CN111947962B - 一种适用于地外天体的胶带吸附采样器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于地外天体的胶带吸附采样器，属于星体采样技术领域；包括支架、发卷轮、收卷轮、胶带、第一电机、第二电机、2个冷推气瓶、压紧机构和二维码识别器；压紧机构设置在支架上表面的中部；二维码识别器设置在支架下表面的中部；2个冷推气瓶对称设置在压紧机构的两侧；发卷轮和收卷轮对称设置在支架的上表面；第一电机与发卷轮同轴对接；第二电机与收卷轮同轴对接；胶带缠绕在发卷轮上，胶带的起始端绕过压紧机构的底部后与收卷轮固连；胶带的终止端与发卷轮固连；本发明利用胶带粘取(或吸附)的方式将地外天体表层物质收纳到胶带卷中，进一步实现采集与收纳，具有采样时间短、星表适应性强、可重复采样，反作用力小的特点。

Description

一种适用于地外天体的胶带吸附采样器

技术领域

本发明属于星体采样技术领域，涉及一种适用于地外天体的胶带吸附采样器。

背景技术

地外天体探测对于我国“开辟新疆域、揭示生命起源、推动技术进步、开发天然资源、保护地球安全”具有显著意义，地外探测器或者飞越，或者绕飞，或者着陆，或者采样返回，以不同的形式对小天体进行科学探测，其中采样是探测活动的核心技术手段，样品返回地球后可在实验室内进行最全面直接的科学研究，目前地外天体采样需要采样器具有地质特性适应性强、反作用力低、采样迅速等特点。

在月球与火星上常用的采样技术包括钻取、机械臂铲挖、研磨和抓取等，但采样反作用力大且采样时间长，日本隼鸟号(Hayabusa)2005年对糸川小行星进行了采样，采用了射弹撞击后容纳回收的方法，但采样量极其微小。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种适用于地外天体的胶带吸附采样器，利用胶带粘取(或吸附)的方式将地外天体表层物质收纳到胶带卷中，进一步实现采集与收纳，具有采样时间短、星表适应性强、可重复采样，反作用力小的特点。

本发明解决技术的方案是：

一种适用于地外天体的胶带吸附采样器，包括支架、发卷轮、收卷轮、胶带、第一电机、第二电机、2个冷推气瓶、压紧机构和二维码识别器；其中，支架为水平放置的U形框架；压紧机构设置在支架上表面的中部，且压紧机构竖直向下伸出支架；二维码识别器设置在支架下表面的中部；2个冷推气瓶对称设置在压紧机构的两侧，且2个冷推气瓶设置在支架的上表面；发卷轮和收卷轮对称设置在支架的上表面；且发卷轮和收卷轮位于2个冷推气瓶的外侧；第一电机与发卷轮同轴对接，实现驱动发卷轮转动；第二电机与收卷轮同轴对接，实现驱动收卷轮转动；胶带缠绕在发卷轮上，胶带的起始端绕过压紧机构的底部后与收卷轮固连；胶带的终止端与发卷轮固连。

在上述的一种适用于地外天体的胶带吸附采样器，所述压紧机构包括固定杆、中心轴、2个支撑腿、2个导向轮和簧片；其中，固定杆为竖直放置的杆状结构；固定杆的顶部与支架固定连接；固定杆的底部设置有中心轴；2个支撑腿的顶部均套装在中心轴上；2个支撑腿对称呈倒V形分布，实现2个支撑腿绕中心轴旋转；2个支撑腿之间夹角处设置有簧片，实现对2个支撑腿相对位置的解锁和限位；每个支撑腿的底部对应设置有1个导向轮。

在上述的一种适用于地外天体的胶带吸附采样器，所述胶带的起始端绕过压紧机构中的2个导向轮后与收卷轮固连；胶带对应2个导向轮位置的下表面实现对外部星表星壤的采集。

在上述的一种适用于地外天体的胶带吸附采样器，所述胶带吸附采样器的工作过程为：

启动第二电机带动收卷轮逆时针转动，收卷轮实现将缠绕在发卷轮上的胶带转移至缠绕在收卷轮上，在胶带的移动过程中，经过2个导向轮下方的胶带完成对外部星表的星壤采集。

在上述的一种适用于地外天体的胶带吸附采样器，当缠绕在发卷轮上的胶带全部转移至收卷轮后，关闭第二电机，启动第一电机带动发卷轮顺时针转动，发卷轮实现将缠绕在收卷轮上的胶带反向转移至缠绕在发卷轮上；在胶带的移动过程中，经过2个导向轮下方的胶带完成对外部星表星壤的反向再次采集。

在上述的一种适用于地外天体的胶带吸附采样器，当胶带在发卷轮和收卷轮之间传输过程中，出现过紧或松动时，通过压紧机构实现对胶带的松紧进行调整。

在上述的一种适用于地外天体的胶带吸附采样器，压紧机构的调整过程为：解锁簧片，2个支撑腿对称绕中心轴旋转，实现2个导向轮对胶带的松紧进行调整；调整完成后，锁紧簧片实现对2个导向轮相对位置的限位锁死。

在上述的一种适用于地外天体的胶带吸附采样器，所述胶带沿竖直方向从上至下依次分为二维码层、基体层和功能层；基体层为连接层；二维码层设置在基体层顶部；功能层设置在基体层底部；当胶带进行星壤采集时，二维码层指向竖直向上方向，通过二维码识别器对二维码层进行识别，实现对胶带移动长度的测量；功能层与外部星表接触，实现对星壤采集。

在上述的一种适用于地外天体的胶带吸附采样器，所述功能层沿胶带宽度方向依次设置有第一薄胶区、第一厚胶区、尼龙搭扣区、第二厚胶区、倒刺区、第二薄胶区、细砂纸区、第三厚胶区、粗砂纸区和第三薄胶区；其中，第一薄胶区、第二薄胶区、第三薄胶区均采用涂胶工艺，胶层厚度均为0.2mm；第一厚胶区、第二厚胶区、第三厚胶区均采用涂胶工艺，胶层厚度均为1mm；粗砂纸区的目数为80目；细砂纸区的目数为800目；倒刺区的倒刺长度为3mm；尼龙搭扣区采用GB/T 23315-2009的尼龙搭扣钩面带。

在上述的一种适用于地外天体的胶带吸附采样器，在采样器采集星壤的过程中，2个冷推气瓶竖直向上喷气，对采样器施加向下反作用力，实现胶带的功能层与外部星表紧密接触，增加采样效率。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)与现有地外天体采样技术相比，本发明采用胶带作为收集载体，通过粘取(或吸附)的方式对地外天体表层物质进行采集，具有反作用力小的特点；

(2)本发明中胶带表面采用分区设计，不同区域实现不同的收集功能：若行星表面为松散的浮尘，可利用胶质区直接进行粘取收集；若行星表面为较小的风化层颗粒，可利用倒钩区对颗粒进行吸附收集；若行星表面为坚硬的岩石层，可在砂纸区对表层进行打磨后再采用胶质区进行粘取收集，可适应不同的采样对象；

(3)本发明中双轮协同驱动，在不同的工作阶段实现胶带的往复、单向运动，可实现重复采样；

(4)本发明采用胶带作为收集载体的同时也作为传递载体，通过胶带的不断运动将收集的样品带入收集卷中，胶带收集卷对采集的样品起到固定与密封的作用；

(5)本发明中的胶带通过压紧导向机构实现接触面积及压强的调节，接触面积及压强可调提高了对采样对象的适应性。

附图说明

图1为本发明胶带吸附采样器整体示意图；

图2为本发明压紧机构示意图；

图3为本发明胶带分层示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明克服现有技术的不足，提供了一种适用于地外天体的胶带吸附采样器，采样器利用胶带粘取(或吸附)的方式将地外天体表层物质收纳到胶带卷中，进一步实现采集与收纳。采样器可以适应探测器附着与接触采样，具有采样时间短、星表适应性强、可重复采样，反作用力小的特点。

本发明设计的胶带吸附采样器，如图1所示，具体包括支架1、发卷轮2、收卷轮3、胶带4、第一电机5、第二电机6、2个冷推气瓶7、压紧机构8和二维码识别器9；整个采样器的包络尺寸为：长312.5mm，宽90mm，高100mm。支架1作为胶带吸附采样器的整体框架支撑结构，支架1为水平放置的U形框架；压紧机构8设置在支架1上表面的中部，且压紧机构8竖直向下伸出支架1；二维码识别器9设置在支架1下表面的中部；2个冷推气瓶7对称设置在压紧机构8的两侧，且2个冷推气瓶7设置在支架1的上表面；发卷轮2和收卷轮3对称设置在支架1的上表面；且发卷轮2和收卷轮3位于2个冷推气瓶7的外侧；第一电机5与发卷轮2同轴对接，实现驱动发卷轮2转动；第二电机6与收卷轮3同轴对接，实现驱动收卷轮3转动；胶带4缠绕在发卷轮2上，胶带4的起始端绕过压紧机构8的底部后与收卷轮3固连；胶带4的终止端与发卷轮2固连。

发卷轮2和收卷轮3主要用于保证胶带4在一定的拉力作用下进行双向运动。发卷轮2和收卷轮3均采用电机驱动，与二维码识别器9配合，在不同的工作阶段实现胶带的往复、单向运动。第一电机5第二电机6中，在一个电机驱动的时候，另一个电机从动并提供一定的反向力，以保证胶带4运动时一直保持张紧状态。

压紧机构8具体结构如图2所示，包括固定杆81、中心轴82、2个支撑腿83、2个导向轮84和簧片85；其中，固定杆81为竖直放置的杆状结构；固定杆81的顶部与支架1固定连接；固定杆81的底部设置有中心轴82；2个支撑腿83的顶部均套装在中心轴82上；2个支撑腿83对称呈倒V形分布，实现2个支撑腿83绕中心轴82旋转；2个支撑腿83之间夹角处设置有簧片85，实现对2个支撑腿83相对位置的解锁和限位；每个支撑腿83的底部对应设置有1个导向轮84。胶带4的起始端绕过压紧机构8中的2个导向轮84后与收卷轮3固连；胶带4对应2个导向轮84位置的下表面实现对外部星表星壤的采集。压紧机构8主要用来调整2个导向轮84位置，并且对胶带4表面施加一定的压力，使胶带4与外部星表保持良好的接触，保证粘取时的粘附力度。导向轮主要用来保证胶带的平滑运动。

压紧机构8主要用来调整导向轮84位置，并且对胶带4表面施加一定的压力，使其与地外天体表面保持良好的接触，保证粘取时的粘附力度。导向轮84主要用来保证胶带4的平滑运动。

胶带吸附采样器的工作过程为：

启动第二电机6带动收卷轮3逆时针转动，收卷轮3实现将缠绕在发卷轮2上的胶带4转移至缠绕在收卷轮3上，在胶带4的移动过程中，经过2个导向轮84下方的胶带4完成对外部星表的星壤采集。当缠绕在发卷轮2上的胶带4全部转移至收卷轮3后，关闭第二电机6，启动第一电机5带动发卷轮2顺时针转动，发卷轮2实现将缠绕在收卷轮3上的胶带4反向转移至缠绕在发卷轮2上；在胶带4的移动过程中，经过2个导向轮84下方的胶带4完成对外部星表星壤的反向再次采集。

当胶带4在发卷轮2和收卷轮3之间传输过程中，出现过紧或松动时，通过压紧机构8实现对胶带4的松紧进行调整。压紧机构8的调整过程为：解锁簧片85，2个支撑腿83对称绕中心轴82旋转，实现2个导向轮84对胶带4的松紧进行调整；调整完成后，锁紧簧片85实现对2个导向轮84相对位置的限位锁死。当2个支撑腿83收拢时，实现胶带4与地外天体表面的小面积接触，增大磨削时的压强；当2个支撑腿83张开时，实现胶带4的大面积粘附功能；可以提高粘附与倒刺收纳的效果。

采样器与外部行星表面接触后，胶带4由压紧机8构推出，胶带4在导向轮84的作用下多点贴附至行星表面，随后启动收卷轮3使之带动胶带4运动，完成取样与收集。此外，在采样器采集星壤的过程中，2个冷推气瓶7竖直向上喷气，对采样器施加向下反作用力，实现胶带4的功能层43与外部星表紧密接触，增加采样效率。

采样器还设置有样品检测器，样品检测器用来实时探测胶带表面的粘附密度，并将信号实时反馈到收卷轮。当粘附密度较低时，降低胶带传送速度；当胶带表面未探测到粘附物质时自动停止采集，防止胶带的浪费。

为了尽可能多地对不同形态的行星壤进行收集，胶带4下表面采用分区设计，不同区域实现不同的收集功能：若行星表面为松散的浮尘，可利用胶质区直接进行粘取收集；若行星表面为较小的风化层颗粒，可利用倒钩区对颗粒进行吸附收集；若行星表面为坚硬的岩石层，可在砂纸区对表层进行打磨后再采用胶质区进行粘取收集。具体如图3所示，胶带4沿竖直方向从上至下依次分为二维码层41、基体层42和功能层43；基体层42为连接层；二维码层41设置在基体层42顶部；功能层43设置在基体层42底部；当胶带4进行星壤采集时，二维码层41指向竖直向上方向，通过二维码识别器9对二维码层41进行识别，实现对胶带4移动长度的测量；功能层43与外部星表接触，实现对星壤采集。二维码识别器9用来实时反馈胶带4运动位置。其中，功能层43沿胶带4宽度方向依次设置有第一薄胶区431、第一厚胶区432、尼龙搭扣区433、第二厚胶区434、倒刺区435、第二薄胶区436、细砂纸区437、第三厚胶区438、粗砂纸区439和第三薄胶区440；其中，第一薄胶区431、第二薄胶区436、第三薄胶区440均采用涂胶工艺，胶层厚度均为0.2mm；第一厚胶区432、第二厚胶区434、第三厚胶区438均采用涂胶工艺，胶层厚度均为1mm；粗砂纸区439的目数为80目；细砂纸区437的目数为800目；倒刺区435的倒刺长度为3mm；尼龙搭扣区433采用GB/T 23315-2009的尼龙搭扣钩面带。

工作原理

(1)采用胶带4作为收集载体，通过粘取(或吸附)的方式采样

探测器逐渐下落目标表面时，伸出采样器与天体表面接触，当采样器接触到表面时，通过胶带4扫略的方式，将星壤粘附至胶带表面。

(2)胶带4吸附样品同时也作为传递载体

通过胶带4的不断运动将收集的样品带入收集卷中，胶带收集卷对采集的样品起到固定与密封的作用。

(3)双轮协同驱动，实现重复采样

胶带4由发卷轮2和收卷轮3的两个电机驱动，并且搭配胶带背面的二维码层41可以实现胶带4的前进、后退与反复摩擦等动作，可实现重复采样。两个电机中，在一个电机驱动的时候，另一个电机从动并提供一定的反向力，以保证胶带4运动时一直保持张紧状态。

(4)分区式胶带4设计适应不同的采样对象

胶带4的下表面采用分区设计，不同区域实现不同的收集功能：若行星表面为松散的浮尘，可利用胶质区直接进行粘取收集；若行星表面为较小的风化层颗粒，可利用倒钩区对颗粒进行吸附收集；若行星表面为坚硬的岩石层，可在砂纸区对表层进行打磨后再采用胶质区进行粘取收集，可适应不同的采样对象。

(5)接触面积及压强可调提高对采样对象的适应性

胶带4通过压紧机构8实现接触面积及压强的调节。压紧机构8主要用来调整2个导向轮84的相对位置，并且对胶带4表面施加一定的压力，使其与地外天体表面保持良好的接触，保证粘取时的粘附力度。导向轮84主要用来保证胶带4的平滑运动。

(6)胶带运动位置及表面粘附密度实时传感技术

二维码识别器9用来实时反馈胶带4运动位置。样品检测器用来实时探测胶带4表面的粘附密度，并将信号实时反馈到收卷轮3。当粘附密度较低时，降低胶带4传送速度；当胶带4表面未探测到粘附物质时自动停止采集，防止胶带4的浪费。

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。

Claims (9)

1.一种适用于地外天体的胶带吸附采样器，其特征在于：包括支架(1)、发卷轮(2)、收卷轮(3)、胶带(4)、第一电机(5)、第二电机(6)、2个冷推气瓶(7)、压紧机构(8)和二维码识别器(9)；其中，支架(1)为水平放置的U形框架；压紧机构(8)设置在支架(1)上表面的中部，且压紧机构(8)竖直向下伸出支架(1)；二维码识别器(9)设置在支架(1)下表面的中部；2个冷推气瓶(7)对称设置在压紧机构(8)的两侧，且2个冷推气瓶(7)设置在支架(1)的上表面；发卷轮(2)和收卷轮(3)对称设置在支架(1)的上表面；且发卷轮(2)和收卷轮(3)位于2个冷推气瓶(7)的外侧；第一电机(5)与发卷轮(2)同轴对接，实现驱动发卷轮(2)转动；第二电机(6)与收卷轮(3)同轴对接，实现驱动收卷轮(3)转动；胶带(4)缠绕在发卷轮(2)上，胶带(4)的起始端绕过压紧机构(8)的底部后与收卷轮(3)固连；胶带(4)的终止端与发卷轮(2)固连；

所述胶带(4)沿竖直方向从上至下依次分为二维码层(41)、基体层(42)和功能层(43)；基体层(42)为连接层；二维码层(41)设置在基体层(42)顶部；功能层(43)设置在基体层(42)底部；当胶带(4)进行星壤采集时，二维码层(41)指向竖直向上方向，通过二维码识别器(9)对二维码层(41)进行识别，实现对胶带(4)移动长度的测量；功能层(43)与外部星表接触，实现对星壤采集。

2.根据权利要求1所述的一种适用于地外天体的胶带吸附采样器，其特征在于：所述压紧机构(8)包括固定杆(81)、中心轴(82)、2个支撑腿(83)、2个导向轮(84)和簧片(85)；其中，固定杆(81)为竖直放置的杆状结构；固定杆(81)的顶部与支架(1)固定连接；固定杆(81)的底部设置有中心轴(82)；2个支撑腿(83)的顶部均套装在中心轴(82)上；2个支撑腿(83)对称呈倒V形分布，实现2个支撑腿(83)绕中心轴(82)旋转；2个支撑腿(83)之间夹角处设置有簧片(85)，实现对2个支撑腿(83)相对位置的解锁和限位；每个支撑腿(83)的底部对应设置有1个导向轮(84)。

3.根据权利要求2所述的一种适用于地外天体的胶带吸附采样器，其特征在于：所述胶带(4)的起始端绕过压紧机构(8)中的2个导向轮(84)后与收卷轮(3)固连；胶带(4)对应2个导向轮(84)位置的下表面实现对外部星表星壤的采集。

4.根据权利要求1-3之一所述的一种适用于地外天体的胶带吸附采样器，其特征在于：所述胶带吸附采样器的工作过程为：

启动第二电机(6)带动收卷轮(3)逆时针转动，收卷轮(3)实现将缠绕在发卷轮(2)上的胶带(4)转移至缠绕在收卷轮(3)上，在胶带(4)的移动过程中，经过2个导向轮(84)下方的胶带(4)完成对外部星表的星壤采集。

5.根据权利要求4所述的一种适用于地外天体的胶带吸附采样器，其特征在于：当缠绕在发卷轮(2)上的胶带(4)全部转移至收卷轮(3)后，关闭第二电机(6)，启动第一电机(5)带动发卷轮(2)顺时针转动，发卷轮(2)实现将缠绕在收卷轮(3)上的胶带(4)反向转移至缠绕在发卷轮(2)上；在胶带(4)的移动过程中，经过2个导向轮(84)下方的胶带(4)完成对外部星表星壤的反向再次采集。

6.根据权利要求5所述的一种适用于地外天体的胶带吸附采样器，其特征在于：当胶带(4)在发卷轮(2)和收卷轮(3)之间传输过程中，出现过紧或松动时，通过压紧机构(8)实现对胶带(4)的松紧进行调整。

7.根据权利要求6所述的一种适用于地外天体的胶带吸附采样器，其特征在于：压紧机构(8)的调整过程为：解锁簧片(85)，2个支撑腿(83)对称绕中心轴(82)旋转，实现2个导向轮(84)对胶带(4)的松紧进行调整；调整完成后，锁紧簧片(85)实现对2个导向轮(84)相对位置的限位锁死。

8.根据权利要求7所述的一种适用于地外天体的胶带吸附采样器，其特征在于：所述功能层(43)沿胶带(4)宽度方向依次设置有第一薄胶区(431)、第一厚胶区(432)、尼龙搭扣区(433)、第二厚胶区(434)、倒刺区(435)、第二薄胶区(436)、细砂纸区(437)、第三厚胶区(438)、粗砂纸区(439)和第三薄胶区(440)；其中，第一薄胶区(431)、第二薄胶区(436)、第三薄胶区(440)均采用涂胶工艺，胶层厚度均为0.2mm；第一厚胶区(432)、第二厚胶区(434)、第三厚胶区(438)均采用涂胶工艺，胶层厚度均为1mm；粗砂纸区(439)的目数为80目；细砂纸区(437)的目数为800目；倒刺区(435)的倒刺长度为3mm；尼龙搭扣区(433)采用GB/T 23315-2009的尼龙搭扣钩面带。

9.根据权利要求8所述的一种适用于地外天体的胶带吸附采样器，其特征在于：在采样器采集星壤的过程中，2个冷推气瓶(7)竖直向上喷气，对采样器施加向下反作用力，实现胶带(4)的功能层(43)与外部星表紧密接触，增加采样效率。

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