唐 玲，袁寶峰，王耀兵，危清清

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094)

一種空間吸附式爬行機(jī)器人設(shè)計(jì)及其步態(tài)規(guī)劃

唐 玲，袁寶峰，王耀兵，危清清

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094)

針對(duì)可在空間飛行器表面吸附爬行和自主可控飛行的空間機(jī)器人爬行過程進(jìn)行控制與仿真問題，在某系統(tǒng)方案和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，基于機(jī)器人行走穩(wěn)定裕度的要求，設(shè)計(jì)了一種穩(wěn)定快速爬行的步態(tài)，對(duì)其足端步態(tài)運(yùn)動(dòng)軌跡采用三次多項(xiàng)式插值的方法進(jìn)行規(guī)劃，并通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解出各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡，基于Adams軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模及仿真，結(jié)果表明在空間零重力環(huán)境下，四足吸附式爬行機(jī)器人能夠快速穩(wěn)定的行走，驗(yàn)證其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和步態(tài)規(guī)劃的合理性。

空間；吸附；爬行機(jī)器人；步態(tài)；仿真

1 引言

近年來，我國空間技術(shù)發(fā)展迅速，航天器在軌維護(hù)和維修的需求也越來越迫切；另外，隨著空間領(lǐng)域國際競(jìng)爭的加劇，空間攻防和空間安全領(lǐng)域的需求也越來越多。利用空間機(jī)器人對(duì)航天器進(jìn)行故障修復(fù)、性能提升、燃料補(bǔ)加，對(duì)敵方飛行器進(jìn)行托管、干擾、破壞等將成為未來機(jī)器人在軌維修、維護(hù)和空間安全領(lǐng)域應(yīng)用的重要方向。國內(nèi)外開展的依托機(jī)器人進(jìn)行在軌維修和空間攻防的研究，主要還是針對(duì)大型空間機(jī)械臂，包括單臂、雙臂和多臂，機(jī)械臂自身往往只是靈巧操作工具，可以對(duì)各類大型飛行器進(jìn)行捕獲、轉(zhuǎn)移、維修等，如空間站加拿大臂II[1]、歐洲機(jī)械臂ERA[2-3]、美國軌道快車[4]等，該類機(jī)械臂往往體積大、負(fù)載能力強(qiáng)，但需要配置大型的平臺(tái)提供能源、軌道、控制通信等各方面的資源。

本文提出的空間吸附式爬行機(jī)器人是一類具有智能機(jī)器人特征和功能的小型航天器，具備姿軌控、測(cè)控通信、數(shù)據(jù)傳輸、熱控和供配電等方面的功能，可以自主脫離母衛(wèi)星，自主接近目標(biāo)航天器，克服一般機(jī)械臂操作距離短(通常不超過20 m)帶來的兩個(gè)大型航天器接近困難、姿軌控精度高等難題?？臻g爬行機(jī)器人主要利用四足在航天器表面爬行，能夠適應(yīng)太陽翼電池片、碳纖維與鋁蜂窩等結(jié)構(gòu)、熱控多層或阻燃布、衛(wèi)星天線等多種航天器表面，也可以利用可伸縮的靈巧手抓握桁架結(jié)構(gòu)、壓緊座、對(duì)接框等常見航天器表面結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離移動(dòng)。

通過對(duì)空間爬行機(jī)器人系統(tǒng)方案分析，本文擬設(shè)計(jì)適用于空間環(huán)境的爬行機(jī)器人腿和足，設(shè)計(jì)滿足機(jī)器人穩(wěn)定快速行走的步態(tài)運(yùn)動(dòng)，并采用三次多項(xiàng)式插值的方法規(guī)劃其運(yùn)動(dòng)軌跡，最后采用Adams建立空間爬行機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)爬行過程進(jìn)行仿真與分析，從而驗(yàn)證機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與步態(tài)規(guī)劃的合理性。

2 爬行機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)方案

空間爬行機(jī)器人具備在飛行器表面爬行和在軌自主飛行的能力，由大型衛(wèi)星平臺(tái)搭載，后者可作為母星裝載多個(gè)獨(dú)立爬行機(jī)器人，通過在軌分離釋放，機(jī)器人自主飛行并附著到目標(biāo)航天器上。機(jī)器人依靠其吸附爬行功能，可不受航天器接口和機(jī)構(gòu)本體尺寸的限制，通過配置相機(jī)、光源、靈巧手、移動(dòng)電源等多種載荷，可實(shí)現(xiàn)貨物搬運(yùn)、航天器載荷狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、狹小空間的探測(cè)、靈巧操作等多種在軌任務(wù)，具有廣闊的空間應(yīng)用前景。

空間爬行機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)型如圖1所示，核心部分由結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)、爬行腿和足、機(jī)械臂及靈巧手等部分組成。其中，爬行腿和足實(shí)現(xiàn)自主飛行狀態(tài)到航天器表面著陸的緩沖、表面附著、表面爬行等功能，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在航天器表面移動(dòng)的功能；機(jī)械臂和靈巧手是機(jī)器人在航天器表面執(zhí)行維修、維護(hù)、攻防操作的主要載荷，可根據(jù)任務(wù)不同配備不同的專用工具，也可輔助機(jī)器人移動(dòng)和轉(zhuǎn)移；結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)主要提供機(jī)器人各儀器設(shè)備的支撐，并實(shí)現(xiàn)太陽電池陣的安裝、視覺監(jiān)視導(dǎo)航、機(jī)器人在軌壓緊與分離等功能，內(nèi)部安裝有測(cè)控、數(shù)傳、熱控、供配電、姿軌控、推進(jìn)等各平臺(tái)支撐部分，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在航天器表面爬行和自主飛行的基本功能。

圖1 爬行機(jī)器人構(gòu)型Fig·1 The configuration of wall-climbing robot

2.2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

爬行機(jī)器人的主結(jié)構(gòu)采用板式結(jié)構(gòu)，分為對(duì)稱布局的兩部分，兩個(gè)結(jié)構(gòu)間通過轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，可實(shí)現(xiàn)兩部分結(jié)構(gòu)的相對(duì)角度變化。

操作臂由六自由度機(jī)械臂和一個(gè)靈巧手組成，開展靈巧精細(xì)操作，開展飛行器維修。

為了簡化系統(tǒng)，爬行機(jī)器人每條腿的機(jī)構(gòu)配置相同(如圖2)。腿部由髖偏航關(guān)節(jié)、髖俯仰關(guān)節(jié)、膝俯仰關(guān)節(jié)(文中依次簡稱為關(guān)節(jié)1～3)3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和足部球關(guān)節(jié)組合而成。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)為主動(dòng)驅(qū)動(dòng)自由度，滿足了足端在空間中位置移動(dòng)，球關(guān)節(jié)為被動(dòng)約束自由度，滿足了足部在機(jī)器人爬行過程中的姿態(tài)調(diào)整。通過機(jī)器人各腿部機(jī)構(gòu)交替完成抬起-前后移動(dòng)-放下等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人爬行運(yùn)動(dòng)?？臻g應(yīng)用的四腿機(jī)構(gòu)，在設(shè)計(jì)中考慮如下特殊需求：

1)腿的結(jié)構(gòu)能夠承受機(jī)器人落在航天器表面時(shí)的沖擊，并提供緩沖吸能特性，減小對(duì)航天器表面的沖擊，避免反作用力將爬行機(jī)器人彈開；

2)腳踝采用球型鉸，使得機(jī)器人能夠適應(yīng)飛行器不同曲面；

3)空間沒有重力，足部吸附力無需太大，但需要克服單腿抬起時(shí)，航天器姿態(tài)擾動(dòng)和微振動(dòng)對(duì)機(jī)器人吸附可靠性和穩(wěn)定性的影響；

4)足部吸附需為靈巧手操作提供足夠的吸附力，避免簡單操作造成機(jī)器人逃逸；

5)機(jī)器人能源有限，足部吸附力不宜過大，以減小腿部電機(jī)的功耗。

對(duì)于爬行機(jī)器人，足的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，直接決定了在飛行器表面可靠吸附的能力和可行走的能力，工業(yè)常用的吸附方式及其特點(diǎn)如表1所示[5]。

圖2 機(jī)器人主結(jié)構(gòu)Fig·2 M ain structure of robot

表1 吸附方式Table 1 Type of adhension

從航天器特點(diǎn)看，空間無氣體，無法采用負(fù)壓吸附和正壓貼附技術(shù)。航天器表面大多為鋁合金、鈦合金、碳纖維、熱控多層、太陽翼電池片等材料，均不具備導(dǎo)磁功能，而且強(qiáng)磁場(chǎng)也容易對(duì)飛行器通信和電磁兼容性有較大影響，因此無法采用電磁吸附和永磁吸附?？臻g環(huán)境中，爬行機(jī)器人足部可選用的材料為粘接劑吸附和干性粘接吸附，但對(duì)于遙感衛(wèi)星的光學(xué)相機(jī)等對(duì)表面狀態(tài)要求非?？量痰暮教炱鳎膊贿m合采用粘接劑吸附方式，殘留的粘接劑可能對(duì)設(shè)備表面造成影響。

干性粘合劑實(shí)際是一種人造仿生壁虎腳。壁虎每個(gè)腳趾上有許許多多褶襞，每個(gè)褶襞上密布著無數(shù)根剛毛，而每一根剛毛的尖端又都分布著數(shù)千個(gè)更加微小的襯墊，這種襯墊在壁虎的每一個(gè)腳趾上達(dá)數(shù)十億個(gè)之多，使壁虎腳掌和物體間的接觸幾乎接近分子水平，這種特殊的黏著力是由壁虎腳底大量的剛毛與物體表面分子之間產(chǎn)生的范德瓦爾斯力累積而成的[6]。

對(duì)于空間應(yīng)用的爬行機(jī)器人，足底材料選擇與壁虎腳趾表面結(jié)構(gòu)相近的、經(jīng)物理改性的極性高分子材料，應(yīng)用成熟的微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System，MEMS)加工技術(shù)，即可適應(yīng)航天器表面金屬、碳纖維、熱控多層等材料。

3 步態(tài)設(shè)計(jì)

爬行機(jī)器人的步態(tài)是指機(jī)器人的每條腿(足)按一定的順序和軌跡進(jìn)行爬行的運(yùn)動(dòng)過程，該運(yùn)動(dòng)過程實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的步行運(yùn)動(dòng)。首先對(duì)爬行機(jī)器人足端步態(tài)進(jìn)行規(guī)劃，然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，確定其足端運(yùn)動(dòng)與各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，當(dāng)已知足端步態(tài)的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解即可以得到關(guān)節(jié)的期望路徑。爬行機(jī)器人按照關(guān)節(jié)期望的運(yùn)動(dòng)路徑驅(qū)動(dòng)各個(gè)關(guān)節(jié)，完成其行走過程。

3.1 步態(tài)規(guī)劃

穩(wěn)定裕度是判定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的好壞的關(guān)鍵指標(biāo)。地面爬行機(jī)器人的穩(wěn)定裕度是指機(jī)器人的質(zhì)心在各支撐腿所構(gòu)成平面上的垂直投影點(diǎn)到各支撐腿所構(gòu)成的三角形三條邊的最短距離，穩(wěn)定裕度值越大，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)越平穩(wěn)[5]，經(jīng)分析驗(yàn)證該穩(wěn)定裕度概念同樣適用于空間爬行機(jī)器人。

爬行機(jī)器人的步態(tài)一般分為靜步態(tài)和動(dòng)步態(tài)，在任何時(shí)刻機(jī)器人至少有3條腿著地的步態(tài)稱為靜步態(tài)[7]。為了保證空間爬行機(jī)器人能夠穩(wěn)定爬行，本文對(duì)其靜步態(tài)進(jìn)行規(guī)劃，在保證其穩(wěn)定裕度的同時(shí)，設(shè)計(jì)機(jī)器人身體前進(jìn)運(yùn)動(dòng)與邁腿運(yùn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行，克服地面四足機(jī)器人常見的運(yùn)動(dòng)緩慢及效率低下等問題。從而使機(jī)器人能夠高效快速的爬行。圖3為爬行機(jī)器人的步態(tài)圖，其中矩陣方塊代表機(jī)器人本體，其幾何中心為機(jī)器人質(zhì)心位置，黑色小圓表示固定足，藍(lán)色小圓表示運(yùn)動(dòng)足。圖3(a)為爬行機(jī)器人的原始構(gòu)型，為了使爬行機(jī)器人質(zhì)心處于支撐腿所構(gòu)成的平面內(nèi)，調(diào)整爬行步態(tài)初始位置如圖3(b)所示；此時(shí)，機(jī)器人邁動(dòng)1腿或4腿都不會(huì)傾斜，本文選擇邁前側(cè)1腿，在1腿邁動(dòng)過程中，身體前移，機(jī)器人重心在2、3、4腿的支撐區(qū)域內(nèi)；移動(dòng)至圖3 (c)位置時(shí)，重心在2、4連線處，此時(shí)，邁3腿，身體前移，重心平穩(wěn)切換至1、2、4腿的支撐區(qū)域；同理機(jī)器人邁動(dòng)2腿，身體前移；邁動(dòng)4腿，身體前移，回到爬行步態(tài)初始位置圖3(b)，完成一個(gè)步態(tài)周期，機(jī)器人前進(jìn)一段距離。因此，在“腿1—腿3—腿2—腿4”的抬腿順序下，重心始終在3腿支撐區(qū)域內(nèi)，機(jī)器人能夠穩(wěn)定前進(jìn)。

圖3 爬行機(jī)器人步態(tài)Fig·3 The gait of wall-climbing robot

對(duì)上文設(shè)計(jì)的步態(tài)通過規(guī)劃其足端軌跡，即可完成機(jī)器人的爬行過程。設(shè)定爬行機(jī)器人沿x方向直線運(yùn)動(dòng)，其足端在1個(gè)周期內(nèi)的各個(gè)時(shí)刻空間位置描述如表2～表3所示，其中T為爬行周期，s為足端前進(jìn)的最大步長，h為足端抬高的高度，k為各腿張開的寬度。

表2 足端位置描述(足1和足4)Table 2 Position description of feet(foot 1 and foot 4)

表3 足端位置描述(足2和足3)Tab le 3 Position description of feet(foot 2 and foot 3)

為了使爬行機(jī)器人足端平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)足端的運(yùn)動(dòng)采用三次多項(xiàng)式插值，根據(jù)足端運(yùn)動(dòng)的初始位置、結(jié)束位置、初始速度、結(jié)束速度及結(jié)束時(shí)間，即可求解出三次多項(xiàng)式各個(gè)系數(shù)，以x方向足端運(yùn)動(dòng)為例，軌跡可表示為式(1)：

3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

以爬行機(jī)器人的左前腿為例，把它看作一個(gè)三自由度的機(jī)械臂，坐標(biāo)系定義如圖4所示，F(xiàn)0為基坐標(biāo)系，x0軸與機(jī)身平行，z0軸垂直于機(jī)身，y0滿足右手定則；Fi(i＝1，2，3)為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系；zi軸為關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)方向，F(xiàn)i原點(diǎn)為過zi和zi+1的交點(diǎn)或公垂線與zi的交點(diǎn)；F4為足端坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于足部球關(guān)節(jié)中心，方向與F3相同；a1、a2為連桿的長度；θi(i＝1～3)表示zi軸關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度。

圖4 坐標(biāo)系Fig·4 Coordinates system

Fi＾為Fi(i＝1，2，3)的初始位置坐標(biāo)系，在初始時(shí)刻Fi＾與Fi位置和方向重合，在圖中省去Fi＾的描述。爬行機(jī)器人Fi＾坐標(biāo)系在Fi-1坐標(biāo)系的位置矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣可用pi-1，i＾和Ci-1，i＾表示，關(guān)節(jié)i繞其轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度θi后，坐標(biāo)系Fi相對(duì)于坐標(biāo)系Fi-1的旋轉(zhuǎn)矩陣可表示為式(2)：

其中，Ci＾，i為Fi相對(duì)于Fi＾的旋轉(zhuǎn)矩陣，表達(dá)式如式(3)所示：

各個(gè)坐標(biāo)系的變換矩陣可以表示為式(4)：

則第i個(gè)連桿在基坐標(biāo)中的變換矩陣為：

爬行機(jī)器人左前足相對(duì)于基坐標(biāo)系的變換矩陣可以表示為式(5)：

由式(4)可變換為式(6)：

由等式第四列的第一行、第二行和第三行，得到關(guān)于三個(gè)關(guān)節(jié)角度的方程組，通過求解方程組，可以得到左前腿機(jī)器人逆解如式(7)：

通過上式可知，爬行機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的角度只與機(jī)械臂連桿參數(shù)和足端的位置相關(guān)，因此，已知爬行機(jī)器人足部的位移軌跡即可求出各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

設(shè)定爬行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)為s＝0.01 m，h＝0.006 m，k＝0.1045 m，T＝4 s，機(jī)器人依次調(diào)整“腿1—腿3—腿2—腿4"，由原始構(gòu)型到爬行步態(tài)初始位置，之后完成2個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)。由表2和式(1)可得到爬行機(jī)器人足端三次擬合的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過式(7)動(dòng)力學(xué)逆解，可以求出各個(gè)關(guān)節(jié)角度軌跡，腿1的3個(gè)關(guān)節(jié)軌跡如圖5所示。

圖5 1腿關(guān)節(jié)軌跡Fig·5 Joint trajectory of leg 1

4 動(dòng)力學(xué)仿真分析

將爬行機(jī)器人Pro/E模型導(dǎo)入到Adams軟件中，定義各部件質(zhì)量屬性、設(shè)置驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副，足部為球副，足底與接觸面具有吸附作用，給足端施加垂直并指向接觸面內(nèi)大小為5 N的預(yù)載荷，足部接觸力屬性如表4所示，以樣條曲線插值的形式定義各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡，重力加速度為0 m/s2。在Adams/view環(huán)境下，對(duì)爬行機(jī)器人由原始構(gòu)型到爬行步態(tài)初始位置，之后完成2個(gè)周期(周期為4 s)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，仿真步長為0.001 s、仿真時(shí)間為12 s。

表4 接觸力屬性Table 4 Attribute of contact force

仿真結(jié)束后，通過后處理模塊得出機(jī)器人質(zhì)心在x，y，z方向上的位移曲線，如圖6所示。從圖中可以看出，爬行機(jī)器人質(zhì)心在x方向上的位移變化最大值為3.9 mm，y方向上為0.3 mm，z方向上為80 mm，x，y方向運(yùn)動(dòng)最大位移小于主方向位移的5％，說明爬行機(jī)器人能夠在所設(shè)計(jì)的步態(tài)下沿著預(yù)定的方向平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)，質(zhì)心運(yùn)動(dòng)偏差較小，平均運(yùn)動(dòng)速度約為10 mm/s，未出現(xiàn)四足爬行機(jī)器人靜步態(tài)常見的質(zhì)心間歇不平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。

圖6 機(jī)器人質(zhì)心位移Fig·6 Displacement of robot centroid

爬行機(jī)器人在爬行過程中，各關(guān)節(jié)1輸出力矩最大為530 Nmm，關(guān)節(jié)2輸出力矩最大為30 Nmm，關(guān)節(jié)3輸出力矩最大為20 Nmm，圖7為1腿各關(guān)節(jié)的力矩曲線。

經(jīng)Adams仿真后，得到單個(gè)足部在運(yùn)動(dòng)方向上所受到的摩擦力約為0.17 N，如圖8所示。該爬行機(jī)器人單個(gè)足部與地面的接觸面積為3.14 cm2，考慮1.5倍的余量，足部所需要設(shè)計(jì)的切向粘合力應(yīng)為0.081 N/cm2。目前，國外研制的仿壁虎粘附陣列中切向力較大的可達(dá)到92.5 N/ cm2[9]，國內(nèi)較大的可達(dá)到3.2 N/cm2[10]，因此，選擇仿壁虎粘附材料可滿足爬行機(jī)器人對(duì)足端吸附材料切向粘合力的需求。

圖7 1腿1關(guān)節(jié)力矩Fig·7 Jointmoment of leg1

圖8 腿1足部前進(jìn)方向摩擦力Fig·8 Foot friction of leg1 in forward direction

5 結(jié)論

本文提出一種吸附式爬行機(jī)器人，對(duì)其系統(tǒng)方案進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)適用于空間環(huán)境的腿和足部機(jī)構(gòu)；對(duì)機(jī)器人步態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用三次多項(xiàng)式插值的方法規(guī)劃軌跡；最后采用Adams軟件建立爬行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)其爬行過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得出以下結(jié)論：

1)在零重力條件下，依靠所設(shè)計(jì)本體機(jī)構(gòu)及吸附式足，機(jī)器人可以穩(wěn)步行走；

2)采用滿足穩(wěn)定裕度的步態(tài)設(shè)計(jì)方法，爬行機(jī)器人可以10 mm/s的速度，5％以內(nèi)的偏差穩(wěn)定快速地行走運(yùn)動(dòng)；

3)爬行機(jī)器人在行走過程中，關(guān)節(jié)輸出力矩最大為530 Nmm，足端切向粘合力最大為0.081 N/cm2，選擇小型關(guān)節(jié)及仿壁虎粘附材料即可以滿足機(jī)器人的爬行需求。

References)

[1] Sallaberger C，F(xiàn)ulford P，Ower C，et al.Robotic technologies for space exploration at MDA[C]//′i-SAIRAS 2005′-The 8th International Symposium on Artificial Intelligence，Robotics and Automation in Space，2005，603：56.

[2] Laryssa P，Lindsay E，Layi O，et al.International space station robotics：a comparative study of ERA，JEMRMS and MSS [C]//7th ESA Workshop on Advanced Space Technologies for Robotics and Automation eASTRA.2002.

[3] Bounmans R，Heemskerk C.The European robotic arm for the international space station[J].Robotics and Autonomous Systems，1998，23(1)：17-27.

[4] David A.Whelan，E.A.Adler，Samuel B.Wilson III，et al.DARPA orbital express program：effecting a revolution in space-based systems[J].Small Payloads in Space，2000，48.

[5] 王田苗，孟偲，裴葆青，等.仿壁虎機(jī)器人研究綜述[J].機(jī)器人，2007，29(3)：290-297. Wang Tianmiao，Meng Si，Pei Baoqing，et al.Summary on gecko robot research[J].ROBOT，2007，29(3)：290-297.(in Chinese)

[6] Autumn K，Liang Y，Hsieh T，et al.Adhesive force of a single gecko foot hair[J].Nature，2000，(405)：681-685.

[7] 李彬.視覺地形分類和四足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃方法研究與應(yīng)用[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2012. Li Bing，Research on and Application of Visual Terrain Classification and Gait planning of Quadruped Robot[D].Jinan：Shandong University，2012.(in Chinese)

[8] Ma S，Tomiyama T，Wada H.Omnidirectional static walking of a quadruped robot[J].IEEE Transactions on Robotics，2005，21(2)：152-16.

[9] Qu L，Dai L，Stone M，et al.Carbon nanotube arrays with strong shear binding-on and easy normal lifting-off[J].Science，2008，322(5899)：238-242.

[10] 張鵬.高深寬比微納層次結(jié)構(gòu)的仿壁虎毛優(yōu)化設(shè)計(jì)與制作工藝研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013. Zhang Peng.Optimization and Fabrication of High-Aspect-Ratio Micro/Nano Hierarchical Structures Mimicking Gecko Foot-Hairs[D].Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2013.(in Chinese)

Design and Gait Planning of a Space Adhension-type Climbing Robot

TANG Ling，YUAN Baofeng，WANG Yaobing，WEI Qingqing
(Beijing Key Laboratory of Intelligent Space Robotic Systems Technology and Applications，Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

For the application of space maintenance，a robot was introduced，which can adhere and crawl on the surface of a spacecraft and can be autonomously controlled during flight.Firstly，the system scheme and mechanism design of the robot were introduced.Based on the stability margin requirements of the robot walk，a stable and fast gait was designed，and the foot trajectory was planned with cubic curve-fitting method.Then the trajectory of each joint was solved using inverse kinematics method.The dynamic analysis of robot based on Adams illustrates that quadruped adhension-type climbing robot can walk stably in high-speed under zero-gravity environment.It also demonstrates that the mechanism design and gait planning of robot work well.

space；adhension；crawling robot；gait；simulation

TP242

A

1674-5825(2015)05-0486-06

2015-03-19；

2015-08-17

唐 玲(1986-)，女，碩士，工程師，研究方向?yàn)榭臻g智能機(jī)器人。E-mail：tangling501＠163.com