近年来,月球探测已成为国内国际宇航界的研究热点,月壤采样即是其重点任务之一。由于月壤所处环境特殊,其性质与地球土壤差异很大,采样机构与月壤接触时相互作用关系十分复杂,与采样机械臂的多体动力学特性耦合后将给控制系统设计带来很大困难。本文主要针对浅层月壤采样过程中的机土耦合作用进行研究。首先基于离散元方法对月壤进行建模,给出了月壤颗粒单元的接触力学模型并详细阐述了法向及切向接触力的计算方法,对颗粒受力后的运动采用动态松弛法进行求解。之后总结了月壤的物理力学性质,对月壤计算机建模提供了宏观及细观参数的选择依据。利用离散元软件对月壤采样过程进行了动态仿真,通过分析月壤的动态滑移过程和不同时刻月壤速度及应力的分布情况,验证了模型的正确性。由于采样初始时刻铲斗受力发生突变,对系统振动影响很大,因此对不同铲挖角下的铲斗初始受力状态进行仿真,同时观察月壤形变及应力分布,结果表明铲斗初始受力随铲挖角增大而增大,几乎呈线性关系。对月球车基体及采样机械臂系统进行动力学建模,将整个采样过程中铲斗所受的力和力矩谱加载到采样臂末端,对机械臂末端变负载情况应用操作空间控制,使机械臂按照预定轨迹运动,完成了浅层月壤采样过程的机土耦合作用分析,仿真结果表明该控制方法可以对机械臂末端轨迹进行高精度跟踪,并且控制力矩处于理想范围内,实现月壤采样过程的力位混合控制。本文对浅层月壤采样过程进行了动态仿真与机土耦合作用分析,所得结果可对今后的采样方式设计与采样机构优化设计等方面提供理论参考,且具有一定的工程应用价值。