本發(fā)明涉及一種主被動(dòng)適應(yīng)空間非合作目標(biāo)表面的爬行機(jī)器人踝關(guān)節(jié)，屬于空間機(jī)器人在軌服務(wù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、空間目標(biāo)在軌服務(wù)和維護(hù)迫切需求對(duì)表面無(wú)可供抓持結(jié)構(gòu)的非合作目標(biāo)的空間爬行機(jī)器人技術(shù)，而基于仿生干黏附機(jī)理的爬行機(jī)器人是滿足這一需求的重要技術(shù)途徑。受制于非合作目標(biāo)相對(duì)位姿測(cè)量精度有限和不同目標(biāo)表面形貌特征的不確定性，如何快速調(diào)整機(jī)器人黏附足與目標(biāo)面的黏附角度以實(shí)現(xiàn)與不同目標(biāo)的高可靠性、高品質(zhì)連接問(wèn)題，這成為黏附機(jī)器人技術(shù)亟待解決的問(wèn)題。

2、足夠大的黏附力是保證黏附機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)與目標(biāo)的有效連接的重要因素，取決于黏附區(qū)域面積、正壓力大小及分布情況等因素，而黏附角度是影響各因素的一個(gè)重要參數(shù)，因而應(yīng)將其控制在可黏附的期望角度范圍內(nèi)。然而，不同目標(biāo)表面形貌往往存在不確定性，這導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)根據(jù)設(shè)定姿態(tài)與目標(biāo)面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，易產(chǎn)生大于期望黏附角度的初始黏附角度，進(jìn)而降低了黏附區(qū)域面積與正壓力，增大了正壓力在黏附面的分布不均勻性，導(dǎo)致黏附足與目標(biāo)的連接可靠性和連接品質(zhì)降低。

3、目前基于仿生干黏附機(jī)理的爬行機(jī)器人踝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)思路，僅考慮主動(dòng)調(diào)整或被動(dòng)適應(yīng)與黏附表面的夾角，因而亟需提出一種對(duì)不同目標(biāo)面形貌具有強(qiáng)適應(yīng)性的二自由度踝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，能主動(dòng)快速的調(diào)整黏附足與目標(biāo)面的夾角，將其有效控制在能被動(dòng)適應(yīng)黏附的角度范圍內(nèi)，擴(kuò)展空間爬行機(jī)器人的黏附足與不同目標(biāo)形貌的黏附角范圍，從提高與不同目標(biāo)的黏附可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種主被動(dòng)適應(yīng)空間非合作目標(biāo)表面的爬行機(jī)器人踝關(guān)節(jié)，采用主動(dòng)調(diào)控和被動(dòng)適應(yīng)方式高效調(diào)整黏附足與空間具有不同表面形貌特征的目標(biāo)表面的黏附角度，解決了由于黏附角度過(guò)大而導(dǎo)致與目標(biāo)難以形成高可靠性、高品質(zhì)連接的問(wèn)題。

2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

3、第一方面，本發(fā)明提出一種主被動(dòng)適應(yīng)空間非合作目標(biāo)表面的爬行機(jī)器人踝關(guān)節(jié)，包括：小腿連接框、雙軸框架、小腿板、踝上板、黏附足、主動(dòng)調(diào)控單元和被動(dòng)適應(yīng)單元；

4、雙軸框架為口字型結(jié)構(gòu)，且其框架邊的中心均有回轉(zhuǎn)軸或孔，雙軸框架處于踝關(guān)節(jié)的中間位置，作為其上方機(jī)器人小腿與其下方黏附足的連接過(guò)渡結(jié)構(gòu)，形成兩組垂直分布且旋轉(zhuǎn)軸共面的回轉(zhuǎn)副；

5、小腿連接框位于所述踝關(guān)節(jié)最上方，小腿板固定連接在小腿連接框上，小腿連接框與小腿板配合與機(jī)器人小腿固定連接；踝上板的上端固定連接在小腿連接框上，踝上板的下端設(shè)置有回轉(zhuǎn)孔，套在雙軸框架的一個(gè)回轉(zhuǎn)軸上；

6、黏附足中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)上留有軸座，將軸座套入雙軸框架內(nèi)側(cè)，然后通過(guò)沉頭螺釘將軸座與電機(jī)外殼固定相連；

7、主動(dòng)調(diào)控單元安裝在雙軸框架上，用于驅(qū)動(dòng)黏附足相對(duì)于雙軸框架回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，以及驅(qū)動(dòng)機(jī)器人小腿相對(duì)于雙軸框架回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)；

8、被動(dòng)適應(yīng)單元安裝在雙軸框架上，在完成黏附足與目標(biāo)面的脫附動(dòng)作后，被動(dòng)適應(yīng)單元提供恢復(fù)力確保黏附足回到平衡位置。

9、進(jìn)一步的，雙軸框架兩側(cè)連接的兩個(gè)踝上板的回轉(zhuǎn)孔同軸，保證雙軸框架能繞踝上板的回轉(zhuǎn)軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

10、進(jìn)一步的，所述主動(dòng)調(diào)控單元包括：第二舵機(jī)和第一舵機(jī)；

11、第一舵機(jī)安裝在踝上板上，且第一舵機(jī)的轉(zhuǎn)軸與雙軸框架的一個(gè)回轉(zhuǎn)軸通過(guò)螺釘緊固連接；第一舵機(jī)用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人小腿運(yùn)動(dòng)；

12、第二舵機(jī)安裝在雙軸框架上，第二舵機(jī)的轉(zhuǎn)軸與雙軸框架的另一個(gè)回轉(zhuǎn)軸通過(guò)螺釘緊固連接；第二舵機(jī)用于驅(qū)動(dòng)黏附

13、足運(yùn)動(dòng)。

14、進(jìn)一步的，雙軸框架上的兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸末端均設(shè)計(jì)成d字型，套入舵機(jī)軸的d字型槽內(nèi)緊固連接。

15、進(jìn)一步的，所述被動(dòng)適應(yīng)單元包括：腿限位螺釘、小腿簧片、調(diào)節(jié)螺釘、黏附足簧片以及足限位螺釘；

16、小腿簧片的上端設(shè)有長(zhǎng)橢圓孔，下端設(shè)有安裝孔，第二舵機(jī)的安裝螺栓穿過(guò)小腿簧片的安裝孔，固定在雙軸框架上；腿限位螺釘穿過(guò)小腿簧片上端的長(zhǎng)橢圓孔，固定在小腿連接框上，當(dāng)機(jī)器人小腿相對(duì)雙軸框架轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，小腿簧片發(fā)生形變，腿限位螺釘在所述長(zhǎng)橢圓孔中移動(dòng)，且被所述長(zhǎng)橢圓孔限位；調(diào)節(jié)螺釘穿過(guò)小腿簧片中部且與雙軸框架上的凸起連接，用于改變預(yù)緊力；

17、黏附足簧片的上端固定安裝在雙軸框架上，其下端同樣設(shè)有橢圓孔，足限位螺釘穿過(guò)該橢圓孔與黏附足的驅(qū)動(dòng)電機(jī)外殼連接；當(dāng)黏附足相對(duì)雙軸框架發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，黏附足簧片發(fā)生形變，足限位螺釘在黏附足簧片下端橢圓孔中移動(dòng)。

18、進(jìn)一步的，當(dāng)黏附足與不同目標(biāo)面的角度在可黏附角度范圍內(nèi)時(shí)，黏附面與不同目標(biāo)表面接觸并轉(zhuǎn)動(dòng)角度完成貼合黏附動(dòng)作，此時(shí)小腿簧片和黏附足簧片隨雙軸框架的旋轉(zhuǎn)發(fā)生相應(yīng)彈性變形，從而被動(dòng)適應(yīng)不同形貌的目標(biāo)面；在完成與目標(biāo)面的脫附動(dòng)作后，黏附足在小腿簧片和黏附足簧片的恢復(fù)力作用下回到平衡位置。

19、進(jìn)一步的，黏附足在與目標(biāo)面接觸前，根據(jù)黏附足上設(shè)置的傳感器反饋所檢測(cè)到的與目標(biāo)的黏附角度數(shù)據(jù)，逆向計(jì)算解耦兩個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，且通過(guò)兩個(gè)舵機(jī)主動(dòng)調(diào)控空間機(jī)器人的黏附足相對(duì)于目標(biāo)面的姿態(tài)，將黏附角控制在有效黏附角度范圍內(nèi)，增強(qiáng)黏附足適應(yīng)目標(biāo)面形貌的能力。

20、進(jìn)一步的，雙軸框架中的兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸正交且共面。

21、第二方面，本發(fā)明還提出一種主被動(dòng)適應(yīng)空間非合作目標(biāo)表面的爬行機(jī)器人，該機(jī)器人的小腿末端使用所述的踝關(guān)節(jié)。

22、本發(fā)明提供一種主被動(dòng)適應(yīng)空間非合作目標(biāo)表面的爬行機(jī)器人踝關(guān)節(jié)，能滿足空間機(jī)器人在不同相對(duì)姿態(tài)下對(duì)非合作目標(biāo)的高穩(wěn)定性附著連接需求，其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括：

23、(1)踝關(guān)節(jié)包括主動(dòng)調(diào)控單元和被動(dòng)適應(yīng)單元，此踝關(guān)節(jié)的主體部分采用虎克鉸構(gòu)型，以實(shí)現(xiàn)腿部繞鉸鏈中心的二自由度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；

24、(2)主動(dòng)調(diào)控單元在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副處高度集成了微型舵機(jī)，能主動(dòng)調(diào)控足與腿的相對(duì)夾角以適應(yīng)大傾角目標(biāo)面形貌；

25、(3)被動(dòng)適應(yīng)單元基于簧片回中原理設(shè)計(jì)，既能提供足夠預(yù)緊力和剛度以保證足部相對(duì)腿部的相對(duì)初始位置，又能在出現(xiàn)小黏附角情況時(shí)被動(dòng)適應(yīng)不同目標(biāo)面。因而，此踝關(guān)節(jié)能高效調(diào)整黏附足與目標(biāo)面的黏附角度，將其快速控制在期望黏附角度范圍內(nèi)與目標(biāo)面黏附，擴(kuò)展空間爬行機(jī)器人的黏附足與不同目標(biāo)形貌的黏附角范圍，提高了對(duì)目標(biāo)的高品質(zhì)黏附連接能力。

技術(shù)特征：

1.一種主被動(dòng)適應(yīng)空間非合作目標(biāo)表面的爬行機(jī)器人踝關(guān)節(jié)，其特征在于包括：小腿連接框(1)、雙軸框架(5)、小腿板(7)、踝上板(8)、黏附足(12)、主動(dòng)調(diào)控單元和被動(dòng)適應(yīng)單元；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種主被動(dòng)適應(yīng)空間非合作目標(biāo)表面的爬行機(jī)器人踝關(guān)節(jié)，其特征在于：雙軸框架(5)兩側(cè)連接的兩個(gè)踝上板(8)的回轉(zhuǎn)孔同軸，保證雙軸框架(5)能繞踝上板(8)的回轉(zhuǎn)軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種主被動(dòng)適應(yīng)空間非合作目標(biāo)表面的爬行機(jī)器人踝關(guān)節(jié)，其特征在于：所述主動(dòng)調(diào)控單元包括：第二舵機(jī)(6)和第一舵機(jī)(9)；

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種主被動(dòng)適應(yīng)空間非合作目標(biāo)表面的爬行機(jī)器人踝關(guān)節(jié)，其特征在于：雙軸框架上的兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸末端均設(shè)計(jì)成d字型，套入舵機(jī)軸的d字型槽內(nèi)緊固連接。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種主被動(dòng)適應(yīng)空間非合作目標(biāo)表面的爬行機(jī)器人踝關(guān)節(jié)，其特征在于：所述被動(dòng)適應(yīng)單元包括：腿限位螺釘(2)、小腿簧片(3)、調(diào)節(jié)螺釘(4)、黏附足簧片(10)以及足限位螺釘(11)；

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種主被動(dòng)適應(yīng)空間非合作目標(biāo)表面的爬行機(jī)器人踝關(guān)節(jié)，其特征在于：當(dāng)黏附足與不同目標(biāo)面的角度在可黏附角度范圍內(nèi)時(shí)，黏附面與不同目標(biāo)表面接觸并轉(zhuǎn)動(dòng)角度完成貼合黏附動(dòng)作，此時(shí)小腿簧片(3)和黏附足簧片(10)隨雙軸框架(5)的旋轉(zhuǎn)發(fā)生相應(yīng)彈性變形，從而被動(dòng)適應(yīng)不同形貌的目標(biāo)面；在完成與目標(biāo)面的脫附動(dòng)作后，黏附足在小腿簧片和黏附足簧片的恢復(fù)力作用下回到平衡位置。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種主被動(dòng)適應(yīng)空間非合作目標(biāo)表面的爬行機(jī)器人踝關(guān)節(jié)，其特征在于：黏附足在與目標(biāo)面接觸前，根據(jù)黏附足上設(shè)置的傳感器反饋所檢測(cè)到的與目標(biāo)的黏附角度數(shù)據(jù)，逆向計(jì)算解耦兩個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，且通過(guò)兩個(gè)舵機(jī)主動(dòng)調(diào)控空間機(jī)器人的黏附足相對(duì)于目標(biāo)面的姿態(tài)，將黏附角控制在有效黏附角度范圍內(nèi)，增強(qiáng)黏附足適應(yīng)目標(biāo)面形貌的能力。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種主被動(dòng)適應(yīng)空間非合作目標(biāo)表面的爬行機(jī)器人踝關(guān)節(jié)，其特征在于：雙軸框架(5)中的兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸正交且共面。

9.一種主被動(dòng)適應(yīng)空間非合作目標(biāo)表面的爬行機(jī)器人，其特征在于：該機(jī)器人的小腿末端使用如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的踝關(guān)節(jié)。

技術(shù)總結(jié)
一種主被動(dòng)適應(yīng)空間非合作目標(biāo)表面的爬行機(jī)器人踝關(guān)節(jié)，是一種基于虎克鉸構(gòu)型設(shè)計(jì)的二自由度踝關(guān)節(jié)，具有主動(dòng)調(diào)整和被動(dòng)適應(yīng)空間目標(biāo)面的功能。主動(dòng)調(diào)控的方式擴(kuò)展了空間爬行機(jī)器人黏附角范圍，增強(qiáng)黏附足能適應(yīng)大黏附角度目標(biāo)面的能力；被動(dòng)適應(yīng)單元采用簧片回中裝置，能提供初始預(yù)壓力保證足部相對(duì)腿部的初始位置，精細(xì)適應(yīng)小黏附角度的空間目標(biāo)面。此踝關(guān)節(jié)對(duì)大范圍黏附角度的空間目標(biāo)面具有強(qiáng)適應(yīng)性，增大了黏附區(qū)域面積并增強(qiáng)了正壓力分布均勻性，易形成高可靠性、高品質(zhì)連接，進(jìn)一步完善了空間柔性對(duì)接技術(shù)。

技術(shù)研發(fā)人員：李云濤,張曉龍,王國(guó)鵬,李鉆,嚴(yán)余超
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海航天控制技術(shù)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15