轻量化采样机械臂助力月壤原位分析：北京空间飞行器团队设计验证新突破

北京空间飞行器总体设计部空间智能机器人系统技术与应用团队：面向月壤原位分析的轻量化采样机械臂设计验证

深空探奥秘

面向月壤原位分析的轻量化采样机械臂设计验证

北京空间飞行器总体设计部空间智能机器人系统技术与应用团队

引用格式 / CITATION

张沛, 巩雪鉴, 何永强, 等. 面向月壤原位分析的轻量化采样机械臂设计验证[J]. 宇航学报, 2026, 47(8): 2155-2166.

Zhang Pei, Gong Xuejian, He Yongqiang, et al. Design and verification of lightweight sampling manipulator system for in-situ analysis of lunar regolith[J]. Journal of Astronautics, 2026, 47(8): 2155-2166.

DOI: 10.3873/j.issn.1000-1328.2026.08.017

研究背景与目的

月球是距离地球最近的地外天体，水冰作为极区关键战略资源，可作未来载人登月任务的物资原料与能源载体，工程价值极高。现有遥感观测显示，永久阴影坑表层与次表层均存在较高水冰赋存概率，但受基岩、复杂地形等干扰，遥感手段尚无法获取水冰存在的直接实物证据。月球浅层采样主要有铲挖与钻取两种模式：铲挖逐层剥离浅表月壤、对样本原生状态扰动微弱，适配广域多点探测；钻取可穿透高密实度月壤层，却需大吨位着陆器提供反作用力支撑。国外凤凰号（2008）、好奇号（2012）及我国嫦娥五/六号已积累大量工程经验，俄罗斯月球-25的 LMC 采样铲最大设计挖掘深度达250mm。然而嫦娥五号返回样本显示浅层月壤混杂大量岩屑，极易引发机构堵转；永久阴影坑水冰壤最低温可达100K，本质为水冰与月壤颗粒形成的黏聚结构体，最大抗拉强度达10MPa，对装置的可靠性与环境适应性提出极高要求。针对探月工程三期后续任务的月面浅层挖掘与水冰壤原位采样需求，本文研发了一套集成机械臂与采样单元的轻量化、小型化月面采样系统，提出基于月壤特性识别与柔顺控制的挖掘轨迹闭环控制策略，并制备配套模拟月壤，在常温与低温工况下完成挖掘采样性能试验。

图1 采样机械臂系统设计

研究方法

整套采样机械臂分为臂本体与末端采样单元两大模块：采样单元无内置传动部件，完全依托臂本体多自由度运动完成铲挖取样，作业时仅采样铲直接接触月壤，从根源避免岩土碎屑侵入关节传动副、消除卡滞故障风险。臂本体采用“肩2+肘1+腕1”四自由度构型，关节由永磁同步电机经行星、谐波减速器串联驱动，臂杆选用碳纤维复合材料以兼顾轻量化与−180℃极低温耐受。末端复合挖掘铲经平铲、圆弧铲、斗铲对比后选定斗式铲型，并以3D打印加工5齿、7齿样铲试验，最终确定5齿切削方案以同步降低水平切削力与垂直贯入阻力。控制上，系统基于 D-H 运动学（在铲尖设虚拟第5自由度）获得末端位姿，依据拉格朗日动力学建立含月壤接触力的方程；月壤阻力按太沙基半经验模型分解为切土、土堆运移与上升三项，归并为阻力系数k₁、k₂、k₃。控制系统由挖掘轨迹生成、月壤特性辨识与末端柔顺控制三部分构成：轨迹按贯入—推铲—上升—平整四阶段规划并以带抛物线过渡的线性插值描述末端速度；辨识环节采用带遗忘因子（0.95～1）的递推最小二乘法在线估计月壤阻力参数、自适应调整切土深度以避免关节堵转；柔顺控制采用基于导纳的方法，并设计含 XZ 耦合阻尼的矩阵，使铲尖受水平阻力后产生向上运动趋势以避让岩石。试验依托等尺寸巡视器模拟器与低重力模拟装置（吊挂砝码+配重，使肩、肘关节受力近似月面1/6重力），制备典型（平均密实度65%）与极端（密实度71%、含42mm 以上岩石）两种干壤开展挖掘采样验证。

图2 采样单元挖掘铲设计

图3 采样单元铲尖运动轨迹

主要创新点

01轻小型月表采样机械臂系统

面向含水月壤原位探测需求，研制出臂展不超过1.5m、挖掘深度可达0.3m的轻小型月表采样机械臂系统。采样单元无内置传动、仅铲体接触月壤，从设计上根除岩屑侵入导致的卡滞风险；采用碳纤维臂杆与5齿斗式铲，实现轻量化、小型化与长寿命、高可靠性的统一。

02基于运动学的末端轨迹控制与月壤辨识

通过参数化末端挖掘轨迹实现基于运动学的精确轨迹控制，并基于动力学与带遗忘因子的递推最小二乘法在线辨识月壤阻力系数，自适应调整切土深度，在避免关节堵转的同时为低扰动采样提供稳定运动学基础。

03多工况低扰动适应采样

针对典型与极端干壤（平均密实度65%/71%）及高含水水冰壤（液氮控温 −190～−180℃、含水率0.5% 与3%）完成采样验证：干壤最大挖掘深度300mm，低含水月壤实现100mg±50mg定量采样（实测均值125.4mg、标准差9.19mg），对高含水月壤仍保持采样能力，且采样期间挖掘铲温升不超过1 ℃，保障了含水样本完整性。

图4 典型采样单元铲尖轨迹及不同深度挖掘坑

图5 机械臂挖掘及采样试验

图6 机械臂水冰壤采样试验结果

前景与应用

该方法可推广至深空探测领域的行星表面移动取样研究，为我国月球极区永久阴影区水冰壤取样技术提供支撑，对固定点位取样的工程拓展也具有一定的借鉴价值。

团队介绍

北京空间飞行器总体设计部空间智能机器人系统技术与应用北京市重点实验室（实验室主任王耀兵研究员），围绕国家重大专项任务需求，开展空间智能机器人新理论、新技术、新方法研究，支撑航天重大工程实施。主要研究方向包括：空间极端环境机器人系统及部件、面向非确定性任务的机器人感知与控制、空间机器人天地一致性验证与智能应用。实验室依托总体设计部，成功研制中国空间站核心舱机械臂、嫦娥五号/六号表取采样机械臂、玉兔号月球车、祝融号火星车等多款空间机器人产品，实现了多个国际/国内首次。