CN111366396B - 一种具有磨削及夹持功能的小天体一体化取样器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航天领域，为一种具有磨削及夹持功能的小天体一体化取样器，包括夹持取样器、磨削取样器、样品封装容器、深度相机。利用夹持电机驱动滚珠丝杠螺母及放样推杆往复运动，并通过连杆带动夹持爪开合，实现样品夹取及同步送样；利用磨削电机驱动金属铣刀组件高速旋转实现动能储存，接触星表后完成样品磨削取样及送样。通过布置磨削取样器接触开关同步实现取样器位姿检测。本发明采用磨削及夹持一体化设计，具备星表风化层、岩粉、岩块等多种目标的取样能力，实现多种方式取样的同时完成样品放样，结构紧凑无附加机构。

Description

一种具有磨削及夹持功能的小天体一体化取样器

技术领域

本发明涉及一种取样器。

背景技术

小天体(含小行星和彗星)内部蕴含了大量太阳系形成演化的信息和丰富的矿物质，具有极高的科学和经济价值。通过对小天体的探测可以更加深入地了解小天体，为人类探索行星系统的形成和演化历史提供线索。小天体的取样研究可对其星壤特性、轨道特性、表面环境、温度变化等一系列特性进行全面深入了解，为后续开发利用小天体奠定基础。

小天体表面为微重力，取样时样品会悬浮或飞散，使得取样收集和封装的难度极大。同时，小天体表面的样品形式具有不确定性，可能具有星表风化层、岩粉、岩块等物质，这对小天体的取样器提出了更高的要求，传统的取样机构难以满足小天体微重力条件下的多种样品形式的取样任务。目前对小天体取样器研究较少，且大多数取样器只针对特定的介质进行设计，如ESA研制的Rosetta探测器上所用的取样机构SD2采用钻取方案，适用于星表介质较软的小天体取样。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种具有磨削及夹持功能的小天体一体化取样器，满足彗星、小行星等小天体取样任务需求的取样器，能够同时实现对星表风化层、岩粉、岩块等多种样品形式的获取，并通过不同取样机构的组合实现对较宽直径规格样品的获取，大幅度提高取样的成功几率，完成在微重力条件下对样品的放样及辅助封装。

本发明所采用的技术方案是：一种具有磨削及夹持功能的小天体一体化取样器，包括夹持取样器、磨削取样器、样品封装容器、深度相机；夹持取样器、样品封装容器、深度相机分别安装在磨削取样器上，深度相机拍摄星体表面照片，样品封装容器用于存储取得的样品；

夹持取样器包括夹持爪、夹持接触开关、夹持弹簧、夹持保持架、夹持电机、滚珠丝杠、丝杠螺母、连杆、放样推杆、推杆弹簧、夹持取样器壳体；夹持电机安装在夹持取样器壳体内，夹持电机通过传动齿轮与滚珠丝杠端部配合连接，滚珠丝杠两端通过轴承安装在夹持取样器壳体内；丝杠螺母安装在滚珠丝杠上并沿滚珠丝杠移动；连杆对称安装在丝杠螺母两侧，连杆两端分别与丝杠螺母、夹持保持架铰接；夹持爪与夹持保持架之间安装夹持接触开关、夹持弹簧，夹持爪与夹持保持架沿横向相对运动；放样推杆与丝杠螺母通过套筒连接，套筒和放样推杆之间安装推杆弹簧，放样推杆在丝杠螺母作用下做轴向运动；夹持爪和夹持保持架设置在放样推杆两侧；当夹持弹簧被压缩至夹持接触开关触发时，夹持爪停止夹持动作；

磨削取样器包括磨削取样器外壳、金属铣刀组件、取样器通用接口、磨削取样器接触开关、磨削电机、齿轮组件；取样器通用接口安装在磨削取样器外壳上部，多个磨削取样器接触开关分布在磨削取样器外壳底部，齿轮组件安装在磨削取样器外壳外侧；磨削电机、多组金属铣刀组件通过轴承安装在磨削取样器外壳内，磨削电机通过齿轮组件带动金属铣刀组件工作，将磨削后的样品送入样品封装容器内。

夹持取样器还包括导轨；导轨安装在夹持取样器壳体一端，导轨上开有滑槽，夹持保持架在滑槽内滑动，放样推杆能够在滑槽中部伸缩。

金属铣刀组件包括金属铣刀、铣刀保持轴、金属刷、超越离合器、铣刀驱动轴；金属铣刀两端及中部分别安装一圈金属刷，金属铣刀两端分别安装铣刀保持轴和铣刀驱动轴；超越离合器安装在金属铣刀内，并与铣刀驱动轴配合；金属铣刀组件通过铣刀保持轴、铣刀驱动轴及轴承安装在磨削取样器外壳内。

齿轮组件包括驱动齿轮、第一驱动惰轮、第二驱动惰轮、第一金属铣刀组件驱动齿轮、第二金属铣刀组件驱动齿轮；驱动齿轮与磨削电机输出轴相连，通过相互啮合的第一驱动惰轮、第二驱动惰轮，带动第一金属铣刀组件驱动齿轮、第二金属铣刀组件驱动齿轮旋转，第一金属铣刀组件驱动齿轮、第二金属铣刀组件驱动齿轮分别与两组金属铣刀组件的铣刀驱动轴相连。

取样器通用接口上设置锁定机构，锁定机构包括锁定钢球、片弹簧、限位导向槽；取样器通用接口的端口内壁沿周向设置限位导向槽和锁定钢球安装孔，锁定钢球安装在锁定钢球安装孔中并对应安装片弹簧。

取样器通用接口位于磨削取样器顶部，锁定钢球在片弹簧推力的作用下向取样器通用接口外侧运动，当样品封装容器与取样器通用接口连接时，样品封装容器推动锁定钢球向内侧运动；当样品封装容器安装完成后，锁定钢球在片弹簧的作用下推出，卡入样品封装容器对应的沟槽内。

所述一体化取样器与机械臂相连，夹持电机通过齿轮传动驱动滚珠丝杠产生回转运动带动丝杠螺母向上运动，丝杠螺母通过连杆使夹持保持架张开，夹持爪张开到位后由机械臂带动一体化取样器向下运动；样品对放样推杆的反所用力会使推杆弹簧受压收缩，使得放样推杆缩回；夹持时，夹持电机带动驱动滚珠丝杠反转，使得丝杠螺母向下运动，驱动夹持爪向内运动，实现对样品的夹持；当夹持爪与样品接触时，夹持电机继续运动，由夹持保持架继续压缩夹持弹簧，当夹持弹簧到达目标夹持力时，夹持接触开关触发停止信号，完成对样品的夹持；

当需要投放样品时，机械臂带动一体化取样器运动至放样瓶口，夹持电机驱动丝杠螺母向上运动，带动夹持爪张开释放样品，同时由于放样推杆与丝杠螺母相连，在夹持爪张开的同时，放样推杆同步将样品推出。

当磨削取样器与星表接触时，位于磨削取样器外壳下部的磨削取样器接触开关受压触发接触信号，当四个磨削取样器接触开关同时触发到位信号时，磨削取样器满足取样位姿需求。

驱动齿轮与磨削电机相连，通过第一驱动惰轮、第二驱动惰轮，带动第一金属铣刀组件驱动齿轮、第二金属铣刀组件驱动齿轮同时向磨削取样器内侧旋转，通过超越离合器带动金属铣刀、金属刷向内旋转，实现金属铣刀组件的储能。

当磨削取样器与星体表面接触时，金属刷及金属铣刀对星体表面样品进行切削，通过金属刷及金属铣刀的旋转带动样品向上运动进入样品封装容器。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用磨削及夹持一体化设计，具备星表风化层、岩粉、岩块等多种目标的取样能力，实现取样的同时完成样品放样，结构紧凑；

(2)本发明采用金属刷及金属铣刀作为磨削取样工具，通过其自身的高速旋转实现动能储存，接触星表后完成对风化层、岩粉的取样，并同步实现样品储存，并实现冲击力隔离，解决了微重力条件下的取样难题；

(3)本发明设计有接触感应装置，可辅助取样机构感知位姿，有效提高了取样器的星表地形适应能力；

(4)本发明采用夹持放样一体化设计方案，夹持机构可实现对不同尺寸的岩块夹取，具有较大范围的样品尺寸(0.1mm～50mm)适应能力，同时具备夹持力保护功能，实现可控夹持力设计，有效避免样品损伤。放样时可将样品同步送入样品封装容器，无附加机构，解决了微重力环境下的放样难题。

附图说明

图1为小天体一体化取样器轴侧图1；

图2为小天体一体化取样器轴侧图2；

图3为夹持取样器示意图；

图4(a)为夹持取样器初始状态工作原理图；

图4(b)为夹持取样器夹持状态工作原理图；

图4(c)为夹持取样器完成夹持状态工作原理图；

图4(d)为夹持取样器完成放样状态工作原理图；

图5为磨削取样器示意图；

图6为磨削金属铣刀示意图；

图7为磨削取样器传动原理图；

图8为取样器通用接口锁定原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

如图1～2所示，一种具有磨削及夹持功能的小天体一体化取样器，包括夹持取样器1、磨削取样器2、样品封装容器3、深度相机4。夹持取样器1、样品封装容器3、深度相机4分别安装在磨削取样器2上，深度相机4进行地形地貌初步判断，样品封装容器3用于存储取得的样品。

如图3所示，夹持取样器1包括夹持爪11、夹持接触开关12、夹持弹簧13、夹持保持架14、夹持电机15、滚珠丝杠16、丝杠螺母17、连杆18、放样推杆19、推杆弹簧110、夹持取样器壳体112、导轨111。

夹持电机15安装在夹持取样器壳体112内，夹持电机15通过传动齿轮与滚珠丝杠16端部配合连接，滚珠丝杠16两端通过角接触球轴承安装在夹持取样器壳体112内；丝杠螺母17安装在滚珠丝杠16上并沿滚珠丝杠16移动；连杆18对称安装在丝杠螺母17两侧，连杆18两端分别与丝杠螺母17、夹持保持架14铰接；夹持爪11与夹持保持架14之间安装夹持接触开关12、夹持弹簧13，夹持爪11与夹持保持架14可沿横向相对运动；放样推杆19为中空杆状，与丝杠螺母17通过套筒连接，套筒和放样推杆19之间安装推杆弹簧110，放样推杆19在丝杠螺母17作用下做轴向运动；夹持爪11和夹持保持架14设置在放样推杆19两侧；导轨111安装在取样器壳体112一端，导轨111上开有滑槽，夹持保持架14在滑槽内滑动，放样推杆19能够在滑槽中部伸缩。当夹持弹簧13被压缩至夹持接触开关12触发时，夹持取样器1完成夹持动作。

取样实现：

如图4(a)～4(b)所示，一体化取样器与取样机械臂相连，当实施取样时，由夹持电机15通过齿轮传动驱动滚珠丝杠16产生回转运动带动丝杠螺母17向上运动，由于夹持保持架14通过导轨111与取样器壳体固连，故丝杠螺母17向上运动通过连杆18会使夹持保持架14张开，夹持爪11张开到位后由机械臂带动一体化取样器向下运动。样品对放样推杆19的反所用力会使推杆弹簧110受压收缩，使得放样推杆19缩回。夹持时，夹持电机15带动驱动滚珠丝杠16反转(丝杠螺母17向下运动)，驱动夹持爪11向内运动，实现对样品的夹持。当夹持爪11与样品接触时，夹持电机15继续运动，由夹持保持架14继续压缩夹持弹簧13，当到达目标夹持力时，夹持接触开关12触发停止信号，完成对样品的夹持。

放样实现：

如图4(c)～4(d)所示，由取样机械臂带动一体化取样器运动至放样瓶口，夹持电机15驱动丝杠螺母17向上运动，带动夹持爪11张开释放样品，同时由于放样推杆19与丝杠螺母17相连，在夹持爪11张开的同时，放样推杆19会同步将样品推出，并推入外部的样品封装容器中，完成样品的放样。

如图5所示，磨削取样器2包括磨削取样器外壳21、金属铣刀组件22、取样器通用接口23、磨削取样器接触开关24、磨削电机25、齿轮组件。取样器通用接口23安装在磨削取样器外壳21上部，四个磨削取样器接触开关24分布在磨削取样器外壳21下部四角，齿轮组件安装在磨削取样器外壳21外侧；磨削电机25安装在磨削取样器外壳21内，两组金属铣刀组件22通过轴承安装在磨削取样器外壳21内，磨削电机25通过齿轮组件带动金属铣刀组件22工作。

如图6所示，金属铣刀组件22包括金属铣刀221、铣刀保持轴222、金属刷223、超越离合器224、铣刀驱动轴225；金属铣刀221两端及中部分别安装一圈金属刷223，金属铣刀221两端分别安装铣刀保持轴222和铣刀驱动轴225；超越离合器224安装在金属铣刀221内，并与铣刀驱动轴225配合；金属铣刀组件22通过铣刀保持轴222、铣刀驱动轴225及轴承安装在磨削取样器外壳21内。

如图7所示，齿轮组件包括驱动齿轮251、第一驱动惰轮252、第二驱动惰轮253、第一金属铣刀组件驱动齿轮254、第二金属铣刀组件驱动齿轮255；驱动齿轮251与磨削电机25输出轴相连，通过相互啮合的第一驱动惰轮252、第二驱动惰轮253，带动第一金属铣刀组件驱动齿轮254、第二金属铣刀组件驱动齿轮255旋转，第一金属铣刀组件驱动齿轮254、第二金属铣刀组件驱动齿轮255分别与两组金属铣刀组件22的铣刀驱动轴225相连。

如图8所示，取样器通用接口23上设置锁定机构，锁定机构包括锁定钢球231、片弹簧232、限位导向槽233。取样器通用接口23的端口内壁沿周向设置限位导向槽233和锁定钢球安装孔，锁定钢球231安装在锁定钢球安装孔中并对应安装片弹簧232。

位姿判断：

当需要对星表风化层、碎石、坚硬表面进行取样时，由取样机械臂驱动腕部关节带动一体化取样器进行磨削取样。由深度相机4进行地形地貌初步判断，确定可以执行取样任务时，机械臂带动磨削取样器向下运动，当与星表接触时，位于磨削取样器外壳21下部的接触开关24受压触发接触信号，通过不同接触开关信号的触发，可以对磨削取样器2进行位姿判断，当四个接触开关24同时触发到位信号时，磨削取样器2满足取样位姿需求，可以进行取样操作。

取样器储能：

为减小磨削取样器2的磨削电机25功耗，本发明采用金属铣刀组件22高速转动储能的方式进行磨削。驱动齿轮251与磨削电机25相连，通过第一驱动惰轮252、第二驱动惰轮253，带动第一金属铣刀组件驱动齿轮254、第二金属铣刀组件驱动齿轮255实现反向旋转(同时向磨削取样器2内侧旋转)，第一金属铣刀组件驱动齿轮254、第二金属铣刀组件驱动齿轮255与铣刀驱动轴225相连，通过超越离合器224带动金属铣刀221、金属刷223高速向内旋转，实现金属铣刀组件22的储能。

磨削取样：

机械臂带动磨削取样器2向下运动，当与星表接触时，位于星表的碎石、风化层、坚硬物质会受到金属刷223及金属铣刀221的切削作用产生小颗粒，通过金属刷223及金属铣刀221的旋转带动样品向上运动进入样品封装容器3。由于在铣刀驱动轴225与金属铣刀221之间安装具有单向传递扭矩特性的超越离合器224，当金属铣刀221受到星体表面的摩擦阻力突然进行减速运动时，其反向冲击力矩不会传递至磨削电机25，在实现取样的同时，避免对驱动电机的冲击，提高了系统的可靠性。

样品封装容器锁定：

取样器通用接口23位于磨削取样器2顶部，通过锁定钢球231、片弹簧232以及限位导向槽233，使得锁定钢球231在片弹簧232推力的作用下向取样器通用接口23外侧运动，当样品封装容器3与取样器通用接口23连接时，样品封装容器3推动锁定钢球231向内侧运动。到位后，锁定钢球231在片弹簧232的作用下推出，卡入样品封装容器3对应的沟槽内，实现磨削取样器2与样品封装容器3的可靠连接。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种具有磨削及夹持功能的小天体一体化取样器，其特征在于，包括夹持取样器(1)、磨削取样器(2)、样品封装容器(3)、深度相机(4)；夹持取样器(1)、样品封装容器(3)、深度相机(4)分别安装在磨削取样器(2)上，深度相机(4)拍摄星体表面照片，样品封装容器(3)用于存储取得的样品；

夹持取样器(1)包括夹持爪(11)、夹持接触开关(12)、夹持弹簧(13)、夹持保持架(14)、夹持电机(15)、滚珠丝杠(16)、丝杠螺母(17)、连杆(18)、放样推杆(19)、推杆弹簧(110)、夹持取样器壳体(112)；夹持电机(15)安装在夹持取样器壳体(112)内，夹持电机(15)通过传动齿轮与滚珠丝杠(16)端部配合连接，滚珠丝杠(16)两端通过轴承安装在夹持取样器壳体(112)内；丝杠螺母(17)安装在滚珠丝杠(16)上并沿滚珠丝杠(16)移动；连杆(18)对称安装在丝杠螺母(17)两侧，连杆(18)两端分别与丝杠螺母(17)、夹持保持架(14)铰接；夹持爪(11)与夹持保持架(14)之间安装夹持接触开关(12)、夹持弹簧(13)，夹持爪(11)与夹持保持架(14)沿横向相对运动；放样推杆(19)与丝杠螺母(17)通过套筒连接，套筒和放样推杆(19)之间安装推杆弹簧(110)，放样推杆(19)在丝杠螺母(17)作用下做轴向运动；夹持爪(11)和夹持保持架(14)设置在放样推杆(19)两侧；当夹持弹簧(13)被压缩至夹持接触开关(12)触发时，夹持爪(11)停止夹持动作；

磨削取样器(2)包括磨削取样器外壳(21)、金属铣刀组件(22)、取样器通用接口(23)、磨削取样器接触开关(24)、磨削电机(25)、齿轮组件；取样器通用接口(23)安装在磨削取样器外壳(21)上部，多个磨削取样器接触开关(24)分布在磨削取样器外壳(21)底部，齿轮组件安装在磨削取样器外壳(21)外侧；磨削电机(25)、多组金属铣刀组件(22)通过轴承安装在磨削取样器外壳(21)内，磨削电机(25)通过齿轮组件带动金属铣刀组件(22)工作，将磨削后的样品送入样品封装容器(3)内。

2.根据权利要求1所述的一种具有磨削及夹持功能的小天体一体化取样器，其特征在于，夹持取样器(1)还包括导轨(111)；导轨(111)安装在夹持取样器壳体(112)一端，导轨(111)上开有滑槽，夹持保持架(14)在滑槽内滑动，放样推杆(19)能够在滑槽中部伸缩。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有磨削及夹持功能的小天体一体化取样器，其特征在于，金属铣刀组件(22)包括金属铣刀(221)、铣刀保持轴(222)、金属刷(223)、超越离合器(224)、铣刀驱动轴(225)；金属铣刀(221)两端及中部分别安装一圈金属刷(223)，金属铣刀(221)两端分别安装铣刀保持轴(222)和铣刀驱动轴(225)；超越离合器(224)安装在金属铣刀(221)内，并与铣刀驱动轴(225)配合；金属铣刀组件(22)通过铣刀保持轴(222)、铣刀驱动轴(225)及轴承安装在磨削取样器外壳(21)内。

4.根据权利要求3所述的一种具有磨削及夹持功能的小天体一体化取样器，其特征在于，齿轮组件包括驱动齿轮(251)、第一驱动惰轮(252)、第二驱动惰轮(253)、第一金属铣刀组件驱动齿轮(254)、第二金属铣刀组件驱动齿轮(255)；驱动齿轮(251)与磨削电机(25)输出轴相连，通过相互啮合的第一驱动惰轮(252)、第二驱动惰轮(253)，带动第一金属铣刀组件驱动齿轮(254)、第二金属铣刀组件驱动齿轮(255)旋转，第一金属铣刀组件驱动齿轮(254)、第二金属铣刀组件驱动齿轮(255)分别与两组金属铣刀组件(22)的铣刀驱动轴(225)相连。

5.根据权利要求4所述的一种具有磨削及夹持功能的小天体一体化取样器，其特征在于，取样器通用接口(23)上设置锁定机构，锁定机构包括锁定钢球(231)、片弹簧(232)、限位导向槽(233)；取样器通用接口(23)的端口内壁沿周向设置限位导向槽(233)和锁定钢球安装孔，锁定钢球(231)安装在锁定钢球安装孔中并对应安装片弹簧(232)。

6.根据权利要求5所述的一种具有磨削及夹持功能的小天体一体化取样器，其特征在于，取样器通用接口(23)位于磨削取样器(2)顶部，锁定钢球(231)在片弹簧(232)推力的作用下向取样器通用接口(23)外侧运动，当样品封装容器(3)与取样器通用接口(23)连接时，样品封装容器(3)推动锁定钢球(231)向内侧运动；当样品封装容器(3)安装完成后，锁定钢球(231)在片弹簧(232)的作用下推出，卡入样品封装容器(3)对应的沟槽内。

7.根据权利要求6所述的一种具有磨削及夹持功能的小天体一体化取样器，其特征在于，所述一体化取样器与机械臂相连，夹持电机(15)通过齿轮传动驱动滚珠丝杠(16)产生回转运动带动丝杠螺母(17)向上运动，丝杠螺母(17)通过连杆(18)使夹持保持架(14)张开，夹持爪(11)张开到位后由机械臂带动一体化取样器向下运动；样品对放样推杆(19)的反所用力会使推杆弹簧(110)受压收缩，使得放样推杆(19)缩回；夹持时，夹持电机(15)带动驱动滚珠丝杠(16)反转，使得丝杠螺母(17)向下运动，驱动夹持爪(11)向内运动，实现对样品的夹持；当夹持爪(11)与样品接触时，夹持电机(15)继续运动，由夹持保持架(14)继续压缩夹持弹簧(13)，当夹持弹簧(13)到达目标夹持力时，夹持接触开关(12)触发停止信号，完成对样品的夹持；

当需要投放样品时，机械臂带动一体化取样器运动至放样瓶口，夹持电机(15)驱动丝杠螺母(17)向上运动，带动夹持爪(11)张开释放样品，同时由于放样推杆(19)与丝杠螺母(17)相连，在夹持爪(11)张开的同时，放样推杆(19)同步将样品推出。

8.根据权利要求7所述的一种具有磨削及夹持功能的小天体一体化取样器，其特征在于，当磨削取样器(2)与星表接触时，位于磨削取样器外壳(21)下部的磨削取样器接触开关(24)受压触发接触信号，当四个磨削取样器接触开关(24)同时触发到位信号时，磨削取样器(2)满足取样位姿需求。

9.根据权利要求8所述的一种具有磨削及夹持功能的小天体一体化取样器，其特征在于，驱动齿轮(251)与磨削电机(25)相连，通过第一驱动惰轮(252)、第二驱动惰轮(253)，带动第一金属铣刀组件驱动齿轮(254)、第二金属铣刀组件驱动齿轮(255)同时向磨削取样器(2)内侧旋转，通过超越离合器(224)带动金属铣刀(221)、金属刷(223)向内旋转，实现金属铣刀组件(22)的储能。

10.根据权利要求9所述的一种具有磨削及夹持功能的小天体一体化取样器，其特征在于，当磨削取样器(2)与星体表面接触时，金属刷(223)及金属铣刀(221)对星体表面样品进行切削，通过金属刷(223)及金属铣刀(221)的旋转带动样品向上运动进入样品封装容器(3)。

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