[发明专利]小天体表面弹性动力型跳跃式机器人及其移动方法

说明书

本发明各实施例公开了一种小天体表面弹性动力型跳跃式机器人及其移动方法，该机器人包括：外壳体、驱动部和弹簧机构；驱动部和弹簧机构安装在外壳体中；所述驱动部具有可伸出所述外壳体之外的跳跃杆；所述弹簧机构被设置为能够在所述驱动部的驱动下进行动作，并带动所述跳跃杆进行动作；所述弹性动力型跳跃式机器人在所述小天体表面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，所述弹簧机构会进入压缩工作状态，以使得所述跳跃杆朝所述外壳体内部进行移动；在所述第二运动状态下，所述弹簧机构会由所述压缩工作状态转变为释放工作状态，以使得所述跳跃杆能够伸出所述外壳体之外并使得所述弹性动力型跳跃式机器人实现跳跃动作。

技术领域

本公开的实施例总体上涉及航天航空领域中的小天体表面移动技术领域，并且更具体地，涉及一种小天体表面弹性动力型跳跃式机器人及其移动方法。

背景技术

小天体探测是深空探测的重要组成部分，是揭示太阳系起源和早期演化、地球等行星初始物质组成、以及水和有机质分布与演化等重大科学问题的关键途径。同时，小天体探测在未来太空资源利用、小天体撞击安全防御等领域起到关键作用。因此，小天体探测一直是国际深空探测的热点和前沿。

目前，我国深空探测正由月球挺进更深远的宇宙，包括探测小行星和彗星、以及木星的冰卫星等。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。

地球、火星等形成之后，经过了 40 多亿年的演化，因此它们形成时的初始状态等已基本消失殆尽。相反，小天体是太阳系形成过程中残留的“化石”，是构建各大行星的“砖瓦”等材料，保存了太阳星云的初始状态、星云演化过程以及行星的生长过程等信息。小行星和彗星探测一直是国际深空探测的热点和前沿领域。除阿波罗登月计划之外，美国国家航空航天局（NASA）已实施的35次深空探测任务中，有9次是以小行星和彗星为探测目标；欧空局（ESA）的深空探测一直把彗星作为主要目标；日本也将小天体探测作为其深空探测的主线和特色，例如隼鸟号计划取得了部分成功，其从细川小行星采集到了尘粒样品，并在此基础上，完成了从“龙宫”碳质小行星采集样品的隼鸟2号任务。

探测器在小行星表面附着，并对小行星进行采样，是获取小行星信息的重要方式，这就需要实现在小行星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。具体来说，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。例如，在附着表面过程中，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，这种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。因此，如何在接触小行星的过程中维持姿态和避免失控是小行星探测的挑战之一。

由于各类小行星表层结构特性差异很大，其表层结构可为星尘土壤、碎石或坚硬石块等，而目前人类对其认识相对有限，因此小行星着陆附着系统需要有较大的适应性。我国发布的 2030 年前深空探测总体实施方案中将小行星探测列为我国未来深空探测的重点之一，对探测器着陆附着技术提出了新的要求，这就需要在附着力、附着稳定性和机构可靠性方面取得进一步技术突破。

在小天体不规则弱引力环境下，传统的轮式移动方式不再适用，因此已实施及规划的小天体探测任务中，大都采用了弹跳式移动的策略。例如，前苏联1988年发射的用于探测火卫一的“Phobos2号”探测器携带了一个弹跳式探测器“PROP-F”，这是第一个包含弹跳探测器的太空任务。MINERVA是日本“隼鸟号”（Hayabusa）主探测器搭载的表面弹跳机器人，但不参与采样返回主任务。MINERVA的驱动装置为扭矩电机，可以提供小于10cm/s的跳跃初速度。“隼鸟2”任务作为“隼鸟”任务的延续，携带有3个MINERVA-2着陆机器人。此外，“隼鸟2”任务中，日本宇航局与德国宇航中心共同研发了具有自调向机构的弹跳式探测器MASCOT。