本發(fā)明涉及用于月面基建工程的結構，屬于機械結構設計。

背景技術：

1、對太空的探索是人類矢志不渝的追求。隨著人類對深空探測需求的不斷升級，地外天體探測已成為全球科技發(fā)展的重要目標。月球作為地球唯一的天然衛(wèi)星，是極具現(xiàn)實意義的探測目標。月球不僅承載著宇宙起源、行星演化等重大科學問題的研究價值，更是稀有資源開發(fā)與深空探測技術驗證的關鍵平臺。月球南極永久陰影區(qū)的水冰資源可為未來基地提供氧氣、燃料和生命保障支持，而氦-3等核聚變燃料的潛在開發(fā)將重塑地球能源結構。此外，月球低重力環(huán)境為深空探測器發(fā)射提供了天然優(yōu)勢，成為火星探測及更遠天體探索的中繼站。

2、隨著人類深空探測從短期科考向長期駐留的戰(zhàn)略轉型，月球已從單純的科研目標演變?yōu)榈赝赓Y源開發(fā)與深空技術驗證的核心樞紐。

3、月面基建是一項大規(guī)模、高難度、高任務復雜性的系統(tǒng)工程，包含鏟挖、夾取、鉆探、維修等多項任務。然而，傳統(tǒng)地外天體探測器受限于功能單一化設計，其工作范圍與作業(yè)能力存在顯著局限性?，F(xiàn)有機械系統(tǒng)往往采用固定式末端執(zhí)行器，工作能力單一，效率低下，工作耗時長。例如美國“好奇號”火星車僅配備單一鉆探工具，在月壤采樣與設備維護等場景切換時需依賴地面指令重新規(guī)劃流程，單次任務切換耗時長達數(shù)小時。因此，傳統(tǒng)地外天體探測器已不能勝任月面基建的需要。

4、月球基建時期的一大趨勢是分布式小型機械集群。與早期依賴單一重型設備的方案不同，小型化機械集群可通過動態(tài)重組適應月壤挖掘、結構裝配、能源管線鋪設等多樣化任務，但這也對裝備的標準化接口、自主決策能力提出更高要求。此外，單一重型設備由于成本高，設計的安全冗余較高，在工作中往往動作緩慢，效率低下。而小型化機械集群單個設備成本較低，小巧靈活，能夠極大提高月面基建效率。

5、在月面基建中，由于月球環(huán)境的不確定性，作業(yè)對象的不確定性和遙測遙控的大延遲性，對探測器的自主能力提出了很高的要求。遙測遙控的大滯后性導致地面操控人員的智能行為無法干預探測器作業(yè)過程，僅體現(xiàn)作業(yè)之前的設計過程。作業(yè)環(huán)境和對象的不確定性使基建作業(yè)成為在信息不確定、不完全情況下的科學活動，極大影響著作業(yè)成功率。同時，在小型化機械集群的趨勢下，對所有探測器的所有任務都人為干涉費時費力，極大影響了月面基建效率。因此，完善探測器感知-決策的自主能力尤為重要。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有機械系統(tǒng)往往采用固定式末端執(zhí)行器，工作能力單一，效率低下，工作耗時長，并且在小型化機械集群的趨勢下，對所有探測器的所有任務都人為干涉費時費力，極大影響了月面基建效率的問題，提出了基于機械臂快拆接口的小型通用智能化月面基建工程系統(tǒng)。

2、基于機械臂快拆接口的小型通用智能化月面基建工程系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括工作器1和服務器2；

3、工作器1包括一號移動基體1-1、六自由度機械臂1-2、公頭感應接口1-3和一號控制器；六自由度機械臂1-2一端固定連接在一號移動基體1-1上，六自由度機械臂1-2的另一端連接公頭感應接口1-3，一號控制器設置在一號移動基體內；

4、服務器2包括二號移動基體2-1、智能感知系統(tǒng)2-2、末端工具轉盤2-3、末端執(zhí)行器2-4和二號控制器；智能感知系統(tǒng)2-2設置在二號移動基體2-1上，末端工具轉盤2-3與末端執(zhí)行器2-4活動連接，末端工具轉盤2-3設置在二號移動基體2-1內壁，二號控制器設置在二號移動基體內；

5、一號控制器，用于向一號移動基體1-1發(fā)送作業(yè)指令，一號移動基體1-1接收到作業(yè)指令后，自主巡航前往作業(yè)區(qū)；還用于與二號控制器通信，采集到任務規(guī)劃后，控制六自由度機械臂1-2向二號移動基體2-1靠近，直至公頭感應接口1-3識別并定位到末端執(zhí)行器2-4后，控制六自由度機械臂1-2帶動公頭感應接口1-3與該末端執(zhí)行器2-4對接鎖定，并按照任務規(guī)劃控制六自由度機械臂1-2帶動末端執(zhí)行器2-4將作業(yè)目標搬運至二號移動基體內；還用于在任務規(guī)劃結束后，控制六自由度機械臂1-2帶動公頭感應接口與該末端執(zhí)行器2-4解鎖；

6、二號控制器，用于通過智能感知系統(tǒng)采集一號移動基體1-1的位置信息，控制二號移動基體2-1智能跟隨一號移動基體1-1一同前往作業(yè)區(qū)；還用于根據(jù)智能感知系統(tǒng)2-2發(fā)來的作業(yè)區(qū)環(huán)境信息，制定任務規(guī)劃，根據(jù)任務規(guī)劃選擇作業(yè)目標以及與該作業(yè)目標配套的末端執(zhí)行器2-4，并將該任務規(guī)劃發(fā)至一號控制器；還用于當智能感知系統(tǒng)2-2感應到與公頭感應接口1-3之間的距離小于或等于預設范圍時，控制末端工具轉盤2-3帶動與作業(yè)目標配套的末端執(zhí)行器2-4旋轉出二號移動基體2-1頂部；還用于當智能感知系統(tǒng)2-2感知道與公頭感應接口1-3之間的距離大于預設范圍時，控制末端工具轉盤2-3帶動末端執(zhí)行器2-4旋轉回二號移動基體內部。

7、優(yōu)選地，工作器1還包括工作器雙目相機1-4；

8、工作器雙目相機1-4，用于自主巡航。

9、優(yōu)選地，公頭感應接口1-3包括公頭機械接口1-3-1、公頭通信接口與電接口1-3-2、對接相機1-3-3和rfid芯片1-3-4；

10、公頭通信接口與電接口1-3-2、對接相機1-3-3和rfid芯片1-3-4均設置在公頭機械接口1-3-1上；

11、rfid芯片1-3-4，用于與智能感知系統(tǒng)通信，感應二者之間距離；

12、公頭通信接口與電接口1-3-2，用于與末端執(zhí)行器2-4上的母頭通信接口與電接口2-4-2相對接；

13、對接相機1-3-3，用于識別并定位末端執(zhí)行器2-4上的視覺定位標靶2-3-3；

14、公頭機械接口1-3-1，用于與末端執(zhí)行器2-4上的母頭機械接口2-3-1對接鎖定。

15、優(yōu)選地，二號移動基體2-1包括服務器底盤2-1-1和通用月面工程箱2-1-2；智能感知系統(tǒng)2-2包括服務器雙目相機2-2-1、激光雷達2-2-2和rfid接收機2-2-3；

16、通用月面工具箱2-2固定連接在服務器底盤2-1頂部，服務器雙目相機2-2-1設置在通用月面工程箱2-1-2前端外壁上，激光雷達2-2-2和rfid接收機2-2-3均設置在通用月面工具箱2-1-2頂部；

17、服務器雙目相機2-2-1和激光雷達2-2-2，用于感知作業(yè)區(qū)環(huán)境；rfid接收機2-2-3，用于與rfid芯片1-3-4通信，感應與rfid芯片1-3-4之間的距離。

18、優(yōu)選地，通用月面工程箱2-1-2包括外殼2-1-2-1、隔板2-1-2-2、工具艙艙門2-1-2-3、存儲艙艙門2-1-2-4、工具艙艙門電機和存儲艙艙門電機；

19、隔板2-1-2-2將外殼2-1-2-1的內部空間分為工具艙和存儲艙，工具艙艙門2-1-2-3蓋合在工具艙頂部，存儲艙艙門2-1-2-4蓋合在存儲艙頂部，且工具艙艙門2-1-2-3一端和存儲艙艙門2-1-2-4分別連接在外殼2-1-2-1的滑槽內，沿著滑槽滑動，實現(xiàn)開合；

20、二號控制器，還用于當智能感知系統(tǒng)2-2感應到與公頭感應接口1-3之間的距離小于或等于預設范圍時，控制工具艙艙門電機工作，驅動工具艙艙門2-1-2-3打開，進而控制末端工具轉盤2-3帶動與作業(yè)目標配套的末端執(zhí)行器2-4旋轉出二號移動基體1-1頂部，同時控制存儲艙艙門電機工作，驅動存儲艙艙門2-1-2-4打開；

21、還用于控制末端工具轉盤2-3帶動末端執(zhí)行器2-4旋轉回二號移動基體1-1內部后，進而控制工具艙艙門電機工作，驅動工具艙艙門2-1-2-3關閉，同時控制存儲艙艙門電機工作，驅動存儲艙艙門2-1-2-4關閉。

22、優(yōu)選地，末端工具轉盤2-3包括轉盤電機2-3-1、轉盤基座2-3-2、下夾持器2-3-3、上夾持器2-3-4、支架電機2-3-5、轉軸2-3-6和旋轉電機；

23、轉盤電機2-3-1設置在工具艙的內壁上，轉軸2-3-6一端固定連接在轉盤基座2-3-2上，轉軸2-3-6另一端由轉盤電機2-3-1帶動轉動；

24、轉盤基座2-3-2的圓周面上均勻連接多個下夾持器2-3-3的一端，每個下夾持器2-3-3的另一端與一個上夾持器2-3-4連接，上夾持器2-3-4由兩個半圓形套環(huán)通過鉸鏈鉸接在一起，每個上夾持器2-3-4上用于夾持一種末端執(zhí)行器2-4；

25、每個下夾持器2-3-3由上、下段延伸支架鉸接在一起，支架電機2-3-5設置在兩段延伸支架鉸接處，帶動上段延伸支架轉動；

26、二號控制器，還用于當采集到公頭通信接口與電接口1-3-2與末端執(zhí)行器2-4上的母頭通信接口與電接口2-3-2相對接的電信號，同時監(jiān)測到rfid接收機2-2-3和rfid芯片1-3-4之間的距離小于或等于預設范圍時，控制旋轉電機驅動鉸鏈打開；還用于當監(jiān)測到rfid接收機2-2-3和rfid芯片1-3-4之間的距離大于預設范圍時，控制旋轉電機驅動鉸鏈閉合。

27、優(yōu)選地，多種末端執(zhí)行器2-4包括土壤鏟2-4-1、電動螺絲刀2-4-2、鉆頭2-4-3、多指夾爪2-4-4、可變剛度夾爪2-4-5和多個一號母頭接口2-4-6；

28、土壤鏟2-4-1、電動螺絲刀2-4-2、鉆頭2-4-3、多指夾爪2-4-4和可變剛度夾爪2-4-5各連接一個一號母頭接口2-4-6，每個上夾持器2-3-4夾持一個一號母頭接口2-4-6外表面，一號母頭接口2-4-6用于與公頭感應接口1-3對接。

29、優(yōu)選地，服務器2還包括二號母頭接口2-4；

30、二號母頭接口2-4設置在外殼2-1-2-1前端外壁上，用于與公頭感應接口1-3對接。

31、優(yōu)選地，一號母頭接口2-4-6和二號母頭接口2-4均包括母頭機械接口2-4-6-1、母頭通信接口與電接口2-4-6-2和視覺定位標靶2-4-6-3；

32、母頭通信接口與電接口2-4-6-2和視覺定位標靶2-4-6-3均設置在母頭機械接口2-4-6-1上。

33、優(yōu)選地，服務器2還包括噴氣機構2-5；

34、噴氣機構2-5設置在二號移動基體2-1頂部，用于噴出高壓氣體，清除末端執(zhí)行器2-4上的灰塵。

35、本發(fā)明的有益效果是：

36、工作器和服務器均為小型機械設備，相互配合完成多種月面基建作業(yè)任務。六自由度機械臂與末端執(zhí)行器采用機械臂快拆接口連接，使工作器具備更換末端的能力。月面工具箱中存儲有多種不同末端執(zhí)行器，均能通過快拆接口與機械臂對接，以適應不同的作業(yè)目標，提高工作效率。同時，工作器和服務器具備環(huán)境感知、智能跟隨、自主避障、任務規(guī)劃與決策能力，進一步提高工作效率。

37、在工作工況中，二者移動到指定位置后進行環(huán)境感知，自主決策選擇任務目標和末端執(zhí)行器。機械臂靠近通用月面工具箱，艙門打開，被選定的末端起豎進入泊口，與機械臂對接。任務完成后接觸對接返還。同時，存儲艙可進行月壤等的存儲與運輸。

38、在脫困工況中，二者其一產生異常報警后，迅速停止運動，啟動環(huán)境感知，劃定危險區(qū)域。未陷落的探測器在危險區(qū)域外巡視，判斷陷落探測器狀態(tài)，結合環(huán)境特征生成救援策略。隨后機械臂與月面工具箱側面的快拆接口對接，二者共同運動，實現(xiàn)脫困。因此，本發(fā)明能夠在不同工況下均能完成作業(yè)。

39、本發(fā)明的小型機械集群作業(yè)，實現(xiàn)多機協(xié)同、高效分工，提升月面基建任務的靈活性、可靠性和整體作業(yè)效率；通過機械臂快拆接口的設計，使工作器能夠快速更換末端執(zhí)行器，從而提升任務的靈活性和適應性，有效擴展探測器的工作能力；采用小型化和智能化的設備設計，使系統(tǒng)整體重量輕、體積小，提高了運輸和部署的靈活性和工作效率；環(huán)境感知、自主避障、智能跟隨以及任務規(guī)劃與決策能力的引入，使系統(tǒng)能夠在復雜月面環(huán)境中高效執(zhí)行基建任務，提高作業(yè)的成功率和穩(wěn)定性；通用月面工具箱存儲多種末端執(zhí)行器，能夠根據(jù)不同任務需求靈活更換，提高設備的通用性和作業(yè)效率；具備自主脫困能力，在探測器陷落或發(fā)生異常時，可迅速劃定危險區(qū)域，生成救援策略，并通過協(xié)同作業(yè)實現(xiàn)脫困，提高系統(tǒng)在復雜地形下的生存能力和任務可靠性；雙車(工作器和服務器)協(xié)同作業(yè)，冗余容錯、功能互補與資源協(xié)同，顯著提升任務可靠性、作業(yè)范圍與數(shù)據(jù)采集效率；針對月面的防塵設計提升了環(huán)境適應性，并降低維護成本，使其能夠適應月面長期運行的需求，在未來月面基建任務中具有重要的應用價值和廣闊的發(fā)展前景。