CN111120787B - 基于回转冲击式超声波钻的小行星表面三腿锚固装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于回转冲击式超声波钻的小行星表面三腿锚固装置，该锚固装置的支撑架包括三个分支，三个分支间隔120°均匀设置，三个支撑腿分别固定于三个分支的底部，万向足垫设置于支撑腿的底部，用于提高探测器的稳定性，支撑腿内部为中空结构，钻进锚固机构安装于支撑腿的内部且一端从万向足垫穿出。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单压电陶瓷叠堆作动回转冲击式超声波钻的小行星表面三腿锚固装置，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

基于回转冲击式超声波钻的小行星表面三腿锚固装置

技术领域

本发明涉及一种基于回转冲击式超声波钻的小行星表面三腿锚固装置，属于小行星探测的表面附着领域。

背景技术

作为宇宙的一部分，小行星的组成结构和物理特性等对研究宇宙形成和生命起源具有重要意义，而要研究小行星的组成结构和物理特性必须获得小行星的样品。但因为小行星具有质量小、体积小、形状不规则、表面形貌特征不确知等特点，所以小行星探测器难以在小行星表面着陆；此外，由于小行星表面的引力较小，探测器着陆成功后亦无法利用引力与小行星建立稳定的联接，因此探测器在小行星表面进行探测取样时，由于受到小行星反作用力的作用而从小行星表面弹起，无法顺利完成探测任务。目前只有舒梅克探测器成功降落到爱神星表面，但因为舒梅克探测器并不是着陆探测器，所以并没有锚固装置将探测器稳定固定在爱神星表面。

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单压电陶瓷叠堆作动回转冲击式超声波钻的小行星表面三腿锚固装置，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：

一种基于回转冲击式超声波钻的小行星表面三腿锚固装置包括支撑架、三个支撑腿、三个钻进锚固机构和三个万向足垫，所述支撑架包括三个分支，所述三个分支间隔120°均匀设置，三个所述支撑腿分别固定于三个分支的底部，所述万向足垫设置于支撑腿的底部，用于提高探测器的稳定性，所述支撑腿内部为中空结构，所述钻进锚固机构安装于支撑腿的内部且一端从万向足垫穿出；所述钻进锚固机构包括冲击式超声波钻钻进单元、丝杠螺母、联轴器、驱动电机和丝杠，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带动丝杠驱动冲击式超声波钻钻进单元完成钻进与锚固。

优选地，所述支撑腿与万向足垫通过球铰连接，以便万向足垫旋转角度适应地形变化。

优选地，所述支撑架的分支采用关节结构，用于支撑腿的折叠与收纳。

优选地，所述支撑架的分支设置有两个关节。

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，所述钻进锚固机构包括电机支架，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。

优选地，所述钻进单元包括钻杆、钻杆回复弹簧、变幅杆、压电陶瓷叠堆、V型耦合振子、转子、超声波钻移动支架后盖板、预紧弹簧、超声波钻移动支架、超声波钻前罩、空心传动轴；所述超声波钻移动支架后盖板与丝杠螺母通过螺钉固定连接，所述超声波钻移动支架后盖板的中心设置有通孔，所述丝杠穿过通孔穿入空心传动轴，所述空心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V型耦合振子，所述压电陶瓷叠堆通过V型耦合振子压紧在变幅杆的大端面，所述转子套固于空心传动轴的外周且位于V型耦合振子的后方，所述预紧弹簧与变幅杆的底部凸起连接，所述转子被预紧弹簧压紧在V型耦合振子后端面，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，所述端盖固定于支撑腿的底部，所述万向足垫与端盖通过球铰连接，所述钻杆位于变幅杆的前方并穿出导向通孔、端盖和万向足垫，所述空心传动轴的一端与钻杆固定连接，另一端通过轴承与超声波钻移动支架后盖板配合连接，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，所述超声波钻移动支架与支撑腿内部的凹槽导轨配合连接，所述超声波钻前罩与超声波钻移动支架的前端固定连接，所述超声波钻移动支架后盖板和超声波钻前罩分别与超声波钻移动支架固定连接。

优选地，所述超声波钻移动支架的外部设置有导向块，所述超声波钻移动支架通过导向块与支撑腿内部的凹槽导轨配合连接。

优选地，所述转子与空心传动轴通过键固定连接。

本发明所述的基于回转冲击式超声波钻的小行星表面三腿锚固装置的有益效果为：

（1）、本发明所述的基于回转冲击式超声波钻的小行星表面三腿锚固装置采用单压电陶瓷叠堆作动回转冲击式超声波钻作为锚固机构的钻进单元，其在冲击运动的同时，产生旋转运动，能够提高排屑速率，钻进效率高，缩短了小行星探测器在小行星表面进行固定的时间。

（2）、本发明所述的基于回转冲击式超声波钻的小行星表面三腿锚固装置采用超声波钻钻进单元与探测器多关节支撑腿复合，采用两关节机械臂结构设计，可以调节探测器着陆后的姿态，同时支撑腿可以收拢，节省探测器的包络空间，空间利用率高。

（3）、本发明所述的基于回转冲击式超声波钻的小行星表面三腿锚固装置采用多关节的机械臂作为支撑腿，能够根据地形的变化，改变探测器的着陆姿态，使探测器着陆后能够保持平稳。

（4）、本发明所述的基于回转冲击式超声波钻的小行星表面三腿锚固装置采用三条成120°均匀布置的多关节支撑腿与钻进单元一起形成力封闭结构，结构简单，稳定性高。

（5）、本发明所述的基于回转冲击式超声波钻的小行星表面三腿锚固装置的万向足垫采用球铰设计，结合二关节支撑腿，可以更好地适应复杂的小行星表面地形。

附图说明

图1是本发明所述的基于回转冲击式超声波钻的小行星表面三腿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-探测器；2-钻进锚固机构；3-支撑腿关节；4-支撑腿；5-万向足垫；2-1-冲击式超声波钻钻进单元；2-2-丝杠螺母；2-3-联轴器；2-4-驱动电机；2-5-电机支架；2-6-丝杠；2-7-万向足垫；2-1-1-钻杆；2-1-2-钻杆回复弹簧；2-1-3-变幅杆；2-1-4-压电陶瓷叠堆；2-1-5-V型耦合振子；2-1-6-转子；2-1-7-超声波钻移动支架后盖板；2-1-8-预紧弹簧；2-1-9-超声波钻移动支架；2-1-10-超声波钻前罩；2-1-11-空心传动轴；2-1-12-端盖。

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、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冲击式超声波钻的小行星表面三腿锚固装置包括支撑架3、三个支撑腿4、三个钻进锚固机构2和三个万向足垫5，所述支撑架3包括三个分支，所述三个分支间隔120°均匀设置，三个所述支撑腿4分别固定于三个分支的底部，所述万向足垫5设置于支撑腿4的底部，用于提高探测器的稳定性，所述支撑腿4内部为中空结构，所述钻进锚固机构2安装于支撑腿4的内部且一端从万向足垫5穿出；

所述钻进锚固机构2包括冲击式超声波钻钻进单元2-1、丝杠螺母2-2、联轴器2-3、驱动电机2-4和丝杠2-6，所述丝杠2-6通过丝杠螺母2-2安装于冲击式超声波钻钻进单元2-1和联轴器2-3之间，所述驱动电机2-4通过联轴器2-3带动丝杠2-6驱动冲击式超声波钻钻进单元2-1完成钻进与锚固。

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，所述丝杠螺母2-2、联轴器2-3、驱动电机2-4和丝杠2-6为供给单元，驱动电机2-4为钻进单元提供动力，丝杠螺母2-2、联轴器2-3和丝杠2-6起传动作用。

所述钻进锚固机构2包括电机支架2-5，所述电机支架2-5与驱动电机2-4以及支撑腿4的内壁固定连接，用于支撑驱动电机2-4。

所述支撑架3安装于探测器1的底部，三个所述支撑腿成120°均匀设置，构成力封闭结构，结构简单，稳定性高。所述万向足垫5增大与小行星表面的接触面积，提高探测器的稳定性。所述冲击式超声波钻钻进单元2-1钻入小行星表面一定深度，使三个成120°均匀布置的锚固支撑机构构成力封闭结构，起到锚固作用。

所述支撑腿与万向足垫5通过球铰连接，以便万向足垫5旋转角度适应地形变化。

所述支撑架3的分支采用关节结构，优选采用两个关节，便于支撑腿的折叠与收纳，节省空间。

所述支撑腿4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。

所述钻进锚固机构2还包括电机支架2-5，所述电机支架2-5与驱动电机2-4以及支撑腿4的内壁固定连接，用于支撑驱动电机2-4。

所述钻进单元包括钻杆2-1-1、钻杆回复弹簧2-1-2、变幅杆2-1-3、压电陶瓷叠堆2-1-4、V型耦合振子2-1-5、转子2-1-6、超声波钻移动支架后盖板2-1-7、预紧弹簧2-1-8、超声波钻移动支架2-1-9、超声波钻前罩2-1-10、空心传动轴2-1-11和端盖2-1-12；所述超声波钻移动支架后盖板2-1-7与丝杠螺母2-2通过螺钉固定连接，所述超声波钻移动支架后盖板2-1-7的中心设置有通孔，所述丝杠2-6穿过通孔穿入空心传动轴2-1-11，所述空心传动轴2-1-11的前端外周套固有变幅杆2-1-3，所述变幅杆2-1-3的后部外周依次套固有压电陶瓷叠堆2-1-4和V型耦合振子2-1-5，所述压电陶瓷叠堆2-1-4通过V型耦合振子2-1-5压紧在变幅杆2-1-3的大端面，所述转子2-1-6套固于空心传动轴2-1-11的外周且位于V型耦合振子2-1-5的后方，所述预紧弹簧2-1-8与变幅杆2-1-3的底部凸起连接，所述转子2-1-6被预紧弹簧2-1-8压紧在V型耦合振子2-1-5后端面，所述变幅杆2-1-3的前端外周安装有超声波钻前罩2-1-10，所述超声波钻前罩2-1-10的顶部设置有导向通孔，所述端盖2-1-12固定于支撑腿4的底部，所述万向足垫5与端盖2-1-12通过球铰连接，所述钻杆2-1-1位于变幅杆2-1-3的前方并穿出导向通孔、端盖2-1-12和万向足垫5，所述空心传动轴2-1-11的一端与钻杆2-1-1固定连接，另一端通过轴承与超声波钻移动支架后盖板2-1-7配合连接，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2-1-10之间，将钻杆2-1-1压紧在变幅杆2-1-3顶部，所述超声波钻移动支架2-1-9与支撑腿4内部的凹槽导轨配合连接，所述超声波钻前罩2-1-10与超声波钻移动支架2-1-9的前端固定连接，所述超声波钻移动支架后盖板2-1-7和超声波钻前罩2-1-10分别与超声波钻移动支架2-1-9固定连接。

所述转子2-1-6与空心传动轴2-1-11通过键连接，所述移动支架2-1-9与变幅杆2-1-3通过螺钉连接，所述超声波钻前罩2-1-10与移动支架2-1-9通过螺钉连接。

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4内部的凹槽导轨配合连接。

本发明所述的基于回转冲击式超声波钻的小行星表面三腿锚固装置的工作原理和工作过程为：

探测器1着陆后，由于小行星表面地形起伏不平，因此探测器1也会发生相应的倾斜，通过调整三条两关节支撑腿的6个转动关节，使得探测器1与地面保持水平。

当探测器1完成姿态调整后，锚固装置开始工作。压电陶瓷叠堆2-1-4受到谐振电压激励后，压电陶瓷叠堆2-1-4同时向前后两侧传递纵向振动，使得V型耦合振子2-1-5和变幅杆2-1-3同步工作在谐振状态；V型耦合振子2-1-5与转子2-1-6将纵向振动转变为纵扭复合运动，在耦合振子的顶端形成了一个椭圆运动；由于V型耦合振子2-1-5与转子2-1-6之间存在由预紧弹簧提供的预紧力，耦合振子与转子接触面之间产生了摩擦力。摩擦力驱动转子2-1-6回转，并通过键传递给空心传动轴2-1-11，继而传递到钻杆2-1-1，使钻杆做回转运动。

变幅杆2-1-3将压电陶瓷叠堆2-1-4中传递出的纵向振动放大，并将振动传递到钻杆2-1-1，使钻杆作冲击运动，所述钻杆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。

进给电机2-4将旋转运动通过丝杠螺母2-2与丝杠2-6转换为钻进单元的直线运动，驱动钻进单元向前运动；丝杠2-6与空心传动轴2-1-11同轴。

进给单元驱动钻进单元钻进到工作深度后，三条与地面呈一定倾角布置的钻进锚固机构2形成力封闭结构，将探测器与小行星表面固定在一起。

当探测器1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，锚固装置不再保持力封闭结构。

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 (8)

1.一种基于回转冲击式超声波钻的小行星表面三腿锚固装置，其特征在于，包括支撑架(3)、三个支撑腿(4)、三个钻进锚固机构(2)和三个万向足垫(5)，所述支撑架(3)包括三个分支，所述三个分支间隔120°均匀设置，三个所述支撑腿(4)分别固定于三个分支的底部，所述万向足垫(5)设置于支撑腿(4)的底部，用于提高探测器的稳定性，所述支撑腿(4)内部为中空结构，所述钻进锚固机构(2)安装于支撑腿(4)的内部且一端从万向足垫(5)穿出；

所述钻进锚固机构(2)包括冲击式超声波钻钻进单元(2-1)、丝杠螺母(2-2)、联轴器(2-3)、驱动电机(2-4)和丝杠(2-6)，所述丝杠(2-6)通过丝杠螺母(2-2)安装于冲击式超声波钻钻进单元(2-1)和联轴器(2-3)之间，所述驱动电机(2-4)通过联轴器(2-3)带动丝杠(2-6)驱动冲击式超声波钻钻进单元(2-1)完成钻进与锚固；

所述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)、变幅杆(2-1-3)、压电陶瓷叠堆(2-1-4)、V型耦合振子(2-1-5)、转子(2-1-6)、超声波钻移动支架后盖板(2-1-7)、预紧弹簧(2-1-8)、超声波钻移动支架(2-1-9)、超声波钻前罩(2-1-10)、空心传动轴(2-1-11)和端盖(2-1-12)；所述超声波钻移动支架后盖板(2-1-7)与丝杠螺母(2-2)通过螺钉固定连接，所述超声波钻移动支架后盖板(2-1-7)的中心设置有通孔，所述丝杠(2-6)穿过通孔穿入空心传动轴(2-1-11)，所述空心传动轴(2-1-11)的前端外周套固有变幅杆(2-1-3)，所述变幅杆(2-1-3)的后部外周依次套固有压电陶瓷叠堆(2-1-4)和V型耦合振子(2-1-5)，所述压电陶瓷叠堆(2-1-4)通过V型耦合振子(2-1-5)压紧在变幅杆(2-1-3)的大端面，所述转子(2-1-6)套固于空心传动轴(2-1-11)的外周且位于V型耦合振子(2-1-5)的后方，所述预紧弹簧(2-1-8)与变幅杆(2-1-3)的底部凸起连接，所述转子(2-1-6)被预紧弹簧(2-1-8)压紧在V型耦合振子(2-1-5)后端面，所述变幅杆(2-1-3)的前端外周安装有超声波钻前罩(2-1-10)，所述超声波钻前罩(2-1-10)的顶部设置有导向通孔，所述端盖(2-1-12)固定于支撑腿(4)的底部，所述万向足垫(5)与端盖(2-1-12)通过球铰连接，所述钻杆(2-1-1)位于变幅杆(2-1-3)的前方并穿出导向通孔、端盖(2-1-12)和万向足垫(5)，所述空心传动轴(2-1-11)的一端与钻杆(2-1-1)固定连接，另一端通过轴承与超声波钻移动支架后盖板(2-1-7)配合连接，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(2-1-10)之间，将钻杆(2-1-1)压紧在变幅杆(2-1-3)顶部，所述超声波钻移动支架(2-1-9)与支撑腿(4)内部的凹槽导轨配合连接，所述超声波钻前罩(2-1-10)与超声波钻移动支架(2-1-9)的前端固定连接，所述超声波钻移动支架后盖板(2-1-7)和超声波钻前罩(2-1-10)分别与超声波钻移动支架(2-1-9)固定连接。

2.根据权利要求1所述的基于回转冲击式超声波钻的小行星表面三腿锚固装置，其特征在于，所述支撑腿(4)与万向足垫(5)通过球铰连接，以便万向足垫(5)旋转角度适应地形变化。

3.根据权利要求1所述的基于回转冲击式超声波钻的小行星表面三腿锚固装置，其特征在于，所述支撑架(3)的分支采用关节结构，用于支撑腿的折叠与收纳。

4.根据权利要求3所述的基于回转冲击式超声波钻的小行星表面三腿锚固装置，其特征在于，所述支撑架(3)的分支设置有两个关节。

5.根据权利要求1所述的基于回转冲击式超声波钻的小行星表面三腿锚固装置，其特征在于，所述支撑腿(4)的内部设置有三条成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。

6.根据权利要求1所述的基于回转冲击式超声波钻的小行星表面三腿锚固装置，其特征在于，所述钻进锚固机构(2)还包括电机支架(2-5)，所述电机支架(2-5)与驱动电机(2-4)以及支撑腿(4)的内壁固定连接，用于支撑驱动电机(2-4)。

7.根据权利要求1所述的基于回转冲击式超声波钻的小行星表面三腿锚固装置，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(4)内部的凹槽导轨配合连接。

8.根据权利要求1所述的基于回转冲击式超声波钻的小行星表面三腿锚固装置，其特征在于，所述转子(2-1-6)与空心传动轴(2-1-11)通过键固定连接。

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