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(xué)，上海201900；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱150000)

1 引言

針對(duì)未來對(duì)非合作航天器的接近、附著任務(wù)的需求，用于空間任務(wù)的可吸附、爬行的機(jī)器人越來越受到重視[1]。該類空間附著目標(biāo)多為高價(jià)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(biāo)的對(duì)交會(huì)對(duì)接技術(shù)在該類目標(biāo)的接近、附著和操控領(lǐng)域的應(yīng)用受限[2]。

針對(duì)此任務(wù)需求，國(guó)外已有多個(gè)機(jī)構(gòu)開展了研究。2005年美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)開發(fā)了剛性和柔性仿壁虎機(jī)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(jìn)型樣機(jī)Waalbot II，兩款機(jī)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(xué)Calo Menon小組于2008年開發(fā)了蜘蛛外形爬壁機(jī)器人Abbigaille-I，擁有6條對(duì)稱分布腿，18個(gè)微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，具有18個(gè)被動(dòng)自由度和18個(gè)主動(dòng)自由度，質(zhì)量131 g，粘附力來源為以PDMS為基底的微米級(jí)粘附陣列，能夠進(jìn)行50°斜面自行預(yù)壓緊與粘附行走[4]。2015年，美國(guó)NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了一種黏度可不隨反復(fù)使用而衰減的吸附工具“壁虎爪”，并在微重力環(huán)境下測(cè)試了擁有壁虎爪的狐猴形爬壁機(jī)器人在空間站內(nèi)部檢查、表面修復(fù)等任務(wù)中的應(yīng)用[5]。

國(guó)內(nèi)對(duì)非合作空間目標(biāo)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(xué)[6]、中科院[7]等機(jī)構(gòu)提出過多種接近結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

本文針對(duì)空間非合作目標(biāo)接近及附著的需求，基于粘附機(jī)理，提出一種微小型空間爬壁機(jī)器人方案，給出該機(jī)器人整體構(gòu)型、吸附、緩沖和越障的方案，并通過機(jī)器人爬行仿真對(duì)方案進(jìn)行驗(yàn)證。

2 微小型空間爬壁機(jī)器人方案

2.1 總體方案

對(duì)空間非合作目標(biāo)的接近和附著機(jī)構(gòu)在任務(wù)初始，首先要完成隱蔽軌道接近[8]。針對(duì)不同軌道的空間目標(biāo)，接近方案在設(shè)計(jì)中受到以下幾個(gè)因素的限制[9]：

1)接近機(jī)構(gòu)自身需要具備隱蔽性，使接近機(jī)構(gòu)在接近過程中攜帶的能量有限；

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

3)可能開展的附著任務(wù)不同，附著航天器應(yīng)盡量低沖擊著陸。

針對(duì)上述因素，采用首先由母星平臺(tái)搭載機(jī)器人實(shí)施遠(yuǎn)距離軌道機(jī)動(dòng)，并由其組合體實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)的近距離繞飛或伴飛，然后實(shí)現(xiàn)附著機(jī)器人的近距離定向發(fā)射(釋放)，附著機(jī)器人實(shí)現(xiàn)與附著目標(biāo)的微弱碰撞及附著，母星平臺(tái)飛離，通過遠(yuǎn)距離伴飛實(shí)現(xiàn)附著機(jī)器人的遙操作及通信。因此，其附著本體應(yīng)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(fù)雜表面的越障功能。其系統(tǒng)概念如圖1所示。

2.2 機(jī)構(gòu)構(gòu)型

為使微小型空間機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在軌動(dòng)作隱蔽、低沖擊附著和復(fù)雜壁面的越障，整體機(jī)構(gòu)構(gòu)型如圖2所示，為多足構(gòu)型，由末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)、壓電驅(qū)動(dòng)腿、仿生壁虎腳粘附足和機(jī)器人本體組成。

圖1 系統(tǒng)概念Fig.1 System concept

圖2 多足機(jī)器人構(gòu)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(jī)器人能否可靠粘連及機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，應(yīng)實(shí)現(xiàn)足與接觸面間的快速可靠粘附；腿部緩沖吸能結(jié)構(gòu)減小了機(jī)構(gòu)與星體壁面之間的沖擊，應(yīng)結(jié)合腿部構(gòu)型設(shè)計(jì)；足部步態(tài)實(shí)現(xiàn)是通過足的交替與接觸面的粘附及關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，步態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)具有較好的越障性能。本文的微小型空間爬壁機(jī)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(fù)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(jié)合在軌環(huán)境特點(diǎn)對(duì)吸附方案進(jìn)行選擇?？臻g真空環(huán)境無法采用負(fù)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(yáng)翼電池片等，不具備導(dǎo)磁功能，磁場(chǎng)對(duì)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(shí)會(huì)在設(shè)備表面造成影響，如對(duì)光學(xué)設(shè)備造成影響，因而也不適合。

干性粘合劑實(shí)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(jí)的分叉和末梢的卷須或膨大有效地?cái)U(kuò)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(gòu)筑的完整性正相關(guān)。壁虎足的微觀結(jié)構(gòu)適合本項(xiàng)目所研究的航天器爬行機(jī)器人。

2.4 緩沖方案

空間緩沖機(jī)構(gòu)必須具備足夠的能力保證空間吸附任務(wù)的順利完成。針對(duì)微小型附著空間機(jī)器人，緩沖機(jī)構(gòu)必須提高吸附可靠性，提高隨形能力，為實(shí)現(xiàn)接觸后可靠吸附，須限制關(guān)節(jié)回彈；采用模塊化設(shè)計(jì)，以提高可維護(hù)性，同時(shí)降低設(shè)計(jì)難度和加工成本。

基于上述考慮，依據(jù)結(jié)構(gòu)與功能仿生原理，機(jī)器人腿部設(shè)計(jì)為彈性多腿式構(gòu)型，如圖3所示。其中，關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2為轉(zhuǎn)動(dòng)副，關(guān)節(jié)中安裝扭簧，用于將機(jī)構(gòu)接觸碰撞時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能。關(guān)節(jié)3為球副，用于適應(yīng)接觸目標(biāo)表面構(gòu)型。

圖3 彈性多腿式構(gòu)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(fù)雜構(gòu)型，多腿機(jī)器人在星體表面越障的過程中，必須完成蠕動(dòng)和翻轉(zhuǎn)兩種步態(tài)，因此可以采用了5自由度對(duì)稱結(jié)構(gòu)，踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)了2個(gè)正交的自由度，膝關(guān)節(jié)1個(gè)自由度，與本體連接部分具有2個(gè)正交的自由度，步態(tài)主要有步行和翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：

1)步行：如圖4所示，機(jī)器人四只腳吸附，另外四只釋放，抬起腿向前伸展，各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，直到足觸覺傳感器接觸平面，等待四個(gè)足均接觸并粘附后，抬起先前的四個(gè)足，向前邁步。通過步行運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬行，轉(zhuǎn)變方向以及從一個(gè)表面移動(dòng)到另一個(gè)表面。

圖4 步行運(yùn)動(dòng)Fig.4 Walking movement

2)翻轉(zhuǎn)：如圖5所示，機(jī)器人首先一側(cè)的四個(gè)足平行放置并粘附，另外一側(cè)四個(gè)足釋放，以粘附側(cè)的四足關(guān)節(jié)為軸整體翻轉(zhuǎn)，接著再以另一側(cè)足觸覺傳感器接觸平面為準(zhǔn)，然后重復(fù)前面的翻滾動(dòng)作。

圖5 翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)Fig.5 Rolling-over movement

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 腿部緩沖設(shè)計(jì)

在空間環(huán)境下，機(jī)器人與航天器存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)兩者接觸時(shí)，撞擊瞬間產(chǎn)生的能量可能導(dǎo)致機(jī)器人迅速?gòu)楅_而無法附著。因此，需要在腿部設(shè)計(jì)吸能裝置，起到緩沖作用。本文在關(guān)節(jié)處采用扭簧和單向旋轉(zhuǎn)軸承相結(jié)合的設(shè)計(jì)，使得扭簧僅存在受力壓縮吸能狀態(tài)，而不會(huì)回彈，構(gòu)型設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 緩沖腿部關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)Fig.6 Design of cushioning leg joint

軸承在安裝中須限制軸承外圈的轉(zhuǎn)動(dòng)，使軸承僅可單向轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合扭簧，整個(gè)緩沖過程也是存儲(chǔ)動(dòng)能的過程，直至動(dòng)能全部被消耗與儲(chǔ)存才使整個(gè)吸附運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)

壁虎在實(shí)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(dòng)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(shí)現(xiàn)的[10]。在軌的附著過程中，為達(dá)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(yīng)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(jī)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(jié)構(gòu)具有較為理想的粘附性能，采用30°傾斜微陣列的單個(gè)支桿模型，仿壁虎腳掌的剛毛結(jié)構(gòu)，用離散元的方式對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)徑比的情況下，隨著陣列密度的增大，粘附效率隨著降低。可見，在保證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(duì)于高長(zhǎng)徑比的微陣列，密度的增大會(huì)造成微陣列在脫附過程中，支桿與支桿之間發(fā)生粘連，導(dǎo)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(duì)脫附角度與粘附力關(guān)系，采用同樣6×6陣列，仿真可得兩者關(guān)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(shí)，切向粘附力下降的速率大于法向力上升的速率，是導(dǎo)致該點(diǎn)合力處于低點(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(jié)合上述分析，粘附桿材料選用單晶硅，長(zhǎng)徑比選為6∶1，直徑選為 8 μm，采用高密度等離子體刻蝕機(jī)刻蝕可得樣件如圖8，樣件設(shè)計(jì)粘著系數(shù)為0.95。

4 仿真驗(yàn)證

采用EDEM與ADAMS耦合計(jì)算，在EDEM中主要對(duì)機(jī)器人足的粘附特性進(jìn)行仿真，ADAMS根據(jù)載荷信息等計(jì)算出部件位移、速度信息，循環(huán)交互傳遞數(shù)據(jù)，完成計(jì)算。對(duì)爬行機(jī)器人機(jī)體進(jìn)行建模(圖9)，長(zhǎng)寬高分別為180 mm×100 mm×70 mm。腿部三個(gè)連桿在工作時(shí)可以達(dá)到200 mm×200 mm×100 mm。由于機(jī)體尺寸較小，為了保證強(qiáng)度，桿件的材料選為鋁合金。

圖9 試驗(yàn)樣機(jī)Fig.9 Experimental prototype

ADAMS中爬行機(jī)器人向前移動(dòng)的過程中(圖10)，與航天器接觸的四個(gè)機(jī)器人足所受到航天器表面的切向粘附力進(jìn)行提取，如表4所示。機(jī)器人足的切向粘附力可以為機(jī)器人提供向前的驅(qū)動(dòng)力，驗(yàn)證了機(jī)器人足的粘附功能。并且可以通過驅(qū)動(dòng)胯關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人爬行速度為10.6 mm/s，驗(yàn)證了機(jī)器人腿的運(yùn)動(dòng)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(jié)論

1)針對(duì)空間非合作目標(biāo)接近及附著任務(wù)能源有限、接口形式不統(tǒng)一及著陸中低沖擊的特點(diǎn)，提出的基于粘附機(jī)理、彈性多腿構(gòu)型的微小型空間爬行機(jī)器人的方案，無需統(tǒng)一對(duì)接接口，對(duì)空間目標(biāo)適應(yīng)性強(qiáng)，腿部關(guān)節(jié)吸能緩沖，可以滿足任務(wù)需求。

2)針對(duì)空間任務(wù)的仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)是多學(xué)科交叉的新型研究領(lǐng)域，本文僅針對(duì)該種機(jī)器人關(guān)鍵功能形成了初步的方案，完成計(jì)算設(shè)計(jì)工作，后續(xù)的研究中應(yīng)進(jìn)一步對(duì)目標(biāo)接近策略開展研究，加強(qiáng)需求分析，作為深入研究的基礎(chǔ)；搭建零重力試驗(yàn)平臺(tái)，開展地面驗(yàn)證試驗(yàn)。