第一章 緒 論

1.1 研究的背景和意義
火星作為太陽系中與地球最為相似的星球，一直是深空探測的重點�；鹦巧鲜欠翊嬖谒�、生命形式以及能否經(jīng)過改造成為人類的“第二家園”，一直不斷激勵著人類開展火星探測。自 20 世紀(jì) 60 年代以來，人類共發(fā)射了 40 顆火星探測器，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)，極大的豐富了人類對于火星的認(rèn)識[1]。同時，在今后的深空探測活動中，，火星探測將是各國競爭的制高點，2015 年至 2035 年間，各國規(guī)劃進(jìn)行的火星探測活動多達(dá) 8 次，且今后 20~30 年的火星表面探測任務(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[1,2]。至今，美國、俄羅斯、印度、日本等都發(fā)射了各自相關(guān)的火星探測器。因火星與地球距離遠(yuǎn)，對遙測、自主導(dǎo)航、自主控制、運載火箭動力等都要求較高，長期以來均采用無人探測方式。我國在 2011 年曾借助俄羅斯“福布斯－土壤號” 搭載“螢火一號”火星探測器，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器中，“鳳凰號”（Phoenix）、“火星科學(xué)實驗室”（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程中采樣阻力變化不均勻，這對于著陸器\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)計采樣阻力小、工作穩(wěn)定的采樣鏟對于地外星球采樣具有重要意義。在自然界中，許多穴居動物在長期的自然進(jìn)化過程中，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)便于長期的穴居生活。生活在青藏高原的大型穴居地棲型嚙齒類動物喜馬拉雅旱獺，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，個別達(dá)到 5m長，而且旱獺洞穴分為冬季洞、夏季洞、臨時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動的直接執(zhí)行部位，其結(jié)構(gòu)特點對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
探測器采用的表取采樣方式主要為挖取和鏟取采樣。國外進(jìn)行深空地外星球探測起步早，對于采樣裝置研制取得豐富的研究成果、并且多次得到實際的應(yīng)用，主要分為月面表取采樣器與火星表取采樣器兩類。表取采樣鏟是最先隨著月球探測展開的。1967 年 4 月發(fā)射的 Surveyor 3 著陸器是美國第一個裝有月表取樣設(shè)備的探測器，Surveyor3 著陸器攜帶的挖斗型采樣鏟通過多桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行鏈接，這種方式能夠節(jié)省運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]。美國國家航空航天局（NASA）在1975 年發(fā)射 Viking 號探測器攜帶的采樣機(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 號的火星探測任務(wù)中，該型采樣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，最大采樣深度約為2cm，如圖 1.4 所示[9,10,11]。德國不來梅大學(xué)機(jī)器人研究所依據(jù)蜥蜴運動形式研制出一種仿生月球探測車，該探測車攜帶一種自動采樣鏟，能夠自動獲取 120mm3的樣品[12]。但是，該種采樣機(jī)構(gòu)并未在火星探測活動中得到實際的應(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期的相互作用過程中逐漸進(jìn)化而來的。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)，因此對爪趾結(jié)構(gòu)的研究能夠為揭示爪趾具有較強(qiáng)掘土能力的原由提供有益的參考。通過對獲得的爪趾進(jìn)行宏觀尺寸的測量以及利用體式顯微鏡、掃描電鏡對在自然磨損狀態(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、運動過程中提供加速力；在站立過程中提供對身體的支撐；以及在掘土過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象。爪趾宏觀尺寸主要包括爪趾長度 L（mm）、爪趾厚度 T（mm）和爪趾高度H（mm）。通過測量，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，僅對獲得的 48 只前爪趾進(jìn)行測量。爪趾外觀尺寸利用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測量，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位置如圖 2.1 所示。
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第三章 爪趾點云提取與曲線擬合分析..... 25
3.1 引言 .... 25
3.2 爪趾點云提取 ........ 25
3.3 爪趾特征點云提取 ..... 27
3.4 特征點的數(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 ...... 40
4.4 仿真驗證分析 ...... 44
4.5 本章小結(jié) ...... 53
第五章 仿生鏟實驗臺驗證試驗....... 55
5.1 引言 .... 55
5.2 試驗前的準(zhǔn)備 ........ 55
5.3 試驗方案及過程 .... 575
5.4 試驗結(jié)果與分析 ...... 59
5.5 本章小結(jié) ...... 64

第五章 仿生鏟實驗臺驗證試驗

5.1 引言
針對第四章設(shè)計的仿生采樣鏟，以采樣鏟阻力和扭矩為評價指標(biāo)，在表取采樣實驗臺進(jìn)行鏟取采樣試驗，分析采樣鏟與模擬火星壤的相互作用，討論仿生設(shè)計的有效性。

5.2 試驗前的準(zhǔn)備

5.2.1 模擬火星壤的整備
試驗中采用吉林大學(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顆粒粒徑控制使其與已知的探測器著陸點的火星壤力學(xué)參數(shù)接近[81,82,83]。在進(jìn)行仿生驗證試驗前需對模擬火星壤力學(xué)特征進(jìn)行測量。模擬火星壤含水率的測定。土壤含水率對于采樣系數(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 個小時。測得的土壤含水率為 0.20%（±0.32%）。

結(jié)論

（1）測量爪趾的宏觀結(jié)構(gòu)可知，喜馬拉雅旱獺第二趾長度、厚度、高度相比于其余各趾都大，第四趾相對比與其余各趾，其長度、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）通過三維掃描獲取了喜馬拉雅旱獺前爪第二趾的特征點云，并在逆向工程軟件中對獲得的爪趾點云進(jìn)行數(shù)據(jù)精簡、點云光滑處理等，并利用一定間距的平行平面組截取特征點云，分別獲得特征點云，并通過 CAD 軟件，獲得爪趾的相對應(yīng)部位的特征點云的點云坐標(biāo)。并在 Matlab 中對特征點云進(jìn)行擬合，得出爪趾擬合特征曲線。對特征曲線分析可知，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，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。
（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，研制了兩類基本類型的仿生表取采樣器。
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參考文獻(xiàn)（略）