CN102680275A - 地外星体浅层土壤取样装置 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

地外星体浅层土壤取样装置

技术领域

本发明涉及地外星体浅层土壤取样装置，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，但是它们都具有一些不足之处，例如：Surveyor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；Viking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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明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)本发明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)本发明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，尤其适合用于地外星体浅层土壤取样装置，具有较广的应用范围；

(4)本发明土壤取样装置中的导轨摆臂式位置机构中导轨及运动单元组件有多种实现形式，如：齿轮齿条传动机构、同步带传动机构、丝杠传动机构及钢丝绳缠绕加载机构等，目标是使运动单元能够在导轨上下端之间自由移动，并对运动单元在导轨上的位置进行比较精确的控制；

(5)本发明土壤取样装置中的导轨摆臂式位置机构中摆臂关节带动摆臂扫取扇面的角度范围大于120°，摆臂关节带动摆臂上下摆动的角度范围大于270°，末端关节可以带动末端执行机构进行360°范围的转动，因此使得取样装置的取样范围大大增加，取样灵活性也相应增强；

(6)本发明土壤取样装置中的导轨摆臂式位置机构也可以根据需要驱动其它各种类型的取样用末端执行机构，形成不同的取样装置，以满足不同地外星体土壤取样任务的需求，还可以驱动非取样用的末端执行机构，形成其它类型的空间机构，以满足其它空间任务的需求。

(7)本发明土壤取样装置中的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；

(8)本发明土壤取样装置中的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；

(9)本发明土壤取样装置中的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；

(10)本发明土壤取样装置中的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，连接分离机构为钢球式机构或销柱式机构，钢球式机构中钢球嵌入滑片上的通孔和样品盒腔体外壁上的球窝组成的封闭空腔内，当样品盒分离时，样品盒带动滑片相对套筒上升到极限位置时，钢球与套筒上的通孔对正，样品盒继续上升将钢球挤出通孔，实现样品盒的分离；销柱式机构的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，上述两种连接分离机构设计简单巧妙，可靠性高；

(11)本发明土壤取样装置中的末端执行机构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；

(12)本发明土壤取样装置中的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；

本发明土壤取样装置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为本发明地外星体浅层土壤取样装置的结构示意图；

图2为本发明中末端执行机构的示意图；

图3为本发明中末端执行机构样品盒上单向机构的示意图(土壤进入时)；

图4为本发明中末端执行机构样品盒上单向机构的示意图(土壤外流时)；

图5为本发明中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6为本发明中末端执行机构样品盒入口处封口机构的原理示意图；

图7为本发明中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8为本发明中末端执行机构样品盒腔体上狭长视窗的示意图；

图9为本发明中末端执行机构上钢球式连接分离机构的示意图；

图10为本发明中钢球式连接分离机构中用于嵌入钢球的封闭空腔示意图；

图11为本发明中末端执行机构上销柱式连接分离机构的示意图；

图12为本发明中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13为本发明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所示为本发明地外星体浅层土壤取样装置的结构示意图，由图可知土壤取样装置包括导轨摆臂式位置机构和末端执行机构50两部分，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，导轨55及运动单元56组件主要用于产生运动单元56沿导轨55上下移动的自由度，运动单元56相对导轨55的运动可通过多种方式来实现：如齿轮齿条传动机构、同步带传动机构、丝杠传动机构及钢丝绳缠绕加载机构等，着重要保证导轨55具有足够的抗弯强度和刚度，运动单元56具有足够的牵引力且在导轨55上的位置能够得到比较精确的控制。摆臂关节57包括水平部分57a和竖直部分57b。

运动单元56内部设计有旋转驱动组件，即第一驱动单元，第一驱动单元的输出端连接摆臂关节57，可以驱动摆臂关节57绕竖直部分57b的轴线转动，并带动摆臂58扫取扇面，扇面的角度范围大于120°，以保证取样工作面积，扫取扇面的方式可以为电机及减速机构等驱动的可在任意角度工作的连续方式，也可以为各种间歇运动机构驱动的在若干个指定角度工作的不连续方式。

摆臂关节57内部设计有旋转驱动组件，即第二驱动单元，第二驱动单元可驱动水平部分57a绕水平部分57a的轴线转动并带动摆臂58上下摆动，摆动角度范围大于270°，摆臂58向下可以摆动到与导轨55平行的位置，向上可以摆动到导轨55后侧的水平位置。

摆臂58远离摆臂关节57的另一端设计有旋转驱动组件，形成末端关节59，末端关节59嵌入在摆臂58中，可以驱动其它部件，如末端执行机构50，绕摆臂58末端水平轴进行360°范围的转动。

在位置机构末端关节59的输出端上连接末端执行机构50即可形成取样装置42，以地外星体浅层土壤取样为例，位置机构在取样装置42中的作用是带动末端执行机构50运动，以提供工作动力、实现运动规律并进行位置与刚度保持。如图13所示为本发明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，地外星体浅层土壤取样装置42安装在着陆器43的侧面，主要任务是在地外星体表面上获得足够的土壤样品，并将其转送至位于上升器44上的样品密封封装装置41中。

导轨摆臂式位置机构共有四个自由度：运动单元56沿导轨55的上下移动，摆臂58绕竖直方向和水平方向的转动，末端关节59用于驱动末端执行机构50的转动。

如图2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50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3所示为本发明中末端执行机构样品盒上单向机构示意图(土壤进入时)；图4所示为本发明中末端执行机构样品盒上单向机构示意图(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5所示为本发明中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腔体内的夹角始终小于180°，当土壤流入样品盒3内腔体时，门扇打开，如图3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4所示。

如图3、4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6所示为本发明中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7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13所示。

如图8所示为本发明中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。

连接分离机构4在连接状态时形成土壤进入样品盒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。连接分离机构4有两种方案：第一种为钢球式方案，第二种为销柱式方案。

如图9所示为本发明末端执行机构上钢球式连接分离机构的示意图，包括两个局部放大图，由图可知连接分离机构4包括套筒12、滑片13、钢球14、弹簧15和弹簧销16，套筒12和铲子1刚性连接，其中滑片13和钢球14各有三个，均布在圆周上，滑片13设置在套筒12内侧的凹槽内，与样品盒3腔体外壁紧贴，钢球14嵌入滑片13的通孔和样品盒3腔体外壁的凹槽共同形成的封闭空腔内，如图10所示为本发明钢球式连接分离机构中用于嵌入钢球的封闭空腔示意图，封闭空腔由滑片13上形成的通孔和样品盒3腔体外壁上形成的球窝5a组成，通孔表面包括柱形部分13a与球形部分13b，柱形部分13a为直径与钢球14直径相同的圆柱面，球形部分13b为直径与钢球14相同的部分球面，球窝5a表面与球形部分13b共同组成一个容纳钢球14的半球面，柱形部分13a容纳钢球14的其它部分。末端执行机构处于连接状态时，钢球14镶嵌在球窝5a和滑片13上的通孔之间，与半球面贴合，并与套筒12上相应的内表面相切，使得样品盒3腔体不能从套筒12中移出。套筒12上还设计有三个沿圆周均布的直径稍大于钢球14的通孔30，形成分离动作时钢球14流出的通道。

为了防止在扰动作用下样品盒3腔体向套筒12内侧移动，在样品盒3腔体的四周增加了九个处于预压缩状态的弹簧15，弹簧15的两端分别顶着套筒12和样品盒3腔体，如图9所示。当有外扰动作用于样品盒3腔体体使其产生向内侧的移动时，弹簧15受压，并阻止其继续移动，为了防止弹簧15失稳，套筒12上的相应位置设计有直径稍大于弹簧外包络直径的孔，样品盒3腔体上也设计有细长的弹簧销16贯穿弹簧15中空部分。

分离过程是：处于连接状态的末端执行机构在位置机构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，位置机构克服弹簧15压力继续下压，此时样品盒3腔体连同滑片13及钢球14相对套筒12向上移动，滑片13上升至极限位置时(图9中铲子后端进行限位)，钢球14与套筒12上的通孔30对正，样品盒3盒体继续上升，钢球14被挤出球窝，并从套筒12上的通孔30流出，至此机构的连接已经解除，位置机构带动铲子1等上升，最终使样品盒3从末端执行机构上分离，图13为本发明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。

如图11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12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13所示，处于连接状态的末端执行机构50在位置机构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，位置机构带动铲子1等上升，最终使样品盒3从末端执行机构上分离。

摆臂58的长度可根据任务的不同灵活调节，如在地外星体浅层土壤取样装置中摆臂58长度确定的原则为：运动单元56上升到导轨55上端，末端执行机构50转至样品盒3轴线与摆臂58垂直，摆臂58回摆至水平位置时，样品盒3能正好与上升器44上的样品密封封装装置41对正。

本发明地外星体浅层土壤取样装置工作过程如下：

(1)起始准备阶段，位置机构各部件协调运动，将末端执行机构50置于星体表面附近，准备进行获取土壤的作业；

(2)获取土壤阶段，位置机构通过运动单元56沿导轨55的上下移动，内置在运动单元56内的第一驱动单元和内置在摆臂关节57内的第二驱动单元对摆臂58的旋转驱动，以及末端关节59对末端执行机构50的旋转驱动，使末端执行机构50使用铲挖和棘轮旋挖两种取样作业方式获取足够多的土壤样品，完成标志是末端执行机构50后部的样品盒3盛满样品；

(3)样品转运阶段，位置机构在几个关节协调运动的作用下，将盛满土壤样品的末端执行机构50带至上升器44的样品密封封装装置41上方并与之对正；

(4)样品转送阶段，主要任务是将样品从末端执行机构50上转送到上升器44上的样品密封封装装置41中，即将末端执行机构50的样品盒3分离，使样品盒3整体进入样品密封封装装置41中，并将样品盒3机械锁定；

(5)避让阶段，样品转送完成后，位置机构驱动末端执行机构50的其它部分(包括铲子1、棘轮2和连接分离机构4)向着陆器43外侧摆动，以避免在上升器44起飞时发生碰撞干涉。

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的公知技术。

Claims (11)

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(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(50)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，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；封口机构用于在样品盒(3)分离时防止盒内的土壤样品飞溅出来；连接分离机构(4)实现样品盒(3)与末端执行机构(50)的分离。

2.根据权利要求1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1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1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1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，钢球(14)嵌入滑片(13)的通孔和样品盒(3)腔体外壁上的凹槽共同形成的封闭空腔内，使得样品盒(3)腔体不能从套筒(12)中移出，套筒(12)与样品盒(3)腔体外壁之间设置处于压缩状态的弹簧(15)和弹簧销(16)，防止末端执行机构翻转时样品盒(3)位移过大导致连接失效，当样品盒(3)分离时，钢球(14)在滑片(13)上升到铲子(1)后端的极限位置时与套筒(12)的通孔(30)对正，样品盒(3)继续上升将钢球(14)挤出通孔(30)，实现样品盒(3)的分离。

6.根据权利要求5所述的地外星体浅层土壤取样装置，其特征在于：所述钢球(14)嵌入的封闭空腔由滑片(13)上形成的通孔和样品盒(3)腔体外壁上形成的球窝(5a)组成，所述通孔的表面包括柱形部分(13a)与球形部分(13b)，柱形部分(13a)为直径与钢球(14)直径相同的圆柱面，球形部分(13b)为直径与钢球(14)相同的部分球面，球窝(5a)表面与球形部分(13b)共同组成一个容纳钢球(14)的半球面，柱形部分(13a)容纳钢球(14)的其它部分。

7.根据权利要求1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)为销柱式连接分离机构，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，阻尼力的大小可以通过对调整螺钉(22)的旋入旋出进行调整。

8.根据权利要求7所述的地外星体浅层土壤取样装置，其特征在于：所述套筒(12)与样品盒(3)腔体之间还可以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。

9.根据权利要求1所述的地外星体浅层土壤取样装置，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。

10.根据权利要求9所述的地外星体浅层土壤取样装置，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。

11.根据权利要求1所述的地外星体浅层土壤取样装置，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。

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