CN113358849A - 一种模拟动态破岩采样非竖直安装系统及竖直安装系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及空间探测技术领域，更具体地，涉及一种模拟动态破岩采样非竖直安装系统及竖直安装系统，包括采样状态模拟装置、可调刚度装置、多维力传感装置、随动装置、支撑架，所述多维力传感装置设于所述可调刚度装置上；所述可调刚度装置水平或倾斜设置，所述可调刚度装置的一端通过采样状态模拟装置与支撑架连接，另一端用于与岩土采样装置连接；所述可调刚度装置通过随动装置与支撑架连接。本发明能够模拟在小行星表面环境下进行采样，以获取钻进工况的边界条件，为选择合适的岩土采样装置提供依据。

Description

一种模拟动态破岩采样非竖直安装系统及竖直安装系统
技术领域
本发明涉及空间探测技术领域，更具体地，涉及一种模拟动态破岩采样非竖直安装系统及竖直安装系统。
背景技术
随着空间探测技术的不断发展，人类能够探测到的地球以外的天体越来越多，而对于小行星的采样探测同样成为了人类科学研究的目标任务之一。由于小行星表面环境对人类来说是未知的，贸然使用探测装置对小行星进行探测可能会引发一系列安全故障。因此，为实现小行星探测项目中的采样并返回地球的目标，需要在地球上先进行模拟采样测试，获取各种试验参数，模拟采样装置在小行星上的动态破岩与采集，能够帮助了解采样过程中存在的隐患，优化采样装置设计。
公开号为CN112098630A的中国专利文献，公开了一种月壤性能综合试验台及试验方法，用于在同一模拟月壤环境下进行多种试验，解决了现有模拟月壤试验的每一项土工试验都需要一套专用设备，并分布在不同的场所，存在一旦试验用月壤发生移动，难以保持原有状态，进而造成试验失准，且回转钻进与冲击破岩试验需额外搭建设备，造成试验不便与物资浪费的问题。
但上述方案不适用于模拟小行星表面探测。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种模拟动态破岩采样非竖直安装系统及竖直安装系统，能够模拟在小行星表面环境下进行采样，以获取钻进工况的边界条件，为选择合适的岩土采样装置提供依据。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种模拟动态破岩采样非竖直安装系统，包括采样状态模拟装置、可调刚度装置、多维力传感装置、随动装置、支撑架，所述多维力传感装置设于所述可调刚度装置上；所述可调刚度装置水平或倾斜设置，所述可调刚度装置的一端通过采样状态模拟装置与支撑架连接，另一端用于与岩土采样装置连接；所述可调刚度装置通过随动装置与支撑架连接。
本发明包括一种模拟动态破岩采样非竖直安装系统，采样状态模拟装置的设置，能够用于模拟岩土采样装置接触模拟土壤时的各种动作；可调刚度装置的设置，能够对用于缓冲的弹簧进行刚度调节，模拟多种刚度下的采样情况；随动装置用于对可调刚度装置进行随动吊挂，能够抵消测试过程中可调刚度装置的重力，减少重力对实验结果的影响；支撑架的设置能够为非竖直安装系统提供稳定的测试基础；多维力传感装置能够用于采集所需参数。
优选地，所述多维力传感装置包括装设于所述可调刚度装置两端的第一多维力传感模块、第二多维力传感模块；所述第一多维力传感模块与采样状态模拟装置的活动端连接，所述第二多维力传感模块用于与岩土采样装置连接。第二多维力传感模块用于采集岩土采样装置在模拟采样时的受力和扭矩数据，第一多维力传感模块用于采集经过可调刚度装置缓冲后的受力和扭矩数据。
优选地，所述随动装置包括第一气浮随动机构、第二气浮随动机构，所述可调刚度装置通过第一气浮随动机构与支撑架连接，所述第二多维力传感模块通过第二气浮随动机构与支撑架连接。
优选地，所述第一气浮随动机构包括X向气浮滑动机构、Y向气浮滑动机构，所述X向气浮滑动机构的两端通过Y向气浮滑动机构与支撑架连接，所述X向气浮滑动机构的活动端与可调刚度装置连接。X向气浮滑动机构、Y向气浮滑动机构的设置，使第一气浮随动机构能够在任意位置对可调刚度装置进行随动吊挂。
优选地，所述第一气浮随动机构还包括平衡微调机构，所述Y向气浮滑动机构的固定端通过平衡微调机构与支撑架连接，所述Y向气浮滑动机构的活动端与X向气浮滑动机构连接。平衡微调机构的设置，使得X向气浮滑动机构、Y向气浮滑动机构均能够保持水平状态。
优选地，所述可调刚度装置包括第一弹性件、第二弹性件，所述第一弹性件的一端与第二弹性件的一端可拆卸连接，所述第一弹性件的另一端与第一多维力传感模块可拆卸连接，所述第二弹性件另一端与第二多维力传感模块可拆卸连接。可拆卸连接的设置能够便于更换不同刚度的弹性件，实现可调刚度装置的刚度可调。
优选地，所述支撑架包括底盘和连接于所述底盘上的用于放置模拟土壤的放置平台、用于安装所述采样状态模拟装置的安装平台、用于搭接所述随动装置的搭接架。
优选地，还包括磁吸连接于所述支撑架上的拍摄装置。拍摄装置的设置能够用于采集模拟动态破岩采样时的图像数据。
优选地，所述采样状态模拟装置包括依次连接的X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构、转动机构，所述转动机构与可调刚度装置连接，所述转动机构用于沿Z轴轴向驱动可调刚度装置转动。X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构、转动机构的设置，使得采样状态模拟装置能够实现X、Y、Z向的移动以及沿Z轴轴向转动。
本发明还提供一种模拟动态破岩采样竖直安装系统，包括采样状态模拟装置、可调刚度装置、多维力传感装置、支撑架，所述多维力传感装置设于所述可调刚度装置上；所述可调刚度装置竖直设置，所述可调刚度装置的一端与支撑架连接，另一端用于与岩土采样装置连接；所述采样状态模拟装置位于所述可调刚度装置的下方，所述采样状态模拟装置用于放置模拟土壤。
本发明还包括一种模拟动态破岩采样竖直安装系统，能够更贴近实际地模拟采集情况，通过采样状态模拟装置带动模拟土壤移动，用于模拟岩土采样装置碰撞土壤的情况，能够实现岩土采样装置相对于土壤不同角度的采样过程，充分模拟采样过程中可能发生的多种情况。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明包括一种模拟动态破岩采样非竖直安装系统，采样状态模拟装置的设置，能够用于模拟岩土采样装置接触模拟土壤时的各种动作；可调刚度装置的设置，能够对用于缓冲的弹簧进行刚度调节，模拟多种刚度下的采样情况；随动装置用于对可调刚度装置进行随动吊挂，能够抵消测试过程中可调刚度装置的重力；支撑架的设置能够为非竖直安装系统提供稳定的测试基础；多维力传感装置能够用于采集所需参数。
本发明还包括一种模拟动态破岩采样竖直安装系统，能够更贴近实际地模拟采集情况，通过采样状态模拟装置带动模拟土壤移动，用于模拟岩土采样装置碰撞土壤的情况，能够实现岩土采样装置相对于土壤不同角度的采样过程，充分模拟采样过程中可能发生的多种情况。
附图说明
图1为本发明一种模拟动态破岩采样非竖直安装系统的结构示意图。
图2为本发明采样状态模拟装置的结构示意图。
图3为本发明X轴移动机构的结构示意图。
图4为本发明Z轴移动机构的结构示意图。
图5为本发明可调刚度装置、多维力传感装置的结构示意图。
图6为本发明第一气浮随动机构的结构示意图。
图7为本发明支撑架的结构示意图。
图8为本发明一种模拟动态破岩采样非竖直安装系统另一角度的结构示意图。
图9为本发明一种模拟动态破岩采样竖直安装系统的结构示意图。
图示标记说明如下：
1-采样状态模拟装置，11-X轴移动机构，111-第一滑轨，112-第三滑块，113-第一滚珠丝杆，12-Y轴移动机构，13-Z轴移动机构，131-升降台，132-光轴，133-直线轴承，134-第三滚珠丝杆，135-第三螺母，136-变位箱，137-第三电机，14-转动机构，15-连接平台，151-连接架，2-可调刚度装置，21-第一弹性件，22-第二弹性件，23-第一连接件，24-第三连接件，25-第四连接件，3-多维力传感装置，31-第一多维力传感模块，32-第二多维力传感模块，4-模拟土壤，5-第一气浮随动机构，51-X向气浮滑动机构，511-第一气浮导轨，512-第一滑块，52-Y向气浮滑动机构，521-第二气浮导轨，522-第二滑块，53-悬吊件，531-吊挂，532-绳索，533-连接块，54-平衡微调机构，541-支撑管，542-调节块，6-第二气浮随动机构，7-支撑架，71-底盘，72-放置平台，73-安装平台，74-搭接架，741-水平部分，742-竖直部分，743-连接部，75-吊环，76-脚盘安装块，77-脚轮，8-拍摄装置，81-第一高速拍摄模块，82-第二高速拍摄模块，83-第三高速拍摄模块，9-岩土采样装置。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1
如图1至图8所示为本发明一种模拟动态破岩采样非竖直安装系统的第一实施例，包括采样状态模拟装置1、可调刚度装置2、多维力传感装置3、随动装置、支撑架7，多维力传感装置3设于可调刚度装置2上；可调刚度装置2水平或倾斜设置，可调刚度装置2的一端通过采样状态模拟装置1与支撑架7连接，另一端用于与岩土采样装置9连接；可调刚度装置2通过随动装置与支撑架7连接。
采样状态模拟装置1的设置，能够用于模拟岩土采样装置9接触模拟土壤时的各种动作；可调刚度装置2的设置，能够对用于缓冲的弹簧进行刚度调节，模拟多种刚度下的采样情况；随动装置用于对可调刚度装置2进行随动吊挂，能够抵消测试过程中可调刚度装置2的重力；支撑架7的设置能够为非竖直安装系统提供稳定的测试基础；多维力传感装置3能够用于采集所需参数。
如图7所示，支撑架7包括底盘71和连接于底盘71上的放置平台72、安装平台73、搭接架74；放置平台72用于放置模拟土壤4，安装平台73用于安装采样状态模拟装置1，搭接架74用于搭接随动装置。其中，搭接架74包括水平部分741和与水平部分741连接的竖直部分742，竖直部分742与底盘71连接，水平部分741位于可调刚度装置2的上方；水平部分741用于搭接随动装置，竖直部分742用于为水平部份741提供高度位置。如图7和图8所示，底盘71上还连接有多个脚盘安装块76和脚轮77，脚盘安装块76的设置能够便于支撑架7与可调高度脚盘搭接，脚轮77的设置能够便于支撑架7的移动。还有，竖直部分742的顶部以及安装平台73上均设有吊环75，能够便于对支撑架7的起吊。
另外，如图2至图4所示，采样状态模拟装置1包括X轴移动机构11、Y轴移动机构12、Z轴移动机构13、转动机构14，X轴移动机构11的固定端与安装平台73连接，X轴移动机构11的活动端与Y轴移动机构12的固定端连接，Y轴移动机构12的活动端与Z轴移动机构13的固定端连接，Z轴移动机构13的活动端与转动机构14的固定端连接，转动机构14的活动端上连接有用于与可调刚度装置2连接的连接平台15。本实施例中转动机构14用于沿Z轴轴向驱动可调刚度装置2转动。如图2所示，连接平台15上设有连接架151，用于与其他结构搭接。
具体地，如图3所示，X轴移动机构11包括第一滑轨111、第三滑块112、第一滚珠丝杆113、第一螺母、第一电机，第一滑轨111与第一滚珠丝杆113相互平行设置，第一滚珠丝杆113与第一螺母螺纹连接，第一电机与第一滚珠丝杆113连接；第三滑块112与第一滑轨111滑动连接，第三滑块112底部与第一螺母固连，第三滑块112顶部与Y轴移动机构12的固定端连接。第一螺母在第一滚珠丝杆113上移动，带动第三滑块112在第一滑轨111上滑动，实现X轴方向的模拟采集。而Y轴移动机构12与X轴移动机构11的结构类似，Y轴移动机构12由第二滑轨、第四滑块、第二滚珠丝杆、第二螺母、第二电机组成，通过第二螺母在第二滚珠丝杆上移动，带动第四滑块在第二滑轨上滑动，实现Y轴方向的模拟采集。
如图4所示，Z轴移动机构包括升降台131、光轴132、直线轴承133、第三滚珠丝杆134、第三螺母135、变位箱136、第三电机137；第三电机137的输出轴与变位箱136连接，变位箱136与第三滚珠丝杆134连接，第三螺母135与第三滚珠丝杆134螺纹连接，直线轴承133滑动套接于光轴132上，且直线轴承133、第三螺母135均与升降台131固连。通过第三螺母135在第三滚珠丝杆134上移动，带动直线轴承133在光轴132上滑动，实现Z轴方向的模拟采集。需要说明的是，变位箱136的设置用于调节第三电机137的转速以及转向，以适应实际模拟需求，还能够减小第三电机137的占用空间。
另外，多维力传感装置3包括连接于可调刚度装置2两端的第一多维力传感模块31、第二多维力传感模块32；第一多维力传感模块31与连接架151连接，第二多维力传感模块32用于与岩土采样装置9连接。第二多维力传感模块32用于采集岩土采样装置9在模拟采样时的受力和扭矩数据，第一多维力传感模块31用于采集经过可调刚度装置2缓冲后的受力和扭矩数据。本实施例中第一多维力传感模块31、第二多维力传感模块32均为六维力传感器。
另外，可调刚度装置2包括第一弹性件21、第二弹性件22、第一连接件23、第三连接件24、第四连接件25，第一弹性件21的两端分别与第一连接件23、第四连接件25可拆卸连接，第二弹性件22的两端分别与第一连接件23、第三连接件24可拆卸连接。如图1、图5和图8所示，第一多维力传感模块31的两端分别与第四连接件25、连接架151连接；第二多维力传感模块32的两端分别与岩土采样装置9、第三连接件24连接。本实施例中第一弹性件21为弹簧，第二弹性件22为微调弹簧，通过更换不同刚度的弹簧、微调弹簧，能够实现可调刚度装置2的刚度可调。
另外，随动装置包括第一气浮随动机构5、第二气浮随动机构6，可调刚度装置2通过第一气浮随动机构5与支撑架7连接，第二多维力传感模块32通过第二气浮随动机构6与支撑架7连接。如图1所示，第一气浮随动机构5、第二气浮随动机构6均安装于水平部分741上。
其中，第一气浮随动机构5包括X向气浮滑动机构51、Y向气浮滑动机构52，悬吊件53、平衡微调机构54，X向气浮滑动机构51的两端与Y向气浮滑动机构52的活动端连接，X向气浮滑动机构51的活动端通过悬吊件53与可调刚度装置2连接，Y向气浮滑动机构52的固定端通过平衡微调机构54与支撑架7连接。
如图6所示，X向气浮滑动机构51包括第一气浮导轨511和与第一气浮导轨511滑动连接的第一滑块512，Y向气浮滑动机构52包括第二气浮导轨521和与第二气浮导轨521滑动连接的第二滑块522，第一气浮导轨511的两端与第二滑块522固连。平衡微调机构54包括支撑管541和排列连接于支撑管541上的多个调节块542，调节块542通过螺杆螺母与第二气浮导轨521的底部连接，通过螺杆螺母能够实现对X向气浮滑动机构51、Y向气浮滑动机构52的水平位置的微调。还有，悬吊件53包括依次连接的吊挂531、绳索532、连接块533，吊挂531与第一滑块512连接，连接块533与第一连接件23连接，如图1和图8所示。需要说明的是，第一气浮导轨511与第一滑块512之间设有若干气足，第二气浮导轨521与第二滑块522之间也设有若干气足，通过持续向气足通气，能够实现第一气浮导轨511与第一滑块512之间、第二气浮导轨521与第二滑块522之间的接触摩擦接近零，实现无摩擦运动。第一气浮导轨511与第二气浮导轨521的滑动方向相互垂直，使得第一气浮随动机构5能够实现对处于任意状态下的可调刚度装置2进行随动吊挂。
其中，第二气浮随动机构6与第一气浮随动机构5的结构一致，用于对处于任意位置的第二多维力传感模块32进行随动吊挂。
实施例2
本实施例与实施例1类似，所不同之处在于，本实施例中模拟动态破岩采样非竖直安装系统还包括磁吸连接于支撑架7上的拍摄装置8。如图1和图8所示，拍摄装置8包括安装于竖直部分742上的第一高速拍摄模块81，第一高速拍摄模块81位于第一气浮随动机构5的上方，用于拍摄岩土采样装置9与模拟土壤4的接触位置。具体地，第一高速拍摄模块81包括高速相机、弯管、连接座，弯管的两端分别与高速相机、连接座连接，连接座与竖直部分742连接。具体地，连接座上连接有磁吸结构，通过磁吸结构能够快速与竖直部分742的任意位置连接，同时也能够便于调节高速相机的位置。另外，通过对弯管进行弯折，能够调节高速相机的拍摄角度。
实施例3
如图9所示为本发明一种模拟动态破岩采样竖直安装系统的实施例，包括采样状态模拟装置1、可调刚度装置2、多维力传感装置3、支撑架7，多维力传感装置3设于可调刚度装置2上；可调刚度装置2竖直设置，可调刚度装置2的一端与支撑架7连接，另一端用于与岩土采样装置9连接；采样状态模拟装置1位于可调刚度装置2的下方。
如图9所示，可调刚度装置2、多维力传感装置3的结构均与实施例1中的结构一致。采样状态模拟装置1的结构与实施例1的支撑架7结构类似，所不同之处在于，采样状态模拟装置1包括顺次连接的X轴移动机构11、Y轴移动机构12、Z轴移动机构13、转动机构14，模拟土壤4放置于转动机构14上。还有，支撑架7的结构与实施例1的支撑架7结构类似，所不同之处在于，竖直部分742上靠近顶部的位置设有连接部743，第一多维力传感模块31与连接部743连接，第二多维力传感模块32与岩土采样装置9连接，岩土采样装置9位于模拟土壤4的正上方。
竖直安装系统能够更贴近实际地模拟采集情况，通过采样状态模拟装置1带动模拟土壤4移动，用于模拟岩土采样装置9碰撞土壤的情况，能够实现岩土采样装置9相对于土壤不同角度的采样过程，充分模拟采样过程中可能发生的多种情况。
还有，拍摄装置8包括安装于竖直部分742上的第二高速拍摄模块82，还包括安装于放置平台72上的第三高速拍摄模块83。其中，第二高速拍摄模块82位于可调刚度装置2的一侧，用于拍摄岩土采样装置9与模拟土壤4的接触位置。第三高速拍摄模块83位于放置平台72处，用于拍摄岩土采样装置9与模拟土壤4另一角度的接触位置。本实施例中第二高速拍摄模块82、第三高速拍摄模块83均与实施例1中第一高速拍摄模块81的结构一致。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟动态破岩采样非竖直安装系统，其特征在于，包括采样状态模拟装置(1)、可调刚度装置(2)、多维力传感装置(3)、随动装置、支撑架(7)，所述多维力传感装置(3)设于所述可调刚度装置(2)上；所述可调刚度装置(2)水平或倾斜设置，所述可调刚度装置(2)的一端通过采样状态模拟装置(1)与支撑架(7)连接，另一端用于与岩土采样装置(9)连接；所述可调刚度装置(2)通过随动装置与支撑架(7)连接。
2.根据权利要求1所述的模拟动态破岩采样非竖直安装系统，其特征在于，所述多维力传感装置(3)包括装设于所述可调刚度装置(2)两端的第一多维力传感模块(31)、第二多维力传感模块(32)；所述第一多维力传感模块(31)与采样状态模拟装置(1)的活动端连接，所述第二多维力传感模块(32)用于与岩土采样装置(9)连接。
3.根据权利要求2所述的模拟动态破岩采样非竖直安装系统，其特征在于，所述随动装置包括第一气浮随动机构(5)、第二气浮随动机构(6)，所述可调刚度装置(2)通过第一气浮随动机构(5)与支撑架(7)连接，所述第二多维力传感模块(32)通过第二气浮随动机构(6)与支撑架(7)连接。
4.根据权利要求3所述的模拟动态破岩采样非竖直安装系统，其特征在于，所述第一气浮随动机构(5)包括X向气浮滑动机构(51)、Y向气浮滑动机构(52)，所述X向气浮滑动机构(51)的两端通过Y向气浮滑动机构(52)与支撑架(7)连接，所述X向气浮滑动机构(51)的活动端与可调刚度装置(2)连接。
5.根据权利要求4所述的模拟动态破岩采样非竖直安装系统，其特征在于，所述第一气浮随动机构(5)还包括平衡微调机构(54)，所述Y向气浮滑动机构(52)的固定端通过平衡微调机构(54)与支撑架(7)连接，所述Y向气浮滑动机构(52)的活动端与X向气浮滑动机构(51)连接。
6.根据权利要求2所述的模拟动态破岩采样非竖直安装系统，其特征在于，所述可调刚度装置(2)包括第一弹性件(21)、第二弹性件(22)，所述第一弹性件(21)的一端与第二弹性件(22)的一端可拆卸连接，所述第一弹性件(21)的另一端与第一多维力传感模块(31)可拆卸连接，所述第二弹性件(22)另一端与第二多维力传感模块(32)可拆卸连接。
7.根据权利要求1所述的模拟动态破岩采样非竖直安装系统，其特征在于，所述支撑架(7)包括底盘(71)和连接于所述底盘(71)上的用于放置模拟土壤(4)的放置平台(72)、用于安装所述采样状态模拟装置(1)的安装平台(73)、用于搭接所述随动装置的搭接架(74)。
8.根据权利要求1所述的模拟动态破岩采样非竖直安装系统，其特征在于，还包括磁吸连接于所述支撑架(7)上的拍摄装置(8)。
9.根据权利要求1所述的模拟动态破岩采样非竖直安装系统，其特征在于，所述采样状态模拟装置(1)包括依次连接的X轴移动机构(11)、Y轴移动机构(12)、Z轴移动机构(13)、转动机构(14)，所述转动机构(14)与可调刚度装置(2)连接。
10.一种模拟动态破岩采样竖直安装系统，其特征在于，包括采样状态模拟装置(1)、可调刚度装置(2)、多维力传感装置(3)、支撑架(7)，所述多维力传感装置(3)设于所述可调刚度装置(2)上；所述可调刚度装置(2)竖直设置，所述可调刚度装置(2)的一端与支撑架(7)连接，另一端用于与岩土采样装置(9)连接；所述采样状态模拟装置(1)位于所述可调刚度装置(2)的下方。
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