鏟挖式表層月壤采樣器設計與試驗

姜水清 ，劉榮凱，林云成，馬如奇，劉賓，劉天喜

1.空間智能機器人系統(tǒng)技術與應用北京市重點實驗室，北京空間飛行器總體設計部，北京 100094

2.哈爾濱工業(yè)大學機器人技術與系統(tǒng)國家重點實驗室，哈爾濱 150001

3.哈爾濱工業(yè)大學航天學院，哈爾濱 150001

星球土壤采樣是宇宙探測活動的重要任務之一，是實現(xiàn)對地外天體土壤物理化學性質的分析，進而對宇宙空間環(huán)境、星球演化歷史進行研究的前提。在各個星球探測的任務中，多種形式的采樣器被應用到星壤樣本的采集探測中。20世紀70年代，蘇聯(lián)向月球先后發(fā)射了Luna 16、Luna 20和Luna 24三種探測器，以無人自動鉆取的方式成功獲取了總計326g的月壤樣品并返回地球［1］。美國在Apollo任務中依靠宇航員攜帶采樣工具來實現(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、鉆機等［2］。

1975年，NASA發(fā)射了海盜1號和海盜2號火星探測器。探測器的機械臂與著陸器連接，末端安裝有采樣裝置。采樣裝置的頭部是一個類似于前端有蓋的鏟形容器，可用于各種類型的采樣操作［3］。NASA于2003年發(fā)射了攜載MER(Mars Exploration Rover)機械臂的火星巡視探測器，2004年1月成功著陸火星［4］。MER底部機械臂上裝有研磨式采樣設備(Rock Abrasion Tool，RAT)，巖石的研磨通過帶有2個金剛石尖齒的研磨輪高速(300r/min)轉動來實現(xiàn)［5］。

MSL(Mars Science Laboratory)的主要功能就是實現(xiàn)對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行在線分析［6-7］。MSR(Mars Sample and Return)火星無人采樣返回計劃是NASA近期正在研究的項目之一，機械臂搭載的末端執(zhí)行器主要使用鉆取的方式進行采樣［8-9］，這樣可以保證采樣到樣品的層理信息，同時可以對深度達lm的星球次表層樣品進行采集［10］，更主要是可以采集較為堅硬的巖石樣品。NASA的鳳凰號火星著陸器于2008年5月成功抵達火星表面，其上搭載的樣品采集設備包括機械臂、采樣鏟［11］。機械臂末端裝有可移動采樣鏟，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)合作共同進行的行星表面小樣本采樣工具(SSA/DT)研制項目中，使用了香港理工大學研制的“微型末端感應器(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號設計為探索火星表面基礎數(shù)據(jù)以及搜索生命跡象，帶有一個4自由度的機械臂，末端包含一對鉗子，能夠對目標巖石研磨和取樣［16］。2009年加利福尼亞州帕薩迪納NASA噴氣推進實驗室機器人硬件系統(tǒng)工作組為火星樣品返回任務設計了可分離式鏟挖器，采樣器特色在于鏟挖爪分為可完全合攏的兩半，分別由獨立的卡具驅動［17］。哈爾濱工業(yè)大學設計一種能夠鏟挖與振動篩選樣本的末端執(zhí)行器［18］。東南大學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作將開口采樣器插入月壤，合攏后拔出［19］。

由上述資料可知，基于機械臂末端搭載的表層采樣器，具有結構較為簡單、采樣范圍廣等特點，廣泛應用于星球表層星壤的采樣任務中。針對采樣器的設計需求，需要重點考慮輕量化、低功耗等需求外，還要盡可能提高任務功能的多樣化，實現(xiàn)鏟、挖、耙、夾等功能。本文針對表層月壤采樣任務需求，提出一種多功能集成的采樣器設計方案，通過力學仿真和試驗測試驗證了方案的可行性，為我國后續(xù)的月球采樣探測任務奠定基礎。

1 采樣器方案設計

1．1 設計依據(jù)

對于航天工程，需要盡量減小采樣器的包絡尺寸，簡化結構，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)品運移所需的代價較大，要最大程度上提高設計的可行性與成功率，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，并將其傾倒入初級封裝容器中，并對初級封裝容器具有轉移能力。月表土壤采樣器要求能夠進行多次采樣，且不出現(xiàn)樣品散落現(xiàn)象。末端采樣裝置在抓取、轉移表取初級封裝容器過程中，能使初級封裝容器保持姿態(tài)。能夠適應運載發(fā)射、地月轉移、近月制動、環(huán)月飛行、著陸下降、月面工作等過程中的復雜環(huán)境。

對于采樣器的性能有如下要求:

1)單次采樣量——標稱月壤狀態(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)。

2)采樣時間——標稱月壤狀態(tài)下，單次完成150cm3鏟挖的時間不超過5min。

3)功耗——平均功耗不超過40W。

4)末端采樣裝置質量不大于3．75kg。

5)轉運最大負載能力不小于5kg。

1．2 方案設計

月球表面風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的是比較松散的風化層土壤［20］。對于表層松散月壤，可以采用鏟挖的方式獲取。為了提高采樣器的機動性，將鏟挖分為鏟取與挖取兩個動作。挖取動作如圖1所示。首先將鏟挖取樣器展開，貼近月表，隨后鏟斗繞定軸轉動，運動曲線劃過月壤，將月壤挖人容腔內，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作流程Fig.1 The activity of sampler for digging up the lunar regolith

鏟取動作如圖2所示。下鏟模式是利用下鏟鏟入風化層，獲取月壤。下鏟工作開始時，上蓋打開，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 下鏟取工作模式時的動作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移至初級封裝容器，并完成封裝容器的轉移。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構完成對封裝容器的轉移。采樣器提罐過程如圖3所示。

圖3 采樣器提罐過程Fig.3 Lifting jar process of sampler

結合前端機械臂完成所有采樣、傾倒及轉移工作。采樣器工作時序如圖4所示。采樣器甲(鏟式)單個采/放樣循環(huán)周期為3．5min。

圖4 采樣器工作時序Fig.4 Work sequence diagram of sampler

1．3 結構設計

末端采樣裝置位于表取機械臂腕關節(jié)末端，采用鏟挖的工作形式。通過機械臂動作與采樣器配合使用，實現(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)、質感較結實的混合型泥土(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，邊緣部分特意設計成細齒狀，方便抓取泥土;下金屬罩的外形呈舌狀，用來刮除多余樣本，下金屬罩伸縮運動方向伸出端有限位開關，用于檢測下金屬罩是否到位，防止取樣后月壤樣品泄漏。采樣器的主體結構為薄殼結構，通過特征化設計和有限元分析實現(xiàn)輕量化和高強度的統(tǒng)一，減少了裝配帶來的額外質量，但同時也提高了加工難度。

圖5 采樣器結構Fig.5 Sampler structure

采樣器內部傳動結構如圖6所示，采樣器內有兩個電機，分別驅動金屬爪的弧線運動和金屬舌的振動伸縮運動。弧線運動驅動電機通過齒輪組進行減速，并將運動傳遞至金屬爪。振動伸縮運動驅動電機通過絲杠螺母副將旋轉運動轉換成直線運動并傳遞至金屬舌。

圖6 采樣器傳動機構Fig.6 Driving mechanism of sampler

2 機土耦合動力學仿真

2．1 離散元模型

機土耦合仿真模型采用離散元仿真軟件對作業(yè)對象月壤顆粒進行仿真。顆粒間的相互作用不僅包括傳統(tǒng)的法向、切向力作用，還包括扭轉與彎曲的力矩作用，本文建立帶扭轉、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

由于接觸平面內的切向、彎曲應變均為平面向量，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為顆粒的內摩擦角。

2．2 月壤模型參數(shù)設定

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進行對比，應力應變曲線如圖8所示，地球土壤只有通過增加密實度才能達到與月壤相同的抗剪強度，說明了月壤的高抗剪性。月壤樣品的應力應變曲線表明當軸向應變達到7%左右時樣品發(fā)生屈服，應力差達到峰值200 kPa，以其為參考曲線進行離散元模型的參數(shù)標定。

圖8 真實月壤三軸試驗應力應變曲線Fig.8 Stress strain curve of three axis test of real lunar soil

為實現(xiàn)等效性，需要對仿真中月壤顆粒的性質進行校驗，即通過參數(shù)匹配得到性質與真實月壤顆粒等效的仿真顆粒。通過對三軸試驗曲線的對比，標定離散元仿真參數(shù)如表2所示。

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

利用上述標定的細觀參數(shù)，在53 kPa、78 kPa、103kPa圍壓下進行3組離散元三軸仿真試驗，得到3條應力應變曲線，如圖9所示。

圖9 不同圍壓下離散元三軸仿真試驗結果Fig.9 Three axis simulation test results of discrete element under different confining pressure

經(jīng)測算，月壤離散元模型內聚力 c=0．90kPa，內摩擦角 φ =42．25°，滿足真實月壤宏觀力學性能指標，表明所建立的月壤離散元模型可以代替真實月壤完成采樣過程的仿真任務。

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200mm，有效挖掘部分100 mm，采樣時如采用“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100 mm，采樣時如采用“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

當采樣過程中，采樣機構進行挖掘操作時，月壤將會受到破壞而變形，產(chǎn)生土拱現(xiàn)象，而為了對月壤受挖掘情況下的運動滑移特性進行模擬，更好地研究挖掘月壤的過程，需對月壤顆粒性態(tài)、月壤受力及滑移狀態(tài)進行可視化仿真，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 機土作用仿真

利用離散元仿真軟件對鏟取和挖取兩種工況下的情況進行仿真分析，得到采樣器在鏟取和挖取工作時，對應的動力學特性。

(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的速度向下運動，運動10 s鏟進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，全過程如圖12所示。

圖12 鏟取式采樣仿真過程Fig.12 Shovel sampling simulation process diagram

鏟過程受力分析如圖13所示。

鏟過程僅平鏟部分受力，隨鏟進過程深入，平鏟所受力和力矩逐漸增大，鏟進100 mm時受力最大為25N，力矩最大為－2N·m。

合蓋過程受力分析如圖14所示。

合蓋過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達到峰值300 N;平鏟受力起初保持在25N左右，當翻蓋合攏前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，從采樣器整體來看，起初受力保持在22N左右，即將合攏完畢時采樣器受力最大，達到峰值60N，力矩達15N·m。

收回過程采樣器兩部分合二為一，共同向回轉動，此間采樣器受力情況如圖15所示。采樣器從月壤中取出開始時刻，采樣器受到內外部月壤作用受力最大，達到峰值38N，力矩－3．5N·m，約1．7 s后完全脫離月表，此時采樣器只受內部月壤作用，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 5 N，力矩始終保持在0．6N·m附近。

經(jīng)統(tǒng)計，本次仿真共設置月壤顆粒9 557個，總質量1．848 4 kg，最后采集到樣品顆粒946個，樣品質量 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，全過程如圖16所示。

圖13 鏟過程采樣器受力Fig.13 The force of shoveling process

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

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

圖16 挖式仿真過程Fig.16 Excavating model simulation process

挖過程受力分析如圖17所示。

鏟過程僅挖斗部分受力，隨挖掘過程深入，挖斗所受力和力矩逐漸增大，挖掘至一半左右時受力最大為150N，隨后逐漸減小，挖掘結束時挖斗受力為50 N，力矩一直增大至結束前5 s達到最大值－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，完全合攏時達到峰值220N;挖斗受力起初保持在40N以內，隨后略有增大當合攏時突然增至峰值－220N;挖斗與平鏟受力相反，在一定程度上相互抵消，從采樣器整體來看，受力始終保持在25N以內，力矩在20 N·m范圍內，收攏至將近一半時略有增加，力達到50N左右，力矩達到30N·m左右。

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

圖17 挖過程采樣器受力Fig.17 Force of excavating process

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

3 采樣器試驗研究

3．1 測試系統(tǒng)

試件為采樣器，主要測試設備為采樣器性能測試臺。采樣器性能測試臺主要由安裝臺、6自由度工業(yè)機器人組成。測試系統(tǒng)示意如圖19所示。

試驗對象為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，合計標稱質量42．49kg、挑戰(zhàn)質量 50．38kg、極端質量 52．82kg。

圖19 測試系統(tǒng)Fig.19 Test system

3．2 取樣特性

驗證采樣器對不同硬度月壤適應性，確認采樣器功能可靠，及不同硬度月壤下，采樣器的取樣能力。硬度梯度分為標稱、挑戰(zhàn)、極端3種，利用采樣器對標稱、挑戰(zhàn)、極端3種類型的模擬月壤開展采樣試驗。

試驗結果如表4所示。從試驗數(shù)據(jù)中可以看出給定電流越大，所能達到的采樣深度越大，能獲得的月壤的硬度等級越高，最后所得采樣量越大。月壤硬度等級越高，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 采樣試驗結果Table 4 Experimental results of sampling g

采樣器驅動電壓為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系如圖20所示。

圖20 單位功率樣本采集量與深度電流關系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，在深度達到60mm時，采樣能力到達極限，發(fā)生堵轉現(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相一致，硬度越大單位功率采樣量較大。隨驅動電流的增大，單位功率采樣能力變化不明顯。

4 結束語

針對月面表層的采樣任務，設計了一種鏟挖式采樣器，并設計了相應的采樣動作，進行了仿真分析和試驗驗證。

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

2)建立月表采樣試驗系統(tǒng)，測試了采樣器在不同驅動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未來的月面采樣任務提供方案借鑒和技術支撐。