本發(fā)明涉及用于月面基建工程的結(jié)構(gòu)，屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

1、對太空的探索是人類矢志不渝的追求。隨著人類對深空探測需求的不斷升級(jí)，地外天體探測已成為全球科技發(fā)展的重要目標(biāo)。月球作為地球唯一的天然衛(wèi)星，是極具現(xiàn)實(shí)意義的探測目標(biāo)。月球不僅承載著宇宙起源、行星演化等重大科學(xué)問題的研究價(jià)值，更是稀有資源開發(fā)與深空探測技術(shù)驗(yàn)證的關(guān)鍵平臺(tái)。月球南極永久陰影區(qū)的水冰資源可為未來基地提供氧氣、燃料和生命保障支持，而氦-3等核聚變?nèi)剂系臐撛陂_發(fā)將重塑地球能源結(jié)構(gòu)。此外，月球低重力環(huán)境為深空探測器發(fā)射提供了天然優(yōu)勢，成為火星探測及更遠(yuǎn)天體探索的中繼站。

2、隨著人類深空探測從短期科考向長期駐留的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，月球已從單純的科研目標(biāo)演變?yōu)榈赝赓Y源開發(fā)與深空技術(shù)驗(yàn)證的核心樞紐。

3、月面基建是一項(xiàng)大規(guī)模、高難度、高任務(wù)復(fù)雜性的系統(tǒng)工程，包含鏟挖、夾取、鉆探、維修等多項(xiàng)任務(wù)。然而，傳統(tǒng)地外天體探測器受限于功能單一化設(shè)計(jì)，其工作范圍與作業(yè)能力存在顯著局限性?，F(xiàn)有機(jī)械系統(tǒng)往往采用固定式末端執(zhí)行器，工作能力單一，效率低下，工作耗時(shí)長。例如美國“好奇號(hào)”火星車僅配備單一鉆探工具，在月壤采樣與設(shè)備維護(hù)等場景切換時(shí)需依賴地面指令重新規(guī)劃流程，單次任務(wù)切換耗時(shí)長達(dá)數(shù)小時(shí)。因此，傳統(tǒng)地外天體探測器已不能勝任月面基建的需要。

4、月球基建時(shí)期的一大趨勢是分布式小型機(jī)械集群。與早期依賴單一重型設(shè)備的方案不同，小型化機(jī)械集群可通過動(dòng)態(tài)重組適應(yīng)月壤挖掘、結(jié)構(gòu)裝配、能源管線鋪設(shè)等多樣化任務(wù)，但這也對裝備的標(biāo)準(zhǔn)化接口、自主決策能力提出更高要求。此外，單一重型設(shè)備由于成本高，設(shè)計(jì)的安全冗余較高，在工作中往往動(dòng)作緩慢，效率低下。而小型化機(jī)械集群單個(gè)設(shè)備成本較低，小巧靈活，能夠極大提高月面基建效率。

5、在月面基建中，由于月球環(huán)境的不確定性，作業(yè)對象的不確定性和遙測遙控的大延遲性，對探測器的自主能力提出了很高的要求。遙測遙控的大滯后性導(dǎo)致地面操控人員的智能行為無法干預(yù)探測器作業(yè)過程，僅體現(xiàn)作業(yè)之前的設(shè)計(jì)過程。作業(yè)環(huán)境和對象的不確定性使基建作業(yè)成為在信息不確定、不完全情況下的科學(xué)活動(dòng)，極大影響著作業(yè)成功率。同時(shí)，在小型化機(jī)械集群的趨勢下，對所有探測器的所有任務(wù)都人為干涉費(fèi)時(shí)費(fèi)力，極大影響了月面基建效率。因此，完善探測器感知-決策的自主能力尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有機(jī)械系統(tǒng)往往采用固定式末端執(zhí)行器，工作能力單一，效率低下，工作耗時(shí)長，并且在小型化機(jī)械集群的趨勢下，對所有探測器的所有任務(wù)都人為干涉費(fèi)時(shí)費(fèi)力，極大影響了月面基建效率的問題，提出了基于機(jī)械臂快拆接口的小型通用智能化月面基建工程系統(tǒng)。

2、基于機(jī)械臂快拆接口的小型通用智能化月面基建工程系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括工作器1和服務(wù)器2；

3、工作器1包括一號(hào)移動(dòng)基體1-1、六自由度機(jī)械臂1-2、公頭感應(yīng)接口1-3和一號(hào)控制器；六自由度機(jī)械臂1-2一端固定連接在一號(hào)移動(dòng)基體1-1上，六自由度機(jī)械臂1-2的另一端連接公頭感應(yīng)接口1-3，一號(hào)控制器設(shè)置在一號(hào)移動(dòng)基體內(nèi)；

4、服務(wù)器2包括二號(hào)移動(dòng)基體2-1、智能感知系統(tǒng)2-2、末端工具轉(zhuǎn)盤2-3、末端執(zhí)行器2-4和二號(hào)控制器；智能感知系統(tǒng)2-2設(shè)置在二號(hào)移動(dòng)基體2-1上，末端工具轉(zhuǎn)盤2-3與末端執(zhí)行器2-4活動(dòng)連接，末端工具轉(zhuǎn)盤2-3設(shè)置在二號(hào)移動(dòng)基體2-1內(nèi)壁，二號(hào)控制器設(shè)置在二號(hào)移動(dòng)基體內(nèi)；

5、一號(hào)控制器，用于向一號(hào)移動(dòng)基體1-1發(fā)送作業(yè)指令，一號(hào)移動(dòng)基體1-1接收到作業(yè)指令后，自主巡航前往作業(yè)區(qū)；還用于與二號(hào)控制器通信，采集到任務(wù)規(guī)劃后，控制六自由度機(jī)械臂1-2向二號(hào)移動(dòng)基體2-1靠近，直至公頭感應(yīng)接口1-3識(shí)別并定位到末端執(zhí)行器2-4后，控制六自由度機(jī)械臂1-2帶動(dòng)公頭感應(yīng)接口1-3與該末端執(zhí)行器2-4對接鎖定，并按照任務(wù)規(guī)劃控制六自由度機(jī)械臂1-2帶動(dòng)末端執(zhí)行器2-4將作業(yè)目標(biāo)搬運(yùn)至二號(hào)移動(dòng)基體內(nèi)；還用于在任務(wù)規(guī)劃結(jié)束后，控制六自由度機(jī)械臂1-2帶動(dòng)公頭感應(yīng)接口與該末端執(zhí)行器2-4解鎖；

6、二號(hào)控制器，用于通過智能感知系統(tǒng)采集一號(hào)移動(dòng)基體1-1的位置信息，控制二號(hào)移動(dòng)基體2-1智能跟隨一號(hào)移動(dòng)基體1-1一同前往作業(yè)區(qū)；還用于根據(jù)智能感知系統(tǒng)2-2發(fā)來的作業(yè)區(qū)環(huán)境信息，制定任務(wù)規(guī)劃，根據(jù)任務(wù)規(guī)劃選擇作業(yè)目標(biāo)以及與該作業(yè)目標(biāo)配套的末端執(zhí)行器2-4，并將該任務(wù)規(guī)劃發(fā)至一號(hào)控制器；還用于當(dāng)智能感知系統(tǒng)2-2感應(yīng)到與公頭感應(yīng)接口1-3之間的距離小于或等于預(yù)設(shè)范圍時(shí)，控制末端工具轉(zhuǎn)盤2-3帶動(dòng)與作業(yè)目標(biāo)配套的末端執(zhí)行器2-4旋轉(zhuǎn)出二號(hào)移動(dòng)基體2-1頂部；還用于當(dāng)智能感知系統(tǒng)2-2感知道與公頭感應(yīng)接口1-3之間的距離大于預(yù)設(shè)范圍時(shí)，控制末端工具轉(zhuǎn)盤2-3帶動(dòng)末端執(zhí)行器2-4旋轉(zhuǎn)回二號(hào)移動(dòng)基體內(nèi)部。

7、優(yōu)選地，工作器1還包括工作器雙目相機(jī)1-4；

8、工作器雙目相機(jī)1-4，用于自主巡航。

9、優(yōu)選地，公頭感應(yīng)接口1-3包括公頭機(jī)械接口1-3-1、公頭通信接口與電接口1-3-2、對接相機(jī)1-3-3和rfid芯片1-3-4；

10、公頭通信接口與電接口1-3-2、對接相機(jī)1-3-3和rfid芯片1-3-4均設(shè)置在公頭機(jī)械接口1-3-1上；

11、rfid芯片1-3-4，用于與智能感知系統(tǒng)通信，感應(yīng)二者之間距離；

12、公頭通信接口與電接口1-3-2，用于與末端執(zhí)行器2-4上的母頭通信接口與電接口2-4-2相對接；

13、對接相機(jī)1-3-3，用于識(shí)別并定位末端執(zhí)行器2-4上的視覺定位標(biāo)靶2-3-3；

14、公頭機(jī)械接口1-3-1，用于與末端執(zhí)行器2-4上的母頭機(jī)械接口2-3-1對接鎖定。

15、優(yōu)選地，二號(hào)移動(dòng)基體2-1包括服務(wù)器底盤2-1-1和通用月面工程箱2-1-2；智能感知系統(tǒng)2-2包括服務(wù)器雙目相機(jī)2-2-1、激光雷達(dá)2-2-2和rfid接收機(jī)2-2-3；

16、通用月面工具箱2-2固定連接在服務(wù)器底盤2-1頂部，服務(wù)器雙目相機(jī)2-2-1設(shè)置在通用月面工程箱2-1-2前端外壁上，激光雷達(dá)2-2-2和rfid接收機(jī)2-2-3均設(shè)置在通用月面工具箱2-1-2頂部；

17、服務(wù)器雙目相機(jī)2-2-1和激光雷達(dá)2-2-2，用于感知作業(yè)區(qū)環(huán)境；rfid接收機(jī)2-2-3，用于與rfid芯片1-3-4通信，感應(yīng)與rfid芯片1-3-4之間的距離。

18、優(yōu)選地，通用月面工程箱2-1-2包括外殼2-1-2-1、隔板2-1-2-2、工具艙艙門2-1-2-3、存儲(chǔ)艙艙門2-1-2-4、工具艙艙門電機(jī)和存儲(chǔ)艙艙門電機(jī)；

19、隔板2-1-2-2將外殼2-1-2-1的內(nèi)部空間分為工具艙和存儲(chǔ)艙，工具艙艙門2-1-2-3蓋合在工具艙頂部，存儲(chǔ)艙艙門2-1-2-4蓋合在存儲(chǔ)艙頂部，且工具艙艙門2-1-2-3一端和存儲(chǔ)艙艙門2-1-2-4分別連接在外殼2-1-2-1的滑槽內(nèi)，沿著滑槽滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開合；

20、二號(hào)控制器，還用于當(dāng)智能感知系統(tǒng)2-2感應(yīng)到與公頭感應(yīng)接口1-3之間的距離小于或等于預(yù)設(shè)范圍時(shí)，控制工具艙艙門電機(jī)工作，驅(qū)動(dòng)工具艙艙門2-1-2-3打開，進(jìn)而控制末端工具轉(zhuǎn)盤2-3帶動(dòng)與作業(yè)目標(biāo)配套的末端執(zhí)行器2-4旋轉(zhuǎn)出二號(hào)移動(dòng)基體1-1頂部，同時(shí)控制存儲(chǔ)艙艙門電機(jī)工作，驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)艙艙門2-1-2-4打開；

21、還用于控制末端工具轉(zhuǎn)盤2-3帶動(dòng)末端執(zhí)行器2-4旋轉(zhuǎn)回二號(hào)移動(dòng)基體1-1內(nèi)部后，進(jìn)而控制工具艙艙門電機(jī)工作，驅(qū)動(dòng)工具艙艙門2-1-2-3關(guān)閉，同時(shí)控制存儲(chǔ)艙艙門電機(jī)工作，驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)艙艙門2-1-2-4關(guān)閉。

22、優(yōu)選地，末端工具轉(zhuǎn)盤2-3包括轉(zhuǎn)盤電機(jī)2-3-1、轉(zhuǎn)盤基座2-3-2、下夾持器2-3-3、上夾持器2-3-4、支架電機(jī)2-3-5、轉(zhuǎn)軸2-3-6和旋轉(zhuǎn)電機(jī)；

23、轉(zhuǎn)盤電機(jī)2-3-1設(shè)置在工具艙的內(nèi)壁上，轉(zhuǎn)軸2-3-6一端固定連接在轉(zhuǎn)盤基座2-3-2上，轉(zhuǎn)軸2-3-6另一端由轉(zhuǎn)盤電機(jī)2-3-1帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)；

24、轉(zhuǎn)盤基座2-3-2的圓周面上均勻連接多個(gè)下夾持器2-3-3的一端，每個(gè)下夾持器2-3-3的另一端與一個(gè)上夾持器2-3-4連接，上夾持器2-3-4由兩個(gè)半圓形套環(huán)通過鉸鏈鉸接在一起，每個(gè)上夾持器2-3-4上用于夾持一種末端執(zhí)行器2-4；

25、每個(gè)下夾持器2-3-3由上、下段延伸支架鉸接在一起，支架電機(jī)2-3-5設(shè)置在兩段延伸支架鉸接處，帶動(dòng)上段延伸支架轉(zhuǎn)動(dòng)；

26、二號(hào)控制器，還用于當(dāng)采集到公頭通信接口與電接口1-3-2與末端執(zhí)行器2-4上的母頭通信接口與電接口2-3-2相對接的電信號(hào)，同時(shí)監(jiān)測到rfid接收機(jī)2-2-3和rfid芯片1-3-4之間的距離小于或等于預(yù)設(shè)范圍時(shí)，控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)鉸鏈打開；還用于當(dāng)監(jiān)測到rfid接收機(jī)2-2-3和rfid芯片1-3-4之間的距離大于預(yù)設(shè)范圍時(shí)，控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)鉸鏈閉合。

27、優(yōu)選地，多種末端執(zhí)行器2-4包括土壤鏟2-4-1、電動(dòng)螺絲刀2-4-2、鉆頭2-4-3、多指夾爪2-4-4、可變剛度夾爪2-4-5和多個(gè)一號(hào)母頭接口2-4-6；

28、土壤鏟2-4-1、電動(dòng)螺絲刀2-4-2、鉆頭2-4-3、多指夾爪2-4-4和可變剛度夾爪2-4-5各連接一個(gè)一號(hào)母頭接口2-4-6，每個(gè)上夾持器2-3-4夾持一個(gè)一號(hào)母頭接口2-4-6外表面，一號(hào)母頭接口2-4-6用于與公頭感應(yīng)接口1-3對接。

29、優(yōu)選地，服務(wù)器2還包括二號(hào)母頭接口2-4；

30、二號(hào)母頭接口2-4設(shè)置在外殼2-1-2-1前端外壁上，用于與公頭感應(yīng)接口1-3對接。

31、優(yōu)選地，一號(hào)母頭接口2-4-6和二號(hào)母頭接口2-4均包括母頭機(jī)械接口2-4-6-1、母頭通信接口與電接口2-4-6-2和視覺定位標(biāo)靶2-4-6-3；

32、母頭通信接口與電接口2-4-6-2和視覺定位標(biāo)靶2-4-6-3均設(shè)置在母頭機(jī)械接口2-4-6-1上。

33、優(yōu)選地，服務(wù)器2還包括噴氣機(jī)構(gòu)2-5；

34、噴氣機(jī)構(gòu)2-5設(shè)置在二號(hào)移動(dòng)基體2-1頂部，用于噴出高壓氣體，清除末端執(zhí)行器2-4上的灰塵。

35、本發(fā)明的有益效果是：

36、工作器和服務(wù)器均為小型機(jī)械設(shè)備，相互配合完成多種月面基建作業(yè)任務(wù)。六自由度機(jī)械臂與末端執(zhí)行器采用機(jī)械臂快拆接口連接，使工作器具備更換末端的能力。月面工具箱中存儲(chǔ)有多種不同末端執(zhí)行器，均能通過快拆接口與機(jī)械臂對接，以適應(yīng)不同的作業(yè)目標(biāo)，提高工作效率。同時(shí)，工作器和服務(wù)器具備環(huán)境感知、智能跟隨、自主避障、任務(wù)規(guī)劃與決策能力，進(jìn)一步提高工作效率。

37、在工作工況中，二者移動(dòng)到指定位置后進(jìn)行環(huán)境感知，自主決策選擇任務(wù)目標(biāo)和末端執(zhí)行器。機(jī)械臂靠近通用月面工具箱，艙門打開，被選定的末端起豎進(jìn)入泊口，與機(jī)械臂對接。任務(wù)完成后接觸對接返還。同時(shí)，存儲(chǔ)艙可進(jìn)行月壤等的存儲(chǔ)與運(yùn)輸。

38、在脫困工況中，二者其一產(chǎn)生異常報(bào)警后，迅速停止運(yùn)動(dòng)，啟動(dòng)環(huán)境感知，劃定危險(xiǎn)區(qū)域。未陷落的探測器在危險(xiǎn)區(qū)域外巡視，判斷陷落探測器狀態(tài)，結(jié)合環(huán)境特征生成救援策略。隨后機(jī)械臂與月面工具箱側(cè)面的快拆接口對接，二者共同運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)脫困。因此，本發(fā)明能夠在不同工況下均能完成作業(yè)。

39、本發(fā)明的小型機(jī)械集群作業(yè)，實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同、高效分工，提升月面基建任務(wù)的靈活性、可靠性和整體作業(yè)效率；通過機(jī)械臂快拆接口的設(shè)計(jì)，使工作器能夠快速更換末端執(zhí)行器，從而提升任務(wù)的靈活性和適應(yīng)性，有效擴(kuò)展探測器的工作能力；采用小型化和智能化的設(shè)備設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)整體重量輕、體積小，提高了運(yùn)輸和部署的靈活性和工作效率；環(huán)境感知、自主避障、智能跟隨以及任務(wù)規(guī)劃與決策能力的引入，使系統(tǒng)能夠在復(fù)雜月面環(huán)境中高效執(zhí)行基建任務(wù)，提高作業(yè)的成功率和穩(wěn)定性；通用月面工具箱存儲(chǔ)多種末端執(zhí)行器，能夠根據(jù)不同任務(wù)需求靈活更換，提高設(shè)備的通用性和作業(yè)效率；具備自主脫困能力，在探測器陷落或發(fā)生異常時(shí)，可迅速劃定危險(xiǎn)區(qū)域，生成救援策略，并通過協(xié)同作業(yè)實(shí)現(xiàn)脫困，提高系統(tǒng)在復(fù)雜地形下的生存能力和任務(wù)可靠性；雙車(工作器和服務(wù)器)協(xié)同作業(yè)，冗余容錯(cuò)、功能互補(bǔ)與資源協(xié)同，顯著提升任務(wù)可靠性、作業(yè)范圍與數(shù)據(jù)采集效率；針對月面的防塵設(shè)計(jì)提升了環(huán)境適應(yīng)性，并降低維護(hù)成本，使其能夠適應(yīng)月面長期運(yùn)行的需求，在未來月面基建任務(wù)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。