抓取式采样头设计优化与仿真分析

程 丽 肖道林，2 张 超，2

（1、沈阳大学机械工程学院，辽宁 沈阳110044 2、中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳110016）

小行星是太阳系中重要的天体组成部分，承载着重要的演化信息，是探寻太阳系物质起源的重要天体[1]。同时小行星含有富饶的稀有元素和贵金属，具有十分重要的价值[2]。

所以小行星表面取样研究已经成为各个国家重要研究的航天项目。

目前，小行星采样方式有射弹撞击、螺旋钻取、气体激励等方法。这几种采样方式都成功应用，本文优化设计的采样头是抓取式，具有结构简单、采存一体的特点。

1 采样头方案设计

小行星的采样主要是针对星体的表层物质进行采集[3]。本设计针对表壤地貌进行采集。飞行器通过机械臂连接采样器，采用TAG（Tough And Go）的方式进行采样。采样器与星壤触碰时间为3 秒，要保证采样器能触发闭合功能。

抓取式采样器是由采样头，采样转盘，转位模块，开腔模块组成，如图1 所示。可进行多次多点采样，因此采样器搭载了三个相同的采样头；提高了采样的成功率以及鲁棒性。

采样器可以携带三个采样头，可进行多次取样。机械触发式采样器集采样、样品保存一体，每个采样头既可以采样，又可以保存样品。

2 采样头工作原理

采样头是采样器最重要的部件，用于样品的收集和保存。采样是否成功以及样品是否能完好的保存有着至关重要的作用。主要是由两个形状上相似的腔门、触发杆、连杆和驱动扭簧构成。采样头在采样开始前是闭合状态（如图2 所示），依靠开腔模块的楔形块打开，并保持在死点状态；随后楔形块收回，转位模块带动转采样转盘继续旋转至采样位置并锁定。完全打开的采样腔（图2b）处于稳定的状态，处于中心位置的触发杆伸出，用于采样腔触发闭合的功能。

飞行器在竖直方向上以10m/s 的速度缓慢降落，由于反作用力的作用，触发杆受力，此时采样腔已经越过死点位置，在弹簧驱动下保持关闭采样腔的趋势。采样腔离开星表的瞬间，采样腔在驱动弹簧的作用下迅速闭合，并将采集到的样品保留在采样头中。

图2 采样头两种状态以及结构

3 采样头机构优化

采样头是采样器的核心部件，采样器能否成功采样起着至关重要的作用。为了采样头能顺利触发，对采样头各个构件的优化是必不可少的。一般优化设计问题是在n 维欧氏空间内寻找一个点X=（x1，x2，x3，…，xn）T，在满足gu（X）≤0 和hv（X）=0 约束条件时，使f（x）取最小值。上述优化问题可简写为

式中，f（X）、gu（X）、hv（X）为n 元函数；f（X）为目标函数；gu（X）为不等式约束条件；hv（X）为等式约束条件；X 为设计变量。

（1）确定设计变量。

对各个连杆的长度进行合理的设计，建立如下所述的数学模型，对于各个连杆的长度取最优，将采样头机构简化如图3 所示。

图3 采样头机构简化示意图

根据总体布局设计，这里确定n1=22.5，n2=61.5，n3=4.5；由运动分析可知，决定该机构运动规律的几何参数有连杆OD 长度L1，连杆CE 长度L2以及连杆CB 长度L3。因此采样头机构的独立设计参数共三个，故设计变量定义为

为了保证采样头在采样时能顺利触发闭合，需要保证采样头在死点位置时，A 点和B 点之间的是水平距离（y2=0）为零时，C 点和D 点之间的水平距离（y1）最大。以此建立目标函数，表达式为

（3）确定约束条件。

在考虑结构尺寸时，就要满足采样头体积适中，又能保证能够抓取足够多的样品；因此：30≤L1≤50，5≤L2≤40，20≤L3≤60。

同时要保证采样头机构在死点位置（y1=0）时，能顺利触发关闭采样头，A 点与B 点的水平距离（y0）要大于18mm；采样头在关闭状态（θ=0）时，要保证采样头的内腔有足够的空间来保存样品，所以触发杆的长度要短些，A 点和B 点之间的是水平距离大于等于12mm；同时也要保证OC 之间的距离（y3）不能太小，这里设计最小为8mm。

综上所述，采样头优化的约束条件为

利用MATLAB 进行优化，为了判断该稳定状态下对于各个连杆的变化关系，取L1=40，计算y1，可得目标函数随L2，L3的增大而增大，在可行域内不是凸函数。

寻得范围内最优解为：L1=50.0，L2=38.6，L3=43.2。考虑到加工误差的原因，故最终方案取值为L1=50.0，L2=38.5，L3=43.2。

根据采样头机构优化的结果进行尺寸设计，得到采样头两种状态下的尺寸参数如下图所示：

图4 采样两种状态

由图4（a）可得，该种状态下触发杆与舱内顶部的最小距离为18mm。因而，在采样腔中间位置可以适应的样品尺寸不能大于18mm。该种情况下触发杆伸出采样舱连线面15mm，也就说明采样头对于“凹地形”其中凹陷位置小于15mm 即可产生有效的触发。

4 采样头机构运动学分析

使用ADAMS 进行运动学仿真，模拟采样头触发闭合的过程。触发力的模拟采用step 函数，触发力随时间的变化逐渐增大。触发力在0-1s 内由0 变为10N。以腔门的速度为标准，当采样头腔门的由零增大时，则认为触发采样头闭合。从图5 可以看出舱门在0.638s 时开始变化，此时的触发力约为7N；即在弹簧刚度k=2.725Nmm/°的情况下，触发力F=7N。

图5 触发采样头闭合曲线

验证得到的触发力是否正确，依然使用step 函数，在0s 时触发力为7N，并随时间而逐渐减小。设置仿真时间1s，步数1000。得到了采样头腔门的速度的变化曲线，如图6。可以得出腔门在0.1s 时的速度变为0，即认为腔门在此时闭合。由于采样头搭载的飞行器采用TAG 的飞行方式，触碰星壤的时间极短，通过仿真可以看出腔门的关闭时间约为0.1s，满足在3 秒的时间内完成采样操作。

图6 采样头腔门闭合时速度变化曲线

5 结论

设计出了一种抓取式采样头，具有结构简单，采存一体的特点。从理论上来说，优化的采样头的两种状态稳定，而且触发方案可行，能适应一定程度的凹地形，且采样颗粒较大。通过ADAMS 仿真分析可以得出，采样头触发力小，仅7N；且闭合时间为0.1s，闭合迅速，符合卫星提供的触发力和采集时间。