火星表取采样器仿生设计及机土作用研究

第一章 绪 论

1.1 研究的背景和意义
火星作为太阳系中与地球最为相似的星球，一直是深空探测的重点。火星上是否存在水、生命形式以及能否经过改造成为人类的“第二家园”，一直不断激励着人类开展火星探测。自 20 世纪 60 年代以来，人类共发射了 40 颗火星探测器，获得了大量的关于火星整体形态、大气成分结构、地表地貌等数据，极大的丰富了人类对于火星的认识[1]。同时，在今后的深空探测活动中，，火星探测将是各国竞争的制高点，2015 年至 2035 年间，各国规划进行的火星探测活动多达 8 次，且今后 20~30 年的火星表面探测任务将侧重于表面环境（包括土壤组成成分等）及近表面环境的探测[1,2]。至今，美国、俄罗斯、印度、日本等都发射了各自相关的火星探测器。因火星与地球距离远，对遥测、自主导航、自主控制、运载火箭动力等都要求较高，长期以来均采用无人探测方式。我国在 2011 年曾借助俄罗斯“福布斯－土壤号” 搭载“萤火一号”火星探测器，后因变轨失败而失败。表层土壤取样分析能够直接揭示火星土壤是否含有水、有机质甚至生命形式等关键信息，在目前成功的火星探测器中，“凤凰号”（Phoenix）、“火星科学实验室”（Mars Science Laboratory）得到了应用。火星地表形态复杂，且在土层中可能含有冻土、石块[3]。这种条件使得采样过程中采样阻力变化不均匀，这对于着陆器\巡视器能量消耗及工作稳定性都产生重要的影响。因此，设计采样阻力小、工作稳定的采样铲对于地外星球采样具有重要意义。在自然界中，许多穴居动物在长期的自然进化过程中，形成了具有优良减磨减阻力学特性的爪趾结构，这种结构便于长期的穴居生活。生活在青藏高原的大型穴居地栖型啮齿类动物喜马拉雅旱獭，适应高原地区特有的气候、土壤条件，具有非常强的掘土本领。旱獭主洞至洞口的道洞约有 2m，个别达到 5m长，而且旱獭洞穴分为冬季洞、夏季洞、临时洞等不同功能的洞穴，洞穴结构十分复杂[4,5]。喜马拉雅旱獭这种掘洞能力对草原生态造成一定的影响。喜马拉雅旱獭爪趾作为掘土运动的直接执行部位，其结构特点对于掘土性能有直接的影响。
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1.2 表取采样器研究现状
探测器采用的表取采样方式主要为挖取和铲取采样。国外进行深空地外星球探测起步早，对于采样装置研制取得丰富的研究成果、并且多次得到实际的应用，主要分为月面表取采样器与火星表取采样器两类。表取采样铲是最先随着月球探测展开的。1967 年 4 月发射的 Surveyor 3 着陆器是美国第一个装有月表取样设备的探测器，Surveyor3 着陆器携带的挖斗型采样铲通过多杆机构进行链接，这种方式能够节省运输空间且能够增大采样半径，但此种机构需要电机驱动力较大，而且结构复杂，稳定性较低，如图 1.2 所示[6]。美国国家航空航天局（NASA）在1975 年发射 Viking 号探测器携带的采样机构在伸缩臂的控制下采样半径可以达到 3m，采样深度最大可达到 10cm，每获取 1cm3的土壤样品消耗的能量约在4~9kJ 之间，如图 1.3 所示[7,8]。2003 年欧洲航天局（ESA）将香港理工大学研制的钳取式的采样机构用于小猎犬 2 号的火星探测任务中，该型采样机构结构简单，最大采样深度约为2cm，如图 1.4 所示[9,10,11]。德国不来梅大学机器人研究所依据蜥蜴运动形式研制出一种仿生月球探测车，该探测车携带一种自动采样铲，能够自动获取 120mm3的样品[12]。但是，该种采样机构并未在火星探测活动中得到实际的应用。
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第二章 喜马拉雅旱獭爪趾形貌分析

2.1 引言
喜马拉雅旱獭（Marmota himalayana Hodgson）具有很强的掘土能力，这种掘土能力是与土壤在长期的相互作用过程中逐渐进化而来的。其爪趾作为直接与土壤相互作用部位，具有典型的爪趾结构，因此对爪趾结构的研究能够为揭示爪趾具有较强掘土能力的原由提供有益的参考。通过对获得的爪趾进行宏观尺寸的测量以及利用体式显微镜、扫描电镜对在自然磨损状态下的趾表面进行观察，得到爪趾典型的结构尺寸参数及细观结构，为研究爪趾/土壤的相互作用机理、提取爪趾的特征结构曲线提供依据。
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2.2 爪趾几何形态的量化分析
本研究采用的爪趾是在西藏拉萨的居民帮助下获得的，爪趾从喜马拉雅旱獭身体剥离后进行了风干处理。喜马拉雅旱獭四肢短而粗，前爪 4 趾，后爪 5 趾；前爪掌较小，后爪掌较大。因喜马拉雅旱獭前爪与后爪主要功能不同。后爪的主要功能是在加速起跑、运动过程中提供加速力；在站立过程中提供对身体的支撑；以及在掘土过程中起到辅助刨土的作用。前爪是其主要的掘土工具，因此，选取喜马拉雅旱獭的前爪作为研究对象。爪趾宏观尺寸主要包括爪趾长度 L（mm）、爪趾厚度 T（mm）和爪趾高度H（mm）。通过测量，分析同一爪上的各趾的尺寸变化规律。由于获得的旱獭爪趾数量有限，仅对获得的 48 只前爪趾进行测量。爪趾外观尺寸利用游标卡尺进行测量，按照各趾在前爪的位置从左至右依次命名为第一趾、第二趾、第三趾、第四趾。各趾在同一爪中的相对位置如图 2.1 所示。
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第三章 爪趾点云提取与曲线拟合分析..... 25
3.1 引言 .... 25
3.2 爪趾点云提取 ........ 25
3.3 爪趾特征点云提取 ..... 27
3.4 特征点的数值拟合 ..... 31
3.5 本章小结 ...... 37
第四章 采样铲仿生设计与仿真分析.... 39
4.1 引言 .... 39
4.2 爪趾与表取采样器的相似性 .... 39
4.2.1 功能相似性分析 .... 39
4.2.2 结构相似性分析 .... 39
4.3 采样铲挖铲仿生设计 ...... 40
4.4 仿真验证分析 ...... 44
4.5 本章小结 ...... 53
第五章 仿生铲实验台验证试验....... 55
5.1 引言 .... 55
5.2 试验前的准备 ........ 55
5.3 试验方案及过程 .... 575
5.4 试验结果与分析 ...... 59
5.5 本章小结 ...... 64

第五章 仿生铲实验台验证试验

5.1 引言
针对第四章设计的仿生采样铲，以采样铲阻力和扭矩为评价指标，在表取采样实验台进行铲取采样试验，分析采样铲与模拟火星壤的相互作用，讨论仿生设计的有效性。

5.2 试验前的准备

5.2.1 模拟火星壤的整备
试验中采用吉林大学研制的模拟火星壤[80]，原料为吉林省辉南县金川镇的孤山红色火山渣，该型模拟火星壤通过颗粒粒径控制使其与已知的探测器着陆点的火星壤力学参数接近[81,82,83]。在进行仿生验证试验前需对模拟火星壤力学特征进行测量。模拟火星壤含水率的测定。土壤含水率对于采样系数具有重要的影响，正常情况下的模拟火星壤中含水率应保证约为 0。因此在土槽中随机选取三个位置 6 次取样采集土壤。将获得土壤样品放置于电热恒温干燥箱中，在 110C°下保持加热 6 个小时。测得的土壤含水率为 0.20%（±0.32%）。

结论

（1）测量爪趾的宏观结构可知，喜马拉雅旱獭第二趾长度、厚度、高度相比于其余各趾都大，第四趾相对比与其余各趾，其长度、厚度、高度都为最小。结合喜马拉雅旱獭挖土习性，得出前爪第二趾为掘土的主要爪趾。利用体视显微镜和扫描电子显微镜观测爪趾，得出爪趾表面为不光滑表面，趾两侧边缘呈现层状结构；趾表面有片层状的剥落痕迹，且趾轴向上呈现明显的三层分布结构，而且层与层之间的分界十分明显，趾顶端有羽状突出物。
（2）通过三维扫描获取了喜马拉雅旱獭前爪第二趾的特征点云，并在逆向工程软件中对获得的爪趾点云进行数据精简、点云光滑处理等，并利用一定间距的平行平面组截取特征点云，分别获得特征点云，并通过 CAD 软件，获得爪趾的相对应部位的特征点云的点云坐标。并在 Matlab 中对特征点云进行拟合，得出爪趾拟合特征曲线。对特征曲线分析可知，距离趾中心越远，特征曲线拟合方程越不稳定；从曲线曲率分析可知，爪趾内外弧曲线曲率呈现双驼峰变化趋势，即出现曲率先增大后平缓，至曲线水平后又弯曲程度有增大的趋势。
（3）分析喜马拉雅旱獭爪趾与表取采样铲的相似性，并根据爪趾拟合特征曲线和爪趾内外弧曲线曲率变化规律给出仿生表取采样铲设计方法，并依据火星表取采样器采用的基本形式，研制了两类基本类型的仿生表取采样器。
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参考文献（略）