CN109520768B - 一种地外天体采样装置及其采样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地外天体研究领域，具体地说是一种地外天体采样装置及其采样方法，卫星主体的底部分别设有支撑腿、伸缩抓取装置及多自由度机械臂，支撑腿为多个、沿周向均布，多自由度机械臂的上端连接于卫星主体的底部，下端连接有切削地外天体样本的金刚石链锯；伸缩抓取装置可相对伸缩地安装在卫星主体上，上端与安装在卫星主体内部的动力源相连、由该动力源驱动伸缩，下端设有捕获样本的捕获爪。卫星主体着陆完毕以后利用支撑腿支撑起多自由度机械臂的工作空间，之后利用安装在多自由度机械臂上的金刚石链锯对星体表面实施切割，切割形成的锥形样本由伸缩吸附抓取装置抓取脱离星体表面。本发明结构简单，运动灵活，控制精巧，保证取样的成功率。
Description
技术领域
本发明属于地外天体研究领域，具体地说是一种地外天体采样装置及其采样方法。
背景技术
地外天体蕴含了大量有关于生命和宇宙起源的信息，而利用地外天体的岩石样本进行分析则是最为直接有效的手段；但是由于地外天体地形复杂，要获取合适的岩石样本也较为困难。
发明内容
为了适应地外天体复杂地形进而便于获取地外天体岩石样本，本发明的目的在于提供一种一种地外天体采样装置及其采样方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明的采样装置包括卫星主体、支撑腿、伸缩抓取装置、多自由度机械臂及金刚石链锯，其中卫星主体的底部分别设有支撑腿、伸缩抓取装置及多自由度机械臂，该支撑腿为多个、沿周向均布，所述多自由度机械臂的上端连接于卫星主体的底部，下端连接有切削地外天体样本的所述金刚石链锯；所述伸缩抓取装置可相对伸缩地安装在卫星主体上，上端与安装在卫星主体内部的动力源相连、由该动力源驱动伸缩，下端设有捕获样本的捕获爪；
其中：所述支撑腿包括支撑脚及多个相互铰接的桁架，最上端的桁架铰接于所述卫星主体上，最下端桁架的底部铰接有支撑脚，所述卫星主体上安装有驱动最上端桁架摆动的直线电机A，各所述桁架的底端均安装有驱动下方相邻桁架摆动或驱动支撑脚摆动的直线电机A；
所述桁架为两个，分别为桁架A及桁架B，该桁架A的顶端铰接于所述卫星主体上，底端与所述桁架B的顶端铰接，该桁架B的底端铰接有支撑脚；所述卫星主体、桁架A的底端及桁架B的底端均安装有直线电机A，该卫星主体上的直线电机A驱动所述桁架A摆动，所述桁架A上的直线电机A驱动桁架B摆动，所述桁架B上的直线电机A驱动支撑脚摆动；
所述伸缩抓取装置包括动力源、伸缩杆、基座及捕获爪，该伸缩杆通过直线轴承与卫星主体的底部可相对伸缩地连接，所述伸缩杆的上端与安装在卫星主体内部的动力源相连，下端安装有基座，该基座上安装有捕获爪；
所述捕获爪包括电机A、丝杠A、丝母A、传动杆及抓取夹爪，该电机A安装在基座上，输出轴与转动安装在基座上的丝杠A相连，该丝杠A上螺纹连接有丝母A，所述丝母A沿周向均匀连接有多个传动杆，每个传动杆上均铰接有抓取夹爪，所述抓取夹爪铰接于基座上；
所述动力源为直线电机B，该直线电机B固定在所述卫星主体内部，与所述伸缩杆的上端直连，驱动该伸缩杆伸缩；
所述动力源为电机B，该电机B通过传动机构与伸缩杆的上端连接，驱动该伸缩杆伸缩；所述传动机构包括丝杠B及丝母B，该丝杠B安装在所述卫星主体内，并与所述电机B的输出端连接，由该电机B驱动旋转，所述丝母B与丝杠B螺纹连接，所述伸缩杆的上端与丝母B相连；
所述多自由度机构臂为七自由度机械臂，该七自由度机械臂的执行末端具有一个旋转自由度，并与关节A之间具有一个相对转动自由度，所述关节A具有一个旋转自由度，并与关节B之间具有一个相对转动自由度，所述关节B具有一个旋转自由度，并与关节C之间具有一个相对转动自由度，所述关节C与卫星主体之间具有一个旋转自由度；所述七自由度机械臂带动金刚石链锯进行绕卫星主体轴向中心线旋转切割运动；
本发明地外天体采样装置的采样方法为：
所述卫星主体着陆完毕以后，利用支撑腿支撑起多自由度机械臂的工作空间，之后利用安装在多自由度机械臂上的金刚石链锯对天体表面实施切割，切割形成的样本由所述伸缩抓取装置抓取，然后卫星主体脱离星体表面；具体为：
初始状态，所述支撑腿处于伸长状态，所述伸缩抓取装置通过动力源的驱动收回到行程为零的位置，所述多自由度机械臂带动金刚石链锯处于折叠状态、并位于所述卫星主体的下部；
样本切割状态，所述卫星主体在地外天体表面着陆后，所述支撑腿支撑于地外天体表面，所述多自由度机械臂展开，将金刚石链锯斜深入天体表面以下，并且带动金刚石链锯进行旋转切割，将所取样本切割成锥形，所取的锥形样本根部与天体的其他岩石没有连接，便于取出；
样本回收状态，所述伸缩抓取装置通过动力源的驱动伸出，利用底端的捕获爪抓取住样本，再由所述动力源驱动提升；同时，所述多自由度机械臂收到折叠；
最终工作状态，所述支撑腿折叠，将样本环抱；所述卫星主体离开地外天体表面。
本发明的优点与积极效果为：
1.本发明提供的采样装置结构简单，运动灵活，控制精巧，通过机械臂可以自由调整切削角度，保证取样的成功率。
2.本发明通过多自由度机械臂带动金刚石链锯进行切割，最终切割的形状为锥形，这样有利于样本能顺利的取出。
3.本发明可以适应多种复杂地形情况下的取样工作。
附图说明
图1为本发明采样装置的立体结构示意图；
图2为本发明采样装置中支撑腿的结构示意图；
图3为本发明伸缩抓取装置中基座及捕获爪的结构示意图；
图4为图3中捕获爪的结构示意图；
图5为本发明采样装置中多自由度机械臂的结构原理图；
图6为本发明采样工作过程示意图之一；
图7为本发明采样工作过程示意图之二；
图8为本发明采样工作过程示意图之三；
图9为本发明采用工作过程示意图之四；
其中：1为卫星主体，2为支撑腿，201为直线电机A，202为桁架A，203为桁架B，204为支撑脚，3为伸缩抓取装置，301为伸缩杆，302为基座，303为电机A，304为丝杠B，305为丝母，306为传动杆，307为抓取夹爪，308为销轴，4为多自由度机械臂，401为执行末端，402为关节A，403为关节B，404为关节C，5为金刚石链锯。
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所示，本发明的采样装置包括卫星主体1、支撑腿2、伸缩抓取装置3、多自由度机械臂4及金刚石链锯5，其中卫星主体1的底部分别设有支撑腿2、伸缩抓取装置3及多自由度机械臂4，该支撑腿2为多个、沿卫星主体1底部边缘圆周方向均布，多自由度机械臂4的上端连接于卫星主体1底部的中间位置，下端连接有切削地外天体样本的金刚石链锯5；伸缩抓取装置3可相对伸缩地安装在卫星主体1上，上端与安装在卫星主体1内部的动力源相连、由该动力源驱动伸缩，下端设有捕获样本的捕获爪。
本发明的支撑腿2包括支撑脚24及多个相互铰接的桁架，最上端的桁架铰接于卫星主体1上，最下端桁架的底部铰接有支撑脚204，卫星主体1上安装有驱动最上端桁架摆动的直线电机A201，各桁架的底端均安装有驱动下方相邻桁架摆动或驱动支撑脚204摆动的直线电机A201。如图1、图2所示，本实施例的支撑腿2为三个，每个支撑腿2的桁架均为为两个，分别为桁架A202及桁架B203，该桁架A202的顶端铰接于卫星主体1底部的边缘处，底端与桁架B203的顶端铰接，该桁架B203的底端铰接有支撑脚204。卫星主体1、桁架A202的底端及桁架B203的底端均安装有直线电机A201，该卫星主体1上的直线电机A201驱动所述桁架A202摆动，桁架A202上的直线电机A201驱动桁架B203摆动，桁架B203上的直线电机A201驱动支撑脚204摆动。这样，每个支撑腿2都有平面内的任意自由度，三个支撑腿3可以调节铰链的旋转角，以适应不同的地形环境。
如图1、图3及图4所示，本发明的伸缩抓取装置3为三个，由三个独立的动力源分别控制；每个伸缩抓取装置3均包括动力源、伸缩杆301、基座302及捕获爪，该伸缩杆301通过直线轴承与卫星主体1的底部可相对伸缩地连接，伸缩杆301的上端与安装在卫星主体1内部的动力源相连，下端安装有基座302，该基座302上安装有捕获爪。捕获爪包括电机A303、丝杠A304、丝母A305、传动杆306及抓取夹爪307，该电机A303安装在基座302上，输出轴与转动安装在基座302上的丝杠A304相连，该丝杠A304上螺纹连接有丝母A305，丝母A305沿周向均匀连接有多个传动杆306，每个传动杆306上均铰接有抓取夹爪307，每个抓取夹爪307上均设有销轴308，通过该销轴308铰接于基座302上。每个抓取夹爪307的一端与传动杆306铰接，另一端为钩状，用于抓取地外天体表面岩石。本发明的动力源可为直线电机B，该直线电机B固定在卫星主体1内部，与伸缩杆301的上端直连，驱动该伸缩杆301伸缩。或者，动力源为电机B，该电机B通过传动机构与伸缩杆301的上端连接，驱动该伸缩杆301伸缩。传动机构包括丝杠B及丝母B，该丝杠B安装在卫星主体1内，并与电机B的输出端连接，由该电机B驱动旋转，丝母B与丝杠B螺纹连接，伸缩杆301的上端与丝母B相连。本发明的三个伸缩抓取装置3可根据所抓取天体表面形状调整三个伸缩抓取装置3的各自的运动行程。
多自由度机械臂4为现有技术，如图5所示，本发明的多自由度机械臂4为七自由度机械臂，金刚石链锯5安装在该七自由度机械臂的执行末端401，执行末端401具有一个旋转自由度θ7，并与关节A402之间具有一个相对转动自由度θ6，关节A402具有一个旋转自由度θ5，并与关节B403之间具有一个相对转动自由度θ4，关节B403具有一个旋转自由度θ3，并与关节C404之间具有一个相对转动自由度θ2，关节C404与卫星主体1之间具有一个旋转自由度θ1。七自由度机械臂带动金刚石链锯5进行绕卫星主体1轴向中心线旋转切割运动，切割形成的岩石样本为锥形，且机械臂各个关节角可根据所需切割物体的大小进行调整，以切割合适尺寸的样本。
本发明地外天体采样装置的采样方法为：
如图6所示，卫星主体1着陆完毕以后，利用支撑腿2支撑起多自由度机械臂4的工作空间，之后利用安装在多自由度机械臂4上的金刚石链锯5对天体表面实施切割，切割形成的锥形样本由伸缩抓取装置3抓取，然后卫星主体1脱离星体表面。具体为：
如图7所示，初始状态，支撑腿2处于伸长状态，伸缩抓取装置3通过动力源的驱动收回到行程为零的位置，多自由度机械臂4带动金刚石链锯5处于折叠状态、并位于卫星主体1的下部。
如图8所示，在星体表面着陆后开始样本切割状态，卫星主体1在地外天体表面着陆后，支撑腿2根据天体表面地形调整各个关节的关节角，为采样提供一个稳定的支撑环境；多自由度机械臂4展开，将金刚石链锯5斜深入天体表面以下，并且带动金刚石链锯5进行旋转切割，将所取样本切割成锥形，所取的锥形样本根部与天体的其他岩石没有连接，便于取出。
如图9所示，在星体表面着陆后开始样本回收状态，伸缩抓取装置3通过动力源的驱动伸出，利用底端的捕获爪抓取住样本，再由动力源驱动提升；同时，多自由度机械臂4收回折叠，调整到不干扰伸缩抓取装置3的合适位置即可。
最终工作状态，支撑腿2逐渐折叠，将样本环抱，起到一个额外的固定作用；卫星主体1离开地外天体表面。
本发明可用于实现对小行星等其他地外天体进行采样。
Claims (10)
1.一种地外天体采样装置，其特征在于：包括卫星主体（1）、支撑腿（2）、伸缩抓取装置（3）、多自由度机械臂（4）及金刚石链锯（5），其中卫星主体（1）的底部分别设有支撑腿（2）、伸缩抓取装置（3）及多自由度机械臂（4），该支撑腿（2）为多个、沿周向均布，所述多自由度机械臂（4）的上端连接于卫星主体（1）的底部，下端连接有切削地外天体样本的所述金刚石链锯（5）；所述伸缩抓取装置（3）可相对伸缩地安装在卫星主体（1）上，上端与安装在卫星主体（1）内部的动力源相连、由该动力源驱动伸缩，下端设有捕获样本的捕获爪。
2.根据权利要求1所述的地外天体采样装置，其特征在于：所述支撑腿（2）包括支撑脚（204）及多个相互铰接的桁架，最上端的桁架铰接于所述卫星主体（1）上，最下端桁架的底部铰接有支撑脚（204），所述卫星主体（1）上安装有驱动最上端桁架摆动的直线电机A（201），各所述桁架的底端均安装有驱动下方相邻桁架摆动或驱动支撑脚（204）摆动的直线电机A（201）。
3.根据权利要求2所述的地外天体采样装置，其特征在于：所述桁架为两个，分别为桁架A（202）及桁架B（203），该桁架A（202）的顶端铰接于所述卫星主体（1）上，底端与所述桁架B（203）的顶端铰接，该桁架B（203）的底端铰接有支撑脚（204）；所述卫星主体（1）、桁架A（202）的底端及桁架B（203）的底端均安装有直线电机A（201），该卫星主体（1）上的直线电机A（201）驱动所述桁架A（202）摆动，所述桁架A（202）上的直线电机A（201）驱动桁架B（203）摆动，所述桁架B（203）上的直线电机A（201）驱动支撑脚（204）摆动。
4.根据权利要求1所述的地外天体采样装置，其特征在于：所述伸缩抓取装置（3）包括动力源、伸缩杆（301）、基座（302）及捕获爪，该伸缩杆（301）通过直线轴承与卫星主体（1）的底部可相对伸缩地连接，所述伸缩杆（301）的上端与安装在卫星主体（1）内部的动力源相连，下端安装有基座（302），该基座（302）上安装有捕获爪。
5.根据权利要求4所述的地外天体采样装置，其特征在于：所述捕获爪包括电机A（303）、丝杠A（304）、丝母A（305）、传动杆（306）及抓取夹爪（307），该电机A（303）安装在基座（302）上，输出轴与转动安装在基座（302）上的丝杠A（304）相连，该丝杠A（304）上螺纹连接有丝母A（305），所述丝母A（305）沿周向均匀连接有多个传动杆（306），每个传动杆（306）上均铰接有抓取夹爪（307），所述抓取夹爪（307）铰接于基座（302）上。
6.根据权利要求4所述的地外天体采样装置，其特征在于：所述动力源为直线电机B，该直线电机B固定在所述卫星主体（1）内部，与所述伸缩杆（301）的上端直连，驱动该伸缩杆（301）伸缩。
7.根据权利要求4所述的地外天体采样装置，其特征在于：所述动力源为电机B，该电机B通过传动机构与伸缩杆（301）的上端连接，驱动该伸缩杆（301）伸缩；所述传动机构包括丝杠B及丝母B，该丝杠B安装在所述卫星主体（1）内，并与所述电机B的输出端连接，由该电机B驱动旋转，所述丝母B与丝杠B螺纹连接，所述伸缩杆（301）的上端与丝母B相连。
8.根据权利要求1所述的地外天体采样装置，其特征在于：所述多自由度机械臂（4）为七自由度机械臂，该七自由度机械臂的执行末端（401）具有一个旋转自由度，并与关节A（402）之间具有一个相对转动自由度，所述关节A（402）具有一个旋转自由度，并与关节B（403）之间具有一个相对转动自由度，所述关节B（403）具有一个旋转自由度，并与关节C（404）之间具有一个相对转动自由度，所述关节C（404）与卫星主体（1）之间具有一个旋转自由度；所述七自由度机械臂带动金刚石链锯（5）进行绕卫星主体（1）轴向中心线旋转切割运动。
9.一种权利要求1至8任一权利要求所述的地外天体采样装置的采样方法，其特征在于：所述卫星主体（1）着陆完毕以后，利用支撑腿（2）支撑起多自由度机械臂（4）的工作空间，之后利用安装在多自由度机械臂（4）上的金刚石链锯（5）对天体表面实施切割，切割形成的样本由所述伸缩抓取装置（3）抓取，然后卫星主体（1）脱离星体表面。
10.根据权利要求9所述的采样方法，其特征在于：具体为：
初始状态，所述支撑腿（2）处于伸长状态，所述伸缩抓取装置（3）通过动力源的驱动收回到行程为零的位置，所述多自由度机械臂（4）带动金刚石链锯（5）处于折叠状态、并位于所述卫星主体（1）的下部；
样本切割状态，所述卫星主体（1）在地外天体表面着陆后，所述支撑腿（2）支撑于地外天体表面，所述多自由度机械臂（4）展开，将金刚石链锯（5）斜深入天体表面以下，并且带动金刚石链锯（5）进行旋转切割，将所取样本切割成锥形，所取的锥形样本根部与天体的其他岩石没有连接，便于取出；
样本回收状态，所述伸缩抓取装置（3）通过动力源的驱动伸出，利用底端的捕获爪抓取住样本，再由所述动力源驱动提升；同时，所述多自由度机械臂（4）收到折叠；
最终工作状态，所述支撑腿（2）折叠，将样本环抱；所述卫星主体（1）离开地外天体表面。
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