CN102680274B - 用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构，包括铲子、棘轮、样品盒和连接分离机构，其中棘轮固定在铲子前端，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，内部设置有单向机构和封口机构，其中单向机构防止样品盒内的土壤流出；封口机构用于样品盒分离时防止盒内的土壤飞溅出来；连接分离机构包括套筒、电磁铁销柱和铁芯、电磁铁固定架和阻尼装置，在连接状态时形成土壤进入样品盒的通道，在样品转送时，使经过初级封装的样品脱离末端执行机构，本发明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。

Description

用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构

技术领域

本发明涉及用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构，属于深空探测技术领域和航天器机构技术领域。

背景技术

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，但是它们的与土壤直接作用的部分-末端执行机构都具有一些不足之处，例如：Surveyor末端执行机构的取样作业方式单一，对地质环境的适应性较差；Viking末端执行机构的结构较复杂，取样作业方式单一，对地质环境的适应性较差；Phoenix末端执行机构为了提高对地质环境的适应性，增加了微型破岩钻机，导致结构比较复杂。以上任务中末端执行机构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。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构，该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样品密封封装装置中。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构，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，封口机构用于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，阻尼力的大小通过对调整螺钉的旋入旋出进行调整。

在上述用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构中，单向机构包括第一门扇、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。

在上述用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构中，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。

在上述用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构中，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。

在上述用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构中，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。

在上述用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构中，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。

在上述用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构中，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。

在上述用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构中，套筒与样品盒腔体外壁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。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明末端执行机构集成了铲挖和棘轮旋挖两种取样作业方式，棘轮的高速旋挖能够对硬质土壤和岩石进行有效的破碎，并将部分碎屑直接甩入铲子内腔中，也可以将取样过程中遇到的一些尺寸较大的不适于取样的块状土壤或岩石破碎成尺寸较小的，或者直接移开，从而提高了对地质环境的适应性；

(2)本发明末端执行机构样品盒入口处巧妙设计了单向机构，单向机构的两个门扇均为半椭圆形，且椭圆短轴等于样品盒腔体内壁直径，椭圆长轴大于样品盒腔体内壁直径，当土壤进入样品盒时单向机构的门扇打开，土壤流出时门扇关闭，保证了取样过程中，土壤只能流入而不能流出样品盒，使得取样作业能够顺利进行下去；

(3)本发明末端执行机构样品盒入口处除了单向机外还有封口机构，封口机构由记忆合金圈和柔性纺织材料筒组成，在样品转送时动作，原本撑开的记忆合金圈收拢，和纺织材料筒共同将样品盒入口封闭，完成样品的初级封装，同时可避免样品盒进入上升器上的样品密封封装装置时，土壤洒落而污染其密封面；

(4)本发明末端执行机构上设计了连接分离机构，用于将样品盒固定在铲子后部并形成土壤样品进入样品盒的通道，样品转送时，可以使经过初级封装的样品脱离末端执行机构，连接分离机构采用销柱式方案，核心部件为销柱式电磁铁，连接状态时，销柱穿过套筒和样品盒腔体上的通孔将样品盒锁定，加电后，铁芯将销柱拨出，在重力或弹簧恢复力的作用下样品盒即可从末端执行机构上分离，该连接分离机构设计简单巧妙，可靠性高；

(5)本发明末端执行机构的销柱式连接分离机构上，还设置有阻尼装置，目的是防止电磁铁销柱在扰动力(如重力)作用下轴向蹿动导致连接失效，阻尼装置的阻尼力大小可以通过对调整螺钉的旋入旋出进行调整，进一步增强了连接的可靠性；

(6)本发明末端执行机构的样品盒腔体采用薄壁桶状结构，容积根据所需样品量确定，上部还设计有沿圆周均匀分布的狭长视窗，用于观察进入盒内的土壤量，样品盒外侧底部设计有机械接口，用于在样品盒进入上升器上的密封封装装置后与其内侧底部的机械接口共同将样品盒机械锁定；

(7)本发明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，可以一次性的获取足够的土壤样品并进行初级封装后，在位置机构的辅助下，将样品移送至上升器上的样品密封装装置中，具有较高的可靠性；

本发明末端执行机构已成功的研制出了一台原理样机，并进行了大量的实验，取得了很好的效果。

附图说明

图1为本发明末端执行机构的结构示意图；

图2为本发明末端执行机构样品盒上单向机构的示意图(土壤进入时)；

图3为本发明末端执行机构样品盒上单向机构的示意图(土壤外流时)；

图4为本发明末端执行机构样品盒上单向机构的两个门扇在夹角为180°时的示意图；

图5为本发明末端执行机构样品盒入口处封口机构的原理示意图；

图6为本发明末端执行机构样品盒入口处封口机构记忆合金圈的示意图；

图7为本发明末端执行机构样品盒腔体上狭长视窗的示意图；

图8为本发明末端执行机构上销柱式连接分离机构的示意图；

图9为本发明销柱式连接分离机构中处于预压缩状态的分离弹簧的示意图；

图10为使用本发明末端执行机构的地外星体浅层土壤取样装置在地外星体着陆器上的安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明末端执行机构的结构示意图，由图可知本发明用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构由铲子1、棘轮2、样品盒3、连接分离机构4组成。

末端执行机构以铲子1铲挖为基本和主要作业方式，棘轮2旋挖为辅助破岩方式，样品盒3构成末端执行机构上的样品临时存储空间并且能够对样品进行初级封装，连接分离机构4用于将样品盒3固定在铲子1后端，并形成土壤从铲子1进入样品盒3的通道，在样品转送时，可以使经过初级封装的样品脱离末端执行机构，进入上升器44上的样品密封封装装置41中。

铲子1是末端执行机构的主体部分，主要用于对土壤进行铲挖，铲挖是末端执行机构获取土壤样品的基本和主要作业方式，铲子1上设有用于安装棘轮2组件的机械接口，铲子1后端留有出口，用于土壤样品通过连接分离机构4向样品盒3内转移。

为了方便加工、降低成本，铲子1应分成铲子主体和前端齿两部分分别进行设计加工，铲子主体着重考虑其强度，铲子前端齿还需满足硬度要求，完成后两者进行刚性连接。

棘轮2固定在铲子1前部，主要用于对土壤进行旋挖，棘轮2旋挖是末端执行机构获取土壤样品的辅助破岩方式。棘轮2的高速转动能够对硬质土壤和岩石进行有效的破碎，并将部分碎屑直接甩入铲子1内腔中，也可以将取样过程中遇到的一些尺寸较大的不适于取样的块状土壤或岩石破碎成尺寸较小的，或者直接移开。

样品盒3通过连接分离机构4固定在铲子1后端，构成末端执行机构上的土壤样品临时存储空间，并能对样品进行初级封装。样品盒3的腔体采用薄壁桶状结构，容积可根据所需样品质量确定，且由半径不同的两段筒体组成，其中半径较小的筒体3a与连接分离机构4连接，并提供单向机构与封口机构的安装接口，半径较大的筒体3b存放土壤样品。

如图2所示为本发明末端执行机构样品盒上单向机构的示意图(土壤进入时)；图3所示为本发明末端执行机构样品盒上单向机构的示意图(土壤外流时)，样品盒3入口处的单向机构由第一门扇6、门轴7、限位螺钉8及第二门扇9组成。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，如图4所示为本发明末端执行机构样品盒上单向机构的两个门扇在夹角为180°时的示意图，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腔体内壁的直径，椭圆面的长轴大于筒形样品盒3腔体内壁的直径，使得第一门扇6和第二门扇9在样品盒3内的夹角始终小于180°，当土壤流入样品盒3内腔体时，门扇打开，如图2所示，当盒内的土壤向外流动而推动第一门扇6和第二门扇9时，第一门扇6和第二门扇9边缘基本与样品盒3腔体内表面贴合，阻止土壤流出，如图3所示。

如图2、3所示，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的作用是防止单向机构的第一门扇6和第二门扇9开启过大导致其在土壤外流时不能正常闭合，即防止第一门扇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。

单向机构可以保证取样过程中，土壤只能流入而不能流出样品盒3，使得取样作业能够顺利进行下去。

如图5所示为本发明末端执行机构样品盒入口处封口机构的原理示意图，样品盒3入口处的封口机构由柔性纺织材料筒10和记忆合金圈11组成。柔性纺织材料筒10为圆筒状，一端固定在样品盒3腔体上，另一端和记忆合金圈11相连。记忆合金圈11在外力作用下形状不确定，解除外力作用后会恢复成如图6所示的形状。

当样品盒3连接在末端执行机构上时，柔性纺织材料筒10呈折叠状态，并和在样品盒3腔体外壁约束下呈环形的记忆合金圈11一起存放在铲子1和样品盒3腔体之间的空间内。当连接分离机构4解锁时，样品盒3腔体离开铲子1，而记忆合金圈11由于铲子1上台阶的限制而保持在原位，样品盒3腔体下移足够行程以后，对记忆合金圈11的约束解除，记忆合金圈11收拢恢复，并带动柔性纺织材料筒10共同将样品盒3的入口封闭，完成样品的初级封装，同时可避免样品盒3进入上升器44上的样品密封封装装置41时，土壤洒落而污染其密封面，如图10所示。

如图7所示为本发明末端执行机构样品盒腔体上狭长视窗的示意图，样品盒3的主体样品盒腔体上部还设计有沿圆周均匀分布的狭长视窗31，用于观察进入盒内的土壤量。

样品盒3的底部外侧还设计有机械接口，用于样品盒3进入上升器44的样品密封封装装置41后，与其内侧底部的机械接口共同将样品盒3机械锁定。

如图8所示为本发明末端执行机构上销柱式连接分离机构的示意图，包括一个局部放大图，由图可知连接分离机构4包括套筒12、电磁铁组件、电磁铁固定架19和阻尼装置，电磁铁组件包括销柱17和铁芯18，其中套筒12、电磁铁固定架19和铲子1刚性连接，铁芯18与电磁铁固定架19刚性连接，销柱17的一端插入铁芯18的通孔中并能轴向移动，通电后铁芯18对销柱17产生吸引力，使二者贴合，套筒12和样品盒3腔体外壁具有直径与销柱17另一端细长部分直径相同的通孔，销柱17的另一端插入通孔将套筒12和样品盒3连接，电磁铁通电后拔出销柱17可以解除连接，使样品盒3分离。

为了防止电磁铁销柱17在扰动力(如重力)作用下轴向蹿动导致连接失效，在电磁铁固定架19上设计了由密封圈压盖20、密封圈21、三个沿压盖圆周均布的调整螺钉22组成的阻尼装置。电磁铁固定架19上开有圆柱形凹槽，凹槽底部开有直径稍大于销柱17一端细长部分直径的通孔供销柱一端细长部分穿过，圆柱形凹槽容纳密封圈21，密封圈21同时套在销柱17一端的细长部分上，密封圈压盖20压入凹槽内，调整螺钉22穿过密封圈压盖20上的通孔固定在电磁铁固定架19上，将密封圈压盖20压紧在密封圈21上，使密封圈21变形并产生对销柱17的沿轴向的阻尼力，防止销柱17轴向蹿动导致连接失效。阻尼装置的阻尼力大小可以通过对三个调整螺钉22的旋入旋出进行调整，以小于电磁铁的吸引力但大于扰动力为宜。

同时也可以在套筒12和样品盒3腔体之间增加处于预压缩状态的弹簧15，使套筒12与样品盒3的连接解除后，样品盒3可在弹簧15的恢复力的作用下分离。如图9所示为本发明销柱式连接分离机构中处于预压缩状态的分离弹簧的示意图。

如图10为使用本发明末端执行机构的地外星体浅层土壤取样装置在地外星体着陆器上的安装示意图。处于连接状态的末端执行机构在位置机构(取样装置42除末端执行机构以外的其它部分)的作用下沿垂直方向摆正并缓慢下降，在样品盒3接触到上升器44的样品密封封装装置41底部时，电磁铁通电后拔出销柱17解除连接，使样品盒3分离并整体进入样品密封封装装置41中，并将样品盒3机械锁定。

以上所述，仅为本发明的一种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知技术。

Claims (8)

1.用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构，其特征在于：包括铲子(1)、棘轮(2)、样品盒(3)和连接分离机构(4)，其中铲子(1)是末端执行机构的主体，用于对土壤进行铲挖，棘轮(2)固定在铲子(1)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(1)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(3)内的土壤流出，封口机构用于样品盒(3)分离时防止盒内的土壤样品飞溅出来；连接分离机构(4)包括套筒(12)、电磁铁组件、电磁铁固定架(19)和阻尼装置，电磁铁组件包括销柱(17)和铁芯(18)，其中套筒(12)、电磁铁固定架(19)和铲子(1)刚性连接，铁芯(18)与电磁铁固定架(19)刚性连接，销柱(17)的一端插入铁芯(18)的通孔中并能轴向移动，通电后铁芯(18)对销柱(17)产生吸引力，使二者贴合，套筒(12)和样品盒(3)腔体外壁上形成通孔，销柱(17)的另一端插入所述通孔将套筒(12)和样品盒(3)连接，电磁铁通电后拔出销柱(17)可以解除连接，使样品盒(3)分离；阻尼装置包括密封圈压盖(20)、密封圈(21)和沿密封圈压盖(20)圆周均布的调整螺钉(22)，电磁铁固定架(19)上开有凹槽，凹槽容纳密封圈(21)，密封圈(21)同时套在销柱(17)的一端，密封圈压盖(20)压入凹槽内，调整螺钉(22)穿过密封圈压盖(20)上的通孔固定在电磁铁固定架(19)上，将密封圈压盖(20)压紧在密封圈(21)上，使密封圈(21)变形并产生对销柱(17)的沿轴向的阻尼力，防止销柱(17)轴向蹿动导致连接失效，阻尼力的大小通过对调整螺钉(22)的旋入旋出进行调整。

2.根据权利要求1所述的用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构，其特征在于：所述单向机构包括第一门扇(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(3)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。

3.根据权利要求2所述的用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构，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。

4.根据权利要求1所述的用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构，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。

5.根据权利要求1所述的用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构，其特征在于：样品盒(3)腔体由直径不同的两段筒体组成，其中直径较小的筒体(3a)与连接分离机构(4)连接，并提供样品盒(3)上单向机构与封口机构的安装接口，直径较大的筒体(3b)存放土壤样品。

6.根据权利要求5所述的用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构，其特征在于：所述直径较大的筒体(3b)上开有狭长视窗(31)，用于观测筒体内的土壤样品量。

7.根据权利要求1所述的用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构，其特征在于：所述样品盒(3)外侧底部设置有机械接口，用于样品盒(3)进入上升器(44)上的样品密封封装装置(41)后，与样品密封封装装置(41)内侧底部的机械接口共同将样品盒(3)机械锁定。 

8.根据权利要求1所述的用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构，其特征在于：所述套筒(12)与样品盒(3)腔体外壁之间还设置处于压缩状态的弹簧(15)，保证样品盒(3)与套筒(12)的连接解除后，样品盒(3)在弹簧(15)的恢复力作用下可靠分离。 

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