地外星体浅层土壤取样装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及地外星体浅层土壤取样装置，包括导轨摆臂式位置机构和末端执行机构两部分，其中导轨摆臂式位置机构包括导轨、运动单元、摆臂关节、摆臂和末端关节，末端执行机构包括铲子、棘轮、样品盒和连接分离机构，其中位置机构刚度高，灵活性好，控制方式非常简单，除了用于地外星体浅层土壤取样以外，可用于完成目前常用的四自由度两级空间机械臂的任务；末端执行机构以铲挖作业方式为主，棘轮旋挖作业方式为辅，能够有效地获取土壤样品，具备样品的临时存储和初级封装功能，并能将样品转送至上升器上的密封封装装置中，该土壤取样装置具有广阔的应用范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及地外星体浅层土壤取样装置，属于深空探测
和航天器机构

技术介绍
美国先后在Surveyor (勘测者)月球探测任务、Viking (海盗)和Phoenix (凤凰)火星探测任务中使用浅层土壤取样装置对星体土壤进行取样作业。这三种取样装置虽然都获得了成功，但是它们都具有一些不足之处，例如=Survey0r取样装置的伸缩臂铰链过多， 结构较复杂，刚度较低，铲子对土壤的作用力也较小，取样作业方式单一，对地质环境的适应性较差diking取样装置的结构较复杂，自由度数过多且灵活性不足，取样范围有限，伸缩臂收拢后的体积仍较大，取样作业方式单一，对地质环境的适应性较差；Phoenix取样装置的传力路径较长，刚度较低，对土壤的作用力较小，为了提高对地质环境的适应性，在末端执行机构上增加了微型钻机，因此其末端执行机构结构比较复杂，此外，其位置机构-四自由度两级空间机械臂的控制技术难度也比较大。以上任务中取样装置存在的不足之处都会对星体浅层土壤取样任务的可靠性造成不良影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供地外星体浅层土壤取样装置，该土壤取样装置采用创新设计的导轨摆臂式位置机构和末端执行机构组合而成，位置机构刚度高，灵活性好，控制方式非常简单，可用于完成目前常用的四自由度两级空间机械臂的任务；末端执行机构以铲挖作业方式为主，棘轮旋挖作业方式为辅，能够有效地获取土壤样品，具备样品的临时存储和初级封装功能，还能将样品转送至上升器上的样品密封封装装置中，该土壤取样装置具有广阔的应用范围。本专利技术的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的地外星体浅层土壤取样装置，包括导轨摆臂式位置机构和末端执行机构两部分，其中导轨摆臂式位置机构包括导轨、运动单元、摆臂关节、摆臂和末端关节，其中导轨与运动单元连接，且运动单元可以沿导轨上下移动，摆臂关节包括水平部分和竖直部分，在运动单元内置的第一驱动单元的驱动作用下，摆臂关节绕竖直部分的轴线转动，从而带动摆臂扫取扇面，水平部分与摆臂连接，在摆臂关节内置的第二驱动单元的驱动作用下，水平部分绕自身轴线转动并带动摆臂上下摆动，末端关节嵌入在摆臂远离摆臂关节的另一端，末端关节用于连接末端执行机构，并驱动末端执行机构绕末端关节的轴线转动；末端执行机构包括铲子、棘轮、样品盒和连接分离机构，其中铲子是末端执行机构的主体，用于对土壤进行铲挖，棘轮固定在铲子前端，用于对土壤进行旋挖，样品盒通过连接分离机构固定在铲子后端，样品盒为筒形结构，入口处设置有单向机构和封口机构，单向机构用于防止样品盒内的土壤流出，包括第一门扇、门轴及第二门扇，门轴沿直径方向穿过样品盒的筒壁并固定在筒壁上，第一门扇和第二门扇在夹角为180°时组成一个完整的椭圆面，门轴穿过椭圆面的短轴所在的中心线，第一门扇和第二门扇可以绕门轴转动，椭圆面的短轴等于筒形样品盒内壁的直径，椭圆面的长轴大于筒形样品盒内壁的直径，使得第一门扇和第二门扇在筒形样品盒内绕门轴转动时夹角始终小于180°，当土壤从样品盒的腔体内流出时，第一门扇和第二门扇的边缘紧贴样品盒的腔体内壁，防止土壤外流；封口机构用于在样品盒分离时防止盒内的土壤样品飞溅出来；连接分离机构实现样品盒与末端执行机构的分离。在上述地外星体浅层土壤取样装置中，单向机构中还包括限位螺钉，限位螺钉沿直径方向穿过样品盒的筒壁并固定在筒壁上，并位于门轴后端靠近样品盒尾部一侧，轴线与门轴平行，限位螺钉用于防止第一门扇和第二门扇由于夹角过小而在土壤外流时不能与样品盒腔体内壁贴合，使得土壤流出。在上述地外星体浅层土壤取样装置中，封口机构由 柔性纺织材料圈和记忆合金圈组成，其中柔性纺织材料圈为圆筒状，一端固定在样品盒腔体外壁，另一端和记忆合金圈连接。在上述地外星体浅层土壤取样装置中，运动单元沿导轨上下移动的实现方式有通过齿轮齿条传动机构、同步带传动机构、丝杠传动机构或钢丝绳缠绕加载机构。在上述地外星体浅层土壤取样装置中，连接分离机构为钢球式连接分离机构，包括套筒、滑片、钢球、弹簧和弹簧销，其中滑片和钢球设置在套筒内侧的凹槽内，滑片与样品盒腔体外壁紧贴，钢球嵌入滑片的通孔和样品盒腔体外壁上的凹槽共同形成的封闭空腔内，使得样品盒腔体不能从套筒中移出，套筒与样品盒腔体外壁之间设置处于压缩状态的弹簧和弹簧销，防止末端执行机构翻转时样品盒位移过大导致连接失效，当样品盒分离时，钢球在滑片上升到铲子后端的极限位置时与套筒的通孔对正，样品盒继续上升将钢球挤出通孔，实现样品盒的分离。在上述地外星体浅层土壤取样装置中，钢球嵌入的封闭空腔由滑片上形成的通孔和样品盒腔体外壁上形成的球窝组成，通孔的表面包括柱形部分与球形部分，柱形部分为直径与钢球直径相同的圆柱面，球形部分为直径与钢球相同的部分球面，球窝表面与球形部分共同组成一个容纳钢球的半球面，柱形部分容纳钢球的其它部分。在上述地外星体浅层土壤取样装置中，连接分离机构为销柱式连接分离机构，包括套筒、电磁铁组件、电磁铁固定架和阻尼装置，电磁铁组件包括销柱和铁芯，其中套筒、电磁铁固定架和铲子刚性连接，铁芯与电磁铁固定架刚性连接，销柱的一端插入铁芯的通孔中并能轴向移动，通电后铁芯对销柱产生吸引力，使二者贴合，套筒和样品盒腔体外壁上形成通孔，销柱的另一端插入所述通孔将套筒和样品盒连接，电磁铁通电后拔出销柱可以解除连接，使样品盒分离；阻尼装置包括密封圈压盖、密封圈和沿密封圈压盖圆周均布的调整螺钉，电磁铁固定架上开有凹槽，凹槽容纳密封圈，密封圈同时套在销柱的一端，密封圈压盖压入凹槽内，调整螺钉穿过密封圈压盖上的通孔固定在电磁铁固定架上，将密封圈压盖压紧在密封圈上，使密封圈变形并产生对销柱的沿轴向的阻尼力，防止销柱轴向蹿动导致连接失效，阻尼力的大小可以通过对调整螺钉的旋入旋出进行调整。在上述地外星体浅层土壤取样装置中，套筒与样品盒腔体之间还可以设置处于压缩状态的弹簧，保证样品盒与套筒的连接解除后，样品盒在弹簧的恢复力作用下可靠分离。在上述地外星体浅层土壤取样装置中，样品盒腔体由直径不同的两段筒体组成，其中直径较小的筒体与连接分离机构连接，并提供样品盒上单向机构与封口机构的安装接口，直径较大的筒体存放土壤样品。在上述地外星体浅层土壤取样装置中，直径较大的筒体上开有狭长视窗，用于观测筒体内的土壤样品量。在上述地外星体浅层土壤取样装置中，样品盒外侧底部设置有机械接口，用于样品盒进入上升器上的样品密封封装装置后，与样品密封封装装置内侧底部的机械接口共同将样品盒机械锁定。本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果(I)本专利技术土壤取样装置中的导轨摆臂式位置机构通过导轨和运动单元组件、摆臂关节、末端关节的联动实现末端执行机构的运动，机构各自由度之间的耦合大大减小，控制算法也大大简化，因此控制方式非常简单； (2)本专利技术土壤取样装置中的导轨摆臂式位置机构运动单元在导轨上的移动可以实现地外星体表面与高度约为3米的上升器样品密封封装装置之间作业面的转换，使臂杆数量只有一个，且长度大大减少，但取样装置的灵活性几乎不受影响，且刚性获得较大的改善，因此运动精度和可靠性均有较大提高，对土壤的作用力也较大；(3)本专利技术土壤取样装置中的导轨摆臂式位置机构可用于完成目前常用的四自由度两级空间机械臂的任务，尤其适合用于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.地外星体浅层土壤取样装置，其特征在于包括导轨摆臂式位置机构和末端执行机构(50)两部分，其中导轨摆臂式位置机构包括导轨(55)、运动单元(56)、摆臂关节(57)、摆臂(58)和末端关节(59)，其中导轨(55)与运动单元(56)连接，且运动单元(56)可以沿导轨(55)上下移动，摆臂关节(57)包括水平部分(57a)和竖直部分(57b)，在运动单元(56)内置的第一驱动单元的驱动作用下，摆臂关节(57)绕竖直部分(57b)的轴线转动，从而带动摆臂(58)扫取扇面，水平部分(57a)与摆臂(58)连接，在摆臂关节(57)内置的第二驱动单元的驱动作用下，水平部分(57a)绕自身轴线转动并带动摆臂(58)上下摆动，末端关节(59)嵌入在摆臂(58)远离摆臂关节(57)的另一端，末端关节(59)用于连接末端执行机构(50)，并驱动末端执行机构(50)绕末端关节(59)的轴线转动；末端执行机构(50)包括铲子(I)、棘轮(2)、样品盒(3)和连接分离机构(4)，其中铲子(I)是末端执行机构(50)的主体，用于对土壤进行铲挖，棘轮(2)固定在铲子(I)前端，用于对土壤进行旋挖，样品盒(3)通过连接分离机构(4)固定在铲子(I)后端，样品盒(3)为筒形结构，入口处设置有单向机构和封口机构，单向机构用于防止样品盒⑶内的土壤流出，包括第一门扇(6)、门轴 (7)及第二门扇(9)，门轴(7)沿直径方向穿过样品盒(3)的筒壁并固定在筒壁上，第一门扇(6)和第二门扇(9)在夹角为180°时组成一个完整的椭圆面，门轴(7)穿过椭圆面的短轴所在的中心线，第一门扇(6)和第二门扇(9)可以绕门轴(7)转动，椭圆面的短轴等于筒形样品盒(3)内壁的直径，椭圆面的长轴大于筒形样品盒(3)内壁的直径，使得第一门扇(6)和第二门扇(9)在筒形样品盒(3)内绕门轴(7)转动时夹角始终小于180°，当土壤从样品盒⑶的腔体内流出时，第一门扇(6)和第二门扇(9)的边缘紧贴样品盒(3)的腔体内壁，防止土壤外流；封口机构用于在样品盒⑶分离时防止盒内的土壤样品飞溅出来；连接分离机构(4)实现样品盒(3)与末端执行机构(50)的分离。2.根据权利要求I所述的地外星体浅层土壤取样装置，其特征在于所述单向机构中还包括限位螺钉(8)，限位螺钉(8)沿直径方向穿过样品盒(3)的筒壁并固定在筒壁上，并位于门轴(7)后端靠近样品盒(3)尾部一侧，轴线与门轴(7)平行，限位螺钉(8)用于防止第一门扇(6)和第二门扇(9)由于夹角过小而在土壤外流时不能与样品盒(3)腔体内壁贴合，使得土壤流出。3.根据权利要求I所述的地外星体浅层土壤取样装置，其特征在于所述封口机构由柔性纺织材料圈(10)和记忆合金圈(11)组成，其中柔性纺织材料圈(10)为圆筒状，一端固定在样品盒(3)腔体外壁，另一端和记忆合金圈(11)连接。4.根据权利要求I所述的地外星体浅层土壤取样装置，其特征在于所述运动单元(56)沿导轨(55)上下移动的实现方式有通过齿轮齿条传动机构、同步带传动机构、丝杠传动机构或钢丝绳缠绕加载机构。5.根据权利要求I所述的地外星体浅层土壤取样装置，其特征在于所述连接分离机构(4)为钢球式连接分离机构，包括套筒(12)、滑片(13)、钢球(14)、弹簧(15)和弹簧销(16)，其中滑片(13)和钢球(14)设置在套筒(12)内侧的凹槽内，滑片(13)与样品盒(3)腔体外壁紧贴...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨帅，孙京，董礼港，殷参，李广荣，范洪涛，王国欣，刘硕，尹忠旺，王迎春，王露斯，
申请(专利权)人：北京卫星制造厂，
类型：发明
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