针对在轨维护的爬行机器人足粘附机理研究.pdf

在轨维护是指对轨道上运行的航天器进行的维护和修理，以确保其正常运行。随着空间任务的复杂性和空间设施的增大，对在轨维护的需求日益增加。爬行机器人作为一种可搭载于抓取机械臂上的设备，能够移动到需要维修的位置进行精细操作。本文研究的爬行机器人足粘附机理是实现其在轨维护任务的关键技术之一。 研究背景： 爬行机器人已应用于多个领域，包括核工业、石化工业、建筑业等。而在空间环境中，爬行机器人需求与壁面移动机器人有所区别，特别是在抓取、移动和维修等方面。由于空间环境不存在重力，爬行机器人需要具备足够的粘附力以稳定在目标航天器表面进行作业。此外，微型化、集成化是爬行机器人的发展方向，这不仅降低机器人的体积和重量，而且提高了其适应性和灵活性。 研究内容： 本研究提出了一种新型空间爬行机器人结构，该结构主要包括压电驱动腿和微修饰粘附足。微修饰粘附足的设计灵感来源于壁虎刚毛的粘附机理，通过在足端设计微米级微阵列结构，提高机器人的粘附性能。文章利用离散元软件建立了爬行机器人的仿真模型，通过理论建模分析壁虎的强吸附能力和快速脱附能力。研究了单根刚毛在不同状态下的受力模型，并模拟了刚毛在不同脱附角下的粘附和脱附过程，对单个刚毛的粘附特性进行了详细分析。 研究成果： 仿真结果显示，在空间零重力环境下，通过不同的运动方式可以实现单个刚毛的吸附和快速脱附。这项研究表明，通过适当的结构设计和仿真分析，可以确保爬行机器人在执行维修任务时的稳定性和可靠性。此研究为后续开发具有强吸附和快速脱附能力的机器人足提供了理论基础和设计指导。 关键词解释： - 仿生：指模仿自然界生物的结构和功能原理来设计和制造人工系统或设备。 - 微阵列：在微纳米尺度上构成的有序结构数组。 - 离散元：一种计算方法，用于模拟由大量离散元素组成的系统的行为。 - 粘附力：物体表面之间由于分子间作用力而产生的相互吸引能力。 文章提到的仿生技术在机器人的粘附足设计中起到了关键作用，该技术通过对壁虎刚毛粘附机制的模仿，设计出能够有效粘附于光滑表面的微阵列结构。使用离散元软件进行仿真分析，能够使研究者在实际制造和测试之前，预测和验证足端设计的有效性。通过研究，研究人员能够为未来空间任务提供更加可靠和高效的爬行机器人技术。 研究意义和应用前景： 本研究对于空间爬行机器人的设计具有重要的指导意义，尤其是在未来的空间设施装配、检查和维护任务中。随着空间站和卫星等设施尺寸的增大和复杂性的提高，对于能够进行精细操控的机器人需求日益迫切。本研究的成果有助于提高在轨维护作业的自动化和自主性，降低维护成本，并减少因维修作业带来的风险。此外，对于深空探测等任务也提供了重要的技术保障，有助于推动空间探索技术的进步。