CN110065055B - 实现表层块状样品抓取采样的小行星探测器 - Google Patents

Abstract

一种实现表层块状样品抓取采样的小行星探测器，包括轨控发动机喷嘴、探测器主体、若干圆形太阳翼、若干着陆腿、采样机械臂和样品返回舱；轨控发动机喷嘴固定在探测器主体顶面中心，为探测器提供推力；圆形太阳翼在探测器主体上部边缘沿圆周方向均匀布置，着陆腿在探测器主体底面外缘沿圆周方向均匀布置，采样机械臂安装在探测器主体底面，样品返回舱固定在探测器主体底部中心且开口位于探测器主体外部。本发明可在小行星表面实现可靠的多次附着，科研探测时间充分、探测区域大；并且可拾取小行星表层块状物质并返回地球，样品所含信息丰富完整、样品量多，地面研究对样品的利用程度充分。

Description

实现表层块状样品抓取采样的小行星探测器

技术领域

本发明涉及小行星探测器，具体的说，是涉及一种采集小行星表层块状样品的探测器。

背景技术

小行星作为太阳系形成时的物质残留，是一类重要的地外天体；同时，随着深空探测技术的发展，小行星探测已成为热点研究问题。小行星探测的方式有多种，其中采样返回探测是现阶段最有效、最直接、获得信息最全面的探测方式；在采样返回探测中，探测器可着陆到小行星表面进行短暂或长时间的停留以开展包括采样操作在内的诸多探测任务，并且将所获采集的样品送回地球。目前，世界各国及地区已成功完成了小行星采样返回探测任务的仅有日本的隼鸟号探测器，在小行星表面微重力的环境下，该探测器是通过腹部伸出的带有喇叭状末端的样品捕捉器与小行星表面“一触即走”，在触碰的过程中样品捕捉器内发射高速金属球撞击星表并吸取飞溅的星壤完成采样，“一触即走”方式中探测器在星表停留时间极短，探测器所采集的样品量少且多为小尺寸的尘土颗粒，其科研价值有限。此外，欧空局的罗塞塔-菲莱号探测器也曾进行过采样返回任务的尝试，该探测器计划利用附着方式在小行星表面着陆缓冲并锚固以达到在星表长时间停留的目的，在停留过程中依靠锚固力的支撑进行钻取采样，但实际操作中附着过程失败从而影响采样的实施，同时钻取采样所需锚固力大，对锚固机构要求高。因此，小行星采样返回探测技术现仍处于起步阶段，该方面成果不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为推动小行星采样返回探测任务的顺利实施，提供一种实现表层块状样品抓取采样的小行星探测器，该探测器可抓取小行星表层多区域的块状物质并送回地球，所获样品中蕴含的科研信息极为丰富。

本发明所采用的技术方案是：一种实现表层块状样品抓取采样的小行星探测器，包括轨控发动机喷嘴、探测器主体、若干圆形太阳翼、若干着陆腿、采样机械臂和样品返回舱；轨控发动机喷嘴固定在探测器主体顶面中心，为探测器提供推力；圆形太阳翼在探测器主体上部边缘沿圆周方向均匀布置，着陆腿在探测器主体底面外缘沿圆周方向均匀布置，采样机械臂安装在探测器主体底面，样品返回舱固定在探测器主体底部中心且开口位于探测器主体外部。

所述探测器主体为承重筒结构，搭载有效载荷并安装主推力发动机和多个姿控发动机。

所述采样机械臂包括基座、RR关节、第Ⅰ杆件、第Ⅲ关节、第Ⅱ杆件、第Ⅳ关节、指状手爪；RR关节为两转动自由度关节，第Ⅲ关节、第Ⅳ关节分别为单转动自由度关节，基座与第Ⅰ杆件通过RR关节连接，第Ⅰ杆件与第Ⅱ杆件通过第Ⅲ关节连接，第Ⅱ杆件与指状手爪通过第Ⅳ关节连接，指状手爪用于拾取小行星表层块状样品；基座安装在探测器主体底面。

所述RR关节包括第Ⅰ关节减速器、第Ⅰ关节电机、轴承座、止推轴承、减速器安装架、连接轴、固定端片、锁紧螺母、关节连接件、第Ⅱ关节电机安装套、第Ⅱ关节电机、第Ⅱ关节谐波减速器、第Ⅱ关节滚动轴承和第Ⅱ关节端盖；第Ⅰ关节电机的输出轴与第Ⅰ关节减速器输入端固定连接，第Ⅰ关节减速器安装在减速器安装架内，减速器安装架固定在轴承座上；连接轴一端通过止推轴承安装在轴承座内部，绕轴承座的回转中心转动；轴承座安装在基座内，与基座端面固定；连接轴另一端通过方形轴段与固定端片中心方孔配合并通过锁紧螺母使连接轴与固定端片固定；第Ⅱ关节电机安装在第Ⅱ关节电机安装套内，第Ⅱ关节电机的输出轴与第Ⅱ关节谐波减速器的输入端固定连接，第Ⅱ关节谐波减速器的输出端与第Ⅰ杆件的顶端固定连接；第Ⅱ关节滚动轴承内圈与第Ⅱ关节电机安装套外壁的阶梯轴段配合，第Ⅱ关节滚动轴承外圈与第Ⅰ杆件顶端的方孔配合；第Ⅱ关节端盖与第Ⅰ杆件顶端侧面固定，用于限定第Ⅱ关节滚动轴承的轴向位置，第Ⅱ关节电机安装套通过第Ⅱ关节滚动轴承相对于第Ⅰ杆件转动；固定端片安装在关节连接件侧面，第Ⅱ关节电机安装套安装在关节连接件内；第Ⅰ关节电机的转动轴垂直于探测器主体底板，第Ⅱ关节电机的转动轴垂直于第Ⅰ杆件的主回转中心线，第Ⅰ关节电机的转动轴与第第Ⅱ关节电机的转动轴垂直。

所述第Ⅲ关节包括第Ⅲ关节电机、第Ⅲ关节电机安装套、第Ⅲ关节端盖、第Ⅲ关节滚动轴承和第Ⅲ关节谐波减速器；第Ⅲ关节电机安装在第Ⅲ关节电机安装套内，第Ⅲ关节电机安装套安装在第Ⅱ杆件顶端内，第Ⅲ关节滚动轴承的内圈与第Ⅲ关节电机安装套外壁的阶梯轴段配合，第Ⅲ关节滚动轴承的外圈与第Ⅰ杆件底端的方孔配合；第Ⅲ关节端盖与第Ⅰ杆件底端侧面固定，用于限定第Ⅲ关节滚动轴承的轴向位置；第Ⅲ关节电机安装套通过第Ⅲ关节滚动轴承相对于第Ⅰ杆件转动；第Ⅲ关节谐波减速器安装在第Ⅰ杆件的底端内，第Ⅲ关节谐波减速器的输入端与第Ⅲ关节电机的输出轴固定连接，第Ⅲ关节谐波减速器的输出端与第Ⅰ杆件的底端端面固定；第Ⅲ关节的转动轴分别与第Ⅰ杆件的主轴线、第Ⅱ杆件的主轴线垂直。

第Ⅳ关节包括第Ⅳ关节电机、第Ⅳ关节电机安装套、第Ⅳ关节端盖、第Ⅳ关节滚动轴承、第Ⅳ关节谐波减速器和第Ⅳ关节连接杆；第Ⅳ关节电机安装在第Ⅳ关节电机安装套内的隔板一侧，第Ⅳ关节电机安装套一端安装在第Ⅱ杆件底端内部；第Ⅳ关节滚动轴承的内圈与第Ⅳ关节电机安装套外壁的阶梯轴段配合，第Ⅳ关节滚动轴承的外圈与第Ⅳ关节连接杆顶端横向圆孔配合；第Ⅳ关节端盖与第Ⅳ关节连接杆顶端侧面固定，用于限定第Ⅳ关节滚动轴承的轴向位置；第Ⅳ关节电机安装套伸入另一端第Ⅳ关节连接杆顶端横向圆孔内，第Ⅳ关节谐波减速器的输入端与第Ⅳ关节电机的输出轴固定，第Ⅳ关节谐波减速器的输出端与第Ⅳ关节连杆的顶端固定，第Ⅳ关节连接杆通过第Ⅳ关节滚动轴承相对于第Ⅱ杆件转动；第Ⅳ关节的转动轴分别与第Ⅱ杆件的主轴线、第Ⅳ关节连杆的主轴线垂直。

所述指状手爪包括手爪电机、手爪减速器、爪臂、驱动盘、导向端盖和若干爪指；手爪电机的输出轴与手爪减速器的输入端固定连接，手爪减速器固定在爪臂上且手爪减速器的输出轴与驱动盘固定连接；导向端盖与爪臂的末端固定连接，导向端盖与爪臂的末端之间形成空腔，驱动盘位于空腔内部且具有绕爪臂回转中心的转动自由度；驱动盘上以驱动盘的圆心为中心均布若干螺旋状卡槽，导向端盖上沿周向均布若干直线导轨，直线导轨沿导向端盖的径向，且每个直线导轨分别与一个螺旋状卡槽对应，每根爪指分别安装在一个直线导轨中且根部插入对应的螺旋状卡槽内；手爪电机驱动各爪指同时沿对应的螺旋状卡槽以及直线导轨滑动，实现各爪指的相互靠拢与相互散开的操作；指状手爪通过爪臂与第Ⅳ关节连接杆连接。

样品返回舱为多层结构，每一层用于分别保存采样机械臂在小行星表面不同区域抓取的小行星表层块状样品。

着陆腿用于探测器的着陆缓冲，伺服电机控制器位于探测器主体内部，伺服电机控制器控制着陆腿的着陆缓冲过程；每条着陆腿包括圆筒状上腿杆、电磁阻尼单元、圆筒状下腿杆、足垫、薄膜式压力传感器、外摩擦层和内摩擦层；圆筒状上腿杆内壁覆盖内摩擦层且两者固定；圆筒状下腿杆外壁覆盖外摩擦层且两者固定；圆筒状下腿杆同轴安装在圆筒状上腿杆内部且两者可沿公共轴线进行相对滑动，外摩擦层与内摩擦层接触，电磁阻尼单元固定在圆筒状上腿杆外壁上，圆筒状下腿杆通过电磁阻尼单元实现沿圆筒状上腿杆内腔的移动，足垫通过球角副与圆筒状下腿杆底端连接，薄膜式压力传感器贴在足垫底面；圆筒状下腿杆内安装超声波钻进机构，超声波钻进机构将探测器锚固在小行星上；各着陆腿分别通过各自的圆筒状上腿杆固定在探测器主体的底面；薄膜式压力传感器通过线路与伺服电机控制器通信，薄膜式压力传感器反馈压力信号；

超声波钻进机构包括冲击式超声波钻钻进单元、齿轮、齿条、驱动电机；冲击式超声波钻钻进单元包括钻杆、钻杆回复弹簧、超声波钻前罩、移动支架、回转电机支架、移动支架后端盖、回转电机、超声波钻后盖、压电陶瓷叠堆、冲击变幅杆、传动轴；

超声波钻前罩为圆筒结构，钻杆尾部沿超声波钻前罩的中心轴从超声波钻前罩内部穿过超声波钻前罩一端端面中部的导向孔，回复弹簧安装在钻杆头部和超声波钻前罩端面之间，超声波钻前罩另一端通过法兰结构安装在移动支架的一端，移动支架安装进给电机支架；冲击变幅杆为回转体，沿中心轴开有通孔，安装在移动支架内，一端伸出移动支架端面的通孔后进入超声波钻前罩内腔，压电陶瓷叠堆套在冲击变幅杆另一端上，并通过超声波钻后盖预紧；回转电机安装在回转电机支架上，回转电机支架固定在移动支架内；回转电机的传动轴穿过超声波钻后盖的中心孔后，插入冲击变幅杆上沿中心轴的通孔，且端部通过花键与钻杆头部连接；驱动电机安装在电机支架上，驱动电机的输出轴上安装齿轮，齿条安装在圆筒状下腿杆内且沿圆筒状下腿杆轴向，齿轮与齿条相配合；

受到谐振电压激励后，压电陶瓷叠堆向前传递纵向振动，使得冲击变幅杆工作在谐振状态；冲击变幅杆将压电陶瓷叠堆中传递出的纵向振动放大，并将振动传递到钻杆，使钻杆作冲击运动，同时回转电机工作，将旋转运动通过传动轴传递到钻杆，使钻杆在作冲击运动的同时作回转运动；钻杆压缩钻杆回复弹簧，钻杆运动到最大位移后通过回复弹簧作用恢复至初始位置；进给电机将旋转运动通过齿轮与齿条转换为直线运动，驱动冲击式超声波钻钻进单元向前运动，使钻杆能够从着陆腿端部伸出。

电磁阻尼单元包括阻尼电机、减速器、第一减速器安装架、传动绳索、从带轮安装架、从带轮、绳索夹具和主带轮，减速器与阻尼电机同轴安装，用于放大阻尼电机的输出力矩；减速器通过第一减速器安装架固定在圆筒状上腿杆外壁上且其输出轴与圆筒状上腿杆的中心轴垂直，主带轮固定安装在减速器的输出轴上，从带轮通过从带轮安装架安装在圆筒状上腿杆外壁上且从带轮的旋转轴与圆筒状上腿杆的中心轴垂直，从带轮的中性面与主带轮的中性面共面，圆筒状上腿杆外壁上沿从带轮和主带轮的连线开有滑槽；传动绳索分别缠绕在主带轮与从带轮上，以用于带轮之间的传动，绳索夹具固定在圆筒状下腿杆外壁上且位于圆筒状上腿杆外壁上的滑槽内，绳索夹具夹紧传动绳索，使圆筒状下腿杆与传动绳索同步运动；阻尼电机分别通过线路与伺服电机控制器通信，阻尼电机用于吸收着陆能量。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明的探测器可在小行星表面实现可靠附着从而可在小行星表面可进行长时间的科研探测任务；

(2)本发明中探测器的附着操作可多次重复实现，因此探测器可对小行星表面的多区域进行科学探测任务；

(3)本发明的采样机械臂设置有爪指，通过电机驱动爪指，可灵活的抓取小行星表层块状物质并返回地球，样品所含信息丰富完整、样品量多，地面研究对样品的利用程度充分。

附图说明

图1是实现表层块状样品抓取采样的小行星探测器整体结构图；

图2是采样机械臂的原理图；

图3是采样机械臂上RR关节的原理图；

图4是采样机械臂上第Ⅲ关节的原理图；

图5是采样机械臂上第Ⅳ关节的原理图；

图6是采样机械臂上指状手爪的原理图；

图7是基于电磁阻尼的直伸式着陆腿的原理图；

图8是电磁阻尼单元的原理图。

图9是超声波钻进机构的结构图；

图10为超声波钻进机构中钻进单元的结构图。

具体实施方式

下面结合附图以具体实施方式对本发明作进一步说明。以下实施方法将有助于技术人员深入理解本发明，但实施方法不以任何形式限制本发明。

如图1至图6所示，所述实现表层块状样品抓取采样的小行星探测器包括轨控发动机喷嘴1、探测器主体2、三块圆形太阳翼3、三条着陆腿4、采样机械臂5和样品返回舱6；其中，轨控发动机喷嘴1固定在探测器主体2顶面中心，三块圆形太阳翼3结构尺寸相同且在探测器主体2侧边上部沿圆周方向均匀布置，三条着陆腿4结构尺寸也相同且在探测器主体2底面外缘沿圆周方向均匀布置，采样机械臂5安装在探测器主体2底面，样品返回舱6固定在探测器主体2底部中心且开口位于探测器主体2外部。

轨控发动机喷嘴1为探测器的太空航行、变轨等操作提供足够的推力。

探测器主体2为承重筒结构，它搭载包括众多科学仪器在内的有效载荷用于探测任务，并安装主推力发动机和多个姿控发动机。

三块圆形太阳翼3均可折叠收拢以贴紧探测器主体2，每一块圆形太阳翼均包含伞状面板和梁式支架，伞状面板固定在梁式支架上且梁式支架穿过伞状面板的中心，伞状面板可从两侧向梁式支架收拢，梁式支架安装在探测器主体2的侧边并可相对该侧边向下转动以贴近探测器主体2，三块可折叠圆形太阳翼3用于为探测器提供能源。

三条着陆腿4中每条着陆腿4均为直伸式结构且在顶端与探测器主体2的底板固定，每条着陆腿4在腿杆上安装电磁阻尼单元1-2且在腿杆底端的内部空腔中安装超声波钻进机构；三条着陆腿4结构尺寸完全相同且在探测器主体2底面外缘沿圆周方向均匀布置，伺服电机控制器位于探测器主体2内部，三条着陆腿4用于探测器的着陆缓冲，伺服电机控制器对整个着陆缓冲过程进行控制，电磁阻尼单元1-2缓冲并吸收着陆过程中探测器的冲击能量，超声波钻进机构将探测器锚固在小行星上；三条着陆腿4以及探测器主体2上姿控发动机共同实现探测器在小行星表面的附着，即探测器在小行星表面着陆锚固并姿态稳定，三条着陆腿4上着陆缓冲及锚固机构可多次重复使用以实现探测器在小行星表面的多点附着。

如图7所示，每条着陆腿4包括圆筒状上腿杆1-1、电磁阻尼单元1-2、圆筒状下腿杆1-3、足垫1-4、薄膜式压力传感器1-5、外摩擦层1-6和内摩擦层1-7，圆筒状上腿杆1-1内壁覆盖内摩擦层1-7且两者固定，圆筒状下腿杆1-3外壁覆盖外摩擦层1-6且两者固定，圆筒状下腿杆1-3同轴安装在圆筒状上腿杆1-1内部且两者可沿公共轴线进行相对滑动，外摩擦层1-6与内摩擦层1-7接触，电磁阻尼单元1-2固定在圆筒状上腿杆1-1外壁并将圆筒状上腿杆1-1与圆筒状下腿杆1-3联系起来，足垫1-4通过球角副与圆筒状下腿杆1-3底端连接，薄膜式压力传感器1-5贴在足垫1-4底面。

如图8所示，电磁阻尼单元1-2包括阻尼电机1-2-1、减速器1-2-2、第一减速器安装架1-2-3、传动绳索1-2-4、从带轮安装架1-2-5、从带轮1-2-6、绳索夹具1-2-7和主带轮1-2-8，减速器1-2-2与阻尼电机1-2-1同轴安装，用于放大阻尼电机1-2-1的输出力矩；减速器1-2-2通过第一减速器安装架1-2-3固定在圆筒状上腿杆1-1外壁上且其输出轴与圆筒状上腿杆1-1的中心轴垂直，主带轮1-2-8固定安装在减速器1-2-2的输出轴上，从带轮1-2-6通过从带轮安装架1-2-5安装在圆筒状上腿杆1-1外壁上且从带轮1-2-6的旋转轴与圆筒状上腿杆1-1的中心轴垂直，从带轮1-2-6的中性面与主带轮1-2-8的中性面共面，圆筒状上腿杆1-1外壁上沿从带轮1-2-6和主带轮1-2-8的连线开有滑槽；传动绳索1-2-4分别缠绕在主带轮1-2-8与从带轮1-2-6上，以用于带轮之间的传动，绳索夹具1-2-7固定在圆筒状下腿杆1-3外壁上且位于圆筒状上腿杆1-1外壁上的滑槽内，绳索夹具1-2-7夹紧传动绳索1-2-4，从而使圆筒状下腿杆1-3与传动绳索1-2-4同步运动。

三条着陆腿4分别通过各自的圆筒状上腿杆1-1固定在探测器主体2的底面。着陆腿4上的薄膜式压力传感器1-5及阻尼电机1-2-1分别通过线路与伺服电机控制器通信，薄膜式压力传感器1-5反馈压力信号，阻尼电机1-2-1用于吸收着陆能量，伺服电机控制器用于整个着陆过程的控制。

如图9所示，超声波钻进机构位于着陆腿4的内部，包括冲击式超声波钻钻进单元2-1、齿轮2-2、齿条2-3、驱动电机2-4；如图10所示，冲击式超声波钻钻进单元2-1包括钻杆2-1-1、钻杆回复弹簧2-1-2、超声波钻前罩2-1-3、移动支架2-1-4、回转电机支架2-1-5、移动支架后端盖2-1-6、回转电机2-1-7、超声波钻后盖2-1-8、压电陶瓷叠堆2-1-9、冲击变幅杆2-1-10、传动轴2-1-11；

超声波钻前罩2-1-3为圆筒结构，钻杆2-1-1尾部沿超声波钻前罩2-1-3的中心轴从超声波钻前罩2-1-3内部穿过超声波钻前罩2-1-3一端端面中部的导向孔，回复弹簧2-1-2安装在钻杆2-1-1头部和超声波钻前罩2-1-3端面之间，超声波钻前罩2-1-3另一端通过法兰结构安装在移动支架2-1-4的一端，移动支架2-1-4安装进给电机支架2-1-6；冲击变幅杆2-1-10为回转体，沿中心轴开有通孔，安装在移动支架2-1-4内，一端伸出移动支架2-1-4端面的通孔后进入超声波钻前罩2-1-3内腔，压电陶瓷叠堆2-1-9套在冲击变幅杆2-1-10另一端上，并通过超声波钻后盖2-1-8预紧；回转电机2-1-7安装在回转电机支架2-1-5上，回转电机支架2-1-5固定在移动支架2-1-4内；回转电机2-1-7的传动轴2-1-11穿过超声波钻后盖2-1-8的中心孔后，插入冲击变幅杆2-1-10上沿中心轴的通孔，且端部通过花键与钻杆2-1-1头部连接；驱动电机2-4安装在电机支架2-1-6上，驱动电机2-4的输出轴上安装齿轮2-2，齿条2-3安装在圆筒状下腿杆1-3内且沿圆筒状下腿杆1-3轴向，齿轮2-2与齿条2-3相配合。

受到谐振电压激励后，压电陶瓷叠堆2-1-9向前传递纵向振动，使得冲击变幅杆2-1-10工作在谐振状态；冲击变幅杆2-1-10将压电陶瓷叠堆2-1-9中传递出的纵向振动放大，并将振动传递到钻杆2-1-1，使钻杆2-1-1作冲击运动。钻杆2-1-1压缩钻杆回复弹簧2-1-2，钻杆2-1-1运动到最大位移后通过回复弹簧2-1-2作用恢复到初始状态。同时回转电机2-1-7工作，将旋转运动通过传动轴2-1-11传递到钻杆2-1-1，使钻杆2-1-1在作冲击运动的同时作回转运动；进给电机2-4将旋转运动通过齿轮2-2与齿条2-3转换为直线运动，驱动冲击式超声波钻钻进单元2-1向前运动；

进给单元驱动冲击式超声波钻钻进单元钻进到工作深度后，三条成120°均匀布置的锚固机构行成力封闭结构，将探测器与小行星表面固定在一起。当探测器离开小行星表面时，进给单元反向驱动冲击式超声波钻钻进单元，将冲击式超声波钻钻进单元拔出小行星表面，由力封闭结构变为力不封闭结构。

本发明的着陆腿4具备快速可靠缓冲探测器在小行星表面着陆时冲击能量的能力，具体作用过程按工作顺序可分为三种工作模式，分别为：检测模式、阻尼模式、终止模式。

首先着陆腿4工作在检测模式，即当探测器相对于小行星以一定的垂直速度与水平速度着陆时，探测器上的姿控发动机将给探测器提供指向星表的较小推力并维持该推力一段时间，同时三条着陆腿4中的一条或某几条直伸式着陆腿4将与星表发生接触，发生接触的着陆腿上薄膜式压力传感器1-5会采集压力信号并传送到伺服电机控制器，在探测器残余速度与星表反作用力的共同作用下该着陆腿的圆筒状上腿杆1-1与圆筒状下腿杆1-3将沿公共轴线相对滑动，该滑动通过传动绳索1-2-4和绳索夹具1-2-7将带动阻尼电机旋转。

随后该着陆腿4进入阻尼模式，此时伺服电机控制器对收到的信号进行分析处理并根据结果对该条着陆腿1上的电阻尼机1-2-1绕组中通入三相对称交流电流以使电机产生与旋转方向相反的电磁转矩，从而产生反向推力，同时圆筒状上腿杆1-1上的内摩擦层1-7与圆筒状下腿杆1-3的外摩擦层1-6也将产生摩擦力，伺服电机控制器通过协调控制三条直伸式着陆腿1上的反向推力以保证探测器做匀减速运动，对每一个阻尼电机都给定一个速度阈值并通过阻尼电机1-2-1上的霍尔传感器实时计算电机转速。

接着该着陆腿4开启阻尼终止模式，即当某条着陆腿上的阻尼电机1-2-1转速达到阈值时，停止对该电机供电，此时该着陆腿上外摩擦层1-6与内摩擦层1-7之间的摩擦力将继续消耗残余能量，最终在整个着陆腿的缓冲下探测器的残余能量被完全消耗掉，探测器在小行星表面实现着陆并姿态稳定，此时探测器姿控发动机的推力消失。

本发明的着陆腿4的工作模式还具备还原模式，此模式用于该装置的多次重复利用，即当探测器完成对星表某一探测区域的所有科学探测任务后可前往其它探测区域继续进行科学探测；此时探测器起飞脱离星表，伺服电机控制器给三条着陆腿1上的全部阻尼电机1-2-1通入交流电流使每个阻尼电机都各自反向旋转同样的周数以复原到初始位置，为下次探测器在小行星表面的着陆做准备。

采样机械臂5包括基座5-1、RR关节5-2、第Ⅰ杆件5-3、第Ⅲ关节5-4、第Ⅱ杆件5-5、第Ⅳ关节5-6、指状手爪5-7；其中，RR关节5-2为两转动自由度关节，第Ⅲ关节5-4、第Ⅳ关节5-6均为单转动自由度关节，基座5-1与第Ⅰ杆件5-3通过RR关节5-2连接，第Ⅰ杆件5-3与第Ⅱ杆件5-5通过第Ⅲ关节5-4连接，第Ⅱ杆件5-5与指状手爪5-7通过第Ⅳ关节5-6连接；采样机械臂5通过基座5-1安装在探测器主体2底面用于拾取小行星表层块状样品。

RR关节5-2包括第Ⅰ关节减速器5-2-1、第Ⅰ关节电机5-2-2、轴承座5-2-3、止推轴承5-2-4、减速器安装架5-2-5、连接轴5-2-6、固定端片5-2-7、锁紧螺母5-2-8、关节连接件5-2-9、第Ⅱ关节电机安装套5-2-10、第Ⅱ关节电机5-2-11、第Ⅱ关节谐波减速器5-2-12、第Ⅱ关节滚动轴承5-2-13和第Ⅱ关节端盖5-2-14；其中，第Ⅰ关节减速器5-2-1、第Ⅰ关节电机5-2-2、轴承座5-2-3、止推轴承5-2-4、减速器安装架5-2-5、连接轴5-2-6、固定端片5-2-7以及锁紧螺母5-2-8组成第Ⅰ转动关节，组成第Ⅰ转动关节各零部件的回转中心同轴且为第Ⅰ关节的转动轴，第Ⅰ关节电机5-2-2的输出轴与第Ⅰ关节减速器5-2-1输入端固定，第Ⅰ关节减速器5-2-1通过减速器安装架5-2-5固定于轴承座5-2-3，连接轴5-2-6通过止推轴承5-2-4安装在轴承座5-2-3内部并可绕轴承座5-2-3的回转中心转动，轴承座5-2-3与基座5-1固定，连接轴5-2-6通过前端方形轴段与固定端片5-2-7中心方孔配合并通过锁紧螺母5-2-8使连接轴5-2-6与固定端片5-2-7固定；第Ⅱ关节电机安装套5-2-10、第Ⅱ关节电机5-2-11、第Ⅱ关节谐波减速器5-2-12、第Ⅱ关节滚动轴承5-2-13和第Ⅱ关节端盖5-2-14组成第Ⅱ转动关节，组成第Ⅱ转动关节各零部件的回转中心同轴且为第Ⅱ关节的转动轴，第Ⅱ关节电机5-2-11安装在第Ⅱ关节电机安装套5-2-10上，第Ⅱ关节电机5-2-11的输出轴与第Ⅱ关节谐波减速器5-2-12的输入端固定，第Ⅱ关节谐波减速器5-2-12的输出端与第Ⅰ杆件5-3的顶端固定，第Ⅱ关节滚动轴承5-2-13内圈与第Ⅱ关节电机安装套5-2-10的阶梯轴段配合，第Ⅱ关节滚动轴承5-2-13外圈与第Ⅰ杆件5-3顶端方孔配合，第Ⅱ关节端盖5-2-14与第Ⅰ杆件5-3顶端侧面固定用于限定第Ⅱ关节滚动轴承5-2-13的轴向位置，第Ⅱ关节电机安装套5-2-10经过第Ⅱ关节滚动轴承5-2-13可相对第Ⅰ杆件5-3转动且该转轴即为第Ⅱ转动关节的转动轴；固定端片5-2-7、第Ⅱ关节电机安装套5-2-10均与关节连接件5-2-9固定从而实现第Ⅰ转动关节与第Ⅱ转动关节的连接，第Ⅰ转动关节的转动轴垂直于探测器主体2底板，第Ⅱ转动关节的转动轴垂直于第Ⅰ杆件5-3的主回转中心线，第Ⅰ转动关节的转动轴与第Ⅱ转动关节的转动轴垂直。

第Ⅲ关节5-4为转动关节，它包括第Ⅲ关节电机5-4-1、第Ⅲ关节电机安装套5-4-2、第Ⅲ关节端盖5-4-3、第Ⅲ关节滚动轴承5-4-4和第Ⅲ关节谐波减速器5-4-5；组成第Ⅲ关节各零部件的回转中心均重合且为第Ⅲ关节的回转轴，第Ⅲ关节电机5-4-1安装在第Ⅲ关节电机安装套5-4-2上，第Ⅲ关节电机安装套5-4-2与第Ⅱ杆件5-5顶端固定，第Ⅲ关节滚动轴承5-4-4的内圈与第Ⅲ关节电机安装套5-4-2阶梯轴段配合，第Ⅲ关节滚动轴承5-4-4的外圈与第Ⅰ杆件5-3底端方孔配合，第Ⅲ关节端盖5-4-3与第Ⅰ杆件5-3底端侧面固定用于限定第Ⅲ关节滚动轴承5-4-4的轴向位置，第Ⅲ关节电机安装套5-4-2经过第Ⅲ关节滚动轴承5-4-4可相对第Ⅰ杆件5-3转动且该转轴即为第Ⅲ转动关节的转动轴，第Ⅲ关节谐波减速器5-4-5的输入端与第Ⅲ关节电机5-4-1的输出轴固定，第Ⅲ关节谐波减速器5-4-5的输出端与第Ⅰ杆件5-3的底端固定；第Ⅲ关节5-4的转动轴与第Ⅰ杆件5-3的主轴线、第Ⅱ杆件5-5的主轴线均垂直。

第Ⅳ关节5-6为转动关节，它包括第Ⅳ关节电机5-6-1、第Ⅳ关节电机安装套5-6-2、第Ⅳ关节端盖5-6-3、第Ⅳ关节滚动轴承5-6-4、第Ⅳ关节谐波减速器5-6-5和第Ⅳ关节连接杆5-6-6；组成第Ⅳ关节各零部件的回转中心均重合且为第Ⅳ关节的回转轴，第Ⅳ关节电机5-6-1安装在第Ⅳ关节电机安装套5-6-2上，第Ⅳ关节电机安装套5-6-2与第Ⅱ杆件5-5底端固定，第Ⅳ关节滚动轴承5-6-4的内圈与第Ⅳ关节电机安装套5-6-2阶梯轴段配合，第Ⅳ关节滚动轴承5-6-4的外圈与第Ⅳ关节连接杆5-6-6顶端横向圆孔配合，第Ⅳ关节端盖5-6-3与第Ⅳ关节连接杆5-6-6顶端侧面固定用于限定第Ⅳ关节滚动轴承5-6-4的轴向位置，第Ⅳ关节电机安装套5-6-2经过第Ⅳ关节滚动轴承5-6-4可相对第Ⅱ杆件5-5转动且该转轴即为第Ⅳ转动关节的转动轴，第Ⅳ关节谐波减速器5-6-5的输入端与第Ⅳ关节电机5-6-1的输出轴固定，第Ⅳ关节谐波减速器5-6-5的输出端与第Ⅳ关节连杆5-6-6的顶端固定；第Ⅳ关节5-6的转动轴与第Ⅱ杆件5-5的主轴线、指状手爪5-7的主轴线均垂直。

RR关节5-2中第Ⅱ关节的转动轴、第Ⅲ关节5-4的转动轴、第Ⅳ关节5-6的转动轴均平行。

指状手爪5-7包括手爪电机5-7-1、手爪减速器5-7-2、爪臂5-7-3、驱动盘5-7-4、导向端盖5-7-5和三根爪指5-7-6；手爪电机5-7-1、手爪减速器5-7-2、爪臂5-7-3、驱动盘5-7-4、导向端盖5-7-5的回转中心重合且为指状手爪5-7的主轴线，手爪电机5-7-1的输出轴与手爪减速器5-7-2的输入端固定，手爪减速器5-7-2固定于爪臂5-7-3上且手爪减速器5-7-2的输出轴与驱动盘5-7-4固定，导向端盖5-7-5与爪臂5-7-3的末端固定且在两者之间形成空腔，驱动盘5-7-4位于导向端盖5-7-5与爪臂5-7-3形成的空腔内部且具有绕爪臂5-7-3回转中心的转动自由度，驱动盘5-7-4上沿圆周方向均布三个螺旋状卡槽，三个螺旋状卡槽的生成曲线相同，其曲线数学公式根据具体任务要求合理确定，导向端盖5-7-5上沿圆周方向均布三个直线导轨且每个导轨分别与驱动盘5-7-4上的一个螺旋状卡槽对应，三根爪指5-7-6的每根爪指分别安装在导向端盖5-7-5上一个直线导轨中且爪指根部插入驱动盘5-7-4上对应的螺旋状卡槽内；三根爪指5-7-6的每根爪指可同时沿驱动盘5-7-4上对应的螺旋状卡槽以及导向端盖5-7-5上对应的直线导轨滑动从而实现三根爪指5-7-6相互靠拢与相互散开的操作。

指状手爪5-7通过爪臂5-7-3与第Ⅳ关节5-6连接。

样品返回舱6为多层结构，每一层用于分别保存采样机械臂5在小行星表面不同区域抓取的小行星表层块状样品，并最终将样品送回地球。

工作原理：

本发明的实现表层块状样品抓取采样的小行星探测器开展小行星采样返回科学探测任务的操作过程按时间顺序可分为：发射飞行阶段、着陆缓冲阶段、锚固阶段、采样阶段和返回阶段。

首先该探测器处于发射飞行阶段；发射过程中，三块圆形太阳翼3中每一块太阳能面板的伞状面板从两侧向梁式支架收拢，同时梁式支架相对探测器主体2的侧边向下转动以贴近探测器主体2，从而三块圆形太阳翼3处于折叠状态以减小发射包络尺寸；当探测器脱离运载工具后三块圆形太阳翼3中的伞状面板与梁式支架均反向运动，从而三块圆形太阳翼3处于展开状态为探测器提供能源，同时轨控发动机启动并通过轨控发动机喷嘴1为探测器提供动力，其后探测器自主飞行前往目标小行星，并最终经历绕飞、捕获过程后探测器到达小行星。

下一步该探测器进入着陆缓冲阶段，即当探测器位于小行星表面一定高度后，探测器面向小行星表面下降并过姿控发动机提供的反向推力进行减速，经过一段时间后探测器将相对于小行星以一定的垂直速度与水平速度着陆，此时探测器上的姿控发动机向探测器提供指向星表的较小推力并维持该推力一段时间，同时本发明的一条或某几条直伸着陆腿底端与星表发生接触，发生接触的着陆腿上电磁阻尼缓冲环节在控制器的控制下缓冲并吸收着陆过程中探测器的冲击能量，三条着陆腿4上的全部电磁阻尼缓冲环节的协同配合最终将完全消耗探测器的残余能力量，从而探测器在小行星便面着陆并稳定姿态。

随后该探测器进入锚固阶段，即当探测器在小行星表面稳定姿态后，三条着陆腿4上的全部超声波钻进机构将向星壤内部钻进，当每个超声波钻进机构在星壤内部均钻进一定深度后探测器即被锚固在小行星上，此时姿控发动机停止提供推力；在锚固操作完成后，探测器与小行星之间存在足够的锚固力，该锚固力足以保证在后续的操作中探测器能始终在小行星表面保持姿态不变。

进而该探测器进入采样阶段，此时采样机械臂5在控制器的控制下通过各关节的转位使得指状手爪5-7对准预采集的小行星表层块状物质，三根爪指5-7-6在手爪电机5-7-1的驱动下沿驱动盘5-7-4上的螺旋状卡槽以及导向端盖5-7-5上的直线导轨滑动向中间靠拢从而抓取块状物质，此后采样机械臂5的各关节再次转位将所拾取的块状物质送入样品返回舱6内某一储藏层存储。

当探测器完成对小行星表面某一区域的全部探测任务后还可前往其他区域开展包括采样在内的科学探测任务；此时三条着陆腿4上的全部超声波钻进机构在控制器的控制下从星壤内部拔出使得探测器与小行星脱离连接关系，随后探测器在推力器的作用下起飞脱离星表，则三条着陆腿4上的全部电磁阻尼缓冲环节在控制器的控制下恢复原始状态；经过以上操作，探测器重新具备在小行星表面进行可靠附着的能力，当再次选定探测区域后，探测器依次开启着陆缓冲阶段、锚固阶段以附着在小行星表面新的采样区域，并利用采样机械臂5抓取小行星表层块状物质并送入样品返回舱6内的某一储藏层存储。

最后该探测器进入采返回阶段，即探测器完成对小行星的全部探测任务后，起飞返回地球，当探测器到达地球轨道附近时样品返回舱6脱离探测器并继续穿越地球大气层降落在地球表面，此后地面研究人员在降落点回收样品返回舱，而探测器从地球轨道借力后飞向其它地外天体继续进行预订的科学探测任务。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，而不是对本发明进行限制，本领域的技术人员知悉，在本发明的精神指导下，对本发明的特征和实施方式进行的各种修改或等同替换以适应具体情况均不会脱离本发明的精神和权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种实现表层块状样品抓取采样的小行星探测器，其特征在于：包括轨控发动机喷嘴(1)、探测器主体(2)、若干圆形太阳翼(3)、若干着陆腿(4)、采样机械臂(5)和样品返回舱(6)；轨控发动机喷嘴(1)固定在探测器主体(2)顶面中心，为探测器提供推力；圆形太阳翼(3)在探测器主体(2)上部边缘沿圆周方向均匀布置，着陆腿(4)在探测器主体(2)底面外缘沿圆周方向均匀布置，采样机械臂(5)安装在探测器主体(2)底面，样品返回舱(6)固定在探测器主体(2)底部中心且开口位于探测器主体(2)外部；

着陆腿(4)用于探测器的着陆缓冲，伺服电机控制器位于探测器主体(2)内部，伺服电机控制器控制着陆腿(4)的着陆缓冲过程；每条着陆腿(4)包括圆筒状上腿杆(1-1)、电磁阻尼单元(1-2)、圆筒状下腿杆(1-3)、足垫(1-4)、薄膜式压力传感器(1-5)、外摩擦层(1-6)和内摩擦层(1-7)；圆筒状上腿杆(1-1)内壁覆盖内摩擦层(1-7)且两者固定；圆筒状下腿杆(1-3)外壁覆盖外摩擦层(1-6)且两者固定；圆筒状下腿杆(1-3)同轴安装在圆筒状上腿杆(1-1)内部且两者可沿公共轴线进行相对滑动，外摩擦层(1-6)与内摩擦层(1-7)接触，电磁阻尼单元(1-2)固定在圆筒状上腿杆(1-1)外壁上，圆筒状下腿杆(1-3)通过电磁阻尼单元(1-2)实现沿圆筒状上腿杆(1-1)内腔的移动，足垫(1-4)通过球角副与圆筒状下腿杆(1-3)底端连接，薄膜式压力传感器(1-5)贴在足垫(1-4)底面；圆筒状下腿杆(1-3)内安装超声波钻进机构，超声波钻进机构将探测器锚固在小行星上；各着陆腿(4)分别通过各自的圆筒状上腿杆(1-1)固定在探测器主体(2)的底面；薄膜式压力传感器(1-5)通过线路与伺服电机控制器通信，薄膜式压力传感器(1-5)反馈压力信号；

电磁阻尼单元(1-2)包括阻尼电机(1-2-1)、减速器(1-2-2)、第一减速器安装架(1-2-3)、传动绳索(1-2-4)、从带轮安装架(1-2-5)、从带轮(1-2-6)、绳索夹具(1-2-7)和主带轮(1-2-8)，减速器(1-2-2)与阻尼电机(1-2-1)同轴安装，用于放大阻尼电机(1-2-1)的输出力矩；减速器(1-2-2)通过第一减速器安装架(1-2-3)固定在圆筒状上腿杆(1-1)外壁上且其输出轴与圆筒状上腿杆(1-1)的中心轴垂直，主带轮(1-2-8)固定安装在减速器(1-2-2)的输出轴上，从带轮(1-2-6)通过从带轮安装架(1-2-5)安装在圆筒状上腿杆(1-1)外壁上且从带轮(1-2-6)的旋转轴与圆筒状上腿杆(1-1)的中心轴垂直，从带轮(1-2-6)的中性面与主带轮(1-2-8)的中性面共面，圆筒状上腿杆(1-1)外壁上沿从带轮(1-2-6)和主带轮(1-2-8)的连线开有滑槽；传动绳索(1-2-4)分别缠绕在主带轮(1-2-8)与从带轮(1-2-6)上，以用于带轮之间的传动，绳索夹具(1-2-7)固定在圆筒状下腿杆(1-3)外壁上且位于圆筒状上腿杆(1-1)外壁上的滑槽内，绳索夹具(1-2-7)夹紧传动绳索(1-2-4)，使圆筒状下腿杆(1-3)与传动绳索(1-2-4)同步运动；阻尼电机(1-2-1)分别通过线路与伺服电机控制器通信，阻尼电机(1-2-1)用于吸收着陆能量。

2.根据权利要求1所述的一种实现表层块状样品抓取采样的小行星探测器，其特征在于：所述探测器主体(2)为承重筒结构，搭载有效载荷并安装主推力发动机和多个姿控发动机。

3.根据权利要求1或2所述的一种实现表层块状样品抓取采样的小行星探测器，其特征在于：所述采样机械臂(5)包括基座(5-1)、RR关节(5-2)、第Ⅰ杆件(5-3)、第Ⅲ关节(5-4)、第Ⅱ杆件(5-5)、第Ⅳ关节(5-6)、指状手爪(5-7)；RR关节(5-2)为两转动自由度关节，第Ⅲ关节(5-4)、第Ⅳ关节(5-6)分别为单转动自由度关节，基座(5-1)与第Ⅰ杆件(5-3)通过RR关节(5-2)连接，第Ⅰ杆件(5-3)与第Ⅱ杆件(5-5)通过第Ⅲ关节(5-4)连接，第Ⅱ杆件(5-5)与指状手爪(5-7)通过第Ⅳ关节(5-6)连接，指状手爪(5-7)用于拾取小行星表层块状样品；基座(5-1)安装在探测器主体(2)底面。

4.根据权利要求3所述的一种实现表层块状样品抓取采样的小行星探测器，其特征在于：所述RR关节(5-2)包括第Ⅰ关节减速器(5-2-1)、第Ⅰ关节电机(5-2-2)、轴承座(5-2-3)、止推轴承(5-2-4)、减速器安装架(5-2-5)、连接轴(5-2-6)、固定端片(5-2-7)、锁紧螺母(5-2-8)、关节连接件(5-2-9)、第Ⅱ关节电机安装套(5-2-10)、第Ⅱ关节电机(5-2-11)、第Ⅱ关节谐波减速器(5-2-12)、第Ⅱ关节滚动轴承(5-2-13)和第Ⅱ关节端盖(5-2-14)；第Ⅰ关节电机(5-2-2)的输出轴与第Ⅰ关节减速器(5-2-1)输入端固定连接，第Ⅰ关节减速器(5-2-1)安装在减速器安装架(5-2-5)内，减速器安装架(5-2-5)固定在轴承座(5-2-3)上；连接轴(5-2-6)一端通过止推轴承(5-2-4)安装在轴承座(5-2-3)内部，绕轴承座(5-2-3)的回转中心转动；轴承座(5-2-3)安装在基座(5-1)内，与基座(5-1)端面固定；连接轴(5-2-6)另一端通过方形轴段与固定端片(5-2-7)中心方孔配合并通过锁紧螺母(5-2-8)使连接轴(5-2-6)与固定端片(5-2-7)固定；第Ⅱ关节电机(5-2-11)安装在第Ⅱ关节电机安装套(5-2-10)内，第Ⅱ关节电机(5-2-11)的输出轴与第Ⅱ关节谐波减速器(5-2-12)的输入端固定连接，第Ⅱ关节谐波减速器(5-2-12)的输出端与第Ⅰ杆件(5-3)的顶端固定连接；第Ⅱ关节滚动轴承(5-2-13)内圈与第Ⅱ关节电机安装套(5-2-10)外壁的阶梯轴段配合，第Ⅱ关节滚动轴承(5-2-13)外圈与第Ⅰ杆件(5-3)顶端的方孔配合；第Ⅱ关节端盖(5-2-14)与第Ⅰ杆件(5-3)顶端侧面固定，用于限定第Ⅱ关节滚动轴承(5-2-13)的轴向位置，第Ⅱ关节电机安装套(5-2-10)通过第Ⅱ关节滚动轴承(5-2-13)相对于第Ⅰ杆件(5-3)转动；固定端片(5-2-7)安装在关节连接件(5-2-9)侧面，第Ⅱ关节电机安装套(5-2-10)安装在关节连接件(5-2-9)内；第Ⅰ关节电机(5-2-2)的转动轴垂直于探测器主体(2)底板，第Ⅱ关节电机(5-2-11)的转动轴垂直于第Ⅰ杆件(5-3)的主回转中心线，第Ⅰ关节电机(5-2-2)的转动轴与第第Ⅱ关节电机(5-2-11)的转动轴垂直。

5.根据权利要求4所述的一种实现表层块状样品抓取采样的小行星探测器，其特征在于：所述第Ⅲ关节(5-4)包括第Ⅲ关节电机(5-4-1)、第Ⅲ关节电机安装套(5-4-2)、第Ⅲ关节端盖(5-4-3)、第Ⅲ关节滚动轴承(5-4-4)和第Ⅲ关节谐波减速器(5-4-5)；第Ⅲ关节电机(5-4-1)安装在第Ⅲ关节电机安装套(5-4-2)内，第Ⅲ关节电机安装套(5-4-2)安装在第Ⅱ杆件(5-5)顶端内，第Ⅲ关节滚动轴承(5-4-4)的内圈与第Ⅲ关节电机安装套(5-4-2)外壁的阶梯轴段配合，第Ⅲ关节滚动轴承(5-4-4)的外圈与第Ⅰ杆件(5-3)底端的方孔配合；第Ⅲ关节端盖(5-4-3)与第Ⅰ杆件(5-3)底端侧面固定，用于限定第Ⅲ关节滚动轴承(5-4-4)的轴向位置；第Ⅲ关节电机安装套(5-4-2)通过第Ⅲ关节滚动轴承(5-4-4)相对于第Ⅰ杆件(5-3)转动；第Ⅲ关节谐波减速器(5-4-5)安装在第Ⅰ杆件(5-3)的底端内，第Ⅲ关节谐波减速器(5-4-5)的输入端与第Ⅲ关节电机(5-4-1)的输出轴固定连接，第Ⅲ关节谐波减速器(5-4-5)的输出端与第Ⅰ杆件(5-3)的底端端面固定；第Ⅲ关节(5-4)的转动轴分别与第Ⅰ杆件(5-3)的主轴线、第Ⅱ杆件(5-5)的主轴线垂直。

6.根据权利要求4或5所述的实现表层块状样品抓取采样的小行星探测器，其特征在于：第Ⅳ关节(5-6)包括第Ⅳ关节电机(5-6-1)、第Ⅳ关节电机安装套(5-6-2)、第Ⅳ关节端盖(5-6-3)、第Ⅳ关节滚动轴承(5-6-4)、第Ⅳ关节谐波减速器(5-6-5)和第Ⅳ关节连接杆(5-6-6)；第Ⅳ关节电机(5-6-1)安装在第Ⅳ关节电机安装套(5-6-2)内的隔板一侧，第Ⅳ关节电机安装套(5-6-2)一端安装在第Ⅱ杆件(5-5)底端内部；第Ⅳ关节滚动轴承(5-6-4)的内圈与第Ⅳ关节电机安装套(5-6-2)外壁的阶梯轴段配合，第Ⅳ关节滚动轴承(5-6-4)的外圈与第Ⅳ关节连接杆(5-6-6)顶端横向圆孔配合；第Ⅳ关节端盖(5-6-3)与第Ⅳ关节连接杆(5-6-6)顶端侧面固定，用于限定第Ⅳ关节滚动轴承(5-6-4)的轴向位置；第Ⅳ关节电机安装套(5-6-2)伸入另一端第Ⅳ关节连接杆(5-6-6)顶端横向圆孔内，第Ⅳ关节谐波减速器(5-6-5)的输入端与第Ⅳ关节电机(5-6-1)的输出轴固定，第Ⅳ关节谐波减速器(5-6-5)的输出端与第Ⅳ关节连杆(5-6-6)的顶端固定，第Ⅳ关节连接杆(5-6-6)通过第Ⅳ关节滚动轴承(5-6-4)相对于第Ⅱ杆件(5-5)转动；第Ⅳ关节(5-6)的转动轴分别与第Ⅱ杆件(5-5)的主轴线、第Ⅳ关节连杆(5-6-6)的主轴线垂直。

7.根据权利要求6所述的实现表层块状样品抓取采样的小行星探测器，其特征在于：所述指状手爪(5-7)包括手爪电机(5-7-1)、手爪减速器(5-7-2)、爪臂(5-7-3)、驱动盘(5-7-4)、导向端盖(5-7-5)和若干爪指(5-7-6)；手爪电机(5-7-1)的输出轴与手爪减速器(5-7-2)的输入端固定连接，手爪减速器(5-7-2)固定在爪臂(5-7-3)上且手爪减速器(5-7-2)的输出轴与驱动盘(5-7-4)固定连接；导向端盖(5-7-5)与爪臂(5-7-3)的末端固定连接，导向端盖(5-7-5)与爪臂(5-7-3)的末端之间形成空腔，驱动盘(5-7-4)位于空腔内部且具有绕爪臂(5-7-3)回转中心的转动自由度；驱动盘(5-7-4)上以驱动盘(5-7-4)的圆心为中心均布若干螺旋状卡槽，导向端盖(5-7-5)上沿周向均布若干直线导轨，直线导轨沿导向端盖(5-7-5)的径向，且每个直线导轨分别与一个螺旋状卡槽对应，每根爪指(5-7-6)分别安装在一个直线导轨中且根部插入对应的螺旋状卡槽内；手爪电机(5-7-1)驱动各爪指(5-7-6)同时沿对应的螺旋状卡槽以及直线导轨滑动，实现各爪指(5-7-6)的相互靠拢与相互散开的操作；指状手爪(5-7)通过爪臂(5-7-3)与第Ⅳ关节连接杆(5-6-6)连接。

8.根据权利要求1所述的实现表层块状样品抓取采样的小行星探测器，其特征在于：样品返回舱(6)为多层结构，每一层用于分别保存采样机械臂(5)在小行星表面不同区域抓取的小行星表层块状样品。

9.根据权利要求1所述的实现表层块状样品抓取采样的小行星探测器，其特征在于：超声波钻进机构包括冲击式超声波钻钻进单元(2-1)、齿轮(2-2)、齿条(2-3)、驱动电机(2-4)；冲击式超声波钻钻进单元(2-1)包括钻杆(2-1-1)、钻杆回复弹簧(2-1-2)、超声波钻前罩(2-1-3)、移动支架(2-1-4)、回转电机支架(2-1-5)、移动支架后端盖(2-1-6)、回转电机(2-1-7)、超声波钻后盖(2-1-8)、压电陶瓷叠堆(2-1-9)、冲击变幅杆(2-1-10)、传动轴(2-1-11)；

超声波钻前罩(2-1-3)为圆筒结构，钻杆(2-1-1)尾部沿超声波钻前罩(2-1-3)的中心轴从超声波钻前罩(2-1-3)内部穿过超声波钻前罩(2-1-3)一端端面中部的导向孔，回复弹簧(2-1-2)安装在钻杆(2-1-1)头部和超声波钻前罩(2-1-3)端面之间，超声波钻前罩(2-1-3)另一端通过法兰结构安装在移动支架(2-1-4)的一端，移动支架(2-1-4)安装进给电机支架(2-1-6)；冲击变幅杆(2-1-10)为回转体，沿中心轴开有通孔，安装在移动支架(2-1-4)内，一端伸出移动支架(2-1-4)端面的通孔后进入超声波钻前罩(2-1-3)内腔，压电陶瓷叠堆(2-1-9)套在冲击变幅杆(2-1-10)另一端上，并通过超声波钻后盖(2-1-8)预紧；回转电机(2-1-7)安装在回转电机支架(2-1-5)上，回转电机支架(2-1-5)固定在移动支架(2-1-4)内；回转电机(2-1-7)的传动轴(2-1-11)穿过超声波钻后盖(2-1-8)的中心孔后，插入冲击变幅杆(2-1-10)上沿中心轴的通孔，且端部通过花键与钻杆(2-1-1)头部连接；驱动电机(2-4)安装在电机支架(2-1-6)上，驱动电机(2-4)的输出轴上安装齿轮(2-2)，齿条(2-3)安装在圆筒状下腿杆(1-3)内且沿圆筒状下腿杆(1-3)轴向，齿轮(2-2)与齿条(2-3)相配合；

受到谐振电压激励后，压电陶瓷叠堆(2-1-9)向前传递纵向振动，使得冲击变幅杆(2-1-10)工作在谐振状态；冲击变幅杆(2-1-10)将压电陶瓷叠堆(2-1-9)中传递出的纵向振动放大，并将振动传递到钻杆(2-1-1)，使钻杆(2-1-1)作冲击运动，同时回转电机(2-1-7)工作，将旋转运动通过传动轴(2-1-11)传递到钻杆(2-1-1)，使钻杆(2-1-1)在作冲击运动的同时作回转运动；钻杆(2-1-1)压缩钻杆回复弹簧(2-1-2)，钻杆(2-1-1)运动到最大位移后通过回复弹簧(2-1-2)作用恢复至初始位置；进给电机(2-4)将旋转运动通过齿轮(2-2)与齿条(2-3)转换为直线运动，驱动冲击式超声波钻钻进单元(2-1)向前运动，使钻杆(2-1-1)能够从着陆腿(4)端部伸出。

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