部单元和尾部单元还包含用于与中间单元连接的柔性铰链；
10.头部单元和尾部单元中的柔体结构上设有用于与目标表面连接的黏附材料；头部单元、中间单元和尾部单元中的驱动器分别驱动头部单元、中间单元和尾部单元中的柔体结构发生弯曲变形与目标表面分离或释放弯曲变形与目标表面接触，实现在目标表面的爬行。
11.进一步的，柔体结构垂直于轴向的截面为矩形，柔体结构的周向开设锯齿槽，柔性结构设有平行于轴向的穿线孔；
12.驱动器包括第一绳索和第一驱动电机；第一绳索嵌入穿线孔内，第一驱动电机驱动绳索运动带动柔体结构发生弯曲变形或释放弯曲变形。
13.进一步的，穿线孔和第一绳索均为四组；
14.四组穿线孔在柔体结构的矩形截面上的位置分别对应矩形截面四个边的中间位置；将四组穿线孔在矩形截面上的位置与矩形截面形心连线，形成四条线段，其中相邻两条线段的夹角为90
°
。
15.进一步的，柔体结构采用硅橡胶制成。
16.进一步的，将头部单元、中间单元和尾部单元中的驱动器分别记为头部单元驱动器、中间单元驱动器和尾部单元驱动器，将头部单元、中间单元和尾部单元中的柔体结构分别记为头部单元柔体结构、中间单元柔体结构和尾部单元柔体结构，将头部单元和尾部单元中的柔性铰链分别记为头部单元柔性铰链和尾部单元柔性铰链；
17.头部单元柔体结构、头部单元驱动器、头部单元柔性铰链、中间单元驱动器、中间单元柔体结构、尾部单元柔性铰链、尾部单元驱动器、尾部单元柔体结构依次连接。
18.进一步的，柔性铰链包括柔性铰链片簧、第二绳索、第二驱动电机和第二电机箱；
19.第二驱动电机设于第二电机箱内部，头部单元柔性铰链和尾部单元柔性铰链中的第二电机箱分别连接头部单元驱动器和中间单元柔体结构后端；
20.柔性铰链片簧为柔性短臂梁结构，柔性铰链片簧与绳索平行设置；
21.头部单元柔性铰链中的柔性铰链片簧两端分别连接第二电机箱和中间单元驱动器，第二绳索端分别连接第二驱动电机和中间单元，尾部单元柔性铰链中的柔性铰链片簧两端分别连接第二电机箱和尾部单元，第二绳索端分别连接第二驱动电机和尾部单元；头部单元柔性铰链中的第二驱动电机拉动第二绳索使柔性铰链片簧发生形变，实现中间单元和头部单元之间的相对转动，尾部单元柔性铰链中的第二驱动电机拉动第二绳索使柔性铰链片簧发生形变，实现尾部单元和中间单元之间的相对转动。
22.进一步的，还包括设于头部单元前端的头部单元中枢系统；
23.头部单元中枢系统包括探测子单元、控制子单元和中心处理子单元；
24.探测子单元用于获取目标表面信息，并将目标表面信息输出至中心处理子单元，中心处理子单元根据目标表面信息生成控制指令，将控制指令输出至控制子单元，控制子单元根据控制指令控制头部单元、中间单元和尾部单元中的驱动器动作，实现机器人向目标表面待维修位置的爬行。
25.进一步的，头部单元中枢系统还包括无线传能子单元；
26.无线传能子单元用于实现外部环境与机器人之间的无线能量传输。
27.一种空间目标表面柔体爬行机器人的爬行方法，包括：
28.将头部单元、中间单元和尾部单元中的驱动器分别记为头部单元驱动器、中间单元驱动器和尾部单元驱动器，将头部单元、中间单元和尾部单元中的柔体结构分别记为头部单元柔体结构、中间单元柔体结构和尾部单元柔体结构，将头部单元和尾部单元中的柔性铰链分别记为头部单元柔性铰链和尾部单元柔性铰链；
29.s1初始状态下，头部单元驱动器、中间单元驱动器和尾部单元驱动器不工作，头部单元柔体结构、中间单元柔体结构和尾部单元柔体结构为直线状态；
30.s2尾部单元驱动器工作，驱动尾部单元柔体结构克服自身弹力及尾部单元柔体结构与目标表面之间的黏附力，发生弯曲变形，实现尾部单元柔体结构与目标表面的分离；
31.s3尾部单元柔性铰链带动尾部单元柔体结构向第一方向旋转；
32.s4尾部单元驱动器卸载，尾部单元柔体结构在自身弹力作用下恢复为直线状态；
33.s5头部单元柔性铰链带动中间单元和尾部单元向第一方向旋转；
34.s6中间单元驱动器工作，驱动中间单元柔体结构克服自身弹力，发生弯曲变形，实现中间单元柔体结构与目标表面的分离，同时使尾部单元柔体结构前端与目标表面处于接触状态；
35.s7尾部单元柔性铰链释放，尾部单元柔性铰在自身弹力作用下带动尾部单元柔体结构向第二方向旋转，直至尾部单元柔体结构整体通过黏附材料与目标表面连接，尾部单元柔性铰链停止释放；
36.s8头部单元驱动器工作，驱动头部单元柔体结构克服自身弹力及头部单元柔体结构与目标表面之间的黏附力，发生弯曲变形，实现头部单元柔体结构与目标表面的分离；
37.s9中间单元驱动器卸载，头部单元驱动器卸载，中间单元柔体结构和头部单元柔体结构在自身弹力作用下恢复为直线状态；
38.s10尾部单元柔性铰链完全释放，中间单元柔体结构与目标表面接触；
39.s11头部单元柔性铰链释放，头部单元柔性铰链在自身弹力作用下带动头部单元柔体结构向第一方向旋转，头部单元柔体结构通过黏附材料与目标表面连接；
40.所述第一方向和第二方向相反。
41.进一步的，还包括：
42.循环步骤s1～s11，直至机器人爬行至目标位置。
43.本发明与现有技术相比具有如下至少一种有益效果：
44.(1)本发明创造性的提出一种可在空间目标表面上行走的柔体爬行机器人，爬行运动能力强，可直线前进，也可越过障碍物，可适应复杂星表形貌条件下的行走要求。
45.(2)本发明基于电机牵拉偏心配置的绳索驱动柔体结构弯曲变形，以及电机牵拉偏心配置的绳索驱动短臂梁结构弯曲变形，变形运动机理简单，设计上具有很强的灵活性，结构上易于实现，操作方便。
46.(3)本发明中柔体爬行机器人按照一定时序，通过柔体结构的柔性变形来实现爬行运动功能，具备沿卫星表面爬行的能力。
47.(4)本发明中柔体爬行机器人携带操作工具实施在轨维修维护等操作任务，进一
步增强了航天器在轨维修维护操作能力，本发明机器人可沿航天器表面爬行到达星表指定位置，能够支撑对己方航天器进行操控，以及确认和恢复己方航天器在轨故障、延长在轨寿命、拓展功能和提高性能等。
附图说明
48.图1为本发明中空间目标表面柔体爬行机器人整体结构示意图；
49.图2是本发明柔体爬行机器人头部单元柔体运动原理示意图；
50.图3是本发明柔体爬行机器人运动模式示意图；
51.图4为本发明柔体结构截面示意图；
52.图5为本发明柔性铰链示意图；
53.图中，1-探测子单元，2-通信子单元，3-无线传能子单元，4-头部单元柔体结构，5-头部单元驱动器，6-头部单元黏附材料，7-头部单元柔性铰链，8-中间单元柔体结构，9-中间单元驱动器，10-尾部单元柔体结构，11-尾部单元驱动器12-尾部单元黏附材料，13-尾部单元柔性铰链，51-头部单元驱动器绳索，52-头部单元驱动器驱动电机，53-头部单元驱动器电机箱，71-头部单元柔性铰链片簧，72-头部单元柔性铰链绳索，73-头部单元柔性铰链驱动电机，74-头部单元柔性铰链电机箱。
具体实施方式
54.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
55.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
56.本发明提供一种可在空间目标表面上行走的柔体爬行机器人。包括头部单元、中间单元、尾部单元，三者依次采用螺接方式连接而成。头部单元包括中枢系统、柔体结构、驱动器、黏附材料和柔性铰链，一方面起到机器人自身探测、控制，以及机器人与外部环境之间的通信、无线能量传输等作用，另一方面起到柔性变形并实现与目标表面的连接/分离等作用。中间单元主要由柔体结构、驱动器组成，实现柔体结构柔性变形运动的功能。尾部单元包括柔体结构、驱动器、黏附材料和柔性铰链，实现柔体结构柔性变形以及与目标表面的连接/分离等作用。
57.对于头部单元、中间单元、尾部单元中的任一单元，均含有柔体结构和驱动器。
58.头部单元、尾部单元均含有柔性铰链。
59.头部单元中柔体结构与目标卫星表面连接处安装有黏附材料。
60.尾部单元中柔体结构与目标卫星表面连接处安装有黏附材料。
61.驱动器包括绳索、驱动电机、电机箱；柔体结构由具有变形能力的硅橡胶柔性材料制成，为矩形截面，周向开锯齿槽，矩形截面内以等角距开有穿线孔，共四组；所述的绳索内嵌到穿线孔内，共四组；以柔体结构为载体，电机驱动相对于柔体结构矩形截面偏心配置的绳索，柔体结构受拉力作用而弯曲变形。
62.柔性铰链由柔性短臂梁结构、绳索、驱动电机、电机箱组成，弯曲变形原理同柔体
结构类似。
63.本发明基于电机牵拉偏心配置的绳索驱动柔体结构弯曲变形，以及电机牵拉偏心配置的绳索驱动短臂梁结构弯曲变形，具备沿卫星表面爬行的能力，可适应复杂星表形貌条件下的行走要求，进一步增强了实施在轨维修维护等操作任务能力。
64.实施例：
65.1.星表柔体爬行机器人技术方案
66.如图1所示，一种用于在空间目标表面上行走的柔体爬行机器人，包括头部单元、中间单元、尾部单元，三者依次采用螺接方式连接而成，整体外形呈现细长型特征。
67.(1)头部单元
68.头部单元具体包括探测子单元1、通信子单元2、无线传能子单元3、头部单元柔体结构4、头部单元驱动器5、头部单元黏附材料6、头部单元柔性铰链7。探测子单元1、无线传能子单元3和通信子单元2主要部分位于头部单元前端外部，控制子单元和中心处理子单元位于头部单元前端内部，主要起到机器人自身探测、控制，以及机器人与外部环境之间的通信、无线能量传输等作用，保证机器人的正常运行。探测子单元1主要获取目标表面爬行区域的几何/形貌信息。此信息要给控制子单元，控制子单元需要做一些路径规划之类的工作。通信子单元2一般需要接受其他卫星/地面站的指令。
69.头部单元柔体结构4具有弯曲变形能力，一端固定在用于安装探测子单元1、通信子单元2、无线传能子单元3等的结构壳体后部。头部单元柔体结构4与目标卫星表面连接处安装有头部单元黏附材料6。头部单元驱动器5与头部单元柔体结构4另一端固定，驱动头部单元柔体结构4，使头部单元柔体结构4发生弯曲变形，可与目标表面分离，弯曲变形释放后，可实现与目标表面的连接，以解决柔体爬行机器人空间应用没有重力辅助两体(指柔体爬行机器人和目标卫星)连接的问题。
70.头部单元柔性铰链7一端固定于头部单元驱动器5上，另一端固定于中间单元驱动器9上。头部单元柔性铰链7的主要作用是一方面当中间单元运动时防止头部单元与目标卫星表面发生干涉现象，另一方面当头部单元柔体结构与目标卫星表面连接时施加给黏附材料一个准静态法向作用力。
71.(2)中间单元
72.中间单元包括中间单元柔体结构8、中间单元驱动器9。中间单元驱动器9一端与头部单元柔性铰链7连接，另一端与中间单元柔体结构8连接。中间单元柔体结构具有弯曲变形能力，中间单元驱动器驱动中间单元柔体结构，使中间单元柔体结构发生弯曲变形，实现柔体爬行机器人的前进运动。
73.(3)尾部单元
74.尾部单元具体包括尾部单元柔体结构10、尾部单元驱动器11、尾部单元黏附材料12、尾部单元柔性铰链13。
75.尾部单元驱动器11一端与尾部单元柔性铰链13连接，另一端与尾部单元柔体结构10连接。尾部单元柔体结构10具有弯曲变形能力，尾部单元柔体结构10与目标卫星表面连接处安装有尾部单元黏附材料12，黏附材料可以使用仿壁虎脚掌吸附阵列或其他粘附材料，尾部单元驱动器11驱动尾部单元柔体结构10，使尾部单元柔体结构10发生弯曲变形，可与目标表面分离，弯曲变形释放后，可实现与目标表面的连接，以解决柔体爬行机器人空间
应用没有重力辅助两体连接的问题。
76.尾部单元柔性铰链13一端固定于尾部单元驱动器11上，另一端固定于中间单元柔体结构8上。尾部单元柔性铰链13的主要作用是一方面当中间单元运动时防止尾部单元与目标卫星表面发生干涉现象，另一方面尾部单元柔体结构10与目标卫星表面连接时施加给黏附材料一个准静态法向作用力。
77.2.星表柔体爬行机器人柔体变形运动原理
78.柔体爬行机器人的柔体结构和柔性铰链是星表柔体爬行机器人的核心组成部分，以头部单元柔体结构4和头部柔性铰链为7例进行描述。如图2所示，柔体爬行机器人柔体变形运动原理如下：
79.(1)柔体结构弯曲变形实现
80.柔体结构弯曲变形由柔体结构受驱动器驱动而实现。柔体结构由具有变形能力的硅橡胶柔性材料制成，硅橡胶既具有形状保持能力，又具有弹性变形能力。柔体结构为矩形截面，周向开锯齿槽，矩形截面内以等角距(四个孔与截面形心连线形成四个线段，相邻线段夹角是90度，见图4)开有四组穿线孔。驱动器由绳索、驱动电机、电机箱组成，驱动器有四组绳索，内嵌到柔体结构穿线孔内，如图4，对于头部单元驱动器5，包括头部单元驱动器绳索51、头部单元驱动器驱动电机52和头部单元驱动器电机箱53。
81.柔体结构采用偏心牵拉的方式，具体的说，牵拉的孔相对矩形截面形心有偏离，矩形截面共4个孔/绳索，任何一根绳索收紧都会驱动柔体结构弯曲变形，柔体结构周向开锯齿槽的方式实现柔体结构弯曲变形，即将硅橡胶棒以一定偏心角度弯曲。
82.在一种具体实施方式中，柔体结构矩形截面是正方形，边长60mm，穿线孔与矩形截面形心的距离为15-20mm。
83.打贯穿孔(穿线孔)，将绳索穿到孔内，并将绳索一端固定，另一端从底部穿出。当从底部拉拽绳索时，由于偏心力的作用，柔体结构会产生弯曲变形。图中柔体结构周向开锯齿槽是为了降低抗弯截面系数，使在拉力作用下，柔体结构更容易产生弯曲变形。
84.柔体结构可实现两个方向的弯曲自由度。
85.(2)柔性铰链弯曲变形实现
86.柔性铰链由柔性铰链片簧、绳索、驱动电机、电机箱组成，对于头部单元柔性铰链7，包括头部单元柔性铰链片簧71，头部单元柔性铰链绳索72，头部单元柔性铰链驱动电机73，头部单元柔性铰链电机箱74。柔性铰链片簧为柔性短臂梁结构，在一种具体的实施方式中，柔性铰链片簧为约1mm厚的金属片(比如较易发生弹性变形的不锈钢片)。
87.柔性铰链弯曲变形原理与柔体结构类似，即利用一根绳索偏心牵拉柔性铰链片簧，使得柔性铰链片簧发生弯曲变形，如图5。
88.3.星表柔体爬行机器人运动模式
89.如图3所示，柔体爬行机器人爬行运动模式如下：
90.(a)初始状态。
91.(b)尾部单元驱动器11工作，驱动尾部单元柔体结构10发生弯曲变形(驱动尾部单元柔体结构10后端上翘)，克服尾部单元柔体结构10本身弹性力以及柔体结构与目标卫星表面的黏附力作用，实现尾部单元柔体结构与目标卫星表面分离。
92.(c)尾部单元柔性铰链13弯曲收缩，使得尾部单元柔体结构10顺时针旋转一定角
度(如图中虚线所示)，为保证安全性，此角度在90至180度之间，保证中间单元运动时尾部单元不与目标卫星表面发生干涉现象；尾部单元驱动器11卸载，尾部单元柔体结构10在本身弹性力作用下恢复为直线状态。
93.(d)头部单元柔性铰链7弯曲收缩，使得尾部单元与中间单元顺时针旋转一定角度，优选90
°
，可形成最大的行进位移。
94.(e)中间单元驱动器9工作，驱动中间单元柔体结构8发生弯曲变形(拱形)，克服中间单元柔体结构8本身弹性力，实现中间单元柔体结构8弯曲变形，同时保证尾部单元柔体结构10右端(前端)与目标卫星表面处于接触状态。
95.(f)尾部单元柔性铰链13释放，驱动尾部单元逆时针旋转，施加给尾部单元柔体结构10上的黏附材料一个准静态法向作用力，尾部单元柔体结构10在黏附材料黏附力的作用下，实现与目标卫星表面连接。
96.(g)头部单元驱动器5工作。驱动头部单元柔体结构4发生弯曲变形(头部单元柔体结构4前端上翘)，克服头部单元柔体结构4本身弹性力以及头部单元柔体结构4与目标卫星表面的黏附力作用，实现头部单元柔体结构4与目标卫星表面分离。
97.(h)中间单元驱动器9卸载；头部单元驱动器5卸载。
98.(i)尾部单元柔性铰链13进一步释放。
99.(j)终了状态：头部单元柔性铰链7进一步释放，驱动头部单元顺时针旋转，施加给头部单元柔体结构4上的黏附材料一个准静态法向作用力，头部单元柔体结构4在黏附材料黏附力的作用下，实现与目标卫星表面连接。此时，完成一个循环，柔体爬行机器人向前迈进了一步。
100.本发明以航天器在轨维修维护为应用背景，提出了一种可沿目标航天器表面自由爬行的柔性体机器人解决方案，具有重构自身形状以适应复杂星表形貌条件下行走的独特优势，通过柔性装置本体的变形能力实现其运动功能，通过多种模式的变形及其有机融合，使其具有复杂非结构化环境的适应能力，为多手段在轨维修维护等任务执行提供了有利支撑。本发明实现了柔性体机器人爬行过程中的前进运动以及与目标表面连接/分离耦合的目的，能够满足目标航天器表面复杂形貌条件下的行走要求。
101.以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
102.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

技术特征：
1.一种空间目标表面柔体爬行机器人，其特征在于，包括依次连接的头部单元、中间单元和尾部单元；头部单元、中间单元和尾部单元均包含柔体结构和驱动器，头部单元和尾部单元还包含用于与中间单元连接的柔性铰链；头部单元和尾部单元中的柔体结构上设有用于与目标表面连接的黏附材料；头部单元、中间单元和尾部单元中的驱动器分别驱动头部单元、中间单元和尾部单元中的柔体结构发生弯曲变形与目标表面分离或释放弯曲变形与目标表面接触，实现在目标表面的爬行。2.根据权利要求1所述的一种空间目标表面柔体爬行机器人，其特征在于，柔体结构垂直于轴向的截面为矩形，柔体结构的周向开设锯齿槽，柔性结构设有平行于轴向的穿线孔；驱动器包括第一绳索和第一驱动电机；第一绳索嵌入穿线孔内，第一驱动电机驱动绳索运动带动柔体结构发生弯曲变形或释放弯曲变形。3.根据权利要求2所述的一种空间目标表面柔体爬行机器人，其特征在于，穿线孔和第一绳索均为四组；四组穿线孔在柔体结构的矩形截面上的位置分别对应矩形截面四个边的中间位置；将四组穿线孔在矩形截面上的位置与矩形截面形心连线，形成四条线段，其中相邻两条线段的夹角为90
°
。4.根据权利要求3所述的一种空间目标表面柔体爬行机器人，其特征在于，柔体结构采用硅橡胶制成。5.根据权利要求1所述的一种空间目标表面柔体爬行机器人，其特征在于，将头部单元、中间单元和尾部单元中的驱动器分别记为头部单元驱动器(5)、中间单元驱动器(9)和尾部单元驱动器(11)，将头部单元、中间单元和尾部单元中的柔体结构分别记为头部单元柔体结构(4)、中间单元柔体结构(8)和尾部单元柔体结构(10)，将头部单元和尾部单元中的柔性铰链分别记为头部单元柔性铰链(7)和尾部单元柔性铰链(13)；头部单元柔体结构(4)、头部单元驱动器(5)、头部单元柔性铰链(7)、中间单元驱动器(9)、中间单元柔体结构(8)、尾部单元柔性铰链(13)、尾部单元驱动器(11)、尾部单元柔体结构(10)依次连接。6.根据权利要求5所述的一种空间目标表面柔体爬行机器人，其特征在于，柔性铰链包括柔性铰链片簧、第二绳索、第二驱动电机和第二电机箱；第二驱动电机设于第二电机箱内部，头部单元柔性铰链(7)和尾部单元柔性铰链(13)中的第二电机箱分别连接头部单元驱动器(5)和中间单元柔体结构(8)后端；柔性铰链片簧为柔性短臂梁结构，柔性铰链片簧与绳索平行设置；头部单元柔性铰链(7)中的柔性铰链片簧两端分别连接第二电机箱和中间单元驱动器(9)，第二绳索端分别连接第二驱动电机和中间单元，尾部单元柔性铰链(13)中的柔性铰链片簧两端分别连接第二电机箱和尾部单元，第二绳索端分别连接第二驱动电机和尾部单元；头部单元柔性铰链(7)中的第二驱动电机拉动第二绳索使柔性铰链片簧发生形变，实现中间单元和头部单元之间的相对转动，尾部单元柔性铰链(13)中的第二驱动电机拉动第二绳索使柔性铰链片簧发生形变，实现尾部单元和中间单元之间的相对转动。7.根据权利要求1所述的一种空间目标表面柔体爬行机器人，其特征在于，还包括设于
头部单元前端的头部单元中枢系统；头部单元中枢系统包括探测子单元(1)、控制子单元和中心处理子单元；探测子单元(1)用于获取目标表面信息，并将目标表面信息输出至中心处理子单元，中心处理子单元根据目标表面信息生成控制指令，将控制指令输出至控制子单元，控制子单元根据控制指令控制头部单元、中间单元和尾部单元中的驱动器动作，实现机器人向目标表面待维修位置的爬行。8.根据权利要求7所述的一种空间目标表面柔体爬行机器人，其特征在于，头部单元中枢系统还包括无线传能子单元(3)；无线传能子单元(3)用于实现外部环境与机器人之间的无线能量传输。9.根据权利要求1-8任一项所述的一种空间目标表面柔体爬行机器人的爬行方法，其特征在于，包括：将头部单元、中间单元和尾部单元中的驱动器分别记为头部单元驱动器(5)、中间单元驱动器(9)和尾部单元驱动器(11)，将头部单元、中间单元和尾部单元中的柔体结构分别记为头部单元柔体结构(4)、中间单元柔体结构(8)和尾部单元柔体结构(10)，将头部单元和尾部单元中的柔性铰链分别记为头部单元柔性铰链(7)和尾部单元柔性铰链(13)；s1初始状态下，头部单元驱动器(5)、中间单元驱动器(9)和尾部单元驱动器(11)不工作，头部单元柔体结构(4)、中间单元柔体结构(8)和尾部单元柔体结构(10)为直线状态；s2尾部单元驱动器(11)工作，驱动尾部单元柔体结构(10)克服自身弹力及尾部单元柔体结构(10)与目标表面之间的黏附力，发生弯曲变形，实现尾部单元柔体结构(10)与目标表面的分离；s3尾部单元柔性铰链(13)带动尾部单元柔体结构(10)向第一方向旋转；s4尾部单元驱动器(11)卸载，尾部单元柔体结构(10)在自身弹力作用下恢复为直线状态；s5头部单元柔性铰链(7)带动中间单元和尾部单元向第一方向旋转；s6中间单元驱动器(9)工作，驱动中间单元柔体结构(8)克服自身弹力，发生弯曲变形，实现中间单元柔体结构(8)与目标表面的分离，同时使尾部单元柔体结构(10)前端与目标表面处于接触状态；s7尾部单元柔性铰链(13)释放，尾部单元柔性铰链(13)在自身弹力作用下带动尾部单元柔体结构(10)向第二方向旋转，直至尾部单元柔体结构(10)整体通过黏附材料与目标表面连接，尾部单元柔性铰链(13)停止释放；s8头部单元驱动器(5)工作，驱动头部单元柔体结构(4)克服自身弹力及头部单元柔体结构(4)与目标表面之间的黏附力，发生弯曲变形，实现头部单元柔体结构(4)与目标表面的分离；s9中间单元驱动器(9)卸载，头部单元驱动器(5)卸载，中间单元柔体结构(8)和头部单元柔体结构(4)在自身弹力作用下恢复为直线状态；s10尾部单元柔性铰链(13)完全释放，中间单元柔体结构(8)与目标表面接触；s11头部单元柔性铰链(7)释放，头部单元柔性铰链(7)在自身弹力作用下带动头部单元柔体结构(4)向第一方向旋转，头部单元柔体结构(4)通过黏附材料与目标表面连接；所述第一方向和第二方向相反。
10.根据权利要求9所述的一种空间目标表面柔体爬行机器人的爬行方法，其特征在于，还包括：循环步骤s1～s11，直至机器人爬行至目标位置。

技术总结
本发明公开了一种空间目标表面柔体爬行机器人及其爬行方法，包括依次连接的头部单元、中间单元和尾部单元；头部单元、中间单元和尾部单元均包含柔体结构和驱动器，头部单元和尾部单元还包含用于与中间单元连接的柔性铰链；头部单元和尾部单元中的柔体结构上设有用于与目标表面连接的黏附材料；头部单元、中间单元和尾部单元中的驱动器分别驱动头部单元、中间单元和尾部单元中的柔体结构发生弯曲变形与目标表面分离或释放弯曲变形与目标表面接触，实现在目标表面的爬行。本发明通过柔性装置本体的变形能力实现机器人的运动功能，具有复杂非结构化环境的适应能力。有复杂非结构化环境的适应能力。有复杂非结构化环境的适应能力。


技术研发人员：陈维春 陈新龙 赵洋洋 吴帅 解正友 张翔翼 陈大可 朱孟萍 郭继唐 宋琦 任雅静
受保护的技术使用者：中国空间技术研究院
技术研发日：2022.12.29
技术公布日：2023/4/20