工程師設(shè)計(jì)了一個(gè)清理空間碎片的機(jī)器人抓手

工程師設(shè)計(jì)了一個(gè)清理空間碎片的機(jī)器人抓手

現(xiàn)在，大約有50萬(wàn)件人造碎片在太空中肆虐，以每小時(shí)17,500英里的速度繞行星軌道運(yùn)行。這些碎片對(duì)這些車輛上的衛(wèi)星，航天器和宇航員構(gòu)成威脅。

整理特別具有挑戰(zhàn)性的是碎片存在于太空中。吸盤不能在真空中工作。傳統(tǒng)的粘性物質(zhì)，如膠帶，在很大程度上是無(wú)用的，因?yàn)樗鼈兯蕾嚨幕瘜W(xué)物質(zhì)無(wú)法承受極端的溫度波動(dòng)。磁鐵僅適用于磁性物體。大多數(shù)提議的解決方案，包括碎片魚(yú)叉，要么或要求與碎片進(jìn)行有力的相互作用，這可能會(huì)使這些物體在無(wú)意的，不可預(yù)測(cè)的方向上被推動(dòng)。

為解決這一問(wèn)題，斯坦福大學(xué)和美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的研究人員設(shè)計(jì)了一種新型的機(jī)器人抓取器，用于抓取和處理碎片，這些都發(fā)表在6月27日出版的“ 科學(xué)機(jī)器人”雜志上。

“我們開(kāi)發(fā)的是一種使用壁虎式粘合劑的夾具，”機(jī)械工程教授，該論文的高級(jí)作者Mark Cutkosky說(shuō)。“這是我們大約10年前開(kāi)始攀登機(jī)器人的工作的結(jié)果，這些機(jī)器人使用粘合劑，靈感來(lái)自壁虎如何貼在墻壁上。”

該小組在他們的實(shí)驗(yàn)室和多個(gè)零重力實(shí)驗(yàn)空間(包括國(guó)際空間站)測(cè)試了他們的抓手和小型版本。這些早期測(cè)試的有希望的結(jié)果使得研究人員想知道他們的夾子將如何在車站外進(jìn)行，這可能是下一步。

“有許多任務(wù)可以從中受益，例如交會(huì)對(duì)接和軌道碎片緩解，”JPL的極端環(huán)境機(jī)器人組小組負(fù)責(zé)人，06年，MS博士，Aaron Parness說(shuō)。“我們最終還可能開(kāi)發(fā)出一種可以在航天器上爬行，進(jìn)行修理，拍攝和檢查缺陷的攀爬機(jī)器人助手。”

創(chuàng)建一個(gè)壁虎抓手

Cutkosky實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的粘合劑以前曾用于攀爬機(jī)器人，甚至是一種允許人類爬上某些表面的系統(tǒng)。它們受到壁虎的啟發(fā)，壁虎可以攀爬墻壁，因?yàn)樗鼈兊哪_具有微小的襟翼，當(dāng)與表面完全接觸時(shí)，在腳和表面之間產(chǎn)生范德瓦爾斯力。這些是由分子外部電子位置的細(xì)微差異引起的弱分子間力。

夾子不像壁虎的腳那么復(fù)雜 - 粘合劑的襟翼大約是40微米，而壁虎大約是200納米 - 但是壁虎式粘合劑的工作方式大致相同。就像壁虎的腳一樣，如果襟翼被推向特定的方向，但是僅僅需要向右方向輕推，它只是粘性的。對(duì)于空間抓手將執(zhí)行的各種任務(wù)，這是一個(gè)有用的功能。

加州大學(xué)圣巴巴拉分校的訪問(wèn)助理教授艾略特·霍克斯說(shuō)：“如果我進(jìn)來(lái)并試圖將壓敏粘合劑推到浮動(dòng)物體上，它就會(huì)漂走。”該論文的共同作者。“相反，我可以非常輕柔地將粘合墊接觸浮動(dòng)物體，將墊子朝向彼此擠壓，以便它們被鎖定，然后我就能夠移動(dòng)物體。”

墊子以相同的輕柔動(dòng)作解鎖，對(duì)物體產(chǎn)生很小的力。

研究人員創(chuàng)造的夾子在前部和手臂上有一個(gè)粘性方格網(wǎng)格，帶有薄的粘性條帶，可以折疊并從兩側(cè)向機(jī)器人中間移動(dòng)，就好像它提供了一個(gè)擁抱。網(wǎng)格可以粘在扁平物體上，就像太陽(yáng)能電池板一樣，手臂可以抓住彎曲的物體，就像火箭體一樣。

這項(xiàng)工作面臨的最大挑戰(zhàn)之一是確保粘合劑上的負(fù)載均勻分布，研究人員通過(guò)將小方塊連接到滑輪系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的，滑輪系統(tǒng)也用于鎖定和解鎖襯墊。如果沒(méi)有這個(gè)系統(tǒng)，不均勻的壓力會(huì)導(dǎo)致方塊逐個(gè)展開(kāi)，直到整個(gè)夾具松開(kāi)。該負(fù)載分配系統(tǒng)還允許夾具在具有缺陷的表面上工作，所述缺陷防止一些方塊粘附。

該小組還設(shè)計(jì)了夾具，以在松弛和剛性狀態(tài)之間切換。

“想象你正試圖抓住一個(gè)漂浮的物體，你想要盡可能靈活地符合那個(gè)物體，這樣你就不會(huì)把那個(gè)物體推開(kāi)，”Cutkosky實(shí)驗(yàn)室的研究生郝江解釋說(shuō)。該論文的第一作者。“抓住后，你希望你的操作非常僵硬，非常精確，這樣你就不會(huì)感到手臂和物體之間的延遲或松弛。”

零G的壁虎式粘合劑

該小組首先在Cutkosky實(shí)驗(yàn)室測(cè)試了夾具。他們仔細(xì)測(cè)量了夾具可以承受多少負(fù)荷，當(dāng)施加不同的力和扭矩時(shí)會(huì)發(fā)生什么，以及它可以被卡住和松開(kāi)多少次。通過(guò)與JPL的合作，研究人員還在零重力環(huán)境中測(cè)試了夾具。

在JPL的Robodome中，他們將帶有粘合劑的小矩形臂連接到一個(gè)大型機(jī)器人，然后將這個(gè)改進(jìn)的機(jī)器人放在一個(gè)類似于巨型空氣曲棍球臺(tái)的地板上，以模擬2D零重力環(huán)境。然后，他們?cè)噲D讓他們的機(jī)器人在無(wú)摩擦的地板上掠過(guò)并抓住并移動(dòng)一個(gè)類似的機(jī)器人。

霍克斯說(shuō)：“我們讓一個(gè)機(jī)器人追逐另一個(gè)機(jī)器人，抓住它，然后把它拉回我們想去的地方。” “我認(rèn)為這絕對(duì)令人大開(kāi)眼界，看看我們的粘合劑相對(duì)較小的一塊可以如何拉動(dòng)一個(gè)300千克的機(jī)器人。”

接下來(lái)，江和帕內(nèi)斯進(jìn)行了拋物線飛機(jī)飛行，以測(cè)試零重力的抓手。在兩天的時(shí)間里，他們進(jìn)行了一系列的80次上升和潛水，在機(jī)艙內(nèi)創(chuàng)造了大約20秒的2G和20秒零-G條件的交替體驗(yàn)。抓手成功地抓住并松開(kāi)了一個(gè)立方體和一個(gè)大型沙灘球，觸感柔和，物體在釋放時(shí)幾乎不動(dòng)。

最后，Parness的實(shí)驗(yàn)室在國(guó)際空間站(ISS)開(kāi)發(fā)了一個(gè)小型夾具，在那里他們測(cè)試了夾具在工作站內(nèi)的工作情況。

夾具的后續(xù)步驟包括將其準(zhǔn)備好在空間站外進(jìn)行測(cè)試，包括創(chuàng)建一種由持久耐用的材料制成的版本，能夠承受高水平的輻射和極端溫度。目前的原型由激光切割膠合板制成，并且包括橡皮筋，其在空間中會(huì)變脆。研究人員將不得不在國(guó)際空間站外進(jìn)行測(cè)試，這可能是為了安裝在機(jī)器人手臂的末端。

回到地球上，Cutkosky還希望他們能夠以更低的成本制造更大量的粘合劑。他想象有一天，壁虎式粘合劑可能像魔術(shù)貼一樣普遍。