多臂協作式小天體附著取樣機器人機械系統

趙志軍，全齊全，潘 博，危清清，趙京東

(1.空間智能機器人系統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 100092;2．機器人技術與系統國家重點實驗室(哈爾濱工業大學)，哈爾濱 150001)

小天體(包括小天體、彗星)內部蘊含了太陽系起源和生命起源的信息，含有豐富的礦物質，具有極高的科學和經濟價值[1-2]。根據國際上已進行的典型探測活動，小天體探測方式可分為環繞探測、著陸原位探測、取樣返回探測3類。環繞探測的典型代表為美國的Near[3]、Deep Space 1[4]、Stardust[5]、新視野New Horizons[6]、Dawn[7]、中國的CE-2[8]等，環繞探測是20世紀末21世紀初主要的探測方式，取得了大量的科研成果。21世紀初著陸原位探測興起，典型代表為歐空局的Rosetta[9]、美國的Deep Impact。隨著科技的進步，探測方式逐漸轉變為取樣返回，如日本的Hayabusa 1[10]、Hayabusa 2[11-12]、美國的Osiris-Rex[13-14]、歐空局的MarcoPolo-R[15]。環繞探測通過遙感等方式對小天體特性進行預測，無法獲得小天體樣品，具有較大的局限性；著陸原位探測可對小天體組分進行原位分析，但是局限于探測器所攜帶設備的能力及種類，不能全面地開展小天體特性研究；取樣返回將小天體樣品帶回地球進行深入研究，克服了上述兩種探測方式的缺點，具有較大優勢，是目前主流的探測方式。

小天體表面存在弱引力、不規則、介質特性未知等特性，使得探測器附著時易反彈、側翻，取樣時易出現取樣器介質適應差而不能取樣的情況，造成取樣返回難度極大。Rosetta的Philae探測器在彗星表面著陸時就發生了數次反彈，導致探測器最終落在了懸崖邊而不是錨固在預期著陸點，這對其探測任務造成了不利影響；Osiris-Rex任務在取樣器設計時認為目標小行星“貝努”表面存在大量風化層，因此其取樣器采用了高壓氣體收集風化層的設計。但當Osiris-Rex到達目標小行星后，發現其表面特性與預期存在較大差異，雖然探測器順利完成了風化層取樣，但是實現難度大于預期。因此如何在形貌不規則小天體表面穩定附著，如何在介質特性不確知小天體表面可靠取樣是目前取樣返回探測任務亟待解決的技術難題。

針對該技術難題，科研人員提出了多種探測器附著取樣設計方案，且有的已完成在軌驗證。例如針對Hayabusa系列探測器，提出了“觸碰附著、射彈取樣”的附著取樣方案，其特點是附著時間短，探測器側翻及反彈風險低(失控風險小)，對星表形貌及介質適應性強；但是樣品采集時間短，取樣次數有限，取樣量少。對Osiris-Rex類探測器提出了“觸碰附著、高壓氣體取樣”的附著取樣方案，將取樣頭安裝于機械臂末端進行取樣，該方案在附著時間、失控風險、星表形貌適應性方面與Hayabusa類似，此外其可多次取樣，但只能采集星表風化層樣品。對MarcoPolo-R探測器提出了“觸碰附著、射彈破巖并清掃收集”的附著取樣方案，與Osiris-Rex類似，將取樣器設計于機械臂末端進行取樣，該取樣方式在附著時間、失控風險、星表形貌適應性方面與Hayabusa、Osiris-Rex類似，其取樣器通過破巖適應多種介質，通過清掃增大樣品采集量，取樣能力強。上述附著取樣方案僅實現了探測器在小天體表面的短時觸碰取樣，尚未實現探測器在小天體表面的長時間附著固定及取樣(特指附著固定后進行取樣)，均規避了探測器在小天體表面的長時間附著固定難題。解決該難題對提高探測器在小天體表面停留時間、延長取樣時間、提高取樣量、開展原位資源勘察以及未來的小天體自防御及資源利用等均具有重要意義。

本文結合我國小天體探測中附著固定及取樣任務需求，研究可附著固定及取樣的探測器、附著取樣機器人機械系統實現方案，著力解決探測器在弱引力且不規則、環境未知且不確定小天體表面的穩定著陸、長時間附著固定、可靠取樣等難題。本文首先提出了一種具備在巖質類小天體表面進行附著固定、附著取樣、接觸取樣等多種功能融合的附著取樣機器人機械系統設計方案；隨后采用仿真手段對機器人機械系統的設計合理性進行了仿真分析；最后研制了原理樣機，并用實驗手段對附著固定、樣品采集等核心環節進行了試驗驗證。

1 附著取樣機器人設計約束及設計指標

1.1 設計約束

附著取樣機器人設計時需考慮的小天體特性主要體現在以下幾個方面：

1)星表弱引力。小天體表面引力極小，一方面導致探測器著陸時易反彈，這要求探測器著陸時能夠對沖擊能量進行耗散，且著陸后能夠與小天體形成機械固連防止飄走；另一方面導致取樣時樣品易于懸浮或飛濺，這要求能夠對懸浮或飛濺的樣品進行收集。

2)星表形貌非結構化。大多數小天體直徑位于數十米到數百米量級之間，其表面難以找到類似于月球、火星等大星體表面平坦的地形用于著陸。這要求探測器在小天體星表著陸時能夠根據地形匹配著陸構型，確保穩定著陸，不發生傾覆；同時探測器著陸后應能夠進行星體姿態調整，以利于探測器上載荷開展后續探測任務。

3)星表介質特性未知。星表介質特性主要影響著陸階段附著機構在星表的緩沖特性，著陸后附著機構在星表的固定以及取樣器與星表的相互作用等。這要求探測器著陸時緩沖阻尼自適應，且附著機構、取樣器等對星表介質有較強適應性。

1.2 性能指標

附著取樣機器人性能指標見表1。

表1 附著取樣機器人系統指標Tab.1 Performance indexes of anchoring and sampling robot

2 附著取樣機器人機械系統設計

2.1 基本組成及工作原理

附著取樣機器人機械系統核心組成為機械臂和附著取樣器，如圖1所示。4個機械臂均布于探測器外圍，每個機械臂包含4個模塊化關節，發射時折疊壓緊，著陸前展開；附著取樣器安裝于機械臂末端位置，其兼具附著固定及取樣功能。探測器頂部設計有20 N下壓力發動機，該發動機在著陸時用于提供下壓力，防止探測器著陸反彈，在著陸后用于提供附著取樣器鉆進星表的鉆壓力，發動機在探測器固定完成后即關閉。著陸時，附著取樣機器人的機械臂實時感知附著取樣器與星表的接觸力信息，4個機械臂通過力柔順控制自適應星表地形，同時利用機械臂柔順運動過程中的關節反驅對著陸沖擊能量進行耗散，實現主動軟著陸。附著取樣器內部設計有超聲波鉆進機構和磨削清掃機構。超聲波鉆進機構可通過在星表打孔形成機械固連，而磨削清掃機構可對打孔產生的樣品進行收集，收集的樣品被封裝于附著取樣器外置的樣品容器中。附著取樣器內部的磨削清掃機構也可對附著點進行磨削和清掃，通過磨削方式實現取樣。取樣完成后，探測器利用機械臂將樣品容器放入返回器。如果探測器附著固定失敗，其仍可利用附著取樣器內部高速旋轉的磨削清掃機構實現接觸取樣，實現附著取樣機器人與Osiris-Rex探測器類似的接觸取樣功能。此外，該附著取樣機器人可通過4個機械臂之間的步態協調及附著取樣器的多次附著固定在小天體表面爬行，實現多點探測。

與已有設計方案相比，該附著取樣機器人在實現附著固定、附著取樣、接觸取樣等核心功能同時，兼顧探測器自適應主動著陸緩沖、放樣、爬行、調姿、輔助起飛等功能，是一種高度集成化的附著取樣設計方案。

圖1 附著取樣機器人構型布局示意Fig.1 Configuration of anchoring and sampling robot

2.2 腿臂復用機械臂設計

腿臂復用機械臂兼顧了著陸腿和樣品轉移機構兩種功能。每個機械臂有4個關節，第1關節為偏航關節，第2、3、4關節為俯仰關節，機械臂配置如圖2所示。

圖2 腿臂復用式機械臂構型示意圖Fig.2 Configuration of reusing leg and arm

機械臂第1、2、3關節相同，第4關節較小，兩種關節額定輸出扭矩分別≥30、15 N·m，額定輸出轉速均≥90°/s，單關節質量≤2.0、1.5 kg，重復定位精度均≤0.5°，力矩傳感器精度≤1%FS.。4個關節傳動方式相同，基本組成均為制動器、電機、諧波減速器、輸出端力矩傳感器、柔性環節、輸出端位置傳感器等，關節組成如圖3所示。

圖3 機械臂關節三維模型Fig.3 3D model of arm joint

關節輸出端位置傳感器用于反饋關節輸出位置；輸出端力矩傳感器是機械臂工作的力感知單元，可感知機械臂末端載荷,判斷附著取樣器是否與星表接觸，實時監測附著過程中的力信息等；柔性環節可防止著陸階段沖擊載荷對關節造成損壞；制動器實現機械臂構型保持。著陸瞬間，機械臂根據其與星表的接觸力控制各關節進行反驅阻抗運動，通過關節的反驅轉動實現對探測器著陸沖擊能量的耗散，即實現了主動軟著陸。根據關節性能指標可知，即使探測器以最大著陸速度(豎向0.12 m/s、橫向0.05 m/s)接觸星表時，4個機械臂的第2、3關節分別進行<10°反驅可耗散豎向著陸載荷，第1關節反驅<5°可耗散橫向著陸載荷。

2.3 附著取樣器設計

附著取樣器三維模型如圖4所示，安裝于機械臂末端位置，兼具固定和取樣功能。其主要由殼體、超聲波鉆進給機構、超聲波鉆、鉆桿、砂輪、毛刷、砂輪進給機構、砂輪驅動機構、足墊、樣品容器等組成，樣品容器上設計有進樣口。超聲波鉆可在超聲波鉆進給機構驅動下在殼體內上下移動，砂輪與毛刷固連且安裝于砂輪進給機構上，砂輪和毛刷可在砂輪進給機構驅動下殼體內上下移動。超聲波鉆與砂輪/毛刷在殼體內異面布置，相互之間互不干涉、相互獨立。在殼體底部安裝有足墊，足墊固連于殼體。樣品容器以環狀形式嵌套在殼體底部外表面，在一定拉力作用下其可與殼體脫開。超聲波鉆利用壓電陶瓷的逆壓電效應，在超聲頻交流電激勵下壓電陶瓷產生幾千赫茲到幾萬赫茲的超聲頻機械振動，采用極小鉆壓力在數十秒內可在巖石表面產生數毫米的深孔，特別適合于小天體等微重力環境中巖石介質的打孔操作[16]。附著取樣器通過砂輪和毛刷對硬質巖石和風化層均可取樣，確保了探測器針對特性未知小天體具有取樣能力。

圖4 附著取樣器三維模型Fig.4 3D model of anchoring and sampling manipulator

2.4 附著取樣機器人先進性分析

本文所提方案核心功能和性能與國際先進方案的對比如表2所示。

表2 本文方案核心功能國際對標Tab.2 International benchmarking of core functions of proposed scheme

探測方式方面，本文方案在保證取樣返回同時獨具附著固定功能，該功能可延長探測器在星表停留時間，使得樣品采集和原位探測更易于開展，優于不具有附著固定功能的探測方案；附著固定方面，本文方案采用超聲波鉆固定，可實現小鉆壓力下在巖石類介質中的快速固定，且固定力較大，優于無附著固定力的探測方案；取樣方面，本文方案兼顧接觸和附著兩種取樣模式，單次取樣耗時與國際先進方案相當，但是由于其具有附著取樣功能，因此在取樣總次數方面更具優勢，有利于獲得更多樣品；此外，本文方案在取樣深度、樣品粒徑、封裝形式、取樣對象方面與國際先進方案相當。

3 附著取樣過程仿真分析

3.1 著陸緩沖仿真分析

為了驗證本文所提的通過機械臂關節反驅實現探測器著陸緩沖方案的可行性，利用ADAMS和MATLAB軟件聯合對探測器在小天體表面的著陸緩沖過程進行仿真分析。仿真模型如圖5所示，探測器4個機械臂分別標記為①、②、③、④，仿真中設置星表固定坐標o-xyz，探測器豎直著陸速度vn指向星表z方向，水平著陸速度vt沿星表x方向。仿真時探測器質量為2 000 kg，豎向著陸速度0.12 m/s，橫向著陸速度0.05 m/s，著陸點摩擦因數1.0，著陸面剛度500 000 N/m，重力加速度0g，著陸面傾角為0°(4腿同時著陸)。探測器與星表接觸瞬間，其頂部施加沿中心線豎直向下的20 N推力。

圖5 探測器著陸仿真模型Fig.5 Landing simulation model of the spacecraft

探測器機械臂關節施加主動電磁阻尼，且以豎直速度vn=0.12 m/s、水平速度vt=0.05 m/s著陸時，其速度、位移以及各機械臂與星表的接觸力分別如圖6所示。

由圖6可知，探測器著陸穩定(速度降為0 m/s)時間為2.3 s，由機械臂緩沖導致的探測器本體高度下降128.5 mm，著陸過程中探測器未發生反彈。由于存在水平著陸速度，各機械臂與小天體表面的接觸力不同，其中腿①的接觸力最小，腿③的接觸力最大，腿②、④的接觸力基本相同，這與探測器水平速度由腿①指向腿③符合。著陸時最大接觸力發生在腿③為1 380 N，該力峰值是由于著陸瞬間各阻尼電機運動延遲而導致。經仿真可知，探測器著陸附著時無反彈，其著陸沖擊能量可通過機械臂關節反驅實現耗散。

(a)探測器速度

3.2 取樣仿真分析

小天體樣品顆粒的運動特性在弱引力環境下與重力環境下存在較大差異，且地面重力環境下通過試驗手段實現樣品顆粒微重力運動模擬難度極大。為了分析本文附著取樣器取樣時樣品顆粒運動特性，驗證設計的正確性，本文通過仿真對附著取樣器磨削和清掃操作進行分析。附著取樣器取樣時，內部高速旋轉的砂輪和毛刷對星表進行磨削和清掃以產生樣品，同時該樣品在砂輪和毛刷高速撞擊下經進樣口飛入樣品容器，取樣完成。

3.2.1 砂輪磨削取樣仿真分析

使用EDEM軟件建立砂輪和模擬星壤離散元模型，仿真模型中模擬星壤密度參照C類小行星平均密度，其余參數參照地面巖石類介質，模擬星壤參數為：密度2.2×103kg/m3、泊松比0.44、剪切模量1.0×107Pa、恢復系數0.35、靜摩擦因數0.44、滾動摩擦因數0.2；模擬星壤與砂輪接觸的恢復系數為0.75、靜摩擦因數和滾動摩擦因數均為2。模擬星壤相互之間的黏結力通過bongding模型實現。砂輪的轉速為3 000 r/min。

砂輪磨削模擬星壤的仿真結果如圖7、8所示，箭頭所指方向為樣品顆粒的速度方向。可以看出，模擬星壤在受到砂輪磨削后產生的樣品顆粒運動方向與水平方向的夾角在0°～40°，同時可知樣品顆粒運動速度在x向和z向分量較大、y向分量很小。可見本文附著取樣器的樣品容器通過進樣口進行樣品收集的設計是可行的。

圖7 砂輪磨削離散元仿真Fig.7 Discrete element simulation of wheel grinding

3.2.2 毛刷清掃仿真研究

在EDEM軟件中建立毛刷清掃樣品顆粒的離散元模型，毛刷轉速與砂輪一致，設置為3 000 r/min，仿真參數與磨削取樣一致，仿真結果如圖9、10所示。通過仿真可知，樣品顆粒運動方向與水平方向的夾角范圍為0°～45°，同時可知樣品顆粒運動速度在x向和z向分量較大、y向分量小，樣品顆粒主要沿毛刷徑向運動。在毛刷清掃作用下，樣品顆粒的初始合速度為1.78 m/s，經過毛刷多次碰撞后降為0.76 m/s。同時可知，樣品顆粒在毛刷清掃作用下的運動速度小于砂輪磨削作用下的運動速度。可見利用毛刷清掃也可將樣品顆粒經進樣口送入樣品容器，本文附著取樣器樣品收集設計是可行的。

圖9 毛刷清掃離散元仿真Fig.9 Discrete element simulation of brush cleaning

圖10 毛刷清掃時單個樣品顆粒的運動速度Fig.10 Velocity of a sample particle subject to brush cleaning

4 地面模擬實驗驗證

4.1 全流程演示實驗

為了驗證附著取樣機器人方案的正確性，研制了原理樣機，在此基礎上對探測器著陸緩沖、附著固定、取樣、放樣等操作進行了全流程實驗驗證。著陸面采用砂巖來近似模擬巖石類小天體表面，實驗過程如圖11所示。

圖 11 附著取樣全流程試驗示意圖Fig.11 Schematic diagram of whole process test of anchoring and sampling

實驗流程如下：

1)將附著取樣機器人安裝于探測器模擬體上，并吊掛于擺錘式地面微重力試驗平臺上，控制機械臂全部展開為著陸狀態。在微重力工裝輔助下探測器以初始速度著陸，著陸瞬間探測器頂部噴氣裝置產生20 N下壓力，機械臂通過自適應控制完成主動緩沖，附著取樣器與砂巖平穩貼合。

2)探測器頂部噴氣持續2 min，超聲波鉆以12～15 mm/min速度鉆進著陸點砂巖，持續鉆進120 s(試驗完成后對鉆進深度進行測量，分別為22.3、22.1、23.4 、24.0 mm)。

3)附著取樣器內部的超聲波鉆附著固定完成后，其內部的毛刷對產生的鉆屑進行清掃取樣，隨后砂輪進行磨削取樣。

4)取樣完成后，將其中一個附著取樣器內部的超聲波鉆提起以解除固定，再利用機械臂將該附著取樣器送至返回器放樣位置，并將樣品容器放入返回器中，完成放樣。

上述實驗過程中，通過懸掛砝碼方法對探測器產生的附著力進行了測試，如圖12所示。附著完成后，在探測器軸線位置安裝鋼絲繩，在鋼絲繩上串接拉力計，并在末端吊裝砝碼，逐漸增加砝碼質量，觀察附著取樣器與砂巖接觸間隙。將砝碼逐漸增加至20 kg，4個機械臂末端的附著取樣器均未脫開附著點，附著取樣器未被拉起。證明該種工況下附著取樣機器人可產生至少200 N的附著力。

圖12 附著力測試Fig.12 Test for anchoring force

4.2 磨削取樣實驗

在砂巖、花崗巖、45號鋼3種介質中進行砂輪磨削取樣實驗。

用附著取樣器砂輪分別對砂巖、花崗巖、45號鋼進行磨削，砂輪運轉速度為4 000 r/min，供給電流為0.44 A。磨削方式有砂輪表面磨削和砂輪側邊磨削兩種，磨削時間分別為30 、60 、90 s，實驗結果分別見圖13～15。

(a)表面磨削 (b)側邊磨削圖13 砂輪表面和側邊分別磨削砂巖Fig.13 Grinding of sandstone via surface and side of grinding wheel

(a)表面磨削 (b)側邊磨削圖14 砂輪表面和側邊分別磨削花崗巖Fig.14 Grinding of granite via surface and side of grinding wheel

圖15 砂輪表面和側邊分別磨削45號鋼板Fig.15 Grinding of 45# steel plate via surface and side of grinding wheel

由上述3種介質的磨削實驗可知：

1)通過砂輪磨削方式對巖石類及金屬類介質均可進行取樣，且磨削時間越長磨痕越深，產生的樣品越多，進一步驗證了本文取樣設計方案的可行性；

2)砂輪分別采用表面和側邊進行磨削時，對材料產生的接觸應力不同，側邊磨削方式接觸應力大，磨削深度大，產生的樣品多；短時間的側邊磨削比長時間的表面磨削生成樣品量多，因此接觸應力比磨削時間對樣品生成量影響更大。

5 結 論

本文提出了一種具有自適應主動緩沖、超聲波鉆附著固定、磨削清掃雙模式取樣的一體化附著取樣機器人機械系統方案。

1)附著取樣機器人腿臂復用，采用主動自適應反驅控制策略，可實現弱引力條件下探測器著陸沖擊能量耗散，為探測器在弱引力、不規則小天體表面穩定、無反彈、多次著陸提供了解決方案。經仿真分析，探測器以極限速度著陸平坦區域時，著陸穩定時間≤2.5 s，探測器主體下降高度<130 mm，著陸過程無反彈。

2)基于超聲波鉆鉆壓力小、硬質巖石中鉆進效率高、鉆屑即為樣品的特點，設計了一體化附著取樣器。如果成功附著固定，可通過毛刷清掃方式對鉆屑或風化層進行取樣，也可通過砂輪磨削方式對星表進行取樣；如果附著固定失敗，可通過砂輪磨削實現對星表的接觸取樣。一體化附著取樣器兼顧了附著取樣和接觸取樣，極大地提高了探測器取樣時的冗余能力和針對不同介質的適應能力；

3)原理樣機全流程實驗表明，附著取樣機器人可實現著陸緩沖、附著固定、取樣、放樣等功能，且在砂巖中的附著固定力可達200 N；取樣實驗表明，本文所提磨削取樣方式對砂巖、花崗巖等巖石類以及45號鋼等金屬類介質均可進行取樣。