CN212535531U - 一种多功能火星钻机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多功能火星钻机，包括进给机构、旋转机构、冲击机构、取芯切断机构和夹刀机构，所述进给机构驱动旋转机构、冲击机构、取芯切断机构、密封机构和夹刀机构沿火星土壤的深度方向滑动；所述旋转机构对火星土壤进行旋转钻孔，所述冲击机构对火星土壤进行冲击而破开火星土壤中的岩石；所述取芯切断机构将旋转机构钻取的火星土壤从钻孔内切断，所述夹刀机构将旋转机构的刀具锁紧或松开而实现刀具的更换。本实用新型可同时实现钻进取芯、样芯切断、旋转冲击、换刀装夹和样品密封的功能，使火星钻机能够实现多功能高效采样。

Description

一种多功能火星钻机

技术领域

本实用新型属于空间资源探测技术领域，尤其是指一种多功能火星钻机。

背景技术

随着科学技术和各国经济的飞速发展，自太空时代开始，人类开始计划对地球空间以外的深空进行探测。深空探测不仅可以满足人类对于未知宇宙的强烈好奇心，探索宇宙未知奥秘，而且是获取太阳系演变历史以及外太空生命存在证据的必要手段。深空探测可以为人类拓展更为广大的活动及生存空间，给人类长久延续带来可能的福音。几十年以来，世界各航天大国(如美国、前苏联、欧空局、日本等)陆续对月球、小行星、火星以及彗星等进行了不同程度的探测，并取得一定的研究成果。目前，深空探测已成为各航天大国的国家战略计划，且是一个国家科技实力的有力象征。

中国火星二期探测计划将可能对火星进行采样。对火星土壤进行采样探测不仅是获取火星演变历史、地质情况的有力手段，而且是获取火星生命体存在证据及火星壤详细特性的最直接有效方式。已有火星壤采样探测结果表明，火星上存在有大量的水冰、远古海洋以及生命体所需一系列元素。目前对火星壤进行采样探测的主要方式有：铲挖、钻探式、研磨式、鼹鼠式、穿透式及爪簧式，在获取火星壤样品后对其进行原位分析。其中钻探式采样方法用途广泛，其既能完成松散表层样品的采集，也可以进行深层火星壤采样。由于太空辐射等不利因素的存在，火星壤表层土壤中可能存在的微生物将被杀死或消散。因此，为了获取火星生命体存在的证据及火星壤深度方向上的土壤特性，为后期火星探测及开发计划奠定更好的基础，进行钻探式采样的火星探测装置的研究意义重大。

在钻取的过程中，往往会遇到硬质岩心，这会对钻取工作造成阻碍而无法运动高效、可靠的保证钻取进度。同时，单次采样结束之后管的更换与存储问题也值得探究。随着机器人技术的发展，使用械臂获取火星土壤样本成为了探索火星的重要手段。而其中，机械臂末端执行器结构复杂度，耐久度差，且质量体积大，这样会增加设备的故障率和降低运载火箭的运载能力，不利用火箭对其它设备进行运载。因此，设计一个兼备旋转与冲击的取芯结构对于钻进过程来说必不可少。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对上述问题，提供一种多功能火星钻机，可同时实现钻进取芯、样芯切断、旋转冲击、换刀装夹和样品密封的功能，使火星钻机能够实现多功能高效采样。

本实用新型的目的可采用以下技术方案来达到：

一种多功能火星钻机，包括进给机构、旋转机构、冲击机构、取芯切断机构和夹刀机构，所述进给机构驱动旋转机构、冲击机构、取芯切断机构、密封机构和夹刀机构沿火星土壤的深度方向滑动；所述旋转机构对火星土壤进行旋转钻孔，所述冲击机构对火星土壤进行冲击而破开火星土壤中的岩石；所述取芯切断机构将旋转机构钻取的火星土壤从钻孔内切断，所述夹刀机构将旋转机构的刀具锁紧或松开而实现刀具的更换。

作为一种优选的方案，所述进给机构包括机架，设于机架上的进给电机，可旋转安装于机架上的丝杆，与丝杆螺纹传感连接的螺母，固定安装于机架上的导轨，以及可滑动安装于导轨上的滑块，所述螺母固定安装于滑块上，且进给电机的转轴与丝杆连接；在电机驱动丝杆旋转时，丝杆带动螺母和滑块沿着导轨的长度方向滑动。

作为一种优选的方案，所述旋转机构包括旋转电机，与旋转电机的转轴连接的第一主动轮，与第一主动轮啮合的第一从动轮，用于对火星土壤进行旋转钻孔的刀具，以及套设于刀具上的直线轴承，所述第一从动轮安装于刀具上。

作为一种优选的方案，所述取芯切断机构包括驱动电机，可旋转且偏心套设于刀具内的偏心管，与驱动电机的转轴连接的第二主动轮，与第二主动轮啮合的第二从动轮，以及用于与第二从动轮连接的主轴，所述主轴与偏心管连接；在驱动电机驱动第二主动轮带动第二从动轮旋转时，主轴驱动偏心管产生偏心旋转而将偏心管内的火星土壤切断。

作为一种优选的方案，所述冲击机构包括摇摆电机，与摇摆电机连接的连接轴，安装于连接轴上的摇摆轴承，连接于摇摆轴承外圈上的摆动杆，与摆动杆铰接的冲击块，设于所述主轴与冲击块之间的气缸，以及套设于冲击块上的直线轴承；在摇摆电机驱动连接轴旋转时，摇摆轴承的外圈摆动而带动摆动杆摆动，摆动杆带动冲击块撞击气缸而使气缸撞击主轴。

作为一种优选的方案，所述夹刀机构包括夹持电机，与夹持电机的转轴连接的第三主动轮，与第三主动轮啮合的第三从动轮，可滑动套设于第三从动轮内且与第三从动轮螺纹传动连接的套筒，以及与刀具螺纹连接的固定套；所述固定套上开有通孔，所述刀具的外壁上开有卡槽，且通孔套设有活动滚珠；所述套筒内壁上设有突起，在第三从动轮驱动套筒向活动滚珠方向滑动时，所述突起顶压活动滚珠而将活动滚珠的下部卡接入卡槽内，从而将刀具锁紧在固定套上，所述活动滚珠下部的体积小于其体积的一半；当第三从动轮驱动套筒反向滑动时，所述突起松开活动滚珠而对刀具进行解锁。

作为一种优选的方案，所述冲击块上设有插槽，所述摆动杆的一端可滑动插入插槽内。

作为一种优选的方案，所述摇摆电机通过第四主动轮和第四从动轮与连接轴连接，所述第四主动轮和第四从动轮相啮合，所述第四从动轮与连接轴固定连接。

作为一种优选的方案，所述摇摆轴承的内圈表面与外部的内表面上均加工有带滚子的倾斜凹槽；当摇摆电机驱动连接轴带动摇摆轴承的内圈旋转时，滚子沿倾斜凹槽滚动而驱动摇摆轴承的外圈前后摆动。

作为一种优选的方案，所述多功能火星钻机上还设有刀库，所述刀库包括储刀管，以及设于储刀管两端且与刀管固定连接的支撑架；所述储刀管内设有用于与刀具螺纹固定连接的内螺纹，用于缓冲刀具的弹簧，以及用于安装弹簧的底座。

作为一种优选的方案，所述多功能火星钻机上设有将进给机构、旋转机构、冲击机构、取芯切断机构和夹刀机构密封的密封机构。

实施本实用新型，具有如下有益效果：

1、本实用新型在工作时，旋转机构对火星土壤进行旋转钻孔，同时进给机构带动旋转机构、冲击机构、取芯切断机构、密封机构和夹刀机构沿着钻孔的深度方向移动，同时在钻孔的过程中，冲击机构向旋转机构施加冲击力而破开火星土壤中的岩石，从而能更加顺利和快速地钻出所需深度的钻孔。本旋转机构的刀具为内部空心结构。随着旋转机构的刀具深入火星土壤中，采样的火星土壤会进入刀具内，并在取芯切断机构的作用下将刀具内钻取的火星土壤从钻孔内切断，从而实现从火星土壤中采样的功能。并且，针对火星上不同位置的土壤的性质不同，通过夹刀机构将旋转机构的刀具锁紧或松开，可以实现对刀具的类型进行更换，适用范围广，使用更加方便和可靠。

2、本实用新型本结构采用了偏心分离结构，其优点在于该钻取方案中，不同于其他分离土壤的方法，无需考虑从样品根部进行夹断而是采用偏心分离土壤的方法；在钻进的过程同时利用偏心管与刀具的中心不同而产生剪切力，将样品从土壤中分离，其运动实施过程为：(1)取样阶段时，此时刀具与偏心管同轴；(2)切断阶段，偏心管绕轴心逆时针旋转，且旋转角度分别为45°、90°与180°；当偏心管绕轴心旋转至180°时，偏心管与轴心位置的偏移量最大，即此时已完成切断工作。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型多功能火星钻机的结构示意图。

图2是本实用新型多功能火星钻机的进给机构的内部结构示意图。

图3是本实用新型多功能火星钻机的内部结构示意图。

图4是图3在拆卸下进给机构后的结构示意图。

图5是本实用新型多功能火星钻机的冲击机构的内部结构示意图。

图6是本实用新型多功能火星钻机的取芯切断机构的内部结构示意图。

图7是本实用新型多功能火星钻机的夹刀机构的内部结构示意图。

图8是本实用新型多功能火星钻机的旋转机构的内部结构示意图。

图9是本实用新型多功能火星钻机的刀库与钻机的安装结构示意图。

图10是图9的刀库沿中心轴线的剖视图。

图11是本实用新型多功能火星钻机的刀库沿中心轴线的剖视图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

参照图1至图4，本实施例涉及多功能火星钻机，包括进给机构1、旋转机构2、冲击机构3、取芯切断机构4和夹刀机构5，所述进给机构1驱动旋转机构2、冲击机构3、取芯切断机构4、密封机构和夹刀机构5沿火星土壤的深度方向滑动；所述旋转机构2对火星土壤进行旋转钻孔，所述冲击机构3对火星土壤进行冲击而破开火星土壤中的岩石；所述取芯切断机构4将旋转机构2钻取的火星土壤从钻孔内切断，所述夹刀机构5将旋转机构2的刀具锁紧或松开而实现刀具的更换。

在工作时，旋转机构2对火星土壤进行旋转钻孔，同时进给机构1带动旋转机构2、冲击机构3、取芯切断机构4、密封机构和夹刀机构5沿着钻孔的深度方向移动，同时在钻孔的过程中，冲击机构3向旋转机构2施加冲击力而破开火星土壤中的岩石，从而能更加顺利和快速地钻出所需深度的钻孔。本旋转机构2的刀具为内部空心结构。随着旋转机构2的刀具深入火星土壤中，采样的火星土壤会进入刀具内，并在取芯切断机构4的作用下将刀具内钻取的火星土壤从钻孔内切断，从而实现从火星土壤中采样的功能。并且，针对火星上不同位置的土壤的性质不同，通过夹刀机构5将旋转机构2的刀具锁紧或松开，可以实现对刀具的类型进行更换，适用范围广，使用更加方便和可靠。

所述进给机构1包括机架11，设于机架上的进给电机12，可旋转安装于机架11上的丝杆121，与丝杆121螺纹传感连接的螺母13，固定安装于机架11上的导轨14，以及可滑动安装于导轨14上的滑块15，所述螺母13固定安装于滑块15上，且进给电机12的转轴与丝杆121连接；在电机驱动丝杆121旋转时，丝杆121带动螺母13和滑块15沿着导轨14的长度方向滑动。

在旋转机构2对火星土壤进行旋转钻孔时，进给电机12驱动丝杆121旋转。由于螺母13在滑块15和导轨14构成的滑动副的作用下，导轨14只能沿着的长度方向滑动，从而丝杆121带动螺母13和旋转机构2、冲击机构3、取芯切断机构4和夹刀机构5沿着钻孔的深度方向移动。

如图1和图8所示，所述旋转机构2包括旋转电机21，与旋转电机21的转轴连接的第一主动轮22，与第一主动轮22啮合的第一从动轮23，用于对火星土壤进行旋转钻孔的刀具24，以及套设于刀具24上的直线轴承26，所述第一从动轮23安装于刀具24上。

在采样时，旋转电机21通过第一主动轮22和第一从动轮23旋转，进而带动刀具24旋转。在冲击机构3对刀具24进行冲击以破开火星土壤中的岩石时，冲击机构3对刀具24施加周期性的冲击力，使刀具24可以沿着直线轴承26滑动，从而使刀具24能实现周期性伸出而产生冲击的效果。

如图3、图7和图8所示，所述取芯切断机构4包括驱动电机41，可旋转且偏心套设于刀具24内的偏心管42，与驱动电机41的转轴连接的第二主动轮，与第二主动轮啮合的第二从动轮44，以及用于与第二从动轮连接的主轴25，所述主轴25与偏心管42连接；在驱动电机41驱动第二主动轮带动第二从动轮44旋转时，主轴25驱动偏心管42产生偏心旋转而将偏心管42内的火星土壤切断。

本结构采用了偏心分离结构，其优点在于该钻取方案中，不同于其他分离土壤的方法，无需考虑从样品根部进行夹断而是采用偏心分离土壤的方法；在钻进的过程同时利用偏心管42与刀具24的中心不同而产生剪切力，将样品从土壤中分离，其运动实施过程为：

(1)取样阶段时，此时刀具24与偏心管42同轴；

(2)切断阶段，偏心管42绕轴心逆时针旋转，且旋转角度分别为45°、90°与180°；当偏心管42绕轴心旋转至180°时，偏心管42与轴心位置的偏移量最大，即此时已完成切断工作。

如图3和图5所示，所述冲击机构3包括摇摆电机31，与摇摆电机31连接的连接轴32，安装于连接轴32上的摇摆轴承33，连接于摇摆轴承33外圈上的摆动杆34，与摆动杆34铰接的冲击块35，设于所述主轴25与冲击块35之间的气缸36，以及套设于冲击块35上的直线轴承；在摇摆电机31驱动连接轴32旋转时，摇摆轴承33的外圈摆动而带动摆动杆34摆动，摆动杆34带动冲击块35撞击气缸36而使气缸36撞击主轴25。所述摇摆轴承33的内圈表面与外部的内表面上均加工有带滚子的倾斜凹槽331；当摇摆电机31驱动连接轴32带动摇摆轴承33的内圈旋转时，滚子330沿倾斜凹槽331滚动而驱动摇摆轴承33的外圈前后摆动。

摇摆轴承33电机为主动提供扭矩带的花键轴段转动，将扭矩借助花键传递至摇摆轴承33的内圈从而带其外圈做摇摆运动，将扭矩转化为摆动杆34的摇摆运动，再借助冲击块35的直线往复运动。冲击块35压缩气缸36中的空气并冲击主轴25。当冲击结束之时，冲击块35在摆杆作用下急退，并利用气缸36的气压差带动冲击块35做远离主轴25运动，以等待下一次冲击。该设计结构紧凑，传动链短，因此占据体积更小。

如图3和图7所示，所述夹刀机构5包括夹持电机，与夹持电机的转轴连接的第三主动轮，与第三主动轮啮合的第三从动轮53，可滑动套设于第三从动轮53内且与第三从动轮53螺纹传动连接的套筒54，以及与刀具24螺纹连接的固定套540；所述固定套540上开有通孔541，所述刀具24的外壁上开有卡槽241，且通孔541套设有活动滚珠55；所述套筒54内壁上设有突起542，在第三从动轮53驱动套筒54向活动滚珠55方向滑动时，所述突起542顶压活动滚珠55而将活动滚珠55的下部卡接入卡槽241内，从而将刀具24锁紧在固定套上，所述活动滚珠55下部的体积小于其体积的一半；当第三从动轮53驱动套筒54反向滑动时，所述突起542松开活动滚珠55而对刀具24进行解锁。

所述冲击块35上设有插槽351，所述摆动杆34的一端可滑动插入插槽351内。在摆动杆34摆的过程上，摆动杆34的一端不断在地插槽351内滑动。

为了控制连接轴32与电机之间的传动比，所述摇摆电机31通过第四主动轮和第四从动轮312与连接轴32连接，所述第四主动轮和第四从动轮312相啮合，所述第四从动轮312与连接轴32固定连接。

所述多功能火星钻机上设有将进给机构1、旋转机构2、冲击机构3、取芯切断机构4和夹刀机构5密封的密封机构6。

如图9至图11所示，为了方便刀具的更换，本实用新型的多功能火星钻机上还设有刀库7，所述刀库7包括储刀管71，以及设于储刀管71两端且与刀管固定连接的支撑架72。所述储刀管71内设有用于与刀具螺纹固定连接的内螺纹711，用于缓冲刀具的弹簧712，以及用于安装弹簧的底座713。

刀库7主要是起对整个钻机辅助作用。所述刀具24的外圆周上设有与储刀管71内的内螺纹711相连接的外螺纹101。当需要脱刀时，其过程可分成三个过程。第一个过程，旋转电机21带动刀具24拧入储刀管71内，使外螺纹101与内螺纹711密封连接。第二个过程，刀具24完成螺纹锁紧，此时夹持电机放松活动滚珠。第三个过程，进给电机12向后移动，放松的活动滚珠55被挤出，完成脱刀，这时刀具24已被存放在一个储刀管71里；而当需要进行取刀时，此过程为脱刀的逆过程。其可分为三个过程，第一个过程，钻机移动到所需刀具24所在的储刀管71处。第二个过程进给电机向前移动，夹持电机挤压活动滚珠55进入通孔541，此时夹持电机带动驱动活动滚珠锁紧刀具24。第三个过程，旋转电机21带动刀具24顺着内螺纹711拧出。从而完成取刀操作。

以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种多功能火星钻机，其特征在于，包括进给机构、旋转机构、冲击机构、取芯切断机构和夹刀机构，所述进给机构驱动旋转机构、冲击机构、取芯切断机构、密封机构和夹刀机构沿火星土壤的深度方向滑动；所述旋转机构对火星土壤进行旋转钻孔，所述冲击机构对火星土壤进行冲击而破开火星土壤中的岩石；所述取芯切断机构将旋转机构钻取的火星土壤从钻孔内切断，所述夹刀机构将旋转机构的刀具锁紧或松开而实现刀具的更换。

2.根据权利要求1所述的一种多功能火星钻机，其特征在于，所述进给机构包括机架，设于机架上的进给电机，可旋转安装于机架上的丝杆，与丝杆螺纹传感连接的螺母，固定安装于机架上的导轨，以及可滑动安装于导轨上的滑块，所述螺母固定安装于滑块上，且进给电机的转轴与丝杆连接；在电机驱动丝杆旋转时，丝杆带动螺母和滑块沿着导轨的长度方向滑动。

3.根据权利要求2所述的一种多功能火星钻机，其特征在于，所述旋转机构包括旋转电机，与旋转电机的转轴连接的第一主动轮，与第一主动轮啮合的第一从动轮，用于对火星土壤进行旋转钻孔的刀具，以及套设于刀具上的直线轴承，所述第一从动轮安装于刀具上。

4.根据权利要求3所述的一种多功能火星钻机，其特征在于，所述取芯切断机构包括驱动电机，可旋转且偏心套设于刀具内的偏心管，与驱动电机的转轴连接的第二主动轮，与第二主动轮啮合的第二从动轮，以及用于与第二从动轮连接的主轴，所述主轴与偏心管连接；在驱动电机驱动第二主动轮带动第二从动轮旋转时，主轴驱动偏心管产生偏心旋转而将偏心管内的火星土壤切断。

5.根据权利要求4所述的一种多功能火星钻机，其特征在于，所述冲击机构包括摇摆电机，与摇摆电机连接的连接轴，安装于连接轴上的摇摆轴承，连接于摇摆轴承外圈上的摆动杆，与摆动杆铰接的冲击块，设于所述主轴与冲击块之间的气缸，以及套设于冲击块上的直线轴承；在摇摆电机驱动连接轴旋转时，摇摆轴承的外圈摆动而带动摆动杆摆动，摆动杆带动冲击块撞击气缸而使气缸撞击主轴。

6.根据权利要求5所述的一种多功能火星钻机，其特征在于，所述夹刀机构包括夹持电机，与夹持电机的转轴连接的第三主动轮，与第三主动轮啮合的第三从动轮，可滑动套设于第三从动轮内且与第三从动轮螺纹传动连接的套筒，以及与刀具螺纹连接的固定套；所述固定套上开有通孔，所述刀具的外壁上开有卡槽，且通孔套设有活动滚珠；所述套筒内壁上设有突起，在第三从动轮驱动套筒向活动滚珠方向滑动时，所述突起顶压活动滚珠而将活动滚珠的下部卡接入卡槽内，从而将刀具锁紧在固定套上，所述活动滚珠下部的体积小于其体积的一半；当第三从动轮驱动套筒反向滑动时，所述突起松开活动滚珠而对刀具进行解锁。

7.根据权利要求6所述的一种多功能火星钻机，其特征在于，所述冲击块上设有插槽，所述摆动杆的一端可滑动插入插槽内。

8.根据权利要求7所述的一种多功能火星钻机，其特征在于，所述摇摆电机通过第四主动轮和第四从动轮与连接轴连接，所述第四主动轮和第四从动轮相啮合，所述第四从动轮与连接轴固定连接。

9.根据权利要求8所述的一种多功能火星钻机，其特征在于，所述摇摆轴承的内圈表面与外部的内表面上均加工有带滚子的倾斜凹槽；当摇摆电机驱动连接轴带动摇摆轴承的内圈旋转时，滚子沿倾斜凹槽滚动而驱动摇摆轴承的外圈前后摆动。

10.根据权利要求9所述的一种多功能火星钻机，其特征在于，所述多功能火星钻机上还设有刀库，所述刀库包括储刀管，以及设于储刀管两端且与刀管固定连接的支撑架；所述储刀管内设有用于与刀具螺纹固定连接的内螺纹，用于缓冲刀具的弹簧，以及用于安装弹簧的底座。

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