一種用于探測航天器表面的攀附機器人的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及探測機器人領域，特別涉及一種用于探測航天器表面的攀附機器人。
【背景技術】
[0002]隨著人類對宇宙空間探索的不斷深入，空間機器人技術得到了越來越廣泛的應用。空間機器人的主要用途包括空間站的建筑、裝配和服務，對衛星提供在軌服務，如衛星的捕捉、釋放、維修以及空間站的裝載等，并從事一些空間生產與科學實驗。
[0003]采用空間機器人協助或代替宇航員完成任務，不僅可以減少宇航員在惡劣環境下作業的危險，提高空間任務完成的效率和質量，還可以節約空間探索的成本，不僅如此，空間飛行器的很多作業由于高危性及成本的限制也需要空間機器人來完成，例如通過機械手臂捕捉失效衛星來進行回收利用；在軌修理飛行器及補充燃料來延長飛行器工作壽命；進行大型空間機構的搬運和組裝；清理太空垃圾以避免衛星相撞；進行航天飛機和空間站的對接分離操作等等。不同于地面固定基座機器人，由于需要在宇宙高真空、微重力、超低溫、強輻射、照明差等惡劣環境中完成大量高技術、高復雜性的任務，空間機器人不但應當具有體積小、重量輕、抗干擾能力強、智能化程度高、耗能低、可靠性高等特點，而且需要一系列相互配套的技術，如大延時下遙操作和遙視技術、虛擬現實技術、先進顯示技術、故障檢測技術、人機協調控制、自由飛行巡視和檢測技術、地面控制技術等。
[0004]目前空間機器人主要針對大型目標(航天器)整體的獲取，無法獲得航天器外表面的細節結構的圖像，因此需要設計出可以攀附于航天器的微型機器人來獲取航天器表面的圖像細節。現有技術中，雖然也有攀爬型的機器人，但是大多不適用于太空環境，且靈活性低，例如授權公告號CN 204507056 U的中國專利文獻公開了一種移動攀爬式取像探測機器人，包括承重底盤、機械臂和總控制器，所述承重底盤上表面設有支撐座，所述支撐座頂部設有攝像機，所述承重底盤四周設有機械臂支撐架，所述機械臂支撐架端部固定安裝有機械臂，所述機械臂末端安裝有機械爪，所述機械爪包括機械分爪、連接柱、齒輪和支撐柱。該移動攀爬式取像探測機器人，采用六足設計加入機械爪結構，依靠六個機械爪的抓取能力，不僅具有現有機器人的功能，而且實現了真正的攀爬機器人，能夠做到攀爬垂直的臺階，在垂直的結構物上依靠抓取力停靠，方便搭載的取像設備和探測器更加有效地工作，機器人的底盤加裝了便于在泥土地行進的履帶。
[0005]但是上述的攀爬機器人并不適用于航天器表面，同時也無法獲取航天器表面的細節圖像。
【發明內容】
[0006]本發明提供了一種用于探測航天器表面的攀附機器人，吸附于航天器表面檢測其表面狀況，結構緊湊，移動靈活。
[0007]—種用于探測航天器表面的攀附機器人，包括機身，多組圍繞機身安裝用于移動和調整機身姿態的多關節支撐腿，還包括靜電吸附模塊，所述靜電吸附模塊包括安裝在每組多關節支撐腿的支撐腳上的吸附極板和施加高壓靜電至吸附極板的發生器，航天器表面的電介質在高壓靜電場下發生物理極化，產生與吸附極板自由電荷極性相反的極化電荷使吸附極板吸附在航天器表面。
[0008]由于采用靜電吸附，整個機器人處在一個靜電場環境中，所以應盡量避免采用金屬材料，以免發生放電，以及電荷流失等不利于靜電吸附的危險狀況，賽鋼(POM)是一種常用的工程塑料，制作齒輪和軸承，具有很低的摩擦系數和很好的幾何穩定性，抗沖擊性能，密度小，絕緣性好，是制作靜電吸附空間機器人的理想材料，空間機器人的機械加工材料首選賽鋼。也可以采用一般塑料作為機器人的機械加工材料，盡量避免金屬材料。優選的，所述機身和多關節支撐腿采用絕緣材料制造，進一步優選的，采用賽鋼制造。
[0009]靜電吸附系統包括了高壓靜電發生器和靜電吸附極板兩部分，高壓靜電發生器由壓電變壓器產生高壓，可以采用KH422H-A型壓電升壓型高壓電源模組作為機器人的高壓驅動電源，通過高阻抗電阻對其輸出高壓進行分壓以獲取合適的靜電吸附電極驅動電壓，輸入電壓為12V，輸出電壓范圍為-15kv?-18.5kv0
[0010]為了提高吸附效果，保證機器人可以穩定地攀附在航天器表面，優選的，所述支撐腳采用柔性材料制成，例如橡膠，從而使支撐腳可以完全貼合航天器表面，適合在起伏表面行走，適合高真空微重力環境。
[0011]優選的，所述吸附極板為薄膜狀，安裝在所述支撐腳的底面。采用薄膜狀極板是加大機器人與航天器表面之間的吸附面積，加大靜電吸附力，薄膜狀極板不僅僅可以吸附在平面上，對于有一定弧度的表面也可以吸附。所述多關節支撐腿使支撐腳相對機身具有前后上下左右3個自由度靈活移動。吸附極板包括薄膜狀的絕緣層以及安裝在絕緣層內的作為電極的金屬薄片，所述金屬薄片與高壓靜電發生器的電壓輸出端連接。
[0012]為了可以拍攝到航天器表面的細節，優選的，所述機身上安裝有攝像頭朝下的攝像機。攝像頭朝下設置，可以近距離拍攝表面圖像，提高探測的精度。
[0013]為了可以更好地了解航天器表面的結構特征，得到表面的三維模型，優選的，所述攝像機為雙目立體攝像機。
[0014]為了快速獲取清晰的表面圖片，優選的，還包括表面圖像采集模塊，所述表面圖像采集模塊包括局部拍攝路徑規劃模塊以及將拍攝的表面圖像拼接的圖像數據處理模塊。本發明通過規劃機器人定位在某一局部時攝像機的拍攝路徑，當機器人移動到某一位置并定位后，將該位置的局部表面按照規劃的拍攝路徑進行拍攝，所述圖像處理模塊用于將拍攝的表面圖像整合成整體。所述圖像數據處理拼接模塊主要用于實現空間機器人所拍攝航天器表面圖像數據的無縫拼接，判斷是否需要維修。
[0015]優選的，所述局部拍攝路徑規劃模塊包括:儲存有攝像機拍攝路徑的儲存模塊以及根據拍攝路徑調節攝像機拍攝方向的控制模塊，所述攝像機拍攝路徑為以機身定位后所在區域為中心，先拍攝中心區域所對應的表面圖像，然后圍繞該中心區域拍攝連續的首尾相接的多個表面圖像。所述的表面圖像為機器人所攀附的表面，上述規劃的拍攝路徑拍攝效率高，便于后續拼接，局部表面設置拍攝路徑、分割多塊拍攝，可以提高拍攝的表面圖像的清晰度，提高檢測精度。
[0016]為了更好地對拍攝的圖像進行拼接，得到完整的局部表面圖片，優選的，所述圖像數據處理模塊包括圖像拼接模塊，所述圖像拼接模塊采用Gauss金字塔分解的圖像融合法實現相鄰表面圖像的拼接。
[0017]優選的，所述圖像數據處理模塊還包括表面三維重建模塊。以實現航天器表面三維信息的還原。
[0018]本發明的機器人還包括控制通訊模塊，控制模組根據實際軌跡和期望軌跡的偏差進行負反饋來控制機器人的運動軌跡，通訊模組用于地面站與機器人間進行通信，以確保地面站與機器人之間保持聯系，并且在必要情況下，地面站可以通過該控制通訊模塊對機器人的活動進行一定程度的調節。調節機器人的活動包括運動軌跡、攝像路徑以及圖像處理的參數等信息的調節。
[0019]本發明的機器人還包括充電模塊，用于向機器人提供運行的能量，所述機器人上安裝有太陽能充電板，并且在檢測到電量少于30%時控制空間機器人到指定位置充電。
[0020]本發明的有益效果:
[0021]本發明的用于探測航天器表面的攀附機器人，采用靜電吸附技術，克服空間微重力環境可攀附于任意航天器，運行靈活，體積小功耗低，適用于在航天器表面進行勘探和檢測，實用性強。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明的用于探測航天器表面的攀附機器人的結構示意圖。
[0023]圖2為本發明的用于探測航天器表面的攀附機器人的爆炸結構示意圖。
[0024]圖3為本發明的吸附極板的結構示意圖。
[0025]圖4為本發明的圖像拼接模塊基于金字塔分解算法框架圖。
[0026]圖5為本發明的表面三維重建模塊基于雙目視覺的多角度3D重建流程圖。
[0027]圖6為本發明的表面三維重建模塊的多圖像3D拼接的流程圖。
【具體實施方式】
[0028]如圖1和圖2所示，本實施例的用于探測航天器表面的攀附機器人，包括機身1，四組圍繞機身I安裝用于移動和調整機身I姿態的多關節支撐腿2以及靜電吸附模塊，靜電吸附模塊包括安裝在每組多關節支撐腿的支撐腳21上的吸附極板5和施加高壓靜電至吸附極板5的高壓靜電發生器6，航天器表面的電介質在高壓靜電場下發生物理極化，產生與吸附極板自由電荷極性相反的極化電荷使吸附極板吸附在航天器表面。支撐腳21采用柔性材料制成，例如橡膠，從而使支撐腳21可以完全貼合航天器表面，適合與起伏的表面貼合。機身I上還安裝有太陽能充電板4，提高能源利用率。
[0029]吸附極板5為薄膜狀，采用薄膜狀極板是加大機器人與航天器表面之間的吸附面積，加大靜電吸附力，薄膜狀極板不僅僅可以吸附在平面上，對于有一定弧度的表面也可以吸附。
[0030]如圖3所示，本實施例采用雙極型靜電吸附模型，吸附極板5包括雙極型靜電吸附電極，覆蓋在吸附電極表面的絕緣表層53和背面的絕緣填充層54，絕緣表層53保證電極和航天器表面間實現絕緣，吸附電極為兩片金屬薄片，金屬薄片51和金屬薄片52，絕緣材料可以選用柔性材質，例如橡膠，以使與航天器表面更貼合。工作時，將吸附極板5的絕緣表層53緊靠航天器表面7，然后兩金屬薄片51和金屬薄片52分別接高壓靜電發生器6的兩端，此時，吸附極板5通過高壓靜電發生器荷電，在兩電極上積聚了大小相等極性相反的自由電荷。以接電源正極的吸附電極(金屬薄片51)為例，其上的自由電荷所激發的電場將導致航天器表面極化，從而在表面上積聚相當數量的束縛電荷及由于其他作用轉移而來的自由電荷。由于表面上積聚的電荷與極板上的自由電荷極性相反，