外星复杂环境自主调姿着陆巡视发射一体化探测器
技术领域
本发明涉及的是一种空间探测器领域的技术，具体是一种外星复杂环境自主调姿着陆巡视发射一体化探测器。
背景技术
外星着陆、巡视探测、采样返回是认知星球起源和演化的重要技术手段。目前的探测方式一般采用着陆器搭载巡视器和上升器，着陆器负责在外星表面安全着陆，巡视器负责进行外星表面巡视探测、钻探和采样，上升器负责携带巡视器采集的样品在着陆器上发射并与在轨卫星对接进而将样品转运到地球。然而，该系统主要存在以下问题：1)现有着陆器为桁架结构，着陆前足端触地点相对机身的位置无法改变，因此要求安全着陆选址必须为外星平原地带坡度小、表面平坦光整区域，无法抵达人类尚未探索的复杂恶劣环境；2)着陆器与巡视器两器分离，因此机械和电子硬件系统冗余度高、发射质量大、体积大、成本高，且两器间的协同配合又给通讯控制带来难题；3)着陆后的着陆器不具备姿态调整能力，因此无法实现上升器以最佳发射角度在着陆器上发射返回。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种外星复杂环境自主调姿着陆巡视发射一体化探测器，针对外星复杂环境探测，集成着陆器与巡视器的功能，同时能够搭载上升器并用作其发射返回支架。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种外星复杂环境自主调姿着陆巡视发射一体化探测器，包括：主结构箱体和分别设置于其四个侧面的多模式腿机构，每个多模式腿机构包括一条多模式主链和两条多模式辅链，主结构箱体上设有控制器、双轴倾角传感器、位置传感器和视觉传感器。
所述的多模式是指：调姿模式、着陆模式、巡视模式和/或发射模式，通过主结构箱体上的控制器根据传感信息和控制指令在不同模式及其互相间的切换实现折叠展开、自主调姿、着陆缓冲、巡视行走、地形适应、姿态调整、发射返回。
所述的多模式主链包括：主安装座、主电机安装法兰、丝杠螺母组件、主传动连杆、主缓冲器外套筒、主缓冲器活塞杆、动平台、足踝、足垫，其中：主安装座与主结构箱体相连且通过转动铰链分别与主电机安装法兰和主传动连杆中间部分相连，丝杠螺母组件与主安装座相连且其丝母通过转动铰链与主传动连杆的一端相连，主传动连杆的另一端通过虎克铰与主缓冲器外套筒相连，主缓冲器外套筒与主活塞杆之间内置缓冲吸能材料，主活塞杆的另一端与动平台固定相连，动平台进一步通过两个球铰分别与两个辅链相连，足踝与动平台相连且通过球铰与足垫相连。
所述的主传动连杆在调姿模式下相对主安装座固定不动，在巡视模式下受控运动，在发射模式下实现固定不动或者受控运动。
所述的多模式辅链包括：辅电机、辅电机安装法兰、齿啮式离合器定子、齿啮式离合器转子、回转轴盘、辅操纵杆、辅缓冲器外套筒、辅缓冲器活塞杆，其中：辅电机安装法兰分别与辅电机外壳和主结构箱体侧板固定相连，齿啮式离合器定子与主结构箱体侧板固定相连且与转子之间通过齿啮式配合或者脱离，齿啮式离合器转子与回转轴盘固定相连，辅操纵杆与回转轴盘固定相连且通过虎克铰与辅缓冲器外套筒相连，辅缓冲器外套筒中内置缓冲吸能材料，辅活塞杆在着陆缓冲时相对辅缓冲器外套筒伸缩且其一端通过球铰与动平台相连。
所述的辅电机、辅电机安装法兰、齿啮式离合器定子、齿啮式离合器转子、回转轴盘依次同轴相连。
所述的多模式辅链在自主调姿、巡视行走和发射模式下，齿啮式离合器定子与转子相脱离，此时辅操纵杆可以在辅电机的驱动下绕辅电机输出轴轴线旋转。注意此转轴的轴线方向是垂直于主结构箱体侧面；在着陆模式下，齿啮式离合器定子与转子相配合固定，辅操纵杆相对主结构箱体刚化不动。
技术效果
本发明整体解决现有着陆器为桁架结构，着陆前足端触地点相对机身的位置无法改变，因此要求安全着陆选址必须为外星平原地带坡度小、表面平坦光整区域，无法抵达人类尚未探索的复杂恶劣环境；着陆器与巡视器两器分离，因此机械和电子硬件系统冗余度高、发射质量大、体积大、成本高，且两器间的协同配合又给通讯控制带来难题；着陆后的着陆器不具备姿态调整能力，因此无法实现上升器以最佳发射角度在着陆器上发射返回。
与现有技术相比，本发明兼具调姿模式、着陆模式、巡视模式、发射模式四种模式，适用面广，具备多任务外星探测能力和复杂作业能力；在调姿模式，本发明致力于通过匹配足端位形与着陆点几何形貌，从而在外星逆境地形地貌(如山脉、峡谷、丘陵、凹坑、石砾)中着陆，具有更高的着陆能力和更广的探测区域范围；在着陆缓冲阶段，本发明的构型与现有天问一号火星着陆器的着陆缓冲机构构型完全对接，具有经过实践检验的综合着陆能力，便于技术升级；在巡视行走阶段，本发明对应的构型具有较大的巡视行走空间，具有较大的跨度高度比、较高的巡视稳定性、较强的地形适应能力和姿态调整能力；在发射返回阶段，本发明可以在调整机身姿态的同时保持桁架属性，为上升器发射返回提供最佳发射角。本发明结构紧凑、轻量化，降低发射和运载成本，保持横向稳定性的同时具备更高的纵向稳定性。
附图说明
图1为本实施例在自主调姿阶段的示意图；
图2为本实施例在着陆缓冲阶段的示意图；
图3为本实施例在巡视行走阶段的示意图；
图4为本实施例在发射返回阶段的示意图；
图5为本实施例腿机构的示意图；
图6为本实施例腿机构的主链的示意图；
图7为本实施例腿机构的辅链的示意图；
图中：主结构箱体100、腿机构200、主链300、主安装座301、主电机安装法兰302、丝杠螺母组件303、主传动连杆304、主缓冲器外套筒305、主缓冲器活塞杆306、动平台307、足踝308、足垫309、辅链400、辅电机401、辅电机安装法兰402、齿啮式离合器定子403、齿啮式离合器转子404、回转轴盘405、辅操纵杆406、辅缓冲器外套筒407、辅缓冲器活塞杆408。
具体实施方式
如图1～4所示，本实施例包括：主结构箱体100和分别设置于其四个侧面的多模式腿机构200。
如图5所示，所述的腿机构200包括：一条多模式主链300和两条多模式辅链400。
如图6所示，所述的多模式主链300包括：主安装座301、主电机安装法兰302、丝杠螺母组件303、主传动连杆304、主缓冲器外套筒305、主缓冲器活塞杆306、动平台307、足踝308、足垫309，其中：主安装座301与主结构箱体100相连且通过转动铰链分别与主电机安装法兰302和主传动连杆304中间部分相连，丝杠螺母组件303与主安装座301相连且其丝母通过转动铰链与主传动连杆304的一端相连，主传动连杆304的另一端通过虎克铰与主缓冲器外套筒305相连，主缓冲器外套筒305与主活塞杆306之间内置缓冲吸能材料，主活塞杆306的另一端与动平台307固定相连，动平台307进一步通过两个球铰分别与两个辅链相连400，足踝308与动平台307相连且通过球铰与足垫309相连。
所述的主传动连杆304在调姿模式下相对主安装座301固定不动，在巡视模式下受控运动，在发射模式下可以固定不动或者受控运动。
如图7所示，所述的多模式辅链400包括：辅电机401、辅电机安装法兰402、齿啮式离合器定子403、齿啮式离合器转子404、回转轴盘405、辅操纵杆406、辅缓冲器外套筒407、辅缓冲器活塞杆408，其中：辅电机安装法兰402分别与辅电机401外壳和主结构箱体100侧板固定相连，齿啮式离合器定子403与主结构箱体100侧板固定相连且与转子404之间通过齿啮式配合或者脱离，齿啮式离合器转子404与回转轴盘405固定相连，辅操纵杆406与回转轴盘405固定相连且通过虎克铰与辅缓冲器外套筒407相连，辅缓冲器外套筒407中内置缓冲吸能材料，辅活塞杆408在着陆缓冲时相对辅缓冲器外套筒407伸缩且其一端通过球铰与动平台307相连。
所述的：辅电机401、辅电机安装法兰402、齿啮式离合器定子403、齿啮式离合器转子404、回转轴盘405依次同轴相连。
所述的多模式辅链400：在自主调姿、巡视行走和发射模式下，齿啮式离合器定子403与转子404相脱离，此时辅操纵杆406可以在辅电机401的驱动下绕辅电机401输出轴轴线旋转。注意此转轴的轴线方向是垂直于主结构箱体100侧面；在着陆模式下，齿啮式离合器定子403与转子404相配合固定，辅操纵杆406相对主结构箱体100刚化不动。
所述的不同模式及其互相间的切换包括：多模式腿机构200在调姿模式下，为了匹配外星地表的复杂几何形貌，需要改变足垫309位形以匹配最佳足端触地点，此时多模式主链300锁死不动，多模式辅链400中的齿啮式离合器处于脱离状态，所以辅电机401驱动辅操纵杆406始终贴着主结构箱体100侧壁运动，从而保证腿机构200的桁架属性不变性和着陆稳定性；在着陆模式下，齿啮式离合器处于配合状态，多模式主链300和辅链400均锁死不动，从而腿机构200具备桁架属性和稳定可靠的着陆位形；在巡视模式下，齿啮式离合器处于脱离状态，腿机构200在动力源的驱动下进行受控运动，从而使该探测器进行四足机器人化行走探测；在发射模式下，齿啮式离合器处于脱离状态，同时主传动连杆300相对主安装座401固定或运动，主传动连杆300在调节上升器发射角的同时保证腿机构200具备稳定的桁架属性，主安装座401进一步增大上升器发射角的调节能力，最终发射时齿啮式离合器处于配合状态且所有电机均抱死。
经过具体实际实验，本实施例在UG NX12.0的软件环境中进行1:1设计建模，得到探测器的主结构箱体边长为2.46m，整机高度为2.14m。进一步在Matlab中绘制工作空间并分析规划运动能力和步态，联合使用UG NX12.0自带的运动仿真求解器进行仿真解算，得到在当前参数下该探测器：1)对于自主调姿继而着陆，以在最大坡度为11.75°的斜坡上保持机身水平着陆，以使其不发生倾覆。另外，足垫在水平侧向方向上的最大调节范围是正负1.05m，意味着单腿通过调节足垫位置可以避开长度为2.10米的石砾。同理，经过分析，足垫在竖直方向通过调节可以踩在0.98m的石砾之上；2)在巡视模式，本实施例可以以最大步长1.16m、最大步高0.78m进行静态行走；3)在发射返回模式，本实施例最大可以提供正负18.96°的发射角调节能力。
与现有技术相比，本装置基于可重构理论进行创新设计，使得探测器同时具备调姿模式、着陆模式、巡视模式、发射模式，本实施例显著地减少腿机构的连杆数量与支链数量、提高了腿机构的刚度、抗冲击能力和可靠性，提高了着陆稳定性和巡视行走阶段的稳定性，赋予了上升器发射角调整能力。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
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