CN101886986B - 用于行星探测的末端采样器 - Google Patents

Abstract

用于行星探测的末端采样器，它涉及一种用于星球探测的末端采样器。本发明解决了现有的用于行星探测的末端采样器存在的体积大，质量重，无法与机械臂直接连接，失去灵活机动性且无法满足探测器系统的质量约束的问题。本发明的第一直流无刷电机（4）通过行星齿轮减速器（2）减速后带动蜗杆（32）转动；挖掘输出装置（B）的两个挖掘手爪对称布置在蜗杆（32）的两侧，蜗轮（31）固定在挖掘输出装置转轴（23）上，蜗杆（32）与挖掘输出装置（B）上的两个蜗轮（31）啮合传动；蜗轮（31）带动挖掘输出装置转轴（23）转动；挖掘输出装置转轴（23）通过挖掘手柄（22）带动第一铲斗（25）、第二铲斗（26）转动。本发明应用于空间资源探测技术领域中。

Description

用于行星探测的末端采样器

技术领域

本发明涉及一种用于星球探测的末端采样器，具体涉及一种用于行星探测的末端采样器，属于空间资源探测技术领域。

背景技术

行星探测器通过着陆在星球表面或在星球表面巡视等形式对星球表面的矿石和空间环境等进行探测。要更加精确的分析星球表面的矿石及土壤，就需要可以灵活进行采样操作的末端采样器。末端采样器是直接作用于控制对象的机械系统，是探测器的执行部件，它的好坏直接关系到整个探测、采样计划的成败。目前有关行星探测末端采样器的研究并不多，国内主要是沈阳自动化研究所针对月球探测项目所预研的具有多管钻取、夹取、铲取样品等功能的机器人化采样器原理样机。该采样器功能全面，但是体积较大，质量较重，无法与机械臂直接连接，失去灵活机动性且无法满足探测器系统的质量约束。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的用于行星探测的末端采样器存在的体积大，质量重，无法与机械臂直接连接，失去灵活机动性且无法满足探测器系统的质量约束的问题，进而提供用于行星探测的末端采样器。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明的用于行星探测的末端采样器包括挖掘输入装置、挖掘输出装置、第一外壳、第二外壳、第一内壳和第二内壳；所述第一外壳与第二外壳相扣装组成壳体，第一内壳和第二内壳置于壳体内，第一内壳与第一外壳围成第一腔室，第二内壳与第二外壳围成第二腔室；

所述挖掘输入装置安装在第一腔室内，所述挖掘输入装置由挖掘输入装置支撑架、行星齿轮减速器、第一直流无刷电机、蜗杆和两个推力球轴承组成，所述第一直流无刷电机的输出轴与行星齿轮减速器输入端，行星齿轮减速器安装在挖掘输入装置支撑架内，所述行星齿轮减速器的输出轴与蜗杆，挖掘输入装置支撑架的下端的轴承外座孔与蜗杆的上端之间设置有一个推力球轴承，第一內壳的轴承外座孔与蜗杆的下端之间设置有另一个推力球轴承，挖掘输入装置通过挖掘输入装置支撑架固定在第一外壳上；

所述挖掘输出装置由第一铲斗、第二铲斗和两个挖掘手爪组成，两个挖掘手爪对称布置在蜗杆的前后两侧，每个挖掘手爪由两个轴端挡板、两个挖掘手柄、两个第一迷宫式密封装置、第一深沟球轴承、第二深沟球轴承、第一套筒、蜗轮、力矩传感器、电位计、预紧弹簧和挖掘输出装置转轴组成；所述挖掘输出装置转轴水平置于第一外壳与第二外壳相扣装组成的壳体内，且挖掘输出装置转轴的一端穿出第一外壳，挖掘输出装置转轴的另一端穿出第二外壳，挖掘输出装置转轴的两端各设置有一个挖掘手柄，两个挖掘手柄置于第一外壳与第二外壳相扣装组成的壳体外部，每个挖掘手柄均通过一个轴端挡板固定安装在挖掘输出装置转轴上，挖掘输出装置转轴与第一外壳之间设置有一个第一深沟球轴承，挖掘输出装置转轴与第二外壳之间设置有一个第二深沟球轴承，两个第一迷宫式密封装置的第一内圈套装在挖掘输出装置转轴上，且一个第一迷宫式密封装置位于一个挖掘手柄与第一深沟球轴承之间，另一个第一迷宫式密封装置位于另一个挖掘手柄与第二深沟球轴承之间，第一外壳和第二外壳分别与一个第一迷宫式密封装置的第一外法兰，所述蜗轮设置在第一腔室内，蜗轮固定套装在挖掘输出装置转轴上，且蜗轮与挖掘输入装置的蜗杆啮合传动，所述第一套筒套装在挖掘输出装置转轴上，且第一套筒位于第一深沟球轴承与蜗轮之间，用于限定第一深沟球轴承的位置，所述力矩传感器和电位计固定套装在挖掘输出装置转轴上，且位于蜗轮与第一内壳之间，所述预紧弹簧套装在挖掘输出装置转轴上，预紧弹簧位于第二腔室内，预紧弹簧的一端与挖掘输出装置转轴，预紧弹簧的另一端与第二内壳，一个挖掘手爪的挖掘手柄上固定安装有第一铲斗，另一个挖掘手爪的挖掘手柄上固定安装有第二铲斗，且第一铲斗和第二铲斗相对应。

本发明与现有技术相比具有以下效果：一、本发明的挖掘装置采用直流无刷电机和行星齿轮减速器联合驱动方式，具有安装方便、结构紧凑、体积小质量轻、功耗低、单位质量输出力矩大和减速比大的优点，与机械臂直接连接，灵活机动性好且满足了探测器系统的质量约束；二、本发明采用一根蜗杆带动两个对称布置的蜗轮的传动方式，具有减速比大、输出力矩大、结构简单、良好的运动对称性和断电自锁的功能；三、本发明采用迷宫封装以及双内壳封装形式可以更好的保护内部驱动和传动部件免受行星表面灰尘侵蚀。

附图说明

图1是本发明的挖掘输出装置转轴全剖的整体结构示意图，图2是本发明的挖掘输入装置全剖的整体结构示意图，图3是挖掘输入装置的整体结构剖视图，图4是挖掘输出装置的结构剖视图，图5是磨削装置的结构剖视图，图6是振动装置的结构剖视图，图7是第一迷宫式密封装置的整体结构示意图，图8是第二迷宫式密封装置的整体结构示意图，图9是本发明的整体结构轴测图，图10是图9的后视图，图11是本发明去除第一外壳，第二外壳、第一内壳和第二內壳后的轴测图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图4和图7、图9-图11说明本实施方式，本实施方式的用于行星探测的末端采样器包括挖掘输入装置A、挖掘输出装置B、第一外壳3、第二外壳11、第一内壳5和第二内壳6；所述第一外壳3与第二外壳11相扣装组成壳体，第一内壳5和第二内壳6置于壳体内，第一内壳5与第一外壳3围成第一腔室60，第二内壳6与第二外壳11围成第二腔室61；

所述挖掘输入装置A安装在第一腔室60内，所述挖掘输入装置A由挖掘输入装置支撑架1、行星齿轮减速器2、第一直流无刷电机4、蜗杆32和两个推力球轴承30组成，所述第一直流无刷电机4的输出轴与行星齿轮减速器2输入端，行星齿轮减速器2安装在挖掘输入装置支撑架1内，所述行星齿轮减速器2的输出轴与蜗杆32，挖掘输入装置支撑架1的下端的轴承外座孔34与蜗杆32的上端之间设置有一个推力球轴承30，第一內壳5的轴承外座孔36与蜗杆32的下端之间设置有另一个推力球轴承30，挖掘输入装置A通过挖掘输入装置支撑架1固定在第一外壳3上；

所述挖掘输出装置B由第一铲斗25、第二铲斗26和两个挖掘手爪组成，两个挖掘手爪对称布置在蜗杆32的前后两侧，每个挖掘手爪由两个轴端挡板20、两个挖掘手柄22、两个第一迷宫式密封装置E、第一深沟球轴承21、第二深沟球轴承63、第一套筒33、蜗轮31、力矩传感器29、电位计28、预紧弹簧24和挖掘输出装置转轴23组成；所述挖掘输出装置转轴23水平置于第一外壳3与第二外壳11相扣装组成的壳体内，且挖掘输出装置转轴23的一端穿出第一外壳3，挖掘输出装置转轴23的另一端穿出第二外壳11，挖掘输出装置转轴23的两端各设置有一个挖掘手柄22，两个挖掘手柄22置于第一外壳3与第二外壳11相扣装组成的壳体外部，每个挖掘手柄22均通过一个轴端挡板20固定安装在挖掘输出装置转轴23上，挖掘输出装置转轴23与第一外壳3之间设置有一个第一深沟球轴承21，挖掘输出装置转轴23与第二外壳11之间设置有一个第二深沟球轴承63，两个第一迷宫式密封装置E的第一内圈44套装在挖掘输出装置转轴23上，且一个第一迷宫式密封装置E位于一个挖掘手柄22与第一深沟球轴承21之间，另一个第一迷宫式密封装置E位于另一个挖掘手柄22与第二深沟球轴承63之间，第一外壳3和第二外壳11分别与一个第一迷宫式密封装置E的第一外法兰42，所述蜗轮31设置在第一腔室60内，蜗轮31固定套装在挖掘输出装置转轴23上，且蜗轮31与挖掘输入装置A的蜗杆32啮合传动，所述第一套筒33套装在挖掘输出装置转轴23上，且第一套筒33位于第一深沟球轴承21与蜗轮31之间，用于限定第一深沟球轴承21的位置，所述力矩传感器29和电位计28固定套装在挖掘输出装置转轴23上，且位于蜗轮31与第一内壳5之间，所述预紧弹簧24套装在挖掘输出装置转轴23上，预紧弹簧24位于第二腔室61内，预紧弹簧24的一端与挖掘输出装置转轴23，预紧弹簧24的另一端与第二内壳6，一个挖掘手爪的挖掘手柄22上固定安装有第一铲斗25，另一个挖掘手爪的挖掘手柄22上固定安装有第二铲斗26，且第一铲斗25和第二铲斗26相对应。

所述第一直流无刷电机4通过行星齿轮减速器2减速后带动蜗杆32转动；所述蜗杆32与挖掘输出装置B上的两个蜗轮31啮合传动，实现挖掘功能。

具体实施方式二：结合图7说明本实施方式，本实施方式的第一迷宫式密封装置E由第一外法兰42、第一密封圈43和第一内圈44组成，所述第一外法兰42套装在第一内圈44的外台肩上，第一外法兰42与第一内圈44之间通过密封圈43密封。如此设置，内部驱动和传动部件免受行星表面灰尘侵蚀。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1、图5和图8-图11说明本实施方式，本实施方式的用于行星探测的末端采样器还增加有磨削装置C，所述磨削装置C由磨头8、第二迷宫式密封装置F、双联角接触球轴承9、第二套筒10、磨削输出轴12、磨削装置输入齿轮13、磨削装置输出齿轮14、单联角接触球轴承15、双输出直流无刷电机上支撑架17、双输出直流无刷电机18和双输出直流无刷电机下支撑架19组成；所述双输出直流无刷电机18的上部固定安装在双输出直流无刷电机上支撑架17内，所述双输出直流无刷电机18的下部固定安装在双输出直流无刷电机下支撑架19内，所述双输出直流无刷电机18的上输出轴与磨削装置输入齿轮13，所述磨削装置输入齿轮13与磨削装置输出齿轮14啮合传动；所述磨削装置输出齿轮14固定安装在磨削输出轴12上，第二套筒10的下端固定套装在磨削输出轴12的上端，第二套筒10的上端固定套装在磨头8的下端，磨削装置输出齿轮14上端面与第二套筒10下端面固定连接，磨削装置输出齿轮14下端面与磨削输出轴12的轴肩上端面固定连接，所述磨削输出轴12的轴肩下端面与单联角接触球轴承15的内圈上端面固定连接；所述单联角接触球轴承15安装在双输出直流无刷电机上支撑架17的轴承外座孔16内；所述第二迷宫式密封装置F和双联角接触球轴承9由上至下套装在第二套筒10上；所述双联角接触球轴承9安装在第二內壳6的双联角接触球轴承外座孔7内，双联角接触球轴承9上端内圈靠在第二迷宫式密封装置F的第二内圈47上，双联角接触球轴承9上端外圈靠在和第二迷宫式密封装置F的第二外法兰45上，双联角接触球轴承9下端外圈靠在第二內壳双联角接触球轴承外座孔7的凸肩上；所述第二迷宫式密封装置F的第二外法兰45与第二外壳11。采用双输出直流无刷电机经一级齿轮减速带动磨头高速转动，实现对硬质物体的磨削，磨削完成后再进行采样，采样更便利。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图8说明本实施方式，本实施方式的第二迷宫式密封装置F由第二外法兰45、第二密封圈46和第二内圈47组成，所述第二外法兰45套装在第二内圈47的外台肩上，第二外法兰45与第二内圈47之间通过第二密封圈46密封。如此设置，内部驱动和传动部件免受行星表面灰尘侵蚀。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1、2、图6和图11说明本实施方式，本实施方式的用于行星探测的末端采样器还增加有振动装置D，所述振动装置D由异形凸轮37、连杆41、两个滚动轴承38、两个复位弹簧39和两个撞针40组成；所述两个撞针40并列在连杆41上，可实现相同运动；每个撞针40上套装有一个滚动轴承38，可实现轴向运动；每个滚动轴承38的外圈上套装有一个复位弹簧39，复位弹簧39的一端与撞针40，复位弹簧39的另一端与第二外壳6的弹簧座35；所述异形凸轮37固定安装在双输出直流无刷电机18的下输出轴上，异形凸轮37的外轮廓线与连杆41的表面相切，撞针40穿出第二外壳11与挖掘手柄22间歇式接触。异形凸轮37、复位弹簧39使连杆41往复运动，从而带动撞针40往复运动，撞针40敲击挖掘手柄22，实现振动。采用双输出直流无刷电机直接驱动异形凸轮，利用撞针敲击挖掘手柄，具有清除粘附在铲斗上的残留样品的功能。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

本发明的工作原理：结合图1-图11说明本发明的工作原理。

挖掘部分：所述第一直流无刷电机4通过行星齿轮减速器2减速后带动蜗杆32转动；所述蜗杆32与挖掘输出装置B上的两个蜗轮31啮合传动；所述蜗轮31带动挖掘输出装置转轴23转动；所述挖掘输出装置转轴23通过挖掘手柄22带动第一铲斗25、第二铲斗26转动，实现挖掘功能。

磨削部分：所述双输出直流无刷电机18的上输出轴经过磨削装置输入齿轮13与磨削装置输出齿轮14啮合传动后，带动磨头高速转动，实现磨削。

振动部分：所述异形凸轮37由双输出直流无刷电机18的下输出轴带动，异形凸轮37的外轮廓线与连杆41表面相切，异形凸轮37、复位弹簧39使连杆41往复运动，从而带动撞针40往复运动，撞针40敲击挖掘手柄22，实现振动。

Claims (5)

1.一种用于行星探测的末端采样器，其特征在于：所述用于行星探测的末端采样器包括挖掘输入装置(A)、挖掘输出装置(B)、第一外壳(3)、第二外壳(11)、第一内壳(5)和第二内壳(6)；所述第一外壳(3)与第二外壳(11)相扣装组成壳体，第一内壳(5)和第二内壳(6)置于壳体内，第一内壳(5)与第一外壳(3)围成第一腔室(60)，第二内壳(6)与第二外壳(11)围成第二腔室(61)；

所述挖掘输入装置(A)安装在第一腔室(60)内，所述挖掘输入装置(A)由挖掘输入装置支撑架(1)、行星齿轮减速器(2)、第一直流无刷电机(4)、蜗杆(32)和两个推力球轴承(30)组成，所述第一直流无刷电机(4)的输出轴与行星齿轮减速器(2)输入端固定连接，行星齿轮减速器(2)安装在挖掘输入装置支撑架(1)内，所述行星齿轮减速器(2)的输出轴与蜗杆(32)固定连接，挖掘输入装置支撑架(1)的下端的轴承外座孔(34)与蜗杆(32)的上端之间设置有一个推力球轴承(30)，第一内壳(5)的轴承外座孔(36)与蜗杆(32)的下端之间设置有另一个推力球轴承(30)，挖掘输入装置(A)通过挖掘输入装置支撑架(1)固定在第一外壳(3)上；

所述挖掘输出装置(B)由第一铲斗(25)、第二铲斗(26)和两个挖掘手爪组成，两个挖掘手爪对称布置在蜗杆(32)的前后两侧，每个挖掘手爪由两个轴端挡板(20)、两个挖掘手柄(22)、两个第一迷宫式密封装置(E)、第一深沟球轴承(21)、第二深沟球轴承(63)、第一套筒(33)、蜗轮(31)、力矩传感器(29)、电位计(28)、预紧弹簧(24)和挖掘输出装置转轴(23)组成；所述挖掘输出装置转轴(23)水平置于第一外壳(3)与第二外壳(11)相扣装组成的壳体内，且挖掘输出装置转轴(23)的一端穿出第一外壳(3)，挖掘输出装置转轴(23)的另一端穿出第二外壳(11)，挖掘输出装置转轴(23)的两端各设置有一个挖掘手柄(22)，两个挖掘手柄(22)置于第一外壳(3)与第二外壳(11)相扣装组成的壳体外部，每个挖掘手柄(22)均通过一个轴端挡板(20)固定安装在挖掘输出装置转轴(23)上，挖掘输出装置转轴(23)与第一外壳(3)之间设置有一个第一深沟球轴承(21)，挖掘输出装置转轴(23)与第二外壳(11)之间设置有一个第二深沟球轴承(63)，两个第一迷宫式密封装置(E)的第一内圈(44)套装在挖掘输出装置转轴(23)上，且一个第一迷宫式密封装置(E)位于一个挖掘手柄(22)与第一深沟球轴承(21)之间，另一个第一迷宫式密封装置(E)位于另一个挖掘手柄(22)与第二深沟球轴承(63)之间，第一外壳(3)和第二外壳(11)分别与一个第一迷宫式密封装置(E)的第一外法兰(42)固定连接，所述蜗轮(31)设置在第一腔室(60)内，蜗轮(31)固定套装在挖掘输出装置转轴(23)上，且蜗轮(31)与挖掘输入装置(A)的蜗杆(32)啮合传动，所述第一套筒(33)套装在挖掘输出装置转轴(23)上，且第一套筒(33)位于第一深沟球轴承(21)与蜗轮(31)之间，用于限定第一深沟球轴承(21)的位置，所述力矩传感器(29)和电位计(28)固定套装在挖掘输出装置转轴(23)上，且位于蜗轮(31)与第一内壳(5)之间，所述预紧弹簧(24)套装在挖掘输出装置转轴(23)上，预紧弹簧(24)位于第二腔室(61)内，预紧弹簧(24)的一端与挖掘输出装置转轴(23)固定连接，预紧弹簧(24)的另一端与第二内壳(6)固定连接，一个挖掘手爪的挖掘手柄(22)上固定安装有第一铲斗(25)，另一个挖掘手爪的挖掘手柄(22)上固定安装有第二铲斗(26)，且第一铲斗(25)和第二铲斗(26)相对应。

2.根据权利要求1所述的用于行星探测的末端采样器，其特征在于：第一迷宫式密封装置(E)由第一外法兰(42)、第一密封圈(43)和第一内圈(44)组成，所述第一外法兰(42)套装在第一内圈(44)的外台肩上，第一外法兰(42)与第一内圈(44)之间通过密封圈(43)密封。

3.根据权利要求1所述的用于行星探测的末端采样器，其特征在于：所述用于行星探测的末端采样器还包括磨削装置(C)，所述磨削装置(C)由磨头(8)、第二迷宫式密封装置(F)、双联角接触球轴承(9)、第二套筒(10)、磨削输出轴(12)、磨削装置输入齿轮(13)、磨削装置输出齿轮(14)、单联角接触球轴承(15)、双输出直流无刷电机上支撑架(17)、双输出直流无刷电机(18)和双输出直流无刷电机下支撑架(19)组成；所述双输出直流无刷电机(18)的上部固定安装在双输出直流无刷电机上支撑架(17)内，所述双输出直流无刷电机(18)的下部固定安装在双输出直流无刷电机下支撑架(19)内，所述双输出直流无刷电机(18)的上输出轴与磨削装置输入齿轮(13)固定连接，所述磨削装置输入齿轮(13)与磨削装置输出齿轮(14)啮合传动；所述磨削装置输出齿轮(14)固定安装在磨削输出轴(12)上，第二套筒(10)的下端固定套装在磨削输出轴(12)的上端，第二套筒(10)的上端固定套装在磨头(8)的下端，磨削装置输出齿轮(14)上端面与第二套筒(10)下端面固定连接，磨削装置输出齿轮(14)下端面与磨削输出轴(12)的轴肩上端面固定连接，所述磨削输出轴(12)的轴肩下端面与单联角接触球轴承(15)的内圈上端面固定连接；所述单联角接触球轴承(15)安装在双输出直流无刷电机上支撑架(17)的轴承外座孔(16)内；所述第二迷宫式密封装置(F)和双联角接触球轴承(9)由上至下套装在第二套筒(10)上；所述双联角接触球轴承(9)安装在第二内壳(6)的双联角接触球轴承外座孔(7)内，双联角接触球轴承(9)上端内圈靠在第二迷宫式密封装置(F)的第二内圈(47)上，双联角接触球轴承(9)上端外圈靠在和第二迷宫式密封装置(F)的第二外法兰(45)上，双联角接触球轴承(9)下端外圈靠在第二内壳双联角接触球轴承外座孔(7)的凸肩上；所述第二迷宫式密封装置(F)的第二外法兰(45)与第二外壳(11)固定连接。

4.根据权利要求3所述的用于行星探测的末端采样器，其特征在于：第二迷宫式密封装置(F)由第二外法兰(45)、第二密封圈(46)和第二内圈(47)组成，所述第二外法兰(45)套装在第二内圈(47)的外台肩上，第二外法兰(45)与第二内圈(47)之间通过第二密封圈(46)密封。

5.根据权利要求1或3所述的用于行星探测的末端采样器，其特征在于：用于行星探测的末端采样器还包括振动装置(D)，所述振动装置(D)由异形凸轮(37)、连杆(41)、两个滚动轴承(38)、两个复位弹簧(39)和两个撞针(40)组成；所述两个撞针(40)并列在连杆(41)上；每个撞针(40)上套装有一个滚动轴承(38)；每个滚动轴承(38)的外圈上套装有一个复位弹簧(39)，复位弹簧(39)的一端与撞针(40)固定连接，复位弹簧(39)的另一端安装在第二外壳(6)的弹簧座(35)上；所述异形凸轮(37)固定安装在双输出直流无刷电机(18)的下输出轴上，异形凸轮(37)的外轮廓线与连杆(41)的表面相切，撞针(40)穿出第二外壳(11)与挖掘手柄(22)间歇式接触。

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