劉曉飛，高興華，羅春陽，姜生元，姚 猛，李建永

(1.北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132013；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150006；3.中國空間技術(shù)研究院，北京 100081)

探月工程屬于我國中長期科技發(fā)展規(guī)劃重大專項(xiàng)[1-2]，中國用長征五號運(yùn)載火箭成功發(fā)射了嫦娥五號月球無人采樣返回探測器，經(jīng)地月轉(zhuǎn)移、近月制動、環(huán)月飛行、動力下降等飛行過程，著陸月球，在19 h內(nèi)完成了月面采樣封裝任務(wù)，獲取了1 731 g月球樣品，并獲得了大量的月面采樣鄰近區(qū)域圖像數(shù)據(jù)，可為科學(xué)分析嫦娥五號著陸點(diǎn)提供支持[3].探測器著陸姿態(tài)是決定表取月壤能否成功的關(guān)鍵.由于月貌不同，探測器在月面著陸時會產(chǎn)生不同的著陸姿態(tài)，為模擬探測器在不同姿態(tài)下的采樣工作，需要通過姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整[4-8].本研究采用半剪叉式連桿設(shè)計(jì)表采模擬月壤箱姿態(tài)調(diào)整裝置.

1 方案設(shè)計(jì)

表采模擬月壤箱姿態(tài)調(diào)整裝置由月壤箱單元、月壤箱定位托架單元、姿態(tài)角度調(diào)整機(jī)構(gòu)、表取機(jī)械臂調(diào)整平臺、月壤制備模塊、測量與控制模塊組成，機(jī)構(gòu)方案見圖1.模擬月壤箱由4個分體的月壤箱組成，每個分體月壤箱單獨(dú)制備模擬月壤.月壤箱通過托架定位和鎖定將其固定連接成一體，形成一個完整的表取區(qū)域，能夠滿足表取試驗(yàn)及監(jiān)視相機(jī)成像需求.托架底部安裝了姿態(tài)角度調(diào)整裝置，通過控制系統(tǒng)控制，可以實(shí)現(xiàn)手動或自動角度調(diào)整；通過安裝于托架底部的角度傳感器反饋角度值，實(shí)現(xiàn)角度調(diào)整的閉環(huán)反饋控制.姿態(tài)角度調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高度升降及空間角度模擬；測量與控制模塊完成箱體俯仰、側(cè)傾調(diào)整；表取機(jī)械臂調(diào)整平臺用于調(diào)整表取機(jī)械臂；模擬月壤箱頂部安裝操作平臺，為表取機(jī)械臂的人工調(diào)整提供操作員站立空間.

表采模擬月壤箱姿態(tài)調(diào)整裝置為表取月壤提供模擬的工作環(huán)境和工作對象，用于模擬探測器在不同著陸姿態(tài)下的表取采樣；使傾斜角度和升降高度與著陸器、上升器組合體模擬件的傾斜角度和升降高度相匹配；驗(yàn)證表采模擬月壤箱姿態(tài)調(diào)整裝置在月面重力環(huán)境下的工作性能.表采模擬月壤箱姿態(tài)調(diào)整裝置性能指標(biāo)：表取月壤箱面積為3.5 m×3.0 m，深度為0.15 m；表取機(jī)械臂調(diào)整平臺最大承重400 kg；平臺臺面尺寸為1.5 m×0.9 m；平臺臺面距著陸器頂面可調(diào)距離為0.7～1.2 m.著陸器頂板距離月面約1.87 m；在標(biāo)稱著陸工況下，以試驗(yàn)操作平臺臺面為基準(zhǔn)，表取月壤箱模擬月面水平升降高度需求包絡(luò)應(yīng)在-0.020～+0.380 m.各主要模塊設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1.

表1 表采模擬月壤箱姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)各模塊設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.1 Design index of lunar soil box for surface mining and its attitude adjustment mechanism

為提高穩(wěn)定性及可靠性，電動升降機(jī)采用半剪叉式連桿支撐方式配合電動升降機(jī)組成姿態(tài)角度調(diào)整機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)在偏載情況下受到的扭矩及側(cè)向力均由半剪叉式連桿機(jī)構(gòu)承受，電動升降機(jī)僅起到輔助支撐作用.姿態(tài)角度調(diào)整機(jī)構(gòu)由固定支座、鉸接支座、萬向節(jié)、半剪叉式連桿和電動升降機(jī)等組成.固定支座為半剪叉式連桿的底部鉸接支座，作用是將半剪叉式連桿與平臺臺面鉸接連接；電動升降機(jī)底部鉸接支座的作用是將電動升降機(jī)與平臺臺面鉸接連接；半剪叉式連桿與月壤箱托架通過萬向節(jié)連接；半剪叉式連桿是姿態(tài)角度調(diào)整的主要部件，其一端通過鉸接支座固定于平臺，另一端通過萬向節(jié)連接月壤箱托架，利用電動升降機(jī)控制半剪叉式連桿開合角度，進(jìn)而調(diào)整月壤箱托架高度及姿態(tài)角度.

2 理論分析

在姿態(tài)角度調(diào)整機(jī)構(gòu)上建立坐標(biāo)系.當(dāng)重心位于yOz平面時，分析表采模擬月壤箱姿態(tài)調(diào)整控制裝置的受力情況，見圖2.

圖2 姿態(tài)調(diào)整器受力分析Fig.2 Force analysis of attitude adjuster

表采模擬月壤箱姿態(tài)調(diào)整控制裝置受3個支撐腿支撐力和重力作用.腿Ⅰ處受力為Fx1、Fy1、Fz1，腿Ⅱ處受力為Fx2、Fy2、Fz2，腿Ⅲ處受力為Fx3、Fy3、Fz3，自身重力為G.

將Ⅱ、Ⅲ處受力向Ⅱ、Ⅲ連線中心D點(diǎn)簡化，由于Ⅱ、Ⅲ連線與x軸平行，得D點(diǎn)受力為FxD、FyD、FzD.

D點(diǎn)、表采模擬月壤箱姿態(tài)調(diào)整控制裝置質(zhì)心和腿Ⅲ上的1點(diǎn)處于yOz同一個平面上，此時表采模擬月壤箱姿態(tài)調(diào)整控制裝置處于靜止?fàn)顟B(tài).對x軸列平衡方程：

∑Fx=0，F(xiàn)xD+Fx1=0， ∑Mx=0

(1)

求得

FxD=0，F(xiàn)x1=0

(2)

因?yàn)橹亓和1點(diǎn)受力[Fx1(0)、Fy1、Fz1]均在yOz平面，又

FxD=Fx2+Fx3=0

(3)

聯(lián)立式(1)～(3)得

(4)

由式(4)可知：在僅有支撐腿Ⅲ的電動缸伸縮調(diào)節(jié)時，3個支撐腿上端球鉸受力沿x軸方向可以相互抵消，即在研究支撐腿Ⅲ在極限狀態(tài)受力時，可將支撐腿Ⅰ和Ⅱ的受力向yOz平面簡化.

當(dāng)支撐腿Ⅰ、Ⅱ保持初始狀態(tài)，支撐腿Ⅲ收縮時，分析各腿受力情況(俯：-10°)，見圖3.表采模擬月壤箱姿態(tài)調(diào)整控制裝置模擬結(jié)構(gòu)件的最大邊長為3個支撐腿均布安裝位置所在圓周的半徑，當(dāng)支撐腿Ⅲ電動缸收縮時，表采模擬月壤箱姿態(tài)調(diào)整控制裝置質(zhì)心G下降并向右偏移.設(shè)表采模擬月壤箱姿態(tài)調(diào)整控制裝置模擬結(jié)構(gòu)件最大邊長為L，支撐腿Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ初始長度為各電動缸行程最大時的長度a，當(dāng)平臺向右偏轉(zhuǎn)20°時，支撐腿長度縮短至b.由受力分析可得

圖3 向右偏轉(zhuǎn)10°等效Fig.3 Equivalent of 10 degree right deflection

式中：h1為質(zhì)心下降高度；Δd為質(zhì)心水平偏移距離.

表采模擬月壤箱姿態(tài)調(diào)整控制裝置偏轉(zhuǎn)10°時支撐腿的最短長度為b，即

(5)

(6)

此時，A點(diǎn)與C1點(diǎn)連線長度為

(7)

將式(5)～(7)代入

式中：γ為支撐腿與地面所成角度，∠CDE=∠CBC1.

設(shè)φ=∠EDC1=∠CDC1+∠CDE，可得

φ=∠EDC1=110°-γ

(8)

此時，D點(diǎn)與E點(diǎn)連線長度

(9)

在以表采模擬月壤箱姿態(tài)調(diào)整控制裝置整體作為研究對象時，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài).對D點(diǎn)列平衡方程：

(10)

∑Fz=0，G-FzD-FzBC1=0

(11)

∑Fy=0，F(xiàn)yD-FyBC1=0

(12)

聯(lián)立式(8)～(12)得

FyD=FyBC1=FBC1cosγ，

FzD=G-FzBC1=G-FBC1sinγ，

式中：FBC1為支撐腿Ⅲ承受的作用力；FyD、FzD為等效力FD沿y、z軸的分力.

在以表采模擬月壤箱姿態(tài)調(diào)整控制裝置作為研究對象求得FBC1、FyD、FzD后，將等效受力還原到初始狀態(tài).考慮到支撐腿Ⅰ、Ⅱ的受力情況，以支撐腿Ⅰ、Ⅱ作為研究對象進(jìn)行受力分析，見圖4.支撐腿Ⅰ、Ⅱ受力合成等效為D點(diǎn)受力.由上述條件求得

Fx1=-Fx2，

由于支撐腿Ⅰ、Ⅱ受力類似，我們單獨(dú)研究支撐腿Ⅰ受力狀況，見圖5.

圖4支撐腿Ⅰ、Ⅱ受力分析Fig.4Force analysis of support legs Ⅰ and Ⅱ 圖5支撐腿Ⅰ受力分析Fig.5Force analysis of support leg Ⅰ

支撐腿Ⅰ處于受力平衡狀態(tài)，將D1點(diǎn)球鉸所受各力分別向平行于支撐腿底端鉸鏈銷軸軸線方向(記為R)和支撐腿轉(zhuǎn)動方向(記為S)投影.設(shè)銷軸對支撐腿反扭矩為MS1.對D1點(diǎn)列平衡方程：

∑FS=0，F(xiàn)y1sin60°-Fx1cos60°=0

(13)

∑MS=0， (Fy1cos60°+Fx1sin60°)a-MS1=0

(14)

聯(lián)立式(13)、(14)得

MS=MS1=2Fy1a，

式中：MS為支撐腿Ⅰ對銷軸軸線方向產(chǎn)生的扭矩.

3 三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

表取月壤箱整體尺寸為3.39 m×3.89 m，采取3個矩形單元月壤箱體與1個五邊形單元月壤箱體拼接.模擬月壤箱整體最大裝載月壤總量為2 m3，質(zhì)量約1 599 kg(密度為0.8 g/cm3).設(shè)計(jì)一個蓋板將靠近探測器模擬件的月壤箱覆蓋，再在上邊安放一個小操作平臺(平臺臺面尺寸為1.6 m×0.9 m).

姿態(tài)角度調(diào)整裝置由固定支座、鉸接支座、萬向節(jié)、半剪叉式連桿和電動升降機(jī)等組成，見圖6.三腿支撐方案采用3個電動升降機(jī)支撐，結(jié)構(gòu)由動平臺和固定平臺及連接動平臺和固定平臺的3條運(yùn)動支鏈組成.其中，3條運(yùn)動支鏈的結(jié)構(gòu)相同，每條運(yùn)動支鏈由十字萬向節(jié)、移動副和鉸鏈組成，萬向節(jié)的軸線垂直于移動副軸線及鉸鏈軸線.當(dāng)機(jī)構(gòu)在原動件驅(qū)動下運(yùn)動時，其動平臺繞某一固定點(diǎn)作圓周轉(zhuǎn)動.三支點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，并且各運(yùn)動支鏈的結(jié)構(gòu)對稱.

1.調(diào)整平臺；2.月壤箱；3.月壤箱托架；4.姿態(tài)角度調(diào)整機(jī)構(gòu).圖6 表采模擬月壤箱姿態(tài)調(diào)整裝置Fig.6 Attitude adjustment device of lunar soil box for surface mining simulation

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

表采模擬月壤箱姿態(tài)調(diào)整控制系統(tǒng)主要由控制器、電機(jī)驅(qū)動、角度傳感器、電機(jī)、狀態(tài)顯示及遙控器等組成，箱體內(nèi)盛裝模擬月壤.姿態(tài)角度調(diào)整由3臺電動升降機(jī)及其他機(jī)構(gòu)構(gòu)成.3臺電動升降機(jī)采用周向120°分布，組成一個姿態(tài)調(diào)整平面，分別通過調(diào)整電動升降機(jī)升降高度實(shí)現(xiàn)平面的俯仰和側(cè)傾姿態(tài)調(diào)節(jié)，模擬月面坡度.

表采模擬月壤箱姿態(tài)調(diào)整控制系統(tǒng)通過控制箱發(fā)出指令，可完成3臺電動升降機(jī)上升、下降運(yùn)動控制，實(shí)現(xiàn)箱體的俯仰、側(cè)傾調(diào)整.表采模擬月壤箱姿態(tài)調(diào)整裝置核心控制器采用性能及運(yùn)算處理能力高的16位微處理器，通過電與氣相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制.微控制器負(fù)責(zé)接收表采箱檢測傳感器檢測到的箱體角度狀態(tài)，依據(jù)此信息判斷箱體狀態(tài)，發(fā)出控制指令，控制電路進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)動作.控制操作既可通過控制面板實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，也可由手持終端控制器進(jìn)行遙控操作；運(yùn)行過程姿態(tài)角度及運(yùn)行狀態(tài)顯示于界面中，既可人為控制確定，也可通過設(shè)定完成控制.為了保證運(yùn)行的可靠性，對3臺電動升降機(jī)的驅(qū)動電路進(jìn)行安全隔離設(shè)計(jì)；控制器留有安全可靠的備用通信接口，可增加其他手持操作器進(jìn)行遙控操作；控制系統(tǒng)還具有異常運(yùn)行報(bào)警及保護(hù)等功能.控制器系統(tǒng)見圖7.

在表采模擬月壤箱姿態(tài)角度調(diào)整過程中，通過設(shè)定控制器期望角度參數(shù)，控制3臺電動缸，驅(qū)動電動缸運(yùn)動，調(diào)整月壤箱姿態(tài)角；通過三維角度傳感器進(jìn)行實(shí)時檢測，送入表采模擬月壤箱姿態(tài)角度調(diào)整控制器，形成閉環(huán)控制，使控制更加精確.控制原理結(jié)構(gòu)見圖8.

圖7表采模擬月壤箱姿態(tài)調(diào)整控制器系統(tǒng)Fig.7System of attitude adjustment controller for lunar soil box 圖8表采模擬月壤箱姿態(tài)角度調(diào)整原理Fig.8Principal of attitude angle adjustment of simulated lunar soil box

5 小 結(jié)

本研究在調(diào)研原有平臺姿態(tài)調(diào)整方法、原理的基礎(chǔ)上，分析表采模擬月壤箱姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律，從方案設(shè)計(jì)、理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)等多方面對裝置開展研究.本文設(shè)計(jì)了表采模擬月壤箱姿態(tài)調(diào)整裝置，考慮穩(wěn)定性及可靠性，采用半剪叉式連桿電動升降姿態(tài)調(diào)整結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了理論分析；根據(jù)要求設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，完成了實(shí)物搭建，并已應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中.表采模擬月壤箱姿態(tài)調(diào)整裝置完整地模擬了探測器在不同著陸姿態(tài)下的表取采樣姿態(tài)，對于保證表取采樣的穩(wěn)定性與安全性具有重要意義，為月壤箱姿態(tài)調(diào)整提供了有效的研究數(shù)據(jù).三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動力性能對整個系統(tǒng)具有重要影響，其承載力與結(jié)構(gòu)復(fù)雜性仍是未來研究的重點(diǎn).