基于仿章鱼软体机器人空间碎片柔性自适应捕获装置的设想

韩亮亮，杨 健，赵 颖，刘 珏，彭福军

基于仿章鱼软体机器人空间碎片柔性自适应捕获装置的设想

韩亮亮，杨 健，赵 颖，刘 珏，彭福军

（上海宇航系统工程研究所，上海201108）

针对空间碎片跨尺度、柔性、自适应捕获的需求，根据任务功能分析及仿生学启示，提出了一种基于仿章鱼充气软体机器人的碎片捕获装置，主要由仿章鱼触手和伸展臂组成，具备远距离可达、末端位姿调整、跨尺度碎片抓捕、目标碎片的测量与识别等能力。捕获装置采用仿章鱼单支链捕获及多支链协同缠绕的方式实现对跨尺度目标的可靠、灵活捕获。捕获触手采用充气软体机器人的机理实现对非结构化碎片的可靠捕获、相容，可实现捕获过程中对碰撞冲击的减缓和能量吸收。伸展臂采用充气驱动的方式展开，具有轻质、大收缩比的特点。触手表面还采用仿壁虎脚趾刚毛实现对碎片的可靠粘附，进一步确保抓取的可靠性。最后通过任务仿真验证了碎片柔性自适应捕获装置的可行性和先进性。

柔性；捕获装置；碎片移除；仿章鱼；软体机器人

1 引言

随着人类航天活动日益频繁，日益增长的空间碎片已成为在轨航天器的头号威胁，其危害性已得到世界各国的重视，碎片主动清除技术在国外不断发展，并向工程化迈进［1］。典型的碎片捕获移除任务如欧空局的ROGER计划（Robotic Geostationary Orbit Restorer）［2］、德宇航的TECSAS计划［3］、日本碎片移除计划均提出了一些主动空间碎片清除概念［4］，包括空间机械臂、电动力缆绳、飞网、飞爪等手段。目前提出的基于软体材料的软体机器人等新手段也可考虑用于空间碎片的捕获［5⁃6］。对比刚性机械臂、飞网及飞爪，软体捕获装置具有轻质、收藏比大、可重复使用、成本低的优点；与硬质材料构成的捕获装置相比，软体结构对压力有很小的阻抗，可以通过柔顺变形的方式与障碍物相容，适合在非结构化环境下使用；相对刚性捕获，软体捕获装置捕获时来自环境的反作用力大范围分布于软体组织表面，能够减小冲击、吸收能量，适合存在碰撞的捕获场合。

因此，本文提出一种仿软体动物的碎片捕获装置，论证捕获装置主要机构的实现方案，并开展典型任务进行仿真验证。

2 柔性自适应捕获装置的系统方案

根据跨尺度目标柔性自适应捕获的任务和功能需求，基于仿章鱼软体机器人的空间碎片柔性自适应捕获装置总体方案设计如下：

1）章鱼单支链及多支链捕获方式实现跨尺度目标的捕获：从仿生学角度出发，末端抓捕载荷借鉴生物界中八爪章鱼的操作模式，如图1所示，其由多个触手组成，可实现以单支链捕获小尺度碎片目标、多支链协同缠绕的方式抓取捕获大尺度的碎片目标，通过单支链自由度冗余及多支链互相冗余的方式在系统层面保证了捕获装置具有较高的容错性和安全性，同时也提高了捕获装置操作的灵活性。

2）软体仿生机理实现对碎片的可靠捕获、相容，实现捕获碰撞冲击的减缓和能量吸收：借鉴自然界中软体动物的运动机理设计捕获装置的触手，与硬质材料构成的捕获装置相比，软体结构对压力有很小的阻抗，可以通过柔顺变形的方式与障碍物相容，适合在非结构化环境下使用；同时，捕获时来自环境的反作用力大范围分布于软体组织表面，又能够减小冲击、吸收能量，适合存在碰撞、接触的动态目标捕获场合。

3）充气展开方式实现轻质、大收缩比伸展臂：捕获装置可实现远距离的伸展与收拢，且伸展距离可控，通过其可控的多个自由度可将末端捕获装置与运动目标的相对位姿调整接近。其伸展机构采用充气展开的方式，具有柔性、轻质、收藏比大的优势。

4）利用仿生粘附手段实现对碎片的可靠粘附：从仿生学角度出发，借鉴壁虎脚趾刚毛和绒毛阵列与接触表面接触产生范德华力形成超级粘附力的方法，可在软体触手表面布置仿壁虎微纳米刚毛阵列，实现软体触手对碎片的粘附，进一步确保抓取的可靠性。

根据上述仿生启示，本文提出的用以应对低成本低轨碎片柔性自适应捕获要求的捕获装置，主要包括：对不同尺度碎片捕获的软体捕获触手、释放和收拢其末端的软体捕获触手的充气伸展臂、对充气伸展臂的位置进行调整的位置微调装置、用于对旋转目标主动消旋的气动消旋装置、用于对目标碎片的测量与识别的目标识别装置、气源及驱动器等组成，如图2所示。

3 软体触手的设计及参数化

软体触手是捕获装置随形捕获的关键组成部分，对于外形包络约1 m的碎片目标，软体触手的设计如图3所示，软体触手由4个软体触手及弹性接触垫组成。为了增强触手捕获的灵活性和可靠性，每个触手由两段组成，每段可独立控制。

目前软体机器人常用的充气驱动装置包括气动网格驱动器、纤维加固驱动器、充气人工肌肉、多模态变刚度驱动器等［7⁃8］。本文中仿生软体触手采用气动网格驱动器的实现方式，具有结构驱动一体化的特点，该结构采用具有不同伸展性的双层材料层叠而成，驱动层采用可延展性高的材料，应变限制层采用可伸展性差的材料。应变限制层上布置黏附层，以增强接触后的摩擦力和连接力。当外部加压时，由于延展性不同，驱动层产生的形变远大于应变限制层，宏观上导致材料向应变限制层一侧弯曲运动。各个气动网络装置相互独立，驱动层与应变限制层中间有间隔分布的连通空腔，通过调整空腔的方向、大小、数量来调整气动网络装置的运动。按照运动形态需求，按一定时序控制不同气动网络装置的加压时间、压力大小，即可控制整个捕获装置的运动。

软体捕获装置理论上具有无限多自由度，并且驱动器数目有限，属于欠驱动系统，其自由度与驱动器并非一对一的关系；而且在捕获过程中因接触发生的分布式负载或局部变形时，捕获装置的运动状态也会发生适应性变化；因此在理论上较难直接获得触手充气驱动参数与触手运动末端位置的数学关系，本文主要通过仿真和试验辨识得到其数学关系。

在Abaqus软件中，开展参数化分析，软体触手的模型和主要参数如图4所示，其中L为网格长度，t为网格壁厚，W为网格宽度，b为网格高度。建立的软体触手的虚拟样机如图5所示。由图6～9的仿真结果可见，软体触手的弯曲能力随着压强的增加而增加、随着网格高度b的增加而增加、随着壁厚t的增加而减小、随着网格宽度W的增加而增加。

4 典型捕获任务仿真

本文以捕获移除失效的卫星作为典型任务，以球形卫星或立方体卫星作为典型目标。在仿真系统平台上，通过对典型捕获任务的仿真，完成对捕获装置的功能和性能的验证和演示。

通过图10和11的仿真结果，可见捕获装置充气后，各个软体触手运动并接近球形卫星或立方体卫星直至发生接触，接触后发生随形作用，持续充气软体触手可适应目标的形状，并与目标形成大面积贴合的可靠连接。可见，捕获装置可通过充气缠绕、收拢、包容的方式实现对碎片目标的捕获，软体机理用于捕获碎片具有一定的可行性。

5 结论

本文提出了仿章鱼软体触手碎片柔性自适应捕获装置的方案，对软体触手开展了方案设计和参数化分析，对捕获装置开展了典型任务的仿真验证，结果表明提出的方案具有一定的可行性。仿章鱼软体触手碎片柔性自适应捕获装置的方案是国内外首次提出的软体捕获碎片的创新方案，在后续的研究中，将对捕获装置的功能和性能开展更充分的验证，在捕获装置的稳定性、可靠性等方面开展更深入的研究，充分考虑实际工程中存在的约束，推进方案的工程化。

（References）

［1］ Liou J C．Orbital debris and future environment remediation［R］．Washington：NASA⁃AAS⁃11⁃254，2011：20⁃32．

［2］ Bischof B．Roger⁃robotic geostationary orbit restorer［C］／／COSPAR Scientific Assembly．34th COSPAR Scientific As⁃sembly，2002．

［3］ Sommer B．Unmanned on⁃orbit servicing in the German space program⁃the TECSAS mission［C］／／International Astronau⁃tical Congress of the International Astronautical Federation，the International Academy of Astronautics，and the Interna⁃tional Institute of Space Law．2013．

［4］ Nishida S I，Kawamoto S，Okawa Y，et al．Space debris re⁃moval system using a small satellite［J］．Acta Astronautica，2009，65（1⁃2）：95⁃102．

［5］ Ilievski F，Mazzeo A D，Shepherd R F，et al．Soft robotics for chemists［J］．Angewandte Chemie，2015，123（8）：1930⁃1935．

［6］ Rus D，Tolley M T．Design，fabrication and control of soft ro⁃bots［J］．Nature，2015，521（7553）：467．

［7］ Mosadegh B，Polygerinos P，Keplinger C，et al．Soft robotics：Pneumatic networks for soft robotics that actuate rapidly［J］．Ad⁃vanced Functional Materials，2014，24（15）：2163⁃2170．

［8］ Faudzi A A M，Razif M R M，Nordin I N A M，et al．Devel⁃opment of bending soft actuator with different braided angles［C］／／IEEE／ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics．IEEE，2012：1093⁃1098．

（责任编辑：康金兰）

Assumption on Flexible Adaptive Orbital Debris Capture Device Based on Octopus⁃inspired Pneumatic Soft Robot

HAN Liangliang，YANG Jian，ZHAO Ying，LIU Yu，PENG Fujun
（Aerospace System Engineering Shanghai，Shanghai 201108，China）

To capture the space debris of different scales flexibly and adaptively，a capture device based on octopus⁃inspired pneumatic soft robot was proposed according to the task function analysis and bionic revelation．The device was mainly composed of the octopus⁃inspired tentacles and the de⁃ployable arm．The device was capable of distant reaching，end position and pose adjusting，debris capturing and target recognition and measurement．The device could capture orbital debris reliably and nimbly with single tentacle bending or multi⁃tentacle twining．The tentacle was based on the mechanism of pneumatic soft robot and was compatible and adaptive to the irregularly shaped debris and could absorb the energy during the contact and impact．The deployable arm was driven by the pneumatic actuation，so it was of light weight and high shrink ratio．Gecko⁃inspired biomimetic nano⁃sacle adhesive arrays were also used on the surface of the tentacle to ensure reliable grasping．In addition，task simulations were carried out to validate its feasibility．

flexible；capture device；debris removal；octopus inspired；soft robot

V57

A

1674⁃5825（2017）04⁃0469⁃04

2017⁃03⁃09；

2017⁃07⁃05

载人航天预先研究项目（030401）

韩亮亮，男，硕士，工程师，研究方向为空间机器人。E⁃mail：hllrob＠163．com