面向空間非合作航天器的空間爬壁機器人方案

肖燕妮，丁永鋒，張玉良，李 龍，侯緒研

(1.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京100094；2.上海大學，上海201900；3.哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱150000)

1 引言

針對未來對非合作航天器的接近、附著任務的需求，用于空間任務的可吸附、爬行的機器人越來越受到重視[1]。該類空間附著目標多為高價值地球同步軌道的通信、區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星或甚低軌道的軍用偵察衛(wèi)星，目前成熟的、用于合作目標的對交會對接技術在該類目標的接近、附著和操控領域的應用受限[2]。

針對此任務需求，國外已有多個機構開展了研究。2005年美國卡耐基梅隆大學開發(fā)了剛性和柔性仿壁虎機器人waalbot，粘附力來源為表面未經(jīng)加工的聚合物硅橡膠和聚二甲基硅氧烷(PDMS)，2010年又開發(fā)了改進型樣機Waalbot II，兩款機器人均可以在65°聚甲基丙烯酸甲酯板上向任意方向行走[3]。加拿大西蒙弗雷澤大學Calo Menon小組于2008年開發(fā)了蜘蛛外形爬壁機器人Abbigaille-I，擁有6條對稱分布腿，18個微型電機驅(qū)動關節(jié)，具有18個被動自由度和18個主動自由度，質(zhì)量131 g，粘附力來源為以PDMS為基底的微米級粘附陣列，能夠進行50°斜面自行預壓緊與粘附行走[4]。2015年，美國NASA噴氣推進實驗室研發(fā)了一種黏度可不隨反復使用而衰減的吸附工具“壁虎爪”，并在微重力環(huán)境下測試了擁有壁虎爪的狐猴形爬壁機器人在空間站內(nèi)部檢查、表面修復等任務中的應用[5]。

國內(nèi)對非合作空間目標的接近、附著和操控的研究起步較晚，目前主要是南京航空航天大學[6]、中科院[7]等機構提出過多種接近結構設計方案。

本文針對空間非合作目標接近及附著的需求，基于粘附機理，提出一種微小型空間爬壁機器人方案，給出該機器人整體構型、吸附、緩沖和越障的方案，并通過機器人爬行仿真對方案進行驗證。

2 微小型空間爬壁機器人方案

2.1 總體方案

對空間非合作目標的接近和附著機構在任務初始，首先要完成隱蔽軌道接近[8]。針對不同軌道的空間目標，接近方案在設計中受到以下幾個因素的限制[9]：

1)接近機構自身需要具備隱蔽性，使接近機構在接近過程中攜帶的能量有限；

2)航天器表面由于構型多樣、材料屬性不同等因素，無統(tǒng)一的交會對接接口；

3)可能開展的附著任務不同，附著航天器應盡量低沖擊著陸。

針對上述因素，采用首先由母星平臺搭載機器人實施遠距離軌道機動，并由其組合體實現(xiàn)與目標的近距離繞飛或伴飛，然后實現(xiàn)附著機器人的近距離定向發(fā)射(釋放)，附著機器人實現(xiàn)與附著目標的微弱碰撞及附著，母星平臺飛離，通過遠距離伴飛實現(xiàn)附著機器人的遙操作及通信。因此，其附著本體應具備小幾何尺寸，并可以在航天器表面低沖擊著陸、吸附附著及完成復雜表面的越障功能。其系統(tǒng)概念如圖1所示。

2.2 機構構型

為使微小型空間機器人實現(xiàn)在軌動作隱蔽、低沖擊附著和復雜壁面的越障，整體機構構型如圖2所示，為多足構型，由末端執(zhí)行機構、壓電驅(qū)動腿、仿生壁虎腳粘附足和機器人本體組成。

圖1 系統(tǒng)概念Fig.1 System concept

圖2 多足機器人構型Fig.2 Multi-legged robot configuration

其中，空間環(huán)境中足與壁面的粘附性能直接影響到機器人能否可靠粘連及機器人的運動狀態(tài)，應實現(xiàn)足與接觸面間的快速可靠粘附；腿部緩沖吸能結構減小了機構與星體壁面之間的沖擊，應結合腿部構型設計；足部步態(tài)實現(xiàn)是通過足的交替與接觸面的粘附及關節(jié)驅(qū)動實現(xiàn)的，步態(tài)設計應具有較好的越障性能。本文的微小型空間爬壁機器人方案主要包括吸附、緩沖和越障。

2.3 吸附方案

常用的吸附方式有負壓吸附、正壓吸附、電磁吸附、粘接劑吸附及干性粘接吸附，需要結合在軌環(huán)境特點對吸附方案進行選擇?？臻g真空環(huán)境無法采用負壓吸附和正壓吸附；航天器表面材料多為鋁合金、鈦合金、碳纖維、熱控材料、太陽翼電池片等，不具備導磁功能，磁場對元器件還容易產(chǎn)生不良影響，電磁吸附不具可行性；粘接劑吸附在空間使用時會在設備表面造成影響，如對光學設備造成影響，因而也不適合。

干性粘合劑實際是一種人造仿生壁虎腳，壁虎腳底剛毛的上端發(fā)出很多分叉的末梢，有的末梢彎曲形成短而密的卷須，有的末梢彎曲形成“勺”狀膨大。這些多級的分叉和末梢的卷須或膨大有效地擴大了剛毛與表面的接觸面，壁虎腳底剛毛粘附力大小與其形態(tài)構筑的完整性正相關。壁虎足的微觀結構適合本項目所研究的航天器爬行機器人。

2.4 緩沖方案

空間緩沖機構必須具備足夠的能力保證空間吸附任務的順利完成。針對微小型附著空間機器人，緩沖機構必須提高吸附可靠性，提高隨形能力，為實現(xiàn)接觸后可靠吸附，須限制關節(jié)回彈；采用模塊化設計，以提高可維護性，同時降低設計難度和加工成本。

基于上述考慮，依據(jù)結構與功能仿生原理，機器人腿部設計為彈性多腿式構型，如圖3所示。其中，關節(jié)1和關節(jié)2為轉動副，關節(jié)中安裝扭簧，用于將機構接觸碰撞時的動能轉化為彈性勢能。關節(jié)3為球副，用于適應接觸目標表面構型。

圖3 彈性多腿式構型原理Fig.3 Schematic diagram of elastic multi-leg configuration

2.5 越障步態(tài)方案

考慮到航天器表面可能存在的復雜構型，多腿機器人在星體表面越障的過程中，必須完成蠕動和翻轉兩種步態(tài)，因此可以采用了5自由度對稱結構，踝關節(jié)設計了2個正交的自由度，膝關節(jié)1個自由度，與本體連接部分具有2個正交的自由度，步態(tài)主要有步行和翻轉運動：

1)步行：如圖4所示，機器人四只腳吸附，另外四只釋放，抬起腿向前伸展，各關節(jié)旋轉運動，直到足觸覺傳感器接觸平面，等待四個足均接觸并粘附后，抬起先前的四個足，向前邁步。通過步行運動可以實現(xiàn)機器人的爬行，轉變方向以及從一個表面移動到另一個表面。

圖4 步行運動Fig.4 Walking movement

2)翻轉：如圖5所示，機器人首先一側的四個足平行放置并粘附，另外一側四個足釋放，以粘附側的四足關節(jié)為軸整體翻轉，接著再以另一側足觸覺傳感器接觸平面為準，然后重復前面的翻滾動作。

圖5 翻轉運動Fig.5 Rolling-over movement

3 詳細設計

3.1 腿部緩沖設計

在空間環(huán)境下，機器人與航天器存在相對運動，當兩者接觸時，撞擊瞬間產(chǎn)生的能量可能導致機器人迅速彈開而無法附著。因此，需要在腿部設計吸能裝置，起到緩沖作用。本文在關節(jié)處采用扭簧和單向旋轉軸承相結合的設計，使得扭簧僅存在受力壓縮吸能狀態(tài)，而不會回彈，構型設計如圖6所示。

圖6 緩沖腿部關節(jié)設計Fig.6 Design of cushioning leg joint

軸承在安裝中須限制軸承外圈的轉動，使軸承僅可單向轉動，結合扭簧，整個緩沖過程也是存儲動能的過程，直至動能全部被消耗與儲存才使整個吸附運動終止，軸承參數(shù)如表1所示。

表1 軸承基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of bearing

3.2 吸附設計

壁虎在實際爬行中，利用剛毛與表面接觸的粘附力完成粘附和脫附動作，剛毛與表面接觸的粘附力是通過分子間的范德華力作用實現(xiàn)的[10]。在軌的附著過程中，為達到星體上的高效粘附，粘附桿在相互間既不相互粘連，也不發(fā)生坍塌的前提下，應盡量增大粘附力。因此采用離散元仿真軟件EDEM和微尺度下的經(jīng)典接觸理論，分析剛毛粘附與脫附的過程。

通過參數(shù)匹配確定機器人足、航天器表面的仿真參數(shù)以及兩者間的相互作用特性參數(shù)。為使微陣列結構具有較為理想的粘附性能，采用30°傾斜微陣列的單個支桿模型，仿壁虎腳掌的剛毛結構，用離散元的方式對其建模，分析微陣列在粗糙表面間吸附與脫附的過程。

分析 6∶1、8∶1、10 ∶1和 12∶1四種長徑比，6×6和3×3兩種陣列密度下的脫附力。發(fā)現(xiàn)在低長徑比的情況下，隨著陣列密度的增大，粘附效率也隨之增大。在高長徑比的情況下，隨著陣列密度的增大，粘附效率隨著降低?？梢姡诒ＷC粘附桿相互間不粘連，不坍塌的前提下，提高陣列的密集度，有利于獲得更大的粘附力(表2)。但對于高長徑比的微陣列，密度的增大會造成微陣列在脫附過程中，支桿與支桿之間發(fā)生粘連，導致微陣列粘附效率的降低(表3)。

表2 微陣列各參數(shù)下的法向最大脫附力Table 2 Normal maximum desorption force of various microarray parameters /N

針對脫附角度與粘附力關系，采用同樣6×6陣列，仿真可得兩者關系如圖7所示。切向脫附力隨著角度的增大而減小，法向力隨著角度的增大而增大；切向力和法向力的變化率隨著角度增加而降。脫附角小于20°時，切向粘附力下降的速率大于法向力上升的速率，是導致該點合力處于低點的原因。為保證微陣列的易脫附，脫附角度控制在20°～25°之間，可以使得在粘附足及脫附足交替運動中，除粘附足以外，剩余的足部在脫附過程中，以此減少脫附所需的最大脫附力。

結合上述分析，粘附桿材料選用單晶硅，長徑比選為6∶1，直徑選為 8 μm，采用高密度等離子體刻蝕機刻蝕可得樣件如圖8，樣件設計粘著系數(shù)為0.95。

4 仿真驗證

采用EDEM與ADAMS耦合計算，在EDEM中主要對機器人足的粘附特性進行仿真，ADAMS根據(jù)載荷信息等計算出部件位移、速度信息，循環(huán)交互傳遞數(shù)據(jù)，完成計算。對爬行機器人機體進行建模(圖9)，長寬高分別為180 mm×100 mm×70 mm。腿部三個連桿在工作時可以達到200 mm×200 mm×100 mm。由于機體尺寸較小，為了保證強度，桿件的材料選為鋁合金。

圖9 試驗樣機Fig.9 Experimental prototype

ADAMS中爬行機器人向前移動的過程中(圖10)，與航天器接觸的四個機器人足所受到航天器表面的切向粘附力進行提取，如表4所示。機器人足的切向粘附力可以為機器人提供向前的驅(qū)動力，驗證了機器人足的粘附功能。并且可以通過驅(qū)動胯關節(jié)實現(xiàn)機器人爬行速度為10.6 mm/s，驗證了機器人腿的運動功能。

圖10 爬行過程Fig.10 Crawling process

表4 接觸足的最大切向粘附力Table 4 Maximum tangential adhesion force of contact foot

5 結論

1)針對空間非合作目標接近及附著任務能源有限、接口形式不統(tǒng)一及著陸中低沖擊的特點，提出的基于粘附機理、彈性多腿構型的微小型空間爬行機器人的方案，無需統(tǒng)一對接接口，對空間目標適應性強，腿部關節(jié)吸能緩沖，可以滿足任務需求。

2)針對空間任務的仿生機器人設計是多學科交叉的新型研究領域，本文僅針對該種機器人關鍵功能形成了初步的方案，完成計算設計工作，后續(xù)的研究中應進一步對目標接近策略開展研究，加強需求分析，作為深入研究的基礎；搭建零重力試驗平臺，開展地面驗證試驗。