CN115163060B - 一种钳式驱动星球深层采样的钻进系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钳式驱动星球深层采样的钻进系统，包括钻杆夹持机构、震击机构以及驱动机构，钻杆夹持机构与震击机构同轴布置且钻杆夹持机构位于震击机构的下方，驱动机构分别与钻杆夹持机构与震击机构传动连接并驱动钻杆夹持机构与震击机构运行，使震击机构对钻杆夹持机构进行击震，并使钻杆夹持机构夹紧或松开钻杆；钻杆夹持机构中部设有轴向贯穿自身的第一钻杆通道，震击机构中部设有轴向贯穿自身的第二钻杆通道，第一钻杆通道与第二钻杆通道同轴布置且用于钻杆穿过。本发明可利用震击机构对钻杆夹持机构进行击震，使钻进系统在钻进过程中给钻杆一定的震击能领，促进钻进采样过程。方便航天员从上部通过钻杆通道持续增加新的钻杆，操作方便。

Description

一种钳式驱动星球深层采样的钻进系统

技术领域

本发明涉及星球深层采样技术领域，例如月壤钻进技术领域，具体涉及一种钳式驱动星球深层采样的钻进系统。

背景技术

月球样品采集是在月表选择性地采集各种类型、具有重大科学价值的月球样品。深层采集月球样品可追溯到阿波罗时代，阿波罗登月计划的重大成果即体现在采集回的月球样品，以及全世界围绕这些样品、经过长达半个世纪的研究所取得的大量新发现。6次阿波罗月球样品采集活动总计采回了381.7Kg月球样品，其中颗粒小于1cm的样品约24Kg，这些样品大多数在约翰逊太空中心进行初步粒度分选，其中1cm以上的部分仅有1.3Kg。此外，苏联的Luna探月任务返回了301g月球样品。我国已开展的嫦娥5号采样任务获得了约200g的样品，但是该设备安装在着陆器侧面，系统设备依赖着陆器能力。前人的相关工作勾勒出了月球表面的基本状况，但也对月球深层样品收集工作提出了更高的挑战。

月球上的第一批取样孔是由美国Apollo 11宇航员们于1969年钻成的 (如图1所示)。Apollo 11宇航员用地质锤把铝质管形取土器打入月壤壤，取出了第一批15cm深的样品(直径20mm)。但无论怎样用力打击，取土器都无法达到更大的深度。宇航员认为，1965年设计的取土器管靴结构不适应该深度Y壤的强度，土样在取土器内锥面下被压实、变形。为此，Apollo 12 采用改进型外锥面取土器，但3名宇航员仍要花费35～40min来取样。取芯管外径2.8cm内径2cm，长度39.9cm，总体重量约327g。钻头主要有直管型和锥型两种，直管型只能取疏松的表土采样，而对相对密实的Y壤则效果不佳，12和14任务该换为锥型头。通过锤击，最大贯入深度可达70cm。但该采样方式不具备普适性，依赖松软的土壤特性。

在后期15～17任务中，取样钻机装备Apollo Lunar Surface Drill(ALSD) 取代了压入/贯入式取样，成为主要的深度采样装备。ALSD属于“螺旋钻杆+ 螺旋岩心管和取心装置+硬质合金钻头”的组合式取心钻进。应用电池包供电，钻机驱动钻头和钻管，施加振击辅助旋转钻进，进行深度方向钻进过程中以钻管接管的方式补充，最后通过扳子撬起钻杆来回收取芯样品。整套装备包括电池包(16个氧化锌-银电池)、电机(2270振击/分钟，280RPM)、热保护套、钛合金钻管(外径2.5cm，内径2cm，长度42.5cm，共6根)、碳化钨钻头(6cm长，5个镶块)、踏板(起到稳定安装和钻进、撬起钻管的支座等作用)、撬起钻管用的扳子、放置进行热流实验探测装置的扩孔钻管组(硼增强的玻纤复合材料)，ALSD采样包总质量13.4kg，功率430W，钻速280RPM，振击频率约37.8Hz。钻机自重11.8kg，钻压来自钻机自重和宇航员的体重。最深钻进达到近3m。

Apollo月球深层采样钻机在每次接管时，需要先将钻机与钻杆脱离，在连接新的钻杆后，再将钻机与钻杆连接，宇航员需要多次拆卸钻机与钻杆，操作不便。

发明内容

本发明为了解决星球深层采样技术在钻杆与钻进系统连接过程中操作不变的问题，提供了一种钳式驱动星球深层采样的钻进系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种钳式驱动星球深层采样的钻进系统，包括钻杆夹持机构、震击机构以及驱动机构，所述钻杆夹持机构与所述震击机构同轴布置且所述钻杆夹持机构位于所述震击机构的下方，所述驱动机构分别与所述钻杆夹持机构与所述震击机构传动连接并驱动钻杆夹持机构与震击机构运行，使所述震击机构对钻杆夹持机构进行击震，并使所述钻杆夹持机构夹紧或松开钻杆；所述钻杆夹持机构中部设有轴向贯穿自身的第一钻杆通道，所述震击机构中部设有轴向贯穿自身的第二钻杆通道，所述第一钻杆通道与所述第二钻杆通道同轴布置且用于钻杆穿过。

本发明的有益效果是：本发明的一种钳式驱动星球深层采样的钻进系统，通过设置钻杆夹持机构以及震击机构，可以利用震击机构对钻杆夹持机构进行击震，使钻进系统在钻进过程中给钻杆一定的震击能领，促进钻进采样过程。通过设置第一钻杆通道和第二钻杆通道，方便航天员从上部持续增加新的钻杆，操作方便。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述钻杆夹持机构包括驱动轴、轴承、夹紧块驱动块、夹紧块导向座以及多个夹紧块，所述驱动轴、轴承以及夹紧块驱动块中部均具有用于钻杆通过的第一钻杆通道；所述驱动轴的一端通过轴承与夹紧块驱动块转动连接，所述夹紧块驱动块的外侧壁上设有多个楔形驱动结构，多个所述夹紧块分别滑动连接在多个楔形驱动结构上且能够在楔形驱动结构的驱动下合拢或打开；所述夹紧块导向座为圆环形且套设在多个所述夹紧块的外侧，所述夹紧块导向座的内侧壁上设有多个导向槽，多个所述夹紧块还分别能够径向滑动的设置在多个导向槽内；所述驱动机构与所述夹紧块导向座传动连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置多个楔形驱动结构，当驱动轴轴向运动的时候，可以推动夹紧块驱动块轴向运动，夹紧块驱动块可以利用自身的楔形驱动结构驱动夹紧块在导向槽内径向运动，实现多个夹紧块对钻杆的夹紧。

进一步，所述夹紧块驱动块的外侧壁上设有多个沿所述夹紧块驱动块外周切向方向开口的楔形槽，所述夹紧块上设有L型的导向板，所述导向板滑动设置在对应的楔形槽内且与楔形槽的内侧壁适配滑动接触。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置L型的导向板，方便与楔形驱动结构的楔形槽配合紧密。

进一步，所述导向槽为T型槽结构，所述夹紧块的主体部分也采用T型块结构，所述夹紧块背离所述夹紧块驱动块的一端为夹持端，所述夹紧块的夹持端径向向内延伸。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置T型槽结构的导向槽以及 T型块结构，方便夹紧块在导向槽内径向滑动而不会轴向松脱。

进一步，所述钻杆夹持机构包括U型夹持块，所述U型夹持块具有U 型的第一钻杆通道，所述U型夹持块内设有多个钻杆夹持块以及驱动部，所述驱动部驱动多个钻杆夹持块均朝向所述U型的第一钻杆通道内伸出或摆出，或所述驱动部驱动多个钻杆夹持块均从所述U型的第一钻杆通道内缩回或摆回。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置U型夹持块，可以利用驱动部直接驱动钻杆夹持块摆动或直线运动，实现对钻杆的夹紧。

进一步，所述驱动机构包括夹紧驱动机构，所述夹紧驱动机构包括通过齿轮啮合传输动力的第一动力输出齿轮轴和夹紧驱动齿轮轴，所述夹紧驱动齿轮轴上活动套设有夹紧驱动齿轮以及花键连接有夹紧驱动块，所述夹紧驱动块能够沿所述夹紧驱动齿轮轴轴向移动并与夹紧驱动齿轮离合连接配合，所述夹紧驱动齿轮轴上设有夹紧动力输入齿轮，所述夹紧动力输入齿轮与钻杆夹持机构传动连接并驱动所述钻杆夹持机构转动。

采用上述进一步方案的有益效果是：夹紧驱动机构采用离合机构，可以根据需要将动力传输至钻杆夹持机构以及震击机构，可以实现螺旋钻进模式 +击震模式、击震模式以及螺旋钻进模式的切换。

进一步，所述夹紧驱动机构还包括夹紧传动轴，所述夹紧传动轴上活动套设有第一转速传动齿轮和第二转速传动齿轮，所述夹紧传动轴上还花键连接有转速切换块，所述转速切换块能够沿所述夹紧传动轴轴向移动并与第一转速传动齿轮和第二转速传动齿轮离合连接配合；所述夹紧动力输入齿轮包括第一夹紧动力输入齿轮和第二夹紧动力输入齿轮，所述第一夹紧动力输入齿轮和第二夹紧动力输入齿轮分别与所述第一转速传动齿轮和第二转速传动齿轮啮合；所述夹紧传动轴上设有夹紧动力输出齿轮，所述夹紧动力输出齿轮连接并驱动钻杆夹持机构转动。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置转速切换块，可以调整转速切换块不同位置，从而调整钻杆夹持机构输出转速。

进一步，所述震击机构包括震击驱动轴、震击套筒以及震击弹簧，所述震击驱动轴与驱动机构连接并在驱动机构的驱动下进行旋转运动；所述震击弹簧以及震击套筒均套设在所述震击驱动轴上，所述震击弹簧一端与所述震击驱动轴连接，另一端与所述震击套筒连接；所述震击套筒与所述震击驱动轴之间通过凸轮机构配合，并在震击弹簧的作用下使震击套筒击震钻杆夹持机构。

采用上述进一步方案的有益效果是：可以利用凸轮机构实现震击套筒对钻杆夹持机构的击震。

进一步，所述震击驱动轴的外侧壁上设有凸轮导向块，所述震击套筒背离所述震击弹簧的一侧设有震击凸轮，所述震击凸轮套设在所述震击套筒内且与震击套筒间隔布置，所述震击凸轮与所述凸轮导向块的凸轮表面适配接触；所述震击套筒覆盖在所述震击凸轮以及凸轮导向块的外侧。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过凸轮导向块与震击凸轮的配合，可以使击震凸轮在凸轮导向块上移动，在击震弹簧的作用下，实现震击凸轮的轴向运动，进而实现震击套筒的轴向运动。

进一步，所述震击机构还包括导向外壳，所述导向外壳套设在所述震击驱动轴、震击弹簧以及震击套筒的外侧，所述导向外壳一端固定在所述震击驱动轴上，所述导向外壳的另一端与所述凸轮机构间隔布置，所述震击套筒布置在所述导向外壳与所述凸轮机构之间的间隔中；所述导向外壳上设有导向孔，所述震击套筒上设有导向滑块，所述导向滑块滑动设置在所述导向孔内。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置导向外壳，可以实现震击套筒沿导向外壳的轴向运动。

进一步，所述驱动机构还包括震击驱动机构，所述震击驱动机构包括通过齿轮啮合传输动力的第二动力输出齿轮轴和震击驱动齿轮轴，所述震击驱动齿轮轴上活动套设有震击驱动齿轮以及花键连接有震击驱动块，所述震击驱动块能够沿所述震击驱动齿轮轴轴向移动并与震击驱动齿轮离合连接配合，所述震击驱动齿轮与震击机构传动连接并驱动所述震击机构运行。

采用上述进一步方案的有益效果是：击震机构也采用离合机构，可以根据需要将动力传输至钻杆夹持机构以及震击机构，可以实现螺旋钻进模式+ 击震模式、击震模式以及螺旋钻进模式的切换。

进一步，还包括钻机外壳，所述钻杆夹持机构、震击机构以及驱动机构均设置在所述钻机外壳内，所述钻机外壳上设有手持把手或所述钻机外壳可移动的设置在传输机构上。

采用上述进一步方案的有益效果是：钻进系统可以应用于不同工作场景，既可以作为航天员手持钻机使用，也可以配合传输机构，作为自动进给钻机使用。

附图说明

图1为本发明钳式驱动星球深层采样的钻进系统的内部结构示意图；

图2为本发明具体实施方式一的钻杆夹持机构的内部结构示意图；

图3为本发明具体实施方式一的钻杆夹持机构的立体结构示意图一；

图4为本发明具体实施方式一的钻杆夹持机构的立体结构示意图二；

图5为本发明夹紧块分开状态结构示意图；

图6为本发明夹紧块合拢状态结构示意图；

图7为本发明具体实施方式二的钻杆夹持机构未夹持钻杆的结构示意图；

图8为本发明具体实施方式二的钻杆夹持机构夹持钻杆的结构示意图；

图9为本发明震击机构的内部结构示意图；

图10为本发明驱动机构的结构示意图；

图11为本发明手持式钻进系统的结构示意图；

图12为本发明自动式钻进系统的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、钻杆夹持机构；2、驱动电机；3、震击机构；4、驱动机构；5、钻机外壳；6、电池；7、电机控制板；8、钻杆夹持块；9、滚轮；10、U型夹持块；

101、夹紧块；102、夹紧块导向座；103、导向座外盖板；104、夹紧动力输入齿轮；105、驱动轴；106、内部芯管；107、夹紧操作手柄；108、夹紧传动轴；109、夹紧块驱动块；110、第一钻杆通道；112、楔形槽；113、导向板；114、T型块结构；115、夹持端；116、导向槽；

201、震击驱动轴；202、弹簧预紧调整座；203、导向外壳；204、震击弹簧；205、震击凸轮；206、导向滑块；207、震击套筒；208、震击传动齿轮；209、滚珠；210、凸轮导向块；

300、手持把手；301、支架；302、自动进给机构；

401、动力输出齿轮轴；402、夹紧驱动齿轮轴；403、夹紧驱动块；404、夹紧驱动齿轮；405、夹紧传动轴；406、第一转速传动齿轮；407、转速切换块；408、第二转速传动齿轮；409、夹紧动力输出齿轮；410、震击动力输出齿轮；411、震击齿轮；412、震击传动轴；413、震击驱动齿轮；414、震击驱动块；415、震击驱动齿轮轴；416、转速切换旋钮；417、功能切换旋钮；

500、钻杆。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1～图12所示，本实施例的一种钳式驱动星球深层采样的钻进系统，包括钻杆夹持机构1、震击机构3以及驱动机构4，所述钻杆夹持机构1与所述震击机构3同轴布置且所述钻杆夹持机构1位于所述震击机构3的下方，所述驱动机构4分别与所述钻杆夹持机构1与所述震击机构3传动连接并驱动钻杆夹持机构1与震击机构3运行，使所述震击机构3对钻杆夹持机构1 进行击震，并使所述钻杆夹持机构1夹紧或松开钻杆500；所述钻杆夹持机构1中部设有轴向贯穿自身的第一钻杆通道110，所述震击机构3中部设有轴向贯穿自身的第二钻杆通道，所述第一钻杆通道110与所述第二钻杆通道同轴布置且用于钻杆500穿过。钻杆夹持机构1能够夹紧钻杆并带动其旋转，在钻进采样过程中震击机构3的震击力能够直接作用于钻杆夹持机构1上，给采样的钻杆一定的震击能量，以此来促进钻进和钻杆内部土壤的输运。

为了方便传动，还可以在第一钻杆通道110内设置内部芯管106，内部芯管106主要是为了防止钻杆夹持机构1的运动部件与土壤接触，起到密封作用，也便于钻杆500通过。

本实施例的钻杆夹持机构1可以采用多种结构形式。本实施例提供了两种可选方案，分别如下所示。

钻杆夹持机构1的具体实施方式一，如图2～图6所示，所述钻杆夹持机构1包括驱动轴105、轴承、夹紧块驱动块109、夹紧块导向座102以及多个夹紧块101，所述驱动轴105、轴承以及夹紧块驱动块109中部均具有用于钻杆500通过的第一钻杆通道110；所述驱动轴105的一端通过轴承与夹紧块驱动块109转动连接，所述夹紧块驱动块109的外侧壁上设有多个楔形驱动结构，多个所述夹紧块101分别滑动连接在多个楔形驱动结构上且能够在楔形驱动结构的驱动下合拢或打开；所述夹紧块导向座102为圆环形且套设在多个所述夹紧块101的外侧，所述夹紧块导向座102的内侧壁上设有多个导向槽116，多个所述夹紧块101还分别能够径向滑动的设置在多个导向槽116内；所述驱动机构4与所述夹紧块导向座102传动连接。通过设置多个楔形驱动结构，当驱动轴轴向运动的时候，可以推动夹紧块驱动块轴向运动，夹紧块驱动块可以利用自身的楔形驱动结构驱动夹紧块在导向槽内径向运动，实现多个夹紧块对钻杆的夹紧。

如图3所示，该具体实施方式一的所述夹紧块驱动块109的外侧壁上设有多个沿所述夹紧块驱动块109外周切向方向开口的楔形槽112，所述夹紧块101上设有L型的导向板113，所述导向板113滑动设置在对应的楔形槽 112内且与楔形槽112的内侧壁适配滑动接触。通过设置L型的导向板，方便与楔形驱动结构的楔形槽配合紧密。沿从驱动轴到夹紧块的方向，多个楔形槽倾斜布置且逐渐靠拢。

如图3和图4所示，该具体实施方式一的所述导向槽116为T型槽结构，所述夹紧块101的主体部分也采用T型块结构114，所述夹紧块101背离所述夹紧块驱动块109的一端为夹持端115，所述夹紧块101的夹持端115径向向内延伸。通过设置T型槽结构的导向槽以及T型块结构，方便夹紧块在导向槽内径向滑动而不会轴向松脱。

如图2所示，该具体实施方式一的所述夹紧块导向座102的外侧壁上设有导向座外盖板103，可以对夹紧块导向座102进行保护，起到密封作用。所述夹紧块导向座102上还设有夹紧传动轴108，所述夹紧传动轴108套设在夹紧块驱动块109外侧且底部与夹紧块导向座102固定连接，所述夹紧传动轴108上设有夹紧动力输入齿轮104，所述夹紧动力输入齿轮104套设在所述驱动轴105上。所述驱动机构4与夹紧动力输入齿轮104传动连接并驱动夹紧传动轴108以及夹紧块导向座102旋转。

为了方便操作，可在驱动轴105上设置夹紧操作手柄107，通过操作夹紧操作手柄107，可以实现驱动轴105的轴向运动。

钻杆夹持机构1的具体实施方式二，如图7和图8所示，所述钻杆夹持机构1包括U型夹持块10，所述U型夹持块10具有U型的第一钻杆通道 110，所述U型夹持块10内设有多个钻杆夹持块8以及驱动部，所述驱动部驱动多个钻杆夹持块8均朝向所述U型的第一钻杆通道110内伸出或摆出，或所述驱动部驱动多个钻杆夹持块8均从所述U型的第一钻杆通道110内缩回或摆回。具体的，如图7和图8所示，所述钻杆夹持块8的自由端可以设置滚轮9，方便对钻杆进行滚动夹持。所述驱动部可以采用微型电机并配合齿轮齿条进行驱动，驱动部还可以采用气缸进行直推驱动。通过设置U型夹持块，可以利用驱动部直接驱动钻杆夹持块摆动或直线运动，实现对钻杆的夹紧。具体的，所述钻杆夹持块8为三个并呈等边三角形布置。航天员手持钻进系统可直接从侧面U型开口位置将钻杆与钻进系统连接，然后操作钻进系统上操作按钮，将三个钻杆夹持块8同时自动伸出夹紧钻杆，然后启动钻机，三个钻杆夹持块8同时旋转带动钻杆做旋转运动向下钻进。当钻进系统下部钻杆全部钻进至土壤后，操作操作按钮，打开U型夹持块10，从U型开口位置取下钻杆，连接新的钻杆后，重复上述布置，直钻进至目标深度。

如图10所示，本实施例的所述驱动机构4包括夹紧驱动机构，所述夹紧驱动机构包括通过齿轮啮合传输动力的第一动力输出齿轮轴和夹紧驱动齿轮轴402，所述夹紧驱动齿轮轴402上活动套设有夹紧驱动齿轮404以及花键连接有夹紧驱动块403，所述夹紧驱动块403能够沿所述夹紧驱动齿轮轴402轴向移动并与夹紧驱动齿轮404离合连接配合，所述夹紧驱动齿轮轴 402上设有夹紧动力输入齿轮，所述夹紧动力输入齿轮与钻杆夹持机构1传动连接并驱动所述钻杆夹持机构1转动。夹紧驱动机构采用离合机构，可以根据需要将动力传输至钻杆夹持机构以及震击机构，可以实现螺旋钻进模式+击震模式、击震模式以及螺旋钻进模式的切换。

如图10所示，本实施例的所述夹紧驱动机构还包括夹紧传动轴405，所述夹紧传动轴405上活动套设有第一转速传动齿轮406和第二转速传动齿轮 408，所述夹紧传动轴405上还花键连接有转速切换块407，所述转速切换块 407能够沿所述夹紧传动轴405轴向移动并与第一转速传动齿轮406和第二转速传动齿轮408离合连接配合；所述夹紧动力输入齿轮包括第一夹紧动力输入齿轮和第二夹紧动力输入齿轮，所述第一夹紧动力输入齿轮和第二夹紧动力输入齿轮分别与所述第一转速传动齿轮406和第二转速传动齿轮408啮合；所述夹紧传动轴405上设有夹紧动力输出齿轮409，所述夹紧动力输出齿轮409连接并驱动钻杆夹持机构1转动。通过设置转速切换块，可以调整转速切换块不同位置，从而调整钻杆夹持机构输出转速。

其中，如图10所示，本实施例的夹紧驱动机构的驱动过程为，通过第一动力输出齿轮轴带动与之啮合的夹紧驱动齿轮404转动，由于夹紧驱动块 403的设置，可以实现夹紧驱动齿轮轴402与夹紧驱动齿轮404之间的离合传动，夹紧驱动齿轮轴402带动与之传动连接的夹紧传动轴405，夹紧传动轴405利用第一转速传动齿轮406和第二转速传动齿轮408实现不同转速的切换，进而带动驱动轴105上的夹紧动力输入齿轮104旋转，夹紧动力输入齿轮104带动夹紧块导向座102旋转，夹紧块导向座102带动多个夹紧块101 以及夹紧块驱动块109相对于驱动轴105转动。驱动轴105可在夹紧操作手柄107的带动下轴向运动，进而带动与之通过轴承连接的夹紧块驱动块109 轴向运动，夹紧块驱动块109利用自身的楔形结构驱动多个夹紧块101合拢或打开。

如图9所示，本实施例的所述震击机构3包括震击驱动轴201、震击套筒207以及震击弹簧204，所述震击驱动轴201与驱动机构4连接并在驱动机构4的驱动下进行旋转运动；所述震击弹簧204以及震击套筒207均套设在所述震击驱动轴201上，所述震击弹簧204一端与所述震击驱动轴201连接，另一端与所述震击套筒207连接；所述震击套筒207与所述震击驱动轴 201之间通过凸轮机构配合，并在震击弹簧204的作用下使震击套筒207击震钻杆夹持机构1。可以利用凸轮机构实现震击套筒对钻杆夹持机构的击震。

如图9所示，本实施例的所述震击驱动轴201的外侧壁上设有凸轮导向块210，所述震击套筒207背离所述震击弹簧204的一侧设有震击凸轮205，所述震击凸轮205套设在所述震击套筒207内且与震击套筒207间隔布置，所述震击凸轮205与所述凸轮导向块210的凸轮表面适配接触，为了使震击凸轮205在所述凸轮导向块210的凸轮表面运动更加顺畅，可以在凸轮导向块210上设置滚珠209；所述震击套筒207覆盖在所述震击凸轮205以及凸轮导向块210的外侧。通过凸轮导向块与震击凸轮的配合，可以使击震凸轮在凸轮导向块上移动，在击震弹簧的作用下，实现震击凸轮的轴向运动，进而实现震击套筒的轴向运动。

如图9所示，本实施例的所述震击机构3还包括导向外壳203，所述导向外壳203套设在所述震击驱动轴201、震击弹簧204以及震击套筒207的外侧，所述导向外壳203一端固定在所述震击驱动轴201上，所述导向外壳 203的另一端与所述凸轮机构间隔布置，所述震击套筒207布置在所述导向外壳203与所述凸轮机构之间的间隔中；所述导向外壳203上设有导向孔，所述震击套筒207上设有导向滑块206，所述导向滑块206滑动设置在所述导向孔内。通过设置导向外壳，可以实现震击套筒沿导向外壳的轴向运动。

如图9所示，本实施例的所述导向外壳203内设有弹簧预紧调整座202，可以通过调整弹簧预紧调整座202，调整震击弹簧204的预紧力。

如图9所示，本实施例的震击驱动轴201上设有震击传动齿轮208，驱动机构4可以与震击传动齿轮208传动连接，并通过震击传动齿轮208带动震击驱动轴201旋转。

如图10所示，本实施例的所述驱动机构4还包括震击驱动机构，所述震击驱动机构包括通过齿轮啮合传输动力的第二动力输出齿轮轴和震击驱动齿轮轴415，所述震击驱动齿轮轴415上活动套设有震击驱动齿轮413以及花键连接有震击驱动块414，所述震击驱动块414能够沿所述震击驱动齿轮轴415轴向移动并与震击驱动齿轮413离合连接配合，所述震击驱动齿轮 413与震击机构3传动连接并驱动所述震击机构3运行。击震机构也采用离合机构，可以根据需要将动力传输至钻杆夹持机构以及震击机构，可以实现螺旋钻进模式+击震模式、击震模式以及螺旋钻进模式的切换。

如图10所示，本实施例的一个可选方案为，还包括震击传动轴412，所述震击传动轴412上设有震击齿轮411和震击动力输出齿轮410，所述震击驱动齿轮轴415上设有击震动力输入齿轮，所述震击动力输入齿轮与震击齿轮411啮合，所述震击动力输出齿轮410与震击传动齿轮208啮合并驱动震击传动齿轮208转动。震击传动齿轮208带动与之固定连接的震击驱动轴201 转动，震击驱动轴201利用凸轮导向块210驱动震击凸轮205轴向运动，进而带动震击套筒207轴向往复运动。

其中，夹紧驱动机构和震击驱动机构的动力来源可以采用同一个驱动电机2。第一动力输出齿轮轴、第二动力输出齿轮轴可以采用同一根动力输出齿轮轴401，即可以通过驱动电机2驱动动力输出齿轮轴401旋转。

如图11和12所示，本实施例的钻进系统还包括钻机外壳5，所述钻杆夹持机构1、震击机构3以及驱动机构4均设置在所述钻机外壳5内，所述钻机外壳5上设有手持把手300或所述钻机外壳5可移动的设置在传输机构上。所述传输机构包括支架301和自动进给机构302，所述自动进给机构302 固定在所述支架301上，可将钻机外壳5固定在自动进给机构302上且能够在自动进给机构302的驱动下竖直运动。其中自动进给机构302可以采用丝杠传动机构。钻进系统可以应用于不同工作场景，既可以作为航天员手持钻机使用，也可以配合传输机构，作为自动进给钻机使用。

手持钻进模式使用时，航天员双手握住钻进系统的手持把手，将钻杆的钻头置于需要取样位置，启动钻进系统开关，向下钻进，当钻杆全部进入星球土壤后，航天员从钻进系统的钻杆通道位置连接新的钻杆，连接完成后手动操作夹持操作手柄，打开钻杆夹持机构，向上抬起该钻进系统至钻管最顶端，操作夹持操作手柄，关闭钻杆夹持机构，夹紧钻杆，继续钻进。循环以上步骤，直至钻进至目标深度。

自动钻进模式使用时，将此钻进系统安装在带有自动进给装置的支架上，航天员通过操作支架上的自动钻进操作按钮，实现钻机自动钻进。当钻进系统运动到支架最下端时，航天员手动打开钻机侧面的夹持操作手柄，从而打开钻杆夹持机构后，操作支架上向上运动按钮，将钻进系统运动至支架最顶端后，航天员手动关闭钻机侧面的夹持操作手柄，夹紧钻杆后按下自动钻机按钮，继续钻进。当所连接钻杆全部钻进入星球土壤后，航天员从钻进系统上端连接新的钻杆，继续循环以上操作，直至钻进到目标深度。

如图1所示，本实施例的钻机外壳5内还可以设置电池6和电机控制板 7，电机控制板7分别与电池6以及驱动电机2连接。本实施例的所述钻机外壳5上设有功能切换旋钮417以及转速切换旋钮416，所述转速切换旋钮 416与转速切换块407传动连接，并通过旋转转速切换旋钮416驱动转速切换块407离合动作。所述功能切换旋钮417分别与震击驱动块414以及夹紧驱动块403传动连接，通过功能切换旋钮可以控制旋转驱动块和震击驱动块的位置，从而实现钻进系统在震击功能和夹紧功能之间切换。

本实施例的一种钳式驱动星球深层采样的钻进系统，存在五种不同的工作模式，分别为低速螺旋钻进模式+击震模式、高速螺旋钻进模式+击震模式、击震模式、低速螺旋钻进模式以及高速螺旋钻进模式，钻进系统可以在多种工作模式中自由切换，用来应对不同的采样工况。螺旋钻进模式高速与低速的调整可以通过夹紧驱动块与第一转速传动齿轮或第二转速传动齿轮离合实现。

本实施例的一种钳式驱动星球深层采样的钻进系统，通过设置钻杆夹持机构以及震击机构，可以利用震击机构对钻杆夹持机构进行击震，使钻进系统在钻进过程中给钻杆一定的震击能领，促进钻进采样过程。通过设置第一钻杆通道和第二钻杆通道，方便航天员从上部持续增加新的钻杆，操作方便。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种钳式驱动星球深层采样的钻进系统，其特征在于，包括钻杆夹持机构、震击机构以及驱动机构，所述钻杆夹持机构与所述震击机构同轴布置且所述钻杆夹持机构位于所述震击机构的下方，所述驱动机构分别与所述钻杆夹持机构与所述震击机构传动连接并驱动钻杆夹持机构与震击机构运行，使所述震击机构对钻杆夹持机构进行击震，并使所述钻杆夹持机构夹紧或松开钻杆；所述钻杆夹持机构中部设有轴向贯穿自身的第一钻杆通道，所述震击机构中部设有轴向贯穿自身的第二钻杆通道，所述第一钻杆通道与所述第二钻杆通道同轴布置且用于钻杆穿过；

所述钻杆夹持机构包括驱动轴、轴承、夹紧块驱动块、夹紧块导向座以及多个夹紧块，所述驱动轴、轴承以及夹紧块驱动块中部均具有用于钻杆通过的第一钻杆通道；所述驱动轴的一端通过轴承与夹紧块驱动块转动连接，所述夹紧块驱动块的外侧壁上设有多个楔形驱动结构，多个所述夹紧块分别滑动连接在多个楔形驱动结构上且能够在楔形驱动结构的驱动下合拢或打开；所述夹紧块导向座为圆环形且套设在多个所述夹紧块的外侧，所述夹紧块导向座的内侧壁上设有多个导向槽，多个所述夹紧块还分别能够径向滑动的设置在多个导向槽内；所述驱动机构与所述夹紧块导向座传动连接；

所述震击机构包括震击驱动轴、震击套筒以及震击弹簧，所述震击驱动轴与驱动机构连接并在驱动机构的驱动下进行旋转运动；所述震击弹簧以及震击套筒均套设在所述震击驱动轴上，所述震击弹簧一端与所述震击驱动轴连接，另一端与所述震击套筒连接；所述震击套筒与所述震击驱动轴之间通过凸轮机构配合，并在震击弹簧的作用下使震击套筒击震钻杆夹持机构；

所述驱动机构还包括震击驱动机构，所述震击驱动机构包括通过齿轮啮合传输动力的第二动力输出齿轮轴和震击驱动齿轮轴，所述震击驱动齿轮轴上活动套设有震击驱动齿轮以及花键连接有震击驱动块，所述震击驱动块能够沿所述震击驱动齿轮轴轴向移动并与震击驱动齿轮离合连接配合，所述震击驱动齿轮与震击机构传动连接并驱动所述震击机构运行。

2.根据权利要求1所述一种钳式驱动星球深层采样的钻进系统，其特征在于，所述夹紧块驱动块的外侧壁上设有多个沿所述夹紧块驱动块外周切向方向开口的楔形槽，所述夹紧块上设有L型的导向板，所述导向板滑动设置在对应的楔形槽内且与楔形槽的内侧壁适配滑动接触。

3.根据权利要求1所述一种钳式驱动星球深层采样的钻进系统，其特征在于，所述导向槽为T型槽结构，所述夹紧块的主体部分也采用T型块结构，所述夹紧块背离所述夹紧块驱动块的一端为夹持端，所述夹紧块的夹持端径向向内延伸。

4.根据权利要求1所述一种钳式驱动星球深层采样的钻进系统，其特征在于，所述钻杆夹持机构包括U型夹持块，所述U型夹持块具有U型的第一钻杆通道，所述U型夹持块内设有多个钻杆夹持块以及驱动部，所述驱动部驱动多个钻杆夹持块均朝向所述U型的第一钻杆通道内伸出或摆出，或所述驱动部驱动多个钻杆夹持块均从所述U型的第一钻杆通道内缩回或摆回。

5.根据权利要求1所述一种钳式驱动星球深层采样的钻进系统，其特征在于，所述驱动机构包括夹紧驱动机构，所述夹紧驱动机构包括通过齿轮啮合传输动力的第一动力输出齿轮轴和夹紧驱动齿轮轴，所述夹紧驱动齿轮轴上活动套设有夹紧驱动齿轮以及花键连接有夹紧驱动块，所述夹紧驱动块能够沿所述夹紧驱动齿轮轴轴向移动并与夹紧驱动齿轮离合连接配合，所述夹紧驱动齿轮轴上设有夹紧动力输入齿轮，所述夹紧动力输入齿轮与钻杆夹持机构传动连接并驱动所述钻杆夹持机构转动。

6.根据权利要求5所述一种钳式驱动星球深层采样的钻进系统，其特征在于，所述夹紧驱动机构还包括夹紧传动轴，所述夹紧传动轴上活动套设有第一转速传动齿轮和第二转速传动齿轮，所述夹紧传动轴上还花键连接有转速切换块，所述转速切换块能够沿所述夹紧传动轴轴向移动并与第一转速传动齿轮和第二转速传动齿轮离合连接配合；所述夹紧动力输入齿轮包括第一夹紧动力输入齿轮和第二夹紧动力输入齿轮，所述第一夹紧动力输入齿轮和第二夹紧动力输入齿轮分别与所述第一转速传动齿轮和第二转速传动齿轮啮合；所述夹紧传动轴上设有夹紧动力输出齿轮，所述夹紧动力输出齿轮连接并驱动钻杆夹持机构转动。

7.根据权利要求1所述一种钳式驱动星球深层采样的钻进系统，其特征在于，所述震击驱动轴的外侧壁上设有凸轮导向块，所述震击套筒背离所述震击弹簧的一侧设有震击凸轮，所述震击凸轮套设在所述震击套筒内且与震击套筒间隔布置，所述震击凸轮与所述凸轮导向块的凸轮表面适配接触；所述震击套筒覆盖在所述震击凸轮以及凸轮导向块的外侧。

8.根据权利要求1所述一种钳式驱动星球深层采样的钻进系统，其特征在于，所述震击机构还包括导向外壳，所述导向外壳套设在所述震击驱动轴、震击弹簧以及震击套筒的外侧，所述导向外壳一端固定在所述震击驱动轴上，所述导向外壳的另一端与所述凸轮机构间隔布置，所述震击套筒布置在所述导向外壳与所述凸轮机构之间的间隔中；所述导向外壳上设有导向孔，所述震击套筒上设有导向滑块，所述导向滑块滑动设置在所述导向孔内。

9.根据权利要求1所述一种钳式驱动星球深层采样的钻进系统，其特征在于，还包括钻机外壳，所述钻杆夹持机构、震击机构以及驱动机构均设置在所述钻机外壳内，所述钻机外壳上设有手持把手或所述钻机外壳能够移动的设置在传输机构上。

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