卷簧式可伸缩月壤取样臂的设计与分析

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1、万方数据高技术通讯2011年第21卷第8期：848—854doi：10．3772／j．i鹤n．1002m470．2011．08．013卷簧式可伸缩月壤取样臂的设计与分析①卢伟②宋爱国③郝飞(东南大学仪器科学与工程学院南京210096)摘要针对目前月壤取样器不能同时满足功耗、体积、重量及反复、精确取样的要求的问题，提出了一种新型卷簧式可伸缩月壤取样臂(CSRA)。介绍了该取样臂的力学模型，并对其进行有限元分析，以研究薄壳杆几何参数对其最大推力的影响，且给出了最大推力数学估计公式。对比分析表明，用最大推力数学估计公式计算的结果与有限元分析结果吻合得较好。该取样臂为开口圆柱形薄壳结构，仅由一个电

2、机驱动，能够满足对功耗、体积、重量及反复、精确取样的要求，样机试验结果证明了其可行性。关键词取样臂，月壤取样，开口薄壳，有限元，取样器O引言月球探测有助于研究地、月和宇宙的生命起源以及地球气候、水域潮汛等课题，而且由于月球富含地球所稀缺的矿产资源和元素，探月还具有巨大的科学意义和经济意义¨一1。月球探测的重要工具是取样器，其主要包括取样臂和取样头，而取样臂的设计在很大程度上决定了整个取样器的体积和重量，因此在设计取样器时，取样臂的设计很关键。目前国内外行星探测取样臂的结构可分为两类，即刚性连接结构和柔性连接结构，其中刚性连接结构又可分为单杆结构和多杆结构。前苏联“月球16”和“月球20”采

3、用的是单杆结构月球取样臂∞J。由于单杆结构体积大且难以收缩，因此近年来较多使用多杆结构。多杆结构主要有关节式结构、平行连杆式结构、齿轮齿条式结构、螺筒螺杆式结构，它们通过关节、连杆、齿轮齿条或螺纹螺杆的方式将多节子杆连接在一起，不工作时各子杆收缩在一起，工作时各子杆展开一字相连，从而实现工作行程的伸缩。美国“勇气号”、“机遇号”火星车的取样臂采用关节式结构HJ，美国“勘测者号”的月球取样臂采用连杆结构一J。NAsA的Hiu等人提出的LRFD(10w陀ac60nfomedIiU)取样臂㈨和H蚰eybeeRobotics公司设计的取样臂一’8。都采用螺筒螺杆式结构，北航丁希仑等人提出的多杆深层

4、采样器(MRDD)采用换杆机构进行多杆对接一J。由于它们是硬连接且驱动电机较多，因此取样器刚性好且推拉力大，但体积、重量和功耗都较大且难以降低。采用柔性连接的取样臂则能克服体积大、重量大的问题，如NASA的Bar—Cohen等人提出的USDC(Ult瑚onic／sonic曲Uer／corer)取样器¨o．⋯、日本Kubota等人提出的仿生“鼹鼠”取样器¨刮和“蚯蚓”取样器¨3。、日本Nag∞ka等人提出的CSD(contm．rotorscrew出11)取样器¨引，它们采用柔性引线作为取样臂来抛丢取样头，因此取样头的工作位置和取样深度依赖于其自主的航位推算和精确控制，精度较低且很难重复采样。

5、此外，英国的Gao等人提出一种可展开的树蜂产卵式取样器¨5I，但存在展开长度小且单次取样量少的缺点。Bremend大学的Sch．wendner等人提出的轮腿采样机器人¨6

6、，只能进行月表取样且不易精确控制取样位置。月球车采用太阳能供电，提供给取样器的功率有限，加之考虑火箭发射成本，要求取样器重量轻且收缩时体积小。此外为了保证取样空间大，取样器又需较大的展开行程，同时需要精确控制取样位置和深度，且能重复取样。考虑到以上问题，本文设计了一种功耗低、重量轻、收缩体积小、展开行程较大的可重复、精确取样的卷簧式可伸缩月壤取样臂(coiliIlgs—ngtype弛的ctable锄，CSRA)。①跖3计

7、划(2006AA04恐46，2∞9AAol乃11)资助项目。②男．1978年生，博士生；研究方向：空间机器人；E．ⅢIil：％∞bot@126．Ⅻ③通讯作者．E-mjl：a．g．∞“g@Ⅻ．edu．cn(收稿日期：2010JD3一16)一848—万方数据卢伟等：卷簧式可伸缩月壤取洋臂的i殳计与分析lCSRA的总体设计方案因开口圆柱形薄壳杆反向屈曲转矩埘●较大，而正向屈曲转矩』lf，较小，本文利用其正、反向屈曲的显著差异特性设计了卷簧式可伸缩取样臂(csRA)，实现取样臂较大的纵向抗推力和较小的卷缩力。csRA的结构如图l所示。csRA主要由卷簧收缩盒、开口圆柱形薄壳杆及驱动机构等三部分组成

8、。卷簧式收缩盒如图2所示，开口圆柱形薄壳杆卷绕在恢复轮盘外侧，收缩卷簧外端与恢复轮盘内侧固定连接，收缩卷簧内端固定于收缩盒壳体内开“一字型”口的固定圆柱的开口中，收缩卷簧的向内卷缩力使得恢复轮盘始终向内收缩，从而使得连接于其上的开口圆柱形薄壳杆始终有向内收缩的趋势。在图1中，开口圆柱形薄壳杆被夹持在凸滚轮和凹滚轮中，凸滚轮和凹滚轮的外形分别与薄壳杆两侧相吻合，确保薄壳杆在夹持处不产生扭曲，凸滚轮和凹滚轮表面都覆有软橡胶以