石小斌，段振云，張春光，孫鳳，唐鈞躍，王儲(chǔ)

小型可對(duì)接采樣器容差性設(shè)計(jì)與仿真分析

石小斌1，段振云1，張春光1，孫鳳1，唐鈞躍2，王儲(chǔ)3

（1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110021；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.航天五院，北京 100094）

針對(duì)深空探測(cè)領(lǐng)域中微量采樣的要求，設(shè)計(jì)了一種多功能小型可分離和對(duì)接機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)主要由主動(dòng)端和被動(dòng)采樣端組成，主動(dòng)端換向軸的花鍵設(shè)計(jì)可在一定范圍內(nèi)通過滾動(dòng)角度調(diào)整實(shí)現(xiàn)容差對(duì)接，最終通過波珠螺絲與鍵和采樣接口鎖緊，被動(dòng)采樣端渦盤和卡爪可實(shí)現(xiàn)采樣前將整個(gè)采樣結(jié)構(gòu)提出和空管后回收鎖緊的功能。動(dòng)力學(xué)仿真表明，主動(dòng)端結(jié)構(gòu)能在最大位姿容差條件下實(shí)現(xiàn)與被動(dòng)采樣端的對(duì)接，且摩擦系數(shù)是影響對(duì)接效率的主要因素之一，主動(dòng)端的碰撞過程接觸力為弱碰撞對(duì)接，并得到不同位姿偏差對(duì)主動(dòng)端接觸力的影響。

自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)；采樣器；容差性；接觸碰撞

目前，人類對(duì)航天的探索目標(biāo)已經(jīng)不局限于近地行星，而發(fā)展到了深空領(lǐng)域，其中無(wú)論是在軌衛(wèi)星還是大型空間站的建立，都與對(duì)接機(jī)構(gòu)息息相關(guān)。在深空探測(cè)對(duì)接機(jī)構(gòu)的發(fā)展過程中，桿錐式機(jī)構(gòu)是最早應(yīng)用于航天領(lǐng)域的機(jī)構(gòu)[1]，其在早期登月計(jì)劃中發(fā)揮了重大作用。歐洲各國(guó)的航天部門也進(jìn)行了一系列在軌對(duì)接服務(wù)項(xiàng)目，如ROGER、ROTEX、TECS-AS[2-5]等，早期日本研究了ETS-VII末端執(zhí)行對(duì)接機(jī)構(gòu)ERA和ARH[6-8]，此類對(duì)接機(jī)構(gòu)是世界上首批出現(xiàn)的擁有自主對(duì)接功能的機(jī)構(gòu)。早期的航天對(duì)接機(jī)構(gòu)主要指大型航天器在軌對(duì)接，但隨著人類向深空領(lǐng)域探索以及對(duì)對(duì)接機(jī)構(gòu)的壽命要求越來(lái)越長(zhǎng)[9]，需要一種小型便攜多功能的微量采樣機(jī)構(gòu)對(duì)月球以及一些小天體行星進(jìn)行地表深層取樣研究，其主要優(yōu)勢(shì)是通過機(jī)械臂進(jìn)行自動(dòng)對(duì)接，且能多次重復(fù)采樣使用，即在完成工作需求的同時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣部分結(jié)構(gòu)的回收，可避免人類采樣器對(duì)天體地表的金屬污染，在保證對(duì)接可靠性的基礎(chǔ)上還能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的壽命要求[10-11]。國(guó)內(nèi)的馬如奇等[12]設(shè)計(jì)了一款小型三爪型無(wú)人對(duì)接機(jī)構(gòu)，其姿態(tài)容差性最小可達(dá)到4°，橫向位移達(dá)到50 mm。王添民[13]設(shè)計(jì)了一款柔性桿式對(duì)接機(jī)構(gòu)，位移偏差容差性達(dá)到300 mm，姿態(tài)角容差性達(dá)到9°，這些對(duì)接機(jī)構(gòu)容差設(shè)計(jì)偏差精度過大，無(wú)法適用于小型對(duì)接機(jī)構(gòu)，所以針對(duì)提高對(duì)接容差性精度的研究顯得尤為重要。

本文為嫦娥探月某期工程實(shí)現(xiàn)八年采樣的要求，設(shè)計(jì)一種小型可適應(yīng)容差能力的高精度對(duì)接機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要通過驅(qū)動(dòng)軸與接頭傳遞動(dòng)力，換向軸上的六個(gè)波珠螺絲與采樣管接口凹槽鎖緊。根據(jù)任務(wù)要求，用雙面渦盤和卡爪實(shí)現(xiàn)被動(dòng)采樣單元提出與回收鎖緊的連接與分離過程，實(shí)現(xiàn)鉆采分離與對(duì)接一體化。

1 對(duì)接機(jī)構(gòu)容差性設(shè)計(jì)

1.1 對(duì)接口

該自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)包括主動(dòng)對(duì)接端的鎖緊和驅(qū)動(dòng)軸接口容差設(shè)計(jì)，被動(dòng)端的采樣接口和接頭。采樣接口左端面設(shè)計(jì)成喇叭口，以適應(yīng)徑向偏差5 mm以及姿態(tài)角4°時(shí)的容差能力。主動(dòng)端換向軸上安裝六個(gè)波珠螺絲實(shí)現(xiàn)鎖緊的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸和接頭也完成對(duì)接，可實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)的動(dòng)力傳遞，其中驅(qū)動(dòng)軸的右端面與接頭對(duì)接配合處設(shè)計(jì)成錐口形狀，在主動(dòng)端結(jié)構(gòu)換向軸先與采樣接口完成位姿容差調(diào)整后，被動(dòng)端的接頭利用其端面的錐形結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)軸完成導(dǎo)向?qū)?，并且四個(gè)平面的配合在驅(qū)動(dòng)組件發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能將驅(qū)動(dòng)軸的動(dòng)力由接頭傳遞給整個(gè)被動(dòng)采樣結(jié)構(gòu)。主被動(dòng)端對(duì)接口的設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.2 主動(dòng)機(jī)構(gòu)接口容差

如圖2所示，主動(dòng)端的設(shè)計(jì)由三部分組成：掘進(jìn)鉆、驅(qū)動(dòng)組件和主動(dòng)端換向軸。

圖1 深空對(duì)接結(jié)構(gòu)

如圖3所示，換向軸圓周上均布6個(gè)波珠螺絲和花鍵，波珠螺絲和花鍵與被動(dòng)機(jī)構(gòu)采樣接口上的圓形凹槽和內(nèi)圓周上分布的六個(gè)鍵配合，使得換向軸能利用棘輪棘爪單向轉(zhuǎn)動(dòng)原理帶動(dòng)采樣接口進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，并將動(dòng)力傳遞給被動(dòng)采樣單元。如圖4所示，兩個(gè)花鍵中心軸線的夾角為60°，采樣接口上的鍵寬為10°，兩個(gè)鍵產(chǎn)生偏差時(shí)采樣接口上的鍵寬中心到換向軸上的花鍵邊緣剛好能實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)對(duì)接的角度為55°，此時(shí)兩個(gè)花鍵能使采樣接口上的鍵對(duì)接成功的角度為45°，所以其滾動(dòng)容差角度為±22.5°，均布六個(gè)花鍵為270°，具體參數(shù)如表1所示。因此，在一個(gè)圓周上換向軸沿軸向最多旋轉(zhuǎn)兩個(gè)滾動(dòng)角，便可實(shí)現(xiàn)無(wú)視覺下的容差性對(duì)接。

1.3 被動(dòng)采樣端

被動(dòng)端的整體結(jié)構(gòu)如圖5所示，法蘭和末端支撐對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)起固定和兩端支撐作用，同時(shí)將驅(qū)動(dòng)螺桿定位在采樣管內(nèi)，接頭與螺桿采用頂絲固定，可使驅(qū)動(dòng)軸傳遞到被動(dòng)端的動(dòng)力帶動(dòng)螺桿使推進(jìn)螺母將吸納片推出。采樣管導(dǎo)向槽對(duì)推進(jìn)螺母與吸納片進(jìn)行導(dǎo)向，吸納片外徑上的導(dǎo)向與采樣管圓周內(nèi)壁分布的導(dǎo)向槽配合進(jìn)行滑動(dòng)，內(nèi)徑與螺桿進(jìn)行間隙配合且無(wú)螺紋，由螺桿驅(qū)動(dòng)推進(jìn)螺母推動(dòng)吸納片實(shí)現(xiàn)送樣。驅(qū)動(dòng)螺桿末端安裝密封柱，采用左旋螺紋，防止采樣時(shí)月壤進(jìn)入采樣管內(nèi)影響推出。在飛行、著陸階段，機(jī)械臂末端不裝有采樣機(jī)構(gòu)，待開始采樣時(shí)，機(jī)械臂帶動(dòng)主動(dòng)端整體結(jié)構(gòu)與微量采樣單元對(duì)接，電機(jī)正轉(zhuǎn)，提出采樣管、鉆進(jìn)、采樣，電機(jī)反轉(zhuǎn)，進(jìn)行送樣。

表1 對(duì)接機(jī)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)

圖2 主動(dòng)端整體結(jié)構(gòu)

圖3 換向軸容差設(shè)計(jì)

圖4 換向軸二維平面圖

圖5 微量采樣結(jié)構(gòu)

渦盤和卡爪如圖6所示，渦盤內(nèi)徑的八個(gè)平鍵與采樣接口外徑進(jìn)行固定配合，使得提管時(shí)二者能一起轉(zhuǎn)動(dòng)。渦盤兩面分別有四個(gè)卡爪，每個(gè)卡爪上有三個(gè)小爪與渦盤兩面螺旋槽配合可進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)雙面渦盤旋轉(zhuǎn)，雙面渦盤兩面旋向相反。渦盤和卡爪的作用是當(dāng)采樣器未工作時(shí)實(shí)現(xiàn)采樣管及其內(nèi)部組件的鎖緊，當(dāng)開始工作時(shí)將采樣管及其內(nèi)部組件整體提出，當(dāng)吸納片消耗完之后將采樣管放回原位并進(jìn)行鎖緊。

圖6 渦盤和卡爪模型

渦盤和卡爪的工作原理為：當(dāng)渦盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，左側(cè)卡爪沿渦盤螺旋槽外沿向渦盤內(nèi)沿移動(dòng)，右側(cè)卡爪沿渦盤螺旋槽內(nèi)沿向外沿移動(dòng)（初始狀態(tài)）；渦盤轉(zhuǎn)動(dòng)在180°～270°范圍內(nèi)時(shí)可保證左右兩側(cè)卡爪的底端在同一平面上，此時(shí)渦盤和卡爪對(duì)采樣接口解鎖，并進(jìn)行提管動(dòng)作；當(dāng)渦盤旋轉(zhuǎn)超過270°時(shí)左側(cè)卡爪繼續(xù)向渦盤螺旋槽內(nèi)沿移動(dòng)，右側(cè)卡爪繼續(xù)向渦盤螺旋槽外沿移動(dòng)。利用兩側(cè)卡爪的行程差，實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣管的提出與回收鎖緊。

2 自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)對(duì)接過程仿真分析

2.1 容差性

為了驗(yàn)證自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)在不同位置和姿態(tài)角偏差下的對(duì)接性能，以及容差性能是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS對(duì)自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)的容差性能進(jìn)行仿真，容差條件按照表1中偏轉(zhuǎn)角、滾動(dòng)角、擺動(dòng)角參數(shù)的最大值設(shè)定，并給定一個(gè)沿著采樣接口方向15 N的軸向力，得到主動(dòng)端換向軸質(zhì)心在最大位姿偏差下三個(gè)方向質(zhì)心位移隨時(shí)間變化曲線，如圖7所示。

圖7 換向軸質(zhì)心位移變化曲線

由圖7可以看出，和方向上，在0.14 s時(shí)完成位姿偏差調(diào)整，此時(shí)位置為-2.35 mm和-30.15 mm，方向上，0.025 s時(shí)主動(dòng)端和采樣接口開始接觸，在0.025～0.14 s期間利用滾動(dòng)角進(jìn)行鍵位置調(diào)整，0.14 s時(shí)兩鍵開始配合連接，在0.25 s完成主被動(dòng)端波珠螺絲鋼球與采樣接口內(nèi)壁凹槽鎖緊，此時(shí)的位置為206 mm。三個(gè)方向在不同位姿下最后質(zhì)心位移趨于一致，說明對(duì)接完成。同時(shí)可以看出，從開始接觸到利用滾動(dòng)角進(jìn)行鍵位置調(diào)整完成連接的時(shí)間占總體仿真時(shí)間的46%，對(duì)接過程誤差調(diào)整時(shí)間過長(zhǎng)，使得對(duì)接效率低下。

進(jìn)一步分析誤差調(diào)整時(shí)間過長(zhǎng)的原因。以上述軸對(duì)接時(shí)長(zhǎng)作為研究對(duì)象，其他條件不變的情況下僅改變對(duì)接時(shí)主動(dòng)端換向軸和采樣接口接觸時(shí)的摩擦系數(shù)，得到不同摩擦系數(shù)下方向?qū)舆^程質(zhì)心位移曲線，如圖8所示。

圖8 不同摩擦系數(shù)下對(duì)接位移曲線

由圖8可以看出，0.025 s主被動(dòng)端開始接觸，0.25 s對(duì)接結(jié)束，在摩擦系數(shù)分別取0.1、0.2、0.3時(shí)，鍵開始連接的時(shí)間分別為0.09 s、0.12 s、0.14 s，即摩擦系數(shù)越大，鍵開始連接的時(shí)間越晚，其占仿真總時(shí)間分別為26%、38%、46%，說明摩擦系數(shù)是影響對(duì)接過程中對(duì)接誤差調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)短的主要因素之一?？赏ㄟ^減小換向軸外表面和采樣接口內(nèi)表面的粗糙度來(lái)減少對(duì)接時(shí)的摩擦過大問題，提高對(duì)接效率。

2.2 對(duì)接過程力學(xué)特性

由容差性分析可知，在最大位置偏差時(shí)不同姿態(tài)角下主被動(dòng)端結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)對(duì)接，表明對(duì)接機(jī)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。為了研究機(jī)構(gòu)對(duì)接時(shí)的碰撞力，對(duì)驅(qū)動(dòng)軸的受力過程進(jìn)行分析。如圖9所示，對(duì)接過程主要分為三個(gè)階段：

（1）穩(wěn)定靠近階段：在0～0.017 s主動(dòng)機(jī)構(gòu)以勻速靠近，被動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)靜止，兩機(jī)構(gòu)間接觸力為0。

（2）調(diào)整階段：0.017～0.23 s換向軸接觸到采樣接口，且波珠螺絲鋼球受壓，內(nèi)部彈簧開始?jí)嚎s使鋼球與采樣接口產(chǎn)生激蕩的接觸力，0.25 s鋼球到達(dá)采樣接口凹槽完成鎖緊，半個(gè)圓周上三個(gè)鋼球的接觸力基本趨近于5 N，0.11～0.14 s驅(qū)動(dòng)軸與接頭產(chǎn)生接觸，最大受力20 N，如圖10所示。

（3）穩(wěn)定連接階段：0.23 s以后，在受碰撞位姿調(diào)整完成后以勻速進(jìn)行滑動(dòng)，此時(shí)鋼球受力基本穩(wěn)定，并且主動(dòng)端換向軸受力為0，直到主動(dòng)端結(jié)構(gòu)與被動(dòng)端對(duì)接完成。

圖9 最大位姿偏差下鋼球接觸力變化曲線

圖10 徑向偏差5 mm姿態(tài)角4°驅(qū)動(dòng)軸接觸力曲線

為了探究不同位姿偏差對(duì)主動(dòng)端對(duì)接接觸力的影響，統(tǒng)計(jì)對(duì)接過程中最大位置偏差下不同姿態(tài)角的變化在三個(gè)方向受碰撞接觸力的峰值，如表2所示。其中，F為軸向碰撞接觸力，F為F和F的合力，為徑向碰撞接觸力，可得到軸向接觸力和徑向接觸力隨位姿變化的趨勢(shì)如圖11所示。

表2 主動(dòng)端受力峰值

由圖11可以看出，主動(dòng)端的驅(qū)動(dòng)軸與接頭從發(fā)生接觸到對(duì)接完成的過程中，在最大偏差5 mm時(shí)，隨著姿態(tài)角的增大，軸向接觸力逐漸增大；姿態(tài)角在2°之內(nèi)與徑向接觸力呈正相關(guān)，在2°～4°之間與徑向接觸力呈負(fù)相關(guān)。圖11表明，并不是位姿偏差越大徑向力越大。

圖11 最大位置偏差時(shí)不同姿態(tài)角的接觸力

3 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了一款鉆－采－送多功能一體的小型自動(dòng)對(duì)接采樣器，可實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)端的結(jié)構(gòu)分離，在工作狀態(tài)時(shí)可實(shí)現(xiàn)一定的容差性對(duì)接，設(shè)計(jì)的渦盤和卡爪的鎖緊結(jié)構(gòu)，可將對(duì)接后被動(dòng)端的采樣管整體提出，并可對(duì)空采樣管進(jìn)行回收鎖緊。

（2）仿真驗(yàn)證該對(duì)接機(jī)構(gòu)徑向位置容差能力達(dá)到5 mm，三個(gè)方向的姿態(tài)角容差能力為：偏轉(zhuǎn)角和擺動(dòng)角的最大容差能力為4°，最小容差能力為1°，滾動(dòng)角容差能力為±22.5°，滿足設(shè)計(jì)容差性指標(biāo)要求。摩擦系數(shù)是影響對(duì)接效率的主要因素之一。

（3）分析對(duì)接過程機(jī)構(gòu)受力特性可以看出，鋼球鎖緊力滿足30 N的設(shè)計(jì)需求，對(duì)不同位姿偏差下機(jī)構(gòu)受力大小的研究發(fā)現(xiàn)，在容差范圍內(nèi)該對(duì)接機(jī)構(gòu)為弱碰撞對(duì)接，有效避免了剛性對(duì)接過程中碰撞力過大的現(xiàn)象，使整個(gè)機(jī)構(gòu)具有較好的重復(fù)使用性。

[1]Zhu Ren zhang，Wang Hong fang，Xiao Qing，et al. Study of Soviet/Russian rendezvous and docking techniques[J]. Spacecraft Engineering，2011，20（6）：16-31.

[2]Putz P. Space robotics in Europe: a survey[J]. Robotics and Autonomous Systems，1998，23（1-2）：3-16.

[3]Visentin G，Brown D L. Robotics for geostationary satellite servicing [J]. Robotics and Autonomous Systems，1998，23（1-2）：45-51.

[4]Boumans R，Heemskerk C. European robotic arm for the international space station [J]. Robotics and Autonomous Systems，1998，23（1-2）：17-27.

[5]Kassebom M，Koebel D，Tobehn C，et al. Roger An advanced solution for a geostationary service satellite[C]. Bremen, Germany：54thInternational Astronautical Congress of the International Astronautical Federation (IAF)，2003：10-37-1046.

[6]Zhu Renzhang，Wang Hongfang，Xu Yujie. Study on the classification of rendezvous trajectories of spacecraft[J]. Manned Spaceflight，2012，20（5）：8-17.

[7]Inaba N，Oda M. Autonomous satellite capture by a space robot：world first on-orbit experiment on a Japanese robot satellite ETS-VII[C]. IEEE International Conference on Robotics and Automation: IEEE，2000：1169-1174.

[8]Oda M. Experiences and lessons learned from the ETS-VII robot satellite[C]. IEEE International Conference on Robotics & Automation: IEEE，2000：914-919.

[9]Nicolas Lelièvre，P Beaurepaire，C Mattrand，et al. AK-MCSi：A Kriging-based method to deal with small failure probabilities and time-consuming models[J]. Structural Safety，2018（73）：1-11.

[10]Wang Jian，Z Sun，Y Qiang，et al. Two accuracy measures of the Kriging model for structural reliability analysis[J]. Reliability Engineering and System Safety，2017（167）：494-505.

[11]Gaspar B，Teixeir A P，Guedes S C. Adaptive surrogate model with active refinement comb-ining Kriging and a trust region method[J]. Re-liability Engineering and System Safety，2017（165）：277-291.

[12]馬如奇，高翔宇，姜水清，等. 小型空間對(duì)接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析[J]. 載人航天，2019，25（6）：783-788.

[13]王添民. 柔性桿式對(duì)接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2020.

Tolerance Design and Simulation Analysis of Small Dockable Sampler

SHI Xiaobin1，DUAN Zhenyun1，ZHANG Chunguang1，SUN Feng1，TANG Junyue2，WANG Chu3

( 1.School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110021, China; 2.School of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150006, China; 3.China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China )

In order to meet the requirements of micro sampling in the field of deep space exploration, a multi-functional small separable and docking mechanism is designed, which is mainly composed of active end and passive sampling end. The spline design of the reversing shaft at the active end can realize tolerance docking by adjusting the rolling angle within a certain range, and finally locking through the bead screw, key and sampling interface. The vortex disk and claw at the passive sampling end can realize the function of putting forward the whole sampling structure before sampling and recovering and locking when the tube is empty. The dynamic simulation shows that the active end structure can realize the docking with the passive sampling end under the condition of maximum pose tolerance. Friction coefficient is one of the main factors affecting the docking efficiency, and the collision process of the active end has a weak contact force for collision docking. The influence of different pose deviation on the contact force of the active end is obtained.

automatic docking mechanism；sampler；tolerance；contact collision

V526

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.10.001

1006-0316 (2023) 10-0001-06

2023-01-12

國(guó)家自然科學(xué)基金（52005345，52005344）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020YFC2006701）；遼寧省教育廳項(xiàng)目（LFGD2020002）；遼寧省“興遼英才計(jì)劃”項(xiàng)目（XLYC1905003）；中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2020JH6/10500048）

石小斌（1996－），男，陜西商洛人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)，E-mail：15109141236@163.com；

段振云（1971－），男，遼寧沈陽(yáng)人，博士研究生，教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榫芗庸づc測(cè)量技術(shù)，E-mail：13604045543@139.com。