仿生可避障大深度星际采样器及采样方法技术

本发明专利技术涉及一种仿生可避障大深度星际采样器及采样方法，包括驱动外套、储料仓和挖掘头，储料仓安装于驱动外套的内部，挖掘头安装于驱动外套的底部，驱动外套包括若干个竖向排列的外套鳞片层，储料仓包括若干个竖向排列的储料仓单元和位于底部的花瓣式仓底，挖掘头为开合式花瓣状结构，驱动外套与挖掘头表面设置减阻凸起，驱动外套、储料仓、挖掘头均采用形状记忆材料，内置加热电路，通过控温模块对驱动外套不同方位、储料仓外壁及仓底以及挖掘头的温度进行控制，程序驱动变形，从而驱动挖掘头前进并躲避障碍。本发明专利技术可实现精准定向定位的大深度星际采样，可有效降低采样阻力，节约能源，相比传统星际土壤采样器，结构更加简单轻便，高效节能。

【技术实现步骤摘要】
仿生可避障大深度星际采样器及采样方法
本专利技术涉及航空航天
，具体涉及一种星际采样器及采样方法。
技术介绍
航天航空是人类探索自然的前沿工程，是我国走向科技强国必须发展的事业，其中星际土壤采样就是我国航天科研事业的重要步骤之一。星际土壤，即外星球表面的土壤，一般是由于陨石撞击、粉碎和岩化作用形成。通过研究星际土壤样品，不仅可以得知外星球上的矿藏等资源，还能探索外星球的发展历程，甚至能进一步验证是否有外星生物存在。因此，进行星际采样并获得星际土壤样品，是人类了解宇宙，走向宇宙的重要步骤与必要步骤。星际采样器是进行外星球探测所需要的重要工具之一，它对能否顺利实现星际采样起到关键作用。而可携带上航天器上的器件质量有严格限制，器件质量越大，需要更多的燃料，增加更大的成本。已有的机械动力类星际采样器价格昂贵，机器笨重，能源消耗大；并且，采样过程中无法避免采样障碍，采样质量难以得到保证。因此，开发一种便于携带，结构简单，质量轻便，可自动避障的星际采样器很有必要。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种仿生可避障大深度星际采样器及采样方法，它能够实现大深度自动采样，并能避开采样障碍。本专利技术为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：一种仿生可避障大深度星际采样器，包括驱动外套、储料仓和挖掘头，所述储料仓设于驱动外套的内部，所述挖掘头安装于驱动外套的底部；所述驱动外套包括若干竖向排列的外套鳞片层，所述外套鳞片层采用形状记忆材料，相邻外套鳞片层之间通过连接层连接，所述连接层采用形状记忆高分子材料，所述连接层内置加热电路，用于调节外套鳞片层连接处的温度从而驱动外套鳞片层运动；所述储料仓包括若干竖向排列并相互连接的储料仓单元和连接于底部的花瓣式仓底；所述储料仓单元采用形状记忆材料，内置加热电路，用于调节自身温度从而实现伸展或收缩；所述花瓣式仓底包括若干第一瓣体，第一瓣体内置加热电路，用于调节自身温度从而实现开合；所述挖掘头安装于底部外套鳞片层的下端，挖掘头为开合式花瓣状结构，包括多个第二瓣体，第二瓣体采用形状记忆材料，内置加热电路，用于调节自身温度从而实现开合；所述驱动外套与挖掘头的表面均设有减阻凸起，减阻凸起内置障碍感知传感器用于收集障碍方位信号。上述方案中，所述星际采样器还包括控温模块、障碍感知处理模块、微处理器和网络通信控制模块；所述控温模块通过所述网络通信控制模块设置所述驱动外套、储料仓及挖掘头内加热电路的温度；所述障碍感知处理模块通过所述网络通信控制模块接收所述减阻凸起收集的障碍方位信号；所述微处理器接收通过网络通信控制模块传来的障碍感知处理模块收集处理的障碍方位信息，并产生相应指令通过网络通信控制模块传至控温模块。上述方案中，所述储料仓的数量为多个，多个储料仓相互间能够沿竖向呈套筒式累叠，也能够实现分离，且累叠状态时，最上层储料仓位于最内层。上述方案中，所述储料仓外壁与所述驱动外套内壁采用电磁控制吸附相连，所述储料仓外壁上圈与所述外套鳞片层内壁铺设金属材料并内设控制电路，储料仓能够吸附在任意一层外套鳞片层内壁上。上述方案中，所述外套鳞片层是由若干第一鳞片单元环形排列形成的倒圆台结构；所述连接层是由若干第二鳞片单元环形排列形成的圆台结构；所述连接层与外套鳞片层的底边重合，且连接层的高度小于外套鳞片层的高度。上述方案中，所述第一鳞片单元之间沿顺时针或逆时针方向相互重叠，且第一鳞片单元与驱动外套中心轴成小于45度夹角；所述第二鳞片单元之间同样沿顺时针或逆时针方向相互重叠。上述方案中，每个储料仓单元包括一储料仓单元上层和一储料仓单元下层，所述储料仓单元上层呈圆台结构，储料仓单元下层呈倒圆台结构，且二者底边重合。上述方案中，所述挖掘头的第二瓣体两侧设有刃口，所述刃口表面涂敷有耐磨涂层；所述挖掘头表面的减阻凸起呈荷花叶脉状取向分布。上述方案中，所述驱动外套和挖掘头表面的减阻凸起为半球形、球缺、半椭球形，半椭球缺中的一种或多种组合；减阻凸起表面涂敷有耐磨涂层。相应的，本专利技术还提出上述仿生可避障大深度星际采样器的采样方法，所述星际采样器初始状态时其驱动外套处于收缩状态，储料仓相互之间累叠，且所有储料仓的花瓣式仓底打开，挖掘头处于闭合状态；所述采样用于采集不同深度星际土壤，包括以下步骤：S1、通过控温模块加热驱动外套使采样器到达指定深度采样位置，通过加热驱动挖掘头打开，驱动最内层的一级储料仓仓壁与驱动外套向下伸展打开，并推动挖掘头垂直进入土层，在此过程中减阻凸起实时监测采集采样障碍信息并排开土壤，通过微处理器收集障碍信息方位并通过控温模块加热使驱动外套转向，躲避障碍，一级采样仓采集浅层土壤，采样完毕后控制一级采样仓的仓底和挖掘头闭合，然后控制一级采样仓吸附于驱动外套内壁；S2、再次加热使驱动外套伸展，达到下一深度采样位置时，加热驱动挖掘头展开，并加热驱动次内层的二级采样仓仓壁与驱动外套继续向下伸展打开，推动更深层的土壤进入二级采样仓，采样完毕后控制二级采样仓的仓底和挖掘头闭合，然后控制二级采样仓吸附于驱动外套内壁；S3、循环上述采样过程，依次完成不同深度土壤样品的分级采集；S4、采样完毕后，加热收缩各级储料仓间的驱动外套，使上层储料仓的底面封闭下层储料仓的顶面，完成大深度星际土壤的收集存储。本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术的驱动外套、储料仓、挖掘头均采用形状记忆材料，内置加热电路，通过控温模块对驱动外套不同方位、储料仓外壁及仓底以及挖掘头的温度进行控制，程序驱动变形，从而驱动挖掘头前进并躲避障碍，无需机械传动装置，大幅降低采样器质量，减小燃料消耗。2、本专利技术的储料仓数量可设置多个，各储料仓相互间呈套筒式累叠，驱动外套能实现可编程仿象鼻伸缩，可节约携带空间，并在伸展时提供大量采样空间，实现大深度采样。3、储料仓外壁与驱动外套内壁采用电磁控制吸附相连，储料仓能够吸附在任意一层外套鳞片层内壁上，这样便于对任一深度进行采样。4、储料仓底面花瓣状结构初始状态为打开状态，在控温模块控制下实现闭合，闭合状态下，可与下面相邻的储料仓顶部形成紧密封闭，封闭下面相邻储料仓顶部，分深度存储土壤样品。5、外套鳞片层与连接层均呈仿穿山甲鳞片结构，这样在避障时自由度更大。6、本专利技术的驱动外套表面与挖掘头表面均设有减阻凸起，减阻凸起可探测采样障碍方位，通过网络通信控制模块传送信息至障碍感知处理模块，经过微处理器对障碍信息的处理，通过驱动外套的内壁均匀分布的加热电路驱动相应部位的外套发生形变，可在采样过程中避开障碍。此外，减阻凸起表面均有耐磨涂层，可减小采样阻力和摩擦磨损，并防止土壤黏附。其中，挖掘头表面减阻凸起呈荷花叶脉状取向分布，可以诱导表面的土壤流向，有利于掘进。7、本专利技术的挖掘头为开合式花瓣状结构，瓣体两侧具有较薄的刃口，且闭合状态的截面为倒置锐角三角形，方便进行采样。8、能够实现大深度自动采样，并能避本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿生可避障大深度星际采样器，其特征在于，包括驱动外套(10)、储料仓(20)和挖掘头(30)，所述储料仓(20)设于驱动外套(10)的内部，所述挖掘头(30)安装于驱动外套(10)的底部；/n所述驱动外套(10)包括若干竖向排列的外套鳞片层(11)，所述外套鳞片层(11)采用形状记忆材料，相邻外套鳞片层(11)之间通过连接层(12)连接，所述连接层(12)采用形状记忆高分子材料，所述连接层(12)内置加热电路，用于调节外套鳞片层(11)连接处的温度从而驱动外套鳞片层(11)运动；/n所述储料仓(20)包括若干竖向排列并相互连接的储料仓单元(21)和连接于底部的花瓣式仓底(22)；所述储料仓单元(21)采用形状记忆材料，内置加热电路，用于调节自身温度从而实现伸展或收缩；所述花瓣式仓底包括若干第一瓣体(221)，第一瓣体(221)内置加热电路，用于调节自身温度从而实现开合；/n所述挖掘头(30)安装于底部外套鳞片层(11)的下端，挖掘头(30)为开合式花瓣状结构，包括多个第二瓣体(31)，第二瓣体(31)采用形状记忆材料，内置加热电路，用于调节自身温度从而实现开合；/n所述驱动外套(10)与挖掘头(30)的表面均设有减阻凸起(60)，减阻凸起(60)内置障碍感知传感器用于收集障碍方位信号。/n...

【技术特征摘要】
1.一种仿生可避障大深度星际采样器，其特征在于，包括驱动外套(10)、储料仓(20)和挖掘头(30)，所述储料仓(20)设于驱动外套(10)的内部，所述挖掘头(30)安装于驱动外套(10)的底部；
所述驱动外套(10)包括若干竖向排列的外套鳞片层(11)，所述外套鳞片层(11)采用形状记忆材料，相邻外套鳞片层(11)之间通过连接层(12)连接，所述连接层(12)采用形状记忆高分子材料，所述连接层(12)内置加热电路，用于调节外套鳞片层(11)连接处的温度从而驱动外套鳞片层(11)运动；
所述储料仓(20)包括若干竖向排列并相互连接的储料仓单元(21)和连接于底部的花瓣式仓底(22)；所述储料仓单元(21)采用形状记忆材料，内置加热电路，用于调节自身温度从而实现伸展或收缩；所述花瓣式仓底包括若干第一瓣体(221)，第一瓣体(221)内置加热电路，用于调节自身温度从而实现开合；
所述挖掘头(30)安装于底部外套鳞片层(11)的下端，挖掘头(30)为开合式花瓣状结构，包括多个第二瓣体(31)，第二瓣体(31)采用形状记忆材料，内置加热电路，用于调节自身温度从而实现开合；
所述驱动外套(10)与挖掘头(30)的表面均设有减阻凸起(60)，减阻凸起(60)内置障碍感知传感器用于收集障碍方位信号。


2.根据权利要求1所述的仿生可避障大深度星际采样器，其特征在于，所述星际采样器还包括控温模块、障碍感知处理模块、微处理器和网络通信控制模块；所述控温模块通过所述网络通信控制模块设置所述驱动外套(10)、储料仓(20)及挖掘头(30)内加热电路的温度；所述障碍感知处理模块通过所述网络通信控制模块接收所述减阻凸起(60)收集的障碍方位信号；所述微处理器接收通过网络通信控制模块传来的障碍感知处理模块收集处理的障碍方位信息，并产生相应指令通过网络通信控制模块传至控温模块。


3.根据权利要求1所述的仿生可避障大深度星际采样器，其特征在于，所述储料仓(20)的数量为多个，多个储料仓(20)相互间能够沿竖向呈套筒式累叠，也能够实现分离，且累叠状态时，最上层储料仓位于最内层。


4.根据权利要求1或3所述的仿生可避障大深度星际采样器，其特征在于，所述储料仓(20)外壁与所述驱动外套(10)内壁采用电磁控制吸附相连，所述储料仓(20)外壁上圈与所述外套鳞片层(11)内壁铺设金属材料并内设控制电路，储料仓(20)能够吸附在任意一层外套鳞片层(11)内壁上。


5.根据权利要求1所述的仿生可避障大深度星际采样器，其特征在于，所述外套鳞片层(11)是由若干第一鳞片单元(111)环形排列形成的倒圆台结构；所述连接层(12)是由若干第二鳞片单元(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛龙建，陈雯慧，杨柏松，谢宇，杨茜晨，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42