月球采樣機械臂系統設計及試驗驗證

馬如奇，姜水清，劉 賓，白 美，林云成

(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 100094)

0 引 言

深空探測是當今世界高新科技中極具挑戰性的領域之一，是眾多高新技術的高度綜合，也是體現一個國家綜合國力和創新能力的重要標志。月球作為距離地球最近的天體，一直是深空探測領域的重點研究對象，月壤樣品的采集返回也是各航天大國研究月球的主要手段[1-2]。到目前為止，人類已經發射了超過110多個針對月球的探測器系統，美國更是先后實現了6次載人登月，共計獲取了382 kg的月球樣品[3-4]，前蘇聯通過luna計劃成功從月面帶回0.31 kg月壤樣品[5-8]。

目前的月球采樣方式主要包括淺層鏟挖、深層鉆取兩種方式。美國在Surveyor、Viking、Phoenis等探測器中采用鏟挖式采樣裝置，主要實現月面淺層采樣；歐空局與意大利聯合研制的SSA/DT探測器上采用了夾持式采樣裝置，可實現對月球表面目標的加持采樣；蘇聯的luna-16、luna-21探測器上則采用了適合深層采樣的螺旋鉆取采樣裝置；美國研制的USDC、MER探測器上采用了基于超聲沖擊、研磨等形式的采樣裝置。中國的深空探測活動起步于月球探測，并針對月球探測任務明確制定了“繞”、“落”、“回”三步走戰略。2007年發射的首顆月球探測衛星“嫦娥一號”實現了對月球的綜合性環繞探測，2013年發射的“嫦娥三號”探測器實現了在月球雨海西北部的軟著陸及月面自動巡視勘察與原位探測[9]，兩期工程的順利實施圓滿實現了探月三步走戰略中的“繞”、“落”目標。“嫦娥五號”探測器系統是探月三步走戰略的最后一步，其總體目標是實現中國首次月面自主采樣與返回，國內眾多高校、科研機構針對該任務需求，在采樣方式、采樣裝置設計、月壤切削特性等方面開展了大量的研究工作，取得了一定的研究成果[10-12]。丁希侖等對深層月壤采樣方法進行研究，并設計出多桿深層采樣器[13]；梁磊等對采樣器鏟挖月壤時的力學模型進行研究[14]。

本文針對我國探月三期工程中對月面淺層月壤進行多點無人自主采集的任務需求，研制了一種基于機械臂+末端采樣工具的月球采樣機械臂系統，在對其運動特性、采樣空間、控制策略進行分析的基礎上，開展了采樣試驗驗證。

1 采樣機械臂設計

1.1 技術難點分析

探月三期探測器系統由軌道器、著陸器、上升器和返回器等組成，月球采樣機械臂安裝在著陸器上隨著陸器經歷發射段、地月轉移段、近月制動段、環月飛行段、著陸下降段、月面工作段等共計6個任務段，探測器系統任務剖面如圖1中所示。在月面工作段(從著陸器在月面軟著陸開始至上升器發動機點火月面起飛為止)，月球采樣機械臂作為探測器系統完成月球采樣任務的關鍵設備，需按在軌任務工作程序完成火工解鎖、加電自檢、避障展開、自主采樣、樣品器間轉移、起飛避讓等多項任務。

通過對任務剖面及月面采樣任務分析可以看出，月球采樣機械臂作為集機、電、熱、控于一體空間載荷設備，具有經歷工作段多、各工作段環境差異大、著陸點地貌未知、采樣任務環節多、月面工作環境惡劣等特點，在實際工程化設計過程面臨如下技術難題：

1)輕量化、大負載、高精度、寬采樣范圍。重量指標約束要求機械臂采取輕量化設計；不同密實度月壤采樣適應性、樣品容器器間轉移(月面質量不小于30 kg)等任務對機械臂末端負載能力提出高要求；樣品容器抓取要求機械臂末端精度須能適應容器的小容差(三向均不大于±3 mm)設計約束；機械臂器上布局及著陸區多點大范圍采樣的任務需求決定了機械臂需具備較大臂展。輕量化、大負載、大臂展導致的整臂柔性會對容器抓取轉移任務造成不利影響，故機械臂系統的輕量化、大負載、高精度、寬采樣范圍設計是其工程設計中的關鍵性技術難題。

2)高可靠、多形式末端采樣技術。為保證采樣任務不受著陸點月面環境、著陸器著陸姿態等不確定性因素的影響，且兼顧樣品容器器間轉移操作需求，必須從解決末端采樣器的可靠性及月壤適應性問題，保證既能實現對不同密實度月壤的多形式可靠采樣，又可實現對樣品容器的可靠抓取轉移。

3)月面高溫環境適應性設計。月球采樣機械臂布局在著陸器南面，工作溫度非常惡劣，安裝面預示溫度超過120 ℃，靠近月面處局部高達180 ℃。月面真空高溫環境對機械臂關節、采樣器、相機等部件的設計提出了較大挑戰，針對真空高溫環境下機械臂關節、采樣器等運動部件的潤滑設計、熱匹配設計也是機械臂工程設計的關節技術難題。

1.2 總體設計

綜合考慮采樣任務對月球采樣機械臂工作空間要求及其在探測器上安裝布局情況，確定月球采樣機械臂采用“肩2+肘1+腕1”的4自由度構型設計方案，即肩部設置肩部偏航關節、肩部俯仰關節，肘部設置肘俯仰關節，腕部設置腕俯仰關節。其中，肩部偏航關節半沉入安裝在著陸器頂板上，肩部偏航關節和肩部俯仰關節通過環形轉接支架連接；肩部俯仰關節通過臂桿A和肘部俯仰關節連接；肘部俯仰關節的輸出軸連接臂桿B，臂桿B的另一端連接腕部俯仰關節，腕部俯仰關節連接采樣器。為了滿足采樣任務對視覺監視及視覺測量的需求，采樣器甲和采樣器乙上安裝位姿測量相機，在臂桿B上安裝視覺監視相機。通過合理的臂桿長度參數設計，四自由度構型設計可滿足要求采樣范圍內多點采樣的任務需求，機械臂收攏構型如圖2所示。為實現機械臂的輕量化設計，機械臂臂桿選用高強度的金屬基復合材料，且采用中空分段設計，各段臂桿間采用了絞制孔螺栓+銷釘的混合連接方式，以保證臂桿的連接剛度。為滿足采樣范圍要求，機械臂臂展設計超過3.6 m；經測試整臂重量約為22 kg，月面末端負載能力超過30 kg，開環重復精度優于1 mm，抓取容器構型下的視覺閉環定位精度優于2 mm。

1.3 關節設計

關節是采樣機械臂的核心部件，用于提供機械臂臂桿組件之間的機械連接及運動、力矩的傳遞輸出。綜合考慮月球采樣機械臂的任務需求、重量指標要求及構型布局要求，共配置有肩關節(肩俯仰、肩偏航)、肘關節及腕關節4個關節，各關節傳動系統組成基本相同，主要由正弦波無刷電機、單通道旋變(速度)、行星減速器、諧波減速器、雙通道旋變(位置)、關節殼體及直屬件等組成。考慮整臂輕量化、大負載、高精度設計需求，關節采用了小功率電機+大減速比傳動裝置的設計方案，實現了關節力矩、速度、重量間的平衡設計；緊湊的傳動結構及雙閉環反饋保證關節實測精度優于3′；為提高關節可靠性，各關節電機均采用雙繞組設計；整個關節具有體積小、重量輕、精度高、溫度適用范圍寬等特點，關節組成如圖3示。

為保證關節運動部件(軸承、行星減速器齒輪、諧波減速器組件)能夠在真空高溫環境下可靠工作，潤滑設計中采用固體潤滑+油脂潤滑的混合潤滑方案，并進行了熱匹配性設計與防月塵密封設計，經試驗驗證可在185 ℃高溫真空環境可靠連續工作。

1.4 采樣器設計

采樣器是采樣機械臂的重要組成部分，直接負責對指定點的月壤進行采集。根據采樣任務要求，月球采樣機械臂設計兩種不同采樣形式的末端采樣器。采樣器甲主要由伸縮鏟、搖臂鏟、傳動系統及殼體組成，由兩臺獨立電機進行驅動；搖臂鏟外形呈勾狀，邊緣部分設計成細齒狀，運動過程中可實現對月壤的挖取收集，適用于較為松散的月壤收集；伸縮鏟外形呈鏟狀，可實現對淺層月壤的鏟集，適用于密實度較大的月壤收集；通過搖臂鏟、伸縮鏟的配合運動也可實現對塊狀月壤樣品的拾取收集；伸縮鏟、搖臂鏟、殼體可形成樣品容納空間，以便于實現對采集樣品的容納轉移；采樣器甲采樣過程如圖4所示。

采樣器乙是振動吸納式管狀取芯采樣器，主要由采樣管、采樣活瓣(多塊)、傳動系統、殼體等組成，由兩臺電機驅動，可實現采樣花瓣的伸縮及采樣器組件的旋轉運動，采樣器乙采樣過程示意如圖5中所示。

采樣過程中，采樣活瓣的旋轉運動與伸縮運動交替運動，通過旋轉運動實現活瓣邊沿對月壤的剪切，通過伸縮運動實現對松動月壤的吸納收集；當全部活瓣完全向外伸展時，采樣器末端呈緊閉密封模式，樣品被收藏在密閉容腔內；當所有活瓣完全縮回探頭內時，探頭呈全開放模式，可實現對收容樣品的釋放。

1.5 視覺系統設計

針對采樣任務中的視覺監視與測量需求，機械臂系統設計了遠攝相機、近攝相機(主、備)共3臺相機。其中，遠攝相機為單目相機，安裝于機械臂臂桿B連接件上，主要負責對采樣過程中的機械臂工作狀態(采樣區域、機械臂干涉、樣品采集、樣品向容器內傾瀉、樣品容器夾持/轉移/釋放等)進行視覺監視；近攝相機采用雙機冷備，且兩臺相機在機、電方面采用一體化設計，與采樣器同軸安裝，如圖6所示。利用樣品容器附近布置的視覺標記，近攝相機甲乙可實時測量樣品容器相對機械臂末端的空間位姿，并以視覺閉環控制方式實現機械臂采樣器甲乙對小抓取容差樣品容器的精確抓取。

2 運動特性分析

2.1 運動學分析

機械臂運動學分析是機械臂控制、工作空間分析的基礎。為便于分析，采樣機械臂連桿坐標系在機械臂展開狀態下定義，如圖7所示，在展開狀態下機械臂各關節均處于關節零位，在該坐標系下的D-H參數設計結果如表1所示。

θ/(°)α/(°)d/mma/mm1θ19001012θ20085.53θ301970964θ40177093

在機械臂開展月面采樣任務時，機械臂腕點(關節4軸線與采樣軸線交點)運動到指定采樣點上方一定高度后，機械臂將進入構型保持模式，各關節角度位置保持不變，此時機械臂作為采樣器的工作基座，為采樣器提供采樣過程中的支反力矩。結合采樣機械臂的實際工作特性，在進行機械臂運動學分析時，僅需分析腕點的位置及采樣器軸線相對月面的姿態角度。在圖6中建立的機械臂坐標系下，定義坐標系i相對于坐標系k的姿態描述矩陣為kRi，則機械臂各坐標間的姿態變換矩陣可描述為：

(1)

定義坐標系i相對于坐標系k的位置描述矢量為kPOi，令a=a2+a3+a4，則機械臂各坐標間的空間位置變換矢量可描述為(ci=cos(θi),si=sin(θi))：

(2)

由式(1)、(2)中描述的位姿變換關系，即可獲得月球采樣機械臂末端點(O3)在基坐標系(O0)下的空間位置：

(3)

將機械臂各關節角度變量代入式(3)后，月球采樣機械臂末端點(O3)在基坐標系(O0)下的空間位置為：

(4)

在開展采樣任務時，月面采樣點由地面遙控指定，假定目標采樣點位置為Ps0,則設定機械臂腕點坐標系為Ps(Ps=Ps0+[0,0,h]T，h為采樣初始高度)，根據式(4)即可建立機械臂運動學方程：

(5)

為便于求解，對式(5)進行如下變換：

[0R1]-1Ps=[0R1]-10PO3

(6)

對式(6)整理后即可建立關于θ1的運動方程，如式(7)、式(8)中所示：

(7)

PYc1-PXs1=-a

(8)

對式(8)進行求解，即可獲得關節角變量θ1的解析解，如式(9)所示：

(9)

同理可獲得關節變量θ2、θ3的解析解，如式(10)中所示：

(10)

其中：

(11)

關節變量θ4則根據月面三維重建后采樣點月面實際環境確定，確保采樣器軸線與月面保持平行。

2.2 可達采樣空間分析

根據探測器整體布局，采樣機械臂安裝于著陸器頂板邊側。為便于對采樣空間進行分析，假定著陸區平坦、著陸腿無壓縮，此時著陸器頂面與月面平行，機械臂安裝平面距月面高度約為2 m，機械臂采樣構型如圖8中所示，受著陸器其他載荷布局影響，機械臂各關節實際允許運動范圍要小于關節設計運動范圍，各個關節實際運動范圍見表2。

表2 機械臂關節運動范圍Table 2 Joint motion ranges of the manipulator

根據機械臂構型參數及其在探測器上布局，基于運動學模型對采樣機械臂在標稱工況(著陸區平坦且著陸腿無壓縮)下的采樣范圍進行仿真分析，分析結果如圖9中所示。仿真分析結果表明標稱工況下機械臂采樣深度最大可達到3.4 m(距離機械臂安裝面)，月面有效采樣區域為扇形區域，扇面角度約105°，扇面半徑約為2.2 m(機械臂關節軸線在月面投影點視為扇面圓心)。月球采樣機械臂可在該扇面區域內任意指定點開展淺層取樣任務。

3 機械臂采樣策略

3.1 工作模式

采樣機械臂的工作模式主要包括預編程模式、遙操作模式兩種。1)預編程模式：主要用于采樣機械臂按照預定工作路徑實現預定空間位置點間的運動，其主要目的是保證運動過程的安全性、可靠性及便捷性。在預編程模式下，地面操作人只需選擇預編程指令序號，其操作信息經上行數據通道傳送到采樣機械臂控制器，控制器即可根據指令序號調用相應的運動指令序列實現對采樣機械臂的運動控制。2)遙操作模式：主要針對月面多點采樣的任務需求，便于通過遙操作手段對機械臂運動目標點進行選擇設定。在遙操作模式下，地面操作人員根據著陸器系統下傳數據構建的著陸區域三維場景信息，現場選擇確定采樣目標，并將目標采樣點位置信息上行至機械臂控制器，控制器即可按照相應的控制策略，根據當前位姿信息、目標位姿信息、設定的控制周期等約束條件生成采樣機械臂關節運動指令，控制機械臂向采樣目標點運動。

3.2 運動規劃策略

月球采樣機械臂需要滿足多點采樣的任務需求，在實際采樣任務中，機械臂需要從當前采樣位置運動至目標采樣位置。機械臂當前位置可根據關節旋變角度值由式(4)計算得到，采樣目標點位置由地面操作人員在著陸器三維場景中選擇確定。假定機械臂當前位置、目標位置分別為PN、PO，則將機械臂的實際運動目標點定義為PNO=PO+[0,0,h0]T，其中h0為避免采樣器與月面產生干涉的預留高度。考慮到在整個可達采樣區域，機械臂不存在運動干涉，故機械臂在不同目標點間采用直線運動軌跡，機械臂當前位置與目標位置間的位置偏差為：

ΔP=PNO-PO

(12)

設定機械臂從當前位置運動到目標位置的時間為t=nT，其中T為機械臂控制周期(由系統初始設定，默認值為50 ms)，則機械臂末端在每個控制周期內的運動速度可表達如下：

(13)

由式(4)可求的機械臂末端點相對基坐標系下的雅克比矩陣為J，根據雅克比矩陣即可建立機械臂末端各個方向運動速度與各關節角速度間的變換關系，機械臂各關節在各控制周期的規劃速度為：

q(k)=J-1·v(k)

(14)

通過控制關節速度即可實現機械臂從當前位置到目標位置的運動規劃。

3.3 采樣策略

采樣機械臂共設計有兩種不同采樣方式的采樣器，采樣器甲用于實現鏟挖采樣，采樣器乙用于實現淺鉆吸納采樣。兩種采樣器的采樣方式不同導致其采樣策略也存在差別。對采樣器甲而言，如圖4中所示，經運動規劃運動到距離采樣點上方h0處后，機械臂需根據采樣器搖臂鏟設計長度l、挖取深度h調整機械臂末端在豎直方向上的位移s：

s=h0-(l-h)

(15)

待機械臂末端調整到位后，機械臂各關節位置伺服保持，以保證機械臂末端點位置在采樣過程中固定不變，為采樣器甲提供穩定可靠的支撐點。

對采樣器乙而言，采樣方式如圖5中所示，經運動規劃運動到距離采樣點上方h0處后，為保證采樣器乙不會因采樣力過大導致破壞，采樣深度需經機械臂多次調整末端位置實現，其單次調整策略與采樣器甲相似。

4 采樣試驗

4.1 模擬月壤制備

采樣機械臂主要通過鏟、挖、淺鉆等方式完成采樣，對月壤的破碎過程主要是剪切破壞過程，所有與剪切相關的參數都將影響鏟挖效果。月壤顆粒組成及礦物成分作為影響月壤物理性質的主要因素，其月壤顆粒粒度分布和顆粒形態兩部分直接影響月壤的剪切物理特性，是影響月壤采樣的主要物理因素[15]。為驗證月球采樣機械臂的采樣能力及不同顆粒度模擬月壤對采樣機械臂采樣能力的影響，本文在借鑒Apollo和Luna月壤統計數據的基礎上，配置了標稱(密實度75%)、挑戰(密實度85%)、極端(密實度95%)共計3中不同顆粒度組分、不同密實度的模擬月壤樣品，各模擬月壤樣品顆粒度配比如表3-表5所示。

表3 模擬月壤參數(密實度 75%)Table 2 Parameters of the simulant lunar soils(density：75%)

4.2 采樣試驗驗證

為較為真實模擬采樣機械臂月面采樣工況，月球采樣機械臂安裝于著陸模擬器上開展試驗，模擬器包絡尺寸、頂板距地高度、機械臂安裝布局均與真實探測器系統保持一致，采樣器(甲、乙)實際采樣情況如圖10中所示，采樣統計數據如表6所示，以采樣深度(實際月面采樣任務中，要求采樣深度≥20 mm)作為月壤適應性判定依據。在采樣試驗過程中，采樣器甲模擬月壤取樣測試100余次，采樣器乙模擬月壤取樣測試60余次，試驗表明采樣器甲乙均能滿足20 mm采樣深度要求。其中，1)采樣器甲在工作電流設定為0.3 A(初始默認工作電流)時，對標稱、挑戰、極端三種密實度月壤均具有較好的適應性，采樣深度均超過20 mm，單次最大采樣量達150 g；2)采樣器甲工作電流調整到0.5 A(最大安全工作電流)時，對標稱、挑戰月壤最大采樣深度超過50 mm，單次最大采樣量達到270 g；對極端月壤最大采樣深度超過40 mm，單次采樣量達到260 g；3)受采樣器自身結構設計限制，采樣器乙最大采樣深度為25 mm，在采樣試驗過程中，采樣器乙對標稱、挑戰、極端三種密實度月壤均具有較好的適應性，采樣深度均超過20 mm，單次最大采樣量達210 g；4)在采樣器乙的采樣試驗中，標稱月壤兩次碰到石塊，挑戰月壤五次碰到石塊，試驗過程中采樣器未出現堵轉；5)采樣器甲單次采樣時間約1 min，采樣器乙單次采樣時間約1.5 min。

表5 模擬月壤參數(密實度 95%)Table 5 Parameters of the simulant lunar soils(density：95%)

取樣深度/mm工作電流0.5 A工作電流0.4 A工作電流0.3 A標稱挑戰極端標稱挑戰極端標稱挑戰極端單次最大采樣量采樣器甲60×××××××××-50√√×××××××270g40√√√√√××××260g30√√√√√√×××180g20√√√√√√√√√150g采樣器乙20√√√√√√√√√210g

注.√達到試驗采樣深度，×未達到試驗采樣深度

5 結 論

本文在對月球采樣任務剖面及任務需求進行分析的基礎上，設計并研制了針對月表采樣的輕量化、大負載、高精度、寬采樣范圍機械臂系統，其重量約為22 kg，臂展超過3.6 m，月面負載能力超過30 kg，末端重復精度優于1 mm，典型任務構型下的視覺閉環定位精度優于2 mm，可實現對月球淺表層月壤的鏟、挖、鉆等多形式采集；運動特性仿真分析表明該采樣機械臂系統能夠在探測器布局約束條件下滿足任務對可達采樣空間的要求；在等尺寸著陸器模擬平臺上開展了針對三種不同密實度模擬月壤的采樣試驗，試驗結果表明該采樣機械臂系統布局設計合理、控制策略可行，采樣深度、單次采樣量/采樣時間及對不同密實度月壤的適應性均能夠滿足探測器系統采樣任務要求。