姜水清 ，劉榮凱，林云成，馬如奇，劉賓，劉天喜

1.空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094

2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001

3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，哈爾濱 150001

星球土壤采樣是宇宙探測(cè)活動(dòng)的重要任務(wù)之一，是實(shí)現(xiàn)對(duì)地外天體土壤物理化學(xué)性質(zhì)的分析，進(jìn)而對(duì)宇宙空間環(huán)境、星球演化歷史進(jìn)行研究的前提。在各個(gè)星球探測(cè)的任務(wù)中，多種形式的采樣器被應(yīng)用到星壤樣本的采集探測(cè)中。20世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)向月球先后發(fā)射了Luna 16、Luna 20和Luna 24三種探測(cè)器，以無(wú)人自動(dòng)鉆取的方式成功獲取了總計(jì)326g的月壤樣品并返回地球［1］。美國(guó)在Apollo任務(wù)中依靠宇航員攜帶采樣工具來(lái)實(shí)現(xiàn)月壤及月巖樣品的獲取，其主要的采樣工具為手持式挖斗、耙、取芯管、鉆機(jī)等［2］。

1975年，NASA發(fā)射了海盜1號(hào)和海盜2號(hào)火星探測(cè)器。探測(cè)器的機(jī)械臂與著陸器連接，末端安裝有采樣裝置。采樣裝置的頭部是一個(gè)類(lèi)似于前端有蓋的鏟形容器，可用于各種類(lèi)型的采樣操作［3］。NASA于2003年發(fā)射了攜載MER(Mars Exploration Rover)機(jī)械臂的火星巡視探測(cè)器，2004年1月成功著陸火星［4］。MER底部機(jī)械臂上裝有研磨式采樣設(shè)備(Rock Abrasion Tool，RAT)，巖石的研磨通過(guò)帶有2個(gè)金剛石尖齒的研磨輪高速(300r/min)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)［5］。

MSL(Mars Science Laboratory)的主要功能就是實(shí)現(xiàn)對(duì)火星表面地形的巡視，利用一套顆粒鉆取收集系統(tǒng)將采集到的巖土樣品放入位于其背部的巖土分析器進(jìn)行在線分析［6-7］。MSR(Mars Sample and Return)火星無(wú)人采樣返回計(jì)劃是NASA近期正在研究的項(xiàng)目之一，機(jī)械臂搭載的末端執(zhí)行器主要使用鉆取的方式進(jìn)行采樣［8-9］，這樣可以保證采樣到樣品的層理信息，同時(shí)可以對(duì)深度達(dá)lm的星球次表層樣品進(jìn)行采集［10］，更主要是可以采集較為堅(jiān)硬的巖石樣品。NASA的鳳凰號(hào)火星著陸器于2008年5月成功抵達(dá)火星表面，其上搭載的樣品采集設(shè)備包括機(jī)械臂、采樣鏟［11］。機(jī)械臂末端裝有可移動(dòng)采樣鏟，采樣鏟前面裝有帶鋸齒的刀刃，后面裝有帶鋒利尖齒的動(dòng)力銼刀，可穿破凍土獲取樣本［12-13］。ESA和ASI(意大利空間局)合作共同進(jìn)行的行星表面小樣本采樣工具(SSA/DT)研制項(xiàng)目中，使用了香港理工大學(xué)研制的“微型末端感應(yīng)器(MEE)”用于從火星或彗星表面采集微量土壤樣品［14-15］。獵兔犬2號(hào)設(shè)計(jì)為探索火星表面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及搜索生命跡象，帶有一個(gè)4自由度的機(jī)械臂，末端包含一對(duì)鉗子，能夠?qū)δ繕?biāo)巖石研磨和取樣［16］。2009年加利福尼亞州帕薩迪納NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人硬件系統(tǒng)工作組為火星樣品返回任務(wù)設(shè)計(jì)了可分離式鏟挖器，采樣器特色在于鏟挖爪分為可完全合攏的兩半，分別由獨(dú)立的卡具驅(qū)動(dòng)［17］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)一種能夠鏟挖與振動(dòng)篩選樣本的末端執(zhí)行器［18］。東南大學(xué)研制了一種安裝于柔性臂末端的表層月壤采樣裝置，該裝置利用柔性臂的伸縮動(dòng)作將開(kāi)口采樣器插入月壤，合攏后拔出［19］。

由上述資料可知，基于機(jī)械臂末端搭載的表層采樣器，具有結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、采樣范圍廣等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于星球表層星壤的采樣任務(wù)中。針對(duì)采樣器的設(shè)計(jì)需求，需要重點(diǎn)考慮輕量化、低功耗等需求外，還要盡可能提高任務(wù)功能的多樣化，實(shí)現(xiàn)鏟、挖、耙、夾等功能。本文針對(duì)表層月壤采樣任務(wù)需求，提出一種多功能集成的采樣器設(shè)計(jì)方案，通過(guò)力學(xué)仿真和試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了方案的可行性，為我國(guó)后續(xù)的月球采樣探測(cè)任務(wù)奠定基礎(chǔ)。

1 采樣器方案設(shè)計(jì)

1．1 設(shè)計(jì)依據(jù)

對(duì)于航天工程，需要盡量減小采樣器的包絡(luò)尺寸，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提升可靠性，由于能量有限，需要做到低功耗和輕量化。航天產(chǎn)品運(yùn)移所需的代價(jià)較大，要最大程度上提高設(shè)計(jì)的可行性與成功率，要求采樣裝置具有一定的功能冗余以及較高的環(huán)境適應(yīng)性。

月壤采樣器要求能夠采集一定量的表層月壤，并將其傾倒入初級(jí)封裝容器中，并對(duì)初級(jí)封裝容器具有轉(zhuǎn)移能力。月表土壤采樣器要求能夠進(jìn)行多次采樣，且不出現(xiàn)樣品散落現(xiàn)象。末端采樣裝置在抓取、轉(zhuǎn)移表取初級(jí)封裝容器過(guò)程中，能使初級(jí)封裝容器保持姿態(tài)。能夠適應(yīng)運(yùn)載發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月飛行、著陸下降、月面工作等過(guò)程中的復(fù)雜環(huán)境。

對(duì)于采樣器的性能有如下要求:

1)單次采樣量——標(biāo)稱月壤狀態(tài)下，單次獲取月球樣品的能力不小于150 cm3(密度為1．5g/cm3時(shí))。

2)采樣時(shí)間——標(biāo)稱月壤狀態(tài)下，單次完成150cm3鏟挖的時(shí)間不超過(guò)5min。

3)功耗——平均功耗不超過(guò)40W。

4)末端采樣裝置質(zhì)量不大于3．75kg。

5)轉(zhuǎn)運(yùn)最大負(fù)載能力不小于5kg。

1．2 方案設(shè)計(jì)

月球表面風(fēng)化層的土壤密度隨深度的增加而增加，如表1所示。表層的月壤采樣面對(duì)的是比較松散的風(fēng)化層土壤［20］。對(duì)于表層松散月壤，可以采用鏟挖的方式獲取。為了提高采樣器的機(jī)動(dòng)性，將鏟挖分為鏟取與挖取兩個(gè)動(dòng)作。挖取動(dòng)作如圖1所示。首先將鏟挖取樣器展開(kāi)，貼近月表，隨后鏟斗繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)曲線劃過(guò)月壤，將月壤挖人容腔內(nèi)，之后將采樣器整體抬起，鏟斗與上蓋閉合形成封閉容腔。

表1 不同深度月壤的平均密度Table 1 Average density of soil in different depths

圖1 采樣器挖取月壤樣本的動(dòng)作流程Fig.1 The activity of sampler for digging up the lunar regolith

鏟取動(dòng)作如圖2所示。下鏟模式是利用下鏟鏟入風(fēng)化層，獲取月壤。下鏟工作開(kāi)始時(shí)，上蓋打開(kāi)，下鏟以一定傾斜角度向月表鏟去。鏟入月壤后，上蓋閉合，形成密閉容腔，完成采樣。

圖2 下鏟取工作模式時(shí)的動(dòng)作Fig.2 Mechanical operation of the sampler under working mode of shovel

采樣器獲得月壤樣本后需要將樣本轉(zhuǎn)移至初級(jí)封裝容器，并完成封裝容器的轉(zhuǎn)移。完成采樣后，采樣器將所獲樣本傾倒入封裝容器，并借助采樣器本身結(jié)構(gòu)完成對(duì)封裝容器的轉(zhuǎn)移。采樣器提罐過(guò)程如圖3所示。

圖3 采樣器提罐過(guò)程Fig.3 Lifting jar process of sampler

結(jié)合前端機(jī)械臂完成所有采樣、傾倒及轉(zhuǎn)移工作。采樣器工作時(shí)序如圖4所示。采樣器甲(鏟式)單個(gè)采/放樣循環(huán)周期為3．5min。

圖4 采樣器工作時(shí)序Fig.4 Work sequence diagram of sampler

1．3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

末端采樣裝置位于表取機(jī)械臂腕關(guān)節(jié)末端，采用鏟挖的工作形式。通過(guò)機(jī)械臂動(dòng)作與采樣器配合使用，實(shí)現(xiàn)多角度多方位(鏟、挖、耙、夾)收集月表上的帶黏性(靜電)的微塵(月塵)、質(zhì)感較結(jié)實(shí)的混合型泥土(月塵+碎石)和純碎石。

采樣器是向上揭蓋型斜插式鏟挖法采樣器，如圖5所示。前端由兩片鈦合金屬罩組成，上金屬罩的外形呈勾狀，邊緣部分特意設(shè)計(jì)成細(xì)齒狀，方便抓取泥土;下金屬罩的外形呈舌狀，用來(lái)刮除多余樣本，下金屬罩伸縮運(yùn)動(dòng)方向伸出端有限位開(kāi)關(guān)，用于檢測(cè)下金屬罩是否到位，防止取樣后月壤樣品泄漏。采樣器的主體結(jié)構(gòu)為薄殼結(jié)構(gòu)，通過(guò)特征化設(shè)計(jì)和有限元分析實(shí)現(xiàn)輕量化和高強(qiáng)度的統(tǒng)一，減少了裝配帶來(lái)的額外質(zhì)量，但同時(shí)也提高了加工難度。

圖5 采樣器結(jié)構(gòu)Fig.5 Sampler structure

采樣器內(nèi)部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，采樣器內(nèi)有兩個(gè)電機(jī)，分別驅(qū)動(dòng)金屬爪的弧線運(yùn)動(dòng)和金屬舌的振動(dòng)伸縮運(yùn)動(dòng)。弧線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)齒輪組進(jìn)行減速，并將運(yùn)動(dòng)傳遞至金屬爪。振動(dòng)伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)絲杠螺母副將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)并傳遞至金屬舌。

圖6 采樣器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.6 Driving mechanism of sampler

2 機(jī)土耦合動(dòng)力學(xué)仿真

2．1 離散元模型

機(jī)土耦合仿真模型采用離散元仿真軟件對(duì)作業(yè)對(duì)象月壤顆粒進(jìn)行仿真。顆粒間的相互作用不僅包括傳統(tǒng)的法向、切向力作用，還包括扭轉(zhuǎn)與彎曲的力矩作用，本文建立帶扭轉(zhuǎn)、彎曲力矩的顆粒接觸碰撞三維離散元模型，如圖7所示。圖7中，i、j代表發(fā)生接觸碰撞的兩顆粒，Kn為法向接觸剛度，Ktw為抗扭轉(zhuǎn)剛度。

圖7 顆粒接觸碰撞三維模型Fig.7 Particle contact collision model

由于接觸平面內(nèi)的切向、彎曲應(yīng)變均為平面向量，可將其沿x軸與z軸方向分解，并定義相應(yīng)的接觸剛度。其中，Ksx、Ksz為切向接觸剛度，Krx、Krz為抗彎曲剛度，μx、μz為摩擦系數(shù)，并且有:

式中:φ為顆粒的內(nèi)摩擦角。

2．2 月壤模型參數(shù)設(shè)定

Scott在地面環(huán)境、圍壓53 kPa左右條件下以孔隙比0．87的真實(shí)月壤樣品與孔隙比0．63的地球土壤做了微型三軸壓縮試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖8所示，地球土壤只有通過(guò)增加密實(shí)度才能達(dá)到與月壤相同的抗剪強(qiáng)度，說(shuō)明了月壤的高抗剪性。月壤樣品的應(yīng)力應(yīng)變曲線表明當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到7%左右時(shí)樣品發(fā)生屈服，應(yīng)力差達(dá)到峰值200 kPa，以其為參考曲線進(jìn)行離散元模型的參數(shù)標(biāo)定。

圖8 真實(shí)月壤三軸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.8 Stress strain curve of three axis test of real lunar soil

為實(shí)現(xiàn)等效性，需要對(duì)仿真中月壤顆粒的性質(zhì)進(jìn)行校驗(yàn)，即通過(guò)參數(shù)匹配得到性質(zhì)與真實(shí)月壤顆粒等效的仿真顆粒。通過(guò)對(duì)三軸試驗(yàn)曲線的對(duì)比，標(biāo)定離散元仿真參數(shù)如表2所示。

表2 月壤離散元模型細(xì)觀參數(shù)Table 2 Macroscopic parameters of lunar soil discrete element model

利用上述標(biāo)定的細(xì)觀參數(shù)，在53 kPa、78 kPa、103kPa圍壓下進(jìn)行3組離散元三軸仿真試驗(yàn)，得到3條應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖9所示。

圖9 不同圍壓下離散元三軸仿真試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Three axis simulation test results of discrete element under different confining pressure

經(jīng)測(cè)算，月壤離散元模型內(nèi)聚力 c=0．90kPa，內(nèi)摩擦角 φ =42．25°，滿足真實(shí)月壤宏觀力學(xué)性能指標(biāo)，表明所建立的月壤離散元模型可以代替真實(shí)月壤完成采樣過(guò)程的仿真任務(wù)。

2．3 仿真模型的建立

采樣器Pro/E模型圖如圖10所示。直徑70mm圓筒分成兩部分，一部分作為翻蓋或者挖斗，總長(zhǎng)200mm，有效挖掘部分100 mm，采樣時(shí)如采用“鏟式”，則該部分作為翻蓋，用于封存土樣，如采用“挖式”，則該部分作為挖斗，用于挖掘土壤;另一部分為平鏟，總長(zhǎng)100 mm，采樣時(shí)如采用“鏟式”，則該部分用于鏟土，如采用“挖式”，則該部分用于挖掘后將土樣鏟平封存。

圖10 采樣器三維模型Fig.10 3D model diagram of sampler

當(dāng)采樣過(guò)程中，采樣機(jī)構(gòu)進(jìn)行挖掘操作時(shí)，月壤將會(huì)受到破壞而變形，產(chǎn)生土拱現(xiàn)象，而為了對(duì)月壤受挖掘情況下的運(yùn)動(dòng)滑移特性進(jìn)行模擬，更好地研究挖掘月壤的過(guò)程，需對(duì)月壤顆粒性態(tài)、月壤受力及滑移狀態(tài)進(jìn)行可視化仿真，如圖11所示。

圖11 月壤剖面及顆?？梢暬疐ig.11 Lunar profile and particle visualization

2．4 機(jī)土作用仿真

利用離散元仿真軟件對(duì)鏟取和挖取兩種工況下的情況進(jìn)行仿真分析，得到采樣器在鏟取和挖取工作時(shí)，對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性。

(1)鏟取式工作

采樣器采用“鏟式”，平鏟與月面夾角20°，以10 mm/s的速度向下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)10 s鏟進(jìn)100mm后，翻蓋以2(°)/s的角速度合攏，10 s后采樣器兩部分合攏，之后兩部分共同以－2(°)/s的角速度收回，全過(guò)程如圖12所示。

圖12 鏟取式采樣仿真過(guò)程Fig.12 Shovel sampling simulation process diagram

鏟過(guò)程受力分析如圖13所示。

鏟過(guò)程僅平鏟部分受力，隨鏟進(jìn)過(guò)程深入，平鏟所受力和力矩逐漸增大，鏟進(jìn)100 mm時(shí)受力最大為25N，力矩最大為－2N·m。

合蓋過(guò)程受力分析如圖14所示。

合蓋過(guò)程翻蓋與平鏟均受力，翻蓋起初未與月壤接觸，因此受力為零，接觸之后受力快速增加，完全合攏前1 s達(dá)到峰值300 N;平鏟受力起初保持在25N左右，當(dāng)翻蓋合攏前1 s突然增至峰值－300 N;翻蓋與平鏟受力相反，在一定程度上相互抵消，從采樣器整體來(lái)看，起初受力保持在22N左右，即將合攏完畢時(shí)采樣器受力最大，達(dá)到峰值60N，力矩達(dá)15N·m。

收回過(guò)程采樣器兩部分合二為一，共同向回轉(zhuǎn)動(dòng)，此間采樣器受力情況如圖15所示。采樣器從月壤中取出開(kāi)始時(shí)刻，采樣器受到內(nèi)外部月壤作用受力最大，達(dá)到峰值38N，力矩－3．5N·m，約1．7 s后完全脫離月表，此時(shí)采樣器只受內(nèi)部月壤作用，受力很小，僅在0 N附近振蕩，偶爾出現(xiàn)較大峰值，但不超過(guò) 5 N，力矩始終保持在0．6N·m附近。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本次仿真共設(shè)置月壤顆粒9 557個(gè)，總質(zhì)量1．848 4 kg，最后采集到樣品顆粒946個(gè)，樣品質(zhì)量 0．0866kg。

(2)挖取式工作

采樣器采用“挖式”，挖斗軸線與月面夾角35°，以 2(°)/s的角速度挖掘月壤，55 s后挖掘完畢，之后平鏟以10mm/s的速度將土樣鏟平封存，全過(guò)程如圖16所示。

圖13 鏟過(guò)程采樣器受力Fig.13 The force of shoveling process

圖14 合蓋過(guò)程采樣器受力Fig.14 The force of closing process

圖15 收回過(guò)程采樣器受力Fig.15 The force of recovery process

圖16 挖式仿真過(guò)程Fig.16 Excavating model simulation process

挖過(guò)程受力分析如圖17所示。

鏟過(guò)程僅挖斗部分受力，隨挖掘過(guò)程深入，挖斗所受力和力矩逐漸增大，挖掘至一半左右時(shí)受力最大為150N，隨后逐漸減小，挖掘結(jié)束時(shí)挖斗受力為50 N，力矩一直增大至結(jié)束前5 s達(dá)到最大值－40N·m，隨后減小至－20N·m。

如圖18所示，平鏟與月壤接觸前受力為0，接觸之后受力逐漸增加，完全合攏時(shí)達(dá)到峰值220N;挖斗受力起初保持在40N以內(nèi)，隨后略有增大當(dāng)合攏時(shí)突然增至峰值－220N;挖斗與平鏟受力相反，在一定程度上相互抵消，從采樣器整體來(lái)看，受力始終保持在25N以內(nèi)，力矩在20 N·m范圍內(nèi)，收攏至將近一半時(shí)略有增加，力達(dá)到50N左右，力矩達(dá)到30N·m左右。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本次仿真共設(shè)置月壤顆粒19485個(gè)，總質(zhì)量3．8771kg，最后采集到樣品顆粒3422個(gè)，樣品質(zhì)量 0．5889kg。

圖17 挖過(guò)程采樣器受力Fig.17 Force of excavating process

圖18 鏟平過(guò)程采樣器受力Fig.18 Force of the shoveling process

3 采樣器試驗(yàn)研究

3．1 測(cè)試系統(tǒng)

試件為采樣器，主要測(cè)試設(shè)備為采樣器性能測(cè)試臺(tái)。采樣器性能測(cè)試臺(tái)主要由安裝臺(tái)、6自由度工業(yè)機(jī)器人組成。測(cè)試系統(tǒng)示意如圖19所示。

試驗(yàn)對(duì)象為3種不同粒徑配比的模擬月壤。模擬月壤的配比如表3所示，合計(jì)標(biāo)稱質(zhì)量42．49kg、挑戰(zhàn)質(zhì)量 50．38kg、極端質(zhì)量 52．82kg。

圖19 測(cè)試系統(tǒng)Fig.19 Test system

3．2 取樣特性

驗(yàn)證采樣器對(duì)不同硬度月壤適應(yīng)性，確認(rèn)采樣器功能可靠，及不同硬度月壤下，采樣器的取樣能力。硬度梯度分為標(biāo)稱、挑戰(zhàn)、極端3種，利用采樣器對(duì)標(biāo)稱、挑戰(zhàn)、極端3種類(lèi)型的模擬月壤開(kāi)展采樣試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出給定電流越大，所能達(dá)到的采樣深度越大，能獲得的月壤的硬度等級(jí)越高，最后所得采樣量越大。月壤硬度等級(jí)越高，采樣的難度越大。

表3 模擬月壤混料參數(shù)Table 3 Simulant lunar regolith mixture parameters

表4 采樣試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Experimental results of sampling g

采樣器驅(qū)動(dòng)電壓為28V，可以得到單位功率所能采集到的樣本與電流和深度的關(guān)系如圖20所示。

圖20 單位功率樣本采集量與深度電流關(guān)系Fig.20 Relationship between unit power sample collection and deep current

隨深度增加，單位功率獲得采樣量增加，在深度達(dá)到60mm時(shí)，采樣能力到達(dá)極限，發(fā)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，采樣失敗。3種硬度模擬月壤下的單位功率采樣量隨深度與電流的變化趨勢(shì)相一致，硬度越大單位功率采樣量較大。隨驅(qū)動(dòng)電流的增大，單位功率采樣能力變化不明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)月面表層的采樣任務(wù)，設(shè)計(jì)了一種鏟挖式采樣器，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的采樣動(dòng)作，進(jìn)行了仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1)對(duì)采樣器的采樣能力進(jìn)行了分析，利用離散元數(shù)值仿真手段，對(duì)采樣器進(jìn)行了機(jī)土耦合仿真，對(duì)其工作能力進(jìn)行了初步確認(rèn)。

2)建立月表采樣試驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)試了采樣器在不同驅(qū)動(dòng)能力下所能所得的樣品深度、樣品硬度及采樣量的情況。

本文的研究工作可為中國(guó)未來(lái)的月面采樣任務(wù)提供方案借鑒和技術(shù)支撐。