CN114593936A - 基于简谐小尺度周向激励的低扰动月壤取样器及取样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于简谐小尺度周向激励的低扰动月壤取样器及取样方法；月壤取样器包括支撑平台、夹持机构、转摆机构和轴向直线驱动机构；通过轴向直线驱动机构实现月壤取样过程中的上升和下降动作；通过夹持机构实现取样管的夹紧和送开；通过转摆机构将单向运动转变为周期性简谐式转动，可通过直动件一控制转轴简谐式转动的振幅，通过改变电机转速改变转轴简谐式转动的频率，使与转轴固定连接的夹持机构同步带动取样管进行简谐式转动，取样管所受轴向载荷相比采用直推贯入取样大大减小，从而降低月壤样品纹理面的扰动程度；本发明结构简单、紧凑，可靠性高，在取样管取样过程中产生较少的扰动，保护了月壤不同土壤层的结构，提高采样时的精确度。
Description
技术领域
本发明属于土壤取样器技术领域，具体涉及基于简谐小尺度周向激励的低扰动月壤取样器及取样方法。
背景技术
月球是距离地球最近的天体，以其独特的空间位置、广阔的科学探索前景，成为人类地外天体的探测和地外天体利用的首选目标，也是各国在深空探测领域进行战略性抢占的首选试验场。现阶段，对月球样品的分析是当前月球探测计划的主要目标之一。月球样品不仅包含月壳内部构造、演化历史等相关地质信息，也包含太阳系早期演化历史、太阳风性质与辐射特征、陨石撞击记录等领域的重要信息。对样品中这些相互交织的信息进行解读，是对月球、地球乃至太阳系研究的一项重大挑战和突破。探测月球表面环境、地质构造、资源与能源分布及利用前景，可以为人类社会长期的可持续发展提供支撑。月壤样品的采集与分析是月面资源探测任务中的重要环节，同时也为今后人类建立月球基地、开发月球资源提供可靠的技术支持。与松散无序的月壤样品相比，具有层理信息的剖面样品能更加充分地反映月表的地质构造、演化历史以及矿物资源的分布，是采样任务中优先选取的目标。因此设计研制一种新型月壤取样器，降低取样过程中对月壤层理结构的扰动，具有非常大的研究意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种结构简单的月壤取样器，能够在月面环境下实现月壤层理结构低扰动取样，通过将单向转动转换为小尺度周向摆动，实现取样管的简谐小尺度周向激励，降低月壤样品纹理面的扰动程度，以及降低在直推贯入取样过程中轴向载荷，通过轴向直线驱动机构实现取样管轴向同步直线位移，运动精确，通过可调节三爪卡盘装夹取样管，实现一定管径变化范围内的取样管的装夹。
本发明采用的技术方案如下：
本发明基于简谐小尺度周向激励的低扰动月壤取样器，包括支撑平台、夹持机构、转摆机构和轴向直线驱动机构；所述的轴向直线驱动机构装配在支撑平台上；所述轴向直线驱动机构的执行件为工作平台。
所述的转摆机构包括底座、转轴、U型连接件一、U型连接件二、弧形滑槽、电机一、直动件一、轴承座、调节环、传动轴、调节连杆一、调节连杆二和限位件；所述底座固定在轴向直线驱动机构的工作平台上；所述电机一通过电机固定座固定在轴向直线驱动机构的工作平台上；所述的轴承座固定在底座上；所述的传动轴与轴承座构成转动副；所述传动轴的一端与电机一的输出轴通过联轴器固定连接，另一端与弧形滑槽的外壁面固定连接；所述U型连接件二与弧形滑槽的弧形滑道构成滑动副，并与U型连接件一构成转动副；所述U型连接件一又与转轴的顶部铰接；U型连接件一与转轴铰接位置的回转中心线垂直于U型连接件二与U型连接件一之间的回转中心线；所述的转轴与底座构成转动副；两个直动件一固定在轴承座的两侧；每个直动件一的推杆前端均固定有一个限位件；所述的调节环与传动轴构成滑动副；两个限位件均嵌入调节环的环槽内；所述调节连杆一的一端与调节环铰接，另一端与调节连杆二的一端铰接；所述调节连杆二的另一端与U型连接件二铰接；所述的夹持机构与转轴底部固定。
优选地，所述的支撑平台包括滑动杆、固定环、底座平台、支撑杆、限位环和连接杆；所述的底座平台与三个支撑杆顶端均铰接，且三个支撑杆沿底座平台周向均布；所述限位环与三个连接杆的一端均铰接，且三个连接杆沿限位环周向均布；每个连接杆另一端与周向对齐的一个支撑杆靠近底端位置铰接；直动件二的缸体固定在底座平台底部，直动件二的推杆与限位环固定；三个滑动杆沿周向均布固定在底座平台顶部；所述的固定环与三个滑动杆均固定连接；所述的固定环与底座平台平行布置；所述轴向直线驱动机构的工作平台与三个滑动杆均构成滑动副。
更优选地，三个支撑杆的底端均铰接有支撑脚。
更优选地，所述的直动件二为气缸或电动缸。
优选地，所述的轴向直线驱动机构包括丝杠、工作平台、丝杠螺母和电机二；所述的电机二固定在支撑平台上；所述电机二的输出轴与丝杠通过联轴器连接；所述的工作平台与支撑平台构成滑动副；所述的丝杠与支撑平台构成转动副，且穿过工作平台上开设的通孔；所述的工作平台上固定有丝杠螺母；所述的丝杠螺母与丝杠构成螺旋副。
优选地，所述的夹持机构包括压力传感器和卡盘；所述卡盘通过压力传感器与转摆机构中的转轴底部固定连接；卡盘上夹爪的开口大小由卡盘上的旋钮来调整。
更优选地，所述夹持机构中的旋钮由电机三驱动旋转。
优选地，所述U型连接件二上固定的两个固定销与弧形滑槽构成滑动副。
优选地，所述的直动件一为气缸或电动缸。
本发明基于简谐小尺度周向激励的低扰动月壤取样器的取样方法，具体如下：
控制器控制电机三启动，将卡盘上夹爪的开口调至预设大小后，电机三停止；执行机构将取样管从箱体中取出并放置在夹爪处；电机三再次启动，控制夹爪收紧并夹紧取样管；接着，电机二启动，带动工作平台沿丝杠匀速向下运动，从而带动取样管竖直向下运动；当取样管的端面与月壤的距离达到预设距离时，控制器控制直动件一伸长推杆，推杆带动限位件运动，从而带动调节环在传动轴上向前滑动；随调节环向前滑动，使U型连接件一与转轴的轴向方向夹角增大；再接着，电机一启动，带动传动轴转动，进而带动弧形滑槽转动，使U型连接件二随弧形滑槽共同转动，并在弧形滑槽的弧形滑道内往复滑动；与U型连接件二连接的U型连接件一也往复摆动，从而使转轴能够以简谐运动的方式实现往复转动；转轴的往复转动有助于取样管钻进月壤内进行取样；随取样管取样深度的增大，取样管所受的压力逐渐增大，当压力传感器检测到取样管所受压力超过预设压力值一时，控制器控制直动件一的推杆长度也按预设规律增大，提高转轴简谐式转动的振幅，使取样管能顺利完成取样；同时，压力传感器还实时监测取样管所受压力是否超过预设压力值二，当取样管当前所受压力超过预设压力值二时，控制器控制电机二停止，防止取样管因压力过大损坏；取样完成后，电机二启动，带动取样管上升至预设高度，执行机构启动夹住夹爪处的取样管，电机三启动控制夹爪松开取样管；最后执行机构将完成取样的取样管放回至箱体内，完成一次月壤的取样及收纳。
本发明具有的有益效果是：
本发明通过轴向直线驱动机构实现月壤取样过程中的上升和下降动作；通过夹持机构实现取样管的夹紧和松开；通过转摆机构将电机一的单向运动转变为周期性简谐式转动，且可通过直动件一控制转轴简谐式转动的振幅，通过改变电机一的转速改变转轴简谐式转动的频率，使与转轴固定连接的夹持机构同步带动取样管进行简谐式转动，便于取样管进入月壤层内，取样管所受轴向载荷相比采用直推贯入取样大大减小，从而降低月壤样品纹理面的扰动程度，并且取样管不易损坏；本发明在夹持机构与转轴之间还安装有压力传感器，压力传感器能实时检测取样管下探贯入过程中所受的压力，便于后续研究取样过程中取样管所受贯入力与贯入深度的关系；本发明结构简单、紧凑，可靠性高，在取样管取样过程中随下探深度增大来调大转轴简谐式转动的振幅，能达到下探深度小时尽可能产生较少的扰动，下探深度大时又能有足够的下探力，保护了月壤不同土壤层的结构，提高采样时的精确度。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中轴向直线驱动机构与支撑平台的装配关系示意图；
图3为本发明中转摆机构的结构立体图；
图4为本发明中夹持机构的结构立体图；
图5为本发明中支撑平台的结构立体图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
本发明基于简谐小尺度周向激励的低扰动月壤取样器，如图1所示，包括支撑平台4、夹持机构3、转摆机构2和轴向直线驱动机构1；轴向直线驱动机构1装配在支撑平台4上；轴向直线驱动机构1的执行件为工作平台1-2。
如图3所示，转摆机构2包括底座2-1、转轴2-2、U型连接件一2-3、U型连接件二2-4、弧形滑槽2-5、电机一2-6、直动件一2-9、轴承座2-10、调节环2-11、传动轴2-13、调节连杆一2-12、调节连杆二2-14和限位件2-16；底座2-1固定在轴向直线驱动机构1的工作平台1-2上；电机一2-6通过电机固定座2-7固定在轴向直线驱动机构1的工作平台1-2上；轴承座2-10固定在底座2-1上；传动轴2-13与轴承座2-10构成转动副；传动轴2-13的一端与电机一2-6的输出轴通过联轴器2-8固定连接，另一端与弧形滑槽2-5的外壁面固定连接；U型连接件二2-4与弧形滑槽2-5的弧形滑道构成滑动副，并与U型连接件一2-3构成转动副；U型连接件一2-3又与转轴2-2的顶部铰接；U型连接件一2-3与转轴2-2铰接位置的回转中心线垂直于U型连接件二2-4与U型连接件一2-3之间的回转中心线；转轴2-2与底座2-1构成转动副；两个直动件一2-9固定在轴承座2-10的两侧；每个直动件一2-9的推杆前端均固定有一个限位件2-16；调节环2-11与传动轴2-13构成滑动副(具体可以是传动轴2-13上开设有键槽，调节环2-11与键槽通过滑键连接)；两个限位件2-16均嵌入调节环2-11的环槽内；调节连杆一2-12的一端与调节环2-11铰接，另一端与调节连杆二2-14的一端铰接；调节连杆二2-14的另一端与U型连接件二2-4铰接；夹持机构3与转轴2-2底部固定。
作为一个优选实施例，如图5所示，支撑平台4包括滑动杆4-1、固定环4-2、底座平台4-3、支撑杆4-4、限位环4-6和连接杆4-7；底座平台4-3与三个支撑杆4-4顶端均铰接，且三个支撑杆4-4沿底座平台4-3周向均布；限位环4-6与三个连接杆4-7的一端均铰接，且三个连接杆4-7沿限位环4-6周向均布；每个连接杆4-7另一端与周向对齐的一个支撑杆4-4靠近底端位置铰接；直动件二4-8的缸体固定在底座平台4-3底部，直动件二4-8的推杆与限位环4-6固定；三个滑动杆4-1沿周向均布固定在底座平台4-3顶部；固定环4-2与三个滑动杆4-1均固定连接；固定环4-2与底座平台4-3平行布置；轴向直线驱动机构1的工作平台1-2与三个滑动杆4-1均构成滑动副。
作为一个更优选实施例，三个支撑杆4-4的底端均铰接有支撑脚4-5；支撑脚4-5能提高稳定性。
作为一个更优选实施例，直动件二4-8为气缸或电动缸。
作为一个优选实施例，如图2所示，轴向直线驱动机构1包括丝杠1-1、工作平台1-2、丝杠螺母1-3和电机二1-5；电机二1-5固定在支撑平台4上(具体可以是固定在支撑平台4的底座平台4-3底部)；电机二1-5的输出轴与丝杠1-1通过联轴器连接；工作平台1-2与支撑平台4构成滑动副(具体可以是与支撑平台4中的三个滑动杆4-1均构成滑动副)；丝杠1-1与支撑平台4构成转动副(具体可以是丝杠1-1两端通过轴承1-4分别支承在支撑平台4的底座平台4-3和固定环4-2上)，且穿过工作平台1-2上开设的通孔；工作平台1-2上固定有丝杠螺母1-3；丝杠螺母1-3与丝杠1-1构成螺旋副。优选地，丝杠1-1、丝杠螺母1-3和电机二1-5组成的组件可以设置沿周向均布的两个。
作为一个优选实施例，如图4所示，夹持机构3包括压力传感器3-1和卡盘3-2；卡盘3-2通过压力传感器3-1与转摆机构2中的转轴2-2底部固定连接；卡盘3-2采用现有成熟技术，比如三爪卡盘；卡盘3-2上夹爪3-4的开口大小由卡盘3-2上的旋钮3-3来调整。
作为一个更优选实施例，夹持机构3中的旋钮3-3由电机三驱动旋转(图中未示出)。
作为一个优选实施例，U型连接件二2-4上固定的两个固定销2-15与弧形滑槽2-5构成滑动副。
作为一个优选实施例，直动件一2-9为气缸或电动缸。
电机一2-6、电机二1-5、电机三、直动件一2-9、直动件二4-8和压力传感器3-1均与控制器连接；电机一2-6、电机三、直动件一2-9、直动件二4-8和电机二1-5均受控制器控制。
在上述各项实施例均具备的情况下，本发明基于简谐小尺度周向激励的低扰动月壤取样器的取样方法，具体如下：
直动件二4-8带动限位环4-6下降，限位环4-6带动各连接杆4-7使各支撑杆4-4展开；然后通过执行机构(如智能机械臂等)将该基于简谐小尺度周向激励的低扰动月壤取样器放置在取样场所；控制器控制电机三启动，将卡盘3-2上夹爪3-4的开口调至预设大小后，电机三停止；执行机构将取样管从箱体中取出并放置在夹爪3-4处；电机三再次启动，控制夹爪3-4收紧并夹紧取样管；接着，电机二1-5启动，带动工作平台1-2沿丝杠1-1匀速向下运动，从而带动取样管竖直向下运动；当取样管的端面与月壤的距离达到预设距离时，控制器控制直动件一2-9伸长推杆，推杆带动限位件2-16运动，从而带动调节环2-11在传动轴2-13上向前滑动；随调节环2-11向前滑动，使U型连接件一2-3与转轴2-2的轴向方向夹角增大；再接着，电机一2-6启动，带动传动轴2-13转动，进而带动弧形滑槽2-5转动，使U型连接件二2-4随弧形滑槽2-5共同转动，并在弧形滑槽2-5的弧形滑道内往复滑动；与U型连接件二2-4连接的U型连接件一2-3也往复摆动，从而使转轴2-2能够以简谐运动的方式实现往复转动；转轴2-2的往复转动有助于取样管钻进月壤内进行取样；随取样管取样深度的增大，取样管所受的压力逐渐增大，当压力传感器3-1检测到取样管所受压力超过预设压力值一时，控制器控制直动件一2-9的推杆长度也按预设规律增大，提高转轴2-2简谐式转动的振幅，使取样管能顺利完成取样；同时，压力传感器3-1还实时监测取样管所受压力是否超过预设压力值二，当取样管当前所受压力超过预设压力值二时，控制器控制电机二1-5停止，防止取样管因压力过大损坏；取样完成后，电机二1-5启动，带动取样管上升至预设高度，执行机构启动夹住夹爪3-4处的取样管，电机三启动控制夹爪3-4松开取样管；最后执行机构将完成取样的取样管放回至箱体内，完成一次月壤的取样及收纳。
Claims (10)
1.基于简谐小尺度周向激励的低扰动月壤取样器，包括支撑平台、夹持机构和轴向直线驱动机构，其特征在于：还包括转摆机构；所述的轴向直线驱动机构装配在支撑平台上；所述轴向直线驱动机构的执行件为工作平台；
所述的转摆机构包括底座、转轴、U型连接件一、U型连接件二、弧形滑槽、电机一、直动件一、轴承座、调节环、传动轴、调节连杆一、调节连杆二和限位件；所述底座固定在轴向直线驱动机构的工作平台上；所述电机一通过电机固定座固定在轴向直线驱动机构的工作平台上；所述的轴承座固定在底座上；所述的传动轴与轴承座构成转动副；所述传动轴的一端与电机一的输出轴通过联轴器固定连接，另一端与弧形滑槽的外壁面固定连接；所述U型连接件二与弧形滑槽的弧形滑道构成滑动副，并与U型连接件一构成转动副；所述U型连接件一又与转轴的顶部铰接；U型连接件一与转轴铰接位置的回转中心线垂直于U型连接件二与U型连接件一之间的回转中心线；所述的转轴与底座构成转动副；两个直动件一固定在轴承座的两侧；每个直动件一的推杆前端均固定有一个限位件；所述的调节环与传动轴构成滑动副；两个限位件均嵌入调节环的环槽内；所述调节连杆一的一端与调节环铰接，另一端与调节连杆二的一端铰接；所述调节连杆二的另一端与U型连接件二铰接；所述的夹持机构与转轴底部固定。
2.根据权利要求1所述的基于简谐小尺度周向激励的低扰动月壤取样器，其特征在于：所述的支撑平台包括滑动杆、固定环、底座平台、支撑杆、限位环和连接杆；所述的底座平台与三个支撑杆顶端均铰接，且三个支撑杆沿底座平台周向均布；所述限位环与三个连接杆的一端均铰接，且三个连接杆沿限位环周向均布；每个连接杆另一端与周向对齐的一个支撑杆靠近底端位置铰接；所述直动件二的缸体固定在底座平台底部，直动件二的推杆与限位环固定；三个滑动杆沿周向均布固定在底座平台顶部；所述的固定环与三个滑动杆均固定连接；所述的固定环与底座平台平行布置；所述轴向直线驱动机构的工作平台与三个滑动杆均构成滑动副。
3.根据权利要求2所述的基于简谐小尺度周向激励的低扰动月壤取样器，其特征在于：三个支撑杆的底端均铰接有支撑脚。
4.根据权利要求2所述的基于简谐小尺度周向激励的低扰动月壤取样器，其特征在于：所述的直动件二为气缸或电动缸。
5.根据权利要求1所述的基于简谐小尺度周向激励的低扰动月壤取样器，其特征在于：所述的轴向直线驱动机构包括丝杠、工作平台、丝杠螺母和电机二；所述的电机二固定在支撑平台上；所述电机二的输出轴与丝杠通过联轴器连接；所述的工作平台与支撑平台构成滑动副；所述的丝杠与支撑平台构成转动副，且穿过工作平台上开设的通孔；所述的工作平台上固定有丝杠螺母；所述的丝杠螺母与丝杠构成螺旋副。
6.根据权利要求5所述的基于简谐小尺度周向激励的低扰动月壤取样器，其特征在于：所述的夹持机构包括压力传感器和卡盘；所述卡盘通过压力传感器与转摆机构中的转轴底部固定连接；卡盘上夹爪的开口大小由卡盘上的旋钮来调整。
7.根据权利要求6所述的基于简谐小尺度周向激励的低扰动月壤取样器，其特征在于：所述夹持机构中的旋钮由电机三驱动旋转。
8.根据权利要求1所述的基于简谐小尺度周向激励的低扰动月壤取样器，其特征在于：所述U型连接件二上固定的两个固定销与弧形滑槽构成滑动副。
9.根据权利要求1所述的基于简谐小尺度周向激励的低扰动月壤取样器，其特征在于：所述的直动件一为气缸或电动缸。
10.根据权利要求7所述的基于简谐小尺度周向激励的低扰动月壤取样器的取样方法，其特征在于：具体如下：
控制器控制电机三启动，将卡盘上夹爪的开口调至预设大小后，电机三停止；执行机构将取样管从箱体中取出并放置在夹爪处；电机三再次启动，控制夹爪收紧并夹紧取样管；接着，电机二启动，带动工作平台沿丝杠匀速向下运动，从而带动取样管竖直向下运动；当取样管的端面与月壤的距离达到预设距离时，控制器控制直动件伸长推杆，推杆带动限位件运动，从而带动调节环在传动轴上向前滑动；随调节环向前滑动，使U型连接件一与转轴的轴向方向夹角增大；然后，电机一启动，带动传动轴转动，进而带动弧形滑槽转动，使U型连接件二随弧形滑槽共同转动，并在弧形滑槽的弧形滑道内往复滑动；与U型连接件二连接的U型连接件一也往复摆动，从而使转轴能够以简谐运动的方式实现往复转动；随取样管取样深度的增大，当压力传感器检测到取样管所受压力超过预设压力值一时，控制器控制直动件的推杆长度也按预设规律增大，提高转轴简谐式转动的振幅，使取样管能顺利完成取样；同时，压力传感器还实时监测取样管所受压力是否超过预设压力值二，当取样管当前所受压力超过预设压力值二时，控制器控制电机二停止；取样完成后，电机二启动，带动取样管上升至预设高度，执行机构启动夹住夹爪处的取样管，电机三启动控制夹爪松开取样管；最后执行机构启动将完成取样的取样管放回至箱体内。
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| CN202210204656.XA CN114593936A (zh) | 2022-03-02 | 2022-03-02 | 基于简谐小尺度周向激励的低扰动月壤取样器及取样方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210204656.XA CN114593936A (zh) | 2022-03-02 | 2022-03-02 | 基于简谐小尺度周向激励的低扰动月壤取样器及取样方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN114593936A true CN114593936A (zh) | 2022-06-07 |
Family
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Family Applications (1)
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| CN202210204656.XA Pending CN114593936A (zh) | 2022-03-02 | 2022-03-02 | 基于简谐小尺度周向激励的低扰动月壤取样器及取样方法 |
Country Status (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115539028A (zh) * | 2022-10-31 | 2022-12-30 | 深圳大学 | 月壤高低频复合冲击式取芯方案和装置 |
-
2022
- 2022-03-02 CN CN202210204656.XA patent/CN114593936A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115539028A (zh) * | 2022-10-31 | 2022-12-30 | 深圳大学 | 月壤高低频复合冲击式取芯方案和装置 |
| CN115539028B (zh) * | 2022-10-31 | 2024-05-14 | 深圳大学 | 月壤高低频复合冲击式取芯方案和装置 |
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