一种用于C型杆的轮足复合式在轨铆接爬行机器人

本发明涉及爬行机器人，具体涉及一种用于c型杆的轮足复合式在轨铆接爬行机器人。该机器人可用于在轨铆接，尤其适用于空间大型可展开结构的连接，具有可靠性高、运动性强、操作简单的优点。

背景技术：

1、近年来，随着我国在航天事业上的大幅发展，在未来空间站建设以及深空探测领域上，对大型空间设备的需求也越来越强，在轨服务、组装与制造技术已成为保障太空资产可持续运行与拓展人类空间活动边界的关键支撑。传统依赖宇航员舱外作业的模式面临高成本、高风险及操作窗口受限的挑战，通过在轨服务的方式建造大型空间结构是未来实现千米级结构应用的理想途径，受到国内外学者的广泛关注，其中，太阳帆的展开机构是研究的重点。传统刚性展开机构受限于火箭整流罩包络，难以实现超大尺度、高刚度支撑结构部署，而太阳帆作为未来深空探测的高效推进平台，其横向完全展开依赖于轻质高强的c型薄壁管状支撑骨架，但是由于管壁薄且未形成有效的周向固定，造成薄壁管状支撑骨架强度低，抵抗空间干扰能力差，太阳帆难以完成预定在轨任务。

2、为增强空间大型展开结构c型薄壁管状支撑骨架强度和抵抗空间干扰的能力，已有部分方案是在c型薄壁管状支撑骨架连接处进行胶接。该类方案在一定程度上提高了薄壁管状支撑骨架强度和抵抗空间干扰的能力，但由于胶接接头在实际服役中长期承受高真空和极端温度循环产生的交变载荷作用引发的内力时，显著老化胶粘剂，引发脱粘，影响胶接长期可靠性。同时，在太空强辐射环境下会严重破坏胶粘剂分子结构，导致其脆化，出现大面积失效。另外，航天器振动等动态载荷，可能导致胶层脆裂。因此，亟需提出一种提高c型薄壁管状支撑骨架强度和抵抗空间干扰能力的新型的在轨连接方式和设备。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有空间大型展开结构c型薄壁管状支撑骨架强度低，抵抗空间干扰能力差等问题，提出一种用于c型杆的轮足复合式在轨铆接爬行机器人。该爬行机器人通过轮足式驱动模块和双臂抱紧模块的协同作用，实现爬行机器人吸附在目标圆形柱面上，并结合视觉引导爬行机器人运动与铆接孔位识别，实现空间大型展开结构c型薄壁管状支撑骨架的在轨铆接，从而提高c型薄壁管状支撑骨架强度和抵抗空间干扰能力。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种用于c型杆的轮足复合式在轨铆接爬行机器人，包括轮足式驱动模块、双臂抱紧模块、拉铆模块、视觉控制模块、底板；

4、所述轮足式驱动模块包括两对轮足式驱动机构，所述两对轮足式驱动机构在前后方向和左右方向上对称地布置于所述底板的下方，其中，前后方向上的两个轮足式驱动机构能够带动爬行机器人绕目标圆柱形壁面做周向运动，左右方向上的两个轮足式驱动机构能够带动爬行机器人绕目标圆柱形壁面做轴向运动；

5、所述双臂抱紧模块包括两组抱紧机构，两组所述抱紧机构对称地安装于所述底板的两侧，所述两组抱紧机构能够实现爬行机器人抱紧于目标圆柱形壁面上；所述拉铆模块安装于所述底板的中央区域；所述视觉控制模块设置于所述底板上。

6、进一步地，所述前后方向上的两个轮足式驱动机构均包括：

7、连杆座，所述连杆座上端固定连接于所述底板的底部，所述连杆座的两侧各设置有上部螺纹杆和下部螺纹杆；

8、两个连杆a和两个连杆b，每个所述连杆a和所述连杆b的两端均设置有通孔，其中，两个所述连杆a的一端分别与所述连杆座两侧的上部螺纹杆铰接，两个所述连杆b的一端分别与所述连杆座两侧的所述下部螺纹杆铰接；

9、电机支架，所述电机支架两侧各设置有上部连接杆和下部连接杆，两个所述连杆a的另一端分别与所述电机支架两侧的上部连接杆铰接，两个所述连杆b的另一端分别与所述电机支架两侧的下部连接杆铰接，以使所述连杆座、所述连杆a、所述连杆b与所述电机支架共同构成平行四边形铰链四杆机构，该平行四边形铰链四杆机构被配置为在所述爬行机器人的任何运动状态下均保持所述电机支架的姿态不变；

10、全向轮；

11、伺服电机a，固定于所述电机支架，所述电机支架上设有供所述伺服电机a的输出轴穿过的通孔，所述输出轴通过联轴器与所述全向轮驱动连接；

12、弹簧减震器组，其由两个弹簧减震器组成，每个所述弹簧减震器均包括减震器上端、减震器下端以及设置于减震器上端和减震器下端之间的弹簧，所述减震器上端和所述减震器下端均设有连接孔，所述弹簧减震器组下端的两个连接孔分别与所述电机支架上端凸起部上设置的两个通孔铰接；

13、减震器底座，其下部设置有两个通孔，所述弹簧减震器组上端的两个连接孔分别与所述减震器底座下部的两个通孔铰接，所述减震器底座的顶部设置有两个通孔，且其两侧设置有连接部，所述减震器底座通过所述两侧的连接部固定连接于所述底板；

14、前后支架，其顶部设置有两个通孔，所述减震器底座顶部的两个通孔与所述前后支架顶部的两个通孔固定连接。

15、进一步地，所述左右方向上的两个轮足式驱动机构包括：

16、连杆座，其上端固定连接于所述底板的底部，所述连杆座的两侧各对称地设置有两根螺纹杆，共计四根螺纹杆；

17、四个连杆c，每个所述连杆c的两端均设置有通孔，四个所述连杆c的一端通过所述通孔分别与所述连杆座两侧的四根所述螺纹杆一一对应地铰接；

18、电机支架，其两侧各对称地设置有两根连接杆，共计四根连接杆，四个所述连杆c的另一端通过所述通孔分别与所述电机支架上的四根所述连接杆一一对应地铰接；

19、所述连杆座、四个所述连杆c及所述电机支架共同构成一平行四边形铰链四杆机构，该平行四边形铰链四杆机构被配置为在所述爬行机器人的任何运动状态下均保持所述电机支架的姿态不变；

20、全向轮；

21、伺服电机a，固定于所述电机支架，所述电机支架上设有供所述伺服电机的输出轴穿过的通孔，所述输出轴通过联轴器与所述全向轮驱动连接；

22、弹簧减震器组，其由两个弹簧减震器组成，每个所述弹簧减震器均包括减震器上端、减震器下端以及设置于减震器上端和减震器下端之间的弹簧，所述减震器上端和所述减震器下端均设有连接孔，所述弹簧减震器组下端的两个连接孔分别与所述电机支架上端凸起部上设置的两个通孔铰接；

23、减震器底座，其下部设置有两个通孔，所述弹簧减震器组上端的两个连接孔分别与所述减震器底座下部的两个通孔铰接，所述减震器底座的顶部设置有两个通孔，且其两侧设置有连接部，所述连接部通过一支撑板固定连接于所述底板；左右支架，其顶部设置有两个通孔，所述减震器底座顶部的两个通孔与所述左右支架顶部的两个通孔固定连接。

24、进一步地，所述每组抱紧机构均包括：

25、支撑板，固定连接于所述底板的侧面，所述支撑板固定于所述底板，所述支撑板内侧中间位置形成有凹口，所述凹口被构造为容置所述弹簧减震器组并为所述弹簧减震器组在姿态变化时提供活动空间；所述支撑板的左侧设置有至少两个连接孔；

26、伺服电机b，其固定连接于所述支撑板；

27、螺杆，其驱动连接于所述伺服电机b的输出端，并能够由所述伺服电机b驱动旋转；

28、螺母，通过螺纹配合套设于所述螺杆上，以在所述螺杆旋转时沿所述螺杆的轴向移动；所述螺母的两侧各设置有一伸长杆；

29、连接销轴，其通过所述支撑板左侧的连接孔固定连接于所述支撑板，所述连接销轴的两侧各设有一突起杆；

30、抱紧臂，其中部设置有一通孔，所述通孔可转动地套设于所述连接销轴的所述突起杆上，以使所述抱紧臂与所述连接销轴形成铰链连接；所述抱紧臂的上端设有槽口，所述螺母两侧的所述伸长杆分别对应插入所述槽口中；所述抱紧臂的上端还形成有一避让凹口，用于在运动过程中为所述螺杆提供通过空间；

31、牛眼轮，固定连接于所述抱紧臂的下部末端，所述牛眼轮的底部设置有压力传感器；

32、当所述伺服电机b驱动所述螺杆旋转时，所述螺母能够沿所述螺杆的轴向移动，并通过所述伸长杆与所述槽口的配合驱动所述抱紧臂绕所述连接销轴转动，以实现所述抱紧臂的张开或闭合，从而使所述牛眼轮贴合并抵紧于待执行任务的目标圆柱形壁面，以将所述爬行机器人吸附并保持于所述目标圆柱形壁面上。

33、进一步地，所述拉铆模块包括：

34、直线滑轨，固定连接于所述底板中央，底板中央开设有一矩形通孔，所述直线滑轨的移动端与所述矩形通孔的位置相对应；

35、电动拉铆枪，固定连接于所述直线滑轨的所述移动端；所述直线滑轨能够驱动所述电动拉铆枪沿垂直于所述底板的方向移动，以使所述电动拉铆枪的作业端穿过所述矩形通孔，对位于所述底板下方的目标对象执行拉铆作业。

36、进一步地，所述电动拉铆枪包括：

37、拉铆枪外壳，其内部形成有一容纳腔；

38、电动拉铆枪本体，固定设置于所述拉铆枪外壳的所述容纳腔内；其中，所述拉铆枪外壳被构造为包覆于所述电动拉铆枪本体的外部，以在所述电动拉铆枪本体执行铆接任务时提供物理防护，使其免受外部环境的干扰。

39、进一步地，所述视觉控制模块包括：

40、摄像头组件，用于获取目标图像并生成xy轴偏移量信号；

41、主机，与所述摄像头组件通信连接，用于处理并接收所述xy轴偏移量信号；mcu，通过串口与所述主机通信连接，所述mcu被配置为接收所述主机发送的偏移量数据，并根据所述偏移量数据计算伺服电机b和伺服电机a的转动补偿量；其中，所述爬行机器人的伺服电机b和伺服电机a均通过can总线与所述mcu通信连接，以接收所述转动补偿量并执行相应的转动动作，从而修正所述爬行机器人的位置偏移。

42、进一步地，所述视觉控制模块还包括供电单元，所述供电单元包括：

43、电池组件；

44、分电板，与所述电池组件电连接，所述分电板被配置为将所述电池组件输出的电能分配至所述mcu、四个伺服电机a及两个伺服电机b；

45、降压模块，其输入端与所述电池组件电连接，输出端分别与所述主机和电动拉铆枪电连接，以向所述主机和所述电动拉铆枪提供经降压处理后的电能。

46、进一步地，还包括外壳罩，所述外壳罩固定连接于所述底板，所述外壳罩与所述底板共同形成一容纳空间；其中，所述拉铆模块和所述视觉控制模块均设置于所述容纳空间内，所述外壳罩被构造为在所述爬行机器人处于工作状态或静置状态时，对所述拉铆模块和所述视觉控制模块提供物理遮蔽，以使其免受外部环境干扰。

47、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

48、（1）本发明通过将轮足式驱动模块设置为前后、左右对称的两对驱动机构，并采用平行四边形铰链四杆机构连接连杆座与电机支架，使得全向轮在爬行机器人行走于不同曲率的圆柱形壁面时，其姿态始终保持不变，从而确保驱动力的稳定传递，有效提高了爬行机器人在圆柱形壁面上的行走平稳性和壁面适应性。

49、（2）本发明通过双臂抱紧模块与弹簧减震器组的协同配合，抱紧机构在伺服电机驱动下，经螺杆、螺母及抱紧臂的传动，使牛眼轮贴合并抵紧于圆柱形壁面上，为爬行机器人提供可靠的机械吸附力。弹簧减震器组在提供预紧力的同时，能够吸收运动过程中产生的振动和冲击，显著提高了机器人在轨作业的吸附可靠性和环境适应性。

50、（3）本发明通过将拉铆模块集成于底板中央，并采用直线滑轨驱动电动拉铆枪沿垂直于底板方向移动以穿过底板矩形通孔执行拉铆作业，实现了拉铆功能的在轨集成，提高了铆接作业效率和孔位对准精度。

51、（4）本发明适用于空间大型展开结构的在轨连接，特别是空间大型展开结构c型薄壁管状支撑骨架的在轨铆接。