基于仿章魚軟體機器人空間碎片柔性自適應(yīng)捕獲裝置的設(shè)想

韓亮亮，楊 健，趙 穎，劉 玨，彭福軍

基于仿章魚軟體機器人空間碎片柔性自適應(yīng)捕獲裝置的設(shè)想

韓亮亮，楊 健，趙 穎，劉 玨，彭福軍

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201108）

針對空間碎片跨尺度、柔性、自適應(yīng)捕獲的需求，根據(jù)任務(wù)功能分析及仿生學啟示，提出了一種基于仿章魚充氣軟體機器人的碎片捕獲裝置，主要由仿章魚觸手和伸展臂組成，具備遠距離可達、末端位姿調(diào)整、跨尺度碎片抓捕、目標碎片的測量與識別等能力。捕獲裝置采用仿章魚單支鏈捕獲及多支鏈協(xié)同纏繞的方式實現(xiàn)對跨尺度目標的可靠、靈活捕獲。捕獲觸手采用充氣軟體機器人的機理實現(xiàn)對非結(jié)構(gòu)化碎片的可靠捕獲、相容，可實現(xiàn)捕獲過程中對碰撞沖擊的減緩和能量吸收。伸展臂采用充氣驅(qū)動的方式展開，具有輕質(zhì)、大收縮比的特點。觸手表面還采用仿壁虎腳趾剛毛實現(xiàn)對碎片的可靠粘附，進一步確保抓取的可靠性。最后通過任務(wù)仿真驗證了碎片柔性自適應(yīng)捕獲裝置的可行性和先進性。

柔性；捕獲裝置；碎片移除；仿章魚；軟體機器人

1 引言

隨著人類航天活動日益頻繁，日益增長的空間碎片已成為在軌航天器的頭號威脅，其危害性已得到世界各國的重視，碎片主動清除技術(shù)在國外不斷發(fā)展，并向工程化邁進［1］。典型的碎片捕獲移除任務(wù)如歐空局的ROGER計劃（Robotic Geostationary Orbit Restorer）［2］、德宇航的TECSAS計劃［3］、日本碎片移除計劃均提出了一些主動空間碎片清除概念［4］，包括空間機械臂、電動力纜繩、飛網(wǎng)、飛爪等手段。目前提出的基于軟體材料的軟體機器人等新手段也可考慮用于空間碎片的捕獲［5?6］。對比剛性機械臂、飛網(wǎng)及飛爪，軟體捕獲裝置具有輕質(zhì)、收藏比大、可重復使用、成本低的優(yōu)點；與硬質(zhì)材料構(gòu)成的捕獲裝置相比，軟體結(jié)構(gòu)對壓力有很小的阻抗，可以通過柔順變形的方式與障礙物相容，適合在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下使用；相對剛性捕獲，軟體捕獲裝置捕獲時來自環(huán)境的反作用力大范圍分布于軟體組織表面，能夠減小沖擊、吸收能量，適合存在碰撞的捕獲場合。

因此，本文提出一種仿軟體動物的碎片捕獲裝置，論證捕獲裝置主要機構(gòu)的實現(xiàn)方案，并開展典型任務(wù)進行仿真驗證。

2 柔性自適應(yīng)捕獲裝置的系統(tǒng)方案

根據(jù)跨尺度目標柔性自適應(yīng)捕獲的任務(wù)和功能需求，基于仿章魚軟體機器人的空間碎片柔性自適應(yīng)捕獲裝置總體方案設(shè)計如下：

1）章魚單支鏈及多支鏈捕獲方式實現(xiàn)跨尺度目標的捕獲：從仿生學角度出發(fā)，末端抓捕載荷借鑒生物界中八爪章魚的操作模式，如圖1所示，其由多個觸手組成，可實現(xiàn)以單支鏈捕獲小尺度碎片目標、多支鏈協(xié)同纏繞的方式抓取捕獲大尺度的碎片目標，通過單支鏈自由度冗余及多支鏈互相冗余的方式在系統(tǒng)層面保證了捕獲裝置具有較高的容錯性和安全性，同時也提高了捕獲裝置操作的靈活性。

2）軟體仿生機理實現(xiàn)對碎片的可靠捕獲、相容，實現(xiàn)捕獲碰撞沖擊的減緩和能量吸收：借鑒自然界中軟體動物的運動機理設(shè)計捕獲裝置的觸手，與硬質(zhì)材料構(gòu)成的捕獲裝置相比，軟體結(jié)構(gòu)對壓力有很小的阻抗，可以通過柔順變形的方式與障礙物相容，適合在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下使用；同時，捕獲時來自環(huán)境的反作用力大范圍分布于軟體組織表面，又能夠減小沖擊、吸收能量，適合存在碰撞、接觸的動態(tài)目標捕獲場合。

3）充氣展開方式實現(xiàn)輕質(zhì)、大收縮比伸展臂：捕獲裝置可實現(xiàn)遠距離的伸展與收攏，且伸展距離可控，通過其可控的多個自由度可將末端捕獲裝置與運動目標的相對位姿調(diào)整接近。其伸展機構(gòu)采用充氣展開的方式，具有柔性、輕質(zhì)、收藏比大的優(yōu)勢。

4）利用仿生粘附手段實現(xiàn)對碎片的可靠粘附：從仿生學角度出發(fā)，借鑒壁虎腳趾剛毛和絨毛陣列與接觸表面接觸產(chǎn)生范德華力形成超級粘附力的方法，可在軟體觸手表面布置仿壁虎微納米剛毛陣列，實現(xiàn)軟體觸手對碎片的粘附，進一步確保抓取的可靠性。

根據(jù)上述仿生啟示，本文提出的用以應(yīng)對低成本低軌碎片柔性自適應(yīng)捕獲要求的捕獲裝置，主要包括：對不同尺度碎片捕獲的軟體捕獲觸手、釋放和收攏其末端的軟體捕獲觸手的充氣伸展臂、對充氣伸展臂的位置進行調(diào)整的位置微調(diào)裝置、用于對旋轉(zhuǎn)目標主動消旋的氣動消旋裝置、用于對目標碎片的測量與識別的目標識別裝置、氣源及驅(qū)動器等組成，如圖2所示。

3 軟體觸手的設(shè)計及參數(shù)化

軟體觸手是捕獲裝置隨形捕獲的關(guān)鍵組成部分，對于外形包絡(luò)約1 m的碎片目標，軟體觸手的設(shè)計如圖3所示，軟體觸手由4個軟體觸手及彈性接觸墊組成。為了增強觸手捕獲的靈活性和可靠性，每個觸手由兩段組成，每段可獨立控制。

目前軟體機器人常用的充氣驅(qū)動裝置包括氣動網(wǎng)格驅(qū)動器、纖維加固驅(qū)動器、充氣人工肌肉、多模態(tài)變剛度驅(qū)動器等［7?8］。本文中仿生軟體觸手采用氣動網(wǎng)格驅(qū)動器的實現(xiàn)方式，具有結(jié)構(gòu)驅(qū)動一體化的特點，該結(jié)構(gòu)采用具有不同伸展性的雙層材料層疊而成，驅(qū)動層采用可延展性高的材料，應(yīng)變限制層采用可伸展性差的材料。應(yīng)變限制層上布置黏附層，以增強接觸后的摩擦力和連接力。當外部加壓時，由于延展性不同，驅(qū)動層產(chǎn)生的形變遠大于應(yīng)變限制層，宏觀上導致材料向應(yīng)變限制層一側(cè)彎曲運動。各個氣動網(wǎng)絡(luò)裝置相互獨立，驅(qū)動層與應(yīng)變限制層中間有間隔分布的連通空腔，通過調(diào)整空腔的方向、大小、數(shù)量來調(diào)整氣動網(wǎng)絡(luò)裝置的運動。按照運動形態(tài)需求，按一定時序控制不同氣動網(wǎng)絡(luò)裝置的加壓時間、壓力大小，即可控制整個捕獲裝置的運動。

軟體捕獲裝置理論上具有無限多自由度，并且驅(qū)動器數(shù)目有限，屬于欠驅(qū)動系統(tǒng)，其自由度與驅(qū)動器并非一對一的關(guān)系；而且在捕獲過程中因接觸發(fā)生的分布式負載或局部變形時，捕獲裝置的運動狀態(tài)也會發(fā)生適應(yīng)性變化；因此在理論上較難直接獲得觸手充氣驅(qū)動參數(shù)與觸手運動末端位置的數(shù)學關(guān)系，本文主要通過仿真和試驗辨識得到其數(shù)學關(guān)系。

在Abaqus軟件中，開展參數(shù)化分析，軟體觸手的模型和主要參數(shù)如圖4所示，其中L為網(wǎng)格長度，t為網(wǎng)格壁厚，W為網(wǎng)格寬度，b為網(wǎng)格高度。建立的軟體觸手的虛擬樣機如圖5所示。由圖6～9的仿真結(jié)果可見，軟體觸手的彎曲能力隨著壓強的增加而增加、隨著網(wǎng)格高度b的增加而增加、隨著壁厚t的增加而減小、隨著網(wǎng)格寬度W的增加而增加。

4 典型捕獲任務(wù)仿真

本文以捕獲移除失效的衛(wèi)星作為典型任務(wù)，以球形衛(wèi)星或立方體衛(wèi)星作為典型目標。在仿真系統(tǒng)平臺上，通過對典型捕獲任務(wù)的仿真，完成對捕獲裝置的功能和性能的驗證和演示。

通過圖10和11的仿真結(jié)果，可見捕獲裝置充氣后，各個軟體觸手運動并接近球形衛(wèi)星或立方體衛(wèi)星直至發(fā)生接觸，接觸后發(fā)生隨形作用，持續(xù)充氣軟體觸手可適應(yīng)目標的形狀，并與目標形成大面積貼合的可靠連接?？梢姡东@裝置可通過充氣纏繞、收攏、包容的方式實現(xiàn)對碎片目標的捕獲，軟體機理用于捕獲碎片具有一定的可行性。

5 結(jié)論

本文提出了仿章魚軟體觸手碎片柔性自適應(yīng)捕獲裝置的方案，對軟體觸手開展了方案設(shè)計和參數(shù)化分析，對捕獲裝置開展了典型任務(wù)的仿真驗證，結(jié)果表明提出的方案具有一定的可行性。仿章魚軟體觸手碎片柔性自適應(yīng)捕獲裝置的方案是國內(nèi)外首次提出的軟體捕獲碎片的創(chuàng)新方案，在后續(xù)的研究中，將對捕獲裝置的功能和性能開展更充分的驗證，在捕獲裝置的穩(wěn)定性、可靠性等方面開展更深入的研究，充分考慮實際工程中存在的約束，推進方案的工程化。

（References）

［1］ Liou J C．Orbital debris and future environment remediation［R］．Washington：NASA?AAS?11?254，2011：20?32．

［2］ Bischof B．Roger?robotic geostationary orbit restorer［C］／／COSPAR Scientific Assembly．34th COSPAR Scientific As?sembly，2002．

［3］ Sommer B．Unmanned on?orbit servicing in the German space program?the TECSAS mission［C］／／International Astronau?tical Congress of the International Astronautical Federation，the International Academy of Astronautics，and the Interna?tional Institute of Space Law．2013．

［4］ Nishida S I，Kawamoto S，Okawa Y，et al．Space debris re?moval system using a small satellite［J］．Acta Astronautica，2009，65（1?2）：95?102．

［5］ Ilievski F，Mazzeo A D，Shepherd R F，et al．Soft robotics for chemists［J］．Angewandte Chemie，2015，123（8）：1930?1935．

［6］ Rus D，Tolley M T．Design，fabrication and control of soft ro?bots［J］．Nature，2015，521（7553）：467．

［7］ Mosadegh B，Polygerinos P，Keplinger C，et al．Soft robotics：Pneumatic networks for soft robotics that actuate rapidly［J］．Ad?vanced Functional Materials，2014，24（15）：2163?2170．

［8］ Faudzi A A M，Razif M R M，Nordin I N A M，et al．Devel?opment of bending soft actuator with different braided angles［C］／／IEEE／ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics．IEEE，2012：1093?1098．

（責任編輯：康金蘭）

Assumption on Flexible Adaptive Orbital Debris Capture Device Based on Octopus?inspired Pneumatic Soft Robot

HAN Liangliang，YANG Jian，ZHAO Ying，LIU Yu，PENG Fujun
（Aerospace System Engineering Shanghai，Shanghai 201108，China）

To capture the space debris of different scales flexibly and adaptively，a capture device based on octopus?inspired pneumatic soft robot was proposed according to the task function analysis and bionic revelation．The device was mainly composed of the octopus?inspired tentacles and the de?ployable arm．The device was capable of distant reaching，end position and pose adjusting，debris capturing and target recognition and measurement．The device could capture orbital debris reliably and nimbly with single tentacle bending or multi?tentacle twining．The tentacle was based on the mechanism of pneumatic soft robot and was compatible and adaptive to the irregularly shaped debris and could absorb the energy during the contact and impact．The deployable arm was driven by the pneumatic actuation，so it was of light weight and high shrink ratio．Gecko?inspired biomimetic nano?sacle adhesive arrays were also used on the surface of the tentacle to ensure reliable grasping．In addition，task simulations were carried out to validate its feasibility．

flexible；capture device；debris removal；octopus inspired；soft robot

V57

A

1674?5825（2017）04?0469?04

2017?03?09；

2017?07?05

載人航天預先研究項目（030401）

韓亮亮，男，碩士，工程師，研究方向為空間機器人。E?mail：hllrob＠163．com