程 麗 肖道林，2 張 超，2

（1、沈陽(yáng)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110044 2、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，遼寧 沈陽(yáng)110016）

小行星是太陽(yáng)系中重要的天體組成部分，承載著重要的演化信息，是探尋太陽(yáng)系物質(zhì)起源的重要天體[1]。同時(shí)小行星含有富饒的稀有元素和貴金屬，具有十分重要的價(jià)值[2]。

所以小行星表面取樣研究已經(jīng)成為各個(gè)國(guó)家重要研究的航天項(xiàng)目。

目前，小行星采樣方式有射彈撞擊、螺旋鉆取、氣體激勵(lì)等方法。這幾種采樣方式都成功應(yīng)用，本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的采樣頭是抓取式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、采存一體的特點(diǎn)。

1 采樣頭方案設(shè)計(jì)

小行星的采樣主要是針對(duì)星體的表層物質(zhì)進(jìn)行采集[3]。本設(shè)計(jì)針對(duì)表壤地貌進(jìn)行采集。飛行器通過(guò)機(jī)械臂連接采樣器，采用TAG（Tough And Go）的方式進(jìn)行采樣。采樣器與星壤觸碰時(shí)間為3 秒，要保證采樣器能觸發(fā)閉合功能。

抓取式采樣器是由采樣頭，采樣轉(zhuǎn)盤(pán)，轉(zhuǎn)位模塊，開(kāi)腔模塊組成，如圖1 所示?？蛇M(jìn)行多次多點(diǎn)采樣，因此采樣器搭載了三個(gè)相同的采樣頭；提高了采樣的成功率以及魯棒性。

采樣器可以攜帶三個(gè)采樣頭，可進(jìn)行多次取樣。機(jī)械觸發(fā)式采樣器集采樣、樣品保存一體，每個(gè)采樣頭既可以采樣，又可以保存樣品。

2 采樣頭工作原理

采樣頭是采樣器最重要的部件，用于樣品的收集和保存。采樣是否成功以及樣品是否能完好的保存有著至關(guān)重要的作用。主要是由兩個(gè)形狀上相似的腔門(mén)、觸發(fā)桿、連桿和驅(qū)動(dòng)扭簧構(gòu)成。采樣頭在采樣開(kāi)始前是閉合狀態(tài)（如圖2 所示），依靠開(kāi)腔模塊的楔形塊打開(kāi)，并保持在死點(diǎn)狀態(tài)；隨后楔形塊收回，轉(zhuǎn)位模塊帶動(dòng)轉(zhuǎn)采樣轉(zhuǎn)盤(pán)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至采樣位置并鎖定。完全打開(kāi)的采樣腔（圖2b）處于穩(wěn)定的狀態(tài)，處于中心位置的觸發(fā)桿伸出，用于采樣腔觸發(fā)閉合的功能。

飛行器在豎直方向上以10m/s 的速度緩慢降落，由于反作用力的作用，觸發(fā)桿受力，此時(shí)采樣腔已經(jīng)越過(guò)死點(diǎn)位置，在彈簧驅(qū)動(dòng)下保持關(guān)閉采樣腔的趨勢(shì)。采樣腔離開(kāi)星表的瞬間，采樣腔在驅(qū)動(dòng)彈簧的作用下迅速閉合，并將采集到的樣品保留在采樣頭中。

圖2 采樣頭兩種狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)

3 采樣頭機(jī)構(gòu)優(yōu)化

采樣頭是采樣器的核心部件，采樣器能否成功采樣起著至關(guān)重要的作用。為了采樣頭能順利觸發(fā)，對(duì)采樣頭各個(gè)構(gòu)件的優(yōu)化是必不可少的。一般優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題是在n 維歐氏空間內(nèi)尋找一個(gè)點(diǎn)X=（x1，x2，x3，…，xn）T，在滿(mǎn)足gu（X）≤0 和hv（X）=0 約束條件時(shí)，使f（x）取最小值。上述優(yōu)化問(wèn)題可簡(jiǎn)寫(xiě)為

式中，f（X）、gu（X）、hv（X）為n 元函數(shù)；f（X）為目標(biāo)函數(shù)；gu（X）為不等式約束條件；hv（X）為等式約束條件；X 為設(shè)計(jì)變量。

（1）確定設(shè)計(jì)變量。

對(duì)各個(gè)連桿的長(zhǎng)度進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，建立如下所述的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于各個(gè)連桿的長(zhǎng)度取最優(yōu)，將采樣頭機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化如圖3 所示。

圖3 采樣頭機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖

根據(jù)總體布局設(shè)計(jì)，這里確定n1=22.5，n2=61.5，n3=4.5；由運(yùn)動(dòng)分析可知，決定該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的幾何參數(shù)有連桿OD 長(zhǎng)度L1，連桿CE 長(zhǎng)度L2以及連桿CB 長(zhǎng)度L3。因此采樣頭機(jī)構(gòu)的獨(dú)立設(shè)計(jì)參數(shù)共三個(gè)，故設(shè)計(jì)變量定義為

為了保證采樣頭在采樣時(shí)能順利觸發(fā)閉合，需要保證采樣頭在死點(diǎn)位置時(shí)，A 點(diǎn)和B 點(diǎn)之間的是水平距離（y2=0）為零時(shí)，C 點(diǎn)和D 點(diǎn)之間的水平距離（y1）最大。以此建立目標(biāo)函數(shù)，表達(dá)式為

（3）確定約束條件。

在考慮結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，就要滿(mǎn)足采樣頭體積適中，又能保證能夠抓取足夠多的樣品；因此：30≤L1≤50，5≤L2≤40，20≤L3≤60。

同時(shí)要保證采樣頭機(jī)構(gòu)在死點(diǎn)位置（y1=0）時(shí)，能順利觸發(fā)關(guān)閉采樣頭，A 點(diǎn)與B 點(diǎn)的水平距離（y0）要大于18mm；采樣頭在關(guān)閉狀態(tài)（θ=0）時(shí)，要保證采樣頭的內(nèi)腔有足夠的空間來(lái)保存樣品，所以觸發(fā)桿的長(zhǎng)度要短些，A 點(diǎn)和B 點(diǎn)之間的是水平距離大于等于12mm；同時(shí)也要保證OC 之間的距離（y3）不能太小，這里設(shè)計(jì)最小為8mm。

綜上所述，采樣頭優(yōu)化的約束條件為

利用MATLAB 進(jìn)行優(yōu)化，為了判斷該穩(wěn)定狀態(tài)下對(duì)于各個(gè)連桿的變化關(guān)系，取L1=40，計(jì)算y1，可得目標(biāo)函數(shù)隨L2，L3的增大而增大，在可行域內(nèi)不是凸函數(shù)。

尋得范圍內(nèi)最優(yōu)解為：L1=50.0，L2=38.6，L3=43.2?？紤]到加工誤差的原因，故最終方案取值為L(zhǎng)1=50.0，L2=38.5，L3=43.2。

根據(jù)采樣頭機(jī)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)，得到采樣頭兩種狀態(tài)下的尺寸參數(shù)如下圖所示：

圖4 采樣兩種狀態(tài)

由圖4（a）可得，該種狀態(tài)下觸發(fā)桿與艙內(nèi)頂部的最小距離為18mm。因而，在采樣腔中間位置可以適應(yīng)的樣品尺寸不能大于18mm。該種情況下觸發(fā)桿伸出采樣艙連線面15mm，也就說(shuō)明采樣頭對(duì)于“凹地形”其中凹陷位置小于15mm 即可產(chǎn)生有效的觸發(fā)。

4 采樣頭機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

使用ADAMS 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，模擬采樣頭觸發(fā)閉合的過(guò)程。觸發(fā)力的模擬采用step 函數(shù)，觸發(fā)力隨時(shí)間的變化逐漸增大。觸發(fā)力在0-1s 內(nèi)由0 變?yōu)?0N。以腔門(mén)的速度為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)采樣頭腔門(mén)的由零增大時(shí)，則認(rèn)為觸發(fā)采樣頭閉合。從圖5 可以看出艙門(mén)在0.638s 時(shí)開(kāi)始變化，此時(shí)的觸發(fā)力約為7N；即在彈簧剛度k=2.725Nmm/°的情況下，觸發(fā)力F=7N。

圖5 觸發(fā)采樣頭閉合曲線

驗(yàn)證得到的觸發(fā)力是否正確，依然使用step 函數(shù)，在0s 時(shí)觸發(fā)力為7N，并隨時(shí)間而逐漸減小。設(shè)置仿真時(shí)間1s，步數(shù)1000。得到了采樣頭腔門(mén)的速度的變化曲線，如圖6?？梢缘贸銮婚T(mén)在0.1s 時(shí)的速度變?yōu)?，即認(rèn)為腔門(mén)在此時(shí)閉合。由于采樣頭搭載的飛行器采用TAG 的飛行方式，觸碰星壤的時(shí)間極短，通過(guò)仿真可以看出腔門(mén)的關(guān)閉時(shí)間約為0.1s，滿(mǎn)足在3 秒的時(shí)間內(nèi)完成采樣操作。

圖6 采樣頭腔門(mén)閉合時(shí)速度變化曲線

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)出了一種抓取式采樣頭，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采存一體的特點(diǎn)。從理論上來(lái)說(shuō)，優(yōu)化的采樣頭的兩種狀態(tài)穩(wěn)定，而且觸發(fā)方案可行，能適應(yīng)一定程度的凹地形，且采樣顆粒較大。通過(guò)ADAMS 仿真分析可以得出，采樣頭觸發(fā)力小，僅7N；且閉合時(shí)間為0.1s，閉合迅速，符合衛(wèi)星提供的觸發(fā)力和采集時(shí)間。