CN111947964B - 一种适用于地外天体的行星轮换位离心定向采样器 - Google Patents
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Abstract
本发明一种适用于地外天体的行星轮换位离心定向采样器，包括：包括：刀具组件、换位组件、样品密闭组件、分离组件、支架；刀具组件具有行星支架；行星支架上沿圆周均布有多个相同的单回转轴系，每个单回转轴系上能够安装一种刀具；单回转轴系与太阳轮配合传动；太阳轮的转动即可通过单回转轴系带动所有刀具回转，刀具回转能够实现对采样对象采样，换位组件与刀具组件配合，驱动刀具组件回转换位；样品密闭组件，能够收集刀具采样得到的采样样品，当需要对样品进行回收时，通过火工起爆或电磁铁通电即可实现分离组件一端与另一端断开，整个样品密闭组件将携带着所采集的样品一起转移至外部回收容器中。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于地外天体的行星轮换位离心定向采样器，属于行星采样技术领域。
背景技术
针对地外天体采样加以研究是目前深空探测的重要手段。地外天体尤其是小天体类星体，体积与质量很小，致使表面重力很小，在几乎没有重力的环境下，要实现长期着陆非常困难，而采样施加的力可能将探测器推离星体，这一特征决定了要在该类地外天体上采样必须具有反作用力小的特点。同时地外天体上的采样对象具有极大的不确定性，可能存在粉末、碎石颗粒、巨石等各种形态，要保证采样的成功率，采样方式既要能够采集松散的小颗粒样品，又能破碎坚硬的岩石，即必须具有极好的采样对象适应性。
针对地外天体采样，尤其包括岩石采样的场合，目前主要有如下方法：专利CN102879219B提出了一种弹射撞击式采样器，该采样器采用与日本隼鸟号相同的原理采样，即通过发射弹射球体撞击小行星表面产生溅射尘粒加以收集，该方法虽然反力小，但是随机性大，采样量少，且不可重复，若需多次采样需消耗资源较多；专利CN104034557B提出了一种钻取与抓铲组合式采样器，可获取表层与深层样本，但抓铲不适合碎岩，钻取则只能获取粉末状样品，且反力较大；专利CN107966315A提出了一种钻取与扇片组合式采样器，其主要靠钻取产生粉末状样品，靠扇片高速旋转收集样品，该方法反力同样较大，且扇片仅适用于收集样品而不能用于碎岩。目前地面上针对碎岩应用较多的为冲击方式，如专利CN201620289312.3提出的一种修桥用电动冲击钻，包括电源箱、散热器、冲击减震器、减速器、冲击钻手柄和冲击电机；所述冲击钻手柄安装在电源箱的上方，所述电源箱的右表壁上安装有电源插口且冲击电机的下方安装有减速器，所述减速器的下方设置有冲击减震器，所述冲击减震器的右侧设置有紧固螺母板，且冲击减震器的下方设置有冲击头。该修桥用电动冲击钻结构设计合理，体积适中，使用时操作简单，机体设置有两个手柄，通过两个手柄更能掌控冲击钻的后坐力，同时该冲击钻可在冲击电钻和普通电钻之间进行切换，机体设置有多个安装卡头，电动冲击钻结设置有散热器，在高强度的作业中延长了电动冲击钻的使用寿命。地面常规冲击钻对岩石破碎很有效，但同样具有反作用力大的弊端，不适合用于低反力碎岩。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服上述现有技术的不足，提供一种适用于地外天体的行星轮换位离心定向采样器，解决了传统的钻取、冲击钻等采样方式反作用力大、适应性弱等问题，非常适合于有低反力需求、采样对象复杂的采样场合。
本发明解决的技术方案为：一种适用于地外天体的行星轮换位离心定向采样器，包括：刀具组件、换位组件、样品密闭组件、分离组件、支架；
刀具组件、换位组件、样品密闭组件、分离组件均通过支架进行固定或支撑；
刀具组件，包括：回转电机、主传动轴、支撑轴承副A、太阳轮、齿轮架、支撑轴承副B、轴承压盖、行星支架、单回转轴系、刀具；
回转电机输出轴与主传动轴一端配合传输扭矩，主传动轴通过支撑轴承副A支撑在齿轮架上；主传动轴另一端与太阳轮固定连接；
回转电机固定在齿轮架的一端上；齿轮架上设计有传动齿轮用于与换位组件配合传动；传动齿轮由换位组件带动进行转动
齿轮架通过支撑轴承副B支撑于支架上，通过轴承压盖压紧支撑轴承副B；齿轮架另一端固定有行星支架；行星支架上沿圆周均布有多个相同的单回转轴系，每个单回转轴系上能够安装一种刀具；单回转轴系与太阳轮配合传动；太阳轮的转动即可通过单回转轴系带动所有刀具回转，刀具回转能够实现对采样对象采样；
换位组件与刀具组件配合，驱动刀具组件回转换位；
样品密闭组件，能够收集刀具采样得到的采样样品，根据需要实现样品容器的密闭。
分离组件可以为火工形式或者电磁铁形式，其一端固定在支架上，另一端与样品密闭容器固连。当需要对样品进行回收时，通过火工起爆或电磁铁通电即可实现分离组件一端与另一端断开，整个样品密闭组件将携带着所采集的样品一起转移至外部回收容器中。
优选的，轴承压盖压紧支撑轴承副B，用于固定支撑轴承副B的外侧。
优选的，每一单回转轴系由小传动轴、支撑轴承副C、刀具安装座等组成，小传动轴一端与行星支架固连，刀具安装座通过支撑轴承副C安装在小传动轴上，并能绕小传动轴回转；刀具安装座上设有传动齿轮用于与太阳轮配合传动；刀具安装在刀具安装座上。
优选的，刀具有多种形式，包括：轮刷、铣刀、薄砂轮、厚砂轮。
优选的，单次采样仅有一个刀具与样品接触，其余刀具做原位回转运动，不妨碍采样的进行。
优选的，刀具均为高速回转运动，当刀具与样品接触时会给样品一定的初速度，并沿回转的切线方向进行离心定向传送至样品密闭组件进行样品收集。
优选的，换位组件，包括：换位电机、换位回转轴系、换位齿轮；换位电机固定在支架上，换位电机输出端与换位回转轴系配合传扭；换位齿轮与换位回转轴进行固定连接，换位组件能够通过换位电机驱动换位齿轮回转。
优选的，换位回转轴系由换位回转轴、支撑轴承副C组成，换位回转轴通过支撑轴承副C支撑在支架上，换位齿轮外部与刀具组件的齿轮架上的传动齿轮啮合，换位组件能够通过换位电机驱动换位齿轮回转，进而驱动刀具组件回转换位。
优选的，回转换位是指：将选择的刀具转到设定位置，能够对采样对象进行采样。
优选的，支架是整个行星轮换位离心定向采样器的支撑主体，刀具组件、换位组件、样品密闭组件、分离组件等均通过支架进行固定或支撑。支架外部再设置连接接口，通过机械臂固定在探测器本体上。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明可适应星表的粉尘、块状颗粒及巨石等各种不同的采样对象，具有很强采样对象适应性。
(2)本发明通过实时控制进给速度可保证四种采样模式均能实现低反力采样。
(3)本发明作业工具高度集成形成作业刀具库，单一电机实现多套工具的回转驱动，配以简洁的换位机构，整体结构简单紧凑，体积小，重量轻。
高度集成，结构简单。
(4)本发明采样共需要两个电机、一根记忆合金丝、一个分离组件，四者为分时工作，所需电力资源少。
(5)本发明仅需一根记忆合金丝即可实现容器开盖、关盖、密闭等全套动作，样品回收密闭动作简单，可靠性高。
(6)本发明适用于其他深空探测及民用领域的采样需求。
附图说明
图1是本发明行星轮换位离心定向采样器的整体轴测图。
图2是本发明行星轮换位离心定向采样器的刀具组件轴测图A。
图3是本发明行星轮换位离心定向采样器的刀具组件轴测图B。
图4是本发明行星轮换位离心定向采样器的刀具组件剖面图。
图5是本发明行星轮换位离心定向采样器的换位组件剖面图。
图6是本发明行星轮换位离心定向采样器的样品密闭组件轴测图。
图7是本发明行星轮换位离心定向采样器的样品密闭组件剖面图A。
图8是本发明行星轮换位离心定向采样器的样品密闭组件剖面图B。
图9为本发明支架示意图。
图10为本发明齿轮架示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明一种适用于地外天体的行星轮换位离心定向采样器，包括：包括：刀具组件、换位组件、样品密闭组件、分离组件、支架；刀具组件具有行星支架；行星支架上沿圆周均布有多个相同的单回转轴系，每个单回转轴系上能够安装一种刀具；单回转轴系与太阳轮配合传动；太阳轮的转动即可通过单回转轴系带动所有刀具回转，刀具回转能够实现对采样对象采样，换位组件与刀具组件配合，驱动刀具组件回转换位；样品密闭组件，能够收集刀具采样得到的采样样品，根据需要实现样品容器的密闭。分离组件可以为火工形式或者电磁铁形式，其一端固定在支架上，另一端与样品密闭容器固连。当需要对样品进行回收时，通过火工起爆或电磁铁通电即可实现分离组件一端与另一端断开，整个样品密闭组件将携带着所采集的样品一起转移至外部回收容器中。
本发明或针对小天体采样对象不确定性强、采样具有低反作用力特性等特点，刀具优选采用轮刷扫、铣刀轮刮、薄砂轮切、厚砂轮磨等多采样工具耦合设计的方式适应各种不同的采样对象，提高方案的适应性。针对不同采样对象，切换对应的采样工具即可。其中轮刷扫主要针对粉尘及块状颗粒设计，其余三种主要针对巨石破岩设计。铣刀轮刮可产生片状或块状样品，薄砂轮切可取较深的粉末状岩石样品，厚砂轮磨则可以取得量较大的表层粉末状岩石样品。上述采样方式均具有反作用力小的特点，通过实时控制进给速度可保证反作用力在允许范围内。同时该方案具有极好的扩展性，可方便地将其余可行的采样方式集成进来。
如图1所示，1支架；2分离组件；3刀具组件；4样品密闭组件；5换位组件；
如图4所示，31回转电机；32主传动轴；33支撑轴承副A；34太阳轮；35齿轮架；36支撑轴承副B；37轴承压盖；38行星支架；39单回转轴系；310刀具；391小传动轴；392支撑轴承副C；393刀具安装座
本发明一种适用于地外天体的行星轮换位离心定向采样器，如图1所示，包括：刀具组件3、换位组件5、样品密闭组件4、分离组件2、支架1。
刀具组件3如图2、图3、图4所示，主要包括：回转电机31、主传动轴32、支撑轴承副A33、太阳轮34、齿轮架35、支撑轴承副B36、轴承压盖37、行星支架38、单回转轴系39、刀具310；
优选方案为：回转电机输出轴与主传动轴一端配合传扭；主传动轴通过支撑轴承副A支撑在齿轮架上；主传动轴另一端与太阳轮固定连接；回转电机固定在齿轮架的一端上；齿轮架上设计有传动齿轮用于与换位组件配合传动(传动齿轮由换位组件带动进行转动)；齿轮架通过支撑轴承副B支撑于支架上，并通过轴承压盖压紧支撑轴承副B(用于固定支撑轴承副B的外侧)；齿轮架另一端固定有行星支架；行星支架上沿圆周均布有多个相同的单回转轴系，每一单回转轴系由小传动轴391、支撑轴承副C392、刀具安装座393等组成，小传动轴一端与行星支架固连，刀具安装座通过支撑轴承副C安装在小传动轴上，并能绕小传动轴回转；刀具安装座上设有传动齿轮用于与太阳轮配合传动；刀具安装在刀具安装座上，刀具可以有轮刷、铣刀、薄砂轮、厚砂轮等多种形式。有几种刀具就设置几组单回转轴系，每一种刀具安装在一套单回转轴系上。每套单回转轴系均与太阳轮啮合，因此太阳轮的转动即可带动所有刀具回转。单次采样仅有一个刀具与样品接触，其余刀具做原位回转运动，不妨碍采样的进行。由于刀具均为高速回转运动，当刀具与样品接触时会给样品(即待采集的样品)一定的初速度，并沿回转的切线方向进行离心定向传送。
如图5所示，51换位电机；52换位回转轴系；53换位齿轮；521换位回转轴；522支撑轴承副C；
优选方案为：换位组件如图5所示，主要包括：换位电机51、换位回转轴系52、换位齿轮53；换位电机固定在支架上，换位电机输出端与换位回转轴系配合传扭；换位回转轴系由换位回转轴521、支撑轴承副C522等组成，换位回转轴通过支撑轴承副C支撑在支架上；换位齿轮与换位回转轴进行固定连接，换位齿轮外部与刀具组件的齿轮架上的传动齿轮啮合。换位组件可通过换位电机驱动换位齿轮回转，进而驱动刀具组件回转换位。(回转换位是指：将选择的刀具转到设定位置，能够对采样对象进行采样)
如图7所示，41样品密闭容器；42密封条；43转门；44门轴；45扭簧；
如图8所示，46卡销；47记忆合金丝；48支撑套；
优选方案为：样品密闭组件4如图6、图7、图8所示，主要包括：样品密闭容器41、密封条42、转门43、门轴44、扭簧45、卡销46、记忆合金丝47、支撑套48；样品密闭容器为半密闭结构，仅在靠近刀具组件的一端留有开口；开口内侧沿开口边沿布置有一圈密闭的密封条；在样品密闭容器内布置有转门，转门的回转点位于样品密闭容器的开口内靠近底部的门轴位置；门轴固定在样品密闭容器上，转门套在门轴上并可绕门轴回转；扭簧布置在转门与样品密闭容器底面的夹缝中，一端与样品密闭容器底面固定，并且两端分别压紧在转门与样品密闭容器底面所在的平面上；转门远离回转点的一端开有卡槽(即转门侧面设有锥形孔)，样品密闭容器的对应位置也开有卡槽(即在样品密闭容器上设置与锥形孔位置对应的通孔)，转门在初始状态通过挤压扭簧旋转一定角度至转门的卡槽与样品密闭容器的卡槽对齐，并通过卡销进行定位(卡销固定在样品密闭容器的卡槽中，可以伸入转门的卡槽中对转门进行限位，也可以从转门的卡槽中拔出，解除对转门的限位)。转门的初始定位位置应保证后续样品便于进入容器，即尽量使转门旋转至与离心定向方向平行，优选使转门所在的平面与样品密闭容器底面的夹角在20-40°；支撑套安装在样品密闭容器外侧，为中空圆柱形，并与样品密闭容器的卡槽同轴设置；支撑套的一个端面上设有通孔，能够穿过记忆合金丝，记忆合金丝安装在支撑套内，一端与卡销连接，另一端与卡箍连接，卡箍位于支撑套外；
优选方案为：卡销为锥销，其锥端用于卡住转门的卡槽进行定位，另一端与记忆合金丝固连；记忆合金丝初始定型为轴向尺寸较短的弯曲状态，初始安装时将其拉直，即处于拉直状态，并通过限位卡箍将远离卡销的另一自由端限制在支撑套端面处，防止其收缩；记忆合金丝设计时两种形态(弯曲状态与拉直状态)的轴向尺寸差需大于卡销拔出所需距离，且记忆合金丝的变形力需大于卡销拔出所需阻力；支撑套固定在样品密闭容器外。初始状态下，转门通过卡销限制位置，整个样品密闭组件为打开状态；当需要关门时，给记忆合金丝通电，记忆合金丝会恢复至轴向尺寸较短的弯曲状态，并将卡销拔出，转门失去了卡销的约束会在扭簧作用下绕门轴回转直至将样品密闭容器开口关闭；由于样品密闭容器开口处设置有密封条，转门关闭后，剩余的扭簧力会让转门压紧在密封条上，从而在关门的同时实现样品容器的密闭。
优选方案为：分离组件优选为火工形式或者电磁铁形式，其一端固定在支架上，另一端与样品密闭容器固连。当需要对样品进行回收时，通过火工起爆或电磁铁通电即可实现一端与另一端断开，整个样品密闭组件将携带着所采集的样品一起转移至回收容器中。
支架是整个行星轮换位离心定向采样器的支撑主体，刀具组件、换位组件、样品密闭组件、分离组件等均通过支架进行固定或支撑。支架外部再设置连接接口，通过机械臂固定在探测器本体上。
行星轮换位离心定向采样器优选的工作方式如下：
初始状态下，行星轮换位离心定向采样器随探测器一起飞抵目标天体，样品密闭组件为打开状态。
优选方案为：采样前，首先借助探测器的图像信息判断采用哪种刀具最为合适，并通过换位组件将对应的刀具旋转至最下端的工作位置；其次，由机械臂等将行星轮换位离心定向采样器传送至离星表附近的位置；然后，启动刀具组件使各刀具均在原位高速回转，同时将行星轮换位离心定向采样器逐步向星表逼近，直至与星表样品接触，由于刀具为高速回转运动，当刀具与样品接触时会给样品一定的初速度，并沿回转的切线方向进行离心定向传送；之后，继续给行星轮换位离心定向采样器施加向下的慢速进给，样品会逐步被传送至样品密闭容器中。上述采样过程中需持续关注反力情况，若反力已接近限定值，可通过降低、暂停进给速度或反向进给加以解决，待反力降下去后再恢复之前的进给速度。若发现采样刀具不合适或刀具工作位置不合适，可先上提行星轮换位离心定向采样器至脱离星表，通过换位组件将合适的刀具换至工作位置或对刀具工作位置进行调整，再重复上述的进给采样动作即可。
优选方案为：采样完毕需要关门时，给样品密闭组件通电，记忆合金丝会恢复至轴向尺寸较短的弯曲状态，并将卡销拔出，转门失去了卡销的约束会在扭簧作用下绕门轴回转直至将样品密闭容器开口关闭；由于样品密闭容器开口处设置有密封条，转门关闭后，剩余的扭簧力会让转门压紧在密封条上，从而在关门的同时实现样品容器的密闭。
当需要对样品进行回收时，给分离组件通电，通过火工起爆或电磁铁通电即可实现分离组件的一端与另一端断开，整个样品密闭组件将携带着所采集的样品一起转移至回收容器中。
本发明刀具优选采用多采样工具耦合设计适应不同采样对象，如下
针对小天体采样对象不确定性强、采样具有低反作用力特性等特点，采用轮刷扫、铣刀轮刮、薄砂轮切、厚砂轮磨等多采样工具耦合设计的方式适应各种不同的采样对象，提高方案的适应性。针对不同采样对象，切换对应的采样工具即可。其中轮刷扫主要针对粉尘及块状颗粒设计，其余三种主要针对巨石破岩设计。铣刀轮刮可产生片状或块状样品，薄砂轮切可取较深的粉末状岩石样品，厚砂轮磨则可以取得量较大的表层粉末状岩石样品。上述采样方式均具有反作用力小的特点，通过实时控制进给速度可保证反作用力在允许范围内。同时该方案具有极好的扩展性，可方便地将其余可行的采样方式集成进来。
本发明中采用行星轮换位切换工具，优选方案具体如下：
四种采样工具成行星轮式圆周均布，中间通过太阳轮驱动，单电机可实现四种工具的同时回转；同时上述行星轮系作为整体由另一齿轮系驱动，可实现对四种采样工具的空间无级换位，随时将合适的采样工具切换到工作位置；
本发明中采样器具有离心定向采样与回收功能，优选方案具体如下：
所采用的轮刷扫、铣刀轮刮、薄砂轮切、厚砂轮磨等四种采样方式均通过旋转运动实现采样，所采样品将通过离心方式沿切削切线方向甩出，具有定向性特点，在样品甩出方向设置样品回收容器，可对离心甩出的样品进行自动回收；
本发明中记忆合金驱动样品回收容器密闭，优选方案具体如下：
样品回收容器需要在样品回收前保持开口状态，并在样品回收后进行密闭。设计中采用转门来实现开合动作，该转门通过扭簧驱动。初始时转门通过卡销限位维持打开状态，卡销与记忆合金连接。当采样完毕需要密闭时，给记忆合金通电，记忆合金收缩将卡销拽出，解除对转门的限位，转门在扭簧驱动下完成关门动作。门体周围设置有橡胶条，可在关门的同时实现密闭。
如图9所示，优选方案为：支架是整个行星轮换位离心定向采样器的支撑主体，刀具组件、换位组件、样品密闭组件、分离组件等均通过支架进行固定或支撑。支架外部再设置连接接口，通过机械臂固定在探测器本体上。
优选方案为：如图10所示，齿轮架通过支撑轴承副B支撑于支架上，并通过轴承压盖压紧支撑轴承副B(用于固定支撑轴承副B的外侧)；齿轮架上设计有传动齿轮用于与换位组件配合传动(传动齿轮由换位组件带动进行转动)；齿轮架一端固定有回转电机，另一端固定有行星支架；主传动轴通过支撑轴承副A支撑在齿轮架上；
进一步优选方案为：样品密闭容器为半密闭结构，仅在靠近刀具组件的一端留有开口；开口内侧沿开口边沿布置有一圈密闭的密封条；在样品密闭容器内布置有转门，转门的回转点位于样品密闭容器的开口内靠近底部的门轴位置；门轴固定在样品密闭容器上，转门套在门轴上并可绕门轴回转；扭簧布置在转门与样品密闭容器底面的夹缝中，一端与样品密闭容器底面固定，并且两端分别压紧在转门与样品密闭容器底面所在的平面上；转门远离回转点的一端开有卡槽(即转门侧面设有锥形孔)，样品密闭容器的对应位置也开有卡槽(即在样品密闭容器上设置与锥形孔位置对应的通孔)，转门在初始状态通过挤压扭簧旋转一定角度至转门的卡槽与样品密闭容器的卡槽对齐，并通过卡销进行定位(卡销固定在样品密闭容器的卡槽中，可以伸入转门的卡槽中对转门进行限位，也可以从转门的卡槽中拔出，解除对转门的限位)。转门的初始定位位置应保证后续样品便于进入容器，即尽量使转门旋转至与离心定向方向平行，优选使转门所在的平面与样品密闭容器底面的夹角在20-40°；支撑套安装在样品密闭容器外侧，为中空圆柱形，并与样品密闭容器的卡槽同轴设置。
本发明优选方案为：采样作业前，首先借助探测器的图像信息判断采用哪种刀具最为合适；若采样对象为粉尘或块状颗粒，则优选轮刷为采样工具；若采样对象为巨石，则借助探测器所携带的科学仪器对岩石硬度H进行探测，并进一步判断采用哪种刀具最为合适；若H∈[0，a]，则优选轮刷为采样工具，若H∈(a，b]，则优选铣刀为采样工具，若H∈(b，c]，则优选厚砂轮为采样工具，若H∈(c，d]，则优选薄砂轮为采样工具，其中a、b、c、d为岩石硬度值，且a<b<c<d。通过上述采样前预先采集图像及硬度参数并据此确定采样工具的方式，可以实现采样工具与采样对象的最优匹配，从而大大提高采样成功率和采样可靠性。
进一步优选方案为：设实际探测到的岩石硬度为H，回转电机工作时的转速为n、电流为I，进给速度为V，实际探测到的采样反力为F。工作时应使F<m(实际允许的反力门限值)，以保证低反力采样的可靠性。工作时的进给速度V和回转转速应根据采样反力F与回转电机电流I进行实时闭环控制，优选控制关系式为：V＝K/FI，n＝PFI，其中K为进给速度调节系数，P为回转电机转速调整系数。通过上述控制策略，可保证绝对安全(反力不超限)前提下的最优工作模式，并实现实时智能自动采样控制，极大提高系统的智能性、快捷性与采样效率。
本发明综合考虑岩石坚硬性与刀具的配合要求，更进一步最优的方案如下：
1)采样作业前，首先借助探测器的图像信息判断采用哪种刀具最为合适；若采样对象为粉尘或块状颗粒，则优选轮刷为采样工具；若采样对象为巨石，则借助探测器所携带的科学仪器对岩石坚硬性系数f(单位kg/cm2)进行探测，并进一步判断采用哪种刀具最为合适；若f∈[0，3]，则优选轮刷为采样工具，若f∈(3，8]，则优选铣刀为采样工具，若f∈(8，12]，则优选厚砂轮为采样工具，若f∈(12，20]，则优选薄砂轮为采样工具。通过上述采样前预先采集图像及硬度参数并据此确定采样工具的方式，可以实现采样工具与采样对象的最优匹配，从而更进一步大大提高采样成功率和采样可靠性。
2)设回转电机工作时的转速为n、电流为I，进给速度为V，实际探测到的采样反力为F。工作时应使F<m(实际允许的反力门限值，视探测器能承受的最大反力而定)，以保证低反力采样的可靠性。工作时的进给速度V和回转转速应根据采样反力F与回转电机电流I进行实时闭环控制，控制关系式为：V＝K/FI，n＝PFI，其中K为进给速度调节系数，优选值为175～185，P为回转电机转速调整系数，优选值为30～40。通过上述控制策略，可保证绝对安全(反力不超限)前提下的最优工作模式，并实现实时智能自动采样控制，更进一步极大提高系统的智能性、快捷性与采样效率。
本发明可适应星表的粉尘、块状颗粒及巨石等各种不同的采样对象，具有很强采样对象适应性，且本发明通过实时控制进给速度可保证四种采样模式均能实现低反力采样；本发明作业工具高度集成形成作业刀具库，单一电机实现多套工具的回转驱动，配以简洁的换位机构，整体结构简单紧凑，体积小，重量轻。高度集成，结构简单。
本发明采样共需要两个电机、一根记忆合金丝、一个分离组件，四者为分时工作，所需电力资源少；且本发明仅需一根记忆合金丝即可实现容器开盖、关盖、密闭等全套动作，样品回收密闭动作简单，可靠性高；因此本发明适用于其他深空探测及民用领域的采样需求。
Claims (10)
1.一种适用于地外天体的行星轮换位离心定向采样器，其特征在于包括：刀具组件、换位组件、样品密闭组件、分离组件、支架；
刀具组件、换位组件、样品密闭组件、分离组件均通过支架进行固定或支撑；
刀具组件，包括：回转电机、主传动轴、支撑轴承副A、太阳轮、齿轮架、支撑轴承副B、轴承压盖、行星支架、单回转轴系、刀具；
回转电机输出轴与主传动轴一端配合传输扭矩，主传动轴通过支撑轴承副A支撑在齿轮架上；主传动轴另一端与太阳轮固定连接；
回转电机固定在齿轮架的一端上；齿轮架上设计有传动齿轮用于与换位组件配合传动；传动齿轮由换位组件带动进行转动；
齿轮架通过支撑轴承副B支撑于支架上，通过轴承压盖压紧支撑轴承副B；齿轮架另一端固定有行星支架；行星支架上沿圆周均布有多个相同的单回转轴系，每个单回转轴系上能够安装一种刀具；单回转轴系与太阳轮配合传动；太阳轮的转动即可通过单回转轴系带动所有刀具回转，刀具回转能够实现对采样对象采样；
换位组件与刀具组件配合，驱动刀具组件回转换位；
设实际探测到的岩石硬度为H，回转电机工作时的转速为n、电流为I，进给速度为V，实际探测到的采样反力为F，实际允许的反力门限值为m,且F<m；工作时的进给速度V和转速n根据采样反力F与回转电机电流I进行实时闭环控制，控制律满足：V＝K/FI，n＝PFI，保证反力不超限的前提下，回转电机驱动刀具实时工作在最优工作模式；其中K为进给速度调节系数，P为回转电机转速调整系数；
样品密闭组件，能够收集刀具采样得到的采样样品，根据需要实现样品容器的密闭；
分离组件为火工形式或者电磁铁形式，其一端固定在支架上，另一端与样品密闭容器固连；当需要对样品进行回收时，通过火工起爆或电磁铁通电即可实现分离组件一端与另一端断开，整个样品密闭组件将携带着所采集的样品一起转移至外部回收容器中。
2.根据权利要求1所述的一种适用于地外天体的行星轮换位离心定向采样器，其特征在于：轴承压盖压紧支撑轴承副B，用于固定支撑轴承副B的外侧。
3.根据权利要求1所述的一种适用于地外天体的行星轮换位离心定向采样器，其特征在于：每一单回转轴系由小传动轴、支撑轴承副C、刀具安装座组成，小传动轴一端与行星支架固连，刀具安装座通过支撑轴承副C安装在小传动轴上，并能绕小传动轴回转；刀具安装座上设有传动齿轮用于与太阳轮配合传动；刀具安装在刀具安装座上。
4.根据权利要求1所述的一种适用于地外天体的行星轮换位离心定向采样器，其特征在于：刀具有多种形式，包括：轮刷、铣刀、薄砂轮、厚砂轮。
5.根据权利要求1所述的一种适用于地外天体的行星轮换位离心定向采样器，其特征在于：单次采样仅有一个刀具与样品接触，其余刀具做原位回转运动，不妨碍采样的进行。
6.根据权利要求1所述的一种适用于地外天体的行星轮换位离心定向采样器，其特征在于：刀具均为高速回转运动，当刀具与样品接触时会给样品一定的初速度，并沿回转的切线方向进行离心定向传送至样品密闭组件进行样品收集。
7.根据权利要求1所述的一种适用于地外天体的行星轮换位离心定向采样器，其特征在于：换位组件，包括：换位电机、换位回转轴系、换位齿轮；换位电机固定在支架上，换位电机输出端与换位回转轴系配合传扭；换位齿轮与换位回转轴进行固定连接，换位组件能够通过换位电机驱动换位齿轮回转。
8.根据权利要求1所述的一种适用于地外天体的行星轮换位离心定向采样器，其特征在于：换位回转轴系由换位回转轴、支撑轴承副C组成，换位回转轴通过支撑轴承副C支撑在支架上，换位齿轮外部与刀具组件的齿轮架上的传动齿轮啮合，换位组件能够通过换位电机驱动换位齿轮回转，进而驱动刀具组件回转换位。
9.根据权利要求8所述的一种适用于地外天体的行星轮换位离心定向采样器，其特征在于：回转换位是指：将选择的刀具转到设定位置，能够对采样对象进行采样。
10.根据权利要求1所述的一种适用于地外天体的行星轮换位离心定向采样器，其特征在于：支架是整个行星轮换位离心定向采样器的支撑主体，刀具组件、换位组件、样品密闭组件、分离组件均通过支架进行固定或支撑；支架外部再设置连接接口，通过机械臂固定在探测器本体上。
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Citations (25)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102680274A (zh) * | 2012-05-25 | 2012-09-19 | 北京卫星制造厂 | 用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构 |
| CN102879217A (zh) * | 2012-09-26 | 2013-01-16 | 浙江大学 | 一种深空小行星样品采集探测器的回收装置 |
| CN102879218A (zh) * | 2012-09-26 | 2013-01-16 | 浙江大学 | 一种深空小行星样品采集探测器的采样装置 |
| CN104034557A (zh) * | 2014-06-26 | 2014-09-10 | 北京航空航天大学 | 一种用于小行星探测的钻取抓铲式复合采样器装置及其使用方法 |
| CN203950497U (zh) * | 2014-07-18 | 2014-11-19 | 河南科技大学 | 行星轮系模拟教具 |
| CN205001476U (zh) * | 2015-08-13 | 2016-01-27 | 宁波市鄞州蓝茵工业产品设计有限公司 | 一种同轴双向搅拌装置 |
| CN106181665A (zh) * | 2016-08-30 | 2016-12-07 | 湖北中航精机科技有限公司 | 一种去毛刺机 |
| CN106363667A (zh) * | 2016-12-07 | 2017-02-01 | 上海宇航系统工程研究所 | 一种空间机械臂固定与释放装置 |
| CN108086902A (zh) * | 2018-01-09 | 2018-05-29 | 河南理工大学 | 一种移动式工程地质勘探多钻头钻机 |
| CN108481168A (zh) * | 2018-06-29 | 2018-09-04 | 成都睿坤科技有限公司 | 抛光机构及抛光装置 |
| CN108643884A (zh) * | 2018-04-26 | 2018-10-12 | 中国矿业大学 | 一种锚杆钻机推进回转系统及其协同自适应控制方法 |
| CN109060401A (zh) * | 2018-09-25 | 2018-12-21 | 哈尔滨工业大学 | 一种用于小行星环境的岩石破碎取样器 |
| CN109470514A (zh) * | 2018-12-20 | 2019-03-15 | 东南大学 | 一种复合式小行星取样器及其取样方法 |
| CN109580273A (zh) * | 2018-11-28 | 2019-04-05 | 北京卫星制造厂有限公司 | 一种适用于小行星的碎岩装置 |
| CN109632370A (zh) * | 2018-12-14 | 2019-04-16 | 北京卫星制造厂有限公司 | 一种适用于小行星的对称旋挖与气力传输复合采样器 |
| CN109995185A (zh) * | 2017-12-29 | 2019-07-09 | 宁波麦思动力系统有限公司 | 电机装置以及具有电机装置的电动车辆 |
| CN110065055A (zh) * | 2019-04-30 | 2019-07-30 | 北京空间飞行器总体设计部 | 实现表层块状样品抓取采样的小行星探测器 |
| CN110514475A (zh) * | 2019-10-14 | 2019-11-29 | 吉林大学 | 一种地外星体土壤岩石自平衡自适应样品钻取系统 |
| CN111006896A (zh) * | 2019-10-31 | 2020-04-14 | 北京空间飞行器总体设计部 | 一种小天体附着取样封装一体化装置 |
| CN111044317A (zh) * | 2019-11-29 | 2020-04-21 | 北京卫星制造厂有限公司 | 一种适用于天体的气体激励采样器 |
| CN111122214A (zh) * | 2018-10-30 | 2020-05-08 | 哈尔滨工业大学 | 用于测试盘刀切削式小行星表面星壤采样器的试验台 |
| CN111122215A (zh) * | 2018-10-30 | 2020-05-08 | 哈尔滨工业大学 | 一种刷式小行星表面星壤采样装置 |
| CN111122220A (zh) * | 2018-10-30 | 2020-05-08 | 哈尔滨工业大学 | 转位盘刀切削采样及气吹送样式小行星表面星壤采样器 |
| CN111122219A (zh) * | 2018-10-30 | 2020-05-08 | 哈尔滨工业大学 | 盘刀切削采样及样品袋拉绳送样式小行星表面星壤采样器 |
| CN111366396A (zh) * | 2020-03-20 | 2020-07-03 | 北京空间飞行器总体设计部 | 一种具有磨削及夹持功能的小天体一体化取样器 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102005003840A1 (de) * | 2005-01-27 | 2006-08-10 | Bechem, Ulrich | Vorrichtung zum fräsen von Gestein und anderen Materialien |
| US11479373B2 (en) * | 2018-08-14 | 2022-10-25 | Honeybee Robotics, Llc | Sample collection system for interplanetary vehicle |
-
2020
- 2020-07-08 CN CN202010652615.8A patent/CN111947964B/zh active Active
Patent Citations (25)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102680274A (zh) * | 2012-05-25 | 2012-09-19 | 北京卫星制造厂 | 用于地外星体浅层土壤取样的末端执行机构 |
| CN102879217A (zh) * | 2012-09-26 | 2013-01-16 | 浙江大学 | 一种深空小行星样品采集探测器的回收装置 |
| CN102879218A (zh) * | 2012-09-26 | 2013-01-16 | 浙江大学 | 一种深空小行星样品采集探测器的采样装置 |
| CN104034557A (zh) * | 2014-06-26 | 2014-09-10 | 北京航空航天大学 | 一种用于小行星探测的钻取抓铲式复合采样器装置及其使用方法 |
| CN203950497U (zh) * | 2014-07-18 | 2014-11-19 | 河南科技大学 | 行星轮系模拟教具 |
| CN205001476U (zh) * | 2015-08-13 | 2016-01-27 | 宁波市鄞州蓝茵工业产品设计有限公司 | 一种同轴双向搅拌装置 |
| CN106181665A (zh) * | 2016-08-30 | 2016-12-07 | 湖北中航精机科技有限公司 | 一种去毛刺机 |
| CN106363667A (zh) * | 2016-12-07 | 2017-02-01 | 上海宇航系统工程研究所 | 一种空间机械臂固定与释放装置 |
| CN109995185A (zh) * | 2017-12-29 | 2019-07-09 | 宁波麦思动力系统有限公司 | 电机装置以及具有电机装置的电动车辆 |
| CN108086902A (zh) * | 2018-01-09 | 2018-05-29 | 河南理工大学 | 一种移动式工程地质勘探多钻头钻机 |
| CN108643884A (zh) * | 2018-04-26 | 2018-10-12 | 中国矿业大学 | 一种锚杆钻机推进回转系统及其协同自适应控制方法 |
| CN108481168A (zh) * | 2018-06-29 | 2018-09-04 | 成都睿坤科技有限公司 | 抛光机构及抛光装置 |
| CN109060401A (zh) * | 2018-09-25 | 2018-12-21 | 哈尔滨工业大学 | 一种用于小行星环境的岩石破碎取样器 |
| CN111122214A (zh) * | 2018-10-30 | 2020-05-08 | 哈尔滨工业大学 | 用于测试盘刀切削式小行星表面星壤采样器的试验台 |
| CN111122219A (zh) * | 2018-10-30 | 2020-05-08 | 哈尔滨工业大学 | 盘刀切削采样及样品袋拉绳送样式小行星表面星壤采样器 |
| CN111122220A (zh) * | 2018-10-30 | 2020-05-08 | 哈尔滨工业大学 | 转位盘刀切削采样及气吹送样式小行星表面星壤采样器 |
| CN111122215A (zh) * | 2018-10-30 | 2020-05-08 | 哈尔滨工业大学 | 一种刷式小行星表面星壤采样装置 |
| CN109580273A (zh) * | 2018-11-28 | 2019-04-05 | 北京卫星制造厂有限公司 | 一种适用于小行星的碎岩装置 |
| CN109632370A (zh) * | 2018-12-14 | 2019-04-16 | 北京卫星制造厂有限公司 | 一种适用于小行星的对称旋挖与气力传输复合采样器 |
| CN109470514A (zh) * | 2018-12-20 | 2019-03-15 | 东南大学 | 一种复合式小行星取样器及其取样方法 |
| CN110065055A (zh) * | 2019-04-30 | 2019-07-30 | 北京空间飞行器总体设计部 | 实现表层块状样品抓取采样的小行星探测器 |
| CN110514475A (zh) * | 2019-10-14 | 2019-11-29 | 吉林大学 | 一种地外星体土壤岩石自平衡自适应样品钻取系统 |
| CN111006896A (zh) * | 2019-10-31 | 2020-04-14 | 北京空间飞行器总体设计部 | 一种小天体附着取样封装一体化装置 |
| CN111044317A (zh) * | 2019-11-29 | 2020-04-21 | 北京卫星制造厂有限公司 | 一种适用于天体的气体激励采样器 |
| CN111366396A (zh) * | 2020-03-20 | 2020-07-03 | 北京空间飞行器总体设计部 | 一种具有磨削及夹持功能的小天体一体化取样器 |
Non-Patent Citations (11)
| Title |
|---|
| Design of a multi-function minor planet soil sampler;li jing lin 等;Journal of Mechanical Engineering;第51卷(第13期);167-175 * |
| Planetary micro-penetrator concept study with biomimetric drill and sampler;Gao, Yang 等;IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Syste;第43卷(第3期);875-885 * |
| Research on new structure coring bit for extraterrestrial bodies exploration;Deng zong quan 等;Journal of Mechanical Engineering;第19卷(第49期);104-110 * |
| Zhang tao 等.Drilling, sampling, and sample-handling system for China's asteroid exploration mission. Acta Astronautica.2017,第137卷192-204. * |
| 地外天体采样任务特点及关键技术发展建议;郑燕红 等;探矿工程(岩土钻掘工程);第09卷(第41期);71-74 * |
| 地外星体土壤取样机构技术;杨帅 等;航天器工程(第4期);137-146 * |
| 基于刷扫和研磨的复合式小行星取样器取样过程仿真与分析;董成成 等;上海航天（中英文）(第1期);125-134 * |
| 小天体表面采样技术综述;刘德赟等;深空探测学报;第03卷(第5期);246-261 * |
| 小天体采样探测技术发展现状及展望;于登云 等;航天器工程;第02卷(第29期);1-7 * |
| 月球极区钻取采样技术;刘德赟 等;深空探测学报(中英文);第03卷(第7期);278-289 * |
| 盘刀切削式小行星表面星壤吹取采样装置;胡炯锋;工程科技Ⅱ辑(2020年第02期);15-27 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111947964A (zh) | 2020-11-17 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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