小天体表面磁力移动机器人及其移动方法技术

本发明专利技术各实施例公开了一种小天体表面磁力移动机器人及其移动方法，该小天体表面磁力移动机器人包括：外壳体（1）、驱动部（3）和磁铁部（4）；其中：所述驱动部（3）和所述磁铁部（4）安装在所述外壳体（1）中；所述磁铁部（4）被设置为能够在所述驱动部（3）的驱动下进行动作；所述小天体表面磁力移动机器人具有第一运动状态和第二运动状态，在所述第一运动状态下，所述驱动部（3）驱动所述磁铁部（4）远离所述小天体表面；在所述第二运动状态下，所述驱动部（3）暂停工作，以使得所述磁铁部（4）在与所述小天体表面之间的磁力作用下会带动所述磁力移动机器人进行移动动作。

【技术实现步骤摘要】
小天体表面磁力移动机器人及其移动方法
本公开的实施例总体上涉及航天领域中的小天体表面移动
，并且更具体地，涉及一种小天体表面磁力移动机器人及其移动方法。
技术介绍
小天体探测是认识太阳系起源和演化的主要途径，并对于小天体撞击的安全防御和未来太空资源利用具有重大意义。小天体的一个最显著特点是质量小，内部热量散失很快，因此不存在剧烈的地质构造运动，也无法维持稠密大气层，保留了更多太阳系的原始信息，可以说小天体是太阳系的“活化石”。小天体包括小行星（指围绕太阳运行，体积和质量比行星和矮行星小，且没有明显气体释放）、彗星、行星的卫星等。作为小天体中的重要成员，小行星和彗星被认为保存着太阳系形成与演化的关键信息，故对其探索具有重大的科学意义。2019年4月，国家航天局正式对外宣布了中国的首次小行星探测与采样任务。目前，我国深空探测正由月球挺进更深远的宇宙，未来深空探测工程将主要以火星和小行星探测为代表，因此对包括小行星在内的小天体进行深入研究，具有重要的科学价值。相比于月球和火星等类地行星，小天体最显著的特点是体积小、质量轻、形状不规则，这导致其引力场不规则且十分微弱，进而使得探测器在小天体表面的附着十分困难。对于小天体来说，常规利用引力场进行着陆的技术，存在很大的失败风险，这是因为，探测器容易从着陆点弹走，运行轨迹不能受控，也不能采用机械方式打钻或锚定的方式进行固定。此外，大部分小天体比较原始，含有金属、磁铁矿等磁性矿物，表面动力学环境复杂，先验信息匮乏，这使得如何实现小天体表面安全、精确移动成为需要解决的难题。小天体表面附着和移动技术是实现小天体表面探测的关键所在。国内外虽然结合小天体探测任务开展了一些小天体移动技术研究，甚至有的已在工程任务中得到较好的应用，但大多仍处在概念研究或初步研究阶段，可靠性和适应性都较差。因此如何研究可靠性更高、适应性更强的小天体表面移动技术，是亟需攻关的技术问题。小天体表面附着和移动方案的设计需要考虑小天体表面引力加速度微弱、逃逸速度小、地形环境复杂等多重因素的影响，并紧密结合表面探测任务的需求。因此需要针对不同尺寸的小天体，设计轻型高效的移动单元，以实现探测器在弱引力环境下的快速有效移动。随着科学目标的提高和航天技术的发展，未来的小天体表面探测任务必将更为高级和复杂。充分把握小天体表面移动技术的特点和难点问题，在关键
取得突破性进展，才能满足未来小天体表面探测工程任务的需求。长远来看，探测器在小行星表面附着，对小行星进行采样是获取小行星信息的重要方式，需要实现小行星在弱引力环境下的交会、附着以及采样等操作。从小行星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。小行星附着采样过程可分为附着表面、样品收集、样品转移等环节，各个环节均面临新的问题和技术挑战。附着表面过程中，小行星的引力场微弱，表面逃逸速度小，最大的可能就是附着时发生反弹，而失控反弹是小行星附着中最危险的环节，因为探测器可能发生姿态失控、翻滚甚至碰撞损坏，如何在接触小行星的过程中维持姿态和避免失控是探测器设计的挑战之一。第一台球形机器人是由芬兰人Halme在1996年制作，意大利人Bicchi于1997年、比利时人Ferriere于1998年对该设计进行了改进，2000年Bhattacharya等美国人使用垂直方向安装电机、2002年Javadi等伊朗人使用四个方向安装电机的方式来实现球形机器人的全向移动。此外，美国卡耐基麦隆大学研究团队利用驱动电机和陀螺仪，开发了一种单轮稳定运行机器人，但需要外人协助，并且转弯半径较大；日本电子通讯大学研制出一种球形行走机器人，采用两层可转动的陀螺框支架支撑单摆的行走执行机构，以实现全方位的稳定的行走，但是结构复杂，适应不平地面的性能较差；美国喷气实验室也提出一种球形机器人行走方案，用内部四个活塞来驱动球体重心，但是结构更加复杂。在国内，北京邮电大学2002年的专利技术专利ZL02128933.6《改进的球形机器人全方位行走装置》，描述了一种球形机器人，包含球壳和球壳内的行走传动机构，在圆环上安装两个电机，通过电机控制传动轴带动齿轮以改变球体重心，进行前进、转向动作，使用蓄电池进行配重，其在传动链中使用了多个锥齿轮，加工工艺复杂，成本高，对装配的垂直精度要求很高。西安电子科技大学2005年的专利技术专利ZL200510041902.0《具有稳定平台的全向滚动球形机器人装置》，公开了一种具有稳定平台的全向滚动球形机器人装置，其内球壳与外球壳同心安装，稳定平台安装在内球壳的内部，平台稳定机构由滚珠轴承和短轴构成，通过平台稳定机构使球体作全向滚动。此外，中国专利ZL200520078756.4《基于直线电机的球形机器人装置》则是通过直线电机控制丝杠来调整球体重心，进而控制球体移动。以上国外球形机器人和国内球形机器人在设计思想上都类似，主要还是依靠重力改变球形机器人的重心来提供移动的动力，但这并不适用于小天体表面弱引力环境下的附着与定点移动，而且这些球形机器人的结构都过于复杂（不易实现），不能搭载检测装置等科研平台。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供一种小天体表面磁力移动机器人及其移动方法，以解决小天体表面弱引力环境下的附着与定点移动问题。本公开的第一方面提出了一种小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，包括外壳体（1）、驱动部（3）和磁铁部（4）；其中：所述驱动部（3）和所述磁铁部（4）安装在所述外壳体（1）中；所述磁铁部（4）被设置为能够在所述驱动部（3）的驱动下进行动作；所述小天体表面磁力移动机器人具有第一运动状态和第二运动状态，在所述第一运动状态下，所述驱动部（3）驱动所述磁铁部（4）远离所述小天体表面；在所述第二运动状态下，所述驱动部（3）暂停工作，以使得所述磁铁部（4）在与所述小天体表面之间的磁力作用下会带动所述磁力移动机器人进行移动动作。根据本公开的一些实施例，小天体表面磁力移动机器人还包括环状体（2），所述环状体（2）设置在所述外壳体（1）内部，并能够在所述驱动部（3）的驱动下相对于所述外壳体（1）转动。根据本公开的一些实施例，所述磁铁部（4）安装在所述环状体（2）上靠近小天体表面的位置，并能够在所述环状体（2）转动时远离所述小天体表面。根据本公开的一些实施例，所述环状体（2）与所述外壳体（1）在轴线上相互重合，并与所述外壳体（1）之间具有一定的间隔（D）。根据本公开的一些实施例，所述环状体（2）的内表面上设置有均匀分布的啮齿部（20）。根据本公开的一些实施例，所述驱动部（3）具有电机（30）、以及安装在所述电机（30）的输出轴上的第一齿轮部（31）；所述第一齿轮部（31）与所述啮齿部（20）相互啮合以带动所述环状体（2）转动。根据本公开的一些实施例，所述外壳体（1）呈中空形状，并具有封闭的底面（12）、以及位于所述底面（12）上的周壁（13）。根据本公开的一些实施例，所述外壳体（1）呈中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，包括外壳体（1）、驱动部（3）和磁铁部（4）；其中：/n所述驱动部（3）和所述磁铁部（4）安装在所述外壳体（1）中；/n所述磁铁部（4）被设置为能够在所述驱动部（3）的驱动下进行动作；/n所述小天体表面磁力移动机器人具有第一运动状态和第二运动状态，/n在所述第一运动状态下，所述驱动部（3）驱动所述磁铁部（4）远离所述小天体表面；/n在所述第二运动状态下，所述驱动部（3）暂停工作，以使得所述磁铁部（4）在与所述小天体表面之间的磁力作用下会带动所述磁力移动机器人进行移动动作。/n

【技术特征摘要】
1.一种小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，包括外壳体（1）、驱动部（3）和磁铁部（4）；其中：
所述驱动部（3）和所述磁铁部（4）安装在所述外壳体（1）中；
所述磁铁部（4）被设置为能够在所述驱动部（3）的驱动下进行动作；
所述小天体表面磁力移动机器人具有第一运动状态和第二运动状态，
在所述第一运动状态下，所述驱动部（3）驱动所述磁铁部（4）远离所述小天体表面；
在所述第二运动状态下，所述驱动部（3）暂停工作，以使得所述磁铁部（4）在与所述小天体表面之间的磁力作用下会带动所述磁力移动机器人进行移动动作。


2.根据权利要求1所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，还包括环状体（2），所述环状体（2）设置在所述外壳体（1）内部，并能够在所述驱动部（3）的驱动下相对于所述外壳体（1）转动。


3.根据权利要求2所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述磁铁部（4）安装在所述环状体（2）上靠近小天体表面的位置，并能够在所述环状体（2）转动时远离所述小天体表面。


4.根据权利要求2或3所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述环状体（2）与所述外壳体（1）在轴线上相互重合，并与所述外壳体（1）之间具有一定的间隔（D）。


5.根据权利要求2或3所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述环状体（2）的内表面上设置有均匀分布的啮齿部（20）。


6.根据权利要求5所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述驱动部（3）具有电机（30）、以及安装在所述电机（30）的输出轴上的第一齿轮部（31）；所述第一齿轮部（31）与所述啮齿部（20）相互啮合以带动所述环状体（2）转动。


7.根据权利要求6所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述外壳体（1）呈中空形状，并具有封闭的底面（12）、以及位于所述底面（12）上的周壁（13）。


8.根据权利要求7所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述外壳体（1）呈中空的圆柱形或中空的鼓形；在所述外壳体（1）呈中空的鼓形时，其与左半球壳（100）和右半球壳（200）共同构成完整的球体形状。


9.根据权利要求7或8所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述电机（30）安装在所述底面（12）上；所述磁力移动机器人在使用时，所述外壳体（1）的所述周壁（13）接触所述小天体表面。


10.根据权利要求7或8所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述驱动部（3）还包括：
第二齿轮部（32），安装在所述底面（12）上，并与所述啮齿部（20）相互啮合；所述第二齿轮部（32）在所述第一齿轮部（31）转动时，跟随所述环状体（2）进行转动动作。


11.根据权利要求10所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述驱动部（3）还包括：
第三齿轮部（33），安装在所述底面（12）上，并与所述啮齿部（20）相互啮合；所述第三齿轮部（33）在所述第一齿轮部（31）转动时，跟随所述环状体（2）进行转动动作。


12.根据权利要求11所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述第一齿轮部（31）、所述第二齿轮部（32）、所述第三齿轮部（33）均匀分布在所述环状体（2）的相应位置上。


13.根据权利要求2或3所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述环状体（2）在其上部和下部的对称位置上设置有第一贯通孔（21）和第二贯通孔（22）；所述第一贯通孔（21）上设置有配重块（5），所述第二贯通孔（22）上设置有所述磁铁部（4）。


14.根据权利要求13所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述配重块（5）和所述磁铁部（4）都呈圆柱形；所述驱动部（3）的电机（30）安装在靠近所述第一贯通孔（21）的位置。


15.根据权利要求2或3所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，还包括电路板（6），所述电路板（6）包括：电源部（61），用于为所述磁力移动机器人提供电源。


16.根据权利要求15所述的小天体表面磁力移动机器人，其特征在于，所述电路板（6）还包括：控制部（62），用于控制所述磁力移动机器人的开关和动作。


17.根据权利要求15所述的小天体...

【专利技术属性】
技术研发人员：林杨挺，王慧敏，胡森，郭春华，李静，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11