CN113899581B - 一种触发抓取式多腔采样机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航天工程中样品采集技术领域，特别涉及一种触发抓取式多腔采样机构。该机构包括转位组件、采样腔、转盘组件及开腔组件，其中转位组件的输出端与转盘组件连接，并且驱动转盘组件转动；转盘组件上沿周向设有多个采样腔；开腔组件设置于转位组件的下方，用于开启与开腔组件相对应的一个采样腔。本发明通过触发抓取式多腔采样机构的运动，在采样腔与星体表面接触后触发，从而在扭转弹簧的驱动下采样腔门关闭，达到抓取星表样品的目的，对于星体表面一些凹陷的地形有一定的适应能力。

Description

一种触发抓取式多腔采样机构

技术领域

本发明涉及航天工程中样品采集技术领域，特别涉及一种触发抓取式多腔采样机构。

背景技术

深空探测是指脱离地球引力场，进入太阳系空间和宇宙空间的探测。人类对太阳系小天体的探测活动一直未曾间断过，主要采取探测器搭载采样器搜集目标小天体的土壤样品的探测方式。

与地球上的土壤采样不同，深空探测星表土壤采样任务存在诸多困难：（1）微重力：在几乎没有重力的小天体上，无法实现长期着陆，且采样施加的力可能将探测器推离小天体。（2）地质情况复杂且不确定：取样器着陆取样前并不完全了解探测目标小天体的地质特性，取样对象具有不确定性。（3）表面低温真空环境：多数小天体太阳直射区在0 ℃左右，冬季极区在–100 ℃左右。（4）通信距离远：采样执行过程中，与地面指控中心存在较长时间的通信延迟。因此，必须设计一种采样作用力小、适应性强、能高度自主控制、具有多点多次采样能力的抓取式采样器。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种触发抓取式多腔采样机构，以解决现有深空探测土壤采样任务存在的诸多困难，实现采存一体化，多点多次采样的目的。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种触发抓取式多腔采样机构，包括转位组件、采样腔、转盘组件及开腔组件，其中转位组件的输出端与转盘组件连接，并且驱动转盘组件转动；转盘组件上沿周向设有多个采样腔；开腔组件设置于转位组件的下方，用于开启与开腔组件相对应的一个采样腔。

所述采样腔包括扭转弹簧、连杆、触发杆、定位杆及两个采样腔门，其中定位杆的一端与所述转盘组件的边缘位置连接，定位杆的另一端设有转轴；触发杆的一端与定位杆的中间位置处沿靠近或远离所述转轴方向滑动连接，两个采样腔门铰接在触发杆的两侧，两个采样腔门通过连杆与定位杆另一端的转轴连接，所述转轴上套设有扭转弹簧，扭转弹簧的两端与两个采样腔门抵接，扭转弹簧为两个采样腔门的闭合提供驱动力；触发杆通过所述开腔组件触发向靠近所述转轴方向移动时，驱动两个采样腔门打开。

所述定位杆为中空结构，所述定位杆的侧壁上沿长度方向设有驱动槽，所述触发杆的一端插设于所述定位杆的腔体内，且所述触发杆的一端端部设有容置于所述驱动槽内的滑块。

所述触发杆的另一端设有限位块。

所述开腔组件包括开腔电机、内螺杆、开腔部件及支撑架，其中支撑架设置于所述转位组件的底部，开腔电机设置于支撑架上，且开腔电机的输出端与内螺杆的一端连接，开腔部件与内螺杆的另一端螺纹连接，开腔部件用于触发所述触发杆。

所述开腔部件为直角三角形结构，且通过所述开腔部件的斜面驱动所述触发杆移动。

所述转盘组件包括底盘、弹出机构、爆炸螺栓及顶盖，其中底盘与多个所述采样腔连接，底盘上与各所述采样腔相对应的设有多个弹出机构，顶盖设置于底盘上，且顶盖通过爆炸螺栓与底盘连接；当爆炸螺栓起爆时，多个弹出机构将顶盖弹出，顶盖与底盘分离。

所述弹出机构包括约束簧片和弹出弹簧，其中约束簧片与所述底盘连接，弹出弹簧的一端与约束簧片连接，另一端与所述顶盖抵接。

所述转位组件包括基座和设置于所述基座上的电机和减速机，电机的输出端与减速机的输入端连接，减速机的输出端与所述转盘组件连接。

本发明的优点及有益效果是：

本发明通过触发抓取式多腔采样机构的运动，在采样腔与星体表面接触后触发，从而在扭转弹簧的驱动下采样腔门关闭，达到抓取星表样品的目的，对于星体表面一些凹陷的地形有一定的适应能力。

本发明的转盘组件上共安装有三个采样腔，每个采样腔具有独立的采样功能，只需转盘组件转动，使各采样腔分别转动到相应的采样腔工位，就可以多地多次实施抓取采样，在采样任务上具有一定容错性。

本发明采样结束后，抓取的样品可放置在密封独立的采样腔内，具有样品独立存储功能，有效防止样品被污染的可能。

附图说明

图1为本发明一种触发抓取式多腔采样机构的结构示意图；

图2为本发明中采样腔的结构示意图；

图3为本发明中转盘组件的结构示意图；

图4为本发明中开腔组件的结构示意图；

图中：1为转位组件，2为采样腔，201为采样腔门，202为扭转弹簧，203为连杆，204为触发杆，205为定位杆，3为转盘组件，301为底盘，302为约束簧片，303为弹出弹簧，304为爆炸螺栓，305为顶盖，4为开腔组件，401为开腔电机，402为内螺杆，403为开腔部件，404为支撑架。

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发抓取式多腔采样机构，包括转位组件1、采样腔2、转盘组件3及开腔组件4，其中转位组件1的输出端与转盘组件3连接，并且驱动转盘组件3转动；转盘组件3上沿周向设有多个采样腔2；开腔组件4设置于转位组件1的下方，用于开启与开腔组件4相对应的一个采样腔2。

本发明的实施例中，转位组件1包括基座和设置于基座上的电机和减速机，电机的输出端与减速机的输入端连接，减速机的输出端与转盘组件3连接。转位组件1是采样机构的支撑部分，连接转盘组件3和开腔组件4。转位组件1通过内部的电机和减速机将采样腔2转换至开腔工位和采样工位。采样完成时，转位组件1带动采样腔2旋转至合适位置，方便机械臂将采样腔2放回返回舱。

如图1、图3所示，转盘组件3包括底盘301、弹出机构、爆炸螺栓304及顶盖305，其中底盘301与多个采样腔2连接，底盘301上与各采样腔2相对应的设有多个弹出机构，顶盖305设置于底盘301上，且顶盖305通过爆炸螺栓304与底盘301连接；当爆炸螺栓304爆炸时，多个弹出机构将顶盖305弹出，实现顶盖305与底盘301的分离，从而使采样腔2在转盘组件3中处于浮动状态。

本发明的实施例中，弹出机构包括约束簧片302和弹出弹簧303，其中约束簧片302与底盘301连接，弹出弹簧303的一端与约束簧片302连接，弹出弹簧303的另一端与顶盖305抵接。

本实施例中，转盘组件3为三角形结构，且在三个角处分别连接三个采样腔2。转盘组件3为采样腔的支撑组件，搭载三个采样腔2，同时具有保持和释放的功能。在工作状态时，转盘组件3对采样腔2进行机械限位，使采样腔2具有稳定连接；完成采样任务后，爆炸螺栓304起爆使底盘301和顶盖305分开，弹出弹簧303将顶盖305弹出，使采样腔2在转盘组件3中处于浮动状态，便于机械臂将采样腔2放入返回舱。

如图2所示，本发明的实施例中，采样腔2包括扭转弹簧202、连杆203、触发杆204、定位杆205及两个采样腔门201，其中定位杆205的一端与转盘组件3的边缘位置连接，定位杆205的另一端设有转轴；触发杆204的一端与定位杆205的中间位置处沿靠近或远离转轴方向滑动连接，两个采样腔门201铰接在触发杆204的两侧，两个采样腔门201通过连杆203与定位杆205另一端的转轴连接，该转轴上套设有扭转弹簧202，扭转弹簧202的两端与两个采样腔门201抵接，扭转弹簧202为两个采样腔门201的闭合提供驱动力；触发杆204通过开腔组件4触发向靠近转轴方向移动时，驱动两个采样腔门201打开。

具体地，定位杆205为中空结构，定位杆205的侧壁上沿长度方向设有驱动槽，触发杆204的一端插设于定位杆205的腔体内，且触发杆204的一端端部设有容置于驱动槽内的滑块。触发杆204的另一端设有限位块。

采样腔2为触发式采样方案的功能实施部件，用于样品的采集、存储。采样腔2在触发开启状态时，随着卫星高度下降，触发杆接触地面。依靠与地面之间的反作用力驱动闭合，无需供电，同时，在扭转弹簧202作用下抓取尺寸在1-20mm内的颗粒状样品，完成采样任务。当前方案共配备有三个采样腔，三个采样腔之间相互独立，安装在转盘组件3上。

如图4所示，本发明的实施例中，开腔组件4包括开腔电机401、内螺杆402、开腔部件403及支撑架404，其中支撑架404与转位组件1的基座底部连接，开腔电机401设置于支撑架404上，且开腔电机401的输出端与内螺杆402的一端连接，开腔部件403与内螺杆402的另一端螺纹连接，开腔电机401驱动内螺杆402转动，从而带动开腔部件403水平移动，将旋转驱动转换为直线驱动，开腔部件403用于触发采样腔2的触发杆204。

进一步地，开腔部件403为直角三角形结构，且通过开腔部件403的斜面在定位杆205的驱动槽处驱动触发杆204一端的滑块向靠近定位杆205另一端的转轴方向移动，将采样腔2打开至采样状态。

本发明提供的触发抓取式多腔采样机构，是基于机械触发式的样品采集方案，能够适用于颗粒度不超过2cm的样品尺度；多个采样腔2具有独立采集、样品可独立存放功能。采样腔2作为整个触发抓取式多腔采样机构最核心部件，采样腔门201上带有倒刺结构，主要作用是机械臂将采样腔2放回返回舱时，使采样腔2脱离转盘组件3。采样腔2稳定状态有两种：一种是闭合状态，该情况下采样腔门201闭合；另一种是触发开启状态，该情况下采样腔门201打开，触发杆204超出采样腔门201连线的范围。从闭合状态到触发开启状态，需要开腔电机401驱动开腔部件403向靠近采样腔2方向移动，从而推动触发杆204；从触发开启状态到闭合状态的切换，需要触发杆204被推动后退一定的位移后开始转变。转盘组件3用于在工作状态时承载三个采样腔2，且对采样腔2进行机械限位。转位组件1用于驱动转盘组件3到指定位置，并能够在该种工作模式下保持较为准确的角度和刚度。转位组件1由基座、步进电机、减速机、电磁刹车、电位计组成。转位组件1同时具有两种功能，一是作为整个系统的结构支撑，二是用于转盘组件3的角度切换，可以将采样腔2转动至采样工位、开腔工位以及探查工位。

本发明利用采样腔的闭合抓取功能采集小行星表面的颗粒状碎石样品，本发明具有采存一体化，多点多次采样的特点，使采样操作更简单便捷。

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 (4)

1.一种触发抓取式多腔采样机构，其特征在于，包括转位组件（1）、采样腔（2）、转盘组件（3）及开腔组件（4），其中转位组件（1）的输出端与转盘组件（3）连接，并且驱动转盘组件（3）转动；转盘组件（3）上沿周向设有多个采样腔（2）；开腔组件（4）设置于转位组件（1）的下方，用于开启与开腔组件（4）相对应的一个采样腔（2）；

所述采样腔（2）包括扭转弹簧（202）、连杆（203）、触发杆（204）、定位杆（205）及两个采样腔门（201），其中定位杆（205）的一端与所述转盘组件（3）的边缘位置连接，定位杆（205）的另一端设有转轴；触发杆（204）的一端与定位杆（205）的中间位置处沿靠近或远离所述转轴方向滑动连接，两个采样腔门（201）铰接在触发杆（204）两侧，两个采样腔门（201）通过连杆（203）与定位杆（205）另一端的转轴连接，所述转轴上套设有扭转弹簧（202），扭转弹簧（202）的两端与两个采样腔门（201）抵接，扭转弹簧（202）为两个采样腔门（201）的闭合提供驱动力；触发杆（204）通过所述开腔组件（4）触发向靠近所述转轴方向移动时，驱动两个采样腔门（201）打开；

所述定位杆（205）为中空结构，所述定位杆（205）的侧壁上沿长度方向设有驱动槽，所述触发杆（204）的一端插设于所述定位杆（205）的腔体内，且所述触发杆（204）的一端端部设有容置于所述驱动槽内的滑块；所述触发杆（204）的另一端设有限位块；

所述开腔组件（4）包括开腔电机（401）、内螺杆（402）、开腔部件（403）及支撑架（404），其中支撑架（404）设置于所述转位组件（1）的底部，开腔电机（401）设置于支撑架（404）上，且开腔电机（401）的输出端与内螺杆（402）的一端连接，开腔部件（403）与内螺杆（402）的另一端螺纹连接，开腔部件（403）用于触发所述触发杆（204）；

所述转盘组件（3）包括底盘（301）、弹出机构、爆炸螺栓（304）及顶盖（305），其中底盘（301）与多个所述采样腔（2）连接，底盘（301）上与各所述采样腔（2）相对应的设有多个弹出机构，顶盖（305）设置于底盘（301）上，且顶盖（305）通过爆炸螺栓（304）与底盘（301）连接；当爆炸螺栓（304）起爆时，多个弹出机构将顶盖（305）弹出，顶盖（305）与底盘（301）分离。

2.根据权利要求1所述的触发抓取式多腔采样机构，其特征在于，所述开腔部件（403）为直角三角形结构，且通过所述开腔部件（403）的斜面驱动所述触发杆（204）移动。

3.根据权利要求1所述的触发抓取式多腔采样机构，其特征在于，所述弹出机构包括约束簧片（302）和弹出弹簧（303），其中约束簧片（302）与所述底盘（301）连接，弹出弹簧（303）的一端与约束簧片（302）连接，另一端与所述顶盖（305）抵接。

4.根据权利要求1所述的触发抓取式多腔采样机构，其特征在于，所述转位组件（1）包括基座和设置于所述基座上的电机和减速机，电机的输出端与减速机的输入端连接，减速机的输出端与所述转盘组件（3）连接。

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