小天体表面弹性动力型跳跃式机器人及其移动方法

技术领域

本公开的实施例总体上涉及航天航空领域中的小天体表面移动技术领域，并且更具体地，涉及一种小天体表面弹性动力型跳跃式机器人及其移动方法。

背景技术

小天体探测是深空探测的重要组成部分，是揭示太阳系起源和早期演化、地球等行星初始物质组成、以及水和有机质分布与演化等重大科学问题的关键途径。同时，小天体探测在未来太空资源利用、小天体撞击安全防御等领域起到关键作用。因此，小天体探测一直是国际深空探测的热点和前沿。

目前，我国深空探测正由月球挺进更深远的宇宙，包括探测小行星和彗星、以及木星的冰卫星等。2019年4月，国家航天局正式对外宣布了中国的首次小行星探测与采样任务。

地球、火星等形成之后，经过了 40 多亿年的演化，因此它们形成时的初始状态等已基本消失殆尽。相反，小天体是太阳系形成过程中残留的“化石”，是构建各大行星的“砖瓦”等材料，保存了太阳星云的初始状态、星云演化过程以及行星的生长过程等信息。小行星和彗星探测一直是国际深空探测的热点和前沿领域。除阿波罗登月计划之外，美国国家航空航天局（NASA）已实施的35次深空探测任务中，有9次是以小行星和彗星为探测目标；欧空局（ESA）的深空探测一直把彗星作为主要目标；日本也将小天体探测作为其深空探测的主线和特色，例如隼鸟号计划取得了部分成功，其从细川小行星采集到了尘粒样品，并在此基础上，完成了从“龙宫”碳质小行星采集样品的隼鸟2号任务。

探测器在小行星表面附着，并对小行星进行采样，是获取小行星信息的重要方式，这就需要实现在小行星弱引力环境下的交会、附着以及采样等操作。从小行星资源开发与利用需求来看，长期附着将在后续任务中扮演重要角色，而表面的多点采样探测将会扩大任务的探测范围，提高任务的回报。具体来说，小行星附着采样过程可分为附着表面、样品收集、样品转移等环节，各个环节均面临新的问题和技术挑战。例如，在附着表面过程中，小行星的引力场微弱，表面逃逸速度小，最大的可能就是附着时发生反弹，这种失控反弹是小行星附着中最危险的环节，因为探测器可能发生姿态失控、翻滚甚至碰撞损坏。因此，如何在接触小行星的过程中维持姿态和避免失控是小行星探测的挑战之一。

由于各类小行星表层结构特性差异很大，其表层结构可为星尘土壤、碎石或坚硬石块等，而目前人类对其认识相对有限，因此小行星着陆附着系统需要有较大的适应性。我国发布的 2030 年前深空探测总体实施方案中将小行星探测列为我国未来深空探测的重点之一，对探测器着陆附着技术提出了新的要求，这就需要在附着力、附着稳定性和机构可靠性方面取得进一步技术突破。

在小天体不规则弱引力环境下，传统的轮式移动方式不再适用，因此已实施及规划的小天体探测任务中，大都采用了弹跳式移动的策略。例如，前苏联1988年发射的用于探测火卫一的“Phobos2号”探测器携带了一个弹跳式探测器“PROP-F”，这是第一个包含弹跳探测器的太空任务。MINERVA是日本“隼鸟号”（Hayabusa）主探测器搭载的表面弹跳机器人，但不参与采样返回主任务。MINERVA的驱动装置为扭矩电机，可以提供小于10cm/s的跳跃初速度。“隼鸟2”任务作为“隼鸟”任务的延续，携带有3个MINERVA-2着陆机器人。此外，“隼鸟2”任务中，日本宇航局与德国宇航中心共同研发了具有自调向机构的弹跳式探测器MASCOT。

早在1980年，麻省理工学院的Raibert教授曾研究出了全世界第一个能单腿跳跃活动的机器人。日本的Fumitaka KIKUCHI在2003年研究出了一种以气缸作为动力来进行跳跃和行走的机器人，它四条腿的动力都是源于气缸。发明专利CN201910329429.8《基于SMA驱动方式的跳跃机器人》提出了一种基于形状记忆合金驱动方式的新型跳跃机器人，包括跳跃装置和用于为所述跳跃装置提供升力的气囊，但其重量和体积均未能达到非常理想的深空探测使用效果；发明专利CN201310125686.2《起跳角度可调的轮式跳跃机器人的弹跳机构》提出了一种具有驱动组件和行走组件的轮式跳跃机器人，但弹跳机构依然较为复杂，导致其重量较大，大大增加了在外太空的运输成本；发明专利CN202010950773.1《一种跳跃式机器人及其控制方法》基于逆压电效应，利用压电双晶片可将电能转换为机械能的特性，采用压电双晶片同时作为驱动单元和跳跃腿结构，实现了一种跳跃式机器人，但其体积较大，结构复杂，也不适于运送至外太空；发明专利CN201410151835.7《一种活塞驱动式跳跃机器人》采用气缸活塞机构，通过活塞的爆发性伸出运动及地面的反作用力将机器人弹射并脱离地面实现跳跃运动，其综合性能较好，但是需要使用气体燃料。

综上，尽管上述国内外的行走跳跃机器人都能实现跳跃运动，但是机器人的结构复杂，体型较大，需要附加相关装置才能使用，这对如何发射至外太空提出了很高的要求，对于小天体上的弱引力环境和复杂地形环境也不能适用，因此大大限制了此类机器人的发展和应用场景。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种小天体表面弹性动力型跳跃式机器人及其移动方法，以解决小天体表面弱引力环境下的附着与移动采样问题。

本公开的第一方面提供了一种小天体表面弹性动力型跳跃式机器人，其特征在于，包括外壳体（1）、驱动部（2）和弹簧机构（3）；其中：所述驱动部（2）和所述弹簧机构（3）安装在所述外壳体（1）中；所述驱动部（2）具有可伸出所述外壳体（1）之外的跳跃杆（24）；所述弹簧机构（3）被设置为能够在所述驱动部（2）的驱动下进行动作，并带动所述跳跃杆（24）进行动作；所述弹性动力型跳跃式机器人在所述小天体表面具有第一运动状态和第二运动状态；在所述第一运动状态下，所述弹簧机构（3）会进入压缩工作状态，以使得所述跳跃杆（24）朝所述外壳体（1）内部进行移动；在所述第二运动状态下，所述弹簧机构（3）会由所述压缩工作状态转变为释放工作状态，以使得所述跳跃杆（24）能够伸出所述外壳体（1）之外并使得所述弹性动力型跳跃式机器人实现跳跃动作。

根据本公开的一些实施例，所述弹性动力型跳跃式机器人还具有第三运动状态；其中，在所述第三运动状态下，所述弹簧机构（3）会由所述释放工作状态转变为复位工作状态，以使得所述跳跃杆（24）再次朝所述外壳体（1）内部进行移动，并缩回到所述外壳体（1）之内。

根据本公开的一些实施例，所述跳跃杆（24）内还设置有伸缩杆（6），所述伸缩杆（6）能够相对于所述跳跃杆（24）进行伸缩动作，以调节所述跳跃动作的角度。

根据本公开的一些实施例，所述外壳体（1）的内部在靠近小天体表面的位置上设置有磁铁（7）。

根据本公开的一些实施例，所述驱动部（2）具有电机（20）、安装在所述电机（20）的输出轴上的第一缺齿齿轮部（21）、以及在所述第一缺齿齿轮部（21）的带动下进行动作的弹射齿条部（23）。

根据本公开的一些实施例，所述第一缺齿齿轮部（21）包括第一外齿轮（210）和第一内齿轮（211），其中所述第一外齿轮（210）为完整齿轮，所述第一内齿轮（211）为缺齿齿轮。

根据本公开的一些实施例，所述驱动部（2）还包括与所述第一缺齿齿轮部（21）相啮合的第二缺齿齿轮部（22），所述弹射齿条部（23）位于所述第一缺齿齿轮部（21）和所述第二缺齿齿轮部（22）之间。

根据本公开的一些实施例，所述第二缺齿齿轮部（22）包括第二外齿轮（220）和第二内齿轮（221），其中所述第二外齿轮（220）为完整齿轮，所述第二内齿轮（221）为缺齿齿轮。

根据本公开的一些实施例，所述第一外齿轮（210）与所述第二外齿轮（220）相互啮合，所述第一内齿轮（211）与所述第二内齿轮（221）具有一定的间距以容纳所述弹射齿条部（23）。

根据本公开的一些实施例，所述弹射齿条部（23）还包括双侧齿轮部（25），所述双侧齿轮部（25）的两侧齿轮能够分别与所述第一内齿轮（211）的非缺齿部位和所述第二内齿轮（221）的非缺齿部位相互啮合。

根据本公开的一些实施例，所述跳跃杆（24）设置在所述弹射齿条部（23）的一端；所述双侧齿轮部（25）与所述跳跃杆（24）在轴线上相互重合。

根据本公开的一些实施例，在所述弹簧机构（3）的压缩工作状态时，所述双侧齿轮部（25）分别与所述第一内齿轮（211）的非缺齿部位和所述第二内齿轮（221）的非缺齿部位相互啮合，并在所述电机（20）的驱动下向上移动以压缩所述弹簧机构（3）中的弹簧（32）。

根据本公开的一些实施例，在所述弹簧机构（3）的释放工作状态时，所述双侧齿轮部（25）位于所述第一内齿轮（211）的缺齿部位和所述第二内齿轮（221）的缺齿部位之间，从而在所述弹簧机构（3）中的弹簧（32）的作用下能够向下弹出。

根据本公开的一些实施例，在所述弹簧机构（3）的复位工作状态时，所述双侧齿轮部（25）再次分别与所述第一内齿轮（211）的非缺齿部位和所述第二内齿轮（221）的非缺齿部位相互啮合，并在所述电机（20）的驱动下向上移动以使得所述弹簧机构（3）的弹簧（32）恢复到正常状态。

根据本公开的一些实施例，所述弹簧机构（3）具有可滑动的弹簧套筒（31）、以及位于所述弹簧套筒（31）内的弹簧（32），所述弹簧套筒（31）与所述弹射齿条部（23）相互连接。

根据本公开的一些实施例，所述弹簧机构（3）还包括连杆（33），所述连杆（33）的一端固定在所述弹簧套筒（31）内，另一端固定在所述弹射齿条部（23）上。

根据本公开的一些实施例，所述外壳体（1）在靠近顶部的位置设有固定套筒（16），所述弹簧套筒（31）能够套设在所述固定套筒（16）之外并相对于所述固定套筒（16）滑动。

根据本公开的一些实施例，所述固定套筒（16）在其两侧具有对称的滑槽（160）；所述弹簧套筒（31）的内部设置有与所述滑槽（160）相互配合的凸棱（310），以使得所述弹簧套筒（31）能够在所述固定套筒（16）上滑动。

根据本公开的一些实施例，所述弹簧（32）的一端位于所述弹簧套筒（31）内靠近所述连杆（33）的一端，另一端位于所述固定套筒（16）靠近所述外壳体（1）的顶部的一端。

根据本公开的一些实施例，所述外壳体（1）呈中空形状，并具有封闭的底面（12）、以及位于所述底面（12）上的周壁（13）。

根据本公开的一些实施例，所述外壳体（1）呈中空的圆柱形或中空的鼓形；在所述外壳体（1）呈中空的鼓形时，其与左半球壳（100）和右半球壳（200）共同构成完整的球体形状。

根据本公开的一些实施例，所述电机（20）安装在所述底面（12）上，所述弹性动力型跳跃式机器人在使用时，所述外壳体（1）的所述周壁（13）接触小天体表面。

根据本公开的一些实施例，所述周壁（13）在靠近小天体表面的位置设有弹射孔（15），以使得所述跳跃杆（24）能够穿过所述弹射孔（15）并伸出所述周壁（13）之外。

根据本公开的一些实施例，还包括限位机构（4），其中，所述限位机构（4）包括限位开关（42），其具有弹爪部（43）；所述弹簧套筒（31）的外侧上还设有沿轴线方向延伸的突起部（311），所述突起部（311）在所述弹簧套筒（31）向上移动时能够触碰所述弹爪部（43），以产生控制所述电机（20）通断的控制信号。

根据本公开的一些实施例，所述限位机构（4）还包括调节板（41），安装在所述底面（12）上；所述限位开关（42）安装在所述调节板（41）上并能够在其上调整位置。

根据本公开的一些实施例，所述突起部（311）在靠近上部的位置设置有倒角部（312），所述倒角部（312）在所述弹簧套筒（31）向上移动时先接触到所述弹爪部（43），并为控制所述电机（20）的通断提供机械缓冲。

根据本公开的一些实施例，该跳跃式机器人还包括电路板（5），所述电路板（5）包括：电源部（51），用于为所述弹性动力型跳跃式机器人提供电源。

根据本公开的一些实施例，所述电路板（5）还包括：控制部（52），用于控制所述弹性动力型跳跃式机器人的开关和动作。

根据本公开的一些实施例，所述电路板（5）还包括：遥控部（53），用于接收外部控制信号，以遥控所述弹性动力型跳跃式机器人。

根据本公开的一些实施例，所述遥控部（53）能够接收以下信号中的至少一种：无线遥感控制信号、红外信号、蓝牙信号。

本公开的第二方面还提供了一种小天体表面弹性动力型跳跃式机器人的移动方法，所述小天体表面弹性动力型跳跃式机器人包括外壳体（1）、驱动部（2）和弹簧机构（3）；其中，所述驱动部（2）和所述弹簧机构（3）安装在所述外壳体（1）中；所述驱动部（2）具有可伸出所述外壳体（1）之外的跳跃杆（24）；所述弹簧机构（3）被设置为能够在所述驱动部（2）的驱动下进行动作，并带动所述跳跃杆（24）进行动作；所述弹性动力型跳跃式机器人在所述小天体表面具有第一运动状态和第二运动状态；所述移动方法包括：在所述第一运动状态下，所述弹簧机构（3）会进入压缩工作状态，以使得所述跳跃杆（24）朝所述外壳体（1）内部进行移动；在所述第二运动状态下，所述弹簧机构（3）会由所述压缩工作状态转变为释放工作状态，以使得所述跳跃杆（24）能够伸出所述外壳体（1）之外并使得所述弹性动力型跳跃式机器人实现跳跃动作。

根据本公开的一些实施例，所述弹性动力型跳跃式机器人还具有第三运动状态；所述移动方法还包括：在所述第三运动状态下，所述弹簧机构（3）会由所述释放工作状态转变为复位工作状态，以使得所述跳跃杆（24）再次朝所述外壳体（1）内部进行移动，并缩回到所述外壳体（1）之内。

根据本公开的一些实施例，所述驱动部（2）具有电机（20）、安装在所述电机（20）的输出轴上的第一缺齿齿轮部（21）、以及在所述第一缺齿齿轮部（21）的带动下进行动作的弹射齿条部（23）。

根据本公开的一些实施例，所述驱动部（2）还包括与所述第一缺齿齿轮部（21）相啮合的第二缺齿齿轮部（22），所述弹射齿条部（23）位于所述第一缺齿齿轮部（21）和所述第二缺齿齿轮部（22）之间。

根据本公开的一些实施例，所述跳跃杆（24）设置在所述弹射齿条部（23）的一端；所述弹簧机构（3）具有可滑动的弹簧套筒（31）、以及位于所述弹簧套筒（31）内的弹簧（32），所述弹簧套筒（31）与所述弹射齿条部（23）相互连接。

根据本公开的一些实施例，所述弹性动力型跳跃式机器人还具有静止状态， 在所述静止状态下，所述电机（20）未开启工作，所述外壳体（1）的周壁（13）接触小天体表面，以使得所述弹性动力型跳跃式机器人保持静止状态。

根据本公开的一些实施例，所述移动方法包括：由所述静止状态进入所述第一运动状态：在所述第一运动状态下，所述弹簧机构（3）会进入压缩工作状态，即所述电机（20）驱动所述第一缺齿齿轮部（21）转动，并带动所述第二缺齿齿轮部（22）转动，以使得所述弹射齿条部（23）向上移动并压缩所述弹簧套筒（31）内的所述弹簧（32）。

根据本公开的一些实施例，所述移动方法包括：由所述第一运动状态进入所述第二运动状态：在所述第二运动状态下，所述弹簧机构（3）会进入释放工作状态，即所述电机（20）暂停工作以便不驱动所述第一缺齿齿轮部（21）转动，此时所述弹簧套筒（31）会向下移动并将所述弹簧（32）释放至拉伸状态，所述弹射齿条部（23）会跟随进行动作而从所述第一缺齿齿轮部（21）和所述第二缺齿齿轮部（22）之间向下弹出，以使得所述跳跃杆（24）能够伸出所述周壁（13）之外并实现跳跃动作。

根据本公开的一些实施例，所述移动方法包括：由所述第二运动状态进入所述第三运动状态：在所述第三运动状态下，所述弹簧机构（3）会进入复位工作状态，即所述电机（20）再次启动，驱动所述第一缺齿齿轮部（21）转动，并带动所述第二缺齿齿轮部（22）转动，以使得所述弹射齿条部（23）向上移动并使得所述跳跃杆（24）能够缩回到所述周壁（13）之内，此时所述弹簧（32）恢复到正常状态，以等待进行下次弹跳动作。

根据本公开的一些实施例，所述跳跃杆（24）内还设置有伸缩杆（6），所述伸缩杆（6）能够相对于所述跳跃杆（24）进行伸缩动作；所述移动方法还包括：在所述跳跃杆（24）伸出所述外壳体（1）之外时，所述伸缩杆（6）相对于所述跳跃杆（24）进行伸缩动作以调节所述跳跃动作的角度。

根据本公开的一些实施例，所述外壳体（1）的内部在靠近小天体表面的位置上设置有磁铁（7）；所述移动方法还包括：在所述磁铁（7）与所述小天体表面之间的磁力作用下，使得所述小天体表面弹性动力型跳跃式机器人恢复至静止状态。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的小天体表面弹性动力型跳跃式机器人的部分结构示意图。

图2为本发明实施例的小天体表面弹性动力型跳跃式机器人的部分结构示意图。

图3为本发明实施例的小天体表面弹性动力型跳跃式机器人的部分结构示意图。

图4为本发明实施例的小天体表面弹性动力型跳跃式机器人的爆炸状态下的部分结构示意图。

图5为图1中的电机等结构示意图。

图6为图1中的外壳体等结构示意图。

图7为本发明另一实施例的小天体表面弹性动力型跳跃式机器人的部分结构示意图。

图8为图7中的外壳体等结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本公开的发明人关注到，目前国内外的行走跳跃机器人虽然都能实现跳跃运动，但是机器人的结构复杂，体型较大，需要附加相关装置才能使用，这对如何发射至外太空提出了很高的要求，对于小天体上的弱引力环境和复杂地形环境也不能适用，因此大大限制了此类机器人的发展和应用场景。因此，本公开的发明人设计了一种结构和原理上都与现有技术不同的小天体表面弹性动力型跳跃式机器人，其可以在无引力或弱引力环境下，通过整体结构的设计和与小天体表面之间的相互作用力进行移动的方式，实现机器人在小天体表面的稳定附着以及跳跃移动。

如图1-图8所示，本发明实施例提供了一种小天体表面弹性动力型跳跃式机器人，包括外壳体1、驱动部2和弹簧机构3。其中，驱动部2和弹簧机构3安装在外壳体1中；驱动部2具有可伸出外壳体1之外的跳跃杆24；弹簧机构3被设置为能够在驱动部2的驱动下进行动作，并带动跳跃杆24进行动作。

本公开实施例中的弹性动力型跳跃式机器人在小天体表面具有第一运动状态和第二运动状态；在第一运动状态下，弹簧机构3会进入压缩工作状态，以使得跳跃杆24朝外壳体1内部进行移动；在第二运动状态下，弹簧机构3会由压缩工作状态转变为释放工作状态，以使得跳跃杆24能够伸出外壳体1之外并使得弹性动力型跳跃式机器人实现跳跃动作。

由此，本公开的实施例提供了一种小天体表面弹性动力型跳跃式机器人，其具有第一运动状态和第二运动状态，在无引力或弱引力环境下，可以利用与小天体表面（作为接触面）之间的相互作用力来完成移动，整体体积小、质量轻，可以进行多点运动。在使用时，本公开中可同时将大量该型机器人同时送入地外天体，以实现对地外天体多点探测，这将有效地降低探测任务成本，对未来的探测任务具有重要的经济效益和社会效益。因此，本公开中的该型机器人具有小、轻、灵的设计特点，可以进行多点运动及采样，能够适应在小天体表面崎岖与不规则地形上进行跳跃式移动，尤其是针对复杂地形的移动与探测。而且，本公开中的该型机器人还可以根据具体的应用场景进行不同尺寸的定做，例如可以设计为球体或者橄榄体，便于搭载在飞行器上，在所有小天体上都可以进行应用。

根据本公开的一些实施例，本公开实施例中的弹性动力型跳跃式机器人还具有第三运动状态；其中，在所述第三运动状态下，所述弹簧机构3会由所述释放工作状态转变为复位工作状态，以使得所述跳跃杆24再次朝所述外壳体1内部进行移动，并缩回到所述外壳体1之内。此时，弹性动力型跳跃式机器人可以恢复到初始状态，并等待下一次跳跃动作。

根据本公开的一些实施例，所述跳跃杆24内还设置有伸缩杆6，所述伸缩杆6能够相对于所述跳跃杆24进行伸缩动作，以调节所述跳跃动作的角度。这里，由于伸缩杆可以进行伸缩，因此伸缩杆6和跳跃杆24整体的长度可以调整，从而使得机器人整体的跳跃角度（以及跳跃高度）可以进行灵活调整。作为示例，伸缩杆6例如可以选用小型电动推杆或者小型电动伸缩杆，其内部具有直线电机可以通过升降杆的结构，进行电子控制（或遥控），从而实现伸缩效果。

根据本公开的一些实施例，所述外壳体1的内部在靠近小天体表面的位置上设置有磁铁7。这里，磁铁7的设计可以使得机器人在跳跃之前或之后，利用磁铁与小天体表面之间的磁力（在小天体表面的金属地面环境下），使得机器人整体能够保持或恢复到稳定的静止状态。而在小天体表面的非金属地面环境下，可以通过磁铁的配重，使得机器人整体能够保持或恢复到稳定的静止状态。

参考图1-图4，外壳体1可以设计为呈中空的形状（例如呈上部开口11的中空形状），并具有封闭的底面12、以及位于底面12上的周壁13；开口11上可以设置有盖板14。优选地，弹性动力型跳跃式机器人在使用时，外壳体1的周壁13接触小天体表面。

在一些实施例中，外壳体1可以呈中空的圆柱形（如图1所示），外壳体1的厚度（也即周壁13的宽度）和直径之比优选地为1:1以上，以防止倾覆，例如为外壳体1的厚度和直径之比为2:1，3:1等（例如外壳体1在厚度方向上的延伸部分的区域，可以作为太阳能电池的附着区域）。在具体尺寸上，外壳体1的厚度例如为30cm左右。

作为替换实施例，如图7-图8所示，外壳体1可以设计为呈中空的鼓形，此时其与左半球壳100和右半球壳200共同构成完整的球体形状。这样的球体形状例如可以由图1中的外壳体1可以在左右两侧延伸出半球体形状的外壳（此时左右两侧延伸出的半球体形状的外壳可以作为太阳能电池的附着区域），并且外壳体1本身也适应性调整自身形状来形成，此时可以使得机器人整体上构成球体形状，这种球形机器人可以进一步防止发生倾覆。

在其他替换实施例中，外壳体1还可以根据具体的应用场景进行不同尺寸的定做，例如可以设计为球体或者橄榄体，以适应在小天体表面崎岖与不规则地形上任意移动。

在一些实施例中，外壳体1的材料选用航天用轻质隔热材料，比如通过3D打印来完成制作，对加工工艺及装配精度无特殊要求。优选地，外壳体1还可拆卸地安装有缓冲壳，以提供缓冲的保护，便于长期开展工作。

应当理解，由于外壳体1的周壁13接触小天体表面，因此该型机器人与小天体表面是点接触，阻力小，移动灵活方便。优选地，在整体设计时，可以使得小天体表面弹性动力型跳跃式机器人的重心较低，这样可以更有利地保证低速或静止时的稳定性，也易于控制。另外，该型机器人可以实现体积小、质量轻的设计理念，这样便于搭载在飞行器上进行发射。而且，由于该型机器人采用内部动力驱动方式，因此结构简单，耗能少。

继续参考图1-图4，驱动部2具有电机20（例如安装在底面12上）、安装在电机20的输出轴上的第一缺齿齿轮部21、以及在所述第一缺齿齿轮部21的带动下进行动作的弹射齿条部23。这里，由于弹射齿条部23能够在第一缺齿齿轮部21的带动下进行动作，因此能够实现上升和下降的动作，从而能够使得跳跃杆24弹出或收回。

作为优选实施例，电机20可以安装在底面12的中心靠下方的位置，这样可以使得该型机器人的整体重心较低，以更有利地保证低速或静止时的稳定性，也易于控制。

作为示例，跳跃杆24可以设置在外壳体1的周壁13与小天体表面的接触位置内侧，这样可以使得该型机器人实现垂直跳跃动作，此时该型机器人可以实现原地跳跃或者在有偏差情况下的随机运动。作为另一示例，跳跃杆24也可以设置为偏离外壳体1的周壁13与小天体表面的接触位置，并与小天体表面呈一定角度，此时跳跃杆24可以通过不断地在同一方向上的弹出动作，使得该型机器人整体上朝着一个方向进行连续的动作。

如图5所示，根据本公开的实施例，第一缺齿齿轮部21包括第一外齿轮210和第一内齿轮211，其中第一外齿轮210为完整齿轮（常规齿轮），第一内齿轮211为缺齿齿轮。

作为优选实施例，驱动部2还包括与第一缺齿齿轮部21相啮合的第二缺齿齿轮部22、此时弹射齿条部23可以位于第一缺齿齿轮部21和第二缺齿齿轮部22之间。跳跃杆24可以设置在弹射齿条部23的一端，也即弹射齿条部23具有可伸出周壁13之外的跳跃杆24。

如图5所示，根据本公开的实施例，第二缺齿齿轮部22包括第二外齿轮220和第二内齿轮221，其中第二外齿轮220为完整齿轮（常规齿轮），第二内齿轮221为缺齿齿轮。优选地，第一外齿轮210与第二外齿轮220相互啮合，第一内齿轮211与第二内齿轮221具有一定的间距以容纳弹射齿条部23。

例如，第一外齿轮210和第二外齿轮220都为完整齿轮，这样可以在电机20的带动下实现同步运动，而第一内齿轮211和第二内齿轮221都为缺齿齿轮，其与弹射齿条部23相互配合实现其弹射动作。

如图5所示，根据本公开的实施例，第一外齿轮210的直径大于第一内齿轮211的直径；第二外齿轮220的直径大于第二内齿轮221的直径。

根据一些实施例，弹射齿条部23还包括双侧齿轮部25，双侧齿轮部25的两侧齿轮能够分别与第一内齿轮211的非缺齿部位和第二内齿轮221的非缺齿部位相互啮合。

例如，第一外齿轮210的直径大于第一内齿轮211的直径；第二外齿轮220的直径大于第二内齿轮221的直径，这样可以保证第一内齿轮211与第二内齿轮221之间具有一定的间距，从而容纳弹射齿条部23。双侧齿轮部25的两侧齿轮能够分别与第一内齿轮211的非缺齿部位和第二内齿轮221的非缺齿部位相互啮合，从而使得在相互啮合时，能够带动弹射齿条部23进行上下运动。

参考图1和图4，弹簧机构3具有可滑动的弹簧套筒31、以及位于弹簧套筒31内的弹簧32，弹簧套筒31与弹射齿条部23相互连接。

参考图1和图5，根据本公开的实施例，双侧齿轮部25与跳跃杆24在轴线上相互重合。优选地，双侧齿轮部25的宽度大于弹射孔15的孔径，弹射孔15的孔径大于跳跃杆24的直径。

根据一些实施例，在弹簧机构3的压缩工作状态时，双侧齿轮部25分别与第一内齿轮211的非缺齿部位和第二内齿轮221的非缺齿部位相互啮合，并在电机20的驱动下向上移动以压缩弹簧机构3的弹簧32。

根据一些实施例，在弹簧机构3的释放工作状态时，双侧齿轮部25位于第一内齿轮211的缺齿部位和第二内齿轮221的缺齿部位之间，从而在弹簧机构3的弹簧32（以及弹簧套筒31）的作用下能够向下弹出；

根据一些实施例，在复位工作状态时，双侧齿轮部25再次分别与第一内齿轮211的非缺齿部位和第二内齿轮221的非缺齿部位相互啮合，并在电机20的驱动下向上移动以使得弹簧机构3的弹簧32恢复到正常状态。

例如，双侧齿轮部25的宽度大于弹射孔15的孔径，弹射孔15的孔径大于跳跃杆24的直径，这样可以使得双侧齿轮部25由于弹射孔15的限位作用，而不会弹出到周壁13之外，防止脱离位置时无法与第一内齿轮211和第二内齿轮221再次进行啮合。在一次弹跳动作中，弹簧32会先被压缩，然后释放拉伸，再恢复到正常状态（既不压缩、也不拉伸），这样可以使得跳跃杆24弹出周壁13之外后，还能恢复到周壁之内，从而为下次跳跃做准备。在一些实施例中，弹簧32及弹簧套筒31可以替换为具有同等功能的记忆合金部件。

参考图1-图4，外壳体1的周壁13在靠近小天体表面的位置设有弹射孔15，以使得跳跃杆24能够穿过弹射孔15并伸出周壁13之外。

例如，弹射孔15设置在外壳体1的周壁13上，正对跳跃杆24的下方位置，以保证跳跃杆24能够从中顺利弹出。

参考图1-图4，弹簧机构3具有压缩工作状态、释放工作状态和复位工作状态；在压缩工作状态时，电机20驱动第一缺齿齿轮部21转动，并带动第二缺齿齿轮部22转动，以使得弹射齿条部23向上移动并压缩弹簧套筒31内的弹簧32；在释放工作状态时，电机20暂停工作以便不驱动第一缺齿齿轮部21转动，此时弹簧套筒31会向下移动并将弹簧32释放至拉伸状态，弹射齿条部23会跟随进行动作而从第一缺齿齿轮部21和第二缺齿齿轮部22之间向下弹出，以使得跳跃杆24能够伸出周壁13之外并使得弹性动力型跳跃式机器人实现跳跃动作；在复位工作状态时，电机20再次启动，驱动第一缺齿齿轮部21转动，并带动第二缺齿齿轮部22转动，以使得弹射齿条部23向上移动并缩回到周壁13之内，此时弹簧32恢复到正常状态（既不压缩、也不拉伸）。

可以看出，本公开的实施例提供了一种小天体表面弹性动力型跳跃式机器人，其在无引力或弱引力环境下，可以利用与小天体表面（作为接触面）之间的相互作用力来完成移动，整体体积小、质量轻，可以进行多点运动。在使用时，本公开中可同时将大量该型机器人同时送入地外天体，以实现对地外天体多点探测，这将有效地降低探测任务成本，对未来的探测任务具有重要的经济效益和社会效益。因此，本公开中的该型机器人具有小、轻、灵的设计特点，可以进行多点运动及采样，能够适应在小天体表面崎岖与不规则地形上进行跳跃式移动，尤其是针对复杂地形的移动与探测。而且，本公开中的该型机器人还可以根据具体的应用场景进行不同尺寸的定做，例如可以设计为球体或者橄榄体，便于搭载在飞行器上，在所有小天体上都可以进行应用。

参考图1、图5和图6，根据本公开的实施例，弹簧机构3还包括连杆33，连杆33的一端固定在弹簧套筒31内，另一端固定在弹射齿条部23上。

在一些实施例中，外壳体1在靠近顶部的位置设有固定套筒16，弹簧套筒31能够套设在固定套筒16之外并相对于固定套筒16滑动。

作为优选实施例，固定套筒16在其两侧具有对称的滑槽160；弹簧套筒31的内部设置有与滑槽160相互配合的凸棱310，以使得弹簧套筒31能够在固定套筒16上滑动。

作为优选实施例，弹簧32的一端位于弹簧套筒31内靠近连杆33的一端，另一端位于固定套筒16靠近外壳体1的顶部的一端。

例如，通过滑槽160和凸棱310的设计，可以对弹簧套筒31的位置进行限位，不会由于发生弹簧套筒31的滚动而偏离位置。

参考图1、图5和图6，根据本公开的实施例，小天体表面弹性动力型跳跃式机器人还包括限位机构4，限位机构4包括：限位开关42，其具有弹爪部43，弹簧套筒31的外侧上还设有沿轴线方向延伸的突起部311，突起部311在弹簧套筒31向上移动时能够触碰弹爪部43，以产生控制电机20通断的控制信号。

在一些实施例中，限位机构4还包括：调节板41，安装在底面12上；限位开关42可以安装在调节板41上并能够在其上调整位置。

例如，调节板41可以实现限位开关42的供电及控制，确保其可以进行开关动作。而且，由于弹簧套筒31通过滑槽160和凸棱310的设计而不会发生滚动，因此其与限位开关42之间的距离可以进行精确的调节（例如在调节板41上调整限位开关42的位置），从而实现：在压缩工作状态时，弹簧32被压缩到位（此时弹簧套筒31的突起部311向上运动并触碰到限位开关42的弹爪部43，使其发出电机暂停工作的控制信号）；在释放工作状态时，弹簧32处于拉伸状态，此时弹簧套筒31向下运动并使得跳跃杆24弹出周壁13之外，而限位开关42也会发出电机再次启动的控制信号（此时弹簧套筒31的突起部311向下运动并脱离与限位开关42的弹爪部43的接触，使其发出电机再次启动的控制信号）；在复位工作状态时，弹簧套筒31再次向上运动，从而使得弹簧32恢复到正常状态（既不压缩也不拉伸），此时跳跃杆24也会回到周壁13之内，准备下一次跳跃动作。

参考图1-图5，根据本公开的实施例，突起部311在靠近上部的位置设置有倒角部312，倒角部312在弹簧套筒31向上移动时先接触到弹爪部43，并为控制电机20的通断提供机械缓冲。

例如，倒角部312的设计可以使得，在弹簧套筒31向上运动接触到限位开关42上的弹爪部43时，具有一定的缓冲作用，并方便精确调节弹簧套筒31与限位开关42之间的距离、以及相互接触时的弹性力度，从而对限位开关42发出控制电机20通断的时间点进行调节，以便通过机械缓冲的方式来实现弹簧套筒31的动作位置调节，在该型机器人的设计和加工制作时，更加灵活方便，便于调优。

参考图1和图4，根据本公开的实施例，小天体表面弹性动力型跳跃式机器人还包括电路板5，电路板5包括：电源部51，用于为弹性动力型跳跃式机器人提供电源。

在一些实施例中，电路板5还包括：控制部52，用于控制弹性动力型跳跃式机器人的开关和动作。

在一些实施例中，电路板5还包括：遥控部53，用于接收外部控制信号，以遥控弹性动力型跳跃式机器人。

例如，该型机器人利用遥控方式可以实现启、停运动，起跳角度可以达到0~60°的范围，在克服地球重力的条件下，最大跳跃高度可以达到10cm。在具体控制和设计时，可以根据待探测的小天体的情况，通过计算来预估该型机器人能够达到的起跳高度以及运动距离。

根据本公开的实施例，电机20被设置为能够改变其驱动速度，以控制弹性动力型跳跃式机器人的弹跳高度；电源部51为太阳能充电电池；控制部52采用ARM控制芯片；遥控部53能够接收以下信号中的至少一种：无线遥感控制信号、红外信号、蓝牙信号。

作为示例，控制部52可以采用ARM控制芯片，功耗低，硬件资源丰富，便于对功能进行扩展，为搭载检测器件预留了接口与软件指令集。控制部52与遥控部53可以相互配合，例如采用PID控制方法，以实现机器人的启、停及跳跃运动。遥控部53例如可以接受来自地球或小行星之外的航空器的外部控制信号，以便实现对该型机器人的无线遥控。又例如，遥控部53还可以接受红外信号、蓝牙信号等近距离的控制信号，此时该型机器人例如可以受到释放其在小天体表面移动的着陆器（或其他位于小天体表面之上的航空器）的控制，从而实现无线遥控功能。例如，电源部51（比如电池）可以安装在外壳体1的底面12上，用于对该型机器人整体进行供电，比如采用太阳能充电电池，完整充电一次后，可确保续航40h以上，以实现多点采样。

本公开实施例还提供了一种小天体表面弹性动力型跳跃式机器人的移动方法，小天体表面弹性动力型跳跃式机器人包括外壳体1、驱动部2和弹簧机构3；其中，所述驱动部2和所述弹簧机构3安装在所述外壳体1中；所述驱动部2具有可伸出所述外壳体1之外的跳跃杆24；所述弹簧机构3被设置为能够在所述驱动部2的驱动下进行动作，并带动所述跳跃杆24进行动作；所述弹性动力型跳跃式机器人在所述小天体表面具有第一运动状态和第二运动状态；所述移动方法包括：在所述第一运动状态下，所述弹簧机构3会进入压缩工作状态，以使得所述跳跃杆24朝所述外壳体1内部进行移动；在所述第二运动状态下，所述弹簧机构3会由所述压缩工作状态转变为释放工作状态，以使得所述跳跃杆24能够伸出所述外壳体1之外并使得所述弹性动力型跳跃式机器人实现跳跃动作。

根据本公开的一些实施例，所述弹性动力型跳跃式机器人还具有第三运动状态；所述移动方法还包括：在所述第三运动状态下，所述弹簧机构3会由所述释放工作状态转变为复位工作状态，以使得所述跳跃杆24再次朝所述外壳体1内部进行移动，并缩回到所述外壳体1之内。

根据本公开的一些实施例，所述驱动部2具有电机20、安装在所述电机20的输出轴上的第一缺齿齿轮部21、以及在所述第一缺齿齿轮部21的带动下进行动作的弹射齿条部23。

根据本公开的一些实施例，所述驱动部2还包括与所述第一缺齿齿轮部21相啮合的第二缺齿齿轮部22，所述弹射齿条部23位于所述第一缺齿齿轮部21和所述第二缺齿齿轮部22之间。

根据本公开的一些实施例，所述跳跃杆24设置在所述弹射齿条部23的一端；所述弹簧机构3具有可滑动的弹簧套筒31、以及位于所述弹簧套筒31内的弹簧32，所述弹簧套筒31与所述弹射齿条部23相互连接。

根据本公开的一些实施例，所述弹性动力型跳跃式机器人还具有静止状态， 在所述静止状态下，所述电机20未开启工作，所述外壳体1的周壁13接触小天体表面，以使得所述弹性动力型跳跃式机器人保持静止状态。

根据本公开的一些实施例，所述移动方法包括：由所述静止状态进入所述第一运动状态：在所述第一运动状态下，所述弹簧机构3会进入压缩工作状态，即所述电机20驱动所述第一缺齿齿轮部21转动，并带动所述第二缺齿齿轮部22转动，以使得所述弹射齿条部23向上移动并压缩所述弹簧套筒31内的所述弹簧32。

根据本公开的一些实施例，所述移动方法包括：由所述第一运动状态进入所述第二运动状态：在所述第二运动状态下，所述弹簧机构3会进入释放工作状态，即所述电机20暂停工作以便不驱动所述第一缺齿齿轮部21转动，此时所述弹簧套筒31会向下移动并将所述弹簧32释放至拉伸状态，所述弹射齿条部23会跟随进行动作而从所述第一缺齿齿轮部21和所述第二缺齿齿轮部22之间向下弹出，以使得所述跳跃杆24能够伸出所述周壁13之外并实现跳跃动作。

根据本公开的一些实施例，所述移动方法包括：由所述第二运动状态进入所述第三运动状态：在所述第三运动状态下，所述弹簧机构3会进入复位工作状态，即所述电机20再次启动，驱动所述第一缺齿齿轮部21转动，并带动所述第二缺齿齿轮部22转动，以使得所述弹射齿条部23向上移动并使得所述跳跃杆24能够缩回到所述周壁13之内，此时所述弹簧32恢复到正常状态，以等待进行下次弹跳动作。

根据本公开的一些实施例，所述跳跃杆24内还设置有伸缩杆6，所述伸缩杆6能够相对于所述跳跃杆24进行伸缩动作；所述移动方法还包括：在所述跳跃杆24伸出所述外壳体1之外时，所述伸缩杆6相对于所述跳跃杆24进行伸缩动作以调节所述跳跃动作的角度。

根据本公开的一些实施例，所述外壳体1的内部在靠近小天体表面的位置上设置有磁铁7；所述移动方法还包括：在所述磁铁7与所述小天体表面之间的磁力作用下，使得所述小天体表面弹性动力型跳跃式机器人恢复至静止状态。

作为示例，本公开实施例的小天体表面弹性动力型跳跃式机器人的移动方法，可以采用图1所示的小天体表面弹性动力型跳跃式机器人，其在小天体表面具有静止状态、第一运动状态、第二运动状态和第三运动状态，其中：

（A）在静止状态下，电机20未开启（未启动，例如该型机器人刚被释放到小天体上时，整体并未通电，电机20尚未启动）工作，外壳体1的周壁13接触小天体表面，以使得弹性动力型跳跃式机器人保持静止状态；

优选地，当电机20未开启工作，处于非工作状态时，例如可以通过电机等结构的安装位置与配重设计，使得该型机器人的重心设置为在下半部分，这样可以使得该型机器人具备更好的稳定性，能够更优化地稳定保持静止“站立”状态。由于该型机器人在平衡状态时姿态确定，因此可以确保该型机器人在弹跳之后落地时都可以回到平衡状态，此时在该型机器人内部，可以方便地安装各种探测载荷，如摄像头、光谱仪、能谱仪等传感器，以进行小天体表面的原位探测。

（B）由静止状态进入第一运动状态：在第一运动状态下，弹簧机构3会进入压缩工作状态，即电机20驱动第一缺齿齿轮部21转动，并带动第二缺齿齿轮部22转动，以使得弹射齿条部23向上移动并压缩弹簧套筒31内的弹簧32；

例如，可以通过外部遥控控制，使电机20进行转动，从而使得第一缺齿齿轮部21等结构进行动作，此时弹射齿条部23产生垂直方向向上的运动，会使得弹簧套筒31进行向上运动，并压缩弹簧32，进行弹性能量的蓄积。

（C）由第一运动状态进入第二运动状态：在第二运动状态下，弹簧机构3会进入释放工作状态，即电机20暂停工作以便不驱动第一缺齿齿轮部21转动，此时弹簧套筒31会向下移动并将弹簧32释放至拉伸状态，弹射齿条部23会跟随进行动作而从第一缺齿齿轮部21和第二缺齿齿轮部22之间向下弹出，以使得跳跃杆24能够伸出周壁13之外并使得弹性动力型跳跃式机器人实现跳跃动作；

例如，当第一缺齿齿轮部21和第二缺齿齿轮部22转动到缺齿部位时，电机20暂停工作，由于此时弹簧32的蓄力已经完成，因此可以使其自动释放至拉伸状态，进而驱动弹射齿条部23产生垂直方向向下的运动，将跳跃杆24从弹射孔15推出；此时跳跃杆24在弹性作用力下碰撞外壳体1外侧的小天体表面，从而与小天体表面之间产生反作用力，使该型机器人整体产生跳跃动作。

（D）由第二运动状态进入第三运动状态：在第三运动状态下，弹簧机构3会进入复位工作状态，即电机20再次启动，驱动第一缺齿齿轮部21转动，并带动第二缺齿齿轮部22转动，以使得弹射齿条部23向上移动并缩回到周壁13之内，此时弹簧32恢复到正常状态，以等待进行下次弹跳动作。

例如，该型机器人在达到弹跳的最高点后便开始下降，而由于弹簧32在释放至拉伸状态时，弹簧套筒31会向下运动，从而脱离与限位开关42的弹爪部43的接触，电机20会在限位开关42的控制下再次被启动，从而通过驱动第一缺齿齿轮部21和第二缺齿齿轮部22的转动，使得弹射齿条部23进行运动，并将跳跃杆24恢复至常规状态（位于外壳体的内部）。优选地，该型机器人的重心可以设置在下半部分，以使得机器人能够更加平稳地落地，并能保持稳定的“站立”状态，以便进行下一次跳跃。

例如，可以向该型机器人连续发送控制命令，使得该型机器人不断地进行跳跃动作，也即按照第一运动状态、第二运动状态和第三运动状态的顺序，不断地进行动作，以驱动弹性动力型跳跃式机器人在小天体表面上实现连续弹跳动作。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明还可以通过其他结构来实现，本发明的特征并不局限于上述较佳的实施例。任何熟悉该项技术的人员在本发明的技术领域内，可轻易想到的变化或修饰，都应涵盖在本发明的专利保护范围之内。