本發(fā)明涉及太空星體采樣領(lǐng)域，具體地說是一種可伸展仿生采樣器。

背景技術(shù)：

隨著我國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，對除月球以外的其他星體的探測活動也逐步提上發(fā)展日程。世界各國對太空星體探測工程(也包括我國的嫦娥工程)中的一項(xiàng)重要任務(wù)便是星體的采樣與回收，通過分析星體構(gòu)成可以增加人類對星體演變的認(rèn)知，同時也可用于尋找新的資源?，F(xiàn)有技術(shù)中，采樣最常用的方式是旋轉(zhuǎn)鉆，其技術(shù)發(fā)展已經(jīng)十分成熟，但在未知的太空環(huán)境中，切削熱等因素容易造成鉆頭故障，從而無法進(jìn)行正常工作，另外旋轉(zhuǎn)鉆需要專門的設(shè)備提供足夠正壓力實(shí)現(xiàn)鉆取，這也會增大發(fā)射難度，而且發(fā)射成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種可伸展仿生采樣器，是基于仿生學(xué)原理由樹蜂高效鉆探樹洞獲得啟發(fā)設(shè)計而成，具有體積小、質(zhì)量輕、效率高等特點(diǎn)，可以使鉆探和采樣同時進(jìn)行，大大提高作業(yè)效率。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：

一種可伸展仿生采樣器，包括展開驅(qū)動電機(jī)、展開傳送機(jī)構(gòu)、帶鋼和采樣鉆，其中展開傳送機(jī)構(gòu)設(shè)有帶鋼卷軸、輸送輥傳動機(jī)構(gòu)和兩個輸送輥，帶鋼卷軸的端部與展開驅(qū)動電機(jī)的輸出軸固連，帶鋼繞置于所述帶鋼卷軸上且自由端穿過兩個輸送輥后與采樣鉆連接，帶鋼通過所述兩個輸送輥傳送，其中主動輸送輥通過所述展開驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，且所述展開驅(qū)動電機(jī)通過所述輸送輥傳動機(jī)構(gòu)傳遞轉(zhuǎn)矩；所述采樣鉆包括鉆殼、鉆頭、導(dǎo)向管、往復(fù)驅(qū)動機(jī)構(gòu)和采樣裝置，其中鉆殼后端與所述帶鋼固連，鉆頭后段設(shè)置于鉆殼中，鉆頭前段設(shè)置于鉆殼外并且外側(cè)設(shè)有倒齒，導(dǎo)向管設(shè)置于所述鉆殼內(nèi)，且所述鉆頭后段套設(shè)于所述導(dǎo)向管上，在所述導(dǎo)向管后段內(nèi)部設(shè)有驅(qū)動所述鉆頭移動的往復(fù)驅(qū)動機(jī)構(gòu)，在所述鉆頭前端內(nèi)部設(shè)有采樣裝置，且所述采樣裝置與所述導(dǎo)向管前端固連。

所述兩個輸送輥中，主動輸送輥外圓周面為凸輪面，從動輸出輥的外圓周面為凹度與所述主動輸送輥的凸輪面相配的凹輪面，帶鋼通過所述兩個輸送輥的凸凹面卷成筒狀，所述展開傳送機(jī)構(gòu)設(shè)置于一殼體中，在所述殼體的底板上開有一個通孔，卷起的帶鋼由所述通孔穿過。

所述輸送輥傳動機(jī)構(gòu)為一個齒輪傳動組，所述齒輪傳動組中的主動齒輪固裝在所述帶鋼卷軸上，所述齒輪傳動組中的輸出齒輪固裝在所述主動輸送輥的輥軸上，在所述主動齒輪和輸出齒輪之間設(shè)有一個惰輪。

所述展開傳送機(jī)構(gòu)設(shè)置于一殼體中，且在所述殼體內(nèi)、在所述帶鋼卷軸上方設(shè)有一個張緊機(jī)構(gòu)，所述張緊結(jié)構(gòu)包括張緊架、張緊桿和張緊片，其中張緊架固設(shè)于所述殼體中，張緊桿一端穿過所述張緊架、另一端與張緊片固連，在所述張緊片與張緊架之間的張緊桿上套設(shè)有壓簧，所述壓簧始終處于壓縮狀態(tài)，所述張緊片通過所述壓簧作用與帶鋼卷相抵。

所述鉆頭包括背鉆瓣、中間瓣和腹鉆瓣，所述背鉆瓣和腹鉆瓣形成一回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，所述背鉆瓣和腹鉆瓣后段外側(cè)為光壁且伸入至所述鉆殼中，所述背鉆瓣和腹鉆瓣前段設(shè)置于所述鉆殼外且外側(cè)設(shè)有倒齒，所述中間瓣設(shè)置于鉆頭前端且位于所述背鉆瓣和腹鉆瓣之間。

所述導(dǎo)向管后端與所述鉆殼固連，所述導(dǎo)向管呈三段階梯狀，所述導(dǎo)向管后段外徑最大且外壁與所述鉆殼的內(nèi)壁貼合，所述導(dǎo)向管的中段外壁與所述背鉆瓣和腹鉆瓣不含倒齒的后段內(nèi)壁貼合，所述導(dǎo)向管前段外徑最小且外壁與所述背鉆瓣和腹鉆瓣含倒齒的前段內(nèi)壁貼合。

在所述導(dǎo)向管后段內(nèi)設(shè)有往復(fù)驅(qū)動機(jī)構(gòu)，所述往復(fù)驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括往復(fù)驅(qū)動電機(jī)、電機(jī)固定臺、套筒和套筒固定臺，其中電機(jī)固定臺和套筒固定臺均固裝于所述導(dǎo)向管內(nèi)，往復(fù)驅(qū)動電機(jī)固裝在所述電機(jī)固定臺上且輸出軸穿過所述電機(jī)固定臺后與所述套筒固連，所述套筒另一端與所述套筒固定臺轉(zhuǎn)動連接，在所述套筒上設(shè)有螺旋槽，所述鉆頭包括背鉆瓣和腹鉆瓣，所述背鉆瓣和腹鉆瓣后端內(nèi)側(cè)設(shè)有沿著所述螺旋槽滾動的滾輪。

所述導(dǎo)向管的中段設(shè)有導(dǎo)向槽，所述鉆頭包括背鉆瓣和腹鉆瓣，所述背鉆瓣和腹鉆瓣后端內(nèi)側(cè)設(shè)有沿著所述導(dǎo)向槽移動的導(dǎo)向塊。

所述采樣裝置包括采樣驅(qū)動電機(jī)、采樣背殼和采樣腹殼，采樣驅(qū)動電機(jī)固裝于所述導(dǎo)向管前端，采樣腹殼設(shè)置于采樣背殼中，所述采樣驅(qū)動電機(jī)殼體部分與所述采樣背殼固連，所述采樣驅(qū)動電機(jī)的輸出軸與所述采樣腹殼固連，所述采樣背殼內(nèi)壁與采樣腹殼外壁貼合，且所述采樣腹殼通過采樣驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動在所述采樣背殼內(nèi)轉(zhuǎn)動。

所述鉆殼后端固設(shè)有一個端蓋，所述端蓋后側(cè)通過一個箍環(huán)與所述帶鋼的自由端固連，所述導(dǎo)向管后端同時與所述端蓋前側(cè)以及所述鉆殼后端固連，所述端蓋前側(cè)沿圓周方向設(shè)有多個限位齒，在所述導(dǎo)向管后端設(shè)有多個限位凹槽，所述多個限位齒即與所述限位凹槽交錯咬合。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與積極效果為：

1.本發(fā)明基于仿生學(xué)原理由樹蜂高效鉆探樹洞獲得啟發(fā)設(shè)計而成，具有體積小、質(zhì)量輕、效率高等特點(diǎn)，并且使鉆探和采樣可以同時進(jìn)行，極大地提高了作業(yè)效率。

2.本發(fā)明設(shè)計的采樣鉆端部包含背鉆瓣、中間瓣和腹鉆瓣三部分，背鉆瓣和腹鉆瓣用于鉆探，中間瓣可以起到一定定向作用，到達(dá)目的深度后，中間瓣工作實(shí)現(xiàn)采樣。

3.本發(fā)明鉆的運(yùn)動形式為直線往復(fù)型，避免了微重力下，旋轉(zhuǎn)鉆會造成探測車旋轉(zhuǎn)的問題。

4.本發(fā)明設(shè)計的展開機(jī)構(gòu)，使柔性帶鋼在伸出后形成強(qiáng)度高的桿狀結(jié)構(gòu)，在鉆探過程中不易發(fā)生彎曲和位置偏離，且收回時仍可繞在主動輪上，工作可靠，壽命長。

5.本發(fā)明設(shè)計的采樣鉆結(jié)構(gòu)適用范圍廣，可以實(shí)現(xiàn)不同深度的采樣和頻繁的工作任務(wù)。

6.本發(fā)明結(jié)構(gòu)新穎且體積小，質(zhì)量輕，一定程度上降低了航天器的發(fā)射難度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體示意圖，

圖2為本發(fā)明的展開機(jī)構(gòu)示意圖，

圖3為本發(fā)明的采樣鉆示意圖，

圖4為圖3中的采樣鉆內(nèi)部示意圖，

圖5為圖4中導(dǎo)向管內(nèi)部的往復(fù)驅(qū)動機(jī)構(gòu)示意圖，

圖6為圖4中鉆頭內(nèi)部示意圖，

圖7為圖4中的采樣裝置示意圖。

其中，1為展開驅(qū)動電機(jī)，2為展開傳送機(jī)構(gòu)，3為第一蓋板，4為帶鋼，5為箍環(huán)，6為采樣鉆，7為張緊片，8為第二蓋板，9為主動齒輪，10為輸出齒輪，11為底板，12為主動輸送輥，13為從動輸送輥，14為惰輪，15為夾板，16為張緊架，17為張緊桿，18為鉆殼，19為背鉆瓣，20為中間瓣，21為腹鉆瓣，22為端蓋，23為導(dǎo)向管，24為導(dǎo)向槽，25為采樣驅(qū)動電機(jī)，26為采樣背殼，27為采樣腹殼，28為往復(fù)驅(qū)動電機(jī)，29為電機(jī)固定臺，30為套筒，31為套筒固定臺，32為滾輪，33為導(dǎo)向塊。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。

如圖1～7所示，本發(fā)明包括展開驅(qū)動電機(jī)1、展開傳送機(jī)構(gòu)2、帶鋼4和采樣鉆6，其中展開傳送機(jī)構(gòu)2設(shè)置于一殼體中，如圖2所示，所述展開傳送機(jī)構(gòu)2包括一個帶鋼卷軸、兩個輸送輥和一個輸送輥傳動機(jī)構(gòu)，所述帶鋼4繞置于所述帶鋼卷軸上且自由端由所述兩個輸送輥之間穿過后伸出至所述殼體外與所述采樣鉆6連接，所述帶鋼4即通過兩個輸送輥傳送，所述展開驅(qū)動電機(jī)1安裝在所述殼體上，且所述帶鋼卷軸的端部與所述展開驅(qū)動電機(jī)1的輸出軸固連，兩個輸出輥中的主動輸送輥12通過所述展開驅(qū)動電機(jī)1驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，且所述展開驅(qū)動電機(jī)1通過所述輸送輥傳動機(jī)構(gòu)傳遞轉(zhuǎn)矩。如圖3～7所示，所述采樣鉆6包括鉆殼18、鉆頭、導(dǎo)向管23、往復(fù)驅(qū)動機(jī)構(gòu)和采樣裝置，其中所述鉆殼18后端與所述帶鋼4固連，所述鉆頭后段設(shè)置于鉆殼18中，所述鉆頭前段設(shè)置于鉆殼18外并且外側(cè)設(shè)有倒齒，所述導(dǎo)向管23設(shè)置于所述鉆殼18內(nèi)，且所述鉆頭后段套設(shè)于所述導(dǎo)向管23上，在所述導(dǎo)向管23后段內(nèi)設(shè)有驅(qū)動所述鉆頭移動的往復(fù)驅(qū)動機(jī)構(gòu)，在所述鉆頭前端內(nèi)設(shè)有采樣裝置，且所述采樣裝置與所述導(dǎo)向管23前端固連。

如圖1～2所示，所述殼體包括第一蓋板3、第二蓋板8和底板11，所述帶鋼卷軸以及各個輸送輥的兩端分別安裝在不同的蓋板上，所述輸送輥傳動機(jī)構(gòu)為一個齒輪傳動組，如圖2所示，所述齒輪傳動組中的主動齒輪9固裝在所述帶鋼卷軸上，所述齒輪傳動組中的輸出齒輪10固裝在所述主動輸送輥12的輥軸上，在所述主動齒輪9和輸出齒輪10之間設(shè)有一個惰輪14，所述展開驅(qū)動電機(jī)1依次通過所述主動齒輪9、惰輪14和輸出齒輪10傳動驅(qū)動所述主動輸送輥12轉(zhuǎn)動，經(jīng)過惰輪14傳遞后，所述輸出齒輪10與所述主動齒輪9轉(zhuǎn)向相同，且所述輸出齒輪10的分度圓直徑小于所述主動齒輪9的分度圓直徑，這樣輸出齒輪10的切向角速度高于主動齒輪9上的角速度，有利于帶鋼4的伸展和收回，同時起到一定張緊作用，所述齒輪傳動組的各個齒輪輪軸兩端分別安裝在所述殼體的不同蓋板上。如圖2所示，所述兩個輸送輥中，主動輸送輥12外圓周面為凸輪面，從動輸出輥13的外圓周面為凹度與所述主動輸送輥12的凸輪面相配的凹輪面，帶鋼4經(jīng)過所述兩個輸送輥的凸凹面后即卷成筒狀，在所述殼體的底板11上開有一個通孔，帶鋼4經(jīng)過所述兩個輸送輥的凸凹面輪廓改變曲率后再經(jīng)過該通孔，可以使其曲率平穩(wěn)過渡，且限制帶鋼4的伸出部分橫向大幅擺動，使鉆探過程更加穩(wěn)定。

如圖2所示，在所述帶鋼卷軸兩側(cè)設(shè)有夾板15用于夾緊帶鋼卷，另外在帶鋼4伸出和收回過程中，為了避免帶鋼4出現(xiàn)鼓包情況，本發(fā)明在所述殼體內(nèi)設(shè)有一個張緊機(jī)構(gòu)，所述張緊結(jié)構(gòu)包括張緊架16、張緊桿17和張緊片7，其中所述張緊架16兩側(cè)分別固定在所述殼體的第一蓋板3和第二蓋板8上，張緊桿17一端穿過所述張緊架16、另一端與張緊片7通過螺釘固連，在所述張緊片7與張緊架16之間的張緊桿17上套設(shè)有壓簧，所述壓簧在帶鋼4伸展和收回時始終處于壓縮狀態(tài)，從而提供一定的壓力壓住帶鋼卷。

本發(fā)明的采樣鉆6根據(jù)樹蜂產(chǎn)卵管末端微觀結(jié)構(gòu)以及鉆探機(jī)理進(jìn)行設(shè)計。如圖3～4所示，所述采樣鉆6包括鉆殼18和鉆頭，其中所述鉆頭包括背鉆瓣19、中間瓣20和腹鉆瓣21，所述背鉆瓣19和腹鉆瓣21形成一回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，且所述背鉆瓣19和腹鉆瓣21后段外側(cè)為光壁且伸入至所述鉆殼18中，所述背鉆瓣19和腹鉆瓣21前段外側(cè)設(shè)有倒齒且設(shè)置于所述鉆殼18外，所述中間瓣20設(shè)置于鉆頭前端且位于所述背鉆瓣19和腹鉆瓣21之間。如圖4所示，在所述鉆殼18內(nèi)設(shè)有一個呈三段階梯狀的導(dǎo)向管23，所述導(dǎo)向管23后段外徑最大且外壁與所述鉆殼18的內(nèi)壁貼合，所述鉆頭后段套裝于所述導(dǎo)向管23前段上并且與所述導(dǎo)向管23為止口配合，其中所述導(dǎo)向管23的中段外壁與所述背鉆瓣19和腹鉆瓣21不含倒齒的后段內(nèi)壁貼合，所述導(dǎo)向管23前段外徑最小且外壁與所述背鉆瓣19和腹鉆瓣21含倒齒的前段內(nèi)壁貼合，所述鉆頭可沿著所述導(dǎo)向管23滑動。如圖3～4所示，在所述鉆殼18后端固設(shè)有一個端蓋22，所述端蓋22后側(cè)通過一個箍環(huán)5與所述帶鋼4的自由端固連，所述導(dǎo)向管23后端通過螺釘與所述端蓋22前側(cè)以及所述鉆殼18后端一起固連，其中所述端蓋22前側(cè)沿圓周方向設(shè)有多個限位齒，在所述導(dǎo)向管23后端設(shè)有多個限位凹槽，所述多個限位齒即與所述限位凹槽交錯咬合確保所述導(dǎo)向管23不發(fā)生徑向轉(zhuǎn)動。

在所述導(dǎo)向管23后段內(nèi)設(shè)有往復(fù)驅(qū)動機(jī)構(gòu)，如圖5所示，所述往復(fù)驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括往復(fù)驅(qū)動電機(jī)28、電機(jī)固定臺29、套筒30和套筒固定臺31，其中電機(jī)固定臺29通過螺釘固裝于所述導(dǎo)向管23上，往復(fù)驅(qū)動電機(jī)28固裝在所述電機(jī)固定臺29上且輸出軸穿過所述電機(jī)固定臺29后與所述套筒30固連，在所述套筒30上設(shè)有螺旋槽，如圖6所示，在構(gòu)成鉆頭本體的背鉆瓣19和腹鉆瓣21后端內(nèi)側(cè)設(shè)有沿著所述螺旋槽滾動的滾輪32，所述套筒30另一端與所述套筒固定臺31轉(zhuǎn)動連接，所述套筒固定臺31通過螺釘固裝于所述導(dǎo)向管23上，所述往復(fù)驅(qū)動電機(jī)28驅(qū)動所述套筒30轉(zhuǎn)動，所述套筒30通過所述螺旋槽驅(qū)動所述鉆頭做相位差為180°的往復(fù)運(yùn)動。

如圖4所示，所述導(dǎo)向管23的中段設(shè)有導(dǎo)向槽24，如圖6所示，在構(gòu)成鉆頭本體的背鉆瓣19和腹鉆瓣21內(nèi)設(shè)有沿著所述導(dǎo)向槽24移動的導(dǎo)向塊33，所述導(dǎo)向槽24用于實(shí)現(xiàn)鉆頭沿著軸向往復(fù)運(yùn)動。

如圖4和圖7所示，在所述鉆頭前端內(nèi)設(shè)有采樣裝置，所述采樣裝置包括采樣驅(qū)動電機(jī)25、采樣背殼26和采樣腹殼27，其中所述采樣驅(qū)動電機(jī)25固裝于所述導(dǎo)向管23前端，在所述導(dǎo)向管23前端設(shè)有一個與所述采樣驅(qū)動電機(jī)25殼輪廓相一致的孔，所述采樣驅(qū)動電機(jī)25插裝入所述孔中并通過環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行固定，采樣腹殼27設(shè)置于采樣背殼26中，所述采樣驅(qū)動電機(jī)25殼體部分與所述采樣背殼26固連，所述采樣驅(qū)動電機(jī)25的輸出軸與所述采樣腹殼27固連，所述采樣背殼26外壁與所述背鉆瓣19和腹鉆瓣21含有倒齒段的前段內(nèi)壁貼合，所述采樣背殼26內(nèi)壁與采樣腹殼27外壁貼合，所述采樣腹殼27即通過采樣驅(qū)動電機(jī)25驅(qū)動在所述采樣背殼26內(nèi)轉(zhuǎn)動，當(dāng)所述采樣背殼26與采樣腹殼27形成一封閉回轉(zhuǎn)體時為關(guān)閉狀態(tài)，其他狀態(tài)均為開啟狀態(tài)。

本發(fā)明的工作原理為：

本發(fā)明工作時，選定采樣區(qū)域后，展開驅(qū)動電機(jī)1正轉(zhuǎn)驅(qū)動帶鋼4不斷向外伸出形成桿狀并帶動采樣鉆6向下運(yùn)動，此時采樣鉆6各部分不工作，當(dāng)采樣鉆6與星體表面接觸時，降低展開驅(qū)動電機(jī)1的轉(zhuǎn)速，同時啟動往復(fù)驅(qū)動電機(jī)28帶動鉆頭的背鉆瓣19和腹鉆瓣21做相位差為180°的直線往復(fù)運(yùn)動，往復(fù)運(yùn)動頻率通過pwm對往復(fù)驅(qū)動電機(jī)28進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，另外鉆頭的中間瓣20端部較銳，可較易扎入表層一微小深度，對鉆探起到一定導(dǎo)向作用，所述背鉆瓣19和腹鉆瓣21上的倒齒結(jié)構(gòu)在往復(fù)運(yùn)動時可以破壞星體形成層，并通過倒齒結(jié)構(gòu)將鉆屑排出形成鉆洞，展開驅(qū)動電機(jī)1通過展開傳送機(jī)構(gòu)2驅(qū)動帶鋼4向下伸展實(shí)現(xiàn)鉆探。當(dāng)鉆探至目的深度后，展開驅(qū)動電機(jī)1停止運(yùn)動，往復(fù)驅(qū)動電機(jī)28保持工作狀態(tài)，同時啟動采樣驅(qū)動電機(jī)25帶動采樣腹殼27轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)采樣，樣品由中間瓣20與背鉆瓣19和腹鉆瓣21之間進(jìn)入采用腹殼27內(nèi)，采樣結(jié)束后控制采樣背殼26和采樣腹殼27形成封閉空間，往復(fù)驅(qū)動電機(jī)28保持工作狀態(tài)，展開驅(qū)動電機(jī)1反轉(zhuǎn)帶動帶鋼4向上收回至樣品分區(qū)，再次啟動采樣驅(qū)動電機(jī)25使樣品自動落入樣品分區(qū)，然后控制采樣背殼26和采樣腹殼27形成封閉空間完成一次采樣過程，下次采樣過程循環(huán)即可。