一種用于小行星探測的鉆取抓鏟式復合采樣器裝置及其使用方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于小行星探測的鉆取抓鏟式復合采樣器裝置及其使用方法。所述的裝置包括進給機構、鉆取機構、抓鏟機構和安裝板；所述的使用方法步驟為1)電機復位；2)檢查電機；3)抓鏟電機采樣；4)檢驗鏟子；5)鉆桿旋轉向下運動；6)檢驗鉆桿；7)提升鉆桿；8)檢驗鉆桿；9)取樣；10)檢驗取樣管；11)鉆取機構向上運動；12)檢驗微動開關觸頭；13)進給電機停止；14)檢驗采樣器；15)排樣；16)檢驗鏟子；17)排樣；18)檢驗取樣管；19)復位；所述鉆取抓鏟式復合采樣器裝置及其使用方法既可在小行星表面樣品進行采集，又可進行深層采樣，可保持樣品的層理信息，有采樣量大、樣品種類多、保持樣品原樣等優點。
【專利說明】一種用于小行星探測的鉆取抓鏟式復合采樣器裝置及其使用方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于空間探測【技術領域】，具體來說，是一種用于小行星探測的鉆取抓鏟式復合采樣器裝置及其使用方法。
【背景技術】
[0002]小行星是太陽系形成后的物質殘余，也是太陽系中的重要成員，它保留了太陽系的形成和早期演化的遺跡，反映了其形成過程的物理化環境，因而是人類了解太陽系起源、形成和演變的重要載體。并且，小行星上有豐富的鐵、鎳和銅等金屬，有的含有金和鉬等貴金屬及稀有元素，如第16號靈神星，其直徑為250公里，按計算估計有5億噸鐵、5000萬億噸鎳，還有數億噸其它的稀有金屬。目前，在大量近地小行星中已經識別出了鉬族金屬元素礦床，早期的研究表明最普遍的C型小行星表面物質富含碳和水，同時包含多種與生命有關的重要有機分子，科學家在隕石中發現有豐富的有機物質，這些碳物質中含有類似氨基酸的成分，是蛋白質的基本原料。因此，對小行星進行深空探測有十分重大的科學意義。
[0003]近年來，世界各國對小行星進行了多方面的探測，從早期的發展飛越到目前的小行星低空繞軌勘探，再發展到小行星表面軟著陸和采集樣品計劃。2003年日本發射了 “繆斯-C”探測器，它完成了 5個月的觀測以及樣品采集工作，還獲取了小行星地形、地貌和地質結構等大量信息。但是，我國還未發射過小行星探測器，為了提高我國的小行星深空探測能力，更充分地了解小行星的地理構造與表面環境，除了實現對小行星的軟著陸，還需對小行星的表面物質進行取樣分析。
[0004]目前國內外星球采樣器的形式，主要分為鉆取式采樣器、抓鏟式采樣器、仿生式采樣器、投射式采樣器和復合式采樣器。其中，鉆取式采樣器是最常選用的采樣器，其發展相對來說比較成熟，既可以采集大量的深層樣品，又可保持樣品的層理信息，但無法采集表層松散土壤樣品；抓鏟式采樣器結構簡單，操作靈活，但只能采集表層松散土壤樣品，不能保持樣品的層理信息；仿生式采樣器采樣方式新穎，體積和功耗較小，但是采集樣品深度淺，采樣量少，研究和試驗也尚未成熟；投射式采樣器結構簡單，通過投射彈強烈碰撞小行星表面，收集飛濺的樣品來采樣，采樣量小，通過驗證采樣效果也并不理想；復合式采樣器是運用多種采樣手段相結合的方式進行采樣，容易達到采樣量、保持樣品層理信息、采樣深度等要求，是一種多功能采樣器，由于復合式采樣器集成了多種采樣方式的優點，在技術水平達到并且實驗條件成熟的情況下，相對前幾種采樣方式來說，無疑是深空探測最好的一種采樣器。但復合式采樣器的體積和功耗也相對較大，同時，整體的采樣系統需要集成多種功能，如果能按預期目標實現功能則需要較高的技術支持和大量的測試實驗驗證。
【發明內容】
[0005]本發明針對小行星微重力、高低溫、強輻射和高真空的特殊環境，為了解決傳統小行星采樣器存在采樣量小，樣品種類少，難以保持樣品層理信息和結構復雜等問題，提出一種用于小行星探測的鉆取抓鏟式復合采樣器裝置及其使用方法。
[0006]本發明鉆取抓鏟式復合采樣器裝置包括進給機構、鉆取機構、抓鏟機構和安裝板；所述安裝板用于將進給機構、鉆取機構、抓鏟機構連接成一個整體，安裝在著陸器上采樣機械臂的末端。
[0007]所述進給機構主要由進給電機、聯軸器A、進給絲杠、光軸、微動開關觸頭、上框架和下框架組成。
[0008]上框架和下框架均采用L型板材結構；分為水平面和垂直面；上框架和下框架的水平面相對平行放置；垂直面通過螺釘固定在安裝板上；進給電機輸出軸通過聯軸器A連接進給絲杠，進給絲杠的上端和下端分別固定在上框架和下框架的水平面上；進給電機提供驅動力，驅動進給絲杠做旋轉運動，進給絲杠的螺旋長度決定了鉆取抓鏟式復合采樣器能夠達到的鉆取深度；
[0009]上框架和下框架之間通過光軸固定座安裝了兩根光軸，用于鉆取機構的導向，兩根光軸和進給絲杠均立式平行放置，橫截面呈三角形排列。上框架的水平面上靠近進給絲杠的地方安裝有一個微動開關觸頭，用于觸發鉆取機構上的微動開關，用來限定鉆取機構的上限位置。
[0010]所述鉆取機構主要由旋轉組件和取樣組件構成，還包括:進給絲杠螺母，直線軸承，鉆桿固定板以及一維力傳感器；所述的旋轉組件主要有旋轉電機，大齒輪，小齒輪和鉆桿。所述的取樣組件主要由取樣電機，取樣絲杠，彈簧套筒，取樣彈簧，取樣管和鉆心組成。
[0011]取樣電機通過取樣電機端蓋固定在齒輪保護蓋上，取樣電機的輸出軸和取樣絲杠固聯，取樣絲杠通過螺紋連接彈簧套筒；彈簧套筒內放置取樣彈簧；取樣彈簧通過取樣管螺母連接取樣管，取樣電機驅動取樣絲杠做旋轉運動，帶動彈簧套筒上下運動，從而帶動取樣管上下運動；
[0012]旋轉電機通過鍵連接小齒輪，小齒輪和大齒輪嚙合傳動，大齒輪也通過鍵連接鉆桿，因此旋轉電機通過齒輪傳動驅動鉆桿旋轉運動，進而切削樣品。
[0013]將進給絲杠穿入進給絲杠螺母并配合傳動，進給絲杠螺母固連在鉆桿固定板上，兩根光軸分別穿過兩個直線軸承，直線軸承固連在鉆桿固定板上；因此當進給電機驅動進給絲杠旋轉運動時，帶動進給絲杠螺母沿進給絲杠軸向上下運動，直線軸承沿著光軸做上下運動，從而帶動鉆桿固定板在豎直方向來回運動，進而帶動鉆桿上下運動。
[0014]鉆桿內部為中空結構，其底部中空部分間隙配合安裝取樣管；鉆桿上下部分別開有2個銷孔，用于安裝鉆桿定位銷；取樣管底部為中空形式，間隙配合安裝鉆心，鉆心上開有2個銷孔,鉆心銷孔的位置與鉆桿下部銷孔的位置相對,取樣管上下部各有2個銷釘槽，通過將鉆桿定位銷穿過取樣管的銷釘槽和鉆心的銷孔固定安裝在鉆桿的銷孔中，通過將鉆桿定位銷和鉆心采用過盈配合的方式固定，實現鉆桿定位銷的定位。
[0015]因此取樣管向下運動時，鉆桿定位銷相對于取樣管在銷釘槽內向上運動，限制取樣管上限位置，取樣管下端伸出鉆桿，取樣管底端中空部分將對土壤樣品進行采樣，完成樣品的取樣；當取樣管向上運動時，鉆桿定位銷和鉆心相對于取樣管在銷釘槽內向下運動，迫使采集的土壤排出到樣品容器中；放樣時，取樣管與樣品容器對接，通過壓縮取樣彈簧調整取樣管的位置使其與樣品容器保持相同高度。
[0016]所述抓鏟機構用以采集小行星的表層樣品，主要由抓鏟電機、聯軸器B、滾珠絲杠、絲杠螺母、連桿、抓鏟支座和鏟子組成。
[0017]抓鏟電機的輸出軸通過聯軸器B連接滾珠絲杠，滾珠絲杠上端通過軸承D連接-下框架，滾珠絲杠下端通過軸承E連接抓鏟支座，抓鏟支座固定在下框架上，滾珠絲杠上通過絲杠螺母連接連桿，連桿兩端分別安裝在絲杠螺母和鏟子上；鏟子通過鉸鏈安裝在抓鏟支座上，因此，抓鏟電機驅動滾珠絲杠旋轉運動，帶動絲杠螺母在豎直方向上往復運動，進而控制鏟子的開合，從而采集樣品。
[0018]本發明鉆取抓鏟式復合采樣器裝置的使用方法具體步驟為:
[0019]第一步、控制各個電機進行復位；
[0020]將鉆取抓鏟式復合采樣器安裝在著陸器上機械臂末端，啟動進給電機控制進給絲杠旋轉，帶動進給絲杠螺母達到最上限的位置，使微動開關觸頭觸發微動開關，進給電機停止轉動，鉆取機構停在上限位置；啟動取樣電機，控制取樣絲杠旋轉運動，帶動彈簧套筒向上運動到最上端時取樣管底部與鉆桿齊平；啟動抓鏟電機驅動滾珠絲杠旋轉運動，使絲杠螺母向下運動，帶動連桿控制鏟子達到張開的最大狀態。
[0021]第二步、判斷各電機是否復位；如果否，則重復第一步，如果復位，則進行第三步操作；
[0022]第三步、抓鏟電機驅動鏟子采樣；
[0023]啟動抓鏟電機，驅動滾珠絲杠旋轉運動，帶動絲杠螺母向上運動，配合連桿控制鏟子慢慢合攏進行采樣；
[0024]第四步、判斷鏟子是否完全合攏，如果否，則重復第三步操作，如果是，進行如下操作后進入第五步；
[0025]當鏟子完全合攏時，抓鏟電機停止工作，機械臂將鉆取抓鏟式復合采樣器整體豎直提升，直至鏟子底部完全脫離小行星表面。
[0026]第五步、鉆桿旋轉向下運動；
[0027]啟動進給電機,驅動進給絲杠做旋轉運動，帶動進給絲杠螺母向下運動，從而帶動鉆桿開始向下運動。同時啟動旋轉電機，驅動小齒輪和大齒輪旋轉運動，帶動鉆桿做旋轉運動，開始切削土壤和巖石樣品。一維力傳感器會實時監測進給力的數值，并反饋給鉆取抓鏟式復合采樣器的控制系統，從而調節進給機構的進給速度。
[0028]第六步、檢驗鉆桿是否進給到設定的深度，如果沒有達到，則重復操作第五步，如果已經達到設定的深度，則進行第七步操作；
[0029]第七步、提升鉆桿到設定的距離；
[0030]當鉆桿旋轉切削到設定深度時，旋轉電機和進給電機反向旋轉，帶動鉆桿反向向上旋轉；
[0031]第八步、鉆桿是否提升到設定的距離；如果否，則重復操作第七步，如果達到，則進行第九步操作；
[0032]第九步、取樣管進行取樣；
[0033]鉆桿向上提升到設定距離后，進給電機停止工作，同時啟動取樣電機，通過驅動取樣絲杠旋轉運動，帶動取樣管向下運動進行采樣。
[0034]第十步、檢驗取樣管是否達到下限位置；如果沒有達到，重復操作第八步，如果達至IJ，進行第十一步操作；[0035]第^^一步、鉆取機構向上運動；
[0036]取樣管運動到下限位置時，取樣電機和旋轉電機同時停止工作，進給電機輸出軸開始反轉，驅動進給絲杠向上運動，提升鉆桿和鉆取機構向上運動。
[0037]第十二步、檢驗微動開關觸頭是否觸發到微動開關，如果沒有觸發，重復第十一步操作；如果觸發，則進行第十三步操作；
[0038]第十三步、進給電機停止工作，機械臂收縮；
[0039]微動開關觸頭觸發到微動開關后，鉆取機構到達上限位置，進給電機停止工作。同時，機械臂收縮到樣品容器上端。
[0040]第十四步、檢驗鉆取抓鏟式復合采樣器是否運動到樣品容器上端，如果沒有，重復第十三步操作，如果達到，進行第十五步操作；
[0041]第十五步、鏟子中樣品排入容器中；
[0042]啟動抓鏟電機，驅動滾珠絲杠旋轉運動，帶動絲杠螺母向下運動，連桿帶動鏟子張開，將樣品排入容器。
[0043]第十六步、檢驗鏟子中樣品是否排完，如果沒有排完，重復第十五步操作，如果排完，進行第十七步操作；
[0044]第十七步、取樣管樣品排入容器中；
[0045]取樣電機驅動取樣絲杠反向旋轉，帶動取樣管向上運動，鉆心將樣品排入容器中
[0046]第十八步、檢驗取樣管中樣品是否排完，如果沒有排完，重復第十七步操作，如果排完，進行第十九步操作；
[0047]第十九步、將各個電機進行復位，采樣過程結束；
[0048]本發明的優點在于:
[0049]1、本發明鉆取抓鏟式復合采樣器裝置，鉆取機構既可采集深層土壤樣品，還可以對堅硬的巖石進行采樣，采集的深層樣品可保持層理信息，具有更好的研究價值。
[0050]2、本發明鉆取抓鏟式復合采樣器裝置，抓鏟機構既可采集小行星表面松散的土壤樣品，又可采集巖石樣品，采集樣品種類和數量多。
[0051]3、本發明鉆取抓鏟式復合采樣器裝置，集合了鉆取式和抓鏟式的采樣方式，具有結構緊湊、多功能、一體化的優點。
[0052]4、本發明鉆取抓鏟式復合采樣器裝置，除了可以用于小行星探測，還可用于月球、火星等行星探測，適用范圍廣。
[0053]5、本發明鉆取抓鏟式復合采樣器裝置的使用方法，具有采樣效率高、采樣效果好和能耗少的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0054]圖1為本發明鉆取抓鏟式復合采樣器裝置整體結構示意圖；
[0055]圖2為本發明鉆取抓鏟式復合采樣器裝置中進給機構示意圖；
[0056]圖3為本發明鉆取抓鏟式復合采樣器裝置中進給機構剖視圖；
[0057]圖4為本發明鉆取抓鏟式復合采樣器裝置中鉆取機構示意圖；
[0058]圖5為本發明鉆取抓鏟式復合采樣器裝置中鉆取機構剖視圖；
[0059] 圖6為本發明鉆取抓鏟式復合采樣器裝置中抓鏟機構示意圖；[0060]圖7為本發明鉆取抓鏟式復合采樣器中裝置抓鏟機構剖視圖；
[0061]圖8為本發明鉆取抓鏟式復合采樣器中裝置的使用方法流程圖；
[0062]圖中:
[0063]1-進給機構 2-鉆取機構3-抓鏟機構
[0064]4-安裝板101-進給電機 102-進給電機端蓋
[0065]103-聯軸器A 104-進給絲杠 105-進給絲杠鎖緊螺母
[0066]106-上框架 107-光軸108-光軸固定座
[0067]109-微動開關觸頭 110-角接觸球軸承A 111-軸承B
[0068]112-下框架 113-鉆桿支撐 114-抓鏟軸承端蓋
[0069]201-取樣電機 202-取樣電機端蓋203-取樣絲杠
[0070]204-彈簧套筒 205-取樣彈簧 206-齒輪保護蓋 [0071]207-推力軸承 208-取樣管螺母 209-套筒端蓋
[0072]210-端蓋限位板 211-齒輪鎖緊螺母212-小齒輪
[0073]213-鉆桿固定板 214-旋轉電機 215-大齒輪
[0074]216-直線軸承 217-軸承C 218-鉆桿
[0075]219-取樣管 220-鉆心221-鉆桿定位銷
[0076]222-進給絲杠螺母 223-微動開關 224-—維力傳感器
[0077]225-開關支座 301-抓鏟電機 302-抓鏟電機端蓋
[0078]303-聯軸器B 304-軸承D 305-滾珠絲杠
[0079]306-絲杠螺母 307-連桿308-支座軸承端蓋
[0080]309-抓鏟支座 310-軸承E 311-鏟子
【具體實施方式】
[0081]下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
[0082]本發明鉆取抓鏟式復合采樣器裝置，如圖1所示，包括進給機構1、鉆取機構2、抓鏟機構3和安裝板4。
[0083]進給機構I和鉆取機構2配合使用，用來采集小行星深層土壤和巖石樣品，并實現將樣品放入樣品容器中；抓鏟機構3用來采集小行星表面松散的土壤和巖石樣品并放入樣品容器中。所述安裝板4設計為立式板狀結構，將進給機構1、鉆取機構2和抓鏟機構3接成一個整體，并且通過螺釘固定安裝在著陸器上采樣機械臂的末端。
[0084]所述進給機構I為立式結構，如圖2和圖3所示，包括:進給電機101，進給電機端蓋102，聯軸器A103，進給絲杠104，進給絲杠鎖緊螺母105，上框架106，2根光軸107，4個光軸固定座108，微動開關觸頭109，角接觸球軸承A110，軸承B111，下框架112，鉆桿支撐113和抓鏟軸承端蓋114 ；
[0085]所述的上框架106和下框架112均采用L型板材結構，分為水平面和垂直面；上框架106和下框架112的水平面相對平行放置；垂直面上均開有通孔，通過螺釘固定安裝在安裝板4上，構成整個鉆取抓鏟式復合采樣器的框架；
[0086]進給電機101通過螺釘固定安裝在進給電機端蓋102上，進給電機端蓋102通過螺釘固定在上框架106的水平面上，進給電機101的輸出軸通過聯軸器A103連接進給絲杠104，進給絲杠104優選滾珠絲杠；進給電機端蓋102用來保護聯軸器A103 ；
[0087]具體連接如下:進給電機101的輸出軸安裝在聯軸器A103的上端孔內，通過螺釘預緊固定，聯軸器A103的下端孔內安裝進給絲杠104的上端軸，并通過進給絲杠鎖緊螺母105進行鎖緊固定，進給絲杠鎖緊螺母105給進給絲杠104提供了一定的預緊力，防止進給絲杠104在工作過程中來回的串動；
[0088]進給絲杠104的上端同時通過一對角接觸球軸承AllO安裝在上框架106的水平面上；進給絲杠104的下端通過軸承Blll安裝在下框架112的水平面上；
[0089]進給電機101驅動進給絲杠104旋轉運動，進給絲杠104的螺旋長度決定了鉆取抓鏟式復合采樣器能夠達到的鉆取深度。
[0090]在上框架106的水平面除了安裝有進給電機端蓋102和進給絲杠104外，在兩端對稱位置處分別安裝2個光軸固定座108用于固定兩根光軸107，并通過螺釘固定；進給電機端蓋102和2個光軸固定座108的位置在上框架106的水平面上組成了三角形排列；光軸107下端同樣通過光軸固定座108和螺釘固定在下框架112的水平面上；兩根光軸107和進給絲杠104均立式放置，相互平行；橫截面呈三角形排列，能夠更加穩固；
[0091]上框架106的水平面上靠近進給絲杠104的地方還安裝了一個微動開關觸頭109，當觸發微動開關223后，進給電機101停止轉動，進而進給絲杠104停止工作，用于限定鉆取機構2的上限位置。
[0092]所述鉆取機構2如圖4和圖5所示，主要由旋轉組件和取樣組件構成，除此之外，鉆取機構2還包括:2個直線軸承216，進給絲杠螺母222，微動開關223，一維力傳感器224以及開關支座225 ;所述的旋轉組件包括鉆桿218，軸承C217，大齒輪215，旋轉電機214，鉆桿固定板213，小齒輪212，齒輪保護蓋206和齒輪鎖緊螺母211。所述的取樣組件包括取樣電機201，取樣電機端蓋202，取樣絲杠203，彈簧套筒204，取樣彈簧205，推力軸承207，取樣管螺母208，套筒端蓋209，端蓋限位板210，取樣管219，鉆心220，鉆桿定位銷221。
[0093]進給絲杠螺母222與進階機構I中的進給絲杠104配合傳動，起整個鉆取機構2的驅動作用，并且兩個直線軸承216與進給機構I中的兩根光軸107配合使用，起整個鉆取機構2的導向作用。具體連接關系如下:將進給絲杠104穿入絲杠螺母222并配合傳動，進給絲杠螺母222通過螺釘與鉆桿固定板213固連，將兩根光軸107分別穿過兩個直線軸承216，直線軸承216固定在鉆桿固定板213上；
[0094]因此當進給電機101驅動進給絲杠104做旋轉運動時，帶動進給絲杠螺母222沿進給絲杠104軸向上下運動，從而帶動鉆桿固定板213在豎直方向來回運動，直線軸承216沿光軸107上下運動，鉆桿218上下運動，所以直線軸承216起鉆桿218的導向作用；同時兩根光軸107用于鉆取機構2的導向作用，進給絲杠104的螺旋長度決定了采樣器能夠達到的鉆取深度。
[0095]一維力傳感器224為中空形式，其內表面與進給絲杠螺母222的外表面配合定位，其下端部通過螺釘固定在鉆桿固定板213上；用來實時監測鉆桿218鉆取時的進給力，當進給力超過鉆取抓鏟式復合采樣器的控制系統給定的設定值時，進給電機101的輸出速度會相應地減小，也就是減小鉆桿218的進給速度，避免鉆桿218在工作過程中遇到的阻力太大，燒壞進給電機101。
[0096]同時，微動開關223通過開關支座225安裝在齒輪固定板213上，微動開關223的位置與進給機構I中微動開關觸頭109位置相對應。進給電機101驅動進給絲杠104旋轉運動，帶動進給絲杠螺母222達到最上限的位置后，微動開關觸頭109觸發微動開關223，進給電機101停止轉動，進而進給絲杠104停止工作，鉆取機構2停在上限位置。
[0097]鉆取機構2的進給絲杠螺母222在上框架106和下框架112之間往復運動，其中旋轉組件通過齒輪傳動機構用于驅動鉆桿218做旋轉運動，實現鉆桿218旋轉和切削的功能，取樣組件用于鉆取抓鏟式復合采樣器實現取樣和放樣的功能。
[0098]取樣電機201通過螺釘固定在取樣電機端蓋202上，取樣電機端蓋202通過螺釘固定在齒輪保護蓋206的上端。
[0099]具體連接過程是:取樣電機201的輸出軸通過緊定螺釘固定在取樣絲杠203孔內，取樣絲杠203外表面螺紋連接彈簧套筒204的上端，彈簧套筒204下端通過螺紋連接套筒端蓋209，彈簧套筒204內部放置取樣彈簧205 ;取樣彈簧205通過一對推力軸承207連接取樣管螺母208的外表面，取樣管螺母208螺紋連接取樣管219。推力軸承207能夠減小取樣管螺母208在旋轉過程中對彈簧套筒204和套筒端蓋209的摩擦，同時，彈簧套筒204外表面設計為鍵的形式，與齒輪保護蓋206上部的鍵槽配合。
[0100]取樣電機201驅動取樣絲杠203做旋轉運動，帶動彈簧套筒204在齒輪保護蓋206里上下運動，進而帶動取樣管219做上下運動，通過壓縮取樣彈簧205調整取樣管219的位置。
[0101]齒輪保護蓋206通過螺釘固連在鉆桿固定板213上；在鉆桿固定板213上還通過螺釘固連旋轉電機214和一維力傳感器224 ;在鉆桿固定板213兩端對稱安有兩個直線軸承216 ;具體連接過程如下:旋轉電機214輸出軸通過鍵連接小齒輪212，小齒輪212和大齒輪215嚙合傳動，大齒輪215通過鍵安裝在鉆桿218上，同時鉆桿218頂部螺紋連接齒輪鎖緊螺母211，用于鎖緊大齒輪215與鉆桿218的軸向位置。鉆桿218的螺旋段上端處通過一對背對背的角接觸球軸承C217固定在鉆桿固定板213上，齒輪鎖緊螺母211同時對軸承C217施加一定的預緊力，使軸承C217在鉆桿工作過程中承受一定的軸向力。下框架112的水平面上通過螺釘安裝了一個鉆桿支撐113，用來支撐鉆桿218，其材料為聚四氟乙烯，材質比較軟，不會導致鉆桿218卡死的狀況。
[0102]啟動旋轉電機214，驅動小齒輪212和大齒輪215旋轉運動，帶動鉆桿218做旋轉運動切削土壤和巖石；
[0103]鉆桿218為中空結構，取樣管219采用間隙配合的方式安裝在中空鉆桿218內部，鉆桿218上部和下部分別開有兩個銷孔，采用過盈配合的方式安裝鉆桿定位銷221。取樣管219底端為中空的形式，內部采用間隙配合的方式安裝有鉆心220，鉆心220上開有兩個銷孔，銷孔的位置與鉆桿218下部的銷孔位置相對，取樣管219的上部和下部各有兩個銷釘槽，通過將鉆桿定位銷221穿過取樣管219上部的銷釘槽固定安裝在鉆桿218上部的銷孔中；將鉆桿定位銷221穿過取樣管219下部的銷釘槽和鉆心220的銷孔固定安裝在鉆桿218下部的銷孔中，因此當取樣管219上下運動時，鉆桿定位銷221相對于取樣管219在銷釘槽內上下運動，通過將鉆桿定位銷221和鉆心220采用過盈配合的方式固定，實現鉆桿定位銷221的定位，且初始狀態下鉆心220底部與鉆桿218的底部齊平，鉆心220和鉆桿218無相對運動；
[0104]當取樣管219向下運動時，鉆桿定位銷221相對于取樣管在銷釘槽內向上運動，限制取樣管219的上限位置，取樣管219的下端伸出鉆桿218，取樣管219底端中空部分將對土壤樣品進行采樣，完成樣品的取樣；當取樣管219向上運動時，鉆桿定位銷221和鉆心220相對于取樣管219在銷釘槽內向下運動，迫使采集的土壤排出到樣品容器中；放樣時，取樣管219與樣品容器對接，通過壓縮取樣彈簧205調整取樣管219的位置使其與樣品容器保持相同高度。
[0105]所述抓鏟機構3如圖6和圖7所示，包括:抓鏟電機301，抓鏟電機端蓋302，聯軸器B303，軸承D304，滾珠絲杠305，絲杠螺母306，連桿307，支座軸承端蓋308，抓鏟支座309，軸承E310和鏟子311。
[0106]抓鏟電機301通過螺釘固定安裝在抓鏟電機端蓋302上，同時抓鏟電機301通過聯軸器B303連接滾珠絲杠305 ;具體連接如下:抓鏟電機301輸出軸連接聯軸器B303的上端孔內，通過緊定螺釘固定，聯軸器B303的下端孔內連接滾珠絲杠305，滾珠絲杠305上端通過軸承D304安裝在下框架112的水平面上；抓鏟軸承端蓋114安裝在下框架112上，用來限定軸承D304的外圈軸向上限位置。滾珠絲杠305的下端通過軸承E310安裝在抓鏟支座309上，抓鏟支座309通過螺釘固定在下框架112水平面上。同時，支座軸承端蓋308通過螺釘安裝在抓鏟支座309上用來限制軸承E310的軸向位置。在滾珠絲杠305通過絲杠螺母306連接連桿307，連桿307兩端部通過鉸鏈方式分別安裝在絲杠螺母306和鏟子311上，鏟子311通過鉸鏈安裝在抓鏟支座309上。
[0107]所述抓鏟機構3的驅動力來自抓鏟電機301，抓鏟電機301的輸出軸通過聯軸器B303將扭矩傳遞給滾珠絲杠305，滾珠絲杠305與絲杠螺母306配合運動，當滾珠絲杠305旋轉時，絲杠螺母306會沿滾珠絲杠305軸向運動，當絲杠螺母306向下運動時,帶動伊子311張開，當絲杠螺母306向上運動時，帶動鏟子311合攏，從而采集小行星表面上面的土壤和巖石樣品。鏟子311的抓取部分特別設計為鋸齒狀，有利于密實土壤樣品的采集。
[0108]所述鉆取抓鏟式復合采樣器裝置包括了鉆取和抓鏟的功能，既可通過抓鏟機構3對小行星表面樣品進行采集，又可通過進給機構I和鉆取機構2的配合使用，對小行星進行深層采樣，樣品可保持其層理信息，有采樣量大、樣品種類多、保持樣品原樣等優點。
[0109]本發明鉆取抓鏟式復合采樣器裝置的使用方法具體步驟為:
[0110]第一步、控制各個電機進行復位；
[0111]將鉆取抓鏟式復合采樣器安裝在著陸器上機械臂末端，將機械結構裝配完畢，然后將安裝板4通過螺紋連接安裝在著陸器上機械臂的末端。
[0112]啟動進給電機101控制進給絲杠104做旋轉運動，帶動進給絲杠螺母222達到最上限的位置，使微動開關觸頭109觸發微動開關223 ;此時進給電機101停止轉動，鉆取機構2停在上限位置；啟動取樣電機201，控制取樣絲杠203旋轉運動，帶動彈簧套筒204以及套筒端蓋209向上運動，當彈簧套筒204運動到最上端時取樣管219底部與鉆桿218齊平；此時進給機構I和鉆取機構2的各電機復位完成。
[0113]啟動抓鏟電機301驅動滾珠絲杠305旋轉運動，使絲杠螺母306向下運動，帶動連桿307控制鏟子311達到張開的最大狀態。至此，抓鏟機構3的抓鏟電機301復位，完成采樣工作的準備工作。
[0114]第二步、判斷各電機是否復位；如果各電機沒有復位，則重復第一步，如果復位，則進行第三步操作；[0115]利用鉆取抓鏟式復合采樣器的控制系統檢驗各電機是否復位；
[0116]第三步、抓鏟電機驅動鏟子采樣；
[0117]鉆取抓鏟式復合采樣器的控制系統啟動抓鏟電機301，驅動滾珠絲杠305旋轉運動，帶動絲杠螺母306向上運動，配合連桿307控制鏟子311慢慢合攏，同時鏟子311上鋸齒狀結構開始采集小行星表面的土壤和巖石樣品，并將樣品收集在鏟子311中。
[0118]第四步、判斷鏟子是否完全合攏，如果否，則重復第三步操作，如果是，進行如下操作后進入第五步；
[0119]利用鉆取抓鏟式復合采樣器的控制系統檢驗，當鏟子311完全合攏時，抓鏟電機301停止工作，這時機械臂調整位姿，將鉆取抓鏟式復合采樣器整體豎直提升一小段距離，使鏟子311底部完全脫離小行星表面。至此，鉆取抓鏟式復合采樣器完成了小行星上淺層土壤和巖石樣品的采樣工作。
[0120]第五步、鉆桿旋轉向下運動；
[0121]啟動進給電機101，驅動進給絲杠104做旋轉運動，從而帶動進給絲杠螺母222向下運動，由于進給絲杠螺母222固連在鉆桿固定板213上，所以帶動整個鉆取機構2平穩地向下運動，鉆桿218開始向下運動。同時啟動旋轉電機214，驅動小齒輪212和大齒輪215旋轉運動，帶動鉆桿218做旋轉運動，開始切削土壤和巖石樣品。隨著鉆進深度的增加，進給力會不斷地變化，一維力傳感器224會實時監測進給力的數值，并反饋給鉆取抓鏟式復合采樣器的控制系統，從而調節進給機構I的進給速度。 [0122]第六步、檢驗鉆桿是否進給到設定的深度，如果沒有達到，則重復操作第五步，如果已經達到設定的深度，則進行第七步操作；
[0123]第七步、提升鉆桿到設定的距離；
[0124]當鉆桿218旋轉切削到設定深度時，旋轉電機214和進給電機101反向旋轉，進給電機101輸出軸反向旋轉，帶動鉆取機構2向上運動，從而鉆桿218向上運動；旋轉電機214反向旋轉，帶動鉆桿218反向旋轉,將鉆孔內壁的土壤碎屑旋入鉆孔底部，以便取樣管219進行采樣。
[0125]第八步、檢驗鉆桿是否提升到設定的距離；如果否，則重復操作第七步，如果達到，則進行第九步操作；
[0126]第九步、取樣管進行取樣；
[0127]鉆桿218向上提升到設定的距離后，進給電機101停止工作，同時啟動取樣電機201，通過驅動取樣絲杠203旋轉運動，帶動彈簧套筒204和取樣管219向下運動，即取樣管219上的銷釘槽相對鉆桿定位銷221向下運動。此時，取樣管219開始對小行星的土壤和巖石樣品進行采樣。
[0128]第十步、檢驗取樣管是否達到下限位置；如果沒有達到，重復操作第八步，如果達到，進行第十一步操作；
[0129]第H^一步、鉆取機構向上運動；
[0130]當取樣管219運動到下限位置時，即鉆桿定位銷221達到銷釘槽的上限位置處，取樣電機201和旋轉電機214同時停止工作，進給電機101輸出軸開始反轉，驅動進給絲杠104向上運動，帶動進給絲杠螺母222和鉆桿固定板213向上運動，從而提升鉆桿218和鉆取機構2向上運動。[0131]第十二步、檢驗微動開關觸頭是否觸發到微動開關，如果沒有觸發，重復第十一步操作；如果觸發，則進行第十三步操作；
[0132]第十三步、進給電機停止工作，機械臂收縮；
[0133]微動開關觸頭109觸發到微動開關223后，鉆取機構2到達上限位置，進給電機101停止工作。至此，鉆取抓鏟式復合采樣器完成了小行星上深層土壤和巖石樣品的采樣工作。同時，機械臂收縮到樣品容器上端。
[0134]第十四步、檢驗鉆取抓鏟式復合采樣器是否運動到樣品容器上端，如果沒有，重復第十三步操作，如果達到，進行第十五步操作；
[0135]第十五步、鏟子中樣品排入容器中；
[0136]啟動抓鏟電機301，驅動滾珠絲杠305旋轉運動，帶動絲杠螺母306向下運動，同時連桿307帶動鏟子311慢慢張開，將鏟子311中的樣品排入容器中。
[0137]第十六步、檢驗鏟子中樣品是否排完，如果沒有排完，重復第十五步操作，如果排完，進行第十七步操作；
[0138]第十七步、取樣管樣品排入容器中；
[0139]取樣電機201驅動取樣絲杠203反向旋轉，帶動彈簧套筒204和取樣管219向上運動，即取樣管219上的銷釘槽相對鉆桿定位銷221向上運動。此時，鉆心220將土壤樣品排入容器中
[0140]第十八步、檢驗取樣管中樣品是否排完，如果沒有排完，重復第十七步操作，如果排完，進行第十九步操作；
[0141]第十九步、將各個電機進行復位，采樣過程結束。
【權利要求】
1.一種用于小行星探測的鉆取抓鏟式復合采樣器裝置，其特征在于:包括進給機構、鉆取機構、抓鏟機構和安裝板； 所述進給機構主要由進給電機、聯軸器A、進給絲杠、光軸、微動開關觸頭、上框架和下框架組成； 上框架和下框架均采用L型板材結構；分為水平面和垂直面；上框架和下框架的水平面相對平行放置；垂直面通過螺釘固定在安裝板上；進給電機輸出軸通過聯軸器A連接進給絲杠，進給絲杠兩端連接在上框架和下框架的水平面上；進給電機提供驅動力，驅動進給絲杠做旋轉運動； 所述鉆取機構主要由旋轉組件和取樣組件構成，還包括:進給絲杠螺母，直線軸承，鉆桿固定板以及一維力傳感器；所述的旋轉組件主要有旋轉電機，大齒輪，小齒輪和鉆桿；所述的取樣組件主要由取樣電機，取樣絲杠，彈簧套筒，取樣彈簧，取樣管和鉆心組成； 取樣電機的輸出軸固連取樣絲杠，取樣絲杠套接彈簧套筒；彈簧套筒內放置取樣彈簧；取樣彈簧通過取樣管螺母連接取樣管，取樣電機驅動取樣絲杠做旋轉運動，帶動彈簧套筒上下運動，從而帶動取樣管上下運動； 旋轉電機通過鍵連接小齒輪，小齒輪和大齒輪嚙合傳動，大齒輪通過鍵連接鉆桿，因此旋轉電機通過齒輪傳動驅動鉆桿旋轉運動，進而切削樣品； 將進給絲杠穿入進給絲杠螺母，進給絲杠螺母固連在鉆桿固定板上，直線軸承固連在鉆桿固定板上并安裝在兩根光軸上；兩根光軸兩端分別連接在上框架和下框架的水平面上；因此當進給電機驅動進給絲杠旋轉運動時，帶動進給絲杠螺母沿進給絲杠軸向上下運動，直線軸承沿著光軸做上下運動，從而帶動鉆桿固定板在豎直方向來回運動，進而帶動鉆桿上下運動； 鉆桿內部為中空結構，間隙配合安裝取樣管；取樣管底端為中空形式，間隙配合安裝鉆心，鉆桿上下部分別開有2個銷孔，鉆心上開有2個銷孔，鉆心銷孔的位置與鉆桿下部銷孔的位置相對，用于安裝鉆桿定位銷；取樣管上下部各有2個銷釘槽，通過將鉆桿定位銷穿過取樣管的銷釘槽以及鉆心的銷孔固定安裝在鉆桿的銷孔中，通過將鉆桿定位銷和鉆心采用過盈配合的方式固定，實現鉆桿定位銷的定位； 當取樣管向下運動時，鉆桿定位銷相對于取樣管在銷釘槽內向上運動，限制取樣管的上限位置，取樣管下端伸出鉆桿，取樣管底端中空部分將對土壤樣品進行采樣，完成樣品的取樣；當取樣管向上運動時，鉆桿定位銷和鉆心相對于取樣管在銷釘槽內向下運動，迫使采集的土壤排出到樣品容器中； 所述抓鏟機構用以采集小行星的表層樣品，主要由抓鏟電機、聯軸器B、滾珠絲杠、絲杠螺母、連桿、抓鏟支座和鏟子組成； 抓鏟電機通過聯軸器B連接滾珠絲杠，滾珠絲杠上端連接在下框架上，滾珠絲杠下端連接在抓鏟支座上，抓鏟支座固定在下框架上，滾珠絲杠通過絲杠螺母連接連桿，連桿兩端分別安裝在絲杠螺母和鏟子上；鏟子通過鉸鏈安裝在抓鏟支座上；抓鏟電機驅動滾珠絲杠旋轉運動，帶動絲杠螺母在豎直方向上往復運動，進而驅動鏟子的開合，從而采集樣品。
2.如權利要求1所述的鉆取抓鏟式復合采樣器裝置，其特征在于:安裝板設計為立式板狀結構，將進給機構、鉆取機構和抓鏟機構接成一個整體，并且通過螺釘固定安裝在著陸器上采樣機械臂的末端。
3.如權利要求1所述的鉆取抓鏟式復合采樣器裝置，其特征在于:兩根光軸和進給絲杠均立式平行放置，橫截面呈三角形排列。
4.如權利要求1所述的鉆取抓鏟式復合采樣器裝置，其特征在于:上框架上安有一個微動開關觸頭，配合微動開關限定鉆取機構的上限位置。
5.如權利要求1所述的鉆取抓鏟式復合采樣器裝置，其特征在于:進給電機的輸出軸安裝在聯軸器A的上端孔內，通過螺釘預緊固定，聯軸器A的下端孔內安裝進給絲杠的上端軸，并通過進給絲杠鎖緊螺母進行鎖緊固定。
6.如權利要求1所述的鉆取抓鏟式復合采樣器裝置，其特征在于:所述彈簧套筒外表面設計為鍵的形式，與齒輪保護蓋上部的鍵槽配合。
7.應用如權利要求1所述的鉆取抓鏟式復合采樣器裝置的鉆取抓鏟式復合采樣器使用方法具體步驟為: 第一步、控制各個電機進行復位； 將鉆取抓鏟式復合采樣器安裝在著陸器上機械臂末端，啟動進給電機控制進給絲杠旋轉，帶動進給絲杠螺母達到最上限的位置，使微動開關觸頭觸發微動開關，進給電機停止轉動，鉆取機構停在上限位置；啟動取樣電機，控制取樣絲杠旋轉運動，帶動彈簧套筒向上運動到最上端時取樣管底部與鉆桿齊平；啟動抓鏟電機驅動滾珠絲杠旋轉運動，使絲杠螺母向下運動，帶動連桿控制鏟子達到張開的最大狀態； 第二步、判斷各電機是否復位；如果否，則返回第一步，如果復位，則進行第三步操作； 第三步、抓鏟電機驅動鏟子采樣； 啟動抓鏟電機，驅動滾珠絲杠旋轉運動，帶動絲杠螺母向上運動，配合連桿控制鏟子慢慢合攏進行采樣； 第四步、判斷鏟子是否完全合攏，如果否，則返回第三步，如果是，進行如下操作后進入第五步； 當鏟子完全合攏時，抓鏟電機停止工作，機械臂將鉆取抓鏟式復合采樣器整體豎直提升，直至鏟子底部完全脫離小行星表面； 第五步、鉆桿旋轉向下運動； 啟動進給電機，驅動進給絲杠做旋轉運動，帶動進給絲杠螺母向下運動，從而帶動鉆桿開始向下運動；同時啟動旋轉電機，驅動小齒輪和大齒輪旋轉運動，帶動鉆桿做旋轉運動，開始切削樣品； 第六步、檢驗鉆桿是否進給到設定的深度，如果沒有達到，則返回操作第五步，如果已經達到設定的深度，則進行第七步操作； 第七步、提升鉆桿到設定的距離； 當鉆桿旋轉切削到設定深度時，旋轉電機和進給電機反向旋轉，帶動鉆桿反向向上旋轉; 第八步、鉆桿是否提升到設定的距離；如果否，則重復操作第七步，如果達到，則進行第九步操作； 第九步、取樣管進行取樣； 鉆桿向上提升到設定距離后，進給電機停止工作，同時啟動取樣電機，通過驅動取樣絲杠旋轉運動，帶動取樣管向下運動進行采樣；第十步、檢驗取樣管是否達到下限位置；如果沒有達到，重復操作第八步，如果達到，進行第十一步操作； 第十一步、鉆取機構向上運動； 取樣管運動到下限位置時，取樣電機和旋轉電機同時停止工作，進給電機輸出軸開始反轉，驅動進給絲杠向上運動，提升鉆桿和鉆取機構向上運動； 第十二步、檢驗微動開關觸頭是否觸發到微動開關，如果沒有觸發，重復第十一步操作；如果觸發，則進行第十三步操作； 第十三步、進給電機停止工作，機械臂收縮； 微動開關觸頭觸發到微動開關后，鉆取機構到達上限位置，進給電機停止工作；同時，機械臂收縮到樣品容器上端； 第十四步、檢驗鉆取抓鏟式復合采樣器是否運動到樣品容器上端，如果沒有，重復第十三步操作，如果達到，進行第十五步操作； 第十五步、鏟子中樣品排入容器中； 啟動抓鏟電機，驅動滾珠絲杠旋轉運動，帶動絲杠螺母向下運動，連桿帶動鏟子張開，將樣品排入容器； 第十六步、檢驗鏟子 中樣品是否排完，如果沒有排完，重復第十五步操作，如果排完，進行第十七步操作； 第十七步、取樣管樣品排入容器中； 取樣電機驅動取樣絲杠反向旋轉，帶動取樣管向上運動，鉆心將樣品排入容器中第十八步、檢驗取樣管中樣品是否排完，如果沒有排完，重復第十七步操作，如果排完，進行第十九步操作； 第十九步、將各個電機進行復位，采樣過程結束。
8.如權利要求7所述的鉆取抓鏟式復合采樣器使用方法，其特征在于:一維力傳感器實時監測進給力的數值，并反饋給鉆取抓鏟式復合采樣器的控制系統，從而調節進給機構的進給速度。
【文檔編號】G01N1/08GK104034557SQ201410298650
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月26日 優先權日:2014年6月26日
【發明者】丁希侖, 李京霖, 張濤 申請人:北京航空航天大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
