蠕動掘進(jìn)潛入式行星探測裝置方案設(shè)計(jì)研究

節(jié)德剛，張偉偉，姜生元，陳化智，沈毅，全齊全，侯緒研，鄧宗全

(1.探月與航天工程中心，北京 100037；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080)

蠕動掘進(jìn)潛入式行星探測裝置方案設(shè)計(jì)研究

節(jié)德剛1，張偉偉2，姜生元2，陳化智2，沈毅2，全齊全2，侯緒研2，鄧宗全2

(1.探月與航天工程中心，北京 100037；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080)

針對在地外星體較大深度處長期地實(shí)施地質(zhì)科學(xué)探測這一新的研究難題，運(yùn)用無人自動潛入式探測原理，提出了蠕動掘進(jìn)潛入式行星探測裝置的設(shè)計(jì)方案，并重點(diǎn)對探測裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)開展了研究；成功研制出蠕動掘進(jìn)潛入式探測裝置試驗(yàn)樣機(jī)及其性能測試平臺，為蠕動掘進(jìn)潛入式行星探測裝置方案的可行性驗(yàn)證以及性能測試奠定技術(shù)基礎(chǔ)。研制的蠕動掘進(jìn)潛入式行星探測裝置對我國未來的行星探測任務(wù)具有借鑒意義。

行星探測；潛入式探測；蠕動掘進(jìn)；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引 言

行星探測作為人類了解太空世界最直接的途徑，是世界上各航天大國開展深空探測的主要目標(biāo)。對地外天體星壤化學(xué)成分、物理及力學(xué)特性，以及星壤剖面溫度場等方面的科學(xué)探測也越來越引起各國的關(guān)注。美國、歐空局、日本等國家及組織針對月球、火星等星體開展了各類探測活動，如美國Apollo、前蘇聯(lián)Luna系列探測器都對月球進(jìn)行了采樣探測[1]。美國、歐空局針對火星探測也開發(fā)了探測器，并有成功著陸及移動探測的先例[2]。

在已經(jīng)成功實(shí)施的針對不同地外天體的無人探測活動中，人類對地外天體地質(zhì)的研究與了解主要通過采樣探測、就位探測等方式。采樣探測通常利用鉆進(jìn)采樣、表取采樣兩種方式獲得星體表層及次表層星壤樣品，并借助返回器將樣品帶回地面進(jìn)行研究[3]。鉆進(jìn)采樣的探測裝置由鉆具及驅(qū)動部件組成，驅(qū)動部件安裝在著陸器上，鉆具末端與驅(qū)動部件連接。鉆具前端部分在驅(qū)動部件的驅(qū)動下，破碎并轉(zhuǎn)移星壤而進(jìn)入星體表層以下實(shí)施采樣探測任務(wù)。表取采樣裝置由機(jī)械臂和采樣器組成，機(jī)械臂安裝在著陸器上，采樣器安裝在機(jī)械臂末端。采樣過程中，機(jī)械臂運(yùn)動并操作采樣器對星球表面的星壤、石塊進(jìn)行采樣。與采樣探測方式不同，就位探測利用探測器自身所攜帶的科學(xué)探測儀器直接對探測目標(biāo)實(shí)施探測，并將探測數(shù)據(jù)傳送到地球。分析上述三種探測方式，當(dāng)采用鉆進(jìn)取樣方式實(shí)施探測時，鉆具需要克服整個深度上星壤的阻力。隨著鉆進(jìn)深度的增大，鉆進(jìn)阻力顯著增大，驅(qū)動部件的驅(qū)動功率需求大，因而驅(qū)動部件的體積、質(zhì)量勢必會很大。而在實(shí)際行星探測活動中，探測裝置的質(zhì)量會受到火箭運(yùn)載能力的限制，探測裝置的工作周期會受到能源供應(yīng)的約束，探測裝置的結(jié)構(gòu)會受到著陸器構(gòu)型的制約。因此，鉆進(jìn)采樣探測的探測深度淺、探測時間短，樣品的科學(xué)價值有限。而表取采樣探測只能獲取星球表層的樣品，樣品的科學(xué)價值更加有限。就位探測所采取的具體實(shí)施手段是將科學(xué)探測儀器埋入星壤實(shí)施探測任務(wù)，而在已有的行星探測任務(wù)中，探測儀器均未被埋入到星體地質(zhì)較深的部位[4]，探測數(shù)據(jù)的豐富性與精確性有限。因此，在火箭運(yùn)載能力不夠、能源供應(yīng)有限的現(xiàn)實(shí)情況下，在星體較大深度處長期地實(shí)施較為豐富的科學(xué)探測是行星探測領(lǐng)域新的研究難題。

為了攻克這一難題，領(lǐng)域內(nèi)學(xué)者提出了無人自動潛入式探測的理念[5]。潛入式探測的核心是潛入式探測裝置。潛入式探測裝置由輔助設(shè)備和潛入器兩部分組成。工作過程中，輔助設(shè)備安裝在星體表面，為潛入器提供能源、支撐等保障。潛入器則可潛入到地質(zhì)層中，并能通過內(nèi)置的探測傳感器對地質(zhì)構(gòu)成等目標(biāo)進(jìn)行探測。潛入式探測裝置功耗小，在能源供應(yīng)一定的情況下，可以工作更長時間，生命周期長。國內(nèi)外對于星球自動潛入式探測裝置的研究時間較長。以歐洲為代表的研究單位重點(diǎn)研究了沖擊貫入式潛入器，開展了大量試驗(yàn)研究，技術(shù)較為成熟[6-7]。此類潛入器依靠沖擊擠壓星壤而形成下潛空間，下潛能力有限。因此，日本學(xué)者提出在潛入過程中對切屑進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)和排除，設(shè)計(jì)了多種具有螺旋輸送功能的自動潛入器并開展了試驗(yàn)研究工作[8-9]。但此類型的潛入器試驗(yàn)潛入深度沒超過600 mm，因?yàn)橄聺搲毫Σ蛔銓?dǎo)致了下潛深度較淺。為了克服潛入器下潛壓力不足的問題，英國和日本學(xué)者分別基于仿生原理提出了兩款蠕動掘進(jìn)式潛入器[10-11]。潛入式探測裝置質(zhì)量和體積小，航天器需要搭載的有效載荷小，對火箭負(fù)載能力要求低。因此，采用無人自動潛入式探測方案，一方面可以降低火箭發(fā)射成本；另一方面，在火箭發(fā)發(fā)射能力一定的前提下，潛入式探測裝置可以被送達(dá)距地球更遠(yuǎn)星球，獲得更為豐富的深空探測數(shù)據(jù)，能大大提高人類對宇宙發(fā)展的認(rèn)知水平。綜上所述，對于未來深空地外天體地質(zhì)構(gòu)成的探測研究，潛入式探測是一種有效手段和方式。本文基于無人自動潛入式探測原理，對蠕動掘進(jìn)潛入式行星探測裝置方案與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)開展研究。

1 潛入式探測裝置方案設(shè)計(jì)

1.1 潛入式探測原理分析與比較

潛入式探測分潛入和探測兩個環(huán)節(jié)，潛入器的作用就是對星體實(shí)施潛入。潛入的本質(zhì)是在對象中形成下潛空間而下潛，根據(jù)形成下潛空間方式的不同，潛入原理可以分為兩種類型：1)強(qiáng)制擴(kuò)孔式潛入原理；2)顆粒轉(zhuǎn)移式潛入原理。兩種潛入原理示意圖如圖1所示。

圖1 潛入式探測潛入原理示意圖Fig.1 Diagram of the boring principle

在強(qiáng)制擴(kuò)孔式潛入原理中，軸向沖擊力Fa作用在潛入器上，F(xiàn)a為潛入器提供軸向的瞬時沖量I。在I作用下，潛入器克服周圍星壤阻力而產(chǎn)生軸向潛入運(yùn)動，運(yùn)動位移為ΔH。沖擊力Fa周期作用，潛入器實(shí)現(xiàn)對探測對象的潛入。在潛入器強(qiáng)制擴(kuò)孔而潛入的過程中，孔內(nèi)原生星壤向周圍擠壓，周圍星壤在擠壓作用下密實(shí)度增大而形成一層擠密星壤層。擠密星壤層的密實(shí)度越大，孔隙率越小，可壓縮性也就越差，因而潛入器的下潛阻力就越大。因此，隨著潛入深度的增大，星壤的密實(shí)度越大，潛入器越難下潛。在顆粒轉(zhuǎn)移式潛入原理中，在軸向壓力Fb、周向力矩Mb的作用下，潛入器對前端星壤進(jìn)行破碎，轉(zhuǎn)移。破碎作用使原生星壤變成較為松散的次生星壤，而次生星壤經(jīng)過轉(zhuǎn)移堆積在潛入器后端。隨著潛入深度的增大，潛入器后端堆積的次生星壤增多。當(dāng)堆積次生星壤在潛入器后端形成的壓力超過潛入器承載能力時，潛入器失效而停止下潛。

由上述對潛入式探測兩種潛入原理的分析可知，顆粒轉(zhuǎn)移式潛入原理較強(qiáng)制擴(kuò)孔式潛入原理在極限潛入深度上不受星壤密實(shí)度的限制。尤其對于密實(shí)度較大的星壤，顆粒轉(zhuǎn)移式潛入原理的優(yōu)勢明顯。因此，未來的行星探測潛入器可利用顆粒轉(zhuǎn)移式潛入原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，但同時需要解決潛入器后端星壤堆積的問題。

1.2 蠕動掘進(jìn)潛入式探測裝置方案設(shè)計(jì)

利用顆粒轉(zhuǎn)移式潛入原理，設(shè)計(jì)蠕動掘進(jìn)式潛入探測裝置方案，如圖2所示。圖2(a)為蠕動掘進(jìn)式潛入式探測裝置組成圖。探測裝置由蠕動掘進(jìn)式潛入器、排土單元、輔助支撐單元、供電單元、控制單元等五個部分組成。蠕動掘進(jìn)式潛入器的作用是實(shí)現(xiàn)對星體的潛入，關(guān)于蠕動掘進(jìn)式潛入器的設(shè)計(jì)在第3節(jié)有詳細(xì)的介紹。工作過程中，蠕動掘進(jìn)式潛入器將其下方的原生星壤破碎成較為松散的次生星壤，并將其運(yùn)移到后端。排土單元的作用是將蠕動掘進(jìn)式潛入器后端堆積的次生星壤轉(zhuǎn)移到星體表面，消除星壤堆積對蠕動掘進(jìn)式潛入器的負(fù)載，排土單元的設(shè)計(jì)有效的解決了顆粒轉(zhuǎn)移式潛入原理中潛入器后端星壤堆積的問題。供電單元利用太陽能電池板儲存能量，為蠕動掘進(jìn)式潛入器運(yùn)動、科學(xué)探測儀器提供能源保障?？刂茊卧环矫鎸θ鋭泳蜻M(jìn)式潛入器運(yùn)動進(jìn)行控制，另一方面還承擔(dān)采集并儲存探測數(shù)據(jù)的任務(wù)。

圖2 蠕動掘進(jìn)潛入式探測裝置方案圖Fig.2 Scheme of the creepy-boring type subsurface investigation device

蠕動掘進(jìn)式潛入器是潛入式探測裝置的核心，也是探測裝置的研究難點(diǎn)。本文重點(diǎn)針對蠕動掘進(jìn)式潛入器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)開展研究?？紤]到提高潛入器潛入能力以及線纜扭轉(zhuǎn)等設(shè)計(jì)問題，提出蠕動掘進(jìn)潛入式潛入器原理方案，如圖2(b)所示。蠕動掘進(jìn)式潛入器由主掘進(jìn)單元、副掘進(jìn)單元、蠕動進(jìn)給單元、主定姿單元、副定姿單元等五個單元組成，主、副掘進(jìn)單元之間的區(qū)域?yàn)榫彺鎱^(qū)。主掘進(jìn)單元上安裝有主排土螺旋和掘進(jìn)頭組合機(jī)具，具備破碎、定向排屑功能；副掘進(jìn)單元上安裝有副排土螺旋機(jī)具，具備定向排屑功能；蠕動進(jìn)給單元能分別對主、副掘進(jìn)單元傳遞扭矩和推拉力；主、副定姿單元能夠分別使主、副掘進(jìn)單元相對于星壤固定。主、副掘進(jìn)單元分別通過主、副定姿單元的作用，可分別相對于對方轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)對星壤的破碎、定向接力式排屑功能。蠕動掘進(jìn)式潛入器下潛流程如圖3所示。

圖3 蠕動掘進(jìn)式潛入器潛入動作流程圖Fig.3 Motion sequences of creepy-boring type robot

假定圖3(a)為蠕動掘進(jìn)式潛入器實(shí)施潛入動作的初始狀態(tài)。蠕動掘進(jìn)式潛入器具體下潛過程如下：

(a)蠕動掘進(jìn)式潛入器初始狀態(tài)。

(b)副定姿單元工作，副掘進(jìn)單元與星壤鎖定。

(c)主掘進(jìn)單元作回轉(zhuǎn)、進(jìn)給運(yùn)動。運(yùn)動過程中，掘進(jìn)頭對正下方的原生星壤進(jìn)行破碎，將原生星壤轉(zhuǎn)換為次生星壤。同時，排土螺旋對次生星壤進(jìn)行輸送，將其運(yùn)移到緩存區(qū)。

(d)主掘進(jìn)單元下潛深度ΔH后，主、副定姿單元與星壤的約束關(guān)系轉(zhuǎn)換。主掘進(jìn)單元與星壤鎖定，副掘進(jìn)單元如星壤解除鎖定關(guān)系。

(e)副掘進(jìn)單元實(shí)施回轉(zhuǎn)、進(jìn)給運(yùn)動。在運(yùn)動過程中，副掘進(jìn)單元將緩存區(qū)的星壤運(yùn)移到蠕動掘進(jìn)式潛入器后端。下潛深度達(dá)到ΔH時，潛入器完成一個蠕動下潛過程。重復(fù)過程(a)～(e)，蠕動掘進(jìn)式潛入器實(shí)現(xiàn)蠕動下潛。

2 蠕動掘進(jìn)式潛入器設(shè)計(jì)及樣機(jī)研制

2.1 蠕動掘進(jìn)式潛入器本體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)工作過程中的動作設(shè)置，提出蠕動掘進(jìn)式潛入器本體詳細(xì)設(shè)計(jì)方案如圖4所示。圖中粗實(shí)線代表的是蠕動掘進(jìn)式潛入器的機(jī)架。機(jī)架分成主、副機(jī)架兩個部分。主機(jī)架為主掘進(jìn)單元、主定姿單元提供安裝基體；副機(jī)架為副掘進(jìn)單元、副定姿單元、蠕動進(jìn)給單元提供安裝基體。主、副機(jī)架之間通過蠕動進(jìn)給單元連接，在蠕動進(jìn)給單元的作用下，主、副機(jī)架之間可實(shí)現(xiàn)相對的伸展或收縮運(yùn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了主、副掘進(jìn)單元的蠕動進(jìn)給運(yùn)動。

圖4 蠕動掘進(jìn)式潛入器本體設(shè)計(jì)方案Fig.4 Scheme of creepy-boring type robot

主掘進(jìn)單元由驅(qū)動組件M1直接驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)頭與主排土螺旋的組合體繞自身軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。副掘進(jìn)單元由M2驅(qū)動，M2將動力經(jīng)由內(nèi)齒輪傳遞到副排土螺旋上，實(shí)現(xiàn)副排土螺旋繞自身軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。蠕動進(jìn)給單元由M3驅(qū)動，采用絲杠絲母傳動方式，實(shí)現(xiàn)主、副掘進(jìn)單元軸向的相對運(yùn)動。主、副定姿單元分別由M4、M5驅(qū)動，通過斜面機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定姿支持腿的伸縮運(yùn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與星壤的鎖定與解除鎖定的約束關(guān)系。

2.2 蠕動掘進(jìn)式潛入器樣機(jī)研制

根據(jù)方案設(shè)計(jì)，開展蠕動掘進(jìn)式潛入器本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與樣機(jī)研制工作。圖5(a)為蠕動掘進(jìn)式潛入器三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，圖5(b)為研制成功的蠕動掘進(jìn)式潛入器樣機(jī)。樣機(jī)的質(zhì)量為4.1 kg，外形尺寸為φ80 mm×560 mm。蠕動掘進(jìn)式潛入器各單元具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖5 蠕動掘進(jìn)式潛入器設(shè)計(jì)Fig.5 Design of the creepy-boring type robot

單元名稱參數(shù)主掘進(jìn)單元額定轉(zhuǎn)速：9369r/min額定扭矩：3745N·m額定功率：50W副掘進(jìn)單元額定轉(zhuǎn)速：1068r/min額定扭矩：278N·m額定功率：40W主、副定姿單元定位力：1873～3354N蠕動進(jìn)給單元額定進(jìn)給速度：06mm/s進(jìn)給行程：60mm額定推力：46698N

注：蠕動掘進(jìn)式潛入器本體整機(jī)質(zhì)量4.1 kg；整體外形尺寸φ80 mm×560 mm。

3 蠕動掘進(jìn)式潛入器潛入特性測試試驗(yàn)系統(tǒng)

為了驗(yàn)證蠕動掘進(jìn)潛入式探測方案的可行性和測試蠕動掘進(jìn)式潛入器的潛入特性，開發(fā)了如圖6所示的試驗(yàn)平臺。試驗(yàn)平臺由機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。機(jī)械系統(tǒng)包括輔助設(shè)備和蠕動掘進(jìn)式潛入器本體；控制系統(tǒng)包括上/下位機(jī)、控制箱。蠕動掘進(jìn)式潛入器潛入特性測試試驗(yàn)平臺參數(shù)如表2所示。

圖6 蠕動掘進(jìn)式潛入器潛入特性測試平臺Fig.6 Boring characteristic test platform of creepy-boring type robot

項(xiàng)目參數(shù)外形尺寸300mm×320mm×2700mm潛入器潛入對象模擬星壤試驗(yàn)設(shè)計(jì)潛入深度2m(可擴(kuò)展)控制系統(tǒng)控制量各電機(jī)轉(zhuǎn)速、力矩控制系統(tǒng)監(jiān)測量潛入負(fù)載、深度數(shù)據(jù)采樣頻率200Hz

注：試驗(yàn)平臺所允許的設(shè)計(jì)潛入深度可以通過增加星壤桶個數(shù)疊加的方式擴(kuò)展。

圖7 機(jī)械系統(tǒng)組成Fig.7 Components of mechanical system

機(jī)械系統(tǒng)組成如圖7所示，輔助設(shè)備由梳線槽、位移傳感器、輔助導(dǎo)套、輔助支架、模擬星壤桶組成。位移傳感器采用的是拉線編碼器，拉線編碼器出線端與蠕動掘進(jìn)式潛入器本體相連，記錄潛入過程位移變化。輔助導(dǎo)套在蠕動掘進(jìn)式潛入器潛入初始階段為定姿單元提供剛性支撐，當(dāng)蠕動掘進(jìn)式潛入器完全潛入到模擬星壤表層下時，蠕動掘進(jìn)式潛入器潛入形成的孔壁為定姿單元提供支撐。制備模擬星壤時，為了保證模擬星壤在星壤桶內(nèi)沿高度方向上特性參數(shù)的一致性，使用單段星壤桶進(jìn)行制備，最后將多個裝有模擬星壤的星壤桶疊加。

本文中的控制系統(tǒng)是基于xPC-Target架構(gòu)搭建的，控制系統(tǒng)由兩臺PC機(jī)組成，一臺為調(diào)試Simulink模型的宿主機(jī)(上位機(jī))，另一臺為具有實(shí)時操作系統(tǒng)的目標(biāo)機(jī)(下位機(jī))，可以實(shí)時運(yùn)行由宿主機(jī)通過TCP/IP傳送過來的編譯后的Simulink控制模型，再與PCI-6229板卡進(jìn)行通信，對蠕動掘進(jìn)式潛入器進(jìn)行控制。此外，控制系統(tǒng)還能實(shí)時采集各驅(qū)動電機(jī)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、負(fù)載力矩，進(jìn)而實(shí)時監(jiān)測蠕動掘進(jìn)式潛入器各單元運(yùn)行情況；同時控制系統(tǒng)通過采集位移傳感器的數(shù)據(jù)獲得蠕動掘進(jìn)式潛入器實(shí)時潛入深度。圖8為控制系統(tǒng)原理圖。

圖8 控制系統(tǒng)原理圖Fig.8 Diagram of the control system principle

4 蠕動掘進(jìn)潛入式探測應(yīng)用前景展望

與傳統(tǒng)的探測裝置相比，潛入式探測裝置的應(yīng)用前景更加廣泛。因其自身體積、質(zhì)量小，功耗消耗低等優(yōu)勢，除了月球、火星外，潛入式探測裝置還可對更遠(yuǎn)的星體如木衛(wèi)二、彗星等進(jìn)行探測；因其可以攜帶探測儀器實(shí)施探測，利用潛入式探測裝置可以開展星壤機(jī)械力學(xué)參數(shù)測量、星壤剖面溫度場測量、星球地質(zhì)震動監(jiān)測、星球磁場強(qiáng)度測量、星壤化學(xué)成分檢測與分析等探測活動。

5 結(jié) 論

與傳統(tǒng)的采樣探測、就位探測等探測方式相比，潛入式探測具有探測周期長、探測深度大、探測目標(biāo)豐富等優(yōu)勢，其應(yīng)用前景更加廣泛。運(yùn)用潛入式探測原理，本文成功研制了蠕動掘進(jìn)潛入式探測裝置及其特性測試試驗(yàn)系統(tǒng)，取得了階段性成果，為潛入式探測裝置方案可行性驗(yàn)證與性能測試奠定了基礎(chǔ)。該研究對我國未來的行星探測任務(wù)具有借鑒意義。

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[責(zé)任編輯：宋宏]

Research on Design of Creepy-Boring Type Subsurface Investigation Device for Planetary Exploration

JIE Degang1，ZHANG Weiwei2， JIANG Shengyuan2， CHEN Huazhi2， SHEN Yi2， QUAN Qiquan2， HOU Xuyan2， DENG Zongquan2

(1.Center of Lunar Exploration and Space Program， Beijing 100037， China； 2.State Key Laboratory of Robotics and System， Harbin Institute of Technology， Harbin 150080， China)

This paper investigates the relevant information of planetary exploration， and analysis to obtain that the long-term and wealth scientific investigation in the greater depth will be a new research problem in the field of planetary exploration. In order to solve this problem， this paper puts forward a creepy-boring type subsurface investigation device for planetary exploration， and mainly focus on the study of its mechanism design. Finally， this paper successfully developed the creepy-boring type robot and its test platform for feasibility verification of the scheme and performance test for the prototype. The device has significance reference for China future planetary exploration mission．

planetary exploration； subsurface investigation； creepy-boring； mechanism design

2014-12-01

2015-02-10

國家國際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2014DFR50250)；載人航天領(lǐng)域預(yù)先研究項(xiàng)目(050102)

V11

A

2095-7777(2015)01-0088-06

10.15982/j.issn.2095-7777.2015.01.013