CN111114851B - 基于回转电机与冲击式超声波钻同轴的行星表面锚固装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于回转电机与冲击式超声波钻同轴的行星表面锚固装置，该锚固装置的三个支撑腿间隔120°均匀设置，支撑足垫设置于支撑腿底部，钻进锚固机构安装于支撑腿内部且一端从支撑足垫穿出；锚固钻进机构的齿条沿支撑腿方向固定连接于支撑腿内部，驱动电机驱动齿轮在齿条上移动带动冲击式超声波钻钻进单元完成钻进与锚固动作。解决了现有技术的小行星探测器着陆后无法快速固定在小行星表面的问题，为了使小行星探测器在小行星表面着陆并与小行星表面建立稳定联接进行取样，本发明提出一种基于回转电机与冲击式超声波钻同轴的行星表面锚固装置，具有自排屑功能，提高了钻进效率，使小行星探测器快速固定在小行星表面。

Description

基于回转电机与冲击式超声波钻同轴的行星表面锚固装置

技术领域

本发明涉及一种基于回转电机与冲击式超声波钻同轴的行星表面锚固装置，属于小行星探测的表面附着领域。

背景技术

小行星上蕴含丰富的矿藏，开采小行星中的矿藏并运载回地球，将有效改善地球上资源枯竭的情况，对地球未来的绿色发展具有重大意义。由于小行星表面的引力非常小，而采矿探测器工作过程中会产生非常大的反作用力，因此采矿探测器会弹起到太空中，无法继续采矿工作。因此，探测器需要安装锚固装置，将采矿探测器固定在小行星表面，使其在工作过程中不会因较大的反作用力而飞离小行星表面。目前发射的小行星探测器中，除了日本的隼鸟2号小行星探测器携带的小型着陆机“密涅瓦2号”之外，还未有专门为小行星着陆探测设计的探测器。因此，为解决探测器在小行星表面固定困难的问题，本发明提出了一种基于回转电机与冲击式超声波钻同轴的三腿支撑小行星表面锚固装置。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术的小行星探测器着陆后无法快速固定在小行星表面的问题，为了使小行星探测器在小行星表面进行着陆并与小行星表面建立稳定的联接后进行取样工作，本发明提出了一种基于回转电机与冲击式超声波钻同轴的行星表面锚固装置，具有自排屑功能，提高了钻进效率，使小行星探测器快速固定在小行星表面。

本发明为达此目的，采用以下技术方案：

一种基于回转电机与冲击式超声波钻同轴的行星表面锚固装置包括三个支撑腿、三套钻进锚固机构和三个支撑足垫，三个所述支撑腿间隔120°均匀设置，所述支撑腿内部为中空结构，所述支撑足垫设置于支撑腿的底部，用于提高探测器的稳定性，所述钻进锚固机构安装于支撑腿的内部且一端从支撑足垫穿出；所述锚固钻进机构包括冲击式超声波钻钻进单元、齿轮、齿条和驱动电机，所述齿条沿支撑腿方向固定连接于支撑腿内部，所述驱动电机驱动齿轮在齿条上移动带动冲击式超声波钻钻进单元完成钻进与锚固动作。

优选地，所述支撑腿内部设置有三条成120°均匀布置的沿支撑腿方向的凹槽导轨，所述钻进锚固机构安装于凹槽导轨上，所述凹槽导轨为钻进锚固机构的钻进过程起导向作用。

优选地，所述锚固钻进机构还包括丝杠螺母、电机支架和丝杠，所述电机支架与驱动电机以及支撑腿的内壁固定连接，用于支撑驱动电机，所述丝杠通过丝杠螺母安装于冲击式超声波钻钻进单元和联轴器之间，所述驱动电机通过联轴器将动力传递给丝杠进而驱动冲击式超声波钻钻进单元。

优选地，所述钻进单元包括钻杆、钻杆回复弹簧、超声波钻前罩、移动支架、回转电机支架、进给电机支架、回转电机、超声波钻后壳、压电陶瓷叠堆、变幅杆和传动轴；所述进给电机支架位于齿条的前方并与驱动电机连接，所述移动支架固连于进给电机支架的前方并与支撑腿内部的凹槽导轨配合连接，所述回转电机支架固连于移动支架的内部，所述回转电机安装于回转电机支架的后方，所述回转电机支架中心设置有通孔，所述传动轴穿过通孔的一端与钻杆固定连接，另一端与回转电机连接，所述传动轴的前端外周套固有变幅杆，所述变幅杆的后部外周依次套固有压电陶瓷叠堆和超声波钻后壳，所述压电陶瓷叠堆通过超声波钻后壳压紧在变幅杆的大端面，所述变幅杆的前端外周安装有超声波钻前罩，所述超声波钻前罩的顶部设置有导向通孔，所述钻杆位于变幅杆的前方并穿出导向通孔和支撑足垫，所述钻杆回复弹簧安装在钻杆的根部与超声波钻前罩之间，将钻杆压紧在变幅杆顶部，所述超声波钻前罩与移动支架的前端固定连接。

本发明所述的基于回转电机与冲击式超声波钻同轴的行星表面锚固装置的有益效果为：

(1)本发明所述的基于回转电机与冲击式超声波钻同轴的行星表面锚固装置采用冲击式超声波钻作为锚固机构的钻进单元，锚固工作过程产生的反作用力小。

(2)本发明所述的基于回转电机与冲击式超声波钻同轴的行星表面锚固装置采用回转电机为冲击式超声波钻钻杆提供回转运动，在加快排屑的同时，也提供回转切削运动，显著的提升了超声波钻的钻进速度

(3)本发明所述的基于回转电机与冲击式超声波钻同轴的行星表面锚固装置采用超声波钻钻进单元与探测器支撑腿复合，锚固装置结构简单，支撑腿为锚固装置提供保护壳的同时，亦节省探测器体积，空间利用率高。

(4)本发明所述的基于回转电机与冲击式超声波钻同轴的行星表面锚固装置三条成120°均匀布置的支撑腿与钻进单元一起行成力封闭结构，结构简单，稳定性高。

附图说明

图1是本发明所述的基于回转电机与冲击式超声波钻同轴的行星表面锚固装置的结构示意图；

图2是本发明所述的钻进锚固机构的结构示意图；

图3是本发明所述的冲击式超声波钻钻进单元结构的结构示意图；

图中：1-支撑腿；2-钻进锚固机构；3-支撑足垫；2-1-冲击式超声波钻钻进单元；2-2-齿轮；2-3-齿条；2-4-驱动电机；2-1-1-钻杆；2-1-2-钻杆回复弹簧；2-1-3-超声波钻前罩；2-1-4-移动支架；2-1-5-回转电机支架；2-1-6-进给电机支架；2-1-7-回转电机；2-1-8-超声波钻后壳；2-1-9-压电陶瓷叠堆；2-1-10-变幅杆；2-1-11-传动轴。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。

具体实施方式一、参见图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于回转电机与冲击式超声波钻同轴的行星表面锚固装置包括三个支撑腿1、三套钻进锚固机构2和三个支撑足垫3，三个所述支撑腿1间隔120°均匀设置，所述支撑腿1内部为中空结构，所述支撑足垫3设置于支撑腿1的底部，用于提高探测器的稳定性，所述钻进锚固机构2安装于支撑腿1的内部且一端从支撑足垫3穿出；

所述锚固钻进机构2包括冲击式超声波钻钻进单元2-1、齿轮2-2、齿条2-3和驱动电机2-4，所述齿条2-3沿支撑腿1方向固定连接于支撑腿1内部，所述驱动电机2-4驱动齿轮2-2在齿条2-3上移动带动冲击式超声波钻钻进单元2-1完成钻进与锚固动作。

所述齿轮2-2与驱动电机2-4通过键联接，所述齿条2-3与支撑腿1通过螺钉联接。

三个所述支撑腿1安装在探测器的底部，所述钻进锚固机构2位于支撑腿1的内部，由钻进单元和进给单元组成；所述冲击式超声波钻钻进单元2-1为锚固机构的钻进单元，所述驱动电机2-4带动齿条2-3为供给单元，为钻进单元提供动力。

所述支撑腿1内部设置有三条成120°均匀布置的沿支撑腿方向的凹槽导轨，所述钻进锚固机构2安装于凹槽导轨上，所述凹槽导轨为钻进锚固机构2的钻进过程起导向作用。

所述钻进单元包括钻杆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、进给电机支架2-1-6、回转电机2-1-7、超声波钻后壳2-1-8、压电陶瓷叠堆2-1-9、变幅杆2-1-10和传动轴2-1-11；所述进给电机支架2-1-6位于齿条2-3的前方并与驱动电机2-4连接，所述移动支架2-1-4固连于进给电机支架2-1-6的前方并与支撑腿1内部的凹槽导轨配合连接，所述回转电机支架2-1-5固连于移动支架2-1-4的内部，所述回转电机2-1-7安装于回转电机支架2-1-5的后方，所述回转电机支架2-1-5中心设置有通孔，所述传动轴2-1-11穿过通孔的一端与钻杆2-1-1固定连接，另一端与回转电机2-1-7连接，所述传动轴2-1-11的前端外周套固有变幅杆2-1-10，所述变幅杆2-1-10的后部外周依次套固有压电陶瓷叠堆2-1-9和超声波钻后壳2-1-8，所述压电陶瓷叠堆2-1-9通过超声波钻后壳2-1-8压紧在变幅杆2-1-10的大端面，所述变幅杆2-1-10的前端外周安装有超声波钻前罩2-1-3，所述超声波钻前罩2-1-3的顶部设置有导向通孔，所述钻杆2-1-1位于变幅杆2-1-10的前方并穿出导向通孔和支撑足垫3，所述钻杆回复弹簧2-1-2安装在钻杆2-1-1的根部与超声波钻前罩2-1-3之间，将钻杆2-1-1压紧在变幅杆2-1-3顶部，所述超声波钻前罩2-1-3与移动支架2-1-4的前端固定连接。

所述驱动电机2-4与电机支架2-1-6通过螺钉固定连接；所述超声波钻前罩2-1-3与变幅杆2-1-10通过螺钉连接；所述压电陶瓷叠堆2-1-9套在变幅杆2-1-10外周，并通过超声波钻后盖2-1-8预紧；所述传动轴2-1-11与钻杆2-1-1通过花键联接；所述移动支架2-1-4与变幅杆2-1-10通过螺钉联接。

所述钻进锚固机构2的钻进单元采用回转电机2-1-7为冲击式超声波钻钻杆2-1-1提供回转动力，钻杆2-1-1做回转运动完成钻进运动。

所述超声波钻移动支架2-1-9的外部设置有导向块，所述超声波钻移动支架2-1-9通过导向块与支撑腿1内部的凹槽导轨配合连接。

本发明所述的基于回转电机与冲击式超声波钻同轴的行星表面锚固装置的工作原理和工作过程为：

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将压电叠堆2-1-9中传递出的纵向振动放大，并将高频振动输送到钻杆2-1-1，使钻杆作冲击运动。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转换为钻进单元的直线运动，驱动钻进单元向前运动；

进给单元驱动钻进单元钻进到工作深度后，三条成120°均匀布置的钻进锚固机构2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，进给单元反向驱动钻进单元，将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。

虽然本发明已以明确的数据和实施例公开，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的本质范围内，都可以做适当的参数修改，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (4)

1.一种基于回转电机与冲击式超声波钻同轴的行星表面锚固装置，其特征在于，包括三个支撑腿(1)、三套钻进锚固机构(2)和三个支撑足垫(3)，三个所述支撑腿(1)间隔120°均匀设置，所述支撑腿(1)内部为中空结构，所述支撑足垫(3)设置于支撑腿(1)的底部，用于提高探测器的稳定性，所述钻进锚固机构(2)安装于支撑腿(1)的内部且一端从支撑足垫(3)穿出；

所述锚固钻进机构(2)包括冲击式超声波钻钻进单元(2-1)、齿轮(2-2)、齿条(2-3)和驱动电机(2-4)，所述齿条(2-3)沿支撑腿(1)方向固定连接于支撑腿(1)内部，所述驱动电机(2-4)驱动齿轮(2-2)在齿条(2-3)上移动带动冲击式超声波钻钻进单元(2-1)完成钻进与锚固动作。

2.根据权利要求1所述的基于回转电机与冲击式超声波钻同轴的行星表面锚固装置，其特征在于，所述支撑腿(1)内部设置有三条成120°均匀布置的沿支撑腿方向的凹槽导轨，所述钻进锚固机构(2)安装于凹槽导轨上，所述凹槽导轨为钻进锚固机构(2)的钻进过程起导向作用。

3.根据权利要求1 所述的基于回转电机与冲击式超声波钻同轴的行星表面锚固装置，其特征在于，所述钻进单元包括钻杆(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)、进给电机支架(2-1-6)、回转电机(2-1-7)、超声波钻后壳(2-1-8)、压电陶瓷叠堆(2-1-9)、变幅杆(2-1-10)和传动轴(2-1-11)；所述进给电机支架(2-1-6)位于齿条(2-3)的前方并与驱动电机(2-4)连接，所述移动支架(2-1-4)固连于进给电机支架(2-1-6)的前方并与支撑腿(1)内部的凹槽导轨配合连接，所述回转电机支架(2-1-5)固连于移动支架(2-1-4)的内部，所述回转电机(2-1-7)安装于回转电机支架(2-1-5)的后方，所述回转电机支架(2-1-5)中心设置有通孔，所述传动轴(2-1-11)穿过通孔的一端与钻杆(2-1-1)固定连接，另一端与回转电机(2-1-7)连接，所述传动轴(2-1-11)的前端外周套固有变幅杆(2-1-10)，所述变幅杆(2-1-10)的后部外周依次套固有压电陶瓷叠堆(2-1-9)和超声波钻后壳(2-1-8)，所述压电陶瓷叠堆(2-1-9)通过超声波钻后壳(2-1-8)压紧在变幅杆(2-1-10)的大端面，所述变幅杆(2-1-10)的前端外周安装有超声波钻前罩(2-1-3)，所述超声波钻前罩(2-1-3)的顶部设置有导向通孔，所述钻杆(2-1-1)位于变幅杆(2-1-10)的前方并穿出导向通孔和支撑足垫(3)，所述钻杆回复弹簧(2-1-2)安装在钻杆(2-1-1)的根部与超声波钻前罩(2-1-3)之间，将钻杆(2-1-1)压紧在变幅杆(2-1-3)顶部，所述超声波钻前罩(2-1-3)与移动支架(2-1-4)的前端固定连接。

4.根据权利要求3 所述的基于回转电机与冲击式超声波钻同轴的行星表面锚固装置，其特征在于，所述超声波钻移动支架(2-1-9)的外部设置有导向块，所述超声波钻移动支架(2-1-9)通过导向块与支撑腿(1)内部的凹槽导轨配合连接。

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