CN113884334A - 一种触碰式柔顺小天体采样系统及采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空间探测技术领域，特别涉及一种触碰式柔顺小天体采样系统及采样方法。包括星体平台及设置于星体平台上的主控制器、样品存储系统、监视系统、柔顺机械臂及工具库；样品存储系统用于样品的储存和密封；监视系统用于获取卫星与小天体之间的相对距离信息、倾角信息、小天体地形条件和星壤颗粒状态及监视采样过程，并将获取信息发送给主控制器；自适应关节用于安装工具头；采样工具库用于安装工具头；主控制器用于接收监视系统发送信息，并根据接收的信息控制柔顺机械臂拾取对应的采样工具，进行采样。本发明能够解决采样过程控制、复杂地形适应性、样品密封返回等难题，达到小天体自主、安全、高效样品采集和密封返回的目的。

Description

一种触碰式柔顺小天体采样系统及采样方法

技术领域

本发明涉及空间探测技术领域，特别涉及一种触碰式柔顺小天体采样系统及采样方法。

背景技术

小天体在太阳系演化过程中不断迁移，对其进行研究可以揭开太阳系和生命起源、演化奥秘。在小天体探测方面，美、欧、日等国已经开展了大量研究，美国和日本已经先后完成小天体采样任务。因此，我国开展小天体取样返回探测研究，具有重要的科学价值和重大的战略需求。

小天体采样具有以下困难：

1）小天体质量轻、体积小，并处于微低重力和高速自旋状态，着陆采样所需的软着陆、弱引力表面锚固、解固、起飞等复杂技术和设备、燃料，降低卫星小天体采样的风险。因此，开展小天体采样的首要任务选择安全采样方式。

2）小天体一般都远离地球，实时通讯控制困难，无法对小天体采样过程进行实时控制；另外，采样任务能源与资源耗费较大，如何高效采集并成功返回，必须保证项目成功率，提高任务能效比。

3）小天体可采集区域分布复杂，表面地貌高低不平，因此，采样系统多地形适应能力是保证采样成功的关键。

4）由于地面观测的局限性，无法详细提供目标小天体的星壤成分、颗粒大小与分布等参数指标，这也给采样装置的设计带来了很大的不确定性。

因此，必须发明一种小天体采样系统来解决以上采样难题，使小天体采样工作能够过程自主控制、采样安全可靠、采集全面高效、返回安全顺利，满足未来深空探索需求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种触碰式柔顺小天体采样系统及采样方法，能够解决采样过程控制、复杂地形适应性、样品密封返回等难题，达到小天体自主、安全、高效样品采集和密封返回的目的。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种触碰式柔顺小天体采样系统及采样方法，包括星体平台及设置于星体平台上的主控制器、样品存储系统、监视系统、柔顺机械臂及采样工具库；

样品存储系统用于样品的储存和密封；

监视系统用于获取卫星与小天体之间的相对距离信息、倾角信息、小天体地形条件和星壤颗粒状态及监视采样过程，并将获取的相对距离信息、倾角信息、小天体地形条件和星壤颗粒状态发送给主控制器；

柔顺机械臂包括至少三个转动关节，每个转动关节内均设有力传感器；柔顺机械臂的末端设有安装接口；

自适应关节与柔顺机械臂的安装接口连接，自适应关节用于安装工具头；

采样工具库用于放置多种工具头；

主控制器用于接收监视系统发送的相对距离信息、倾角信息、小天体地形条件和星壤颗粒状态，并根据接收的信息控制柔顺机械臂拾取对应的采样工具，进行采样。

所述工具头包括抱夹式工具头、吸入式工具头及钻取式工具头。

所述监视系统为双目视觉相机。

所述自适应关节包括上连接座、中心转轴、左旋弹簧、右旋弹簧及下连接座；

中心转轴为十字形结构，其中一组对称轴的两端与上连接座转动连接，另一组对称轴与下连接座转动连接，且每组对称轴的两端分别套设有左旋弹簧和右旋弹簧。

所述上连接座和所述下连接座的两侧均设有支撑轴，支撑轴通过轴承与所述中心转轴连接。

一种上述任一实施例中所述的触碰式柔顺小天体采样系统进行采样的方法，包括以下几个步骤：

1）根据监视系统监测到的采样目标天体状态，确定小天体目标采样区域并靠近星体表面；

2）根据监视系统反馈的目标小天体地形条件和星壤颗粒状态，主控制器控制柔顺机械臂选择与星壤颗粒相匹配的工具头；

3）卫星带动柔顺机械臂自由下落至采样点，启动工具头进行采样；

4）柔顺机械臂压缩至最大角度，反向驱动卫星离开天体表面；

5）卫星继续离开，采用工具与小天体表面脱离接触；

6）监视系统监测采样结果；如工具头采样成功，则控制柔顺机械臂将工具头移返回舱；如果工具头采样没有成功，则返回第2）步骤重新进行采样工作；

7）样品通过样品存储系统进行存储密封，携带样品返回地球，完成采样。

在卫星带动柔顺机械臂自由下落至采样点之前，通过监视系统测量星体平台与小天体表面的相对距离和倾角信息，并将相对距离和倾角信息发送给主控制器，主控制器接收监视系统发送的相对距离和倾角信息，获得柔顺机械臂采样时需要达到的最佳空间位置与姿态角度，然后控制柔顺机械臂运动展开至预定姿态。

在进行采样时，所述柔顺机械臂通过转动关节内的力传感器测量工具头末端的受力大小并将该受力信息发送给主控制器，主控制器根据力传感器反馈的受力大小，获得工具头的末端与天体表面之间的接触力大小；主控制器根据该接触力大小控制所述柔顺机械臂的关节相应转动，使工具头与小天体表面保持始终接触。

在进行采样时，自适应关节通过内部两组左旋弹簧和右旋弹簧的被动扭

转，调整工具头的姿态，使工具头与小天体表面充分接触。

本发明与现有技术相比的优点及有益效果是：

本发明创新提出触碰式采样方法，接触时间短，对星体姿态扰动小，更能适应小天体微低重力、高速自转、地貌不平等特点，大大提高工程任务的可实施性。

本发明采样全过程自主控制，可根据目标天体特点精确选取采样点、实时控制接触速度、实时反馈采样过程数据，确保采样过程安全可控开展，有效解决远距离信息、数据传输时延等问题。

本发明采用柔顺机械臂，降低卫星姿态和速度控制难度，通过机械臂的柔顺来实现采样装置的准点接触、采集与离开，避免星体平台的硬着陆，有效保证星体和采样系统的安全性。

本发明采用全向自适应关节设计，确保采样头与小天体表面近似平面接触，保证接触力适中，显著提高多地形适应能力。

本发明配备采样工具库，末端选择通用接口设计，可配套多种采样工具，提高对不同星壤的适应能力，提高采样成功率。

附图说明

图1为本发明一种触碰式柔顺小天体采样系统的结构示意图；

图2为本发明中自适应关节的轴测图；

图3为本发明中自适应关节的剖视图；

图4为本发明触碰式采样的工作流程框图；

图中：1-主控制器，2-样品存储系统，3-监视系统，4-柔顺机械臂，5-自适应关节，6-采样工具库，7-星体平台，8为工具头，501-上连接座，502-中心转轴，503-支撑轴，504-左旋弹簧，505-右旋弹簧，506-下连接座，507-轴承。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种触碰式柔顺小天体采样系统，包括星体平台7及设置于星体平台7上的主控制器1、样品存储系统2、光学监视系统3、柔顺机械臂4及采样工具库6；其中样品存储系统2用于样品返回过程中储存和密封，保证样品安全顺利返回；监视系统3用于获取卫星与小天体之间的相对距离信息、倾角信息、小天体地形条件和星壤颗粒状态及监视采样过程，并将获取的相对距离信息、倾角信息、小天体地形条件和星壤颗粒状态发送给主控制器1；柔顺机械臂4包括至少三个转动关节，每个转动关节内均设有力传感器；柔顺机械臂4的末端设有安装接口；自适应关节5用于安装工具头8；采样工具库6用于放置多种工具头8；主控制器1用于接收监视系统3发送的相对距离信息、倾角信息、小天体地形条件和星壤颗粒状态，并根据接收的信息控制柔顺机械臂4拾取与星壤颗粒相匹配的采样工具，进行采样。

本发明的实施例中，工具头8为钻取式、抱夹式或吸入式等多种形式的工具头。如果星壤颗粒的颗粒度大于某设定值，则选取抱夹式工具头或钻取式工具头；如果星壤颗粒的颗粒度小于某设定值，选择吸入式工具头。

本发明的实施例中，监视系统3为双目视觉相机，通过双目视觉相机获取卫星与小天体之间的相对距离信息、倾角信息、小天体地形条件和星壤颗粒状态，并双目视觉相机将获取的卫星与小天体之间的相对距离信息、倾角信息、小天体地形条件和星壤颗粒状态反馈给主控制器1。主控制器1根据接收到的小天体地形条件和星壤颗粒状态，判断并选择与星壤颗粒相匹配的工具头8。然后，主控制器1控制柔顺机械臂4运动至采样工具库6的上方，从采样工具库6内与匹配的工具头8对接并将其移出。

本发明的实施例中，在采样过程中，柔顺机械臂4通过转动关节内的力传感器测量工具头8末端的受力大小并将该受力信息发送给主控制器1，主控制器1根据力传感器反馈的受力大小，获得工具头8的末端与天体表面之间的接触力大小；主控制器1根据该接触力大小控制柔顺机械臂4的关节相应转动;如果工具头8的接触力大，则控制柔顺机械臂4整体收拢；若工具头8的接触力小，则控制柔顺机械臂4整体展开，这样可以确保工具头8与小天体表面保持始终接触；并且接触力大小处于预先设定合理范围内，从而实现柔顺机械臂4的主动柔顺。

如图2-3所示，本发明的实施例中，自适应关节5包括上连接座501、中心转轴502、左旋弹簧504、右旋弹簧505及下连接座506；中心转轴502为十字形结构，其中一组对称轴的两端与上连接座501转动连接，另一组对称轴与下连接座506转动连接，且每组对称轴的两端分别套设有左旋弹簧504和右旋弹簧505。

进一步地，上连接座501和下连接座506的两侧均设有U形支架，U形支架上设有支撑轴503，支撑轴503通过轴承507与中心转轴502连接。

其中，上连接座501上部平面用于提供和机械臂末端连接安装接口，两侧U形支架用于固定两侧的支撑轴503，并提供左旋弹簧504和右旋弹簧505安装接口。下连接座506下部平面用于提供和采样工具6的连接的安装接口，两侧U形支架用于固定两侧的支撑轴503，并提供左旋弹簧504和右旋弹簧505安装接口。中心转轴502用于通过轴承507支撑十字交叉布置的两对支撑轴503，实现上连接座501和下连接座506绕两个相互交叉轴的自由转动。

一对左旋弹簧504和右旋弹簧505分别布置在中心转轴502的两侧，弹簧一端固定在上连接座501和下连接座506的U形支架上，另外一端卡在中心转轴502上。当支座不受力时，一对左旋弹簧504和右旋弹簧505受力平衡，支座保持中线重合状态。当支座受外力绕轴线相对转动时，一对弹簧中，一个压缩，另外一个拉伸；当外力撤出后，分别在弹簧回复力和拉力的作用下，回到中线重合状态。通过调整弹簧参数，可以满足不同角度偏转后的自恢复平衡状态。

在工具头8进行采样时，由于星体地面不平，工具头8需要始终垂直与星体地面，来保证拥有最大接触面。自适应关节5通过内部两组左旋弹簧504和右旋弹簧505的被动扭转，调整工具头8的姿态，以适应不同的地形，保证工具头8与小天体表面处于最大接触面。

卫星带动柔顺机械臂4自由下落至采样点之前，通过监视系统3测量星体平台与小天体表面的相对距离和相对倾角，监视系统3将获得的相对距离和倾角信息发送给主控制器1，主控制器1接收监视系统3发送的相对距离和倾角信息，获得柔顺机械臂4采样时需要达到的最佳空间位置与姿态角度。然后，主控制器1控制柔顺机械臂4运动，并展开至采样时具备的预定姿态。

本发明的另一实施例中，提供一种利用上述任一实施例中的触碰式柔顺小天体采样系统进行采样的方法，如图4所示，包括以下几个步骤：

1）根据监视系统3监测到的采样目标天体状态，确定小天体目标采样区域并靠近星体表面；

2）根据监视系统3反馈的目标小天体地形条件和星壤颗粒状态，主控制器1控制柔顺机械臂4选择与星壤颗粒相匹配的工具头8；

3）卫星带动柔顺机械臂4自由下落至采样点，启动工具头8进行采样；

4）柔顺机械臂4压缩至最大角度，反向驱动卫星离开天体表面；

5）卫星继续离开，工具头8与小天体表面脱离接触；

6）监视系统3监测采样结果；如工具头8采样成功，则控制柔顺机械臂4将工具头8移返回舱；如果工具头8采样没有成功，则返回第2步骤重新进行采样工作；

7）样品通过样品存储系统2进行存储密封，携带样品返回地球，完成采样。

本发明的实施例中，在卫星带动柔顺机械臂4自由下落至采样点之前，需要自主控制柔顺机械臂4展开至预定姿态，并实时监测工具头8与天体表面距离、速度和姿态。具体地，通过监视系统3测量星体平台与小天体表面的相对距离和倾角信息，并监视系统3将相对距离和倾角信息发送给主控制器1，主控制器1接收监视系统3发送的相对距离和倾角信息，获得柔顺机械臂4采样时需要达到的最佳空间位置与姿态角度，然后控制柔顺机械臂4运动展开至预定姿态。柔顺机械臂4自主柔顺控制，保证工具头8准确接触采样点。

在采样时，柔顺机械臂4通过转动关节内的力传感器测量工具头8末端的受力大小并将该受力信息发送给主控制器1，主控制器1根据力传感器反馈的受力大小，获得工具头8的末端与天体表面之间的接触力大小；主控制器1根据该接触力大小控制柔顺机械臂4的关节相应转动，如果工具头8接触力大，则控制柔顺机械臂4整体收拢；若工具头8接触力小，则控制柔顺机械臂4整体展开，确保末端工具头8与小天体表面始终接触，并且接触力大小处于预先设定合理范围内，从而实现柔顺机械臂4的主动柔顺。

在进行采样时，自适应关节5通过内部两组左旋弹簧504和右旋弹簧505的被动扭转，调整工具头8的姿态，使工具头8与小天体表面充分接触。

具体地，主控制器1安装于星体平台7上，在采样任务过程中，实时采集并检测工具头8与目标小天体的相互运动状态，决策触碰和分离时机；通过双目视觉相机反馈的目标小天体地形条件和星壤颗粒状态，自主决策匹配选择合适的工具头8，调整控制柔顺机械臂4运动，达到最佳的采样姿态；全程监测采样过程，自主管理采样过程，评估采样成功与否以及采样的效果。样品存储系统2在采样操作完成并评估采样成功后，星体控制打开舱门，配合柔顺机械臂4操作，将工具头8回收、卡紧、锁定，然后关闭舱门，将样品密封存储，保证后续安全携带返回。双目视觉相机在采样过程中，实时监测卫星与目标天体之间的距离、速度和姿态、采样点与采样工具之间的相对姿态、采样工具的运行状态，并将信息反馈给主控制器1，实现采样过程自主控制；柔顺机械臂4末端安装于星体平台7上，具有不少于三个转动关节，柔顺机械臂4前端提供自适应关节的安装接口，用于转接安装工具头。在卫星接近小天体过程中，根据不同目标小天体运行状态，自主控制柔顺机械臂4接触距离和时机，实现工具头8与星表之间柔顺接触、自主离开，实现采样过程的平稳、安全、可靠。自适应关节5根据目标小天体不同的地形地貌状态，自动调整工具头8与星表之间的相对姿态和接触力，保证工具头8与星表充分接触，达到最佳采样工作状态，保证采样的成功率。工具头8在采样任务前，放置在采样工具库6内，采样任务开始后，主控制器1根据任务需要，选择合适的工具头8，将采样工具头8取出，通过通用接口与自适应关节5下部安装连接，显著提高了不同星壤颗粒状态的适应性，充分保证样品的高效采集。

本发明提出的一种触碰式柔顺采样系统，首次应用于小天体探测领域，创新提出了触碰式采样方式，有效避免了着陆采样卫星姿态控制和安全隐患问题；创新全过程自主控制采样，解决了远距离、长时延、复杂控制问题；创新采用柔顺机械臂、自适应关节和采样工具设计，有效增强采样系统对于不同目标天体运行状态、地形地貌状态、星壤颗粒分布状态等多状态的适应性，保证采样安全、可靠的同时，大大提高采样任务的成功率。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种触碰式柔顺小天体采样系统，其特征在于，包括星体平台（7）及设置于星体平台（7）上的主控制器（1）、样品存储系统（2）、监视系统（3）、柔顺机械臂（4）及采样工具库（6）；

样品存储系统（2）用于样品的储存和密封；

监视系统（3）用于获取卫星与小天体之间的相对距离信息、倾角信息、小天体地形条件和星壤颗粒状态及监视采样过程，监视系统（3）将获取的相对距离信息、倾角信息、小天体地形条件和星壤颗粒状态发送给主控制器（1）；

柔顺机械臂（4）包括至少三个转动关节，每个转动关节内均设有力传感器；柔顺机械臂（4）的末端设有安装接口；

自适应关节（5）与柔顺机械臂（4）的安装接口连接，自适应关节（5）用于安装工具头（8）；

采样工具库（6）用于放置多种工具头（8）；

主控制器（1）用于接收监视系统（3）发送的相对距离信息、倾角信息、小天体地形条件和星壤颗粒状态，并根据接收的信息控制柔顺机械臂（4）拾取与星壤颗粒相匹配的工具头（8），进行采样。

2.根据权利要求1所述的触碰式柔顺小天体采样系统，其特征在于，所述工具头（8）包括抱夹式工具头、吸入式工具头及钻取式工具头。

3.根据权利要求1所述的触碰式柔顺小天体采样系统，其特征在于，所述监视系统（3）为双目视觉相机。

4.根据权利要求1所述的触碰式柔顺小天体采样系统，其特征在于，所述自适应关节（5）包括上连接座（501）、中心转轴（502）、左旋弹簧（504）、右旋弹簧（505）及下连接座（506）；

中心转轴（502）为十字形结构，其中一组对称轴的两端与上连接座（501）转动连接，另一组对称轴与下连接座（506）转动连接，且每组对称轴的两端分别套设有左旋弹簧（504）和右旋弹簧（505）。

5.根据权利要求4所述的触碰式柔顺小天体采样系统，其特征在于，所述上连接座（501）和所述下连接座（506）的两侧均设有支撑轴（503），支撑轴（503）通过轴承（507）与所述中心转轴（502）连接。

6.一种利用权利要求4-5任一项所述的触碰式柔顺小天体采样系统进行采样的方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

1）根据监视系统（3）监测到的采样目标天体状态，确定小天体目标采样区域并靠近星体表面；

2）根据监视系统（3）反馈的目标小天体地形条件和星壤颗粒状态，主控制器（1）控制柔顺机械臂（4）选择与星壤颗粒相匹配的工具头（8）；

3）卫星带动柔顺机械臂（4）自由下落至采样点，启动工具头（8）进行采样；

4）柔顺机械臂（4）压缩至最大角度，反向驱动卫星离开天体表面；

5）卫星继续离开，工具头（8）与小天体表面脱离接触；

6）监视系统（3）监测工具头（8）的采样结果；如工具头（8）采样成功，则控制柔顺机械臂（4）将工具头（8）移返回舱；如果工具头（8）采样没有成功，则返回第2）步骤重新进行采样工作；

7）样品通过样品存储系统（2）进行存储密封，携带样品返回地球，完成采样。

7.根据权利要求6所述的采样方法，其特征在于，在卫星带动柔顺机械臂（4）自由下落至采样点之前，通过监视系统（3）测量星体平台与小天体表面的相对距离和倾角信息，并将相对距离和倾角信息发送给主控制器（1），主控制器（1）接收监视系统（3）发送的相对距离和倾角信息，获得柔顺机械臂（4）采样时需要达到的最佳空间位置与姿态角度，然后控制柔顺机械臂（4）运动展开至预定姿态。

8.根据权利要求6所述的采样方法，其特征在于，在采样过程中，所述柔顺机械臂（4）通过转动关节内的力传感器测量工具头（8）末端的受力大小并将该受力信息发送给主控制器（1），主控制器（1）根据力传感器反馈的受力大小，获得工具头（8）的末端与天体表面之间的接触力大小；主控制器（1）根据该接触力大小控制所述柔顺机械臂（4）的关节相应转动，使工具头（8）与小天体表面保持始终接触。

9.根据权利要求6所述的采样方法，其特征在于，在进行采样时，自适应关节（5）通过内部两组左旋弹簧（504）和右旋弹簧（505）的被动扭转，调整工具头（8）的姿态，使工具头（8）与小天体表面充分接触。

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