抓取式采樣頭設(shè)計優(yōu)化與仿真分析

程 麗 肖道林，2 張 超，2

（1、沈陽大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽110044 2、中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽110016）

小行星是太陽系中重要的天體組成部分，承載著重要的演化信息，是探尋太陽系物質(zhì)起源的重要天體[1]。同時小行星含有富饒的稀有元素和貴金屬，具有十分重要的價值[2]。

所以小行星表面取樣研究已經(jīng)成為各個國家重要研究的航天項目。

目前，小行星采樣方式有射彈撞擊、螺旋鉆取、氣體激勵等方法。這幾種采樣方式都成功應(yīng)用，本文優(yōu)化設(shè)計的采樣頭是抓取式，具有結(jié)構(gòu)簡單、采存一體的特點。

1 采樣頭方案設(shè)計

小行星的采樣主要是針對星體的表層物質(zhì)進(jìn)行采集[3]。本設(shè)計針對表壤地貌進(jìn)行采集。飛行器通過機(jī)械臂連接采樣器，采用TAG（Tough And Go）的方式進(jìn)行采樣。采樣器與星壤觸碰時間為3 秒，要保證采樣器能觸發(fā)閉合功能。

抓取式采樣器是由采樣頭，采樣轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)位模塊，開腔模塊組成，如圖1 所示。可進(jìn)行多次多點采樣，因此采樣器搭載了三個相同的采樣頭；提高了采樣的成功率以及魯棒性。

采樣器可以攜帶三個采樣頭，可進(jìn)行多次取樣。機(jī)械觸發(fā)式采樣器集采樣、樣品保存一體，每個采樣頭既可以采樣，又可以保存樣品。

2 采樣頭工作原理

采樣頭是采樣器最重要的部件，用于樣品的收集和保存。采樣是否成功以及樣品是否能完好的保存有著至關(guān)重要的作用。主要是由兩個形狀上相似的腔門、觸發(fā)桿、連桿和驅(qū)動扭簧構(gòu)成。采樣頭在采樣開始前是閉合狀態(tài)（如圖2 所示），依靠開腔模塊的楔形塊打開，并保持在死點狀態(tài)；隨后楔形塊收回，轉(zhuǎn)位模塊帶動轉(zhuǎn)采樣轉(zhuǎn)盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至采樣位置并鎖定。完全打開的采樣腔（圖2b）處于穩(wěn)定的狀態(tài)，處于中心位置的觸發(fā)桿伸出，用于采樣腔觸發(fā)閉合的功能。

飛行器在豎直方向上以10m/s 的速度緩慢降落，由于反作用力的作用，觸發(fā)桿受力，此時采樣腔已經(jīng)越過死點位置，在彈簧驅(qū)動下保持關(guān)閉采樣腔的趨勢。采樣腔離開星表的瞬間，采樣腔在驅(qū)動彈簧的作用下迅速閉合，并將采集到的樣品保留在采樣頭中。

圖2 采樣頭兩種狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)

3 采樣頭機(jī)構(gòu)優(yōu)化

采樣頭是采樣器的核心部件，采樣器能否成功采樣起著至關(guān)重要的作用。為了采樣頭能順利觸發(fā)，對采樣頭各個構(gòu)件的優(yōu)化是必不可少的。一般優(yōu)化設(shè)計問題是在n 維歐氏空間內(nèi)尋找一個點X=（x1，x2，x3，…，xn）T，在滿足gu（X）≤0 和hv（X）=0 約束條件時，使f（x）取最小值。上述優(yōu)化問題可簡寫為

式中，f（X）、gu（X）、hv（X）為n 元函數(shù)；f（X）為目標(biāo)函數(shù)；gu（X）為不等式約束條件；hv（X）為等式約束條件；X 為設(shè)計變量。

（1）確定設(shè)計變量。

對各個連桿的長度進(jìn)行合理的設(shè)計，建立如下所述的數(shù)學(xué)模型，對于各個連桿的長度取最優(yōu)，將采樣頭機(jī)構(gòu)簡化如圖3 所示。

圖3 采樣頭機(jī)構(gòu)簡化示意圖

根據(jù)總體布局設(shè)計，這里確定n1=22.5，n2=61.5，n3=4.5；由運動分析可知，決定該機(jī)構(gòu)運動規(guī)律的幾何參數(shù)有連桿OD 長度L1，連桿CE 長度L2以及連桿CB 長度L3。因此采樣頭機(jī)構(gòu)的獨立設(shè)計參數(shù)共三個，故設(shè)計變量定義為

為了保證采樣頭在采樣時能順利觸發(fā)閉合，需要保證采樣頭在死點位置時，A 點和B 點之間的是水平距離（y2=0）為零時，C 點和D 點之間的水平距離（y1）最大。以此建立目標(biāo)函數(shù)，表達(dá)式為

（3）確定約束條件。

在考慮結(jié)構(gòu)尺寸時，就要滿足采樣頭體積適中，又能保證能夠抓取足夠多的樣品；因此：30≤L1≤50，5≤L2≤40，20≤L3≤60。

同時要保證采樣頭機(jī)構(gòu)在死點位置（y1=0）時，能順利觸發(fā)關(guān)閉采樣頭，A 點與B 點的水平距離（y0）要大于18mm；采樣頭在關(guān)閉狀態(tài)（θ=0）時，要保證采樣頭的內(nèi)腔有足夠的空間來保存樣品，所以觸發(fā)桿的長度要短些，A 點和B 點之間的是水平距離大于等于12mm；同時也要保證OC 之間的距離（y3）不能太小，這里設(shè)計最小為8mm。

綜上所述，采樣頭優(yōu)化的約束條件為

利用MATLAB 進(jìn)行優(yōu)化，為了判斷該穩(wěn)定狀態(tài)下對于各個連桿的變化關(guān)系，取L1=40，計算y1，可得目標(biāo)函數(shù)隨L2，L3的增大而增大，在可行域內(nèi)不是凸函數(shù)。

尋得范圍內(nèi)最優(yōu)解為：L1=50.0，L2=38.6，L3=43.2。考慮到加工誤差的原因，故最終方案取值為L1=50.0，L2=38.5，L3=43.2。

根據(jù)采樣頭機(jī)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行尺寸設(shè)計，得到采樣頭兩種狀態(tài)下的尺寸參數(shù)如下圖所示：

圖4 采樣兩種狀態(tài)

由圖4（a）可得，該種狀態(tài)下觸發(fā)桿與艙內(nèi)頂部的最小距離為18mm。因而，在采樣腔中間位置可以適應(yīng)的樣品尺寸不能大于18mm。該種情況下觸發(fā)桿伸出采樣艙連線面15mm，也就說明采樣頭對于“凹地形”其中凹陷位置小于15mm 即可產(chǎn)生有效的觸發(fā)。

4 采樣頭機(jī)構(gòu)運動學(xué)分析

使用ADAMS 進(jìn)行運動學(xué)仿真，模擬采樣頭觸發(fā)閉合的過程。觸發(fā)力的模擬采用step 函數(shù)，觸發(fā)力隨時間的變化逐漸增大。觸發(fā)力在0-1s 內(nèi)由0 變?yōu)?0N。以腔門的速度為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)采樣頭腔門的由零增大時，則認(rèn)為觸發(fā)采樣頭閉合。從圖5 可以看出艙門在0.638s 時開始變化，此時的觸發(fā)力約為7N；即在彈簧剛度k=2.725Nmm/°的情況下，觸發(fā)力F=7N。

圖5 觸發(fā)采樣頭閉合曲線

驗證得到的觸發(fā)力是否正確，依然使用step 函數(shù)，在0s 時觸發(fā)力為7N，并隨時間而逐漸減小。設(shè)置仿真時間1s，步數(shù)1000。得到了采樣頭腔門的速度的變化曲線，如圖6。可以得出腔門在0.1s 時的速度變?yōu)?，即認(rèn)為腔門在此時閉合。由于采樣頭搭載的飛行器采用TAG 的飛行方式，觸碰星壤的時間極短，通過仿真可以看出腔門的關(guān)閉時間約為0.1s，滿足在3 秒的時間內(nèi)完成采樣操作。

圖6 采樣頭腔門閉合時速度變化曲線

5 結(jié)論

設(shè)計出了一種抓取式采樣頭，具有結(jié)構(gòu)簡單，采存一體的特點。從理論上來說，優(yōu)化的采樣頭的兩種狀態(tài)穩(wěn)定，而且觸發(fā)方案可行，能適應(yīng)一定程度的凹地形，且采樣顆粒較大。通過ADAMS 仿真分析可以得出，采樣頭觸發(fā)力小，僅7N；且閉合時間為0.1s，閉合迅速，符合衛(wèi)星提供的觸發(fā)力和采集時間。