The Study of the Control System of a Robotic Lunar Surface Sampler

月球是离地球最近的天体，探索月球是人类认识太空的第一步。相比地球，月球环境非常恶劣，人类无法长时间在月球上进行各种考察活动，将月球探测车送上月球，通过其采集月表的岩石、土壤样品以获得月球的各种详细信息，是了解月球环境最直接的手段之一。 20世纪60年代以来，月球的科学研究进入蓬勃发展时期，发射了大量月球卫星，尤其是6次载人登月、3次不载人登月以及最近的几次月球探测活动，积累了大量的月球数据，大大加深了人类对月球的认识。然而，到目前为止，月球的探测还主要集中在月球的正面，月球纵向剖面的采样和研究还无法进行。因此，月球的研究尚有许多重大的基础科学问题留待我们继续探索和研究。 本文叙述了星空探测钻机的研究和发展现状，指出了现有的钻机发展的智能化水平。提出了一种用于月壤采集的多功能机器人化月表采样器。该采样器系统由仿生蚌式复合铲和转塔式钻机两大部分组成，仿生蚌式复合铲具有多种采样形式，转塔式钻机解决了空间受限的情况下采集深层样品的问题。机器人化月表采样器采用了基于CAN总线的分布式控制系统。本文在论述了机器人控制系统的硬件平台构建后，给出了基于此硬件平台的软件实现。 本文详细论述了采样器的两个主要工作部件的采样原理，分别对转塔式转机的工作原理以及仿生蚌式复合铲的工作受力情况进行了分析。根据分析的结果合理地采用控制方式，进行了样机采样实验。实验结果表明，转塔式钻机能够在低速的情况下，平稳运行并获取深层样本；而仿生蚌式复合铲能够实现表层样本的采集以及实现岩石的夹取采样。采样实验验证了控制系统的基本功能及其有效性。采样器基于该控制系统能够完成深层样本以及表层样本的采样工作，在遇到障碍的时候，控制系统能够及时地做出反应。最后，本文对机器人化月表采样器控制系统的发展和后继研究工作进行了展望