CN110318746A - 一种仿生钻采机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生钻采机构，涉及航天技术领域，包括分瓣式掘进机架、主机架(A)和副机架(B)；分瓣式掘进机架包括圆锥形分瓣式钻头(1)和分瓣式钻头开闭机构；主机架(A)包括主掘进单元(2)和主径向伸缩单元(3)；副机架(B)包括副掘进单元(4)和副径向伸缩单元(5)；分瓣式钻头开闭机构通过销轴铰接于主掘进单元(2)上；圆锥形分瓣式钻头(1)通过铰链铰接于主掘进单元(2)上；主机架(A)和副机架(B)之间通过轴向伸缩机构相连。本发明采用仿生学理论进行设计，模仿竹象虫口器将锥形钻头细分为分瓣式结构，使钻采机构既能钻，又能抓；模仿蚯蚓身体伸缩蠕动前进原理，实现钻采机构的轴向进给，从而对不同深度的地质进行分别取样，具有钻采深度大、取样量大等优点。

Description

一种仿生钻采机构

技术领域

本发明涉及航天技术领域，尤其是涉及一种仿生钻采机构，能够满足宇航空间技术领域对钻探采样的需求。

背景技术

近年来，随着空间科学的发展和航天技术的进步，实现自动采样返回，是进一步研究天体特性的重要手段。

但月球表面环境复杂，岩石分布不均，给采样任务带来了很大的困难，目前只有苏联成功实施了3次无人自动采样返回。

且由于航天载荷的限制，探测器携带的有限能量不能长时间满足钻采机构的钻压力和能量消耗，这就需要一种能适应各种复杂月表环境、采样量大，同时还要功耗小的新型钻采机构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿生钻采机构，具有功耗小、钻采深度大，取样量大等优点，以解决现有技术中存在的探测器携带的有限能量不能长时间满足钻采机构的钻压力和能量消耗的技术问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种在月壤中蠕动进给的仿生钻采机构，分瓣式掘进机架、主机架和副机架，具体地，分瓣式掘进机架包括圆锥形分瓣式钻头和分瓣式钻头开闭机构，主机架包括主掘进单元和主径向伸缩单元，副机架包括副掘进单元和副径向伸缩单元，所述分瓣式钻头开闭机构通过销轴铰接于主掘进单元上，所述圆锥形分瓣式钻头通过铰链铰接于主掘进单元上，所述主机架和副机架之间通过轴向伸缩机构相连。实现钻、排土，驱动，采贮三大功能。钻、排土模块实现月壤的切削和输送；驱动模块实现机体的运动，包括分瓣式锥形钻头打开、蠕动进给两个动作；采贮模块实现对月壤的采集和贮存，三大模块协同工作从而实现月壤采样功能。

所述钻、排土模块包括圆锥形分瓣式钻头、主掘进单元、副掘进单元三部分。所述圆锥形分瓣式钻头顶端和主掘进单元底端均设有销孔，两者通过销轴组合成铰链；主掘进单元与副掘进单元通过导轨连接在一起。

所述驱动模块包括主机架、副机架两部分，主副机架之间通过轴向伸缩机构相连。所述主机架由主掘进单元和主径向伸缩单元两部分组成，所述主掘进单元由第一外螺旋钻杆和内壳体两部分组成；所述第一外螺旋钻杆周向梯度均布径向伸缩单元，所述内壳体周向均布导轨；同理，所述副机架由副掘进单元和副径向伸缩单元两部分组成，所述副掘进单元由第二外螺旋钻杆组成，第二外螺旋钻杆内部底端周向均布凹槽，与内壳体的导轨相配合，上端周向梯度均布副径向伸缩单元。

所述采贮模块包括圆锥形分瓣式钻头和分瓣式钻头开闭机构，所述分瓣式钻头开闭机构能够控制锥形钻头的开闭以实现掘进和开采功能。所述圆锥形分瓣式钻头采用中空的特殊结构，将切削得到的月壤样本贮存在里面。

所述轴向伸缩机构由丝杠螺母副和支撑足组成，所述丝杠螺母副包括丝杠和丝杠螺母，所述丝杠与副掘进单元螺纹连接，所述丝杠螺母与支撑足螺栓连接，所述支撑足与主掘进单元螺栓连接。

所述主径向伸缩单元、副径向伸缩单元均采用卷扬拉伸的形式，所述第一外螺旋钻杆外和第二外螺旋钻杆外表面上有导向管，内部放置楔子和弹簧，利于楔子的径向伸缩。所述孔管周围和主副机架之间均附有防尘罩。

进一步的，仿生钻采机构尾部拖有缆绳，所述缆绳通过卷筒不断释放，并与计算机控制系统相连，实现机构的持续钻进和实时控制。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、基于一定的仿生学原理，尤其是通过对蚯蚓等具有倔地行为的生物的研究，成功应用了分瓣式锥形钻头设计。通过控制分瓣式锥形钻头的开闭，使其能够像竹象虫口器一样开闭，实现对样本的采集、贮存，采样量较大；同时，采用分段式设计，通过主副机架的运动配合，使其能够像蚯蚓一样在土壤中蠕动爬行，实现前进功能，能够适应各种复杂月表环境。

2、采用螺旋钻进的形式，主副掘进单元的外螺旋钻杆的旋向完全相反，可以抵消钻采过程中的阻力矩，从而减少了由于克服阻力所需的能量消耗；同时本发明整体采用电气驱动，无液压、气压驱动，功耗较小。

3、钻杆采用行星轮系传动，传动效率高，工作可靠，使用寿命长，机构紧凑。

4、内置缆绳释放装置，可将缆绳从内部缓慢释放，消除因拖拽缆绳造成的摩擦阻力。

5、为了不影响外螺旋钻杆的螺旋体，径向伸缩单元采用不同高度的梯度布置方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的钻采机构实现开采过程的原理示意图；

图2是本发明机构实施例的结构示意图。

图3是本发明机构实施例的剖视图。

图4是本发明实施例圆锥形分瓣式钻头的结构示意图。

图5是本发明实施例主机架的结构示意图。

图6是本发明实施例副机架的结构示意图。

其中：

1：圆锥形分瓣式钻头； 2：主掘进单元；

3：主径向伸缩单元； 4：副掘进单元

5：副径向伸缩单元； 6：连杆；

7：吊耳； 8：蜗轮；

9：蜗杆； 10：传动齿轮；

11：蜗杆驱动电机； 12：隔板；

13：第一弹簧； 14：第一楔子；

15：主径向伸缩导向管； 16：第一卷扬机构；

17：主掘进单元驱动电机； 18：第一行星轮系；

19：支撑足； 20：丝杠；

21：丝杠螺母； 22：副径向伸缩导向管；

23：副掘进单元驱动电机； 24：第二行星轮系；

25：第一外螺旋钻杆； 26：内壳体；

27：第二外螺旋钻杆； 28：第二楔子；

29：第二弹簧； 30：第二卷扬机构。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图所示实施例对本发明进一步加以说明。

如图1-图6所示，本发明实施例提供的一种应用于月球采样的仿生钻采机构，所述仿生钻采机构呈轴对称结构，由布置于主掘进单元2、副掘进单元4中的主径向伸缩单元3、副径向伸缩单元5进行定姿。

如图3所示，所述仿生钻采机构由圆锥形分瓣式钻头1、主掘进单元2、副掘进单元4三部分组成，包括钻、排土，驱动，采贮三大模块。钻、排土模块实现月壤的切削和输送；驱动模块实现机体的运动，包括圆锥形分瓣式钻头打开、蠕动进给两个动作；采贮模块实现对月壤样本的采集和贮存，三大模块协同工作从而实现理想的运动方式。

钻、排土模块包括圆锥形分瓣式钻头1、主掘进单元2、副掘进单元4三部分。如图4所示，圆锥形分瓣式钻头1采用特殊设计，圆锥形分瓣式钻头内部采用中空设计，并将其均分为四瓣，每瓣外表面附有螺旋切削刃，根据所建立的力学模型和排屑通畅性计算结果，在具体设计方案中，将圆锥形分瓣式钻头锥角设计为60°，螺旋刃升角设计为45°，同时，将采集到的月壤样本可以贮存在钻头内部，考虑到月壤中石砾的存在，钻头可处于张开姿态，冲击石砾以限制颗粒直径。如图3所示，圆锥形分瓣式钻头1的顶端和主掘进单元2底端的吊耳7均设有销孔，两者通过销轴组合成铰链；使圆锥形分瓣式钻头1可以自由开闭主掘进单元2和副掘进单元4仿照双管盾构机的设计，其外螺旋钻杆采用完全相反的旋向设计，可以进一步限制颗粒的直径。主掘进单元2和副掘进单元4的排土形式为外排土，通过优化螺距、外径、长度、转速等结构参数，采用正反转的形式，可提高排土效率，防止机构卡死。

如图5、图6所示，驱动模块包括主机架A、副机架B两部分，主副机架之间通过轴向伸缩机构相连。主机架A由主掘进单元2和主径向伸缩单元3两部分组成，主掘进单元2由第一外螺旋钻杆25和内壳体26两部分组成；第一外螺旋钻杆25内部安装主径向伸缩单元3，内壳体26周向均布导轨，第一外螺旋钻杆25与内壳体26连接处布置有第一行星轮系18，用以驱动主掘进单元2的旋转钻挖。同理，副机架B由副掘进单元4和副径向伸缩单元5两部分组成，副掘进单元4由第二外螺旋钻杆27组成，第二外螺旋钻杆27内部底部周向均布凹槽，与内壳体26的导轨相配合，中部安装副径向伸缩单元5，顶部安装第二行星轮系24，用以驱动副掘进单元4的旋转钻挖。

所述轴向伸缩机构由支撑足19、丝杠20、丝杠螺母21三部分组成，这三者以丝杠螺母副的形式运动。支撑足19与丝杠螺母21固定连接，并固定在第一行星轮系18上，充当丝杠螺母副的“螺母”，并有主掘进单元2的旋进带动整个“螺母”运动。主径向伸缩单元由第一弹簧13、第一楔子14、主径向伸缩导向管15、第一卷扬机构16四部分组成。第一弹簧13和第一楔子14安装在主径向伸缩导向管15中，第一楔子14通过缆绳与第一卷扬机构16相连。当第一卷扬机构16收紧缆绳时，第一弹簧13和第一楔子14收缩在主径向伸缩导向管15中，第一外螺旋钻杆25工作；当第一卷扬机构16释放缆绳时，第一弹簧13和第一楔子14沿着主径向伸缩导向管15伸出，并通过第一弹簧13产生的弹性力将第一楔子14压紧在钻采机构已钻挖出的孔壁，第一外螺旋钻杆25锁定。

采贮模块包括圆锥形分瓣式钻头1和分瓣式钻头开闭机构两部分，分瓣式钻头开闭机构由连杆6、蜗轮8、蜗杆9、传动齿轮10、蜗杆驱动电机11五部分组成，以蜗轮蜗杆副和四连杆机构的形式运动。蜗轮8通过销轴铰接于主掘进单元2内部的隔板12上，蜗轮8采用特殊结构形式，在其底端凸出形成杆件与连杆6销连接，连杆6与圆锥形分瓣式钻头1销连接。蜗杆驱动电机11通过传动齿轮10驱动蜗轮蜗杆副运动，蜗轮8带动四连杆机构运动，从而实现分瓣式钻头的开闭。

此外，主径向伸缩导向管15、副径向伸缩导向管22和主机架A、副机架B之间均有防尘罩。整个机构尾部拖有缆绳，通过不断释放缆绳，并与计算机自动控制系统(ACS)相连，实现机构的持续钻进和实时控制。

本发明实施例的仿生钻采机构由五组直流电机驱动，其中两组通过第一行星轮系驱动机架的整体转动；两组通过第一卷扬机构驱动径向伸缩机构的锁紧和释放；最后一组通过蜗轮蜗杆机构和四连杆机构控制圆锥形分瓣式钻头的张开和闭合。

进一步的，具体说明本发明实施例的仿生钻采机构的基本工作步骤。

如图1所示，一个蠕动前进的运动周期可以分解为8步。

步骤一，如图1a所示，机构处于初始状态，主径向伸缩单元和副径向伸缩单元均收缩在机架内，轴向伸缩机构也处于收缩状态，主掘进单元2驱动电机17准备驱动圆锥形分瓣式钻头1和主机架A旋转，钻采机构开始切削月壤。

步骤二，如图1b所示，副径向伸缩单元5开始工作，第二卷扬机构30释放缆绳，第二楔子28伸出副机架B，第二弹簧29产生的弹力撑紧在由钻采机构钻削形成的孔壁上。

步骤三，如图1c所示，在主掘进单元驱动电机17驱动下，丝杠螺母21沿所在的丝杠螺母副机构伸长，使圆锥形分瓣式钻头1和主机架A前进距离H。

步骤四，如图1d所示，主径向伸缩单元3开始工作，第一卷扬机构16释放缆绳，第一楔子14伸出主机架A，并撑紧在由钻采机构钻削形成的孔壁上，同时副径向伸缩单元5缩回副机架B内部。

步骤五，如图1e所示，副掘进单元驱动电机23驱动副机架B所在的丝杠螺母副机构收缩，使副机架B前进距离H。

步骤六，如图1f所示，副径向伸缩单元5工作，第二楔子XX伸出副机架B，并撑紧在由钻采机构钻削形成的孔壁上，圆锥形分瓣式钻头开闭机构打开，同时主掘进单元驱动电机17驱动圆锥形分瓣式钻头1和主机架A旋转，其所在的丝杠螺母副机构伸长，使圆锥形分瓣式钻头1和主机架A前进距离H。

步骤七，如图1g所示，主径向伸缩单元3开始工作，第一卷扬机构16释放缆绳，第一楔子14伸出主机架A，并撑紧在由钻采机构钻削形成的孔壁，同时副径向伸缩单元5缩回副机架B内部，副掘进单元驱动电机23驱动副机架B所在的丝杠螺母副机构收缩，使副机架B前进距离H。

步骤八，如图1h所示，主径向伸缩单元2、副径向伸缩单元5均收回机架内部，圆锥形分瓣式钻头闭合，并将采集到的样本贮存在内部。机构回到初始状态，即回到步骤一。

至此，机构完成一个完整周期的运动，整体向前移动了一个步距2H，如此反复，可实现机构的不断直线钻采。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种仿生钻采机构，其特征在于，包括分瓣式掘进机架、主机架(A)和副机架(B)；

分瓣式掘进机架包括圆锥形分瓣式钻头(1)和分瓣式钻头开闭机构；

主机架(A)包括主掘进单元(2)和主径向伸缩单元(3)；

副机架(B)包括副掘进单元(4)和副径向伸缩单元(5)；

分瓣式钻头开闭机构转动连接于主掘进单元(2)上；

圆锥形分瓣式钻头(1)转动连接于主掘进单元(2)上；

主机架(A)和副机架(B)之间通过轴向伸缩机构相连。

2.根据权利要求1所述的仿生钻采机构，其特征在于：主掘进单元(2)包括第一外螺旋钻杆(25)和内壳体(26)；第一外螺旋钻杆(25)的内部布置主径向伸缩单元(3)，内壳体(26)沿周向均布有导轨，第一外螺旋钻杆(25)和内壳体(26)的连接处布置有第一行星轮系(18)。

3.根据权利要求1所述的仿生钻采机构，其特征在于，副掘进单元(4)包括第二外螺旋钻杆(27)，第二外螺旋钻杆(27)的内部周向均布凹槽，凹槽与内壳体(26)的导轨相配合，副掘进单元(4)的中部安装有副径向伸缩单元(5)，副掘进单元(4)的顶部安装有第二行星轮系(24)。

4.根据权利要求3所述的仿生钻采机构，其特征在于：主掘进单元(2)和副掘进单元(4)通过轴向伸缩机构连接，第一外螺旋杆(25)和第二外螺旋钻杆(27)旋向相反。

5.根据权利要求1所述的仿生钻采机构，其特征在于：所述圆锥形分瓣式钻头(1)均分为四瓣，圆锥形分瓣式钻头(1)的内部为中空设计，每瓣的外表面均附有螺旋切削刃。

6.根据权利要求2所述的仿生钻采机构，其特征在于：所述轴向伸缩机构包括支撑足(19)、丝杠(20)和丝杠螺母(21)，丝杠(20)与副掘进单元(4)固定连接，丝杠螺母(21)通过支撑足(19)和主掘进单元(2)固定连接，支撑足(19)固定于第一行星轮系(18)上。

7.根据权利要求1所述的仿生钻采机构，其特征在于：所述分瓣式钻头开闭机构包括连杆(6)、蜗轮(8)、蜗杆(9)、传动齿轮(10)和蜗杆驱动电机(11)，蜗轮(8)通过销轴铰接于主掘进单元(2)的内部的隔板上，蜗轮(8)的底端凸出形成杆件与连杆(6)销连接，连杆(6)与圆锥形分瓣式钻头(1)销连接。

8.根据权利要求1所述的仿生钻采机构，其特征在于：主径向伸缩单元(3)包括第一弹簧(13)、第一楔子(14)、主径向伸缩导向管(15)和第一卷扬机构(16)，第一楔子(14)通过第一弹簧(13)安装在主径向伸缩导向管(15)中，第一楔子(14)与第一卷扬机构(16)通过缆绳连接。

9.根据权利要求8所述的仿生钻采机构，其特征在于：副径向伸缩单元(5)包括第二弹簧(29)、第二楔子(28)、副径向伸缩导向管(22)和第二卷扬机构(30)，第二楔子(28)通过第二弹簧(29)安装在副径向伸缩导向管(22)中，第二楔子(28)与第二卷扬机构(30)通过缆绳连接。

10.根据权利要求9所述的仿生钻采机构，其特征在于：主径向导向管(15)和主机架(A)之间、副径向导向管(22)和副机架(B)之间均有防尘罩。