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空间站环境狭小空间检测用仿壁虎机器人研制

陆晓波  
【摘要】:随着人类在轨活动范围的扩大,人们对于在轨航天器的作业能力要求越来越高,将机器人与空间技术相结合,代替宇航员进行空间环境中重复、危险的工作是未来航天器的必然发展趋势。目前空间站尺寸的限制比较严格,舱板后狭小空间的仪器检测维修缺乏有效的工程解决方法。杰出的范德华力黏附机制以及出色的摩擦、黏附控制使得壁虎甚至能在空间环境下进行运动,因此发展基于壁虎结构、刚毛黏附材料和黏附控制机制的空间仿生机器人,对未来提升我国空间站的工作能力,具有重要意义。本论文以微重力环境下空间站狭小空间仪器的检测维修任务为需求背景,在已有的壁虎生物结构研究和运动稳态研究的基础上,针对壁虎能在微重力环境下进行爬行的研究背景,研制了一款基于壁虎结构创新的模拟微重力环境下狭小空间用仿生黏附机器人,主要研究内容如下:1)根据空间站舱内狭小空间的具体任务需求制定了机器人的具体工程目标,明确了机器人的运动边界,为机器人的机械系统设计提供了约束和参考。2)从仿生学的角度出发,在大壁虎(Gekko Gecko)的生物学研究和竖直面稳定爬行研究的基础上,模仿其匍匐身体结构设计了适用于狭小空间运动的“高肩点低质心”机器人单腿结构;并依此设计了机器人的整体三维模型并加工装配了整机机械部分;计算了机器人单腿结构的运动学正、逆解;为控制系统的设计及搭建提供了尺寸约束和参考。3)机器人的控制系统是在机器人机械系统的基础上进行设计的,采用分层递进的控制框架;搭建了包括主机控制模块、从机腿部运动模块和旋转角度反馈模块在内的硬件系统,包括数据接收模块、解析模块和PWM产生模块在内的软件系统;整个控制系统实现了对机器人机械系统的精确实时控制,为机器人能够在微重力条件下进行稳定的运动爬行打下基础。4)根据现有的仿壁虎机器人的结构特征和脚掌的黏附脱附特性,在以往模拟微重力环境下成功水平爬行的机器人足端轨迹设计基础上研究了模拟微重力环境下机器人在竖直面的对角爬行步态和零半径转弯步态;并在动力学仿真软件中对样机平台进行了步态验证;最后实现了机器人单腿在预定轨迹下的摆动。


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