專利名稱：地外星體淺層土壤取樣裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及地外星體淺層土壤取樣裝置，屬于深空探測技術領域和航天器機構技術領域。
背景技術：
美國先后在Surveyor (勘測者)月球探測任務、Viking (海盜)和Phoenix (鳳凰)火星探測任務中使用淺層土壤取樣裝置對星體土壤進行取樣作業(yè)。這三種取樣裝置雖然都獲得了成功，但是它們都具有一些不足之處，例如=Survey0r取樣裝置的伸縮臂鉸鏈過多， 結構較復雜，剛度較低，鏟子對土壤的作用力也較小，取樣作業(yè)方式單一，對地質環(huán)境的適應性較差diking取樣裝置的結構較復雜，自由度數(shù)過多且靈活性不足，取樣范圍有限，伸縮臂收攏后的體積仍較大，取樣作業(yè)方式單一，對地質環(huán)境的適應性較差；Phoenix取樣裝置的傳力路徑較長，剛度較低，對土壤的作用力較小，為了提高對地質環(huán)境的適應性，在末端執(zhí)行機構上增加了微型鉆機，因此其末端執(zhí)行機構結構比較復雜，此外，其位置機構-四自由度兩級空間機械臂的控制技術難度也比較大。以上任務中取樣裝置存在的不足之處都會對星體淺層土壤取樣任務的可靠性造成不良影響。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供地外星體淺層土壤取樣裝置，該土壤取樣裝置采用創(chuàng)新設計的導軌擺臂式位置機構和末端執(zhí)行機構組合而成，位置機構剛度高，靈活性好，控制方式非常簡單，可用于完成目前常用的四自由度兩級空間機械臂的任務；末端執(zhí)行機構以鏟挖作業(yè)方式為主，棘輪旋挖作業(yè)方式為輔，能夠有效地獲取土壤樣品，具備樣品的臨時存儲和初級封裝功能，還能將樣品轉送至上升器上的樣品密封封裝裝置中，該土壤取樣裝置具有廣闊的應用范圍。本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現(xiàn)的地外星體淺層土壤取樣裝置，包括導軌擺臂式位置機構和末端執(zhí)行機構兩部分，其中導軌擺臂式位置機構包括導軌、運動單元、擺臂關節(jié)、擺臂和末端關節(jié)，其中導軌與運動單元連接，且運動單元可以沿導軌上下移動，擺臂關節(jié)包括水平部分和豎直部分，在運動單元內置的第一驅動單元的驅動作用下，擺臂關節(jié)繞豎直部分的軸線轉動，從而帶動擺臂掃取扇面，水平部分與擺臂連接，在擺臂關節(jié)內置的第二驅動單元的驅動作用下，水平部分繞自身軸線轉動并帶動擺臂上下擺動，末端關節(jié)嵌入在擺臂遠離擺臂關節(jié)的另一端，末端關節(jié)用于連接末端執(zhí)行機構，并驅動末端執(zhí)行機構繞末端關節(jié)的軸線轉動；末端執(zhí)行機構包括鏟子、棘輪、樣品盒和連接分離機構，其中鏟子是末端執(zhí)行機構的主體，用于對土壤進行鏟挖，棘輪固定在鏟子前端，用于對土壤進行旋挖，樣品盒通過連接分離機構固定在鏟子后端，樣品盒為筒形結構，入口處設置有單向機構和封口機構，單向機構用于防止樣品盒內的土壤流出，包括第一門扇、門軸及第二門扇，門軸沿直徑方向穿過樣品盒的筒壁并固定在筒壁上，第一門扇和第二門扇在夾角為180°時組成一個完整的橢圓面，門軸穿過橢圓面的短軸所在的中心線，第一門扇和第二門扇可以繞門軸轉動，橢圓面的短軸等于筒形樣品盒內壁的直徑，橢圓面的長軸大于筒形樣品盒內壁的直徑，使得第一門扇和第二門扇在筒形樣品盒內繞門軸轉動時夾角始終小于180°，當土壤從樣品盒的腔體內流出時，第一門扇和第二門扇的邊緣緊貼樣品盒的腔體內壁，防止土壤外流；封口機構用于在樣品盒分離時防止盒內的土壤樣品飛濺出來；連接分離機構實現(xiàn)樣品盒與末端執(zhí)行機構的分離。在上述地外星體淺層土壤取樣裝置中，單向機構中還包括限位螺釘，限位螺釘沿直徑方向穿過樣品盒的筒壁并固定在筒壁上，并位于門軸后端靠近樣品盒尾部一側，軸線與門軸平行，限位螺釘用于防止第一門扇和第二門扇由于夾角過小而在土壤外流時不能與樣品盒腔體內壁貼合，使得土壤流出。在上述地外星體淺層土壤取樣裝置中，封口機構由 柔性紡織材料圈和記憶合金圈組成，其中柔性紡織材料圈為圓筒狀，一端固定在樣品盒腔體外壁，另一端和記憶合金圈連接。在上述地外星體淺層土壤取樣裝置中，運動單元沿導軌上下移動的實現(xiàn)方式有通過齒輪齒條傳動機構、同步帶傳動機構、絲杠傳動機構或鋼絲繩纏繞加載機構。在上述地外星體淺層土壤取樣裝置中，連接分離機構為鋼球式連接分離機構，包括套筒、滑片、鋼球、彈簧和彈簧銷，其中滑片和鋼球設置在套筒內側的凹槽內，滑片與樣品盒腔體外壁緊貼，鋼球嵌入滑片的通孔和樣品盒腔體外壁上的凹槽共同形成的封閉空腔內，使得樣品盒腔體不能從套筒中移出，套筒與樣品盒腔體外壁之間設置處于壓縮狀態(tài)的彈簧和彈簧銷，防止末端執(zhí)行機構翻轉時樣品盒位移過大導致連接失效，當樣品盒分離時，鋼球在滑片上升到鏟子后端的極限位置時與套筒的通孔對正，樣品盒繼續(xù)上升將鋼球擠出通孔，實現(xiàn)樣品盒的分離。在上述地外星體淺層土壤取樣裝置中，鋼球嵌入的封閉空腔由滑片上形成的通孔和樣品盒腔體外壁上形成的球窩組成，通孔的表面包括柱形部分與球形部分，柱形部分為直徑與鋼球直徑相同的圓柱面，球形部分為直徑與鋼球相同的部分球面，球窩表面與球形部分共同組成一個容納鋼球的半球面，柱形部分容納鋼球的其它部分。在上述地外星體淺層土壤取樣裝置中，連接分離機構為銷柱式連接分離機構，包括套筒、電磁鐵組件、電磁鐵固定架和阻尼裝置，電磁鐵組件包括銷柱和鐵芯，其中套筒、電磁鐵固定架和鏟子剛性連接，鐵芯與電磁鐵固定架剛性連接，銷柱的一端插入鐵芯的通孔中并能軸向移動，通電后鐵芯對銷柱產生吸引力，使二者貼合，套筒和樣品盒腔體外壁上形成通孔，銷柱的另一端插入所述通孔將套筒和樣品盒連接，電磁鐵通電后拔出銷柱可以解除連接，使樣品盒分離；阻尼裝置包括密封圈壓蓋、密封圈和沿密封圈壓蓋圓周均布的調整螺釘，電磁鐵固定架上開有凹槽，凹槽容納密封圈，密封圈同時套在銷柱的一端，密封圈壓蓋壓入凹槽內，調整螺釘穿過密封圈壓蓋上的通孔固定在電磁鐵固定架上，將密封圈壓蓋壓緊在密封圈上，使密封圈變形并產生對銷柱的沿軸向的阻尼力，防止銷柱軸向躥動導致連接失效，阻尼力的大小可以通過對調整螺釘?shù)男胄鲞M行調整。在上述地外星體淺層土壤取樣裝置中，套筒與樣品盒腔體之間還可以設置處于壓縮狀態(tài)的彈簧，保證樣品盒與套筒的連接解除后，樣品盒在彈簧的恢復力作用下可靠分離。在上述地外星體淺層土壤取樣裝置中，樣品盒腔體由直徑不同的兩段筒體組成，其中直徑較小的筒體與連接分離機構連接，并提供樣品盒上單向機構與封口機構的安裝接口，直徑較大的筒體存放土壤樣品。在上述地外星體淺層土壤取樣裝置中，直徑較大的筒體上開有狹長視窗，用于觀測筒體內的土壤樣品量。在上述地外星體淺層土壤取樣裝置中，樣品盒外側底部設置有機械接口，用于樣品盒進入上升器上的樣品密封封裝裝置后，與樣品密封封裝裝置內側底部的機械接口共同將樣品盒機械鎖定。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下有益效果(I)本發(fā)明土壤取樣裝置中的導軌擺臂式位置機構通過導軌和運動單元組件、擺臂關節(jié)、末端關節(jié)的聯(lián)動實現(xiàn)末端執(zhí)行機構的運動，機構各自由度之間的耦合大大減小，控制算法也大大簡化，因此控制方式非常簡單；
(2)本發(fā)明土壤取樣裝置中的導軌擺臂式位置機構運動單元在導軌上的移動可以實現(xiàn)地外星體表面與高度約為3米的上升器樣品密封封裝裝置之間作業(yè)面的轉換，使臂桿數(shù)量只有一個，且長度大大減少，但取樣裝置的靈活性幾乎不受影響，且剛性獲得較大的改善，因此運動精度和可靠性均有較大提高，對土壤的作用力也較大；(3)本發(fā)明土壤取樣裝置中的導軌擺臂式位置機構可用于完成目前常用的四自由度兩級空間機械臂的任務，尤其適合用于地外星體淺層土壤取樣裝置，具有較廣的應用范圍；(4)本發(fā)明土壤取樣裝置中的導軌擺臂式位置機構中導軌及運動單元組件有多種實現(xiàn)形式，如齒輪齒條傳動機構、同步帶傳動機構、絲杠傳動機構及鋼絲繩纏繞加載機構等，目標是使運動單元能夠在導軌上下端之間自由移動，并對運動單元在導軌上的位置進行比較精確的控制；(5)本發(fā)明土壤取樣裝置中的導軌擺臂式位置機構中擺臂關節(jié)帶動擺臂掃取扇面的角度范圍大于120°，擺臂關節(jié)帶動擺臂上下擺動的角度范圍大于270°，末端關節(jié)可以帶動末端執(zhí)行機構進行360°范圍的轉動，因此使得取樣裝置的取樣范圍大大增加，取樣靈活性也相應增強；(6)本發(fā)明土壤取樣裝置中的導軌擺臂式位置機構也可以根據(jù)需要驅動其它各種類型的取樣用末端執(zhí)行機構，形成不同的取樣裝置，以滿足不同地外星體土壤取樣任務的需求，還可以驅動非取樣用的末端執(zhí)行機構，形成其它類型的空間機構，以滿足其它空間任務的需求。(7)本發(fā)明土壤取樣裝置中的末端執(zhí)行機構集成了鏟挖和棘輪旋挖兩種取樣作業(yè)方式，棘輪的高速旋挖能夠對硬質土壤和巖石進行有效的破碎，并將部分碎屑直接甩入鏟子內腔中，也可以將取樣過程中遇到的一些尺寸較大的不適于取樣的塊狀土壤或巖石破碎成尺寸較小的，或者直接移開，從而提高了對地質環(huán)境的適應性；(8)本發(fā)明土壤取樣裝置中的末端執(zhí)行機構樣品盒入口處巧妙設計了單向機構，單向機構的兩個門扇均為半橢圓形，且橢圓短軸等于樣品盒腔體內壁直徑，橢圓長軸大于樣品盒腔體內壁直徑，當土壤進入樣品盒時單向機構的門扇打開，土壤流出時門扇關閉，保證了取樣過程中，土壤只能流入而不能流出樣品盒，使得取樣作業(yè)能夠順利進行下去；(9)本發(fā)明土壤取樣裝置中的末端執(zhí)行機構樣品盒入口處除了單向機外還有封口機構，封口機構由記憶合金圈和柔性紡織材料筒組成，在樣品轉送時動作，原本撐開的記憶合金圈收攏，和紡織材料筒共同將樣品盒入口封閉，完成樣品的初級封裝，同時可避免樣品盒進入上升器上的樣品密封封裝裝置時，土壤灑落而污染其密封面；(10)本發(fā)明土壤取樣裝置中的末端執(zhí)行機構上設計了連接分離機構，用于將樣品盒固定在鏟子后部并形成土壤樣品進入樣品盒的通道，樣品轉送時，可以使經過初級封裝的樣品脫離末端執(zhí)行機構，連接分離機構為鋼球式機構或銷柱式機構，鋼球式機構中鋼球嵌入滑片上的通孔和樣品盒腔體外壁上的球窩組成的封閉空腔內，當樣品盒分離時，樣品盒帶動滑片相對套筒上升到極限位置時，鋼球與套筒上的通孔對正，樣品盒繼續(xù)上升將鋼球擠出通孔，實現(xiàn)樣品盒的分離；銷柱式機構的核心部件為銷柱式電磁鐵，連接狀態(tài)時，銷柱穿過套筒和樣品盒腔體上的通孔將樣品盒鎖定，加電后，鐵芯將銷柱撥出，在重力或彈簧恢復力的作用下樣品盒即可從末端執(zhí)行機構上分離，上述兩種連接分離機構設計簡單巧妙，可靠性高；(11)本發(fā)明土壤取樣裝置中的末端執(zhí)行機構樣品盒腔體采用薄壁桶狀結構，容積根據(jù)所需樣品量確定，上部還設計有沿圓周均勻分布的狹長視窗，用于觀察進入盒內的土壤量，樣品盒外側底部設計有機械接口，用于在樣品盒進入上升器上的密封封裝裝置后與其內側底部的機械接口共同將樣品盒機械鎖定； (12)本發(fā)明土壤取樣裝置中的末端執(zhí)行機構以鏟挖作業(yè)方式為主，棘輪旋挖作業(yè)方式為輔，能夠有效地獲取土壤樣品，具備樣品的臨時存儲和初級封裝功能，可以一次性的獲取足夠的土壤樣品并進行初級封裝后，在位置機構的輔助下，將樣品移送至上升器上的樣品密封裝裝置中，具有較高的可靠性；本發(fā)明土壤取樣裝置已成功的研制出了一臺原理樣機，并進行了大量的實驗，取得了很好的效果。


圖I為本發(fā)明地外星體淺層土壤取樣裝置的結構示意圖；圖2為本發(fā)明中末端執(zhí)行機構的示意圖；圖3為本發(fā)明中末端執(zhí)行機構樣品盒上單向機構的示意圖(土壤進入時)；圖4為本發(fā)明中末端執(zhí)行機構樣品盒上單向機構的示意圖(土壤外流時)；圖5為本發(fā)明中末端執(zhí)行機構樣品盒上單向機構的兩個門扇在夾角為180°時的示意圖；圖6為本發(fā)明中末端執(zhí)行機構樣品盒入口處封口機構的原理示意圖；圖7為本發(fā)明中末端執(zhí)行機構樣品盒入口處封口機構記憶合金圈的示意圖；圖8為本發(fā)明中末端執(zhí)行機構樣品盒腔體上狹長視窗的示意圖；圖9為本發(fā)明中末端執(zhí)行機構上鋼球式連接分離機構的示意圖；圖10為本發(fā)明中鋼球式連接分離機構中用于嵌入鋼球的封閉空腔示意圖；圖11為本發(fā)明中末端執(zhí)行機構上銷柱式連接分離機構的示意圖；圖12為本發(fā)明中銷柱式連接分離機構中處于預壓縮狀態(tài)的分離彈簧的示意圖；圖13為本發(fā)明地外星體淺層土壤取樣裝置在地外星體著陸器上的安裝示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述如圖I所示為本發(fā)明地外星體淺層土壤取樣裝置的結構示意圖，由圖可知土壤取樣裝置包括導軌擺臂式位置機構和末端執(zhí)行機構50兩部分，導軌擺臂式位置機構包括導軌55、運動單元56、擺臂關節(jié)57、擺臂58和末端關節(jié)59，其中導軌55與運動單元56連接，且運動單元56可以沿導軌55上下移動，導軌55及運動單元56組件主要用于產生運動單元56沿導軌55上下移動的自由度，運動單元56相對導軌55的運動可通過多種方式來實現(xiàn)如齒輪齒條傳動機構、同步帶傳動機構、絲杠傳動機構及鋼絲繩纏繞加載機構等，著重要保證導軌55具有足夠的抗彎強度和剛度，運動單元56具有足夠的牽引力且在導軌55上的位置能夠得到比較精確的控制。擺臂關節(jié)57包括水平部分57a和豎直部分57b。運動單元56內部設計有旋轉驅動組件，即第一驅動單元，第一驅動單元的輸出端連接擺臂關節(jié)57，可以驅動擺臂關節(jié)57繞豎直部分57b的軸線轉動，并帶動擺臂58掃取扇面，扇面的角度范圍大于120°，以保證取樣工作面積，掃取扇面的方式可以為電機及減速機構等驅動的可在任意角度工作的連續(xù)方式，也可以為各種間歇運動機構驅動的在若干個 指定角度工作的不連續(xù)方式。擺臂關節(jié)57內部設計有旋轉驅動組件，即第二驅動單元，第二驅動單元可驅動水平部分57a繞水平部分57a的軸線轉動并帶動擺臂58上下擺動，擺動角度范圍大于270°，擺臂58向下可以擺動到與導軌55平行的位置，向上可以擺動到導軌55后側的水平位置。擺臂58遠離擺臂關節(jié)57的另一端設計有旋轉驅動組件，形成末端關節(jié)59，末端關節(jié)59嵌入在擺臂58中，可以驅動其它部件，如末端執(zhí)行機構50，繞擺臂58末端水平軸進行360。范圍的轉動。在位置機構末端關節(jié)59的輸出端上連接末端執(zhí)行機構50即可形成取樣裝置42，以地外星體淺層土壤取樣為例，位置機構在取樣裝置42中的作用是帶動末端執(zhí)行機構50運動，以提供工作動力、實現(xiàn)運動規(guī)律并進行位置與剛度保持。如圖13所示為本發(fā)明地外星體淺層土壤取樣裝置在地外星體著陸器上的安裝示意圖，地外星體淺層土壤取樣裝置42安裝在著陸器43的側面，主要任務是在地外星體表面上獲得足夠的土壤樣品，并將其轉送至位于上升器44上的樣品密封封裝裝置41中。導軌擺臂式位置機構共有四個自由度運動單元56沿導軌55的上下移動，擺臂58繞豎直方向和水平方向的轉動,末端關節(jié)59用于驅動末端執(zhí)行機構50的轉動。如圖2所示為本發(fā)明末端執(zhí)行機構的結構示意圖，由圖可知本發(fā)明用于地外星體淺層土壤取樣的末端執(zhí)行機構50由鏟子I、棘輪2、樣品盒3、連接分離機構4組成。末端執(zhí)行機構以伊子I伊挖為基本和主要作業(yè)方式，棘輪2旋挖為輔助破巖方式，樣品盒3構成末端執(zhí)行機構上的樣品臨時存儲空間并且能夠對樣品進行初級封裝，連接分離機構4用于將樣品盒3固定在鏟子I后端，并形成土壤從鏟子I進入樣品盒3的通道，在樣品轉送時，可以使經過初級封裝的樣品脫離末端執(zhí)行機構，進入上升器44上的樣品密封封裝裝置41中。鏟子I是末端執(zhí)行機構的主體部分，主要用于對土壤進行鏟挖，鏟挖是末端執(zhí)行機構獲取土壤樣品的基本和主要作業(yè)方式，鏟子I上設有用于安裝棘輪2的機械接口，鏟子I后端留有出口，用于土壤樣品通過連接分離機構4向樣品盒3內轉移。為了方便加工、降低成本，鏟子I應分成鏟子主體和前端齒兩部分分別進行設計加工，鏟子主體著重考慮其強度，鏟子前端齒還需滿足硬度要求，完成后兩者進行剛性連接。棘輪2固定在鏟子I前部，主要用于對土壤進行旋挖，棘輪2旋挖是末端執(zhí)行機構獲取土壤樣品的輔助破巖方式。棘輪2的高速轉動能夠對硬質土壤和巖石進行有效的破碎，并將部分碎屑直接甩入鏟子I內腔中，也可以將取樣過程中遇到的一些尺寸較大的不適于取樣的塊狀土壤或巖石破碎成尺寸較小的，或者直接移開。樣品盒3通過連接分離機構4固定在鏟子I后端，構成末端執(zhí)行機構上的土壤樣品臨時存儲空間，并能對樣品進行初級封裝。樣品盒3的腔體采用薄壁桶狀結構，容積可根據(jù)所需樣品質量確定，且由半徑不同的兩段筒體組成，其中半徑較小的筒體3a與連接分離機構4連接，并提供單向機構與封口機構的安裝接口，半徑較大的筒體3b存放土壤樣品。如圖3所示為本發(fā)明中末端執(zhí)行機構樣品盒上單向機構示意圖(土壤進入時)； 圖4所示為本發(fā)明中末端執(zhí)行機構樣品盒上單向機構示意圖(土壤外流時)，樣品盒3入口處的單向機構由第一門扇6、門軸7、限位螺釘8及第二門扇9組成。門軸7沿直徑方向穿過樣品盒3的筒壁并固定在筒壁上，第一門扇6和第二門扇9在夾角為180°時組成一個完整的橢圓面，如圖5所示為本發(fā)明中末端執(zhí)行機構樣品盒上單向機構的兩個門扇在夾角為180°時的示意圖，門軸7穿過橢圓面的短軸所在的中心線，第一門扇6和第二門扇9可以繞門軸7轉動。橢圓面的短軸等于筒形樣品盒3腔體內壁的直徑，橢圓面的長軸大于筒形樣品盒3腔體內壁的直徑，使得第一門扇6和第二門扇9在樣品盒3腔體內的夾角始終小于180°，當土壤流入樣品盒3內腔體時，門扇打開，如圖3所示，當盒內的土壤向外流動而推動第一門扇6和第二門扇9時，第一門扇6和第二門扇9邊緣基本與樣品盒3腔體內表面貼合，阻止土壤流出，如圖4所示。如圖3、4所示，限位螺釘8沿直徑方向穿過樣品盒3的筒壁并固定在筒壁上，并位于門軸7后端靠近樣品盒3尾部一側，軸線與門軸7平行，限位螺釘8的作用是防止單向機構的第一門扇6和第二門扇9開啟過大導致其在土壤外流時不能正常閉合，即防止第一門扇6和第二門扇9由于夾角過小而在土壤外流時不能與樣品盒3腔體內壁貼合，使得土壤流出。單向機構可以保證取樣過程中，土壤只能流入而不能流出樣品盒3，使得取樣作業(yè)能夠順利進行下去。如圖6所示為本發(fā)明中末端執(zhí)行機構樣品盒入口處封口機構的原理示意圖，樣品盒3入口處的封口機構由柔性紡織材料筒10和記憶合金圈11組成。柔性紡織材料筒10為圓筒狀，一端固定在樣品盒3腔體上，另一端和記憶合金圈11相連。記憶合金圈11在外力作用下形狀不確定，解除外力作用后會恢復成如圖7所示的形狀。當樣品盒3連接在末端執(zhí)行機構上時，柔性紡織材料筒10呈折疊狀態(tài)，并和在樣品盒3腔體外壁約束下呈環(huán)形的記憶合金圈11 一起存放在鏟子I和樣品盒3腔體之間的空間內。當連接分離機構4解鎖時，樣品盒3腔體離開鏟子1，而記憶合金圈11由于鏟子I上臺階的限制而保持在原位，樣品盒3腔體下移足夠行程以后，對記憶合金圈11的約束解除，記憶合金圈11收攏恢復，并帶動柔性紡織材料筒10共同將樣品盒3的入口封閉，完成樣品的初級封裝，同時可避免樣品盒3進入上升器44上的樣品密封封裝裝置41時，土壤灑落而污染其密封面，如圖13所示。
如圖8所示為本發(fā)明中末端執(zhí)行機構樣品盒腔體上狹長視窗的示意圖，樣品盒3的主體樣品盒腔體上部還設計有沿圓周均勻分布的狹長視窗31，用于觀察進入盒內的土壤量。樣品盒3的底部外側還設計有機械接口，用于樣品盒3進入上升器44的樣品密封封裝裝置41后，與其內側底部的機械接口共同將樣品盒3機械鎖定。連接分離機構4在連接狀態(tài)時形成土壤進入樣品盒3的通道，在樣品轉送時，可以使經過初級封裝的樣品脫離末端執(zhí)行機構。連接分離機構4有兩種方案第一種為鋼球式方案，第二種為銷柱式方案。如圖9所示為本發(fā)明末端執(zhí)行機構上鋼球式連接分離機構的示意圖，包括兩個局 部放大圖，由圖可知連接分離機構4包括套筒12、滑片13、鋼球14、彈簧15和彈簧銷16，套筒12和鏟子I剛性連接，其中滑片13和鋼球14各有三個，均布在圓周上，滑片13設置在套筒12內側的凹槽內，與樣品盒3腔體外壁緊貼，鋼球14嵌入滑片13的通孔和樣品盒3腔體外壁的凹槽共同形成的封閉空腔內，如圖10所示為本發(fā)明鋼球式連接分離機構中用于嵌入鋼球的封閉空腔示意圖，封閉空腔由滑片13上形成的通孔和樣品盒3腔體外壁上形成的球窩5a組成，通孔表面包括柱形部分13a與球形部分13b，柱形部分13a為直徑與鋼球14直徑相同的圓柱面，球形部分13b為直徑與鋼球14相同的部分球面，球窩5a表面與球形部分13b共同組成一個容納鋼球14的半球面，柱形部分13a容納鋼球14的其它部分。末端執(zhí)行機構處于連接狀態(tài)時，鋼球14鑲嵌在球窩5a和滑片13上的通孔之間，與半球面貼合，并與套筒12上相應的內表面相切，使得樣品盒3腔體不能從套筒12中移出。套筒12上還設計有三個沿圓周均布的直徑稍大于鋼球14的通孔30，形成分離動作時鋼球14流出的通道。為了防止在擾動作用下樣品盒3腔體向套筒12內側移動，在樣品盒3腔體的四周增加了九個處于預壓縮狀態(tài)的彈簧15，彈簧15的兩端分別頂著套筒12和樣品盒3腔體，如圖9所示。當有外擾動作用于樣品盒3腔體體使其產生向內側的移動時，彈簧15受壓，并阻止其繼續(xù)移動，為了防止彈簧15失穩(wěn)，套筒12上的相應位置設計有直徑稍大于彈簧外包絡直徑的孔，樣品盒3腔體上也設計有細長的彈簧銷16貫穿彈簧15中空部分。分離過程是處于連接狀態(tài)的末端執(zhí)行機構在位置機構的作用下沿垂直方向擺正并緩慢下降，在樣品盒3接觸到上升器44的樣品密封封裝裝置41底部時，位置機構克服彈簧15壓力繼續(xù)下壓，此時樣品盒3腔體連同滑片13及鋼球14相對套筒12向上移動，滑片13上升至極限位置時(圖9中鏟子后端進行限位)，鋼球14與套筒12上的通孔30對正，樣品盒3盒體繼續(xù)上升，鋼球14被擠出球窩，并從套筒12上的通孔30流出，至此機構的連接已經解除，位置機構帶動鏟子I等上升，最終使樣品盒3從末端執(zhí)行機構上分離，圖13為本發(fā)明地外星體淺層土壤取樣裝置在地外星體著陸器上的安裝示意圖。如圖11所示為本發(fā)明末端執(zhí)行機構上銷柱式連接分離機構的示意圖，包括一個局部放大圖，由圖可知連接分離機構4包括套筒12、電磁鐵組件、電磁鐵固定架19和阻尼裝置，電磁鐵組件包括銷柱17和鐵芯18，其中套筒12、電磁鐵固定架19和鏟子I剛性連接，鐵芯18與電磁鐵固定架19剛性連接，銷柱17的一端插入鐵芯18的通孔中并能軸向移動，通電后鐵芯18對銷柱17產生吸引力，使二者貼合，套筒12和樣品盒3腔體外壁具有直徑與銷柱17另一端細長部分直徑相同的通孔，銷柱17的另一端插入通孔將套筒12和樣品盒3連接，電磁鐵通電后拔出銷柱17可以解除連接，使樣品盒3分離。為了防止電磁鐵銷柱17在擾動力(如重力)作用下軸向躥動導致連接失效，在電磁鐵固定架19上設計了由密封圈壓蓋20、密封圈21、三個沿壓蓋圓周均布的調整螺釘22組成的阻尼裝置。電磁鐵固定架19上開有圓柱形凹槽，凹槽底部開有直徑稍大于銷柱17一端細長部分直徑的通孔供銷柱一端細長部分穿過，圓柱形凹槽容納密封圈21，密封圈21同時套在銷柱17 —端的細長部分上，密封圈壓蓋20壓入凹槽內，調整螺釘22穿過密封圈壓蓋20上的通孔固定在電磁鐵固定架19上，將密封圈壓蓋20壓緊在密封圈21上，使密封圈21變形并產生對銷柱17的沿軸向的阻尼力，防止銷柱17軸向躥動導致連接失效。阻尼裝置的阻尼力大小可以通過對三個調整螺釘22的旋入旋出進行調整，以小于電磁鐵的吸引力但大于擾動力為宜。同時也可以在套筒12和樣品盒3腔體之間增加處于預壓縮狀態(tài)的彈簧15，使套筒12與樣品盒3的連接解除后，樣品盒3可在彈簧15的恢復力的作用下分離。如圖12所示為本發(fā)明銷柱式連接分離機構中處于預壓縮狀態(tài)的分離彈簧的示意圖。 如圖13所示，處于連接狀態(tài)的末端執(zhí)行機構50在位置機構的作用下沿垂直方向擺正并緩慢下降，在樣品盒3接觸到上升器44的樣品密封封裝裝置41底部時，電磁鐵通電后拔出銷柱17解除連接，位置機構帶動鏟子I等上升，最終使樣品盒3從末端執(zhí)行機構上分離。擺臂58的長度可根據(jù)任務的不同靈活調節(jié)，如在地外星體淺層土壤取樣裝置中擺臂58長度確定的原則為運動單元56上升到導軌55上端，末端執(zhí)行機構50轉至樣品盒3軸線與擺臂58垂直，擺臂58回擺至水平位置時，樣品盒3能正好與上升器44上的樣品密封封裝裝置41對正。本發(fā)明地外星體淺層土壤取樣裝置工作過程如下(I)起始準備階段，位置機構各部件協(xié)調運動，將末端執(zhí)行機構50置于星體表面附近，準備進行獲取土壤的作業(yè)；(2)獲取土壤階段，位置機構通過運動單元56沿導軌55的上下移動，內置在運動單元56內的第一驅動單元和內置在擺臂關節(jié)57內的第二驅動單元對擺臂58的旋轉驅動，以及末端關節(jié)59對末端執(zhí)行機構50的旋轉驅動，使末端執(zhí)行機構50使用鏟挖和棘輪旋挖兩種取樣作業(yè)方式獲取足夠多的土壤樣品，完成標志是末端執(zhí)行機構50后部的樣品盒3盛滿樣品；(3)樣品轉運階段，位置機構在幾個關節(jié)協(xié)調運動的作用下，將盛滿土壤樣品的末端執(zhí)行機構50帶至上升器44的樣品密封封裝裝置41上方并與之對正；(4)樣品轉送階段，主要任務是將樣品從末端執(zhí)行機構50上轉送到上升器44上的樣品密封封裝裝置41中，即將末端執(zhí)行機構50的樣品盒3分離，使樣品盒3整體進入樣品密封封裝裝置41中，并將樣品盒3機械鎖定；(5)避讓階段，樣品轉送完成后，位置機構驅動末端執(zhí)行機構50的其它部分(包括鏟子I、棘輪2和連接分離機構4)向著陸器43外側擺動，以避免在上升器44起飛時發(fā)生碰
撞干涉。以上所述，僅為本發(fā)明的一種具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。
本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業(yè)技術人員的公知技術。
權利要求
1.地外星體淺層土壤取樣裝置，其特征在于包括導軌擺臂式位置機構和末端執(zhí)行機構(50)兩部分，其中導軌擺臂式位置機構包括導軌(55)、運動單元(56)、擺臂關節(jié)(57)、擺臂(58)和末端關節(jié)(59)，其中導軌(55)與運動單元(56)連接，且運動單元(56)可以沿導軌(55)上下移動，擺臂關節(jié)(57)包括水平部分(57a)和豎直部分(57b)，在運動單元(56)內置的第一驅動單元的驅動作用下，擺臂關節(jié)(57)繞豎直部分(57b)的軸線轉動，從而帶動擺臂(58)掃取扇面，水平部分(57a)與擺臂(58)連接，在擺臂關節(jié)(57)內置的第二驅動單元的驅動作用下，水平部分(57a)繞自身軸線轉動并帶動擺臂(58)上下擺動，末端關節(jié)(59)嵌入在擺臂(58)遠離擺臂關節(jié)(57)的另一端，末端關節(jié)(59)用于連接末端執(zhí)行機構(50)，并驅動末端執(zhí)行機構(50)繞末端關節(jié)(59)的軸線轉動；末端執(zhí)行機構(50)包括鏟子(I)、棘輪(2)、樣品盒(3)和連接分離機構(4)，其中鏟子(I)是末端執(zhí)行機構(50)的主體，用于對土壤進行鏟挖，棘輪(2)固定在鏟子(I)前端，用于對土壤進行旋挖，樣品盒(3)通過連接分離機構(4)固定在鏟子(I)后端，樣品盒(3)為筒形結構，入口處設置有單向機構和封口機構，單向機構用于防止樣品盒⑶內的土壤流出，包括第一門扇(6)、門軸 (7)及第二門扇(9)，門軸(7)沿直徑方向穿過樣品盒(3)的筒壁并固定在筒壁上，第一門扇(6)和第二門扇(9)在夾角為180°時組成一個完整的橢圓面，門軸(7)穿過橢圓面的短軸所在的中心線，第一門扇(6)和第二門扇(9)可以繞門軸(7)轉動，橢圓面的短軸等于筒形樣品盒(3)內壁的直徑，橢圓面的長軸大于筒形樣品盒(3)內壁的直徑，使得第一門扇(6)和第二門扇(9)在筒形樣品盒(3)內繞門軸(7)轉動時夾角始終小于180°，當土壤從樣品盒⑶的腔體內流出時，第一門扇(6)和第二門扇(9)的邊緣緊貼樣品盒(3)的腔體內壁，防止土壤外流；封口機構用于在樣品盒⑶分離時防止盒內的土壤樣品飛濺出來；連接分離機構(4)實現(xiàn)樣品盒(3)與末端執(zhí)行機構(50)的分離。
2.根據(jù)權利要求I所述的地外星體淺層土壤取樣裝置，其特征在于所述單向機構中還包括限位螺釘(8)，限位螺釘(8)沿直徑方向穿過樣品盒(3)的筒壁并固定在筒壁上，并位于門軸(7)后端靠近樣品盒(3)尾部一側，軸線與門軸(7)平行，限位螺釘(8)用于防止第一門扇(6)和第二門扇(9)由于夾角過小而在土壤外流時不能與樣品盒(3)腔體內壁貼合，使得土壤流出。
3.根據(jù)權利要求I所述的地外星體淺層土壤取樣裝置，其特征在于所述封口機構由柔性紡織材料圈(10)和記憶合金圈(11)組成，其中柔性紡織材料圈(10)為圓筒狀，一端固定在樣品盒(3)腔體外壁，另一端和記憶合金圈(11)連接。
4.根據(jù)權利要求I所述的地外星體淺層土壤取樣裝置，其特征在于所述運動單元(56)沿導軌(55)上下移動的實現(xiàn)方式有通過齒輪齒條傳動機構、同步帶傳動機構、絲杠傳動機構或鋼絲繩纏繞加載機構。
5.根據(jù)權利要求I所述的地外星體淺層土壤取樣裝置，其特征在于所述連接分離機構(4)為鋼球式連接分離機構，包括套筒(12)、滑片(13)、鋼球(14)、彈簧(15)和彈簧銷(16)，其中滑片(13)和鋼球(14)設置在套筒(12)內側的凹槽內，滑片(13)與樣品盒(3)腔體外壁緊貼，鋼球(14)嵌入滑片(13)的通孔和樣品盒(3)腔體外壁上的凹槽共同形成的封閉空腔內，使得樣品盒⑶腔體不能從套筒(12)中移出，套筒(12)與樣品盒(3)腔體外壁之間設置處于壓縮狀態(tài)的彈簧(15)和彈簧銷(16)，防止末端執(zhí)行機構翻轉時樣品盒(3)位移過大導致連接失效，當樣品盒(3)分離時，鋼球(14)在滑片(13)上升到鏟子(I)后端的極限位置時與套筒(12)的通孔(30)對正，樣品盒(3)繼續(xù)上升將鋼球(14)擠出通孔(30)，實現(xiàn)樣品盒(3)的分離。
6.根據(jù)權利要求5所述的地外星體淺層土壤取樣裝置，其特征在于所述鋼球(14)嵌入的封閉空腔由滑片(13)上形成的通孔和樣品盒(3)腔體外壁上形成的球窩(5a)組成，所述通孔的表面包括柱形部分(13a)與球形部分(13b)，柱形部分(13a)為直徑與鋼球(14)直徑相同的圓柱面，球形部分(13b)為直徑與鋼球(14)相同的部分球面，球窩(5a)表面與球形部分(13b)共同組成一個容納鋼球(14)的半球面，柱形部分(13a)容納鋼球(14)的其它部分。
7.根據(jù)權利要求I所述的地外星體淺層土壤取樣裝置，其特征在于所述連接分離機構(4)為銷柱式連接分離機構，包括套筒(12)、電磁鐵組件、電磁鐵固定架(19)和阻尼裝置，電磁鐵組件包括銷柱(17)和鐵芯(18)，其中套筒(12)、電磁鐵固定架(19)和鏟子(I)剛性連接，鐵芯(18)與電磁鐵固定架(19)剛性連接，銷柱(17)的一端插入鐵芯(18)的通孔中并能軸向移動，通電后鐵芯(18)對銷柱(17)產生吸引力，使二者貼合，套筒(12)和樣品盒⑶腔體外壁上形成通孔，銷柱(17)的另一端插入所述通孔將套筒(12)和樣品盒(3)連接，電磁鐵通電后拔出銷柱(17)可以解除連接，使樣品盒(3)分離；阻尼裝置包括密封圈壓蓋(20)、密封圈(21)和沿密封圈壓蓋(20)圓周均布的調整螺釘(22)，電磁鐵固定架(19)上開有凹槽，凹槽容納密封圈(21)，密封圈(21)同時套在銷柱(17)的一端，密封圈壓蓋(20)壓入凹槽內，調整螺釘(22)穿過密封圈壓蓋(20)上的通孔固定在電磁鐵固定架(19)上，將密封圈壓蓋(20)壓緊在密封圈(21)上，使密封圈(21)變形并產生對銷柱(17)的沿軸向的阻尼力，防止銷柱(17)軸向躥動導致連接失效，阻尼力的大小可以通過對調整螺釘(22)的旋入旋出進行調整。
8.根據(jù)權利要求7所述的地外星體淺層土壤取樣裝置，其特征在于所述套筒(12)與樣品盒(3)腔體之間還可以設置處于壓縮狀態(tài)的彈簧(15)，保證樣品盒(3)與套筒(12)的連接解除后，樣品盒(3)在彈簧(15)的恢復力作用下可靠分離。
9.根據(jù)權利要求I所述的地外星體淺層土壤取樣裝置，其特征在于樣品盒(3)腔體由直徑不同的兩段筒體組成，其中直徑較小的筒體(3a)與連接分離機構(4)連接，并提供樣品盒(3)上單向機構與封口機構的安裝接口，直徑較大的筒體(3b)存放土壤樣品。
10.根據(jù)權利要求9所述的地外星體淺層土壤取樣裝置，其特征在于所述直徑較大的筒體(3b)上開有狹長視窗(31)，用于觀測筒體內的土壤樣品量。
11.根據(jù)權利要求I所述的地外星體淺層土壤取樣裝置，其特征在于所述樣品盒(3)外側底部設置有機械接口，用于樣品盒(3)進入上升器(44)上的樣品密封封裝裝置(41)后，與樣品密封封裝裝置(41)內側底部的機械接口共同將樣品盒(3)機械鎖定。
全文摘要
本發(fā)明涉及地外星體淺層土壤取樣裝置，包括導軌擺臂式位置機構和末端執(zhí)行機構兩部分，其中導軌擺臂式位置機構包括導軌、運動單元、擺臂關節(jié)、擺臂和末端關節(jié)，末端執(zhí)行機構包括鏟子、棘輪、樣品盒和連接分離機構，其中位置機構剛度高，靈活性好，控制方式非常簡單，除了用于地外星體淺層土壤取樣以外，可用于完成目前常用的四自由度兩級空間機械臂的任務；末端執(zhí)行機構以鏟挖作業(yè)方式為主，棘輪旋挖作業(yè)方式為輔，能夠有效地獲取土壤樣品，具備樣品的臨時存儲和初級封裝功能，并能將樣品轉送至上升器上的密封封裝裝置中，該土壤取樣裝置具有廣闊的應用范圍。
文檔編號G01N1/08GK102680275SQ20121016917
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月25日 優(yōu)先權日2012年5月25日
發(fā)明者劉碩, 孫京, 尹忠旺, 李廣榮, 楊帥, 殷參, 王國欣, 王迎春, 王露斯, 范洪濤, 董禮港 申請人:北京衛(wèi)星制造廠