一种用于月球爆破凿岩机器人的便携式锚固方法及系统

本发明涉及机器人控制，具体涉及一种用于月球爆破凿岩机器人的便携式锚固方法及系统。

背景技术：

1、在矿产资源开发中，凿孔是采矿作业的基础工序。地球环境下，凿岩台车可依靠设备自重和支腿支撑完成钻孔作业。然而，在低重力环境下，设备自重显著降低，传统依靠自重抵抗凿岩反力的方式不再适用。单台凿岩装药机器人需在有限作业窗口内完成定位、锚固、凿孔、装药和移位等多项工序，锚固方法的可靠性直接决定凿岩反力能否被机器人底盘可靠承受，进而影响作业安全与效率。

2、当机器人执行凿孔作业时，冲击式凿岩产生的轴向反作用力远超设备在低重力环境下的自重力承载能力，导致设备在凿岩过程中发生翘起和偏移。同时，松散介质的力学特性使得传统锚固方法难以获得可靠锚固力。此外，极端温差环境、超高真空以及带电颗粒物环境，对锚固结构的密封性能和热防护性能提出了极高要求。凿岩装药机器人需在单位时间内完成多个点位的作业循环，要求锚固方法具备极短的展开和回收时间。

3、现有技术中，地球环境下的凿岩设备依靠自重、支腿反力和地面摩擦力抵抗凿岩反力，但迁移至低重力环境后，自重力大幅降低，附着裕度显著下降，难以直接沿用。现有螺旋锚定方案通常面向静态支护或长期固定场景，展开回收速度慢、质量大，难以满足凿岩装药机器人高频次点位切换的需求。深海液压吸附方案依赖水介质，不适用于真空环境。凿岩台车钻进参数优化研究虽已涉及推进压强与冲击压强的最优匹配，但未解决机器人本体在低反力环境下的锚固问题。

4、现有技术中已公开了一些锚固装置，但均未能有效解决上述问题。具体而言，现有岩壁锚固方案适用于长期静态锚固场景，未涉及凿岩装药机器人底盘的随车携带式锚固模块、面向凿岩反力的布局方案、基于储能冲击与电机推送的快速展开方法以及基于传感器采样与优化求解的力分配方法。建筑锚固、海洋锚固或岩壁固定等方案中，锚固单元为单独施工构件，非凿岩装药机器人完成凿孔、装药和移位循环时的可重复收放执行模块。

5、因此，亟需一种能够实现快速展开与回收、具备自适应力分配能力且适用于低重力松散介质环境的凿岩装药机器人锚固方法。

技术实现思路

1、本发明提供一种用于月球爆破凿岩机器人的便携式锚固方法及系统，以解决现有技术中凿岩装药机器人在低重力环境下锚固力不足、展开回收速度慢、无法满足高频次作业需求以及缺乏自适应力分配能力的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种用于月球爆破凿岩机器人的便携式锚固方法，包括以下步骤：

4、将锚固基座集成安装于机器人底盘；

5、在所述锚固基座上布置至少三组锚固单元，每组锚固单元包括螺旋锚杆、储能机构、锁止机构和驱动电机；

6、采集各组锚固单元的锚固力数据、刺入深度数据和机器人姿态数据；

7、机器人移动至作业点位后，同步展开多组锚固单元，使各组锚固单元的螺旋锚杆刺入作业介质；

8、在凿岩作业模式下，控制模块以各组锚固力的差值最小化为优化目标，以机器人底盘所受轴向力的平衡、力矩的平衡以及各组锚固力的物理取值边界为约束条件，求解各组锚固力的最优分担值，并执行凿孔作业；

9、凿孔完成后切换至装药作业模式，维持各组锚固单元的锚固力以保持机器人姿态，并执行装药作业；

10、装药完成后回收多组锚固单元，使螺旋锚杆脱离作业介质，并允许机器人移位至下一作业点位。

11、优选地，所述同步展开包括冲击刺入阶段和持续推送阶段；所述冲击刺入阶段中，所述储能机构释放预存的机械能，驱动螺旋锚杆以初始速度冲击刺入作业介质表层；所述持续推送阶段中，所述驱动电机通过所述锁止机构向螺旋锚杆持续施加轴向推力，将螺旋锚杆推送至预设深度。

12、优选地，所述储能机构为镍钛形状记忆合金弹簧；所述镍钛形状记忆合金弹簧在锁止状态下保持预压缩状态以储存机械能；在所述冲击刺入阶段，所述锁止机构解除锁止，所述镍钛形状记忆合金弹簧释放预存的机械能，驱动螺旋锚杆刺入作业介质。

13、优选地，所述自适应分配包括：控制模块以各组锚固力的差值最小化为优化目标，以机器人底盘所受轴向力的平衡、力矩的平衡以及各组锚固力的物理取值边界为约束条件，通过kkt条件求解各组锚固力的最优分担值。

14、优选地，所述控制模块先忽略所述物理取值边界，求解无边界约束下的解析解；当求解得到的任一组锚固力超出锚固力的物理可行域时，激活该组锚固力的边界约束，并对剩余未知量重新求解。

15、优选地，所述装药作业模式中，控制模块将各组锚固力分配为均衡值，并根据机器人姿态偏差对各组锚固力进行修正，使机器人底盘保持姿态稳定。

16、优选地，所述回收包括约束释放阶段和拉拔脱离阶段；所述约束释放阶段中，所述驱动电机反转驱动所述锁止机构解除对螺旋锚杆的轴向约束；所述拉拔脱离阶段中，复位弹簧释放弹性势能提供初始拉拔力，所述驱动电机持续施加轴向拉力，将螺旋锚杆从作业介质中拔出。

17、优选地，控制模块实时监测各组锚固单元的锚固力，当任一组锚固力低于安全阈值时，所述控制模块执行以下操作之一：当该组锚固单元的刺入深度未达到预设深度时，控制所述驱动电机对该组锚固单元执行二次推送；当该组锚固单元的刺入深度已达到预设深度但锚固力仍低于安全阈值时，通过调整机器人姿态改变凿岩反力的作用力臂，并重新计算各组锚固力的最优分担值；当补偿后总锚固力仍低于所需锚固力时，发出锚固不足报警并禁止凿岩动作。

18、本发明还提供一种用于月球爆破凿岩机器人的便携式锚固系统，包括：

19、锚固基座，集成安装于机器人底盘；

20、至少三组锚固单元，安装于所述锚固基座，每组锚固单元包括螺旋锚杆、储能机构、锁止机构和驱动电机；

21、传感器模块，用于采集各组锚固单元的锚固力数据和刺入深度数据；

22、控制模块，与所述传感器模块和所述驱动电机连接，用于执行上述任一项所述的锚固方法。

23、优选地，所述锚固单元为三组，沿机器人底盘呈等腰三角形布置，前方两组锚固单元之间的横向间距大于该两组与后方一组之间的纵向排距，以匹配机器人凿岩时的轴向反力方向。

24、本发明的有益效果在于，通过储能冲击刺入与电机持续推送相结合的两阶段展开方法以及反转复位与弹性释放相结合的两阶段回收方法，实现了多组锚固单元并行快速收放，全装置展开时间小于2秒、回收时间小于3秒，能够满足高频次点位切换的作业需求；通过锚固基座集成于机器人底盘并配置多组螺旋锚杆锚固单元，在松散介质中提供充足的总锚固承载力，确保凿岩作业过程中机器人底盘的稳定；通过控制模块以力平衡、力矩平衡和物理边界为约束条件实时求解各组锚固力的最优分担值，使前方锚固单元优先承担轴向反力、后方锚固单元用于维持力矩平衡和姿态稳定，避免平均分配导致的前部抗冲击能力不足；通过密封结构、热控结构和加热结构的协同配合，适应极端温差、真空和颗粒物环境；同时通过凿岩模式、装药模式和移位模式的输入输出变量区分及状态链路互锁，当任一锚固力低于安全阈值或任一锚杆未完全收回时禁止凿岩或禁止移位，降低了设备翘起、拖拽锚杆和炮孔偏移的风险，且锚固收放动作能耗低，适合机器人随车携带并高频次重复执行。