面向月球ISRU的高效铲斗设计：基于视觉的填充与位移分析的比较研究
Designing an Efficient Excavator Bucket for Lunar ISRU: A Comparative Study with Vision-Based Fill and Displacement Analysis
- Kyushu Institute of Technology（九州工业大学）
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AI总结：
本研究提出一种螺旋腔轮式月球挖掘装置，结合视觉与执行器日志评估，在台架测试中较基线提升挖掘速率2.2-3.0倍、降低比能29%，并保持稳定牵引，可替代重型多执行器挖掘机。
AI中文摘要：
本文提出了一种用于月球风化层挖掘的螺旋腔轮，以及一个传感器轻量级评估堆栈，该堆栈联合估计填充率（视觉）、下陷量（视觉）以及来自执行器日志的比能。在台架测试中（在5、10和15转/分下进行四次旋转），与两个文献基线相比，所提出的轮子实现了更高的挖掘质量和填充率，挖掘速率提高了2.2-3.0倍，同时相对于铲斗-滚筒基线将比能降低了29%。归一化下陷量（毫米/千克）也较低，表明在不陷入的情况下具有稳定的牵引力。努力-时间轨迹显示稳定的扭矩包络，在不同速度下具有可重复的切割-携带-倾倒循环。我们提供了一个与填充率相关的保持指数$\eta$，以及一个以低误差重现实验趋势的离散元方法设置。结果表明，当质量、简单性和能量效率是任务驱动因素时，螺旋腔轮可以取代更重的多执行器挖掘机。
英文摘要：
This paper present a spiral-cavity wheel for lunar regolith excavation and a sensor-light evaluation stack that jointly estimates fill ratio (vision), sinkage (vision), and specific energy from actuator logs. In benchtop tests (four revolutions at 5, 10, and 15~RPM) against two literature baselines, the proposed wheel achieved higher excavated mass and fill ratio, delivering 2.2-3.0 times higher excavation rate while reducing specific energy by 29 % relative to a bucket-drum baseline. Normalized sinkage (mm/kg) was also lower, indicating stable traction without bogging. Effort-time traces show a steady torque envelope with repeatable cut-carry-dump cycles across speeds. We provide a retention index $η$ that correlates with fill ratio and a DEM setup that reproduces experimental trends with low error. Results suggest spiral-cavity wheels can replace heavier multi-actuator diggers when mass, simplicity, and energy efficiency are mission drivers.
