CN111006897B - 一种弹片式地外天体表层壤取样机构和取样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹片式地外天体表层壤取样机构和取样方法，该取样机构，包括：固定支架、外壳体、弹片丝杠、转动盘机构、弹片螺母、转动盘挡片、推样机构和8个弹片；固定支架设置在外壳体内；固定支架分别与外壳体和弹片丝杠通过轴承连接；转动盘机构的中心孔穿过双肋结构后、水平设置在外壳体内；弹片螺母和转动盘挡片设置在转动盘机构与双肋结构之间；8个弹片的底部分别通过螺钉连接在转动盘机构上；推样机构设置在8个弹片围城的腔体内、并通过螺母结构与固定支架连接。本发明克服了目前取样机构是否成功取样受限于天体壤密实度的问题。

Description

一种弹片式地外天体表层壤取样机构和取样方法

技术领域

本发明属于深空探测技术领域，尤其涉及一种弹片式地外天体表层壤取样机构和取样方法。

背景技术

人类对地外资源的渴望随着科技的进步及地球资源的使用，愈加强烈，获取地外财富，成为各国研究的热点方向。各类有地外天体壤探测任务的飞行器，大部分都会配置取样机构，天体表层月壤取样无疑是最高效的取样目标。

现有的表层月壤取样机构是否成功取样，受限于着陆点的天体壤密实度情况，例如，北京空间飞行器总体设计部研制的《月壤采掘装置》，通过挖掘斗尖端的挖掘力破土取样，其主要存在的技术问题在于：1、当采样区域为硬质壤时，挖掘斗末端力同时受限于安装采掘装置的机械臂的承载能力，综合导致采掘装置无法完成取样任务；2、对于比月球更低重力下的天体壤放样效果有限。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种弹片式地外天体表层壤取样机构和取样方法，旨在解决目前取样机构是否成功取样受限于天体壤密实度的问题。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种弹片式地外天体表层壤取样机构，包括：固定支架、外壳体、弹片丝杠、转动盘机构、弹片螺母、转动盘挡片、推样机构和8个弹片；其中，固定支架，包括：位于中轴线位置的螺母结构，以及设置在螺母结构外侧的双肋结构；

固定支架设置在外壳体内；

固定支架分别与外壳体和弹片丝杠通过轴承连接，外壳体和弹片丝杠均可相对固定支架轴线相对转动；

转动盘机构的中心孔穿过双肋结构后、水平设置在外壳体内，可沿外壳体内壁作相对升降运动；

弹片螺母和转动盘挡片设置在转动盘机构与双肋结构之间；其中，转动盘机构可绕弹片螺母轴线相对转动；

8个弹片的底部分别通过螺钉连接在转动盘机构上、顶部从外壳体的底部伸出；

推样机构设置在8个弹片围城的腔体内、并通过螺母结构与固定支架连接。

相应的，本发明还公开了一种弹片式地外天体表层壤取样机构的取样方法，包括：

通过电机驱动弹片丝杠运动，弹片螺母周向运动被固定支架固定，弹片螺母带动转动盘机构沿机构轴线运动，弹片与转动盘机构固连，随转动盘机构往复运动，完成弹片的打开与关闭动作；

通过电机驱动外壳体往复运动，外壳体带动弹片沿周向拉锯式转动，弹片的尖端形成对天体表层壤的切削作用，完成对样品的取样；

在取样完成后，通过电机驱动弹片丝杠运动，闭合弹片；其中，每闭合一段设定行程，通过电机的往复式运动，驱动外壳体带动弹片沿周向拉锯式转动，以减少取样样品对弹片的作用力。

本发明具有以下优点：

(1)本发明公开了一种弹片式地外天体表层壤取样方案，可获取较高的破土深度，且破土过程中，剥离机械臂承载能力限制，利用机构与天体壤内力完成破土，同时，设计推样机构，推样机构两端极限位置设计有振动功能，防止机械限位造成产品损伤的同时解决现有采样器机构低重力下放样排空率不足的问题。

(2)本发明利用弹片设计，形成闭合腔体，进行天体壤的采集：弹片可对天体壤进行切削，进而增加破土取样深度，破土力不会传递给机械臂。全收拢状态下，单个弹片破土切削力可达50N，机构破土深刻可达45mm，单次采样量可达220cm3，满足月球采样的功能需求。

(3)放样设计有推样功能，放样操作过程通过推样机构实现高排空率(放样排空率≥95％)，且推板两端极限位置机构自振，控制简单，可靠性高；

(4)破土过程除机械臂下行外，破土力为机构与天体壤内力，不会传递至机械臂。

附图说明

图1是本发明实施例中一种弹片式地外天体表层壤取样机构的剖视图；

图2是本发明实施例中一种弹片式地外天体表层壤取样机构的立体图；

图3是本发明实施例中一种推样机构的结构示意图；

图4是本发明实施例中一种顶块的结构示意图；

图5是本发明实施例中一种振动上块的结构示意图；

图6是本发明实施例中一种振动下块Ⅱ的结构示意图；

图7是本发明实施例中一种振动下块Ⅰ的结构示意图；

图8是本发明实施例中一种推杆丝杠的结构示意图；

图9是本发明实施例中一种振动上块与振动下块Ⅱ的装配示意图；

图10是本发明实施例中一种振动上块与振动下块Ⅰ的装配示意图；

图11是本发明实施例中一种弹片限位滚筒的结构示意图；

图12是本发明实施例中一种转动盘机构的结构示意图；

图13是本发明实施例中一种外壳体的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

如图1～2，在本实施例中，该弹片式地外天体表层壤取样机构，包括：固定支架1、外壳体2、弹片丝杠3、转动盘机构4、弹片螺母5、转动盘挡片6、推样机构7和8个弹片8。其中，固定支架1，包括：位于中轴线位置的螺母结构12，以及设置在螺母结构12外侧的双肋结构11。

具体连接如下：固定支架1设置在外壳体2内；固定支架1分别与外壳体2和弹片丝杠3通过轴承连接，外壳体2和弹片丝杠3均可相对固定支架1轴线相对转动；转动盘机构4的中心孔穿过双肋结构11后、水平设置在外壳体2内，可沿外壳体2内壁作相对升降运动；弹片螺母5和转动盘挡片6设置在转动盘机构4与双肋结构11之间；其中，转动盘机构4可绕弹片螺母5轴线相对转动；8个弹片8的底部分别通过螺钉连接在转动盘机构4上、顶部从外壳体2的底部伸出；推样机构7设置在8个弹片8围城的腔体内、并通过螺母结构12与固定支架1连接。

在本发明的一优选实施例中，如图3，推样机构7具体可以包括：推杆丝杠71、顶块72、推出弹簧73、振动上块74、弹片限位滚筒75、振动下块Ⅰ76、振动下块Ⅱ77、收回弹簧78、振动下块挡片79和推板710。其中，弹片限位滚筒75与外壳体2采用螺钉连接，作为推样机构7的固连机架；推杆丝杠71设置在弹片限位滚筒75的轴线位置处、与固定支架1的螺母结构12形成螺旋副；顶块72与弹片限位滚筒75采用螺纹连接；推出弹簧73的两端分别与顶块72和振动上块74连接；振动上块74在推出弹簧73的推力作用下，与弹片限位滚筒75通过台阶面贴合，形成机械限位；振动下块Ⅱ77通过轴承与弹片限位滚筒75连接，振动下块Ⅱ77和弹片限位滚筒75以轴承轴线相对转动；振动下块Ⅰ76与振动下块Ⅱ77之间装配连接；振动下块挡片79通过螺钉与振动下块Ⅰ76连接，收回弹簧78一端作用在振动下块挡片79，另一端作用在振动下块Ⅱ77；推板710安装在设置推杆丝杠71末端。

在本发明的一优选实施例中，如图4～10，顶块72上设置有：4个顶块凹槽721；振动上块74上设置有：4个凸起导向轨Ⅰ741、斜坡台Ⅰ742；振动下块Ⅱ77上设置有：斜坡台Ⅱ771和2个凸起导向轨Ⅱ772；振动下块Ⅰ76上设置有：2个豁口761；推杆丝杠71上设置有：2个丝杠凹槽711。

优选的，4个顶块凹槽721与4个凸起导向轨Ⅰ741对应配合，以使顶块72与振动上块74可相对轴线运动；当振动上块74在推出弹簧73的推力作用下与弹片限位滚筒75通过台阶面贴合时，斜坡台Ⅰ742顶面与斜坡台Ⅱ771底面贴合，斜坡台Ⅰ742底面与斜坡台Ⅱ771顶面贴合，形成摩擦传动副；振动下块Ⅱ77与振动下块Ⅰ76之间2个凸起导向轨Ⅱ772和2个豁口761装配，可沿着振动下块Ⅰ76轴线相对移动；振动下块Ⅱ77的2个凸起导向轨Ⅱ772同时与推杆丝杠71的2个丝杠凹槽711形成凸台-凹槽配合，振动下块Ⅱ77绕自身轴线回转运动可带动推杆丝杠71周向运动。

在本发明的一优选实施例中，如图11，弹片限位滚筒75外表面上等间隔均布有8个弹片滑腔751。其中，8个弹片8分别位于对应的8个弹片滑腔751内，8个弹片8可在8个弹片滑腔751内相对弹片限位滚筒75轴线作相对滑动。

在本发明的一优选实施例中，如图12，转动盘机构4具体可以包括：4个外滚轮41，8个内滚轮42和环架43。其中，转动盘机构4的4个外滚轮41等间隔均布在环架43的外侧表面上，与环架A3通过轴连接；8个内滚轮42等间隔均布在环架43的内侧表面上，与环架43通过轴连接；外滚轮41和内滚轮42均可绕自身轴线转动。

在本发明的一优选实施例中，如图13，外壳体2可以包括：4个竖直轨道槽21。其中，4个竖直轨道槽21等间隔周向均布在外壳体2内壁上；转动盘机构4的4个外滚轮41对应安装4个竖直轨道槽21内，可沿竖直轨道槽21在外壳体2内作相对升降运动。

在本发明的一优选实施例中，螺母5与转动盘挡片6通过螺钉机械连接，形成直径外端面凹槽结构；转动盘机构4的8个内滚轮42安装在直径外端面凹槽结构内。

在本发明的一优选实施例中，弹片丝杠3与弹片螺母5形成螺旋副，且，固定支架1的双肋结构11***弹片螺母5的双环槽51内；其中，当弹片丝杠3旋转，弹片螺母5在双环槽51作用下与弹片丝杠3无相对转动，至发生沿弹片螺母5轴线的相对运动。

其中，需要说明的是，弹片8的厚度可以为0.15mm～0.35mm，弹片8数量不仅限于8个，但一般不少于7个，本实施例对此不作限制。

实施例2

在上述实施例的基础上，本发明还公开了一种弹片式地外天体表层壤取样机构的取样方法，包括：通过电机驱动弹片丝杠3运动，弹片螺母5周向运动被固定支架1固定，弹片螺母5带动转动盘机构4沿机构轴线运动，弹片8与转动盘机构4固连，随转动盘机构4往复运动，完成弹片8的打开与关闭动作；通过电机驱动外壳体2往复运动，外壳体2带动弹片8沿周向拉锯式转动，弹片8的尖端形成对天体表层壤的切削作用，完成对样品的取样；在取样完成后，通过电机驱动弹片丝杠3运动，闭合弹片8；其中，每闭合一段设定行程，通过电机的往复式运动，驱动外壳体2带动弹片8沿周向拉锯式转动，以减少取样样品对弹片8的作用力。

在本发明的一优选实施例中，该弹片式地外天体表层壤取样机构的取样方法，还包括：将弹片式地外天体表层壤取样机构与机械臂连接；在取样开始前，通过机械臂将所述弹片式地外天体表层壤取样机构牵引至采样位置。

在本发明的一优选实施例中，该弹片式地外天体表层壤取样机构的取样方法，还包括：在取样完成后，当弹片8闭合完成时，通过机械臂牵引所述弹片式地外天体表层壤取样机构离开所述采样位置，并移动至放样位置，进行放样动作。

在本发明的一优选实施例中，所述放样动作，包括：打开弹片8，通过电机驱动外壳体2单向式运动，传动至推样机构7中推板710运动，将取样样品从所述弹片式地外天体表层壤取样机构中释放，完成放样操作。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种弹片式地外天体表层壤取样机构，其特征在于，包括：固定支架(1)、外壳体(2)、弹片丝杠(3)、转动盘机构(4)、弹片螺母(5)、转动盘挡片(6)、推样机构(7)和8个弹片(8)；其中，固定支架(1)，包括：位于中轴线位置的螺母结构(12)，以及设置在螺母结构(12)外侧的双肋结构(11)；

固定支架(1)设置在外壳体(2)内；

固定支架(1)分别与外壳体(2)和弹片丝杠(3)通过轴承连接，外壳体(2)和弹片丝杠(3)均可相对固定支架(1)轴线相对转动；

转动盘机构(4)的中心孔穿过双肋结构(11)后、水平设置在外壳体(2)内，可沿外壳体(2)内壁作相对升降运动；

弹片螺母(5)和转动盘挡片(6)设置在转动盘机构(4)与双肋结构(11)之间；其中，转动盘机构(4)可绕弹片螺母(5)轴线相对转动；

8个弹片(8)的底部分别通过螺钉连接在转动盘机构(4)上、顶部从外壳体(2)的底部伸出；

推样机构(7)设置在8个弹片(8)围成的腔体内、并通过螺母结构(12)与固定支架(1)连接；

推样机构(7)，包括：推杆丝杠(71)、顶块(72)、推出弹簧(73)、振动上块(74)、弹片限位滚筒(75)、振动下块Ⅰ(76)、振动下块Ⅱ(77)、收回弹簧(78)、振动下块挡片(79)和推板(710)；其中，弹片限位滚筒(75)与外壳体(2)采用螺钉连接，作为推样机构(7)的固连机架；推杆丝杠(71)设置在弹片限位滚筒(75)的轴线位置处、与固定支架(1)的螺母结构(12)形成螺旋副；顶块(72)与弹片限位滚筒(75)采用螺纹连接；推出弹簧(73)的两端分别与顶块(72)和振动上块(74)连接；振动上块(74)在推出弹簧(73)的推力作用下，与弹片限位滚筒(75)通过台阶面贴合，形成机械限位；振动下块Ⅱ(77)通过轴承与弹片限位滚筒(75)连接，振动下块Ⅱ(77)和弹片限位滚筒(75)以轴承轴线相对转动；振动下块Ⅰ(76)与振动下块Ⅱ(77) 之间装配连接；振动下块挡片(79)通过螺钉与振动下块Ⅰ(76)连接，收回弹簧(78)一端作用在振动下块挡片(79)，另一端作用在振动下块Ⅱ(77)；推板(710)安装在设置推杆丝杠(71)末端；

顶块(72)上设置有：4个顶块凹槽(721)；振动上块(74)上设置有：4个凸起导向轨Ⅰ(741)、斜坡台Ⅰ(742)；振动下块Ⅱ(77)上设置有：斜坡台Ⅱ(771)和2个凸起导向轨Ⅱ(772)；振动下块Ⅰ(76)上设置有：2个豁口(761)；推杆丝杠(71)上设置有：2个丝杠凹槽(711)；其中，4个顶块凹槽(721)与4个凸起导向轨Ⅰ(741)对应配合，以使顶块(72)与振动上块(74)可相对轴线运动；当振动上块(74)在推出弹簧(73)的推力作用下与弹片限位滚筒(75)通过台阶面贴合时，斜坡台Ⅰ(742)顶面与斜坡台Ⅱ(771)底面贴合，斜坡台Ⅰ(742)底面与斜坡台Ⅱ(771)顶面贴合，形成摩擦传动副；振动下块Ⅱ(77)与振动下块Ⅰ(76)之间2个凸起导向轨Ⅱ(772)和2个豁口(761)装配，可沿着振动下块Ⅰ(76)轴线相对移动；振动下块Ⅱ(77)的2个凸起导向轨Ⅱ(772)同时与推杆丝杠(71)的2个丝杠凹槽(711)形成凸台-凹槽配合，振动下块Ⅱ(77)绕自身轴线回转运动可带动推杆丝杠(71)周向运动。

2.根据权利要求1所述的弹片式地外天体表层壤取样机构，其特征在于，弹片限位滚筒(75)外表面上等间隔均布有8个弹片滑腔(751)；

8个弹片(8)分别位于对应的8个弹片滑腔(751)内，8个弹片(8)可在8个弹片滑腔(751)内相对弹片限位滚筒(75)轴线作相对滑动。

3.根据权利要求1所述的弹片式地外天体表层壤取样机构，其特征在于，转动盘机构(4)，包括：4个外滚轮(41)，8个内滚轮(42)和环架(43)；外壳体(2)，包括：4个竖直轨道槽(21)；

4个竖直轨道槽(21)等间隔周向均布在外壳体(2)内壁上；

弹片螺母(5)与转动盘挡片(6)通过螺钉机械连接，形成直径外端面凹槽结构；

转动盘机构(4)的4个外滚轮(41)等间隔均布在环架(43)的外侧表面上，与环架(43)通过轴连接；8个内滚轮(42)等间隔均布在环架(43)的内侧表面上，与环架(43)通过轴连接；其中，外滚轮(41)和内滚轮(42)均可绕自身轴线转动；

转动盘机构(4)的4个外滚轮(41)对应安装4个竖直轨道槽(21)内，可沿竖直轨道槽(21)在外壳体(2)内作相对升降运动；

转动盘机构(4)的8个内滚轮(42)安装在直径外端面凹槽结构内。

4.根据权利要求1所述的弹片式地外天体表层壤取样机构，其特征在于，弹片丝杠(3)与弹片螺母(5)形成螺旋副，且，固定支架(1)的双肋结构(11)***弹片螺母(5)的双环槽(51)内；其中，当弹片丝杠(3)旋转，弹片螺母(5)在双环槽(51)作用下与弹片丝杠(3)无相对转动，只 发生沿弹片螺母(5)轴线的相对运动。

5.一种如权利要求1所述的弹片式地外天体表层壤取样机构的取样方法，其特征在于，包括：

通过电机驱动弹片丝杠(3)运动，弹片螺母(5)周向运动被固定支架(1)固定，弹片螺母(5)带动转动盘机构(4)沿机构轴线运动，弹片(8)与转动盘机构(4)固连，随转动盘机构(4)往复运动，完成弹片(8)的打开与关闭动作；

通过电机驱动外壳体(2)往复运动，外壳体(2)带动弹片(8)沿周向拉锯式转动，弹片(8)的尖端形成对天体表层壤的切削作用，完成对样品的取样；

在取样完成后，通过电机驱动弹片丝杠(3)运动，闭合弹片(8)；其中，每闭合一段设定行程，通过电机的往复式运动，驱动外壳体(2)带动弹片(8)沿周向拉锯式转动，以减少取样样品对弹片(8)的作用力。

6.根据权利要求5所述的取样方法，其特征在于，还包括：将弹片式地外天体表层壤取样机构与机械臂连接；在取样开始前，通过机械臂将所述弹片式地外天体表层壤取样机构牵引至采样位置。

7.根据权利要求6所述的取样方法，其特征在于，还包括：在取样完成后，当弹片(8)闭合完成时，通过机械臂牵引所述弹片式地外天体表层壤取样机构离开所述采样位置，并移动至放样位置，进行放样动作。

8.根据权利要求7所述的取样方法，其特征在于，所述放样动作，包括：打开弹片(8)，通过电机驱动外壳体(2)单向式运动，传动至推样机构(7)中推板(710)运动，将取样样品从所述弹片式地外天体表层壤取样机构中释放，完成放样操作。

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