CN107966315A - 一种星体表面采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空间探测技术领域，具体公开一种星体表面采样装置，包括电机、采样机构和收集盒；上述星体表面采样装置，采样机构通过啮合的主动齿轮和从动齿轮带动结构相同的主动轴和从动轴相对旋转，实现转动惯量相互抵消，减少对探测器的反作用力。通过主动棘轮保证主动轴仅可以单向转动，主动棘轮与收集盒上的固定座共同作用实现电机与主动轴的安装与脱离，使采样机构取用与存放灵活。转动轴前端安装钻头和倾斜的扇片实现对松软土壤和坚硬岩石取样。上述星体表面采样装置，能够满足无引力天体表面不同地貌采样，且重量轻、对探测器反作用力小、取用灵活，能够满足无引力天体及小行星探测的需求。

Description

一种星体表面采样装置

技术领域

本发明涉及空间探测技术领域，特别涉及一种星体表面采样装置。

背景技术

随着人类航天探索的不断推进，在实现月球与火星采样后，下一步将对空间内的小行星进行探测。小行星探测对于了解行星系统形成过程及探索生命起源，具有重大科学意义，也为后续行星资源开发提供科学依据。小行星表面采样是小行星探测重要的一部分。由于小行星具有自传周期快、表面地质结构不确定、微重力等特点，在月球或火星上使用的采样装置不能完全适用于小行星的探测。设计一种体积小、重量轻、能够适应无引力天体表面不同采样需求且对探测器反作用力小的采样机构，是完成无引力天体及小行星表面探测的关键技术之一。

专利CN102967484A提出一种小行星岩石采样机械臂装置，通过4自由度机械臂和末端切割装置完成小行星表面高硬度岩石采样，该结构动作灵活，但重量较大，仅适用于表面为坚硬岩石的小行星采样。专利CN102879218B提出一种深空小行星样品采集探测器的采样装置，使用高压气体发射弹射球撞击小行星表面，并收集撞击溅射的土壤，该方法与日本隼鸟号采集装置原理相同，均需要一个大开口采集装置，且采集样本较少。专利CN104034557B提出一种用于小行星探测的钻取抓铲式复合采样器装置，能够获取小行星表面与深层样本，但存在质量重、没有考虑对探测器反作用力等缺点。因此，有必要对无引力天体表面采样机构进行进一步的深入研究。

发明内容

本发明旨在克服现有采样装置具有重量较大、没有考虑对探测器反作用力等技术缺陷，提供一种具有重量轻、取用与存放灵活、对探测器反作用力小等特点的星体表面采样装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种星体表面采样装置，包括电机、采样机构和收集盒；

所述采样机构包括箱体、主动轴、主动齿轮、主动棘轮、棘轮抓、棘轮抓压紧弹簧、主动轴扇片、从动轴、从动齿轮、从动棘轮和从动轴扇片；所述主动轴和所述从动轴均可转动安装于所述箱体，且所述主动轴和所述从动轴贯穿所述箱体，所述主动轴和所述从动轴间隔设置，所述主动轴的一端与所述电机连接，所述主动轴扇片安装在所述主动轴远离所述电机的一端，所述主动齿轮安装于所述主动轴上，所述主动齿轮位于所述电机和所述主动轴扇片之间，所述主动棘轮粘接在主动齿轮一侧，所述棘轮抓安装在所述箱体的内壁，所述棘轮抓压紧弹簧将所述棘轮抓压紧到所述主动棘轮上，所述从动齿轮安装于所述从动轴上，所述主动齿轮和所述从动齿轮啮合，所述从动棘轮粘接在所述从动齿轮一侧，所述从动轴扇片安装在所述从动轴远离所述电机的一端；

所述收集盒包括收集盒壳体和固定于所述收集盒壳体内部的间隔设置的两个固定座，所述主动轴轴心至所述从动轴轴心之间的距离与两个所述固定座中心之间的距离相等。

一些实施例中，所述采样机构还包括分别安装于所述主动轴和所述从动轴的主动轴扇片固定座和从动轴扇片固定座，所述主动轴扇片使用过盈连接安装在所述主动轴扇片固定座内，所述从动轴扇片使用过盈连接安装在所述从动轴扇片固定座内。

一些实施例中，所述主动轴扇片固定座和所述从动轴扇片固定座均分别设有与所述主动轴扇片和所述从动轴扇片相对应的凹槽，所述主动轴扇片和所述从动轴扇片分别固定于所述主动轴扇片固定座和所述从动轴扇片固定座的所述凹槽内，所述主动轴扇片固定座中心和所述从动轴扇片固定座中心之间的距离与所述从动轴轴心和所述主动轴轴心之间的距离相等。

一些实施例中，所述主动轴设有所述主动轴扇片的一端和所述从动轴设有所述从动轴扇片的一端均设有钻头，且两个所述钻头螺旋线旋转方向相反。

一些实施例中，所述箱体包括上盖、采样机构壳体和下盖，所述上盖和所述下盖分别安装于所述采样机构壳体的两端，所述采样机构壳体的内部设有安装块，所述安装块用于安装所述主动轴和所述从动轴。

一些实施例中，所述主动轴和所述从动轴均通过轴承安装在所述上盖和所述采样机构壳体的所述安装块上。

一些实施例中，所述轴承均由锁紧螺母和轴肩轴向固定。

一些实施例中，所述采样机构还包括棘轮抓固定台，所述棘轮抓安装在所述棘轮抓固定台上，所述棘轮抓固定台固定在所述采样机构壳体上。

一些实施例中，所述采样机构还包括轴承端盖，所述轴承端盖安装在所述轴承的两端。

一些实施例中，所述主动轴远离所述主动轴扇片的一端设有螺纹孔，所述电机前端设有螺纹，所述电机通过所述前端螺纹旋入所述主动轴上的所述螺纹孔内。

本发明的有益效果在于：上述星体表面采样装置，采样机构通过啮合的主动齿轮和从动齿轮带动结构相同的主动轴和从动轴相对旋转，实现转动惯量相互抵消，减少对探测器的反作用力。通过主动棘轮保证主动轴仅可以单向转动，主动棘轮与收集盒上的固定座共同作用实现电机与主动轴的安装与脱离，使采样机构取用与存放灵活。上述星体表面采样装置，能够满足无引力天体表面不同地貌采样，且重量轻、对探测器反作用力小、取用灵活，能够满足无引力天体及小行星探测的需求。是无引力天体及小行星采样领域不可缺少的关键技术。

附图说明

图1示意性示出根据本发明一个实施例的星体表面采样装置的结构示意图。

图2为根据本发明一个实施例的收集盒的结构示意图。

图3为根据本发明一个实施例的星体表面采样装置的剖面结构示意图。

图4为根据本发明的一个主动棘轮和从动棘轮的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

首先参考图1至图4，示出根据本发明一个实施例的星体表面采样装置，包括收集盒1、采样机构2和电机3。

星体表面的采样工作主要由采样机构2完成。采样机构2包括箱体、主动轴217、主动齿轮212、主动棘轮213、棘轮抓214、棘轮抓压紧弹簧221、主动轴扇片218、从动轴25、从动齿轮27、从动棘轮26和从动轴扇片23。主动轴217和从动轴25均可转动安装于箱体内，且主动轴217和从动轴2贯穿箱体，主动轴217和从动轴25间隔设置。主动轴217的一端与电机3连接，主动轴扇片218安装在主动轴217远离电机3的一端，主动齿轮212安装于主动轴217上，主动齿轮212位于电机3和主动轴217扇片之间，主动棘轮213粘接在主动齿轮212一侧，棘轮抓214安装在箱体的内壁，棘轮抓压紧弹簧221将棘轮抓214压紧到主动棘轮213上，从动齿轮27安装于从动轴25上，主动齿轮212和从动齿轮27啮合。且主动齿轮212和从动齿轮27的旋转方向相反。从动棘轮26粘接在从动齿轮27一侧，从动轴25扇片安装在从动轴25远离电机3的一端。

请参考图2，收集盒1用于采样机构2的固定及样本收集。收集盒1包括收集盒壳体11和固定于收集盒壳体11内部的间隔设置的两个固定座12。主动轴217轴心至从动轴25轴心之间的距离与两个固定座12中心之间的距离相等。进一步的，两个固定座12均通过螺钉固定在收集盒壳体11内。两个固定座12分别开设有与采样机构2的主动轴扇片218和从动轴扇片23对应的凹槽，可以防止主动轴扇片218和从动轴扇片23转动。

电机3的后端可与机械臂或移动机构相连，并能够实现正传与反转，主要为采样提供动力。电机3的前端设有螺纹，主动轴217远离主动轴扇片218的一端设有螺纹孔，电机3通过前端的螺纹旋入主动轴217上的螺纹孔内。可以根据不同旋转方向旋入、旋出，并带动采样机构2旋转工作。

进一步的，箱体包括上盖211、采样机构壳体216和下盖21，上盖211和下盖21分别安装于采样机构壳体216的两端。具体的，上盖211和下盖21分别使用螺钉固定在采样机构壳体216的两端。采样机构壳体216的内部设有安装块222，安装块222用于安装主动轴217和从动轴25。采样机构壳体216下面除安装轴承210的安装块222和连接的加强筋外，其他部分均掏空。

为尽可能的消除采样机构2旋转带给探测器的反作用力，采样机构2的主动轴217与从动轴25结构及安装方式几乎完全相同，两者通过主动齿轮212和从动齿轮27啮合传动实现反向转动，且转速相同。进一步的，主动齿轮21使用大固定销28固定在主动轴217上。从动齿轮26也使用大固定销28安装在从动轴25上。从动棘轮25和从动齿轮26结构与主动棘轮213和主动齿轮212结构完全相同。主动轴217和从动轴25上分别安装有主动棘轮213和从动棘轮26，主动棘轮213与棘轮抓214配合，用于限制主动轴217仅单向旋转，从动棘轮26用于保证主动轴217和从动轴25的旋转转动惯量相同。

进一步的，主动轴217和从动轴25均通过轴承210安装在上盖211和采样机构壳体216的安装块222上。具体的，主动轴217的一端通过一个轴承210安装与上盖211上，主动轴217的另一端通过另一个轴承210安装在采样机构壳体216的安装块222上。从动轴25的一端通过一个轴承210安装与上盖211上，从动轴25的另一端通过另一个轴承210安装在采样机构壳体216的安装块222上。轴承210均由锁紧螺母、弹性挡圈和轴肩等轴向固定，以限制主动轴217和从动轴25轴向移动。主动轴217和从动轴25的轴承210安装与固定方式完全相同。

进一步的，采样机构2还包括轴承端盖24，轴承端盖24安装在轴承210的两端，以防止采样灰尘进入轴承210内，造成轴承210卡滞。具体的，轴承端盖24使用螺钉固定安装在采样机构壳体216和上盖211上。

进一步的，采样机构2还包括棘轮抓固定台215，棘轮抓214安装在棘轮抓固定台215上，棘轮抓固定台215固定在采样机构壳体216上。具体的，棘轮抓固定台215通过螺钉固定在采样机构壳体216上。

请参考图2，采样机构2还包括分别安装于主动轴217和从动轴25的主动轴扇片固定座219和从动轴扇片固定座22，主动轴扇片218使用过盈连接安装在主动轴扇片固定座219内，从动轴扇片23使用过盈连接安装在从动轴扇片固定座22内。进一步的，主动轴扇片固定座219和主动轴扇片218作为整体安装在主动轴217上，且主动轴扇片固定座219使用小固定销220安装在主动轴217的前端。从动轴扇片固定座22和从动轴扇片23作为整体安装在从动轴25上，且从动轴扇片安装座22使用小固定销220安装在从动轴25前端。进一步的，主动轴扇片固定座219和从动轴扇片固定座22均分别设有与主动轴扇片218和从动轴扇片23相对应的凹槽。主动轴扇片218和从动轴扇片23分别固定于主动轴扇片固定座219和从动轴扇片固定座22的凹槽内。从动轴扇片23与主动轴扇片218结构完全相同，从动轴扇片安装座22与主动轴扇片安装座219结构相似，但从动轴扇片安装座22的凹槽的倾斜方向与主动轴扇片安装座219的凹槽的倾斜方向相反。主动轴扇片固定座219中心和从动轴扇片固定座22中心之间的距离与从动轴25轴心和主动轴217轴心之间的距离相等。

请参考图3，主动轴217设有主动轴扇片218的一端和从动轴25设有从动轴扇片23的一端均设有钻头，且两个钻头螺旋线旋转方向相反。

上述星体表面采样装置，在采样前，采样机构2放置在收集盒1中，电机3未与采样机构2连接。当到达采样位置，需要开始进行采样时，在机械臂或移动机构的带动下，电机3到达主动轴217上端，并顺时针旋转。由于固定座12上有与扇片相对应的凹槽，限制扇片转动，故电机3前端螺纹能够旋入主动轴217后端的螺纹孔内。当电机3前端螺纹完全旋入主动轴217后，探测器机械臂或移动机构带动电机3和采样机构2脱离收集盒1，并到指定采样位置。由电机3带动主动轴217顺时针转动，同时通过主动齿轮212和从动齿轮27啮合关系，带动从动轴25逆时针转动。主动轴217和从动轴25分别带动主动轴扇片218和从动轴扇片23以相反的方向转动。

若采样地点地质结构是沙土或风化层时，主动轴217与从动轴25前端的钻头直接钻入沙土或风化层内部，扇片将沙土或风化层旋入下盖21和上盖211之间采样箱体内。若采样地点地质结构是岩石，则先由主动轴217与从动轴25前端的钻头在岩石上钻孔，然后经扇片将钻下来的粉末旋入采样机构下盖21和采样机构上盖211之间的采样箱体内。

采样完成后，电机3继续转动，防止样本从采样箱体内漏出。同时机械臂或移动机构带动整个采样机构2和电机3返回到收集盒1位置，并将采样机构2放入收集盒1内。由于固定座12限制，采样机构2完全放入收集盒1内时，电机3将再次堵转。此时电机3反向转动，由于棘轮限制，只允许主动轴217顺时针转动，当电机3反转时，电机3前端螺纹将从螺纹孔内旋出。电机3可以再旋入下一个采样机构2，以备下一个地点采样。

上述星体表面采样装置，采样机构2通过啮合的主动齿轮212和从动齿轮27带动结构相同的主动轴217和从动轴25相对旋转，实现转动惯量相互抵消，减少对探测器的反作用力。通过主动棘轮213保证主动轴217仅可以单向转动，主动棘轮213与收集盒1上的固定座12共同作用实现电机3与主动轴217的安装与脱离，使采样机构2取用与存放灵活。主动轴217和从动轴25前端安装的钻头和倾斜的扇片可以实现对松软土壤和坚硬岩石取样，且主动轴217和从动轴25的钻头旋转方向和扇片倾斜方向相反，可以保证样品顺利收集和对探测器的反作用力最小。上述星体表面采样装置，能够满足无引力天体表面不同地貌采样，且重量轻、对探测器反作用力小、取用灵活，能够满足无引力天体及小行星探测的需求。是无引力天体及小行星采样领域不可缺少的关键技术。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种星体表面采样装置，其特征在于，包括电机、采样机构和收集盒；

所述采样机构包括箱体、主动轴、主动齿轮、主动棘轮、棘轮抓、棘轮抓压紧弹簧、主动轴扇片、从动轴、从动齿轮、从动棘轮和从动轴扇片；所述主动轴和所述从动轴均可转动地安装于所述箱体，且所述主动轴和所述从动轴贯穿所述箱体，所述主动轴和所述从动轴间隔设置，所述主动轴的一端与所述电机连接，所述主动轴扇片安装在所述主动轴远离所述电机的一端，所述主动齿轮安装于所述主动轴上，所述主动齿轮位于所述电机和所述主动轴扇片之间，所述主动棘轮粘接在主动齿轮一侧，所述棘轮抓安装在所述箱体的内壁，所述棘轮抓压紧弹簧将所述棘轮抓压紧到所述主动棘轮上，所述从动齿轮安装于所述从动轴上，所述主动齿轮和所述从动齿轮啮合，所述从动棘轮粘接在所述从动齿轮一侧，所述从动轴扇片安装在所述从动轴远离所述电机的一端；

所述收集盒包括收集盒壳体和固定于所述收集盒壳体内部的间隔设置的两个固定座，所述主动轴轴心至所述从动轴轴心之间的距离与两个所述固定座中心之间的距离相等。

2.如权利要求1所述的星体表面采样装置，其特征在于，所述采样机构还包括分别安装于所述主动轴和所述从动轴的主动轴扇片固定座和从动轴扇片固定座，所述主动轴扇片使用过盈连接安装在所述主动轴扇片固定座内，所述从动轴扇片使用过盈连接安装在所述从动轴扇片固定座内。

3.如权利要求2所述的星体表面采样装置，其特征在于，所述主动轴扇片固定座和所述从动轴扇片固定座均分别设有与所述主动轴扇片和所述从动轴扇片相对应的凹槽，所述主动轴扇片和所述从动轴扇片分别固定于所述主动轴扇片固定座和所述从动轴扇片固定座的所述凹槽内，所述主动轴扇片固定座中心和所述从动轴扇片固定座中心之间的距离与所述从动轴轴心和所述主动轴轴心之间的距离相等。

4.如权利要求1所述的星体表面采样装置，其特征在于，所述主动轴设有所述主动轴扇片的一端和所述从动轴设有所述从动轴扇片的一端均设有钻头，且两个所述钻头螺旋线旋转方向相反。

5.如权利要求1所述的星体表面采样装置，其特征在于，所述箱体包括上盖、采样机构壳体和下盖，所述上盖和所述下盖分别安装于所述采样机构壳体的两端，所述采样机构壳体的内部设有安装块，所述安装块用于安装所述主动轴和所述从动轴。

6.如权利要求5所述的星体表面采样装置，其特征在于，所述主动轴和所述从动轴均通过轴承安装在所述上盖和所述采样机构壳体的所述安装块上。

7.如权利要求6所述的星体表面采样装置，其特征在于，所述轴承均由锁紧螺母和轴肩轴向固定。

8.如权利要求5所述的星体表面采样装置，其特征在于，所述采样机构还包括棘轮抓固定台，所述棘轮抓安装在所述棘轮抓固定台上，所述棘轮抓固定台固定在所述采样机构壳体上。

9.如权利要求5所述的星体表面采样装置，其特征在于，所述采样机构还包括轴承端盖，所述轴承端盖安装在所述轴承的两端。

10.如权利要求1所述的星体表面采样装置，其特征在于，所述主动轴远离所述主动轴扇片的一端设有螺纹孔，所述电机前端设有螺纹，所述电机通过所述前端螺纹旋入所述主动轴上的所述螺纹孔内。