通过电场相互作用实现吸附。接电源负极的极板同理可知。由于吸附电极与航天器表面之间不可能实现完全的面接触，吸附电极与表面实际上构成了一个电容系统8，静电吸附电极的基本工作过程实际上就是对吸附电容进行充电，利用吸附电极上的自由电荷所激发的电场使航天器表面发生极化，从而通过表面和电极上极性相反电荷间的电场力实现吸附。
[0031]多关节支撑腿2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，多关节支撑腿2为多个支撑杆连续铰接而成，为了实现相邻支撑杆的相对转动，各支撑杆的铰接处安装有转动的动力源，本实施例中，每组多关节支撑腿2包括连续铰接的3根支撑杆22、支撑杆23和支撑杆24，末端的支撑杆24的自由端铰接支撑脚21。
[0032]机身I上安装有摄像头朝下的双目立体摄像机3。为了快速获取清晰的表面图片，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。
[0033]局部拍摄路径规划t旲块包括:储存有摄像机拍摄路径的储存t旲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，分割数量可以根据图像所需的清晰度进行调节。本实施例中，所述摄像机拍摄路径是以微型空间机器人所在某一区域为中心，逆时针采集区域以及其周围8领域区域图像，具体移动步骤如下:从中心转移到其上方点，左移一步后往下两步，再右移两步，上移两步，右移一步下移一步回到中心点，至此完成一个8连通局部区域的数据采集，一个循环后再根据指示转移到下一个局部区域。
[0034]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，便于后续拼接和，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，提尚检测精度。
[0035]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，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。如图4所示，为基于金字塔分解的算法框架图，以两幅表面图像拼接为例，多幅图像的融合方法可以此法类推。设A，B为两幅需要进行拼接融合的源图像，F为拼接融合后的图像，基于Laplace金字塔分解的图像融合实现方法如下:
[0036](I)对待融合的所有图像各自进行Gauss塔式分解，从而构建属于对应图像的Gauss金字塔图像序列。
[0037](2)由Gauss金字塔图像序列构建图像的Laplace金字塔图像序列。
[0038](3)对图像金字塔的各分解层采用相符的融合规则各自进行融合处理，得到融合后的图像的Laplace金字塔序列。
[0039](4)对融合后的Laplace金字塔进行图像重建，获取最终的融合图像。
[0040]基于Laplace金字塔分解的图像融合的特点是图像的Laplace金字塔分解能将源图像分解到不同的空间频带上，接着使用其分解后的塔形结构，对有不同空间频率的各不相同的分解层，各自采用相符的融合算子进行融合处理，这样可以有效地将来自不同图像的细节与特征融合在一起。
[0041]图像数据处理模块还包括摄像头标定模块和表面三维重建模块，以实现航天器表面三维信息的还原。
[0042]摄像头标定模块主要用于标定摄像机得到其内外参数，实现确定二维图像与三维图像的关系，属于3D重建过程的预处理过程，在3D重建前需要标定来确定三维图像与二维图像之间的转变关系。摄像机标定主要求出摄像机6个外部参数以及5个内部参数，即旋转平移矩阵中三个坐标系旋转角度和作品选平移量，以及各种畸变系数。本实施例采用张正友标定，张正友提出一种平面模版法来标定，其主要思想是标定时设内参数为定值，保持不变，从任何角度和方向去拍摄标定模版只有外参数时刻变化，运用平面模版点之间的相会对应关系通过图像数据归一化求解模版与图像之间的单应矩阵。通过单应矩阵计算摄像机内参数矩阵。在3D计算中将摄像机坐标系作为世界坐标系，此时外参数矩阵为单位阵，二维图像与三维图像之间的关系可以通过摄像机标定来确定。
[0043]表面三维重建模块在实现航天器表面3D重建是基于双目视觉算法将空间机器人所拍摄的航天器表面数据图像进行建模完成三维重建，并将其各个面3D信息拼接起来形成完整图像的三维重建。
[0044]如图5所示，3D重建实现方法如下:
[0045](I)通过双目立体摄像机3获取同一表面的两张表面图像A和表面图像B ;
[0046](2)表面图像特征点选取:Canny边界点，Harris角点，尺度不变特征变换算子SIFT, SIFT特征点选取步骤:
[0047]a:构建尺度空间；
[0048]b:特征点检测；
[0049]c:特征点描述；
[0050]d:特征点匹配；
[0051](3)特征点匹配:采用模块匹配算法，模块匹配的基础思想就是估计图像A—个点的视差首先，我们定义一个围绕这个点的参考模块然后运用一种预先规定的匹配准则在图像B中搜寻最接近的模块，因此参考模块和最接近模块的相对位移构成了这个估计点的视差，最常用的匹配准则有绝对误差和(SAD)，误差平方和(SSD)以及归一化的误差平方和。
[0052]基于双目视觉的3D重建模型:利用摄像机标定得到的内外参数将表面图像A和表面图像B匹配的特征点通过二维到三维的转换公式计算其三维坐标，完成表面图像的三维重建。
[0053]如图6所示，3D图像拼接的方法为:ICP最近点迭代，ICP算法的实质是基于最小二乘的最优化匹配算法，重复进行“确定对应关系点集不断计算最优刚体变换”的过程，直到某个表示正确匹配的收敛准则满足则停止迭代，完成拼接。
[0054]综上所述，本实施例的攀附机器人能够完全吸附在航天器表面上，静电吸附技术对加载于微型空间机器人的四个支撑脚上的导电电极施加高压静电，机器人四肢与航天器贴合，其次校准摄像头与机器人四肢之间的关系，摄像机标定用于三维重建，巡航路径规划模块将规定机器人在某一局部区域采集图像实时传送分析，最后在图像数据处理拼接模块对所采集数据图像进行无缝拼接，查看航天器表面情况，检测是否需要维修，还原表面三维
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【主权项】
1.一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，其特征在于，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。2.如权利要求1所述的用于探测航天器表面的攀附机器人，其特征在于，所述机身和多关节支撑腿采用绝缘材料制造。3.如权利要求1或2所述的用于探测航天器表面的攀附机器人，其特征在于，所述支撑脚采用柔性材料制成。4.如权利要求3所述的用于探测航天器表面的攀附机器人，其特征在于，所述吸附极板为薄膜状，安装在所述支撑脚的底面。5.如权利要求1所述的用于探测航天器表面的攀附机器人，其特征在于，所述机身上安装有摄像头朝下的摄像机。6.如权利要求5所述的用于探测航天器表面的攀附机器人，其特征在于，所述摄像机为双目立体摄像机。7.如权利要求5或6所述的用于探测航天器表面的攀附机器人，其特征在于，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。8.如权利要求7所述的用于探测航天器表面的攀附机器人，其特征在于，所述局部拍摄路径规划t吴块包括:储存有摄像机拍摄路径的储存t吴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。9.如权利要求8所述的用于探测航天器表面的攀附机器人，其特征在于，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。10.如权利要求9所述的用于探测航天器表面的攀附机器人，其特征在于，所述图像数据处理模块还包括表面三维重建模块。
【专利摘要】本发明公开了一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；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。
【IPC分类】B62D57/032, G01N21/95, B62D57/024
【公开号】CN105216902
【申请号】CN201510633877
【发明人】王静珊, 郑阳明, 毛玉仁, 秦晨
【申请人】浙江大学
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年9月29日