具备自主调节足端触地点的外星逆境着陆器的制作方法

本发明涉及的是一种空间探测器领域的技术，具体是一种具备自主调节足端触地点的外星逆境着陆器。

背景技术：

外星表面着陆探测是认知星球演化和地表构成的重要技术手段。现有的腿式着陆技术在进入段后使腿机构展开锁定，着陆器整体变为桁架结构，从而单腿位形无法改变，即足端触地点相对机身的位置固定。因此，现有着陆方案严格限制着陆点选址以保证安全可靠，要求必须着陆于外星平原地带等坡度小、表面平坦光整区域，如月球着陆器的着陆点分布在月海和撞击坑外侧，火星着陆器的着陆点分布在火星表面的岩浆平原和风积沙丘。

外星逆境地形地貌(如山脉、峡谷、丘陵、凹坑、石砾、沟壑等)往往更容易留存有大量星球演化的原始信息，对于分析地质变迁和资源分布更具意义。目前，人类软着陆探测器尚无法安全抵达外星逆境，亟需切实可靠的新型着陆探测方案。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种具备自主调节足端触地点的外星逆境着陆器，能够在悬停段检测外星逆境的地形地貌特征并自主调节足端触地点相对机身的位置以匹配着陆地表区域的几何形貌，从而满足着陆缓冲阶段关于机身倾角、足垫位置分布、着陆稳定性等综合要求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种具备自主调节足端触地点的外星逆境着陆器，包括：主结构箱体和设置于其四个侧面的自适应着陆腿机构，每个着陆腿机构包括：一条主支链、两条辅支链以及与之对应的调节锁定关节，在调节足端触地点阶段，调节锁定关节仅驱动两条辅支链运动且主支链不被驱动，并在调节过程中腿机构实时保持固定桁架结构属性；在着陆缓冲阶段，调节锁定关节固定不形变，主支链通过变形实现缓冲吸能。

所述的主支链包括：主安装座、主外套筒缓冲缸、多头异形法兰、主活塞杆、足踝和足垫，其中：主安装座与主结构箱体固定相连且通过虎克铰与主外套筒缓冲缸相连，主外套筒缓冲缸中内置缓冲吸能材料，多头异形法兰的一端与主外套筒缓冲缸相连，中间为空筒状结构可使主活塞杆缓冲伸缩，多头异形法兰进一步通过两个球铰分别与两个辅支链相连，足踝与主活塞杆相连且通过球铰与足垫相连。

所述的辅支链包括：辅活塞杆、辅外套筒缓冲缸和辅操纵杆，其中：辅操纵杆与调节锁定关节固定连接，且辅操纵杆通过虎克铰与辅外套筒缓冲缸相连，辅外套筒缓冲缸中内置缓冲吸能材料，辅活塞杆在着陆缓冲时相对辅外套筒缓冲缸伸缩且其一端通过球铰与多头异形法兰相连。

所述的调节锁定关节包括：关节定子、关节转子、第一传动齿轮、离合电机、调节电机、第二传动齿轮、离合联动轮、离合连杆和离合柱塞，其中：关节定子与主结构箱体固定相连，转子与定子同轴设置并可以相对定子转动，离合电机和第一传动齿轮以及关节转子三者相互固定连接，调节电机与关节定子固定相连，第二传动齿轮安装固定在调节电机的输出轴上且与第一传动齿轮相啮合以驱动转子，离合电机的输出轴与离合联动轮固定相连，离合联动轮通过转动铰链分别与八个离合连杆连接且每个离合连杆通过转动铰链与离合柱塞相连，离合柱塞活动设置于转子侧壁上以实现伸缩运动。

所述的伸缩运动是指：在离合电机的驱动下，当离合柱塞伸出到极限位置时柱塞端部位于定子内部且处于死点状态，转子相对定子固定不形变；当离合柱塞缩回时，柱塞脱离定子，此时转子相对定子转动。

技术效果

本发明整体解决目前的着陆器(包括宇航工程中实际应用的构型和文献检索到的构型)受限于只能在外星平原地带等坡度小、表面平坦光整区域着陆，探测范围小。无法在外星逆境地形地貌(如山脉、峡谷、丘陵、凹坑、石砾等)中着陆，否则将产生严峻的着陆安全性问题，而往往是逆境地形地貌更容易留存有大量星球演化的原始信息。

与现有技术相比，本发明在距离外星表面几十米处悬停，利用视觉传感器检测地形地貌特征，控制系统根据着陆稳定性和调节程度等原则计算最佳触地点位置，规避不利触地点，在着陆过程中可不断调节修正该最佳触地点位置，并在着陆之前使着陆腿机构再次转变为固定桁架结构属性。因此，本发明具有更强的着陆能力和更广的探测区域范围，较强的着陆稳定性、技术可靠性和应用可行性。

附图说明

图1为本实施例以正常位形着陆的示意图；

图2为本实施例在调节足端触地点后水平着陆示意图；

图3为本实施例的单腿机构示意图；

图4为本实施例的调节锁定关节的正面示意图；

图5为本实施例的调节锁定关节的背面示意图；

图6为本实施例的调节锁定关节中的离合机构锁死状态示意图；

图7为本实施例的调节锁定关节中的离合机构松开状态示意图；

图中：主结构箱体100、着陆腿机构200、主安装座201、主外套筒缓冲缸202、多头异形法兰203、主活塞杆204、足踝205、足垫206、辅活塞杆207、辅外套筒缓冲缸208、辅操纵杆209、调节锁定关节300、关节定子301、关节转子302、第一传动齿轮303、离合电机304、调节电机305、第二传动齿轮306、离合联动轮307、离合连杆308、离合柱塞309。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例包括：主结构箱体100和设置于其四个侧面的自适应着陆腿机构200。

如图3所示，所述的着陆腿机构200包括：主安装座201、主外套筒缓冲缸202、多头异形法兰203、主活塞杆204、足踝205、足垫206、辅活塞杆207、辅外套筒缓冲缸208、辅操纵杆209，调节锁定关节300。其中：主安装座201与主结构箱体100固定相连且通过虎克铰与主外套筒缓冲缸202相连，主外套筒缓冲缸202中内置缓冲吸能材料，多头异形法兰203的一端与主外套筒缓冲缸202相连，中间为空筒状结构可使主活塞杆204缓冲伸缩，多头异形法兰202进一步通过两个球铰分别与两个辅活塞杆207相连，足踝205与主活塞杆204相连且通过球铰与足垫206相连。辅操纵杆209与调节锁定关节300固定连接，且辅操纵杆209通过虎克铰与辅外套筒缓冲缸208相连，辅外套筒缓冲缸208中内置缓冲吸能材料，辅活塞杆207在着陆缓冲时相对辅外套筒缓冲缸208伸缩且其一端通过球铰与多头异形法兰203相连。

如图4～7所示，所述的调节锁定关节300包括：关节定子301、关节转子302、第一传动齿轮303、离合电机304、调节电机305、第二传动齿轮306、离合联动轮307、离合连杆308、离合柱塞309，其中：关节定子301与主结构箱体100固定相连，转子302与定子301同轴设置并相对定子301转动，离合电机304和第一传动齿轮303以及关节转子302三者相互固定连接，调节电机305与关节定子301固定相连，第二传动齿轮306安装固定在调节电机305的输出轴上且与第一传动齿轮303相啮合以驱动转子302，离合电机304的输出轴与离合联动轮307固定相连，离合联动轮307通过转动铰链分别与八个离合连杆308连接且每个离合连杆308通过转动铰链与离合柱塞309相连，离合柱塞309活动设置于转子302侧壁上以实现伸缩运动。

所述的伸缩运动是指：在离合电机304的驱动下，当离合柱塞309伸出到极限位置时柱塞309端部位于定子301内部且处于死点状态，转子302相对定子301固定不形变；当离合柱塞309缩回至一定程度时，柱塞309脱离定子301，此时转子302相对定子301转动。

所述的调节足端触地点阶段具体包括：在初始阶段，离合柱塞309位于定子301内部且处于死点状态，转子302相对定子301固定不形变，着陆器具备固定桁架结构属性；在自主调节足端触地点阶段，首先，离合电机304驱动联动轮307、并进一步控制柱塞309缩回以使得转子302相对定子301转动。然后，调节电机305驱动第一传动齿轮303转动，并进一步驱动第二传动齿轮306转动。由于第二传动齿轮306与转子302固定连接，因此转子302相对定子301受控转动。此时，两个辅支链上的虎克铰始终贴在主结构箱体100侧壁上作平面运动，因此着陆器单腿在该阶段具备可动桁架属性；最终，足端触地点达到预期位形时，调节电机305保持不动，离合电机304控制柱塞309伸出使得转子302相对定子301再次固定不形变，此时着陆器再次恢复固定桁架结构属性，从而满足复杂环境着陆要求。

经过具体实际实验，采用本实施例中结构，在ugnx12.0的软件环境中进行1:1设计建模，得到新型着陆器的主结构箱体边长为2.46m，整机高度为1.95m。进一步在matlab中绘制调节空间并分析规划运动能力，联合使用ugnx12.0自带的运动仿真求解器进行仿真解算，得到在当前参数下可以在最大坡度为14.76°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0.635m，意味着单腿通过调节足垫位置可以避开长度为1.27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0.46m的石砾之上。

与现有技术相比，本发明实现的自主调节足端触地点在目前工程实践和文献中均未提出或使用，有望解决人类现有技术无法抵达外星逆境和恶劣地形地貌的现状。本发明具有更强的着陆能力和更广的探测区域范围，较强的着陆稳定性、技术可靠性和应用可行性。

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。