一種用于探測(cè)航天器表面的攀附機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及探測(cè)機(jī)器人領(lǐng)域，特別涉及一種用于探測(cè)航天器表面的攀附機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類對(duì)宇宙空間探索的不斷深入，空間機(jī)器人技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用?？臻g機(jī)器人的主要用途包括空間站的建筑、裝配和服務(wù)，對(duì)衛(wèi)星提供在軌服務(wù)，如衛(wèi)星的捕捉、釋放、維修以及空間站的裝載等，并從事一些空間生產(chǎn)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
[0003]采用空間機(jī)器人協(xié)助或代替宇航員完成任務(wù)，不僅可以減少宇航員在惡劣環(huán)境下作業(yè)的危險(xiǎn)，提高空間任務(wù)完成的效率和質(zhì)量，還可以節(jié)約空間探索的成本，不僅如此，空間飛行器的很多作業(yè)由于高危性及成本的限制也需要空間機(jī)器人來(lái)完成，例如通過(guò)機(jī)械手臂捕捉失效衛(wèi)星來(lái)進(jìn)行回收利用；在軌修理飛行器及補(bǔ)充燃料來(lái)延長(zhǎng)飛行器工作壽命；進(jìn)行大型空間機(jī)構(gòu)的搬運(yùn)和組裝；清理太空垃圾以避免衛(wèi)星相撞；進(jìn)行航天飛機(jī)和空間站的對(duì)接分離操作等等。不同于地面固定基座機(jī)器人，由于需要在宇宙高真空、微重力、超低溫、強(qiáng)輻射、照明差等惡劣環(huán)境中完成大量高技術(shù)、高復(fù)雜性的任務(wù)，空間機(jī)器人不但應(yīng)當(dāng)具有體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、智能化程度高、耗能低、可靠性高等特點(diǎn)，而且需要一系列相互配套的技術(shù)，如大延時(shí)下遙操作和遙視技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、先進(jìn)顯示技術(shù)、故障檢測(cè)技術(shù)、人機(jī)協(xié)調(diào)控制、自由飛行巡視和檢測(cè)技術(shù)、地面控制技術(shù)等。
[0004]目前空間機(jī)器人主要針對(duì)大型目標(biāo)(航天器)整體的獲取，無(wú)法獲得航天器外表面的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的圖像，因此需要設(shè)計(jì)出可以攀附于航天器的微型機(jī)器人來(lái)獲取航天器表面的圖像細(xì)節(jié)?，F(xiàn)有技術(shù)中，雖然也有攀爬型的機(jī)器人，但是大多不適用于太空環(huán)境，且靈活性低，例如授權(quán)公告號(hào)CN 204507056 U的中國(guó)專利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種移動(dòng)攀爬式取像探測(cè)機(jī)器人，包括承重底盤(pán)、機(jī)械臂和總控制器，所述承重底盤(pán)上表面設(shè)有支撐座，所述支撐座頂部設(shè)有攝像機(jī)，所述承重底盤(pán)四周設(shè)有機(jī)械臂支撐架，所述機(jī)械臂支撐架端部固定安裝有機(jī)械臂，所述機(jī)械臂末端安裝有機(jī)械爪，所述機(jī)械爪包括機(jī)械分爪、連接柱、齒輪和支撐柱。該移動(dòng)攀爬式取像探測(cè)機(jī)器人，采用六足設(shè)計(jì)加入機(jī)械爪結(jié)構(gòu)，依靠六個(gè)機(jī)械爪的抓取能力，不僅具有現(xiàn)有機(jī)器人的功能，而且實(shí)現(xiàn)了真正的攀爬機(jī)器人，能夠做到攀爬垂直的臺(tái)階，在垂直的結(jié)構(gòu)物上依靠抓取力停靠，方便搭載的取像設(shè)備和探測(cè)器更加有效地工作，機(jī)器人的底盤(pán)加裝了便于在泥土地行進(jìn)的履帶。
[0005]但是上述的攀爬機(jī)器人并不適用于航天器表面，同時(shí)也無(wú)法獲取航天器表面的細(xì)節(jié)圖像。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種用于探測(cè)航天器表面的攀附機(jī)器人，吸附于航天器表面檢測(cè)其表面狀況，結(jié)構(gòu)緊湊，移動(dòng)靈活。
[0007]—種用于探測(cè)航天器表面的攀附機(jī)器人，包括機(jī)身，多組圍繞機(jī)身安裝用于移動(dòng)和調(diào)整機(jī)身姿態(tài)的多關(guān)節(jié)支撐腿，還包括靜電吸附模塊，所述靜電吸附模塊包括安裝在每組多關(guān)節(jié)支撐腿的支撐腳上的吸附極板和施加高壓靜電至吸附極板的發(fā)生器，航天器表面的電介質(zhì)在高壓靜電場(chǎng)下發(fā)生物理極化，產(chǎn)生與吸附極板自由電荷極性相反的極化電荷使吸附極板吸附在航天器表面。
[0008]由于采用靜電吸附，整個(gè)機(jī)器人處在一個(gè)靜電場(chǎng)環(huán)境中，所以應(yīng)盡量避免采用金屬材料，以免發(fā)生放電，以及電荷流失等不利于靜電吸附的危險(xiǎn)狀況，賽鋼(POM)是一種常用的工程塑料，制作齒輪和軸承，具有很低的摩擦系數(shù)和很好的幾何穩(wěn)定性，抗沖擊性能，密度小，絕緣性好，是制作靜電吸附空間機(jī)器人的理想材料，空間機(jī)器人的機(jī)械加工材料首選賽鋼。也可以采用一般塑料作為機(jī)器人的機(jī)械加工材料，盡量避免金屬材料。優(yōu)選的，所述機(jī)身和多關(guān)節(jié)支撐腿采用絕緣材料制造，進(jìn)一步優(yōu)選的，采用賽鋼制造。
[0009]靜電吸附系統(tǒng)包括了高壓靜電發(fā)生器和靜電吸附極板兩部分，高壓靜電發(fā)生器由壓電變壓器產(chǎn)生高壓，可以采用KH422H-A型壓電升壓型高壓電源模組作為機(jī)器人的高壓驅(qū)動(dòng)電源，通過(guò)高阻抗電阻對(duì)其輸出高壓進(jìn)行分壓以獲取合適的靜電吸附電極驅(qū)動(dòng)電壓，輸入電壓為12V，輸出電壓范圍為-15kv?-18.5kv0
[0010]為了提高吸附效果，保證機(jī)器人可以穩(wěn)定地攀附在航天器表面，優(yōu)選的，所述支撐腳采用柔性材料制成，例如橡膠，從而使支撐腳可以完全貼合航天器表面，適合在起伏表面行走，適合高真空微重力環(huán)境。
[0011]優(yōu)選的，所述吸附極板為薄膜狀，安裝在所述支撐腳的底面。采用薄膜狀極板是加大機(jī)器人與航天器表面之間的吸附面積，加大靜電吸附力，薄膜狀極板不僅僅可以吸附在平面上，對(duì)于有一定弧度的表面也可以吸附。所述多關(guān)節(jié)支撐腿使支撐腳相對(duì)機(jī)身具有前后上下左右3個(gè)自由度靈活移動(dòng)。吸附極板包括薄膜狀的絕緣層以及安裝在絕緣層內(nèi)的作為電極的金屬薄片，所述金屬薄片與高壓靜電發(fā)生器的電壓輸出端連接。
[0012]為了可以拍攝到航天器表面的細(xì)節(jié)，優(yōu)選的，所述機(jī)身上安裝有攝像頭朝下的攝像機(jī)。攝像頭朝下設(shè)置，可以近距離拍攝表面圖像，提高探測(cè)的精度。
[0013]為了可以更好地了解航天器表面的結(jié)構(gòu)特征，得到表面的三維模型，優(yōu)選的，所述攝像機(jī)為雙目立體攝像機(jī)。
[0014]為了快速獲取清晰的表面圖片，優(yōu)選的，還包括表面圖像采集模塊，所述表面圖像采集模塊包括局部拍攝路徑規(guī)劃模塊以及將拍攝的表面圖像拼接的圖像數(shù)據(jù)處理模塊。本發(fā)明通過(guò)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人定位在某一局部時(shí)攝像機(jī)的拍攝路徑，當(dāng)機(jī)器人移動(dòng)到某一位置并定位后，將該位置的局部表面按照規(guī)劃的拍攝路徑進(jìn)行拍攝，所述圖像處理模塊用于將拍攝的表面圖像整合成整體。所述圖像數(shù)據(jù)處理拼接模塊主要用于實(shí)現(xiàn)空間機(jī)器人所拍攝航天器表面圖像數(shù)據(jù)的無(wú)縫拼接，判斷是否需要維修。
[0015]優(yōu)選的，所述局部拍攝路徑規(guī)劃模塊包括:儲(chǔ)存有攝像機(jī)拍攝路徑的儲(chǔ)存模塊以及根據(jù)拍攝路徑調(diào)節(jié)攝像機(jī)拍攝方向的控制模塊，所述攝像機(jī)拍攝路徑為以機(jī)身定位后所在區(qū)域?yàn)橹行?，先拍攝中心區(qū)域所對(duì)應(yīng)的表面圖像，然后圍繞該中心區(qū)域拍攝連續(xù)的首尾相接的多個(gè)表面圖像。所述的表面圖像為機(jī)器人所攀附的表面，上述規(guī)劃的拍攝路徑拍攝效率高，便于后續(xù)拼接，局部表面設(shè)置拍攝路徑、分割多塊拍攝，可以提高拍攝的表面圖像的清晰度，提高檢測(cè)精度。
[0016]為了更好地對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行拼接，得到完整的局部表面圖片，優(yōu)選的，所述圖像數(shù)據(jù)處理模塊包括圖像拼接模塊，所述圖像拼接模塊采用Gauss金字塔分解的圖像融合法實(shí)現(xiàn)相鄰表面圖像的拼接。
[0017]優(yōu)選的，所述圖像數(shù)據(jù)處理模塊還包括表面三維重建模塊。以實(shí)現(xiàn)航天器表面三維信息的還原。
[0018]本發(fā)明的機(jī)器人還包括控制通訊模塊，控制模組根據(jù)實(shí)際軌跡和期望軌跡的偏差進(jìn)行負(fù)反饋來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，通訊模組用于地面站與機(jī)器人間進(jìn)行通信，以確保地面站與機(jī)器人之間保持聯(lián)系，并且在必要情況下，地面站可以通過(guò)該控制通訊模塊對(duì)機(jī)器人的活動(dòng)進(jìn)行一定程度的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)機(jī)器人的活動(dòng)包括運(yùn)動(dòng)軌跡、攝像路徑以及圖像處理的參數(shù)等信息的調(diào)節(jié)。
[0019]本發(fā)明的機(jī)器人還包括充電模塊，用于向機(jī)器人提供運(yùn)行的能量，所述機(jī)器人上安裝有太陽(yáng)能充電板，并且在檢測(cè)到電量少于30%時(shí)控制空間機(jī)器人到指定位置充電。
[0020]本發(fā)明的有益效果:
[0021]本發(fā)明的用于探測(cè)航天器表面的攀附機(jī)器人，采用靜電吸附技術(shù)，克服空間微重力環(huán)境可攀附于任意航天器，運(yùn)行靈活，體積小功耗低，適用于在航天器表面進(jìn)行勘探和檢測(cè)，實(shí)用性強(qiáng)。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明的用于探測(cè)航天器表面的攀附機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2為本發(fā)明的用于探測(cè)航天器表面的攀附機(jī)器人的爆炸結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖3為本發(fā)明的吸附極板的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖4為本發(fā)明的圖像拼接模塊基于金字塔分解算法框架圖。
[0026]圖5為本發(fā)明的表面三維重建模塊基于雙目視覺(jué)的多角度3D重建流程圖。
[0027]圖6為本發(fā)明的表面三維重建模塊的多圖像3D拼接的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]如圖1和圖2所示，本實(shí)施例的用于探測(cè)航天器表面的攀附機(jī)器人，包括機(jī)身1，四組圍繞機(jī)身I安裝用于移動(dòng)和調(diào)整機(jī)身I姿態(tài)的多關(guān)節(jié)支撐腿2以及靜電吸附模塊，靜電吸附模塊包括安裝在每組多關(guān)節(jié)支撐腿的支撐腳21上的吸附極板5和施加高壓靜電至吸附極板5的高壓靜電發(fā)生器6，航天器表面的電介質(zhì)在高壓靜電場(chǎng)下發(fā)生物理極化，產(chǎn)生與吸附極板自由電荷極性相反的極化電荷使吸附極板吸附在航天器表面。支撐腳21采用柔性材料制成，例如橡膠，從而使支撐腳21可以完全貼合航天器表面，適合與起伏的表面貼合。機(jī)身I上還安裝有太陽(yáng)能充電板4，提高能源利用率。
[0029]吸附極板5為薄膜狀，采用薄膜狀極板是加大機(jī)器人與航天器表面之間的吸附面積，加大靜電吸附力，薄膜狀極板不僅僅可以吸附在平面上，對(duì)于有一定弧度的表面也可以吸附。
[0030]如圖3所示，本實(shí)施例采用雙極型靜電吸附模型，吸附極板5包括雙極型靜電吸附電極，覆蓋在吸附電極表面的絕緣表層53和背面的絕緣填充層54，絕緣表層53保證電極和航天器表面間實(shí)現(xiàn)絕緣，吸附電極為兩片金屬薄片，金屬薄片51和金屬薄片52，絕緣材料可以選用柔性材質(zhì)，例如橡膠，以使與航天器表面更貼合。工作時(shí)，將吸附極板5的絕緣表層53緊靠航天器表面7，然后兩金屬薄片51和金屬薄片52分別接高壓靜電發(fā)生器6的兩端，此時(shí)，吸附極板5通過(guò)高壓靜電發(fā)生器荷電，在兩電極上積聚了大小相等極性相反的自由電荷。以接電源正極的吸附電極(金屬薄片51)為例，其上的自由電荷所激發(fā)的電場(chǎng)將導(dǎo)致航天器表面極化，從而在表面上積聚相當(dāng)數(shù)量的束縛電荷及由于其他作用轉(zhuǎn)移而來(lái)的自由電荷。由于表面上積聚的電荷與極板上的自由電荷極性相反，