基于機(jī)械臂的月壤挖掘采樣及力學(xué)參數(shù)辨識(shí)的研究.pdf

1、對(duì)未知領(lǐng)域的認(rèn)知，對(duì)茫茫宇宙的探索，是人類發(fā)展的永恒動(dòng)力，是人類的不懈追求。美國(guó)、前蘇聯(lián)、俄羅斯等均對(duì)地外星體進(jìn)行過(guò)探測(cè)和采樣分析。作為新晉崛起的航天大國(guó)——中國(guó)，目前也規(guī)劃的“繞”、“落”、“回”三個(gè)階段的月球探測(cè)計(jì)劃。而在探測(cè)過(guò)程中，節(jié)能和對(duì)月球土壤（月壤）參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)則是兩大焦點(diǎn)問(wèn)題。本文在探月三期計(jì)劃中的“表取采樣機(jī)構(gòu)月壤參數(shù)反演”項(xiàng)目支持下，旨在研制出一套適用于月球探測(cè)、采樣返回的機(jī)械臂末端采樣器，并且研究出一套能夠可靠實(shí)現(xiàn)的

2、月壤參數(shù)辨識(shí)的方法，同時(shí)依據(jù)辨識(shí)結(jié)果指導(dǎo)最優(yōu)挖掘軌跡的制定，進(jìn)而達(dá)到減少能耗的目的。
　　考慮到月球表面采樣環(huán)境的不確定性及低重力環(huán)境下月壤顆粒運(yùn)動(dòng)的不可知性，本文圍繞著低重力環(huán)境下月壤顆粒的流動(dòng)性，運(yùn)用顆粒物質(zhì)力學(xué)軟件 EDEM進(jìn)行仿真分析，獲得了月壤內(nèi)摩擦角及月壤與工具間的摩擦角對(duì)其流動(dòng)性的影響規(guī)律，同時(shí)得到了低重力環(huán)境下采樣器敲擊機(jī)構(gòu)的最優(yōu)激振頻率及方向。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面應(yīng)用仿生學(xué)設(shè)計(jì)原理，以減阻為目標(biāo)對(duì)末端采樣器挖掘鏟的鏟形

3、進(jìn)行優(yōu)選設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上研制出一種集采樣、激振、貯存、鎖定等功能于一體的月壤采樣器。
　　本文以月壤—鏟斗的土力學(xué)作為理論分析基礎(chǔ)，對(duì)月壤發(fā)生剪切強(qiáng)度失效的判定方法、擋土墻的壓力分布以及土層極限平衡的受力狀況進(jìn)行了深入的分析，并對(duì)理想狀態(tài)下的土層發(fā)生剪切滑移進(jìn)行了定量分析，確定了主動(dòng)、被動(dòng)土壓力作用下的滑移面形態(tài)與位置，以此為基礎(chǔ)建立了月壤—鏟斗挖掘力模型；由于本文中采用仿生學(xué)設(shè)計(jì)的鏟體為曲面構(gòu)型，與常用的平面型鏟體不同，本文提出

4、一種基于微元法的隔離體極限平衡受力分析方法，通過(guò)對(duì)微元模型的二維受力分析分別建立了主動(dòng)、被動(dòng)土壓狀態(tài)下的土壓力合力計(jì)算模型，進(jìn)而獲得鏟斗的挖掘力峰值與月壤參數(shù)的函數(shù)關(guān)系；通過(guò)整合月壤—鏟斗土力學(xué)研究成果，提出一種基于 Newton加速迭代算法的月壤參數(shù)辨識(shí)算法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)月壤重度（或密度）、土層內(nèi)摩擦角及鏟斗—土層摩擦角的參數(shù)辨識(shí)。
　　本文建立了包含挖掘速率效應(yīng)、鏟斗邊緣效應(yīng)以及鏟斗形態(tài)效應(yīng)的挖掘阻力數(shù)學(xué)模型，并對(duì)關(guān)鍵的挖掘參數(shù)進(jìn)

5、行了定量分析，分別獲得了挖掘角度、挖掘速率對(duì)挖掘阻力的影響規(guī)律。同時(shí)對(duì)挖掘過(guò)程中入鏟、挖掘和裝載三個(gè)階段進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上借鑒分層優(yōu)化的思想提出了外層以挖掘能耗為指標(biāo)的鏟斗末端挖掘路徑優(yōu)化、內(nèi)層以鏟斗挖掘合外力為指標(biāo)的挖掘角度優(yōu)化的雙層優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行求解。進(jìn)而，以挖掘過(guò)程中的系統(tǒng)挖掘時(shí)間、能耗為綜合考量指標(biāo)建立了目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)變量轉(zhuǎn)化將連續(xù)型非線性優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的離散型凸優(yōu)化問(wèn)題并加以求解，最終獲得了基于時(shí)間—能