一种地外天体的钻表异构式采样系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种地外天体的钻表异构式采样系统及方法，系统包括：装在地外天体采样航天器上的钻探采样模块、铲挖采样模块、样品封装模块和环境感知及视觉监测模块，铲挖采样模块与钻探采样模块对侧安装，样品封装模块在铲挖采样模块和钻探采样模块之间，环境感知及视觉监测模块的位置由铲挖采样模块、钻探采样模块和样品封装模块确定；方法为：钻探采样模块用于获取地外天体表层下方设定深度内的次表层土壤，铲挖采样模块用于获取地外天体表层土壤样品，二者采集到的样品均转移至样品封装模块中；环境感知及视觉监测模块，一用于获取钻探采样和铲挖采样的采样区地形结构，二用于对钻探采样、铲挖采样、样品封装以及样品转移过程进行视觉监测。过程进行视觉监测。过程进行视觉监测。

【技术实现步骤摘要】
一种地外天体的钻表异构式采样系统及方法


[0001]本专利技术涉及空间探测
，具体涉及一种地外天体的钻表异构式采样系统及方法。

技术介绍

[0002]嫦娥五号探测器需要实现我国首次月球采样返回，复杂的月面地形和未知的月壤状态将给月壤采集带来极大挑战。在各种约束条件下的非结构化月表环境中，需要确保采集到样品，必须设计一种可靠高效的采样系统。
[0003]目前只有苏联的钻探方式实施了无人采样返回，但是采集样品无法实现多样性的需求。美国通过宇航员采集样品返回地球，带回了大量的岩石样品，但是采样方式不能适用于无人采样返回任务。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供了一种地外天体的钻表异构式采样系统及方法，应用于地外天体无人探测任务中进行接触式土壤样品采集的采样系统设计，能够实现地外天体的表面层多点和深层钻探采集，从而提高采样的可靠性。
[0005]本专利技术的技术方案为：一种地外天体的钻表异构式采样系统，包括：安装在地外天体采样航天器上的钻探采样模块、铲挖采样模块、样品封装模块和环境感知及视觉监测模块，其中，铲挖采样模块与钻探采样模块对侧安装，样品封装模块在铲挖采样模块和钻探采样模块之间，环境感知及视觉监测模块的位置由铲挖采样模块、钻探采样模块和样品封装模块的位置确定；
[0006]所述钻探采样模块用于获取地外天体表层下方设定深度内的次表层土壤，铲挖采样模块用于获取地外天体表层土壤样品，二者采集到的样品均转移至样品封装模块中；环境感知及视觉监测模块，一方面用于获取钻探采样和铲挖采样的采样区地形结构，另一方面用于对钻探采样、铲挖采样、样品封装以及样品转移过程进行视觉监测。
[0007]优选地，所述钻探采样模块包括：支撑结构、采样钻具、钻进机构、进给机构、展开机构和整形机构；支撑结构固定在地外天体采样航天器上，钻进机构通过其上的滚轮与支撑结构上的滑轨配合安装，实现钻进机构沿支撑结构上下滑动；采样钻具安装在钻进机构的下端，钻进机构可驱动采样钻具旋转；进给机构与钻进机构之间通过钢丝绳连接，进给机构通过收紧或放松钢丝绳带动钻进机构向下或向上滑动；展开机构运动展开端安装在支撑结构上端部，固定端与整形机构固定安装，展开机构可带动整形机构进行展开运动。
[0008]优选地，所述进给机构设置在支撑结构上端，钢丝绳两端固定在钻进机构下端相对两侧，中部分别绕过支撑结构下端对侧安装的两个定滑轮和支撑结构上端对侧安装的两个定滑轮后缠绕在进给机构上。
[0009]优选地，所述整形机构包括：支架、导向筒、套筒和驱动套筒沿导向筒运动的驱动部件，导向筒一端设有轴肩并通过支架固定在展开机构上，套筒同轴套装在导向筒另一端。
[0010]优选地，所述采样钻具包括：钻头、钻杆、取样软袋和封口器，钻头设置在钻杆的下端部，且二者内部设有同轴的通孔，取样软袋一端包覆在钻杆内壁上，随着钻头钻入目标采样土壤中，样品被取样软袋所包覆，取样软袋另一端依次穿过采样钻具、钻进机构合展开机构后，有序缠绕在整形机构的外表面上；当获取到足够多的样品时，设置在取样软袋上的封口器将取样软袋24封口，把样品封装在取样软袋中。
[0011]优选地，所述环境感知及视觉监测模块由铲挖采样环境感知组件、钻探采样环境感知组件和样品转移及密封观测组件构成；
[0012]所述铲挖采样环境感知组件由立体双目成像传感器构成，感应视场覆盖铲挖采样模块的铲挖采样区，并对该区进行双目立体成像，获得采样区地形结构的立体信息；同时铲挖采样环境感知组件对铲挖采样过程进行视觉观测；
[0013]所述钻探采样环境感知组件由单个成像传感器构成，感应视场覆盖钻探采样的采样区，对钻探采样的采样区地形结构进行感知；同时钻探采样环境感知组件对钻探采样模块初始钻入表层土壤的过程进行视觉观测；
[0014]所述样品转移及密封观测组件由单个成像传感器构成，感应视场覆盖样品封装模块及钻探采样模块中的展开机构和整形机构所在位置；当展开机构展开后，其感应视场覆盖样品转移阶段时的铲挖采样模块。
[0015]优选地，所述铲挖采样模块包括：铲挖采样机械臂和铲挖采样装置；铲挖采样机械臂一端固定在地外天体采样航天器上，铲挖采样装置安装在铲挖采样机械臂的另一端，铲挖采样装置上设有挖铲勺和伸缩铲机构，挖铲勺可进行铲挖和收起运动，伸缩铲机构可进行伸出和回收运动，二者配合完成样品采集和封闭。
[0016]优选地，所述样品封装模块由密封盖体机构和密封容器组成；所述密封容器中可容纳采样所获得的样品，样品放入密封容器后密封盖体机构执行合盖，使样品密封保存于密封容器之中；其中，密封盖体机构包括：盖体和驱动盖体合盖密封的驱动件。
[0017]一直地外天体的钻表异构式采样方法，包括以下步骤：
[0018]S1：地外天体采样航天器着陆或附着于地外天体表面；
[0019]S2：由环境感知及视觉监测模块中的钻探采样环境感知组件对钻探采样区进行感知，判断钻探采样点状态；用铲挖采样环境感知组件对铲挖采样区进行感知，对采样区域进行双目立体成像建模，并选择采样点；
[0020]S3：将系统工作模式设置为钻探采样模式，实施钻探采样，钻探采样期间持续判断采样状态并对钻探采样实施操作控制，期间根据预设条件决策采样停止或继续，需要停止时执行后续S4，若需继续采样则重复执行S3；
[0021]S4：决策并操控钻探采样停止后，判断钻探采样是否采集到样品，若采集到样品则继续执行S5，否则直接执行S6；
[0022]S5：对钻探样品进行封装、整形和转移；
[0023]S6：控制钻探采样模块的展开机构展开，判断展开机构展开是否正常，不正常则利用铲挖采样模块辅助展开机构展开，若正常则判断样品是否落入样品封装模块之中，正常落入则继续执行S7，若未正常落入，则使用铲挖采样模块辅助样品落入样品封装模块之中；
[0024]S7：将系统工作模式设置为铲挖采样模式，实施铲挖采样，铲挖采样期间持续判断采样状态并对铲挖采样实施操作控制；
[0025]S8：判断铲挖采样是否铲挖到样品，若铲挖到样品则继续执行S9，若未铲挖到样品则返回S7；
[0026]S9：将铲挖得到的样品转移入样品封装模块中，判断铲挖样品采集量是否满足任务要求，若满足任务要求执行S10，若不满足任务要求则返回S7；
[0027]S10：控制样品封装模块进行样品密封封装；
[0028]S11：携带样品返回地球或对样品进行存储分析。
[0029]优选地，当钻探采样模块中的展开机构无法展开时，使用铲挖采样模块推提展开机构，辅助展开机构通过卡滞点；当整形机构上的样品无法进入样品封装模块时，首先将展开机构展开，之后利用铲挖采样模块将整形机构上的样品推入样品封装模块中。
[0030]有益效果：
[0031]1、本专利技术提出的钻表异构式采样系统重点解决地外天体(如月球)采样的可靠性，为了确保地外天体采样封装系统具有应对复杂工作环境的柔性能力，该具有并行工作能力，确保本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地外天体的钻表异构式采样系统，其特征在于，包括：安装在地外天体采样航天器上的钻探采样模块、铲挖采样模块、样品封装模块和环境感知及视觉监测模块，其中，铲挖采样模块与钻探采样模块对侧安装，样品封装模块在铲挖采样模块和钻探采样模块之间，环境感知及视觉监测模块的位置由铲挖采样模块、钻探采样模块和样品封装模块的位置确定；所述钻探采样模块用于获取地外天体表层下方设定深度内的次表层土壤，铲挖采样模块用于获取地外天体表层土壤样品，二者采集到的样品均转移至样品封装模块中；环境感知及视觉监测模块，一方面用于获取钻探采样和铲挖采样的采样区地形结构，另一方面用于对钻探采样、铲挖采样、样品封装以及样品转移过程进行视觉监测。2.如权利要求1所述的地外天体的钻表异构式采样系统，其特征在于，所述钻探采样模块包括：支撑结构(1)、采样钻具(2)、钻进机构(3)、进给机构(4)、展开机构(5)和整形机构(6)；支撑结构(1)固定在地外天体采样航天器上，钻进机构(3)通过其上的滚轮(31)与支撑结构(1)上的滑轨(11)配合安装，实现钻进机构(3)沿支撑结构(1)上下滑动；采样钻具(2)安装在钻进机构(3)的下端，钻进机构(3)可驱动采样钻具(2)旋转；进给机构(4)与钻进机构(3)之间通过钢丝绳连接，进给机构(4)通过收紧或放松钢丝绳带动钻进机构(3)向下或向上滑动；展开机构(5)运动展开端安装在支撑结构(1)上端部，固定端与整形机构(6)固定安装，展开机构(5)可带动整形机构(6)进行展开运动。3.如权利要求2所述的地外天体的钻表异构式采样系统，其特征在于，所述进给机构(4)设置在支撑结构(1)上端，钢丝绳两端固定在钻进机构(3)下端相对两侧，中部分别绕过支撑结构(1)下端对侧安装的两个定滑轮和支撑结构(1)上端对侧安装的两个定滑轮后缠绕在进给机构(4)上。4.如权利要求2所述的地外天体的钻表异构式采样系统，其特征在于，所述整形机构(6)包括：支架、导向筒(62)、套筒(61)和驱动套筒(61)沿导向筒(62)运动的驱动部件，导向筒(62)一端设有轴肩并通过支架固定在展开机构(5)上，套筒(61)同轴套装在导向筒(62)另一端。5.如权利要求2所述的地外天体的钻表异构式采样系统，其特征在于，所述采样钻具(2)包括：钻头(21)、钻杆(22)、取样软袋(23)和封口器(24)，钻头(21)设置在钻杆(22)的下端部，且二者内部设有同轴的通孔，取样软袋(23)一端包覆在钻杆(22)内壁上，随着钻头(21)钻入目标采样土壤中，样品被取样软袋(23)所包覆，取样软袋(23)另一端依次穿过采样钻具(2)、钻进机构(3)合展开机构(5)后，有序缠绕在整形机构(6)的外表面上；当获取到足够多的样品时，设置在取样软袋(23)上的封口器(24)将取样软袋24封口，把样品封装在取样软袋(23)中。6.如权利要求2所述的地外天体的钻表异构式采样系统，其特征在于，所述环境感知及视觉监测模块由铲挖采样环境感知组件(14)、钻探采样环境感知组件(12)和样品转移及密封观测组件(13)构成；所述铲挖采样环境感知组件(14)由立体双目成像传感器构成，感应视场覆盖铲挖采样模块的铲挖采样区，并对该区进行双目立体成像，获得采样区地形结构的立体信息；同时铲挖采样环境感知组件(14)对铲挖采样过程进行视觉观测；所述钻探采样环境感知组件(...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓湘金，金晟毅，郑燕红，赵志晖，姚猛，杨孟飞，彭兢，李青，史伟，李晟，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：