卷簧式浅层月壤取样器设计及动力学分析

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1、Vo1．2ONo．4航天器工程第2O卷第4期86SPACECRAFTENG1NEERING2011年7月卷簧式浅层月壤取样器设计及动力学分析卢伟宋爱国凌云(东南大学仪器科学与工程学院，南京210096)摘要面向浅层月壤取样，文章设计了新颖的卷簧式可伸缩小型月壤取样器，它包括柔性取样臂和振动式取样头。对取样器进行了动力学有限元分析，研究了取样臂为不同长度时取样头的振动模态及频率响应，得出取样臂一阶横振频率与取样臂长度呈负幂函数关系；对取样器测控系统进行了振动试验，通过扫频方式测量取样臂为不同长度时的自振频率，给出了

2、取样臂长度与自振频率的经验公式；试验研究了取样头钻取水泥样品时其深度与自振频率的关系，比较试验表明，振动法能够提高钻进速度约55，提高钻进深度约48。试验结果与有限元仿真结果吻合较好，验证了月壤取样器设计的合理性及振动法高效取样的有效性。关键词月球探测；柔性机器人；取样器；月壤取样；振动；试验中图分类号：TP242文献标志码：ADOI：10．3969／j．issn．1673-8748．2011．04．012文章编号：16738748(2011)04—0086—07DesignandDynamicAnalysiso

3、nCoiling—typeofLunarSamplerLUWeiSONGAiguoLINGYun(SchoolofInstrumentScienceandEngineering，SoutheastUniversity，Nanjing210096，China)Abstract：Forlunarsubsurfacesampling，thispaperpresentsanovelcoiling—typeretractablelunarregolithsampler，includingtheflexiblesamplin

4、garmandthesamplinghead．Firstly，thedynam—icfiniteelementanalysisisperformedtoinvestigatetherelationshipbetweentheribrationampli—tudeandthevibrationfrequencyofasamplerforsamplerswithdifferentlengths，thenegativepowerrelationshipofthefirstorderorientalvibratingfr

5、equencyofthesamplingarmandthelengthofthesamplingarmisproved．Secondly，themeasuringandcontrollingsystemisdesignedforvibrationexperiments，inwhichtheresonantfrequencyatdifferentlengthsthroughthefre—queneysweepmethodisobtained，andtheexperienceformulationisgivenfor

6、thelengthofthesamplingarmandtheresonantfrequency．Finally，theexperimentsarecarriedouttostudytherelationshipbetweenthefrequencyanddepthofthe3rmintheregolith．Thecomparativeexperi—mentresultsshowthatvibratingcanimprovethepenetrationspeedbyaround55，enhancingpenetr

7、ationdepthbyabout48％．Experimentalresultsandfiniteelementsimulationresultsareingoodagreement，whichhasverifiedtherationalityoftheregolithsamplerandtheefficiencyofthesamplingwithvibrating．Keywords：lunarexploration；flexiblerobot；sampler；lunarregolithsampling；vibr

8、ation；experiment收稿日期：2011—02—15；修回日期：20110410基金项目：教育部国防基础研究资助项目(GF708006)，教育部重大创新工程培育资金项目(708045)作者简介：卢伟(1978一)，男，博士研究生，研究方向为空间机器人设计与研究。第4期卢伟等：卷簧式浅层月壤取样器设计及动力学分析87现出高的抗弯强度；随着M数值的增加，取样臂开1引