CN114278303A - 行星多功能取芯钻头、取芯方法及取芯系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于取芯装置加工技术领域，具体涉及一种行星多功能取芯钻头、取芯方法及取芯系统，旨在解决取芯装置无法满足不同强度样品采集的问题；取芯钻头包括控制器、一次取芯组件、二次取芯组件和连接板；一次取芯组件基于控制器发送的指令进行样品区域的钻入并钻取初始岩芯；二次取芯组件基于控制器发送的指令对初始岩芯钻进，控制器基于预设压力值以及二次取芯组件中设置的压力检测模块获取的实际压力值，获取初始岩芯的类型，以制定对应控制指令；若实际压力值大于预设压力值，则控制二次取芯组件返回至初始位置，控制一次取芯组件获取初始岩芯；反之，则控制二次取芯组件按预设路径进行样品岩芯采集；本发明满足不同强度样品的取芯。

Description

行星多功能取芯钻头、取芯方法及取芯系统

技术领域

本发明属于取芯装置加工技术领域，具体涉及一种行星多功能取芯钻头、取芯方法及取芯系统。

背景技术

“毅力”号2021年在火星耶泽罗陨石坑钻孔，首次尝试在火星上采集岩石和风化层样品。根据传回的数据显示，火星车机械臂钻头打钻深度将近8厘米，钻孔形态完好，但样品管内空空如也。失败原因在于岩石强度不够，无法采集岩芯样品。钻头把岩石打成细小碎末，导致碎末留在孔洞中或者留在岩屑堆中。

“毅力”号第二次采样成功归功于采集对象的变化，采集对象是地面的大型块石，采集岩石强度大幅提升，所以采样成功。因此“毅力”号取芯钻头只能钻取强度较大的岩石，不能采集强度较小的软岩和松散的土壤。由于无法提前判断火星地表是强度较大的岩石、易碎的软岩还是松散的土壤；“毅力”号仍然没有采集到地表样品。所以常规钻头极大的限制了采样的地点、多样性和成功率。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术中的取芯装置无法满足不同强度样品采集的问题，本发明提供了一种行星多功能取芯钻头、取芯方法及取芯系统。

本发明的第一方面提供了一种行星多功能取芯钻头，包括控制器、一次取芯组件、二次取芯组件以及连接板，所述一次取芯组件、所述二次取芯组件均与所述控制器信号连接；所述一次取芯组件、所述二次取芯组件通过所述连接板与火星车机械臂连接；所述二次取芯组件中设置有压力检测模块。

所述一次取芯组件基于所述控制器发送的指令进行样品区域的钻入并钻取初始岩芯。

所述二次取芯组件基于所述控制器发送的指令对所述初始岩芯钻进，所述控制器基于预设压力值以及所述压力检测模块获取的实际压力值，获取所述初始岩芯的类型。

若实际压力值大于预设压力值，则判定为硬岩，所述控制器控制所述二次取芯组件返回至初始位置，控制所述一次取芯组件获取所述初始岩芯；若实际压力值小于预设压力值，则判定为软岩及松散土壤，所述控制器控制所述二次取芯组件按预设路径进行样品岩芯采集。

在一些优选实施例中，所述一次取芯组件包括第一驱动组件以及岩石取芯组件。

所述第一驱动组件包括第一旋转电机以及电机支架，所述钻杆装设于所述第一旋转电机的动力输出端；所述第一旋转电机通过所述电机支架固设于所述连接板。

所述岩石取芯组件包括钻头和钻杆，所述钻头套设于所述钻杆远离所述第一旋转电机的端部；所述钻头、所述钻杆均为中空设置；所述钻杆的内部用于容纳采集的样品。

所述钻头的内部与所述钻杆的内部连通设置。

在一些优选实施例中，所述二次取芯组件包括松散土壤取芯组件、第二驱动组件以及升降驱动组件。

所述松散土壤取芯组件包括螺旋叶片、第一段旋转推杆和第二段旋转推杆，所述螺旋叶片设置于所述第一段旋转推杆的端部；所述压力检测模块设置于所述第一段旋转推杆、所述第二段旋转推杆之间，以进行所述螺旋叶片端部的实时压力监测。

所述第二段旋转推杆设置于所述第二驱动组件的动力输出端。

所述升降驱动组件包括螺杆、螺杆支架、螺杆驱动电机、螺母、滑块、导杆以及导杆固定架。

所述升降驱动组件包括导杆、滑块、螺母、螺杆以及螺杆驱动电机，所述导杆套设于所述第一段旋转推杆设置；所述滑块与所述导杆可相对滑动连接，并且所述旋转电机与所述滑块固定连接。

所述导杆通过导杆固定架固设于所述连接板。

所述螺母与所述螺杆螺纹连接，并与所述滑块固定连接。

所述螺杆设置于所述螺杆驱动电机的动力输出端。

所述螺杆通过螺杆支架固设于所述连接板。

在一些优选实施例中，所述螺杆的长度为

，初始状态下，所述螺旋叶片的端部 到所述钻头的端部的距离为

，

。

在一些优选实施例中，所述第二驱动组件为第二旋转电机，用于驱动所述螺旋叶片旋转。

在一些优选实施例中，所述第二旋转电机固设于所述滑块的第一侧。

所述第一段旋转推杆的纵向轴线与所述导杆的纵向轴线平行设置。

所述螺母固设于所述滑块的第二侧；所述螺杆的纵向轴线与所述导杆的纵向轴线平行设置。

在一些优选实施例中，所述钻杆的内壁开设有多个凹槽，以在所述螺旋叶片工作时收集旋转进入所述钻杆内部的松散样品。

在一些优选实施例中，多个所述凹槽沿着所述钻杆的内壁螺旋均匀设置。

本发明的第二方面提供了一种行星多功能取芯方法，该方法基于所述的行星多功能取芯钻头，包括以下步骤：步骤S100，控制所述一次取芯组件整体向下移动，进行样品区域的钻入并钻取初始岩芯。

步骤S200，启动升降驱动组件，以带动所述松散土壤取芯组件向下移动，并启动所述第二驱动组件对所述初始岩芯钻进，通过所述压力检测模块实时获取钻进中的实际压力值。

步骤S300，若实际压力值大于预设压力值，关闭所述第二驱动组件，控制升降驱动组件反转，以带动所述松散土壤取芯组件向上移动至初始位置；控制所述一次取芯组件按照预设路径向下钻进，以进行样品采集，取芯完成后，控制所述一次取芯组件向上移动，以回收样品；所述初始位置为所述螺旋叶片位于所述钻杆的内部。

若实际压力值小于预设压力值，并且所述实际压力值为平稳值，则控制所述松散土壤取芯组件按照预设路径继续向下移动钻进，进行样品采集；取芯完成后，所述松散土壤取芯组件返回至初始位置。

本发明的第三方面提供了一种行星多功能取芯系统，该系统包括总控中心、取芯模块、机械臂以及样品分析模块，所述取芯模块、所述机械臂、所述样品分析模块均与所述总控中心信号连接。

所述取芯模块为上面所述的行星多功能取芯钻头；所述行星多功能取芯钻头装设于所述机械臂的端部。

所述总控中心控制所述机械臂带动行星多功能取芯钻头将采集的样品运送至所述样品分析模块，以进行样品的湿度、成分的信息获取。

本发明公开的行星多功能取芯钻头、取芯方法及取芯系统，可以进行强度较大的岩石、强度较小的软岩以及松散的土壤的样品取芯采集，有效提高行星地表采样成功率。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1是本发明中的行星多功能取芯钻头的一种具体实施例的结构示意图。

图2是图1中的一次取芯组件的结构示意图。

图3是图1中的导杆组件的结构示意图。

图4是图1中的滚珠丝杠组件的结构示意图。

图5是图1中的松散土壤取芯组件的结构示意图。

附图标记说明：

100、一次取芯组件；110、第一旋转电机，111、电机支架；120、钻头，130、钻杆；200、松散土壤取芯组件，210、螺旋叶片，220、第一段旋转推杆，230、第二段旋转推杆，240、压力检测模块；201、第二驱动组件；300、升降驱动组件，310、导杆，311、导杆固定架，320、滑块，330、螺母，340、螺杆，341、螺杆支架，350、螺杆驱动电机；400、连接板；10、硬岩岩芯。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

以下参照附图结合实施例进一步说明本发明。

参照附图1至附图5，本发明的第一方面提供了一种行星多功能取芯钻头，包括控制器、一次取芯组件100、二次取芯组件以及连接板400，一次取芯组件、二次取芯组件均与控制器信号连接；一次取芯组件、二次取芯组件通过连接板与火星车机械臂连接；二次取芯组件中设置有压力检测模块240。

一次取芯组件基于所述控制器发送的指令进行样品区域的钻入并钻取初始岩芯；二次取芯组件基于控制器发送的指令对初始岩芯钻进，控制器基于预设压力值以及压力检测模块获取的实际压力值，获取初始岩芯的类型。

若实际压力值大于预设压力值，则判定为硬岩，控制器控制二次取芯组件返回至初始位置，控制一次取芯组件获取初始岩芯，进行硬岩的一次性获取。

若实际压力值小于预设压力值，则判定为软岩及松散土壤，控制器控制二次取芯组件按预设路径进行样品岩芯采集，以将对应的样品通过螺旋叶片收集。

需要说明的是，在本实施例中，软岩及松散土壤为一个类型，其包含松散岩石、土壤。

其中，一次取芯组件包括第一驱动组件以及岩石取芯组件，其中，第一驱动组件包括第一旋转电机110以及电机支架111，钻杆装设于第一旋转电机的动力输出端；第一旋转电机通过电机支架固设于连接板。

其中，岩石取芯组件包括钻头120和钻杆130，钻头套设于钻杆远离第一旋转电机的端部；钻头、钻杆均为中空设置；钻杆的内部用于容纳采集的样品。

优选地，钻头的内部与钻杆的内部连通设置。

在本实施例中，显示的是钻取的硬岩岩芯10，通过钻杆实现对应高度的样品采集。

其中，二次取芯组件包括松散土壤取芯组件200、第二驱动组件201以及升降驱动组件300，其中，松散土壤取芯组件包括螺旋叶片210、第一段旋转推杆220和第二段旋转推杆230，螺旋叶片设置于第一段旋转推杆的端部；压力检测模块设置于第一段旋转推杆、第二段旋转推杆之间，以进行螺旋叶片端部的实时压力监测。

第二段旋转推杆设置于第二驱动组件的动力输出端。

升降驱动组件包括螺杆340、螺杆支架341、螺杆驱动电机350、螺母330、滑块320、导杆310以及导杆固定架311，升降驱动组件包括导杆、滑块、螺母、螺杆以及螺杆驱动电机，导杆套设于第一段旋转推杆设置；滑块与导杆可相对滑动连接，并且旋转电机与滑块固定连接。

导杆通过导杆固定架固设于连接板。

螺母与螺杆螺纹连接，并与滑块固定连接。

螺杆设置于螺杆驱动电机的动力输出端。

螺杆通过螺杆支架固设于连接板。

在本实施例中，由导轨组件和滚珠丝杠组件共同构成升降驱动组件。

优选地，螺杆的长度为

，初始状态下，螺旋叶片的端部到钻头的端部的距离为

，

。

优选地，第二驱动组件为第二旋转电机，用于驱动螺旋叶片旋转。

优选地，第二旋转电机固设于滑块的第一侧。

第一段旋转推杆的纵向轴线与导杆的纵向轴线平行设置。

螺母固设于滑块的第二侧；螺杆的纵向轴线与导杆的纵向轴线平行设置。

优选地，钻杆的内壁开设有多个凹槽，以在螺旋叶片工作时收集旋转进入钻杆内部的松散样品。

优选地，多个凹槽沿着钻杆的内壁螺旋均匀设置。

或者，多个凹槽沿着钻杆的内壁的纵向、轴向均为均匀设置。

在本发明中，当螺旋叶片的多层螺旋部能够承载起对松散土壤的采集回收时，通过下降至对应区域内部的螺旋叶片进行松散土壤的采集，然后按照预设速度上升回收，完成采集。

进一步地，当松散土壤的粘性较低且通过螺旋叶片的多层螺旋部无法获取对应量的样品采集回收时，在下降至对应区域时，使螺旋叶片的前端伸出钻杆，下降至松散土壤按照预设速度旋转（即为高速），以使松散土壤在旋转力的作用下向上甩入钻杆内壁开设的多个凹槽，以进行对应的松散土壤的样品采集回收，保证样品采集的量。

进一步地，螺旋叶片的多层螺旋部的顶部开设有多个通孔，每层螺旋部的内部构成一个独立腔室；当所采集的松散土壤为流沙般独立颗粒状态时，通过每层螺旋部的顶部的通孔的设置，以对此类样品进行采集回收。

本发明的第二方面提供了一种行星多功能取芯方法，该方法基于所述的行星多功能取芯钻头，包括以下步骤：步骤S100，控制一次取芯组件整体向下移动，进行样品区域的钻入并钻取初始岩芯。

步骤S200，启动升降驱动组件，以带动松散土壤取芯组件向下移动，并启动第二驱动组件对初始岩芯钻进，通过压力检测模块实时获取钻进中的实际压力值。

步骤S300，若实际压力值大于预设压力值，关闭第二驱动组件，控制升降驱动组件反转，以带动松散土壤取芯组件向上移动至初始位置；控制一次取芯组件按照预设路径向下钻进，以进行样品采集，取芯完成后，控制一次取芯组件向上移动，以回收样品。

其中，初始位置为所述螺旋叶片位于钻杆的内部。

若实际压力值小于预设压力值，并且实际压力值为平稳值，则控制松散土壤取芯组件按照预设路径继续向下移动钻进，进行样品采集；取芯完成后，松散土壤取芯组件返回至初始位置。

在本实施例中，实际压力值为平稳值表示螺母能够平稳的下降，证明为软岩及松散土壤类型的样品。

本发明的第三方面提供了一种行星多功能取芯系统，该系统包括总控中心、取芯模块、机械臂以及样品分析模块，其中，取芯模块、机械臂、样品分析模块均与总控中心信号连接。

取芯模块为上面所述的行星多功能取芯钻头；行星多功能取芯钻头装设于机械臂的端部。

总控中心控制机械臂带动行星多功能取芯钻头将采集的样品运送至样品分析模块，以进行样品的湿度、成分的信息获取。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种行星多功能取芯钻头，其特征在于，包括控制器、一次取芯组件、二次取芯组件以及连接板，所述一次取芯组件、所述二次取芯组件均与所述控制器信号连接；所述一次取芯组件、所述二次取芯组件通过所述连接板与火星车机械臂连接；所述二次取芯组件中设置有压力检测模块；

所述一次取芯组件基于所述控制器发送的指令进行样品区域的钻入并钻取初始岩芯；

所述二次取芯组件基于所述控制器发送的指令对所述初始岩芯钻进，所述控制器基于预设压力值以及所述压力检测模块获取的实际压力值，获取所述初始岩芯的类型；

若实际压力值大于预设压力值，则判定为硬岩，所述控制器控制所述二次取芯组件返回至初始位置，控制所述一次取芯组件获取所述初始岩芯；若实际压力值小于预设压力值，则判定为软岩及松散土壤，所述控制器控制所述二次取芯组件按预设路径进行样品岩芯采集。

2.根据权利要求1所述的行星多功能取芯钻头，其特征在于，所述一次取芯组件包括第一驱动组件以及岩石取芯组件；

所述第一驱动组件包括第一旋转电机以及电机支架，所述钻杆装设于所述第一旋转电机的动力输出端；所述第一旋转电机通过所述电机支架固设于所述连接板；

所述岩石取芯组件包括钻头和钻杆，所述钻头套设于所述钻杆远离所述第一旋转电机的端部；所述钻头、所述钻杆均为中空设置；所述钻杆的内部用于容纳采集的样品；

所述钻头的内部与所述钻杆的内部连通设置。

3.根据权利要求2所述的行星多功能取芯钻头，其特征在于，所述二次取芯组件包括松散土壤取芯组件、第二驱动组件以及升降驱动组件；

所述松散土壤取芯组件包括螺旋叶片、第一段旋转推杆和第二段旋转推杆，所述螺旋叶片设置于所述第一段旋转推杆的端部；所述压力检测模块设置于所述第一段旋转推杆、所述第二段旋转推杆之间，以进行所述螺旋叶片端部的实时压力监测；

所述第二段旋转推杆设置于所述第二驱动组件的动力输出端；

所述升降驱动组件包括螺杆、螺杆支架、螺杆驱动电机、螺母、滑块、导杆以及导杆固定架，

所述升降驱动组件包括导杆、滑块、螺母、螺杆以及螺杆驱动电机，所述导杆套设于所述第一段旋转推杆设置；所述滑块与所述导杆可相对滑动连接，并且所述旋转电机与所述滑块固定连接；

所述导杆通过导杆固定架固设于所述连接板；

所述螺母与所述螺杆螺纹连接，并与所述滑块固定连接；

所述螺杆设置于所述螺杆驱动电机的动力输出端；

所述螺杆通过螺杆支架固设于所述连接板。

4.根据权利要求3所述的行星多功能取芯钻头，其特征在于，所述螺杆的长度为h1，

初始状态下，所述螺旋叶片的端部到所述钻头的端部的距离为h2，h1＞h2。

5.根据权利要求4所述的行星多功能取芯钻头，其特征在于，所述第二驱动组件为第二旋转电机，用于驱动所述螺旋叶片旋转。

6.根据权利要求5所述的行星多功能取芯钻头，其特征在于，所述第二旋转电机固设于所述滑块的第一侧；

所述第一段旋转推杆的纵向轴线与所述导杆的纵向轴线平行设置；

所述螺母固设于所述滑块的第二侧；所述螺杆的纵向轴线与所述导杆的纵向轴线平行设置。

7.根据权利要求6所述的行星多功能取芯钻头，其特征在于，所述钻杆的内壁开设有多个凹槽，以在所述螺旋叶片工作时收集旋转进入所述钻杆内部的松散样品。

8.根据权利要求7所述的行星多功能取芯钻头，其特征在于，多个所述凹槽沿着所述钻杆的内壁螺旋均匀设置。

9.一种行星多功能取芯方法，其特征在于，该方法基于权利要求8中所述的行星多功能取芯钻头，包括以下步骤：

步骤S100，控制所述一次取芯组件整体向下移动，进行样品区域的钻入并钻取初始岩芯；

步骤S200，启动升降驱动组件，以带动所述松散土壤取芯组件向下移动，并启动所述第二驱动组件对所述初始岩芯钻进，通过所述压力检测模块实时获取钻进中的实际压力值；

步骤S300，若实际压力值大于预设压力值，关闭所述第二驱动组件，控制升降驱动组件反转，以带动所述松散土壤取芯组件向上移动至初始位置；

控制所述一次取芯组件按照预设路径向下钻进，以进行样品采集，取芯完成后，控制所述一次取芯组件向上移动，以回收样品；所述初始位置为所述螺旋叶片位于所述钻杆的内部；

若实际压力值小于预设压力值，并且所述实际压力值为平稳值，则控制所述松散土壤取芯组件按照预设路径继续向下移动钻进，进行样品采集；取芯完成后，所述松散土壤取芯组件返回至初始位置。

10.一种行星多功能取芯系统，其特征在于，该系统包括总控中心、取芯模块、机械臂以及样品分析模块，所述取芯模块、所述机械臂、所述样品分析模块均与所述总控中心信号连接；

所述取芯模块为权利要求8中所述的行星多功能取芯钻头；所述行星多功能取芯钻头装设于所述机械臂的端部；

所述总控中心控制所述机械臂带动行星多功能取芯钻头将采集的样品运送至所述样品分析模块，以进行样品的湿度、成分的信息获取。

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