一种空间复杂地层深钻取样机器人及其方法技术

本发明专利技术涉及一种空间复杂地层深钻取样机器人及其方法，其主要分为锚固与解锚模块和岩屑回收取样模块。各模块相互配合，使机器人顺利完成深钻取样任务。取样机器人的工作过程可分为四个阶段：准备阶段、锚固注浆阶段、钻进取样阶段和脱离阶段。所述锚固与解锚模块为前后两根锚杆通过内外螺纹紧密连接在一起，由自动续杆装置实现锚固长度的增加，锚杆尾部外螺纹与下降的内螺纹套管连接以实现机器人和地面的锁定，反之则分离。所述浅深层取样装置为可整体替换的密闭容器，阀门开口方向固定，控制岩屑只进不出，收集完毕后容器密封，取出后可进行后续分析。本发明专利技术提供的空间复杂地层深钻取样机器人，能够实现深部钻进，提高取样效率及质量。

A sampling robot and its method for deep drilling in complex space

【技术实现步骤摘要】
一种空间复杂地层深钻取样机器人及其方法
本专利技术属于空间复杂地层取样
，尤其涉及一种空间复杂地层深钻取样机器人及其方法。
技术介绍
近年来，太阳系深空探测活动方兴未艾，小行星探测研究尤为活跃。这一切，离不开行星地层土壤和岩石的采样与分析，利用合适的取样机构获取小行星原位样品并加以分析，对于太空研究至关重要。从现行探测情况和实践结果看，由于小行星地质条件的复杂，钻进取样过程中碰到了难题：(1)卡钻、埋钻现象，严重阻碍了钻进过程的推进和深入。(2)钻进过程产生剧烈波动，影响了钻进操作的稳定性和样品的收集。(3)岩层复杂、硬岩破碎较为困难，出现“钻不动”的“钻阻”现象。(4)排屑不畅、钻具升温过快，导致钻具“失灵”的问题。如何破解困扰与障碍，改进和完善复杂地层深钻取样机构已经成为顺利开展深空探测亟待解决的一项关键技术。由于空间探测任务的特殊性，研制作业稳定、能耗较低、功能全面的新型自动取样机构势在必行又迫在眉睫。
技术实现思路
为了解决复杂地层深钻取样中可能出现的技术问题，本专利技术提供了一种空间复杂地层深钻取样机器人及其方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种空间复杂地层深钻取样机器人，其主要包括：锚固与解锚模块和岩屑回收取样模块，各模块相互配合，使机器人顺利完成深钻取样任务；其特征在于：所述锚固与解锚模块实现机器人与地面的紧密连接，使整个结构达到稳定，为中心钻杆深钻取样提供条件，任务完成后可实现机器人与地面的分离；所述岩屑回收取样模块分为浅层取样和深层取样，位于两侧的岩屑通过锚杆外围的导液螺纹上升至两侧取样盒，经蜗杆传动后被充分收集；位于中心处的岩屑在高速液氮射流冲击下上升至中心取样盒被回收，所有取样盒均为可整体替换的密闭容器，可取出进行后续分析；优选地，所述锚固与解锚模块的锚杆的首端外部具有锥形螺纹，尾端的内外两侧均具备螺纹，前一根锚杆尾端的内螺纹与后一根锚杆首端的外螺纹嵌套连接，从而前后两根锚杆的连接更加紧密，锚固长度得以增加。取样机器人和地面进行锁定时，驱动装置正转，控制具有内螺纹的套管竖直下降，与离地面最近的锚杆尾端的外螺纹连接，通过内外嵌套，机器人与地面形成一个紧密的整体。当一处取样完毕时，驱动装置反转，控制具有内螺纹的套管竖直上升，锚杆留在地下，从而实现机器人与地面的分离。锚杆与地面通过凝固后的浆液固连；锚杆未注浆时，限位装置的条状传感器处于收缩状态，位于装置内部，并未触及地面；开始注浆时，在驱动装置的控制下，传感器竖直下降，当注浆液面到达传感器长度的至少二分之一处时，系统控制停止注浆；如此可避免未注浆时，传感器与地面接触过多而损坏，也可提高注浆效率，防止浪费浆液。优选地，所述岩屑回收取样模块分为浅层取样装置和深层取样装置。所述浅层取样装置布置于机器人本体两侧；岩屑通过锚杆外围的导液螺纹经通道上升至顶部的取样盒，进入取样盒后通过上端的蜗杆导入岩屑收集盒回收，底部驱动装置推动插板将开口封闭，封口处设有密闭橡胶圈，密封完成后，可将取样盒整体替换。所述深层取样装置布置于机器人本体的中心部附近，主要用于深层取样，中心处的钻杆为中空结构，通过N2液压泵向钻杆中部注入液氮射流，在高速射流的冲击下，岩屑通过钻杆两侧的通道上升至中心取样盒，气体在泵的作用下被吸入右侧的净化装置，实现了N2的循环利用；岩屑在取样盒中经破碎分离装置作用后被筛分为浅层岩屑和深层岩屑，二者被回收于不同的取样盒，底部和右侧的驱动装置推动插板将开口封闭，封口处设有密闭橡胶圈，密封完成后，可将取样盒整体替换。优选地，取样机器人还包括驱动系统，驱动系统布置于机器人的本体下部；驱动系统包括发电系统，发电系统采用太阳能发电的方式；发电系统由设置在机器人本体部分两侧的两块可折叠的伞状太阳能吸收板组成，其将太阳辐射转化为电能，供驱动系统使用。优选地，所述浆液为水泥液。优选地，机器人的两侧各设有一只机械手臂，可以灵活地伸缩转动，辅助主体的平衡，可进行一些简单的抓取工作，同时手臂上设置了多种传感器及高清摄像头，可将获取到的行星表面情况传回控制中心进行分析处理。所述取样方法包括如下步骤：S1准备阶段：机器人被准运至目标行星表面，着陆后在行进系统的控制下，其行进过程可实现不同的功能。抵达指定位置后，位于两侧的四个钻头下降，两侧钻进工作开始。S2锚固注浆阶段：钻进全程为无水钻进。钻进一定深度后，打入首尾均开有小孔的中空注浆锚杆，前后两根锚杆通过内外螺纹紧密连接在一起，锚杆尾部外螺纹用以实现机器人和地面的锁定以及分离。当需要换接锚杆时，自动续杆装置工作，完成续杆。确定地面以下锚固长度后，位于两侧的驱动装置控制一个直径与钻头等宽的套管下降至与地面平齐，用以形成后续岩屑回收的通道。近地面处的每个驱动装置正转，控制内螺纹套管下降，与离地面最近的锚杆末端通过内外螺纹连接在一起，实现机器人与地面的锁定。岩屑通过锚杆外围的导液螺纹经两侧通道进入上方取样盒，在蜗杆的驱动下，岩屑得以充分回收。收集完毕后，取样盒密封，驱动装置反转，控制直径与钻头等宽的套管回升。水泥浆通过注浆泵由锚杆内部空心通道注入，经锚杆底部的开口注入岩体。近地面处设置有液体限位装置，当注浆液面到达传感器长度的至少二分之一处时，系统控制停止注浆。S3钻进取样阶段：四周锚固完成后，位于中心处的闸门打开，中心钻头下钻。此处也设置了类似两侧的自动续杆装置，实现深部钻进。位于中心处的驱动装置控制一个直径与中心钻头等宽的套管下降至与地面平齐，用以形成后续岩屑回收的通道。液压泵向钻杆中部注入液氮射流，在高速射流的冲击下，岩屑通过钻杆两侧的通道上升至中心取样盒，气体在泵的作用下被吸入右侧的净化装置，保证纯净的N2进入液压泵，实现N2的循环利用。岩屑在取样盒中被搅拌、破碎，最终留在盒中，之后容器密封，取出后可进行后续分析。此后，中心驱动装置反转，控制直径与中心钻头等宽的套管回升。S4脱离阶段：实现一处钻进取样后，中心钻杆回收再利用，两侧锚杆则留在地下。锚固注浆处的四个驱动装置反转，控制内螺纹套管上升，从而实现机器人与地面的分离，机器人前往下处取样点。附图说明图1为本专利技术的整体结构示意图。图2为两侧取样盒(设置于浅层取样装置)的剖面图。图3为中心取样盒(设置于深层取样装置)的剖面图。图4为锚固与解锚模块的结构示意图。图5为取样机器人整体结构侧视图。图6为取样机器人作业流程图。图中：1-控制系统，2-两侧闸门，3-中空注浆锚杆，4-杆件储存库，5-机械抓手，6-滑轨，7-推动装置，8-平面限位装置，9-挡板，10-两侧锚杆储存库的输送电机，11-支撑挡板，12-控制具有内螺纹的套管升降的驱动装置，13-两侧取样盒，14-注浆泵，15-液体限位装置，16-中心闸门，17-中心钻杆，18-N2液压泵，19-中心取样盒，20-净化装置，21-N2储气瓶，22-机械手臂，23-减震装置，24-储浆瓶，25-控制形成两侧回收通道的驱动装置，26-套管，27-仿生腿，28-中心钻杆储存库的输送本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空间复杂地层深钻取样机器人，其主要包括：锚固与解锚模块和岩屑回收取样模块，各模块相互配合，使机器人顺利完成深钻取样任务；其特征在于：所述锚固与解锚模块实现机器人与地面的紧密连接，使整个结构达到稳定，为中心钻杆深钻取样提供条件，任务完成后可实现机器人与地面的分离；所述岩屑回收取样模块分为浅层取样和深层取样，位于两侧的岩屑通过锚杆外围的导液螺纹上升至两侧取样盒，经蜗杆传动后被充分收集；位于中心处的岩屑在高速液氮射流冲击下上升至中心取样盒被回收，所有取样盒均为可整体替换的密闭容器，可取出进行后续分析；/n所述锚固与解锚模块，其特征在于：/nA.每一根锚杆的首端外部具有锥形螺纹，尾端的内外两侧均具备螺纹，前一根锚杆尾端的内螺纹与后一根锚杆首端的外螺纹嵌套连接，从而前后两根锚杆的连接更加紧密，锚固长度得以增加；/nB.取样机器人和地面进行锁定时，驱动装置(12)正转，控制具有内螺纹(15-4)的套管(15-3)竖直下降，与离地面最近的锚杆尾端的外螺纹(15-5)连接，通过内外嵌套，机器人与地面形成一个紧密的整体；/nC.当一处取样完毕时，驱动装置(12)反转，控制具有内螺纹(15-4)的套管(15-3)竖直上升，锚杆留在地下，从而实现机器人与地面的分离；/nD.锚杆与地面通过凝固后的浆液固连；锚杆未注浆时，限位装置(15)的条状传感器(15-1)处于收缩状态，位于装置内部，并未触及地面；开始注浆时，在驱动装置(15-2)的控制下，传感器(15-1)竖直下降，当注浆液面到达传感器长度的至少二分之一处时，系统控制停止注浆；如此可避免未注浆时，传感器与地面接触过多而损坏，也可提高注浆效率，防止浪费浆液；/n所述岩屑回收取样模块，其特征在于：/nA.所述岩屑回收取样模块分为浅层取样装置和深层取样装置；/nB.所述浅层取样装置布置于机器人本体两侧；岩屑通过锚杆外围的导液螺纹经通道上升至顶部的取样盒(13)，进入取样盒(13)后通过上端的蜗杆(13-1)导入岩屑收集盒回收，底部驱动装置(13-2)推动插板(13-3)将开口封闭，封口处设有密闭橡胶圈(13-4)，密封完成后，可将取样盒整体替换；/nC.所述深层取样装置布置于机器人本体的中心部附近，主要用于深层取样，中心处的钻杆(17)为中空结构，通过N...

【技术特征摘要】
1.一种空间复杂地层深钻取样机器人，其主要包括：锚固与解锚模块和岩屑回收取样模块，各模块相互配合，使机器人顺利完成深钻取样任务；其特征在于：所述锚固与解锚模块实现机器人与地面的紧密连接，使整个结构达到稳定，为中心钻杆深钻取样提供条件，任务完成后可实现机器人与地面的分离；所述岩屑回收取样模块分为浅层取样和深层取样，位于两侧的岩屑通过锚杆外围的导液螺纹上升至两侧取样盒，经蜗杆传动后被充分收集；位于中心处的岩屑在高速液氮射流冲击下上升至中心取样盒被回收，所有取样盒均为可整体替换的密闭容器，可取出进行后续分析；
所述锚固与解锚模块，其特征在于：
A.每一根锚杆的首端外部具有锥形螺纹，尾端的内外两侧均具备螺纹，前一根锚杆尾端的内螺纹与后一根锚杆首端的外螺纹嵌套连接，从而前后两根锚杆的连接更加紧密，锚固长度得以增加；
B.取样机器人和地面进行锁定时，驱动装置(12)正转，控制具有内螺纹(15-4)的套管(15-3)竖直下降，与离地面最近的锚杆尾端的外螺纹(15-5)连接，通过内外嵌套，机器人与地面形成一个紧密的整体；
C.当一处取样完毕时，驱动装置(12)反转，控制具有内螺纹(15-4)的套管(15-3)竖直上升，锚杆留在地下，从而实现机器人与地面的分离；
D.锚杆与地面通过凝固后的浆液固连；锚杆未注浆时，限位装置(15)的条状传感器(15-1)处于收缩状态，位于装置内部，并未触及地面；开始注浆时，在驱动装置(15-2)的控制下，传感器(15-1)竖直下降，当注浆液面到达传感器长度的至少二分之一处时，系统控制停止注浆；如此可避免未注浆时，传感器与地面接触过多而损坏，也可提高注浆效率，防止浪费浆液；
所述岩屑回收取样模块，其特征在于：
A.所述岩屑回收取样模块分为浅层取样装置和深层取样装置；
B.所述浅层取样装置布置于机器人本体两侧；岩屑通过锚杆外围的导液螺纹经通道上升至顶部的取样盒(13)，进入取样盒(13)后通过上端的蜗杆(13-1)导入岩屑收集盒回收，底部驱动装置(13-2)推动插板(13-3)将开口封闭，封口处设有密闭橡胶圈(13-4)，密封完成后，可将取样盒整体替换；
C.所述深层取样装置布置于机器人本体的中心部附近，主要用于深层取样，中心处的钻杆(17)为中空结构，通过N2液压泵(18)向钻杆中部注入液氮射流，在高速射流的冲击下，岩屑通过钻杆两侧的通道上升至中心取样盒(19)，气体在泵的作用下被吸入右侧的净化装置(20)，实现了N2的循环利用；岩屑在取样盒中经破碎分离装置(19-5)作用后被筛分为浅层岩屑和深层岩屑，浅层岩屑最终留在了收集盒(19-6)中，深层岩屑则被回收于收集盒(19-7)，底部和右侧的驱动装置(19-1)推动插板(19-2)将开口封闭，封口处设有密闭橡胶圈(19-3)，密封完成后，可将取样盒整体替换。


2.根据权利要求1所述的一种空间复杂地层深钻取样机器人，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓峰，黄彦如，肖贝尧，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11