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《东北大学》 2015年
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基于啄木鸟的仿生啄取采样机构研究

孙洪涛  
【摘要】:为了解地球的发展、太阳系和宇宙的奥秘,需通过深空探测进行考察和勘探,其中就位采样研究是地外星体探测的重要环节。据我国空间探测规划,未来深空探测技术发展的迫切需求是开发新型地外星体表层岩石采样系统。类比于地质队员的地质锤、罗盘和放大镜三件野外勘探工具,深空探测也需配备特有的“地质锤”。本文以国内外地外星体表面岩石的采样技术发展为背景,探索了如何实现深空探测中岩石采样机构的轻量化、低功耗和高可靠性,研究来源于国家自然科学基金项目“用于空间试验装置的并联主动减振机构及控制研究(61128008)”。仿生学作为一门新兴学科,能够帮助研究者们对近乎完美的生物机构进行合理运用,为解决科学研究中的众多技术难题提供创新的思路和途径。受生物启发,本文设计了一种基于啄木鸟的仿生空间啄取采样系统,主要基于啄木鸟的生物减振特性开发一种新型岩石采样技术,研究内容涵盖机械电子、力学、材料学、控制学等多个领域。本文研究主要从如下几个方面展开:(1)梳理了国内外的相关文献,归纳了地外星体表面采样技术的研究现状和存在的问题,并在此基础之上提出将仿生学原理与采样技术结合的研究思路;(2)研究啄木鸟快速冲击而不发生脑震荡的机理,建立相应的机构减振力学模型;(3)根据啄木鸟的生物特性,提出一种新型可连续敲击的采样系统,该系统由啄取机构和移动机构组成,其中啄取机构运用啄木鸟的减振原理,可实现保护头部元器件的功能,移动机构可实现采样系统的灵活移动;(4)对采样啄取机构进行构形分析与优化,通过建立关键结构的有限元模型来分析敲击过程中的应力场和振动情况,通过对该结构进行拓扑和参数优化设计得到脑部结构最佳构形;(5)进行系统仿真和试验,利用Adams对系统进行运动学和动力学分析,并加工制作试验样机,再运用Labview编写运动程序,以验证其功能可行性。本论文的研究成果将为新型地外星体表层岩石采样系统研发提供启示,可有效解决采样过程中可能存在的关键技术问题,具有较好的应用前景。
【学位授予单位】:东北大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:V447

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