摘 要：根据月球样品采集、返回计划的具体技术要求，设计了一种具备挖掘采样、振动筛选和自主解锁等功能的并且能够适应低重力环境以及月壤特殊力学特性的末端执行器．在这种新型的末端执行器的设计过程中运用了仿生学、土壤力学以及颗粒物质力学仿真的设计思想．同时也应用EDEM、ADAMS等仿真软件对设计的细节进行控制，使得设计出来的末端执行器具备较高的采样效率以及较低的功耗．最后，在以4自由度机械臂为基础的试验平台上进行模拟试验，验证了仿真结果和理论计算结果的准确性，以及所设计的末端执行器的实用性．
关键词：末端执行器；采样；封装；仿生设计；土壤力学；EDEM
Novel End-Effector for Lunar Sample Acquisition and Return
Abstract:According to the specifications of the lunar sample acquisition and return plan, this paper presents a novel end-effector, which possesses the abilities of sampling, riddling and self unlocking, and also can fits in the special environmentof low gravity and mechanics of lunar soil. During the design process, design theories in the bionics, soil mechanics andgrain substance mechanics are adopted, and also the EDEM and ADAMS are applied to controlling the design details inorder to enhance sampling efficiency and reduce energy consumption. Finally, a 4-DOF (degree of freedom) robot arm-basedtest bed is built to testify the correctness of the simulation results and the calculation results. Also, the practicability of theend-effector is validated on the test bed.
Keywords:end-effector; sampling; caching; bionic design; soil mechanics; EDEM
　　1 前言（Introduction）
　　对未知领域的认知，对茫茫宇宙的探索，是人类发展的永恒动力，是人类的不懈追求．月球是距离地球最近的天体，以其独特的空间位置、广阔的科学探索前景，成为人类地外天体探测和利用的首选目标．在20世纪50年代到70年代，前苏联的Luna系列无人月球探测器，总计成功实施了3次月面无人自动采样并返回地球，共获得约0.3 kg月球样品[1]．美国阿波罗系列飞船成功实施了6次载人登月，将12名宇航员送上月球，共获得381.7 kg样品[2-4]．目前中国的月球探测计划分为“绕”、“落”、“回”3个阶段．第3阶段工程的目标是采集关键性样品返回地球．本文即是针对月球样品采集的实际需求，研制能够安装在机械臂末端的可以采集月球表层样品并且对其进行封装的末端执行器．
　　除对月探测以外，美国、俄罗斯、日本、欧洲等国家和地区先后针对火星、金星等距离地球更为遥远的星体开展了深空探测和着陆探测．同时，针对行星表层样品的采集技术，这些国家也都做了很多相关的研究．1975年NASA发射的海盗1号和2号火星探测器，使用与着陆器连接的机械臂末端上安装的采样机构进行采样操作[5-6]．采样机构头部类似一个前端带有盖子的铲形容器．采样器顶端置有一个螺线管振荡器和孔径f2 mm的金属过滤网，用来进行采集样品的筛选．底部装有反向铲，在采样机构反向拖动时可以将火星土壤翻开．但是海盗号的任务是就地采样和分析火星星壤的特性，并没有考虑到采样后的返回作业．NASA的凤凰号火星着陆器于2008年5月成功抵达火星表面[7-8]，其上搭载了样品采集与分析设备，其中采样铲前面装有带锯齿的刀刃，后面装有带锋利尖齿的动力锉刀．当机械臂达到地下冻土层，先用动力锉刀穿破冻土层，随后使用锯齿状刀刃来获取样品．与海盗号相同，凤凰号的任务也是就地采样分析，也没有设置样品的封装及返回单元．2009年NASA喷气推进实验室机器人硬件系统工作组为火星样品返回任务设计了可分离式铲挖器[9]．这种设计采用的是机械臂+采样器+封装容器的形式．采样器特色在于铲挖爪分为可完全合拢的两半，分别由独立的卡具驱动．铲挖样品内含于两铲挖爪形成的封闭空间内，即铲挖爪作为初级封装容器．封装时，将封闭的铲挖爪连同其中的样品一同放入封装容器．封装容器有多个单独空间，可容纳6个合拢的铲挖爪，每个合拢的铲挖爪可以容纳68 cm3的样品，特点是每次取样可以单独封装，但铲挖爪不能复用，封装容器体积较大．
　　2 末端执行器设计（End-effector design）
　　2.1 系统设计准则
　　在吸取了前人研究成果的经验与教训，并且结合了中国月球采样计划的特色之后，我们总结出了末端执行器设计阶段应着重注意的几个问题：
　　节能：进行空间探测首先要解决的是能源问题．由于发射成本和运载能力的限制，能提供给采样的能量也是很有限的．这就需要对末端执行器的机械构造进行最大程度的优化，并且尽可能地减少电气系统的使用量，减小挖掘阻力，提高采样效率，从而使得采样过程中的能量消耗达到最低．
    (2)筛选：依据采样返回计划的科学目标要求，本次采样的目标应主要以大粒径的月壤颗粒为主，这就要求末端执行器具备对样品进行筛选的能力．
　　(3)助动：由于月面的低重力环境以及月壤自身的低流动性，在末端执行器的设计过程中就应该着重考虑相对应的解决机制，以辅助月壤在末端执行器中运动，减小由于末端执行器被月壤阻塞而导致任务失败的风险，同时也可以通过提高月壤的运动速度增加采样效率．基于上述设计思想，针对月球表层样品采集的末端执行器的3维整体构型如图1所示．该末端执行器的外包络尺寸是340 mm£f127 mm，总质量为1.6 kg（其中包含电气系统）．该末端执行器由5个主要部分组成：(1)挖掘铲与导料管：挖掘铲，是使用仿生学设计并且优化过的主要采样机构；导料管，为漏斗状连接件，主要功能是将挖掘铲采集到的月壤样品转移至样品承装筒内．ᣪᥬ1.2.3.4.5.6.7.图2 末端执行器工作流程Fig.2 Working flow of the end-effector(2)外壳：主要用于防止月球上的粉尘对驱动电机造成不必要的污染，同时外壳也是连接机械臂和末端执行器的关键部件．(3)驱动系统：驱动系统是由解锁机构和激振机构构成的，解锁机构的主要功能是在电机的带动下实现样品承装筒与末端执行器的脱离；激振机构则主要负责解决在低重力环境下因月壤流动性过低而导致的导料管阻塞问题，它还能加快月壤的流动速率，进而提高采样成功率和效率．(4)样品承装筒：用以承装采集的月壤样品，并第35卷第1期 李操，等：一种应用于月球样品采集、返回计划的末端执行器 11进行初步的封装，最终随样品一同返回地球．(5)锁紧装置：利用一个被动出发式的机构将样品承装筒与上升器锁定在一起．末端执行器的主要工作流程如图2所示．
　　2.2 挖掘铲设计
　　由于空间环境的复杂性、不确定性以及能源使用上的局限性，空间系统工程机械的设计与传统的工程机械设计相比更加注重于产品的低功耗、轻重量和高效率等方面．这就意味着需要对挖掘铲铲体的构型进行一系列优化设计，从而得到具备挖掘阻力低、挖掘效率高等特点的挖掘铲构型．为了达到这个目标，在这个设计之中需要应用土壤力学以及仿生学的设计理念．在保证铲体宽度以及深度相同的前提下，挖掘铲底部的构型对挖掘阻力的大小起到了至关重要的作用．图3展示了3种典型的挖掘铲构型．(a) (b) (c) 图3 3种挖掘铲构型对比Fig.3 The comparison of three scoop shapes图3(a)中的挖掘铲构型是参考仿生学理论，依照田鼠的趾爪的模型进行2维扫描并且利用曲线拟合的手段得到的优化模型（如图4）．其挖掘曲面的方程如式(1)所示，根据文[10]所述，使用该种仿生设计的挖掘铲可以提升30%的挖掘效率．图3(b)是将挖掘曲面设计为平面，图3(c)中的构型是类似于铁锹的平面铲体，(b)和(c) 将作为对比组出现在仿真实验中．y=q1£x9+q2£x8+q3£x7+q4£x6+q5£x5+q6£x4+q7£x3+q8£x2+q9£x+q10(1)式中：q1=1:114£10¡18，q2=¡1:494£10¡15，q3=8:085£10¡13，q4 =¡2:216£10¡10，q5 =3:094£10¡8，q6=¡1:722£10¡6，q7=¡2:863£10¡5，q8=0:00513，q9=¡0:009293，q10 =¡259:1．为了更真实地对挖掘铲在工作过程中的力学特性进行仿真模拟，本文应用了一款专门应用于颗粒物质力学仿真的软件EDEM．该款软件同时也被NASA应用于对月球表面尘埃静电力的仿真[11]．由于不同的挖掘策略会对相同的铲体构型造成不同的影响，本文中目前仅采用较为常见的“反斗式挖掘”作为仿真中的挖掘策略对3种挖掘铲构型进行仿真．图5所示为在EDEM软件中对挖掘铲以及被挖掘颗粒进行的建模．在本次仿真中，以一个固定的支点和一个旋转轴来模拟机械臂的末端关节，同时使用了10万个颗粒来模拟月壤的特性．仿真中的部分参数设定如表1所示．  0 100 200 300 400−400−350−300−250−200−150−100−5000 100 200 300 400−450−400−350−300−250−200−150−100−500图4 田鼠趾爪模型（上）、扫描曲线（中）、拟合曲线（下）Fig.4 Claw model of field vole (upper), scanned curve (middle)and fitting curve (lower)图5 EDEM仿真模型Fig.5 The simulation model of EDEM12 机 器 人 2013年1月表1 仿真参数表Tab.1 Simulation parameters仿真参数 仿真数值机具转速w 60±/s动作幅度y0180±颗粒粒径分布 固定值颗粒泊松比 0.3颗粒切向弹性模量G 2.7e+7Pa/m2机具切向弹性模量G机7.0e+10Pa/m2颗粒法向刚度 8e+8N/m颗粒剪切刚度 5e+8N/m颗粒机具间摩擦系数f机0.25颗粒机具间滚动摩擦系数f机滚0.01(a)(b)(c)302520151050 0.5 1 1.5 2 2.5 3ᣪᥬᯊ图6 挖掘阻力仿真结果对比Fig.6 Results of digging resistance force simulation图6是将3种挖掘铲在EDEM中的仿真结果通过MATLAB处理后的对比图．图6中X轴代表仿真时长（s），Y轴代表挖掘阻力（N），图中挖掘阻力峰值最低的曲线代表图3(a)的挖掘特性，峰值最高的曲线代表图3(c)的挖掘特性．由此可知，图3(a)中的铲体构型具备最小的挖掘阻力，可以看作是较为优化的铲体构型，其最大挖掘阻力为14.7 N．同时，也可依据实验室内的模拟试验，通过对土壤的物理性质、切削条件、要素的改变，观察挖掘土壤过程中的破坏变形及阻力的变化等情况，确定计算挖掘阻力的基本方程[12-13].F=F0+FC+Fd+FW+FS=5:5+3:5+8:65+0:377+0:58=19 N (2)式中，F0 为挖掘阻力，单位N；FC为土壤的粘着阻力，单位N；Fd为堆积土堆的移动阻力，单位N；FW为斗内侧壁与土壤的摩擦阻力，单位N；FS 为斗外侧壁与土壤的摩擦阻力，单位N．方程(2) 计算得出的挖掘阻力为19 N，与用EDEM仿真所得到的14.7 N比较接近，说明仿真具有相当高的可信度．同时，综合采样计划的具体技术要求以及仿真实验的结果，挖掘铲的优化参数如表2所示．挖掘铲体的具体构型如图2(a)所示，为了实现筛选功能，在挖掘铲底部增加了类似于筛网的密集孔状结构，孔径初定0.5 mm，这里不再赘述．表2 挖掘铲优化参数表Tab.2 Optimized parameters of the scoop参数 铲体宽度 铲体深度 铲体长度 挖掘阻力数值 70mm 45mm 98mm 15N2.3 驱动系统设计驱动系统包括两个主要部分：敲击机构和解锁机构．敲击机构的主要功能是通过机构对挖掘铲和样品承装筒进行敲击产生一定频率的振动，促使采集到的月壤样品更为顺畅地从挖掘铲转移至样品承装筒内，同时可以将处在挖掘铲斗内的小粒径样品筛选出挖掘铲；解锁机构的主要功能是在整个采样流程结束后实现样品承装筒与末端执行器的分离．(1)敲击机构月壤的颗粒形态中长条状、次棱角状和棱角状的颗粒形态较为常见，这种粒形使得月壤颗粒间互锁，相互滑行困难[14]．并且，采集到的样品还要在1/6地球重力的环境下完成从挖掘铲到样品承装筒的转移，这就更增加了任务完成的难度．所以，对这类易互锁的颗粒在低重力环境下的运动特性进行研究是非常必要的．本文规划了两组仿真实验来研究月壤颗粒在低重力状态下的运动特性．仿真实验1是为了探究在低重力情况下月壤颗粒在无外力干扰和有外力干扰情况下的运动特性．对比组1设定为无外力干扰组，月壤颗粒只在1/6重力的作用下沿导料管运动；对比组2则设定为有外力干扰组，除了有1/6重力的作用还有外加的频率为40 Hz的振动．仿真结果如图7所示．     (a) ᇍ↨㒘1  (b) ᇍ↨㒘2 图7 月壤颗粒运动特性仿真Fig.7 The simulations of lunar particle dynamic performance第35卷第1期 李操，等：一种应用于月球样品采集、返回计划的末端执行器 13如图7(a)所示，对比组1经过一段时间的运动后，最终会因为颗粒间的互锁堆积在导料管的入口处，堵塞导料管导致月壤样品转移的失败；而从图7(b)可知，对比组2在施加了40Hz的振动后，颗粒的转移更加顺畅了，但是也出现了颗粒“铺撒”的现象．由此可以看出，无外力干扰和外加一个不合适的振动对于月壤颗粒的转运来说都是不利的，所以找到一个合适的振动频率就显得更为重要．仿真实验2则是为了寻找到一个合适的振动频率而设定的．在这个仿真中，我们设计让同等数量的月壤颗粒在外加不同振动频率的情况下通过导料管，记下颗粒全部通过导料管所用的总时间，并对结果进行对比．仿真实验共进行3个循环，以平均消耗时间为基准，仿真实验结果如表3所示．表3 不同振动频率下月壤颗粒完成转运所消耗的时间Tab.3 Results of the simulation for the time consumption oflunar particle transferring at different vibration frequencies频率 循环1 循环2 循环3 平均/Hz 耗时/s 耗时/s 耗时/s 耗时/s5 N/A N/A N/A N/A10 10 15.46 20 15.1515 10.27 7.89 12.19 10.1120 10.05 10.01 9.73 9.9325 9.14 8.82 10.48 9.4830 9.86 10.86 9.09 9.9435 10.79 9.67 10.06 10.2640 9.93 10.48 8.93 10.31由表3可知，当振动频率在5Hz以下时，月壤颗粒均会因为互锁而堵塞导料管，从而导致任务无法完成．从整体的时间消耗趋势可以推断出振动频率保持在20 Hz～30 Hz之间是比较合适的．依据上面的仿真结果以及实际工况及尺寸约束，敲击机构的整体构型如图8所示，其运动原理如图9所示．该机构的主要组成部分有敲击电机、减速器、驱动器外壳、异形多齿轮盘、两个敲击棒及其基座．敲击棒与其基座之间安装有扭簧，并进行预紧．敲击电机经减速后输出扭矩带动异型多齿轮盘转动，多齿轮盘上的各个齿使敲击棒绕着扭簧扭力增强的方向旋转，当越过最大扭转角后，敲击棒将在扭簧作用下分别敲击挖掘铲和样品承装筒，实现敲击功能．敲击挖掘铲的目的是增强月壤颗粒的流动性，消除颗粒间的互锁；敲击样品承装筒的目的是减小已收集到的样品颗粒间的间隙，使收集到的样品达到一个相对紧实的状态，提高承装筒有效容量．2图8 敲击机构结构示意图Fig.8 The structure of percussion mechanismMTMT图9 敲击机构运动原理简图Fig.9 The motion principle sketch of percussion mechanism由于电机的转速以及扭簧的回复系数已经确定，所以敲击机构所能提供的敲击频率范围就由异型多齿轮盘的齿数决定．本文选取不同的齿数，在Pro/E中建立模型并导入ADAMS内进行动力学仿真，通过分析仿真结果，确定异形多齿轮盘的合理齿数．图10为不同齿数下的敲击棒接触力曲线图．图10 不同齿数时敲击棒接触力曲线图Fig.10 The contact force curves of percussion hammers withdifferent tooth numbers of cams14 机 器 人 2013年1月由图10可知，当异型多齿轮盘的齿数达到14个时，敲击棒无法正常提供激发振动所需要的敲击接触．所以异型多齿轮盘的齿数可以确定为12个，由电机转速和转速比可以推算得出敲击机构可以提供0～25 Hz频率范围内的振动．(2)解锁机构解锁机构是采样器的关键部分，其主要功能是实现样品承装筒和采样机构的初态连接、终态分离．如图11所示，解锁机构主要组成部分有：解锁电机、减速器、驱动器外壳、绕线筒、3个解锁滚轮、套筒、旋转轴以及钢丝绳．ⓣ᭫ ᮟ1 解锁机构结构示意图Fig.11 The structure of unlocking mechanismM图12 解锁机构运动原理简图Fig.12 The motion principle sketch of unlocking mechanism解锁机构采用钢丝绳解锁，相对于齿轮传动等其他方式而言，这种方式具有结构简单、质量轻的优点．解锁机构工作流程为：解锁电机通过减速器减速后输出转矩到绕线筒，如图12所示，绕线筒上缠绕的钢丝绳带动3个解锁滚筒绕同方向转动；当滚筒转过90±后，样品承装筒在重力及安装在漏斗上的预紧弹簧推力作用下从上平台落到下平台，样品承装筒内带有预紧扭簧的门关闭，密封保存样品．为了防止残留在导料管和铲斗上的月壤在转移过程中造成污染，需要机械臂末关节旋转180±，倾泻残留月壤；完成后，样品承装筒将再次朝下，此时可以进行转移操作．当样品承装筒锁紧后，即可进行二次解锁，随后，样品承装筒与表层采样器其余部分分离
　　2.4 样品承装筒设计
　　样品承装筒的结构如图13所示，主要由上盖、外壳和底盖及其他附件组成．样品承装筒的封装门和扭簧腔之间安装有扭簧，门限位挡块限制了封装门的转动范围．图13 样品承装筒结构示意图Fig.13 The structure of sample container样品承装筒的工作原理：在挖掘过程中，导料管伸入样品承装筒内，样品承装筒的封装门被卡在图13所示位置，样品经导料管进入样品承装筒；一次解锁以后，导料管从样品承装筒内脱出，封装门在扭簧的作用下复位，切断样品与外界的联系，完成样品的初步封装．
　　2.5 锁紧装置设计图14所示为锁紧装置的装配示意图，该机构用于将收集筒固定在返回舱上，主要组成部分包括底部外壳、导向推止推盖板、3个锁紧块、垫片以及旋转轴．图14 锁紧装置结构示意图Fig.14 The structure of locking mechanism锁紧块和外壳之间安装有扭簧，初始状态下通过推杆止动预紧；推杆和止推盖板间安装有压簧，在推力的作用下推杆从底部外壳的孔伸出．需要锁紧时，由机械臂带动表层采样器向下运动，推杆在压力的作用下向上运动，锁紧块松开，将收集筒锁紧在返回舱上．第35卷第1期 李操，等：一种应用于月球样品采集、返回计划的末端执行器 15
　　3 试验平台的搭建及系统验证演示试验（Test bed construction and demonstrationexperiments）
　　3.1 试验平台的搭建试验平台的硬件主要包括末端执行器、4自由度机械臂、模拟月壤和用于控制机械臂和表层采样器的两台计算机．图15为地面模拟试验平台的硬件实物图．图15 末端执行器（左）和试验平台（右）Fig.15 End-effector prototype (L) and test bed (R)该4自由度机械臂是由哈尔滨工业大学HIT-DLR联合实验室自行设计、装配的．机械臂的自由度分别为旋转–俯仰–俯仰–俯仰，在完成竖直位置跟踪作业时具有一个冗余度．该机械臂主要有以下特点：(1)重量轻，输出力矩大；(2)采用多传感器集成系统，使机械臂具有多种感知功能，如力矩传感器、位置传感器、温度传感器和电流传感器等；(3)采用基于大中心孔的关节内部走线方法；(4)具有断电自动保护功能．
　　3.2 采样过程模拟试验采样过程模拟试验主要目的是模拟末端执行器在机械臂的配合下采集月壤的过程．为了尽可能地模拟采集真实月壤样品时的力学特性，本试验中使用的是由上海航天技术研究院研制的模拟月壤．该种模拟月壤的机械特性参数与真实月壤的参数[14]对比如表4所示，可以看出该种模拟月壤的各项特性指标与真实月壤是比较接近的，符合试验要求．表4 真实月壤与模拟月壤机械特性对比表Tab.4 Comparison of mechanical properties for lunar soil andstimulant soil参数 真实月壤 模拟月壤平均颗粒尺寸/mm 42.0～268.0 134.7密度/(g/cm3) 1.45～1.63 1.32～1.57孔隙比/(%) 40～50 42～50内摩擦角f/(˚) 25.0～45.0 32.7内聚力c/kPa 0.26～1.8 1.8本试验的主要过程是：使用上文所述的机械臂及其上位机软件的自动控制功能，输入挖掘深度和挖掘倾角，点击开始后机械臂便带动表层采样器自动完成一次挖掘．图16是机械臂末端点的平面运动曲线．123 45750 700 650 600050100150200250∈ /mm图16 机械臂末端平面运动轨迹Fig.16 The moving trajectory of the robot arm end on a plane由图16可以看到，一次采样挖掘可以分为5个步骤：第1步，机械臂运动到挖掘平面，并调整采样器铲斗挖掘倾角到用户设置值，采用的是关节空间的轨迹规划；第2步，机械臂靠近模拟月壤平面，再次调整铲斗到设置倾角，同样采用关节空间的轨迹规划；第3步，铲斗在机械臂带动下做笛卡儿空间下的斜向运动，到达用户指定的挖掘深度；第4步，铲斗做水平运动，平推挖掘，到达指定点后机械臂末关节旋转铲斗将土壤铲起到水平位置；第5步，机械臂抬起到指定位置后，旋转末关节，使样品进入样品承装筒，同时，敲击机构开始工作．图17为该实验过程的视频截图．(a)(d)(b) (c) (e) (f) 图17 模拟采样试验过程Fig.17 The process of sampling simulation在本试验中设计了两个采样挖掘深度：40 mm和25 mm，通过安置在机械臂末端关节中的力矩传感器采集反馈信号，经Matlab软件处理后的挖掘阻力特性曲线如图18所示．16 机 器 人 2013年1月1412108642−2−400 5 10 15 20 25 30˖40 mm25 mm图18 挖掘阻力曲线Fig.18 Output curves of the digging resistance图18中所示的挖掘阻力特性曲线的走势与在EDEM中仿真得到的特性曲线基本相符；同时在挖掘深度为40 mm时的最大挖掘阻力为13.78 N，挖掘深度为25 mm时的最大挖掘阻力为9.2 N，也与仿真分析以及公式计算的数值十分接近．值得注意的是，在EDEM仿真中可以设定重力环境为地球的1/6，但是在实际的模拟试验中是很难实现在1/6重力环境下进行挖掘的．这一区别也体现在图6和图18中挖掘阻力曲线的后段，也就是在挖掘铲离开样品土层后仅受重力作用时的曲线．仿真中得到的挖掘阻力曲线的后段较实际测得的曲线更加接近0，这也从一个侧面印证了仿真分析的准确性．试验过程中发现，挖掘深度设置较大时，虽然铲斗一次铲取的土壤较多，但不利于敲击筛选．因为土壤堆积导致颗粒之间的压力和摩擦力增大，敲击机构产生的振动不足以克服这些外力，土壤堵住筛选孔，使得筛选功能失效．通过多次少量挖掘可以避免这种情况．同时，需要进一步改进铲斗构型，以利于土壤进入样品承装筒．通过多次采样模拟试验发现，当样品承装筒内样品较多时，进行下一次挖掘的过程中会有一部分样品流出，使得样品承装筒内无法充满月壤，在未来的研究中还需要进一步进行修正．
　　4 总结（Conclusions）
　　机械臂及其末端执行器是实现中国探月三期采样返回计划的关键技术之一．本文在对国际上已经成功实施的地外星体探测计划中所使用的机械臂以及末端执行器进行深入研究的基础上，针对月球表面的重力特性以及月壤的力学特性，设计出了一种具备挖掘采样、振动筛选和自主解锁功能的末端采样器．最后在4自由度机械臂试验平台上进行了模拟试验，验证了末端执行器的实用性以及仿真结果的可信性．未来的研究工作主要侧重在以下几个方面：(1)针对模式试验过程中所暴露出的问题（如样品承装筒无法填满、筛孔易堵塞）对末端执行器结构进行进一步的修改．(2)进行样品力学特性参数在线辨识方面的研究．首先，星球土壤样品力学特性参数是进行无人星球探测、构建星球表层模型和人类进行星体活动的工程基础，具有重要实际应用价值．其次，在线进行星球土壤力学特性参数反演得到的结果更加接近实际情况．最后，采样过程中通过实时估计星球土壤特性参数了解星球土壤特征，实现对于控制策略的调整和优化，为地面遥操作系统对于运动过程的仿真预测提供参量，确保采样任务的顺利完成．(3)最优化采样策略的研究．以在线辨识的样品力学特性参数为基础，即时制定并修正采样策略，藉此提高采样效率、降低采样功耗并提升采样任务的成功率．
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