CN107036842A - 可伸展仿生采样器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太空星体采样领域，具体地说是一种可伸展仿生采样器，其中展开传送机构设有带钢卷轴、输送辊传动机构和两个输送辊，带钢卷轴的端部与展开驱动电机的输出轴固连，带钢与采样钻连接并绕置于带钢卷轴上，带钢通过输送辊传送，其中主动输送辊通过展开驱动电机驱动旋转，展开驱动电机通过输送辊传动机构传递转矩；采样钻包括钻壳、钻头、导向管、往复驱动机构和采样装置，钻壳后端与带钢固连，钻头后段设置于钻壳中、前段设置于钻壳外且设有倒齿，导向管设置于钻壳内且钻头后段套设于导向管上，导向管后段设有驱动钻头移动的往复驱动机构，钻头前端设有与导向管前端固连的采样装置。本发明基于仿生学原理设计，使钻探和采样可以同时进行。

Description

可伸展仿生采样器

技术领域

本发明涉及太空星体采样领域，具体地说是一种可伸展仿生采样器。

背景技术

随着我国航天事业的蓬勃发展，对除月球以外的其他星体的探测活动也逐步提上发展日程。世界各国对太空星体探测工程(也包括我国的嫦娥工程)中的一项重要任务便是星体的采样与回收，通过分析星体构成可以增加人类对星体演变的认知，同时也可用于寻找新的资源。现有技术中，采样最常用的方式是旋转钻，其技术发展已经十分成熟，但在未知的太空环境中，切削热等因素容易造成钻头故障，从而无法进行正常工作，另外旋转钻需要专门的设备提供足够正压力实现钻取，这也会增大发射难度，而且发射成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可伸展仿生采样器，是基于仿生学原理由树蜂高效钻探树洞获得启发设计而成，具有体积小、质量轻、效率高等特点，可以使钻探和采样同时进行，大大提高作业效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种可伸展仿生采样器，包括展开驱动电机、展开传送机构、带钢和采样钻，其中展开传送机构设有带钢卷轴、输送辊传动机构和两个输送辊，带钢卷轴的端部与展开驱动电机的输出轴固连，带钢绕置于所述带钢卷轴上且自由端穿过两个输送辊后与采样钻连接，带钢通过所述两个输送辊传送，其中主动输送辊通过所述展开驱动电机驱动旋转，且所述展开驱动电机通过所述输送辊传动机构传递转矩；所述采样钻包括钻壳、钻头、导向管、往复驱动机构和采样装置，其中钻壳后端与所述带钢固连，钻头后段设置于钻壳中，钻头前段设置于钻壳外并且外侧设有倒齿，导向管设置于所述钻壳内，且所述钻头后段套设于所述导向管上，在所述导向管后段内部设有驱动所述钻头移动的往复驱动机构，在所述钻头前端内部设有采样装置，且所述采样装置与所述导向管前端固连。

所述两个输送辊中，主动输送辊外圆周面为凸轮面，从动输出辊的外圆周面为凹度与所述主动输送辊的凸轮面相配的凹轮面，带钢通过所述两个输送辊的凸凹面卷成筒状，所述展开传送机构设置于一壳体中，在所述壳体的底板上开有一个通孔，卷起的带钢由所述通孔穿过。

所述输送辊传动机构为一个齿轮传动组，所述齿轮传动组中的主动齿轮固装在所述带钢卷轴上，所述齿轮传动组中的输出齿轮固装在所述主动输送辊的辊轴上，在所述主动齿轮和输出齿轮之间设有一个惰轮。

所述展开传送机构设置于一壳体中，且在所述壳体内、在所述带钢卷轴上方设有一个张紧机构，所述张紧结构包括张紧架、张紧杆和张紧片，其中张紧架固设于所述壳体中，张紧杆一端穿过所述张紧架、另一端与张紧片固连，在所述张紧片与张紧架之间的张紧杆上套设有压簧，所述压簧始终处于压缩状态，所述张紧片通过所述压簧作用与带钢卷相抵。

所述钻头包括背钻瓣、中间瓣和腹钻瓣，所述背钻瓣和腹钻瓣形成一回转体结构，所述背钻瓣和腹钻瓣后段外侧为光壁且伸入至所述钻壳中，所述背钻瓣和腹钻瓣前段设置于所述钻壳外且外侧设有倒齿，所述中间瓣设置于钻头前端且位于所述背钻瓣和腹钻瓣之间。

所述导向管后端与所述钻壳固连，所述导向管呈三段阶梯状，所述导向管后段外径最大且外壁与所述钻壳的内壁贴合，所述导向管的中段外壁与所述背钻瓣和腹钻瓣不含倒齿的后段内壁贴合，所述导向管前段外径最小且外壁与所述背钻瓣和腹钻瓣含倒齿的前段内壁贴合。

在所述导向管后段内设有往复驱动机构，所述往复驱动机构包括往复驱动电机、电机固定台、套筒和套筒固定台，其中电机固定台和套筒固定台均固装于所述导向管内，往复驱动电机固装在所述电机固定台上且输出轴穿过所述电机固定台后与所述套筒固连，所述套筒另一端与所述套筒固定台转动连接，在所述套筒上设有螺旋槽，所述钻头包括背钻瓣和腹钻瓣，所述背钻瓣和腹钻瓣后端内侧设有沿着所述螺旋槽滚动的滚轮。

所述导向管的中段设有导向槽，所述钻头包括背钻瓣和腹钻瓣，所述背钻瓣和腹钻瓣后端内侧设有沿着所述导向槽移动的导向块。

所述采样装置包括采样驱动电机、采样背壳和采样腹壳，采样驱动电机固装于所述导向管前端，采样腹壳设置于采样背壳中，所述采样驱动电机壳体部分与所述采样背壳固连，所述采样驱动电机的输出轴与所述采样腹壳固连，所述采样背壳内壁与采样腹壳外壁贴合，且所述采样腹壳通过采样驱动电机驱动在所述采样背壳内转动。

所述钻壳后端固设有一个端盖，所述端盖后侧通过一个箍环与所述带钢的自由端固连，所述导向管后端同时与所述端盖前侧以及所述钻壳后端固连，所述端盖前侧沿圆周方向设有多个限位齿，在所述导向管后端设有多个限位凹槽，所述多个限位齿即与所述限位凹槽交错咬合。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明基于仿生学原理由树蜂高效钻探树洞获得启发设计而成，具有体积小、质量轻、效率高等特点，并且使钻探和采样可以同时进行，极大地提高了作业效率。

2.本发明设计的采样钻端部包含背钻瓣、中间瓣和腹钻瓣三部分，背钻瓣和腹钻瓣用于钻探，中间瓣可以起到一定定向作用，到达目的深度后，中间瓣工作实现采样。

3.本发明钻的运动形式为直线往复型，避免了微重力下，旋转钻会造成探测车旋转的问题。

4.本发明设计的展开机构，使柔性带钢在伸出后形成强度高的杆状结构，在钻探过程中不易发生弯曲和位置偏离，且收回时仍可绕在主动轮上，工作可靠，寿命长。

5.本发明设计的采样钻结构适用范围广，可以实现不同深度的采样和频繁的工作任务。

6.本发明结构新颖且体积小，质量轻，一定程度上降低了航天器的发射难度。

附图说明

图1为本发明的整体示意图，

图2为本发明的展开机构示意图，

图3为本发明的采样钻示意图，

图4为图3中的采样钻内部示意图，

图5为图4中导向管内部的往复驱动机构示意图，

图6为图4中钻头内部示意图，

图7为图4中的采样装置示意图。

其中，1为展开驱动电机，2为展开传送机构，3为第一盖板，4为带钢，5为箍环，6为采样钻，7为张紧片，8为第二盖板，9为主动齿轮，10为输出齿轮，11为底板，12为主动输送辊，13为从动输送辊，14为惰轮，15为夹板，16为张紧架，17为张紧杆，18为钻壳，19为背钻瓣，20为中间瓣，21为腹钻瓣，22为端盖，23为导向管，24为导向槽，25为采样驱动电机，26为采样背壳，27为采样腹壳，28为往复驱动电机，29为电机固定台，30为套筒，31为套筒固定台，32为滚轮，33为导向块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～7所示，本发明包括展开驱动电机1、展开传送机构2、带钢4和采样钻6，其中展开传送机构2设置于一壳体中，如图2所示，所述展开传送机构2包括一个带钢卷轴、两个输送辊和一个输送辊传动机构，所述带钢4绕置于所述带钢卷轴上且自由端由所述两个输送辊之间穿过后伸出至所述壳体外与所述采样钻6连接，所述带钢4即通过两个输送辊传送，所述展开驱动电机1安装在所述壳体上，且所述带钢卷轴的端部与所述展开驱动电机1的输出轴固连，两个输出辊中的主动输送辊12通过所述展开驱动电机1驱动旋转，且所述展开驱动电机1通过所述输送辊传动机构传递转矩。如图3～7所示，所述采样钻6包括钻壳18、钻头、导向管23、往复驱动机构和采样装置，其中所述钻壳18后端与所述带钢4固连，所述钻头后段设置于钻壳18中，所述钻头前段设置于钻壳18外并且外侧设有倒齿，所述导向管23设置于所述钻壳18内，且所述钻头后段套设于所述导向管23上，在所述导向管23后段内设有驱动所述钻头移动的往复驱动机构，在所述钻头前端内设有采样装置，且所述采样装置与所述导向管23前端固连。

如图1～2所示，所述壳体包括第一盖板3、第二盖板8和底板11，所述带钢卷轴以及各个输送辊的两端分别安装在不同的盖板上，所述输送辊传动机构为一个齿轮传动组，如图2所示，所述齿轮传动组中的主动齿轮9固装在所述带钢卷轴上，所述齿轮传动组中的输出齿轮10固装在所述主动输送辊12的辊轴上，在所述主动齿轮9和输出齿轮10之间设有一个惰轮14，所述展开驱动电机1依次通过所述主动齿轮9、惰轮14和输出齿轮10传动驱动所述主动输送辊12转动，经过惰轮14传递后，所述输出齿轮10与所述主动齿轮9转向相同，且所述输出齿轮10的分度圆直径小于所述主动齿轮9的分度圆直径，这样输出齿轮10的切向角速度高于主动齿轮9上的角速度，有利于带钢4的伸展和收回，同时起到一定张紧作用，所述齿轮传动组的各个齿轮轮轴两端分别安装在所述壳体的不同盖板上。如图2所示，所述两个输送辊中，主动输送辊12外圆周面为凸轮面，从动输出辊13的外圆周面为凹度与所述主动输送辊12的凸轮面相配的凹轮面，带钢4经过所述两个输送辊的凸凹面后即卷成筒状，在所述壳体的底板11上开有一个通孔，带钢4经过所述两个输送辊的凸凹面轮廓改变曲率后再经过该通孔，可以使其曲率平稳过渡，且限制带钢4的伸出部分横向大幅摆动，使钻探过程更加稳定。

如图2所示，在所述带钢卷轴两侧设有夹板15用于夹紧带钢卷，另外在带钢4伸出和收回过程中，为了避免带钢4出现鼓包情况，本发明在所述壳体内设有一个张紧机构，所述张紧结构包括张紧架16、张紧杆17和张紧片7，其中所述张紧架16两侧分别固定在所述壳体的第一盖板3和第二盖板8上，张紧杆17一端穿过所述张紧架16、另一端与张紧片7通过螺钉固连，在所述张紧片7与张紧架16之间的张紧杆17上套设有压簧，所述压簧在带钢4伸展和收回时始终处于压缩状态，从而提供一定的压力压住带钢卷。

本发明的采样钻6根据树蜂产卵管末端微观结构以及钻探机理进行设计。如图3～4所示，所述采样钻6包括钻壳18和钻头，其中所述钻头包括背钻瓣19、中间瓣20和腹钻瓣21，所述背钻瓣19和腹钻瓣21形成一回转体结构，且所述背钻瓣19和腹钻瓣21后段外侧为光壁且伸入至所述钻壳18中，所述背钻瓣19和腹钻瓣21前段外侧设有倒齿且设置于所述钻壳18外，所述中间瓣20设置于钻头前端且位于所述背钻瓣19和腹钻瓣21之间。如图4所示，在所述钻壳18内设有一个呈三段阶梯状的导向管23，所述导向管23后段外径最大且外壁与所述钻壳18的内壁贴合，所述钻头后段套装于所述导向管23前段上并且与所述导向管23为止口配合，其中所述导向管23的中段外壁与所述背钻瓣19和腹钻瓣21不含倒齿的后段内壁贴合，所述导向管23前段外径最小且外壁与所述背钻瓣19和腹钻瓣21含倒齿的前段内壁贴合，所述钻头可沿着所述导向管23滑动。如图3～4所示，在所述钻壳18后端固设有一个端盖22，所述端盖22后侧通过一个箍环5与所述带钢4的自由端固连，所述导向管23后端通过螺钉与所述端盖22前侧以及所述钻壳18后端一起固连，其中所述端盖22前侧沿圆周方向设有多个限位齿，在所述导向管23后端设有多个限位凹槽，所述多个限位齿即与所述限位凹槽交错咬合确保所述导向管23不发生径向转动。

在所述导向管23后段内设有往复驱动机构，如图5所示，所述往复驱动机构包括往复驱动电机28、电机固定台29、套筒30和套筒固定台31，其中电机固定台29通过螺钉固装于所述导向管23上，往复驱动电机28固装在所述电机固定台29上且输出轴穿过所述电机固定台29后与所述套筒30固连，在所述套筒30上设有螺旋槽，如图6所示，在构成钻头本体的背钻瓣19和腹钻瓣21后端内侧设有沿着所述螺旋槽滚动的滚轮32，所述套筒30另一端与所述套筒固定台31转动连接，所述套筒固定台31通过螺钉固装于所述导向管23上，所述往复驱动电机28驱动所述套筒30转动，所述套筒30通过所述螺旋槽驱动所述钻头做相位差为180°的往复运动。

如图4所示，所述导向管23的中段设有导向槽24，如图6所示，在构成钻头本体的背钻瓣19和腹钻瓣21内设有沿着所述导向槽24移动的导向块33，所述导向槽24用于实现钻头沿着轴向往复运动。

如图4和图7所示，在所述钻头前端内设有采样装置，所述采样装置包括采样驱动电机25、采样背壳26和采样腹壳27，其中所述采样驱动电机25固装于所述导向管23前端，在所述导向管23前端设有一个与所述采样驱动电机25壳轮廓相一致的孔，所述采样驱动电机25插装入所述孔中并通过环氧树脂胶进行固定，采样腹壳27设置于采样背壳26中，所述采样驱动电机25壳体部分与所述采样背壳26固连，所述采样驱动电机25的输出轴与所述采样腹壳27固连，所述采样背壳26外壁与所述背钻瓣19和腹钻瓣21含有倒齿段的前段内壁贴合，所述采样背壳26内壁与采样腹壳27外壁贴合，所述采样腹壳27即通过采样驱动电机25驱动在所述采样背壳26内转动，当所述采样背壳26与采样腹壳27形成一封闭回转体时为关闭状态，其他状态均为开启状态。

本发明的工作原理为：

本发明工作时，选定采样区域后，展开驱动电机1正转驱动带钢4不断向外伸出形成杆状并带动采样钻6向下运动，此时采样钻6各部分不工作，当采样钻6与星体表面接触时，降低展开驱动电机1的转速，同时启动往复驱动电机28带动钻头的背钻瓣19和腹钻瓣21做相位差为180°的直线往复运动，往复运动频率通过PWM对往复驱动电机28进行转速控制，另外钻头的中间瓣20端部较锐，可较易扎入表层一微小深度，对钻探起到一定导向作用，所述背钻瓣19和腹钻瓣21上的倒齿结构在往复运动时可以破坏星体形成层，并通过倒齿结构将钻屑排出形成钻洞，展开驱动电机1通过展开传送机构2驱动带钢4向下伸展实现钻探。当钻探至目的深度后，展开驱动电机1停止运动，往复驱动电机28保持工作状态，同时启动采样驱动电机25带动采样腹壳27转动实现采样，样品由中间瓣20与背钻瓣19和腹钻瓣21之间进入采用腹壳27内，采样结束后控制采样背壳26和采样腹壳27形成封闭空间，往复驱动电机28保持工作状态，展开驱动电机1反转带动带钢4向上收回至样品分区，再次启动采样驱动电机25使样品自动落入样品分区，然后控制采样背壳26和采样腹壳27形成封闭空间完成一次采样过程，下次采样过程循环即可。

Claims (10)

1.一种可伸展仿生采样器，其特征在于：包括展开驱动电机(1)、展开传送机构(2)、带钢(4)和采样钻(6)，其中展开传送机构(2)设有带钢卷轴、输送辊传动机构和两个输送辊，带钢卷轴的端部与展开驱动电机(1)的输出轴固连，带钢(4)绕置于所述带钢卷轴上且自由端穿过两个输送辊后与采样钻(6)连接，带钢(4)通过所述两个输送辊传送，其中主动输送辊(12)通过所述展开驱动电机(1)驱动旋转，且所述展开驱动电机(1)通过所述输送辊传动机构传递转矩；所述采样钻(6)包括钻壳(18)、钻头、导向管(23)、往复驱动机构和采样装置，其中钻壳(18)后端与所述带钢(4)固连，钻头后段设置于钻壳(18)中，钻头前段设置于钻壳(18)外并且外侧设有倒齿，导向管(23)设置于所述钻壳(18)内，且所述钻头后段套设于所述导向管(23)上，在所述导向管(23)后段内部设有驱动所述钻头移动的往复驱动机构，在所述钻头前端内部设有采样装置，且所述采样装置与所述导向管(23)前端固连。

2.根据权利要求1所述的可伸展仿生采样器，其特征在于：所述两个输送辊中，主动输送辊(12)外圆周面为凸轮面，从动输出辊(13)的外圆周面为凹度与所述主动输送辊(12)的凸轮面相配的凹轮面，带钢(4)通过所述两个输送辊的凸凹面卷成筒状，所述展开传送机构(2)设置于一壳体中，在所述壳体的底板(11)上开有一个通孔，卷起的带钢(4)由所述通孔穿过。

3.根据权利要求1所述的可伸展仿生采样器，其特征在于：所述输送辊传动机构为一个齿轮传动组，所述齿轮传动组中的主动齿轮(9)固装在所述带钢卷轴上，所述齿轮传动组中的输出齿轮(10)固装在所述主动输送辊(12)的辊轴上，在所述主动齿轮(9)和输出齿轮(10)之间设有一个惰轮(14)。

4.根据权利要求1所述的可伸展仿生采样器，其特征在于：所述展开传送机构(2)设置于一壳体中，且在所述壳体内、在所述带钢卷轴上方设有一个张紧机构，所述张紧结构包括张紧架(16)、张紧杆(17)和张紧片(7)，其中张紧架(16)固设于所述壳体中，张紧杆(17)一端穿过所述张紧架(16)、另一端与张紧片(7)固连，在所述张紧片(7)与张紧架(16)之间的张紧杆(17)上套设有压簧，所述压簧始终处于压缩状态，所述张紧片(7)通过所述压簧作用与带钢卷相抵。

5.根据权利要求1所述的可伸展仿生采样器，其特征在于：所述钻头包括背钻瓣(19)、中间瓣(20)和腹钻瓣(21)，所述背钻瓣(19)和腹钻瓣(21)形成一回转体结构，所述背钻瓣(19)和腹钻瓣(21)后段外侧为光壁且伸入至所述钻壳(18)中，所述背钻瓣(19)和腹钻瓣(21)前段设置于所述钻壳(18)外且外侧设有倒齿，所述中间瓣(20)设置于钻头前端且位于所述背钻瓣(19)和腹钻瓣(21)之间。

6.根据权利要求5所述的可伸展仿生采样器，其特征在于：所述导向管(23)后端与所述钻壳(18)固连，所述导向管(23)呈三段阶梯状，所述导向管(23)后段外径最大且外壁与所述钻壳(18)的内壁贴合，所述导向管(23)的中段外壁与所述背钻瓣(19)和腹钻瓣(21)不含倒齿的后段内壁贴合，所述导向管(23)前段外径最小且外壁与所述背钻瓣(19)和腹钻瓣(21)含倒齿的前段内壁贴合。

7.根据权利要求1或6所述的可伸展仿生采样器，其特征在于：在所述导向管(23)后段内设有往复驱动机构，所述往复驱动机构包括往复驱动电机(28)、电机固定台(29)、套筒(30)和套筒固定台(31)，其中电机固定台(29)和套筒固定台(31)均固装于所述导向管(23)内，往复驱动电机(28)固装在所述电机固定台(29)上且输出轴穿过所述电机固定台(29)后与所述套筒(30)固连，所述套筒(30)另一端与所述套筒固定台(31)转动连接，在所述套筒(30)上设有螺旋槽，所述钻头包括背钻瓣(19)和腹钻瓣(21)，所述背钻瓣(19)和腹钻瓣(21)后端内侧设有沿着所述螺旋槽滚动的滚轮(32)。

8.根据权利要求1或6所述的可伸展仿生采样器，其特征在于：所述导向管(23)的中段设有导向槽(24)，所述钻头包括背钻瓣(19)和腹钻瓣(21)，所述背钻瓣(19)和腹钻瓣(21)后端内侧设有沿着所述导向槽(24)移动的导向块(33)。

9.根据权利要求1所述的可伸展仿生采样器，其特征在于：所述采样装置包括采样驱动电机(25)、采样背壳(26)和采样腹壳(27)，采样驱动电机(25)固装于所述导向管(23)前端，采样腹壳(27)设置于采样背壳(26)中，所述采样驱动电机(25)壳体部分与所述采样背壳(26)固连，所述采样驱动电机(25)的输出轴与所述采样腹壳(27)固连，所述采样背壳(26)内壁与采样腹壳(27)外壁贴合，且所述采样腹壳(27)通过采样驱动电机(25)驱动在所述采样背壳(26)内转动。

10.根据权利要求1所述的可伸展仿生采样器，其特征在于：所述钻壳(18)后端固设有一个端盖(22)，所述端盖(22)后侧通过一个箍环(5)与所述带钢(4)的自由端固连，所述导向管(23)后端同时与所述端盖(22)前侧以及所述钻壳(18)后端固连，所述端盖(22)前侧沿圆周方向设有多个限位齿，在所述导向管(23)后端设有多个限位凹槽，所述多个限位齿即与所述限位凹槽交错咬合。