一种用于探测航天器表面的攀附机器人的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及探测机器人领域，特别涉及一种用于探测航天器表面的攀附机器人。
【背景技术】
[0002]随着人类对宇宙空间探索的不断深入，空间机器人技术得到了越来越广泛的应用。空间机器人的主要用途包括空间站的建筑、装配和服务，对卫星提供在轨服务，如卫星的捕捉、释放、维修以及空间站的装载等，并从事一些空间生产与科学实验。
[0003]采用空间机器人协助或代替宇航员完成任务，不仅可以减少宇航员在恶劣环境下作业的危险，提高空间任务完成的效率和质量，还可以节约空间探索的成本，不仅如此，空间飞行器的很多作业由于高危性及成本的限制也需要空间机器人来完成，例如通过机械手臂捕捉失效卫星来进行回收利用；在轨修理飞行器及补充燃料来延长飞行器工作寿命；进行大型空间机构的搬运和组装；清理太空垃圾以避免卫星相撞；进行航天飞机和空间站的对接分离操作等等。不同于地面固定基座机器人，由于需要在宇宙高真空、微重力、超低温、强辐射、照明差等恶劣环境中完成大量高技术、高复杂性的任务，空间机器人不但应当具有体积小、重量轻、抗干扰能力强、智能化程度高、耗能低、可靠性高等特点，而且需要一系列相互配套的技术，如大延时下遥操作和遥视技术、虚拟现实技术、先进显示技术、故障检测技术、人机协调控制、自由飞行巡视和检测技术、地面控制技术等。
[0004]目前空间机器人主要针对大型目标(航天器)整体的获取，无法获得航天器外表面的细节结构的图像，因此需要设计出可以攀附于航天器的微型机器人来获取航天器表面的图像细节。现有技术中，虽然也有攀爬型的机器人，但是大多不适用于太空环境，且灵活性低，例如授权公告号CN 204507056 U的中国专利文献公开了一种移动攀爬式取像探测机器人，包括承重底盘、机械臂和总控制器，所述承重底盘上表面设有支撑座，所述支撑座顶部设有摄像机，所述承重底盘四周设有机械臂支撑架，所述机械臂支撑架端部固定安装有机械臂，所述机械臂末端安装有机械爪，所述机械爪包括机械分爪、连接柱、齿轮和支撑柱。该移动攀爬式取像探测机器人，采用六足设计加入机械爪结构，依靠六个机械爪的抓取能力，不仅具有现有机器人的功能，而且实现了真正的攀爬机器人，能够做到攀爬垂直的台阶，在垂直的结构物上依靠抓取力停靠，方便搭载的取像设备和探测器更加有效地工作，机器人的底盘加装了便于在泥土地行进的履带。
[0005]但是上述的攀爬机器人并不适用于航天器表面，同时也无法获取航天器表面的细节图像。
【发明内容】
[0006]本发明提供了一种用于探测航天器表面的攀附机器人，吸附于航天器表面检测其表面状况，结构紧凑，移动灵活。
[0007]—种用于探测航天器表面的攀附机器人，包括机身，多组围绕机身安装用于移动和调整机身姿态的多关节支撑腿，还包括静电吸附模块，所述静电吸附模块包括安装在每组多关节支撑腿的支撑脚上的吸附极板和施加高压静电至吸附极板的发生器，航天器表面的电介质在高压静电场下发生物理极化，产生与吸附极板自由电荷极性相反的极化电荷使吸附极板吸附在航天器表面。
[0008]由于采用静电吸附，整个机器人处在一个静电场环境中，所以应尽量避免采用金属材料，以免发生放电，以及电荷流失等不利于静电吸附的危险状况，赛钢(POM)是一种常用的工程塑料，制作齿轮和轴承，具有很低的摩擦系数和很好的几何稳定性，抗冲击性能，密度小，绝缘性好，是制作静电吸附空间机器人的理想材料，空间机器人的机械加工材料首选赛钢。也可以采用一般塑料作为机器人的机械加工材料，尽量避免金属材料。优选的，所述机身和多关节支撑腿采用绝缘材料制造，进一步优选的，采用赛钢制造。
[0009]静电吸附系统包括了高压静电发生器和静电吸附极板两部分，高压静电发生器由压电变压器产生高压，可以采用KH422H-A型压电升压型高压电源模组作为机器人的高压驱动电源，通过高阻抗电阻对其输出高压进行分压以获取合适的静电吸附电极驱动电压，输入电压为12V，输出电压范围为-15kv?-18.5kv0
[0010]为了提高吸附效果，保证机器人可以稳定地攀附在航天器表面，优选的，所述支撑脚采用柔性材料制成，例如橡胶，从而使支撑脚可以完全贴合航天器表面，适合在起伏表面行走，适合高真空微重力环境。
[0011]优选的，所述吸附极板为薄膜状，安装在所述支撑脚的底面。采用薄膜状极板是加大机器人与航天器表面之间的吸附面积，加大静电吸附力，薄膜状极板不仅仅可以吸附在平面上，对于有一定弧度的表面也可以吸附。所述多关节支撑腿使支撑脚相对机身具有前后上下左右3个自由度灵活移动。吸附极板包括薄膜状的绝缘层以及安装在绝缘层内的作为电极的金属薄片，所述金属薄片与高压静电发生器的电压输出端连接。
[0012]为了可以拍摄到航天器表面的细节，优选的，所述机身上安装有摄像头朝下的摄像机。摄像头朝下设置，可以近距离拍摄表面图像，提高探测的精度。
[0013]为了可以更好地了解航天器表面的结构特征，得到表面的三维模型，优选的，所述摄像机为双目立体摄像机。
[0014]为了快速获取清晰的表面图片，优选的，还包括表面图像采集模块，所述表面图像采集模块包括局部拍摄路径规划模块以及将拍摄的表面图像拼接的图像数据处理模块。本发明通过规划机器人定位在某一局部时摄像机的拍摄路径，当机器人移动到某一位置并定位后，将该位置的局部表面按照规划的拍摄路径进行拍摄，所述图像处理模块用于将拍摄的表面图像整合成整体。所述图像数据处理拼接模块主要用于实现空间机器人所拍摄航天器表面图像数据的无缝拼接，判断是否需要维修。
[0015]优选的，所述局部拍摄路径规划模块包括:储存有摄像机拍摄路径的储存模块以及根据拍摄路径调节摄像机拍摄方向的控制模块，所述摄像机拍摄路径为以机身定位后所在区域为中心，先拍摄中心区域所对应的表面图像，然后围绕该中心区域拍摄连续的首尾相接的多个表面图像。所述的表面图像为机器人所攀附的表面，上述规划的拍摄路径拍摄效率高，便于后续拼接，局部表面设置拍摄路径、分割多块拍摄，可以提高拍摄的表面图像的清晰度，提高检测精度。
[0016]为了更好地对拍摄的图像进行拼接，得到完整的局部表面图片，优选的，所述图像数据处理模块包括图像拼接模块，所述图像拼接模块采用Gauss金字塔分解的图像融合法实现相邻表面图像的拼接。
[0017]优选的，所述图像数据处理模块还包括表面三维重建模块。以实现航天器表面三维信息的还原。
[0018]本发明的机器人还包括控制通讯模块，控制模组根据实际轨迹和期望轨迹的偏差进行负反馈来控制机器人的运动轨迹，通讯模组用于地面站与机器人间进行通信，以确保地面站与机器人之间保持联系，并且在必要情况下，地面站可以通过该控制通讯模块对机器人的活动进行一定程度的调节。调节机器人的活动包括运动轨迹、摄像路径以及图像处理的参数等信息的调节。
[0019]本发明的机器人还包括充电模块，用于向机器人提供运行的能量，所述机器人上安装有太阳能充电板，并且在检测到电量少于30%时控制空间机器人到指定位置充电。
[0020]本发明的有益效果:
[0021]本发明的用于探测航天器表面的攀附机器人，采用静电吸附技术，克服空间微重力环境可攀附于任意航天器，运行灵活，体积小功耗低，适用于在航天器表面进行勘探和检测，实用性强。
【附图说明】
[0022]图1为本发明的用于探测航天器表面的攀附机器人的结构示意图。
[0023]图2为本发明的用于探测航天器表面的攀附机器人的爆炸结构示意图。
[0024]图3为本发明的吸附极板的结构示意图。
[0025]图4为本发明的图像拼接模块基于金字塔分解算法框架图。
[0026]图5为本发明的表面三维重建模块基于双目视觉的多角度3D重建流程图。
[0027]图6为本发明的表面三维重建模块的多图像3D拼接的流程图。
【具体实施方式】
[0028]如图1和图2所示，本实施例的用于探测航天器表面的攀附机器人，包括机身1，四组围绕机身I安装用于移动和调整机身I姿态的多关节支撑腿2以及静电吸附模块，静电吸附模块包括安装在每组多关节支撑腿的支撑脚21上的吸附极板5和施加高压静电至吸附极板5的高压静电发生器6，航天器表面的电介质在高压静电场下发生物理极化，产生与吸附极板自由电荷极性相反的极化电荷使吸附极板吸附在航天器表面。支撑脚21采用柔性材料制成，例如橡胶，从而使支撑脚21可以完全贴合航天器表面，适合与起伏的表面贴合。机身I上还安装有太阳能充电板4，提高能源利用率。
[0029]吸附极板5为薄膜状，采用薄膜状极板是加大机器人与航天器表面之间的吸附面积，加大静电吸附力，薄膜状极板不仅仅可以吸附在平面上，对于有一定弧度的表面也可以吸附。
[0030]如图3所示，本实施例采用双极型静电吸附模型，吸附极板5包括双极型静电吸附电极，覆盖在吸附电极表面的绝缘表层53和背面的绝缘填充层54，绝缘表层53保证电极和航天器表面间实现绝缘，吸附电极为两片金属薄片，金属薄片51和金属薄片52，绝缘材料可以选用柔性材质，例如橡胶，以使与航天器表面更贴合。工作时，将吸附极板5的绝缘表层53紧靠航天器表面7，然后两金属薄片51和金属薄片52分别接高压静电发生器6的两端，此时，吸附极板5通过高压静电发生器荷电，在两电极上积聚了大小相等极性相反的自由电荷。以接电源正极的吸附电极(金属薄片51)为例，其上的自由电荷所激发的电场将导致航天器表面极化，从而在表面上积聚相当数量的束缚电荷及由于其他作用转移而来的自由电荷。由于表面上积聚的电荷与极板上的自由电荷极性相反，