[发明专利]用于小天体探测的可控刺爪附着抓取机构及工作方法

说明书

本发明公开了用于小天体探测的可控刺爪附着抓取机构及工作方法，具体由八面体框架、多骨趾手指、绳驱动系统以及接触顶杆机构组成。多骨趾手指均匀分布在八面体框架底部外周呈“十字型”，每个手指的骨趾关节之间通过扭簧连接；绳驱动机构由两组舵机‑滑轮组件，导线装置以及钢丝绳组成：滑轮与舵机相连，通过导线装置钢丝绳一段与滑轮相连，另一端与手指相连，由舵机驱动滑轮拉动钢丝绳实现手指的抓附与脱附运动。接触顶杆机构含有锁紧‑释放装置，实现机构的触地即锚。本发明解决在小天体表面尺寸小，缺乏大面积的平坦区域，引力十分微弱，逃逸速度小等不利条件下实现小天体探测器的稳定附着，且具备抓取可控，可靠等优点。

技术领域

本发明属于深空探测技术领域中的小天体探测器着陆附着技术领域，具体一种用于小天体探测的可控刺爪附着抓取机构及工作方法。

背景技术

随着航天技术与空间科学的快速发展，人类对外太空探测的兴趣不断提高，范围也越来越广。如今，各国的探测目标已不仅限于月球、火星等大型星体，小行星、彗星、流星等小天体也成为各空间大国深空探测的重点。研究表明，小天体保留了早期太阳系起源、形成与演化时的重要信息，是研究太阳系起源的“活化石”，具有重要的科学价值；小天体上可能含有大量稀有矿物质和金属，这些资源可为部分航天机构和公司提供巨大经济价值；同时，近地小天体还具有一定撞击地球的风险。因此，小天体探测具有十分重要的意义。

小天体探测着陆器是探测小天体最直接、最有效的工具。探测器着陆附着技术是小天体探测任务中的关键技术，关系到任务的成败。与月球、火星不同，小天体表面尺寸小，表面缺乏大面积的平坦区域，引力十分微弱，逃逸速度小，这些因素使得稳定附着于小天体表面十分具有挑战性。

目前，美、欧、日等国家已成功发射多种小天体探测器，其中日本的隼鸟号采用瞬时接触法实现了小天体表面采样探测，但并未着陆；仅欧空局的罗塞塔菲莱着陆器实现了真正的着陆与定位探测。从小天体资源开发与利用需求来看，长期附着将在后续任务中扮演重要角色，而表面的多点采样探测将会扩大任务的探测范围，提高任务的回报。然而已发射的绝大部分小天体探测器均采用锚定附着方式，只能在锚定位处进行样品采集，无法进行多点采样，而且只能实现单次附着，不满足小天体探测任务多样性的需求，限制了小天体探测的进一步拓展。

国内外有关爬壁机器人附着技术研究可为小天体附着问题提供新的解决思路。斯坦福大学与JPL开发的爬壁机器人RISE、Spiny-bot系列等，采用仿生柔性微钩刺技术为机器人攀岩提供足够附着力。由于能够在小天体的微重力和真空环境下使用，基于仿生概念的爪刺抓取附着技术越来越多地被运用于小天体探测器上，国内北京空间机电研究所提出一种用于小行星表面勘测的新概念着陆附着系统，其在专利106742016公开的一种小行星微重力表面巡视机构中的爪刺附着装置采用了仿生甲虫微刺和刚毛干粘附抓取技术，单个微刺具有较强的附着力，然而其微刺整体采用刚性材料，由于小天体表面的不平整性，容易出现部分爪刺未能附着的情况导致附着柔顺性不足；抓取关节只有一个自由度，附着范围有限。

采用仿生爪刺抓取附着技术实现小天体探测器在微重力环境附着的具体形式仍然在探索之中，现有的技术仍然存在不足之处，因此，有必要对现有技术进行改进。

发明内容

本发明提出一种用于小天体探测的可控刺抓附着抓取机构及其附着过程设计，克服传统小天体探测器锚定附着方式的单点单次附着的不足之处，实现附着的可控性；解决目前国内已有爪刺附着装置单关节骨趾附着机动性不足且抓取范围有限的缺点。

本发明采用如下技术方案：一种用于小天体探测的可控刺抓附着抓取机构，主要包括八面体框架、多骨趾手指，绳驱动系统，以及接触顶杆机构。多骨趾手指通过销和扭簧连接均匀分布在八面体框架底部外周且可绕框架转动；绳驱动机构固定在八面体框架内部中心，并通过钢丝绳穿过八面体框架与手指连接实现抓取的可控性；接触顶杆机构位于八面体框架内部下方，通过圆盘与地接触实现机构的触地即锚。