第一章 緒 論

1.1 研究的背景和意義
火星作為太陽(yáng)系中與地球最為相似的星球，一直是深空探測(cè)的重點(diǎn)�；鹦巧鲜欠翊嬖谒⑸问揭约澳芊窠�(jīng)過(guò)改造成為人類(lèi)的“第二家園”，一直不斷激勵(lì)著人類(lèi)開(kāi)展火星探測(cè)。自 20 世紀(jì) 60 年代以來(lái)，人類(lèi)共發(fā)射了 40 顆火星探測(cè)器，獲得了大量的關(guān)于火星整體形態(tài)、大氣成分結(jié)構(gòu)、地表地貌等數(shù)據(jù)，極大的豐富了人類(lèi)對(duì)于火星的認(rèn)識(shí)[1]。同時(shí)，在今后的深空探測(cè)活動(dòng)中，，火星探測(cè)將是各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)，2015 年至 2035 年間，各國(guó)規(guī)劃進(jìn)行的火星探測(cè)活動(dòng)多達(dá) 8 次，且今后 20~30 年的火星表面探測(cè)任務(wù)將側(cè)重于表面環(huán)境（包括土壤組成成分等）及近表面環(huán)境的探測(cè)[1,2]。至今，美國(guó)、俄羅斯、印度、日本等都發(fā)射了各自相關(guān)的火星探測(cè)器。因火星與地球距離遠(yuǎn)，對(duì)遙測(cè)、自主導(dǎo)航、自主控制、運(yùn)載火箭動(dòng)力等都要求較高，長(zhǎng)期以來(lái)均采用無(wú)人探測(cè)方式。我國(guó)在 2011 年曾借助俄羅斯“福布斯－土壤號(hào)” 搭載“螢火一號(hào)”火星探測(cè)器，后因變軌失敗而失敗。表層土壤取樣分析能夠直接揭示火星土壤是否含有水、有機(jī)質(zhì)甚至生命形式等關(guān)鍵信息，在目前成功的火星探測(cè)器中，“鳳凰號(hào)”（Phoenix）、“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”（Mars Science Laboratory）得到了應(yīng)用�；鹦堑乇硇螒B(tài)復(fù)雜，且在土層中可能含有凍土、石塊[3]。這種條件使得采樣過(guò)程中采樣阻力變化不均勻，這對(duì)于著陸器\巡視器能量消耗及工作穩(wěn)定性都產(chǎn)生重要的影響。因此，設(shè)計(jì)采樣阻力小、工作穩(wěn)定的采樣鏟對(duì)于地外星球采樣具有重要意義。在自然界中，許多穴居動(dòng)物在長(zhǎng)期的自然進(jìn)化過(guò)程中，形成了具有優(yōu)良減磨減阻力學(xué)特性的爪趾結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)便于長(zhǎng)期的穴居生活。生活在青藏高原的大型穴居地棲型嚙齒類(lèi)動(dòng)物喜馬拉雅旱獺，適應(yīng)高原地區(qū)特有的氣候、土壤條件，具有非常強(qiáng)的掘土本領(lǐng)。旱獺主洞至洞口的道洞約有 2m，個(gè)別達(dá)到 5m長(zhǎng)，而且旱獺洞穴分為冬季洞、夏季洞、臨時(shí)洞等不同功能的洞穴，洞穴結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜[4,5]。喜馬拉雅旱獺這種掘洞能力對(duì)草原生態(tài)造成一定的影響。喜馬拉雅旱獺爪趾作為掘土運(yùn)動(dòng)的直接執(zhí)行部位，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)于掘土性能有直接的影響。
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1.2 表取采樣器研究現(xiàn)狀
探測(cè)器采用的表取采樣方式主要為挖取和鏟取采樣。國(guó)外進(jìn)行深空地外星球探測(cè)起步早，對(duì)于采樣裝置研制取得豐富的研究成果、并且多次得到實(shí)際的應(yīng)用，主要分為月面表取采樣器與火星表取采樣器兩類(lèi)。表取采樣鏟是最先隨著月球探測(cè)展開(kāi)的。1967 年 4 月發(fā)射的 Surveyor 3 著陸器是美國(guó)第一個(gè)裝有月表取樣設(shè)備的探測(cè)器，Surveyor3 著陸器攜帶的挖斗型采樣鏟通過(guò)多桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行鏈接，這種方式能夠節(jié)省運(yùn)輸空間且能夠增大采樣半徑，但此種機(jī)構(gòu)需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)力較大，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性較低，如圖 1.2 所示[6]。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在1975 年發(fā)射 Viking 號(hào)探測(cè)器攜帶的采樣機(jī)構(gòu)在伸縮臂的控制下采樣半徑可以達(dá)到 3m，采樣深度最大可達(dá)到 10cm，每獲取 1cm3的土壤樣品消耗的能量約在4~9kJ 之間，如圖 1.3 所示[7,8]。2003 年歐洲航天局（ESA）將香港理工大學(xué)研制的鉗取式的采樣機(jī)構(gòu)用于小獵犬 2 號(hào)的火星探測(cè)任務(wù)中，該型采樣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，最大采樣深度約為2cm，如圖 1.4 所示[9,10,11]。德國(guó)不來(lái)梅大學(xué)機(jī)器人研究所依據(jù)蜥蜴運(yùn)動(dòng)形式研制出一種仿生月球探測(cè)車(chē)，該探測(cè)車(chē)攜帶一種自動(dòng)采樣鏟，能夠自動(dòng)獲取 120mm3的樣品[12]。但是，該種采樣機(jī)構(gòu)并未在火星探測(cè)活動(dòng)中得到實(shí)際的應(yīng)用。
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第二章 喜馬拉雅旱獺爪趾形貌分析

2.1 引言
喜馬拉雅旱獺（Marmota himalayana Hodgson）具有很強(qiáng)的掘土能力，這種掘土能力是與土壤在長(zhǎng)期的相互作用過(guò)程中逐漸進(jìn)化而來(lái)的。其爪趾作為直接與土壤相互作用部位，具有典型的爪趾結(jié)構(gòu)，因此對(duì)爪趾結(jié)構(gòu)的研究能夠?yàn)榻沂咀χ壕哂休^強(qiáng)掘土能力的原由提供有益的參考。通過(guò)對(duì)獲得的爪趾進(jìn)行宏觀尺寸的測(cè)量以及利用體式顯微鏡、掃描電鏡對(duì)在自然磨損狀態(tài)下的趾表面進(jìn)行觀察，得到爪趾典型的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)及細(xì)觀結(jié)構(gòu)，為研究爪趾/土壤的相互作用機(jī)理、提取爪趾的特征結(jié)構(gòu)曲線提供依據(jù)。
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2.2 爪趾幾何形態(tài)的量化分析
本研究采用的爪趾是在西藏拉薩的居民幫助下獲得的，爪趾從喜馬拉雅旱獺身體剝離后進(jìn)行了風(fēng)干處理。喜馬拉雅旱獺四肢短而粗，前爪 4 趾，后爪 5 趾；前爪掌較小，后爪掌較大。因喜馬拉雅旱獺前爪與后爪主要功能不同。后爪的主要功能是在加速起跑、運(yùn)動(dòng)過(guò)程中提供加速力；在站立過(guò)程中提供對(duì)身體的支撐；以及在掘土過(guò)程中起到輔助刨土的作用。前爪是其主要的掘土工具，因此，選取喜馬拉雅旱獺的前爪作為研究對(duì)象。爪趾宏觀尺寸主要包括爪趾長(zhǎng)度 L（mm）、爪趾厚度 T（mm）和爪趾高度H（mm）。通過(guò)測(cè)量，分析同一爪上的各趾的尺寸變化規(guī)律。由于獲得的旱獺爪趾數(shù)量有限，僅對(duì)獲得的 48 只前爪趾進(jìn)行測(cè)量。爪趾外觀尺寸利用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量，按照各趾在前爪的位置從左至右依次命名為第一趾、第二趾、第三趾、第四趾。各趾在同一爪中的相對(duì)位置如圖 2.1 所示。
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第三章 爪趾點(diǎn)云提取與曲線擬合分析..... 25
3.1 引言 .... 25
3.2 爪趾點(diǎn)云提取 ........ 25
3.3 爪趾特征點(diǎn)云提取 ..... 27
3.4 特征點(diǎn)的數(shù)值擬合 ..... 31
3.5 本章小結(jié) ...... 37
第四章 采樣鏟仿生設(shè)計(jì)與仿真分析.... 39
4.1 引言 .... 39
4.2 爪趾與表取采樣器的相似性 .... 39
4.2.1 功能相似性分析 .... 39
4.2.2 結(jié)構(gòu)相似性分析 .... 39
4.3 采樣鏟挖鏟仿生設(shè)計(jì) ...... 40
4.4 仿真驗(yàn)證分析 ...... 44
4.5 本章小結(jié) ...... 53
第五章 仿生鏟實(shí)驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證試驗(yàn)....... 55
5.1 引言 .... 55
5.2 試驗(yàn)前的準(zhǔn)備 ........ 55
5.3 試驗(yàn)方案及過(guò)程 .... 575
5.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析 ...... 59
5.5 本章小結(jié) ...... 64

第五章 仿生鏟實(shí)驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證試驗(yàn)

5.1 引言
針對(duì)第四章設(shè)計(jì)的仿生采樣鏟，以采樣鏟阻力和扭矩為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在表取采樣實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行鏟取采樣試驗(yàn)，分析采樣鏟與模擬火星壤的相互作用，討論仿生設(shè)計(jì)的有效性。

5.2 試驗(yàn)前的準(zhǔn)備

5.2.1 模擬火星壤的整備
試驗(yàn)中采用吉林大學(xué)研制的模擬火星壤[80]，原料為吉林省輝南縣金川鎮(zhèn)的孤山紅色火山渣，該型模擬火星壤通過(guò)顆粒粒徑控制使其與已知的探測(cè)器著陸點(diǎn)的火星壤力學(xué)參數(shù)接近[81,82,83]。在進(jìn)行仿生驗(yàn)證試驗(yàn)前需對(duì)模擬火星壤力學(xué)特征進(jìn)行測(cè)量。模擬火星壤含水率的測(cè)定。土壤含水率對(duì)于采樣系數(shù)具有重要的影響，正常情況下的模擬火星壤中含水率應(yīng)保證約為 0。因此在土槽中隨機(jī)選取三個(gè)位置 6 次取樣采集土壤。將獲得土壤樣品放置于電熱恒溫干燥箱中，在 110C°下保持加熱 6 個(gè)小時(shí)。測(cè)得的土壤含水率為 0.20%（±0.32%）。

結(jié)論

（1）測(cè)量爪趾的宏觀結(jié)構(gòu)可知，喜馬拉雅旱獺第二趾長(zhǎng)度、厚度、高度相比于其余各趾都大，第四趾相對(duì)比與其余各趾，其長(zhǎng)度、厚度、高度都為最小。結(jié)合喜馬拉雅旱獺挖土習(xí)性，得出前爪第二趾為掘土的主要爪趾。利用體視顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀測(cè)爪趾，得出爪趾表面為不光滑表面，趾兩側(cè)邊緣呈現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)；趾表面有片層狀的剝落痕跡，且趾軸向上呈現(xiàn)明顯的三層分布結(jié)構(gòu)，而且層與層之間的分界十分明顯，趾頂端有羽狀突出物。
（2）通過(guò)三維掃描獲取了喜馬拉雅旱獺前爪第二趾的特征點(diǎn)云，并在逆向工程軟件中對(duì)獲得的爪趾點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、點(diǎn)云光滑處理等，并利用一定間距的平行平面組截取特征點(diǎn)云，分別獲得特征點(diǎn)云，并通過(guò) CAD 軟件，獲得爪趾的相對(duì)應(yīng)部位的特征點(diǎn)云的點(diǎn)云坐標(biāo)。并在 Matlab 中對(duì)特征點(diǎn)云進(jìn)行擬合，得出爪趾擬合特征曲線。對(duì)特征曲線分析可知，距離趾中心越遠(yuǎn)，特征曲線擬合方程越不穩(wěn)定；從曲線曲率分析可知，爪趾內(nèi)外弧曲線曲率呈現(xiàn)雙駝峰變化趨勢(shì)，即出現(xiàn)曲率先增大后平緩，至曲線水平后又彎曲程度有增大的趨勢(shì)。
（3）分析喜馬拉雅旱獺爪趾與表取采樣鏟的相似性，并根據(jù)爪趾擬合特征曲線和爪趾內(nèi)外弧曲線曲率變化規(guī)律給出仿生表取采樣鏟設(shè)計(jì)方法，并依據(jù)火星表取采樣器采用的基本形式，研制了兩類(lèi)基本類(lèi)型的仿生表取采樣器。
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參考文獻(xiàn)（略）