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工程师设计了一个机器人抓手 用于清理空间碎片

现在,大约有50万件人造碎片在太空中肆虐,以每小时17,500英里的速度绕行星轨道运行。这些碎片对这些车辆上的卫星,航天器和宇航员构成威胁。

整理特别具有挑战性的是碎片存在于太空中。吸盘不能在真空中工作。传统的粘性物质,如胶带,在很大程度上是无用的,因为它们所依赖的化学物质无法承受极端的温度波动。磁铁仅适用于磁性物体。大多数提议的解决方案,包括碎片鱼叉,要么或要求与碎片进行有力的相互作用,这可能会使这些物体在无意的,不可预测的方向上被推动。

为解决这一问题,斯坦福大学和美国宇航局喷气推进实验室(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,这些都发表在6月27日出版的“ 科学机器人”杂志上。

“我们开发的是一种使用壁虎式粘合剂的夹具,”机械工程教授,该论文的高级作者Mark Cutkosky说。“这是我们大约10年前开始攀登机器人的工作的结果,这些机器人使用粘合剂,灵感来自壁虎如何贴在墙壁上。”

该小组在他们的实验室和多个零重力实验空间(包括国际空间站)测试了他们的抓手和小型版本。这些早期测试的有希望的结果使得研究人员想知道他们的夹子将如何在车站外进行,这可能是下一步。

“有许多任务可以从中受益,例如交会对接和轨道碎片缓解,”JPL的极端环境机器人组小组负责人,06年,MS博士,Aaron Parness说。“我们最终还可能开发出一种可以在航天器上爬行,进行修理,拍摄和检查缺陷的攀爬机器人助手。”

创建一个壁虎抓手

Cutkosky实验室开发的粘合剂以前曾用于攀爬机器人,甚至是一种允许人类爬上某些表面的系统。它们受到壁虎的启发,壁虎可以攀爬墙壁,因为它们的脚具有微小的襟翼,当与表面完全接触时,在脚和表面之间产生范德瓦尔斯力。这些是由分子外部电子位置的细微差异引起的弱分子间力。

夹子不像壁虎的脚那么复杂 - 粘合剂的襟翼大约是40微米,而壁虎大约是200纳米 - 但是壁虎式粘合剂的工作方式大致相同。就像壁虎的脚一样,如果襟翼被推向特定的方向,但是仅仅需要向右方向轻推,它只是粘性的。对于空间抓手将执行的各种任务,这是一个有用的功能。

加州大学圣巴巴拉分校的访问助理教授艾略特·霍克斯说:“如果我进来并试图将压敏粘合剂推到浮动物体上,它就会漂走。”该论文的共同作者。“相反,我可以非常轻柔地将粘合垫接触浮动物体,将垫子朝向彼此挤压,以便它们被锁定,然后我就能够移动物体。”

垫子以相同的轻柔动作解锁,对物体产生很小的力。

研究人员创造的夹子在前部和手臂上有一个粘性方格网格,带有薄的粘性条带,可以折叠并从两侧向机器人中间移动,就好像它提供了一个拥抱。网格可以粘在扁平物体上,就像太阳能电池板一样,手臂可以抓住弯曲的物体,就像火箭体一样。

这项工作面临的最大挑战之一是确保粘合剂上的负载均匀分布,研究人员通过将小方块连接到滑轮系统来实现这一目的,滑轮系统也用于锁定和解锁衬垫。如果没有这个系统,不均匀的压力会导致方块逐个展开,直到整个夹具松开。该负载分配系统还允许夹具在具有缺陷的表面上工作,所述缺陷防止一些方块粘附。

该小组还设计了夹具,以在松弛和刚性状态之间切换。

“想象你正试图抓住一个漂浮的物体,你想要尽可能灵活地符合那个物体,这样你就不会把那个物体推开,”Cutkosky实验室的研究生郝江解释说。该论文的第一作者。“抓住后,你希望你的操作非常僵硬,非常精确,这样你就不会感到手臂和物体之间的延迟或松弛。”

零G的壁虎式粘合剂

该小组首先在Cutkosky实验室测试了夹具。他们仔细测量了夹具可以承受多少负荷,当施加不同的力和扭矩时会发生什么,以及它可以被卡住和松开多少次。通过与JPL的合作,研究人员还在零重力环境中测试了夹具。

在JPL的Robodome中,他们将带有粘合剂的小矩形臂连接到一个大型机器人,然后将这个改进的机器人放在一个类似于巨型空气曲棍球台的地板上,以模拟2D零重力环境。然后,他们试图让他们的机器人在无摩擦的地板上掠过并抓住并移动一个类似的机器人。

霍克斯说:“我们让一个机器人追逐另一个机器人,抓住它,然后把它拉回我们想去的地方。” “我认为这绝对令人大开眼界,看看我们的粘合剂相对较小的一块可以如何拉动一个300千克的机器人。”

接下来,江和帕内斯进行了抛物线飞机飞行,以测试零重力的抓手。在两天的时间里,他们进行了一系列的80次上升和潜水,在机舱内创造了大约20秒的2G和20秒零-G条件的交替体验。抓手成功地抓住并松开了一个立方体和一个大型沙滩球,触感柔和,物体在释放时几乎不动。

最后,Parness的实验室在国际空间站(ISS)开发了一个小型夹具,在那里他们测试了夹具在工作站内的工作情况。

夹具的后续步骤包括将其准备好在空间站外进行测试,包括创建一种由持久耐用的材料制成的版本,能够承受高水平的辐射和极端温度。目前的原型由激光切割胶合板制成,并且包括橡皮筋,其在空间中会变脆。研究人员将不得不在国际空间站外进行测试,这可能是为了安装在机器人手臂的末端。

回到地球上,Cutkosky还希望他们能够以更低的成本制造更大量的粘合剂。他想象有一天,壁虎式粘合剂可能像魔术贴一样普遍。

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