CN102706691A - 一种用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种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样品飞溅出来；连接分离机构包括套筒、滑片、钢球、弹簧和弹簧销，在连接状态时形成土壤进入样品盒的通道，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，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

一种用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构

技术领域

本发明涉及一种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，提供一种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：

一种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；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；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，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，所述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。

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，连接分离机构采用钢球式方案，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，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；

(6)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钢球式连接分离机构的示意图；

图9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；

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9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8所示。当有外扰动作用于样品盒3腔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8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。

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 (7)

1.一种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；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；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)，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。

2.根据权利要求1所述的一种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。

3.根据权利要求1所述的一种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。

4.根据权利要求1所述的一种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。

5.根据权利要求1所述的一种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所述的一种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)，用于观测筒内的土壤样品量。

7.根据权利要求1所述的一种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。

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