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工程师设计了一个机器人抓爪来清理空间碎片
2021年01月08日    阅读量:     新闻来源:中国机器人网 vrovro.com  |  投稿

目前,约有500,000片人造碎片在太空中旋转,以每小时17500英里的速度绕地球旋转。这些碎片对这些运载工具上的卫星,航天器和宇航员构成威胁。


工程师设计了一个机器人抓爪来清理空间碎片 中国机器人网,vrovro.com


使整理特别具有挑战性的是,碎片存在于太空中中国机器人网vrovro.com。吸盘不能在真空中工作。传统的粘性物质(例如胶带)在很大程度上没有用,因为它们所依赖的化学物质无法承受极端的温度波动。磁铁只能在磁性物体上工作。


大多数提议的解决方案,包括碎片鱼叉,都需要或导致与碎片的强力交互,这可能会将这些物体推向意想不到的,不可预测的方向。


为了解决这些混乱局面,斯坦福大学和美国国家航空航天局喷气推进实验室(JPL)的研究人员设计了一种新型的机器人抓取器,用于抓取和处理碎片,该刊物于6月27日出版于《科学机器人》杂志上。


机械工程学教授,该论文的高级作者马克·卡特科斯基(Mark Cutkosky)说:“我们开发的是一种使用壁虎启发的粘合剂的抓具。” “这是大约10年前我们开始进行的攀登工作的产物,该攀登机器人使用了受壁虎粘在墙上的方式启发而使用的粘合剂。”


该小组在实验室和包括国际空间站在内的多个零重力实验空间中测试了其抓手和更小型的抓手。这些早期测试的有希望的结果使研究人员想知道他们的抓爪将如何在站外行驶,这可能是下一步。


JPL极端环境机器人技术小组负责人A'ron Parness,MS '06,PhD '10,说:“有许多任务可以从中受益,例如会合和对接以及减轻轨道碎片。” “我们最终还可以开发一个攀爬机器人助手,该助手可以在飞船上爬行,进行维修,拍摄并检查缺陷。”


创建壁虎爪


Cutkosky实验室开发的胶粘剂以前曾用于攀爬机器人,甚至用于允许人类攀爬某些表面的系统。


他们的灵感来自壁虎,壁虎可以爬上墙壁,因为它们的脚有微观的瓣,当它们与表面完全接触时,它们会在脚和表面之间产生范德华力。这些是弱的分子间作用力,这是由于分子外部电子位置的细微差异引起的。

 

抓手并不像壁虎的脚那么复杂-粘合剂的翼片约40微米,而壁虎的翼片约200纳米-但受壁虎启发的粘合剂的作用原理几乎相同。


就像壁虎的脚一样,只有沿特定方向推动襟翼时它才具有粘性,但仅需向正确方向轻轻推动即可使其粘住。这对于空间抓取器将执行的各种任务很有帮助。


抓具的底面。壁虎风格的粘合剂的正方形在握住一块紫色玻璃时发光。


加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的客座助理教授艾略特·霍克斯(Elliot Hawkes)说:“如果我进来尝试将压敏胶粘剂推到漂浮的物体上,它会飘走的”,MS '11,Ph''15。该论文的合著者。“


相反,我可以非常轻柔地将粘合垫触摸到漂浮的物体,将粘合垫朝彼此挤压,以便将它们锁定,然后可以在周围移动物体。”


护垫以相同的轻柔动作解锁,几乎没有力作用在物体上。


研究人员创建的抓手的正面有一个正方形的粘合剂正方形,而手臂上带有细小的粘合剂条,这些粘合剂条可以折叠并从任一侧向机器人的中央移动,好像在提供一个拥抱一样。栅格可以粘在平坦的物体上,例如太阳能电池板,而手臂则可以抓住弯曲的物体,例如火箭弹。


斯坦福大学Cutkosky实验室制造的机器人夹具的特写。夹具设计为使用壁虎风格的粘合剂在零重力下抓取物体。


这项工作的最大挑战之一是确保粘合剂上的负载均匀分布,研究人员通过滑轮系统将小方块连接起来,该滑轮系统还用于锁定和解锁护垫,从而实现了这一目标。


如果没有该系统,不均匀的应力将导致正方形一个接一个地松开,直到整个抓爪松开为止。该负载共享系统还允许抓取器在具有缺陷的表面上工作,这些缺陷可防止某些正方形卡死。


该小组还设计了夹持器,以在松弛状态和刚性状态之间切换。


“想像您要抓住一个漂浮的物体,您想要在尽可能灵活的情况下顺应该物体,这样就不会将其推开,” Cutkosky实验室的研究生Hao Jiang解释说。该论文的主要作者。“抓住之后,您希望您的操作非常僵硬,非常精确,以免手臂和物体之间没有延迟或松弛。”


零重力G型壁虎胶


该小组首先在Cutkosky实验室测试了夹持器。他们仔细测量了抓爪可以承受的负载量,施加不同的力和扭矩时发生的情况以及卡钉和松开卡钉的次数。通过与JPL的合作,研究人员还在零重力环境下测试了抓爪。


在JPL的Robodome中,他们将带有粘合剂的矩形小臂附着到大型机器人上,然后将修改后的机器人放在类似于巨型冰球台的地板上,以模拟2D零重力环境。然后,他们试图让自己的机器人在无摩擦的地板上踩踏,并捕获并移动类似的机器人。


霍克斯说:“我们让一个机器人追赶另一个机器人,抓住它,然后将它拉回到我们想要去的地方。” “我认为那绝对是大开眼界,看看一小段我们的粘合剂如何能拉动一台300公斤的机器人。”


Cutkosky实验室的研究生,该论文的主要作者郝江(Hao Jiang)展示了一个被壁虎启发的粘合剂紧握的篮球。


接下来,Jiang和Parness进行了抛物线飞行,以在零重力下测试抓爪。


在两天的时间里,他们进行了80次升空和俯冲飞行,从而在机舱内产生了大约20秒的2G和20秒的零重力条件的交替体验。抓手成功抓紧并放开了一个立方体和一个大沙滩球,触感足够柔和,以至于物体在释放时几乎不会移动。


最后,帕内斯(Parness)的实验室开发了一种小型抓具,该抓具安装在国际空间站(ISS)中,在那里他们测试了抓具在空间站内的工作情况。


抓取器的下一步包括准备好在空间站外进行测试,包括创建由持久性材料制成的版本,该材料能够承受高水平的辐射和极端温度。


当前的原型是由激光切割的胶合板制成的,并包括橡皮筋,橡皮筋在空间中会变脆。研究人员将不得不为在ISS之外进行测试做一些更坚固的设计,这可能设计为连接到机器人手臂的末端。


回到地球,Cutkosky还希望他们能够以较低的成本生产大量的粘合剂。他认为有朝一日,壁虎风格的粘合剂会像维可牢尼龙搭扣一样普遍。


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