一种用于小行星探测的钻取抓铲式复合采样器装置及其使用方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于小行星探测的钻取抓铲式复合采样器装置及其使用方法。所述的装置包括进给机构、钻取机构、抓铲机构和安装板；所述的使用方法步骤为1)电机复位；2)检查电机；3)抓铲电机采样；4)检验铲子；5)钻杆旋转向下运动；6)检验钻杆；7)提升钻杆；8)检验钻杆；9)取样；10)检验取样管；11)钻取机构向上运动；12)检验微动开关触头；13)进给电机停止；14)检验采样器；15)排样；16)检验铲子；17)排样；18)检验取样管；19)复位；所述钻取抓铲式复合采样器装置及其使用方法既可在小行星表面样品进行采集，又可进行深层采样，可保持样品的层理信息，有采样量大、样品种类多、保持样品原样等优点。
【专利说明】一种用于小行星探测的钻取抓铲式复合采样器装置及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明属于空间探测【技术领域】，具体来说，是一种用于小行星探测的钻取抓铲式复合采样器装置及其使用方法。
【背景技术】
[0002]小行星是太阳系形成后的物质残余，也是太阳系中的重要成员，它保留了太阳系的形成和早期演化的遗迹，反映了其形成过程的物理化环境，因而是人类了解太阳系起源、形成和演变的重要载体。并且，小行星上有丰富的铁、镍和铜等金属，有的含有金和钼等贵金属及稀有元素，如第16号灵神星，其直径为250公里，按计算估计有5亿吨铁、5000万亿吨镍，还有数亿吨其它的稀有金属。目前，在大量近地小行星中已经识别出了钼族金属元素矿床，早期的研究表明最普遍的C型小行星表面物质富含碳和水，同时包含多种与生命有关的重要有机分子，科学家在陨石中发现有丰富的有机物质，这些碳物质中含有类似氨基酸的成分，是蛋白质的基本原料。因此，对小行星进行深空探测有十分重大的科学意义。
[0003]近年来，世界各国对小行星进行了多方面的探测，从早期的发展飞越到目前的小行星低空绕轨勘探，再发展到小行星表面软着陆和采集样品计划。2003年日本发射了 “缪斯-C”探测器，它完成了 5个月的观测以及样品采集工作，还获取了小行星地形、地貌和地质结构等大量信息。但是，我国还未发射过小行星探测器，为了提高我国的小行星深空探测能力，更充分地了解小行星的地理构造与表面环境，除了实现对小行星的软着陆，还需对小行星的表面物质进行取样分析。
[0004]目前国内外星球采样器的形式，主要分为钻取式采样器、抓铲式采样器、仿生式采样器、投射式采样器和复合式采样器。其中，钻取式采样器是最常选用的采样器，其发展相对来说比较成熟，既可以采集大量的深层样品，又可保持样品的层理信息，但无法采集表层松散土壤样品；抓铲式采样器结构简单，操作灵活，但只能采集表层松散土壤样品，不能保持样品的层理信息；仿生式采样器采样方式新颖，体积和功耗较小，但是采集样品深度浅，采样量少，研究和试验也尚未成熟；投射式采样器结构简单，通过投射弹强烈碰撞小行星表面，收集飞溅的样品来采样，采样量小，通过验证采样效果也并不理想；复合式采样器是运用多种采样手段相结合的方式进行采样，容易达到采样量、保持样品层理信息、采样深度等要求，是一种多功能采样器，由于复合式采样器集成了多种采样方式的优点，在技术水平达到并且实验条件成熟的情况下，相对前几种采样方式来说，无疑是深空探测最好的一种采样器。但复合式采样器的体积和功耗也相对较大，同时，整体的采样系统需要集成多种功能，如果能按预期目标实现功能则需要较高的技术支持和大量的测试实验验证。

【发明内容】

[0005]本发明针对小行星微重力、高低温、强辐射和高真空的特殊环境，为了解决传统小行星采样器存在采样量小，样品种类少，难以保持样品层理信息和结构复杂等问题，提出一种用于小行星探测的钻取抓铲式复合采样器装置及其使用方法。
[0006]本发明钻取抓铲式复合采样器装置包括进给机构、钻取机构、抓铲机构和安装板；所述安装板用于将进给机构、钻取机构、抓铲机构连接成一个整体，安装在着陆器上采样机械臂的末端。
[0007]所述进给机构主要由进给电机、联轴器A、进给丝杠、光轴、微动开关触头、上框架和下框架组成。
[0008]上框架和下框架均采用L型板材结构；分为水平面和垂直面；上框架和下框架的水平面相对平行放置；垂直面通过螺钉固定在安装板上；进给电机输出轴通过联轴器A连接进给丝杠，进给丝杠的上端和下端分别固定在上框架和下框架的水平面上；进给电机提供驱动力，驱动进给丝杠做旋转运动，进给丝杠的螺旋长度决定了钻取抓铲式复合采样器能够达到的钻取深度；
[0009]上框架和下框架之间通过光轴固定座安装了两根光轴，用于钻取机构的导向，两根光轴和进给丝杠均立式平行放置，横截面呈三角形排列。上框架的水平面上靠近进给丝杠的地方安装有一个微动开关触头，用于触发钻取机构上的微动开关，用来限定钻取机构的上限位置。
[0010]所述钻取机构主要由旋转组件和取样组件构成，还包括:进给丝杠螺母，直线轴承，钻杆固定板以及一维力传感器；所述的旋转组件主要有旋转电机，大齿轮，小齿轮和钻杆。所述的取样组件主要由取样电机，取样丝杠，弹簧套筒，取样弹簧，取样管和钻心组成。
[0011]取样电机通过取样电机端盖固定在齿轮保护盖上，取样电机的输出轴和取样丝杠固联，取样丝杠通过螺纹连接弹簧套筒；弹簧套筒内放置取样弹簧；取样弹簧通过取样管螺母连接取样管，取样电机驱动取样丝杠做旋转运动，带动弹簧套筒上下运动，从而带动取样管上下运动；
[0012]旋转电机通过键连接小齿轮，小齿轮和大齿轮啮合传动，大齿轮也通过键连接钻杆，因此旋转电机通过齿轮传动驱动钻杆旋转运动，进而切削样品。
[0013]将进给丝杠穿入进给丝杠螺母并配合传动，进给丝杠螺母固连在钻杆固定板上，两根光轴分别穿过两个直线轴承，直线轴承固连在钻杆固定板上；因此当进给电机驱动进给丝杠旋转运动时，带动进给丝杠螺母沿进给丝杠轴向上下运动，直线轴承沿着光轴做上下运动，从而带动钻杆固定板在竖直方向来回运动，进而带动钻杆上下运动。
[0014]钻杆内部为中空结构，其底部中空部分间隙配合安装取样管；钻杆上下部分别开有2个销孔，用于安装钻杆定位销；取样管底部为中空形式，间隙配合安装钻心，钻心上开有2个销孔,钻心销孔的位置与钻杆下部销孔的位置相对,取样管上下部各有2个销钉槽，通过将钻杆定位销穿过取样管的销钉槽和钻心的销孔固定安装在钻杆的销孔中，通过将钻杆定位销和钻心采用过盈配合的方式固定，实现钻杆定位销的定位。
[0015]因此取样管向下运动时，钻杆定位销相对于取样管在销钉槽内向上运动，限制取样管上限位置，取样管下端伸出钻杆，取样管底端中空部分将对土壤样品进行采样，完成样品的取样；当取样管向上运动时，钻杆定位销和钻心相对于取样管在销钉槽内向下运动，迫使采集的土壤排出到样品容器中；放样时，取样管与样品容器对接，通过压缩取样弹簧调整取样管的位置使其与样品容器保持相同高度。
[0016]所述抓铲机构用以采集小行星的表层样品，主要由抓铲电机、联轴器B、滚珠丝杠、丝杠螺母、连杆、抓铲支座和铲子组成。
[0017]抓铲电机的输出轴通过联轴器B连接滚珠丝杠，滚珠丝杠上端通过轴承D连接-下框架，滚珠丝杠下端通过轴承E连接抓铲支座，抓铲支座固定在下框架上，滚珠丝杠上通过丝杠螺母连接连杆，连杆两端分别安装在丝杠螺母和铲子上；铲子通过铰链安装在抓铲支座上，因此，抓铲电机驱动滚珠丝杠旋转运动，带动丝杠螺母在竖直方向上往复运动，进而控制铲子的开合，从而采集样品。
[0018]本发明钻取抓铲式复合采样器装置的使用方法具体步骤为:
[0019]第一步、控制各个电机进行复位；
[0020]将钻取抓铲式复合采样器安装在着陆器上机械臂末端，启动进给电机控制进给丝杠旋转，带动进给丝杠螺母达到最上限的位置，使微动开关触头触发微动开关，进给电机停止转动，钻取机构停在上限位置；启动取样电机，控制取样丝杠旋转运动，带动弹簧套筒向上运动到最上端时取样管底部与钻杆齐平；启动抓铲电机驱动滚珠丝杠旋转运动，使丝杠螺母向下运动，带动连杆控制铲子达到张开的最大状态。
[0021]第二步、判断各电机是否复位；如果否，则重复第一步，如果复位，则进行第三步操作；
[0022]第三步、抓铲电机驱动铲子采样；
[0023]启动抓铲电机，驱动滚珠丝杠旋转运动，带动丝杠螺母向上运动，配合连杆控制铲子慢慢合拢进行采样；
[0024]第四步、判断铲子是否完全合拢，如果否，则重复第三步操作，如果是，进行如下操作后进入第五步；
[0025]当铲子完全合拢时，抓铲电机停止工作，机械臂将钻取抓铲式复合采样器整体竖直提升，直至铲子底部完全脱离小行星表面。
[0026]第五步、钻杆旋转向下运动；
[0027]启动进给电机,驱动进给丝杠做旋转运动，带动进给丝杠螺母向下运动，从而带动钻杆开始向下运动。同时启动旋转电机，驱动小齿轮和大齿轮旋转运动，带动钻杆做旋转运动，开始切削土壤和岩石样品。一维力传感器会实时监测进给力的数值，并反馈给钻取抓铲式复合采样器的控制系统，从而调节进给机构的进给速度。
[0028]第六步、检验钻杆是否进给到设定的深度，如果没有达到，则重复操作第五步，如果已经达到设定的深度，则进行第七步操作；
[0029]第七步、提升钻杆到设定的距离；
[0030]当钻杆旋转切削到设定深度时，旋转电机和进给电机反向旋转，带动钻杆反向向上旋转；
[0031]第八步、钻杆是否提升到设定的距离；如果否，则重复操作第七步，如果达到，则进行第九步操作；
[0032]第九步、取样管进行取样；
[0033]钻杆向上提升到设定距离后，进给电机停止工作，同时启动取样电机，通过驱动取样丝杠旋转运动，带动取样管向下运动进行采样。
[0034]第十步、检验取样管是否达到下限位置；如果没有达到，重复操作第八步，如果达至IJ，进行第十一步操作；[0035]第^^一步、钻取机构向上运动；
[0036]取样管运动到下限位置时，取样电机和旋转电机同时停止工作，进给电机输出轴开始反转，驱动进给丝杠向上运动，提升钻杆和钻取机构向上运动。
[0037]第十二步、检验微动开关触头是否触发到微动开关，如果没有触发，重复第十一步操作；如果触发，则进行第十三步操作；
[0038]第十三步、进给电机停止工作，机械臂收缩；
[0039]微动开关触头触发到微动开关后，钻取机构到达上限位置，进给电机停止工作。同时，机械臂收缩到样品容器上端。
[0040]第十四步、检验钻取抓铲式复合采样器是否运动到样品容器上端，如果没有，重复第十三步操作，如果达到，进行第十五步操作；
[0041]第十五步、铲子中样品排入容器中；
[0042]启动抓铲电机，驱动滚珠丝杠旋转运动，带动丝杠螺母向下运动，连杆带动铲子张开，将样品排入容器。
[0043]第十六步、检验铲子中样品是否排完，如果没有排完，重复第十五步操作，如果排完，进行第十七步操作；
[0044]第十七步、取样管样品排入容器中；
[0045]取样电机驱动取样丝杠反向旋转，带动取样管向上运动，钻心将样品排入容器中
[0046]第十八步、检验取样管中样品是否排完，如果没有排完，重复第十七步操作，如果排完，进行第十九步操作；
[0047]第十九步、将各个电机进行复位，采样过程结束；
[0048]本发明的优点在于:
[0049]1、本发明钻取抓铲式复合采样器装置，钻取机构既可采集深层土壤样品，还可以对坚硬的岩石进行采样，采集的深层样品可保持层理信息，具有更好的研究价值。
[0050]2、本发明钻取抓铲式复合采样器装置，抓铲机构既可采集小行星表面松散的土壤样品，又可采集岩石样品，采集样品种类和数量多。
[0051]3、本发明钻取抓铲式复合采样器装置，集合了钻取式和抓铲式的采样方式，具有结构紧凑、多功能、一体化的优点。
[0052]4、本发明钻取抓铲式复合采样器装置，除了可以用于小行星探测，还可用于月球、火星等行星探测，适用范围广。
[0053]5、本发明钻取抓铲式复合采样器装置的使用方法，具有采样效率高、采样效果好和能耗少的优点。
【专利附图】

【附图说明】
[0054]图1为本发明钻取抓铲式复合采样器装置整体结构示意图；
[0055]图2为本发明钻取抓铲式复合采样器装置中进给机构示意图；
[0056]图3为本发明钻取抓铲式复合采样器装置中进给机构剖视图；
[0057]图4为本发明钻取抓铲式复合采样器装置中钻取机构示意图；
[0058]图5为本发明钻取抓铲式复合采样器装置中钻取机构剖视图；
[0059] 图6为本发明钻取抓铲式复合采样器装置中抓铲机构示意图；[0060]图7为本发明钻取抓铲式复合采样器中装置抓铲机构剖视图；
[0061]图8为本发明钻取抓铲式复合采样器中装置的使用方法流程图；
[0062]图中:
[0063]1-进给机构 2-钻取机构3-抓铲机构
[0064]4-安装板101-进给电机 102-进给电机端盖
[0065]103-联轴器A 104-进给丝杠 105-进给丝杠锁紧螺母
[0066]106-上框架 107-光轴108-光轴固定座
[0067]109-微动开关触头 110-角接触球轴承A 111-轴承B
[0068]112-下框架 113-钻杆支撑 114-抓铲轴承端盖
[0069]201-取样电机 202-取样电机端盖203-取样丝杠
[0070]204-弹簧套筒 205-取样弹簧 206-齿轮保护盖 [0071]207-推力轴承 208-取样管螺母 209-套筒端盖
[0072]210-端盖限位板 211-齿轮锁紧螺母212-小齿轮
[0073]213-钻杆固定板 214-旋转电机 215-大齿轮
[0074]216-直线轴承 217-轴承C 218-钻杆
[0075]219-取样管 220-钻心221-钻杆定位销
[0076]222-进给丝杠螺母 223-微动开关 224-—维力传感器
[0077]225-开关支座 301-抓铲电机 302-抓铲电机端盖
[0078]303-联轴器B 304-轴承D 305-滚珠丝杠
[0079]306-丝杠螺母 307-连杆308-支座轴承端盖
[0080]309-抓铲支座 310-轴承E 311-铲子
【具体实施方式】
[0081]下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0082]本发明钻取抓铲式复合采样器装置，如图1所示，包括进给机构1、钻取机构2、抓铲机构3和安装板4。
[0083]进给机构I和钻取机构2配合使用，用来采集小行星深层土壤和岩石样品，并实现将样品放入样品容器中；抓铲机构3用来采集小行星表面松散的土壤和岩石样品并放入样品容器中。所述安装板4设计为立式板状结构，将进给机构1、钻取机构2和抓铲机构3接成一个整体，并且通过螺钉固定安装在着陆器上采样机械臂的末端。
[0084]所述进给机构I为立式结构，如图2和图3所示，包括:进给电机101，进给电机端盖102，联轴器A103，进给丝杠104，进给丝杠锁紧螺母105，上框架106，2根光轴107，4个光轴固定座108，微动开关触头109，角接触球轴承A110，轴承B111，下框架112，钻杆支撑113和抓铲轴承端盖114 ；
[0085]所述的上框架106和下框架112均采用L型板材结构，分为水平面和垂直面；上框架106和下框架112的水平面相对平行放置；垂直面上均开有通孔，通过螺钉固定安装在安装板4上，构成整个钻取抓铲式复合采样器的框架；
[0086]进给电机101通过螺钉固定安装在进给电机端盖102上，进给电机端盖102通过螺钉固定在上框架106的水平面上，进给电机101的输出轴通过联轴器A103连接进给丝杠104，进给丝杠104优选滚珠丝杠；进给电机端盖102用来保护联轴器A103 ；
[0087]具体连接如下:进给电机101的输出轴安装在联轴器A103的上端孔内，通过螺钉预紧固定，联轴器A103的下端孔内安装进给丝杠104的上端轴，并通过进给丝杠锁紧螺母105进行锁紧固定，进给丝杠锁紧螺母105给进给丝杠104提供了一定的预紧力，防止进给丝杠104在工作过程中来回的串动；
[0088]进给丝杠104的上端同时通过一对角接触球轴承AllO安装在上框架106的水平面上；进给丝杠104的下端通过轴承Blll安装在下框架112的水平面上；
[0089]进给电机101驱动进给丝杠104旋转运动，进给丝杠104的螺旋长度决定了钻取抓铲式复合采样器能够达到的钻取深度。
[0090]在上框架106的水平面除了安装有进给电机端盖102和进给丝杠104外，在两端对称位置处分别安装2个光轴固定座108用于固定两根光轴107，并通过螺钉固定；进给电机端盖102和2个光轴固定座108的位置在上框架106的水平面上组成了三角形排列；光轴107下端同样通过光轴固定座108和螺钉固定在下框架112的水平面上；两根光轴107和进给丝杠104均立式放置，相互平行；横截面呈三角形排列，能够更加稳固；
[0091]上框架106的水平面上靠近进给丝杠104的地方还安装了一个微动开关触头109，当触发微动开关223后，进给电机101停止转动，进而进给丝杠104停止工作，用于限定钻取机构2的上限位置。
[0092]所述钻取机构2如图4和图5所示，主要由旋转组件和取样组件构成，除此之外，钻取机构2还包括:2个直线轴承216，进给丝杠螺母222，微动开关223，一维力传感器224以及开关支座225 ;所述的旋转组件包括钻杆218，轴承C217，大齿轮215，旋转电机214，钻杆固定板213，小齿轮212，齿轮保护盖206和齿轮锁紧螺母211。所述的取样组件包括取样电机201，取样电机端盖202，取样丝杠203，弹簧套筒204，取样弹簧205，推力轴承207，取样管螺母208，套筒端盖209，端盖限位板210，取样管219，钻心220，钻杆定位销221。
[0093]进给丝杠螺母222与进阶机构I中的进给丝杠104配合传动，起整个钻取机构2的驱动作用，并且两个直线轴承216与进给机构I中的两根光轴107配合使用，起整个钻取机构2的导向作用。具体连接关系如下:将进给丝杠104穿入丝杠螺母222并配合传动，进给丝杠螺母222通过螺钉与钻杆固定板213固连，将两根光轴107分别穿过两个直线轴承216，直线轴承216固定在钻杆固定板213上；
[0094]因此当进给电机101驱动进给丝杠104做旋转运动时，带动进给丝杠螺母222沿进给丝杠104轴向上下运动，从而带动钻杆固定板213在竖直方向来回运动，直线轴承216沿光轴107上下运动，钻杆218上下运动，所以直线轴承216起钻杆218的导向作用；同时两根光轴107用于钻取机构2的导向作用，进给丝杠104的螺旋长度决定了采样器能够达到的钻取深度。
[0095]一维力传感器224为中空形式，其内表面与进给丝杠螺母222的外表面配合定位，其下端部通过螺钉固定在钻杆固定板213上；用来实时监测钻杆218钻取时的进给力，当进给力超过钻取抓铲式复合采样器的控制系统给定的设定值时，进给电机101的输出速度会相应地减小，也就是减小钻杆218的进给速度，避免钻杆218在工作过程中遇到的阻力太大，烧坏进给电机101。
[0096]同时，微动开关223通过开关支座225安装在齿轮固定板213上，微动开关223的位置与进给机构I中微动开关触头109位置相对应。进给电机101驱动进给丝杠104旋转运动，带动进给丝杠螺母222达到最上限的位置后，微动开关触头109触发微动开关223，进给电机101停止转动，进而进给丝杠104停止工作，钻取机构2停在上限位置。
[0097]钻取机构2的进给丝杠螺母222在上框架106和下框架112之间往复运动，其中旋转组件通过齿轮传动机构用于驱动钻杆218做旋转运动，实现钻杆218旋转和切削的功能，取样组件用于钻取抓铲式复合采样器实现取样和放样的功能。
[0098]取样电机201通过螺钉固定在取样电机端盖202上，取样电机端盖202通过螺钉固定在齿轮保护盖206的上端。
[0099]具体连接过程是:取样电机201的输出轴通过紧定螺钉固定在取样丝杠203孔内，取样丝杠203外表面螺纹连接弹簧套筒204的上端，弹簧套筒204下端通过螺纹连接套筒端盖209，弹簧套筒204内部放置取样弹簧205 ;取样弹簧205通过一对推力轴承207连接取样管螺母208的外表面，取样管螺母208螺纹连接取样管219。推力轴承207能够减小取样管螺母208在旋转过程中对弹簧套筒204和套筒端盖209的摩擦，同时，弹簧套筒204外表面设计为键的形式，与齿轮保护盖206上部的键槽配合。
[0100]取样电机201驱动取样丝杠203做旋转运动，带动弹簧套筒204在齿轮保护盖206里上下运动，进而带动取样管219做上下运动，通过压缩取样弹簧205调整取样管219的位置。
[0101]齿轮保护盖206通过螺钉固连在钻杆固定板213上；在钻杆固定板213上还通过螺钉固连旋转电机214和一维力传感器224 ;在钻杆固定板213两端对称安有两个直线轴承216 ;具体连接过程如下:旋转电机214输出轴通过键连接小齿轮212，小齿轮212和大齿轮215啮合传动，大齿轮215通过键安装在钻杆218上，同时钻杆218顶部螺纹连接齿轮锁紧螺母211，用于锁紧大齿轮215与钻杆218的轴向位置。钻杆218的螺旋段上端处通过一对背对背的角接触球轴承C217固定在钻杆固定板213上，齿轮锁紧螺母211同时对轴承C217施加一定的预紧力，使轴承C217在钻杆工作过程中承受一定的轴向力。下框架112的水平面上通过螺钉安装了一个钻杆支撑113，用来支撑钻杆218，其材料为聚四氟乙烯，材质比较软，不会导致钻杆218卡死的状况。
[0102]启动旋转电机214，驱动小齿轮212和大齿轮215旋转运动，带动钻杆218做旋转运动切削土壤和岩石；
[0103]钻杆218为中空结构，取样管219采用间隙配合的方式安装在中空钻杆218内部，钻杆218上部和下部分别开有两个销孔，采用过盈配合的方式安装钻杆定位销221。取样管219底端为中空的形式，内部采用间隙配合的方式安装有钻心220，钻心220上开有两个销孔，销孔的位置与钻杆218下部的销孔位置相对，取样管219的上部和下部各有两个销钉槽，通过将钻杆定位销221穿过取样管219上部的销钉槽固定安装在钻杆218上部的销孔中；将钻杆定位销221穿过取样管219下部的销钉槽和钻心220的销孔固定安装在钻杆218下部的销孔中，因此当取样管219上下运动时，钻杆定位销221相对于取样管219在销钉槽内上下运动，通过将钻杆定位销221和钻心220采用过盈配合的方式固定，实现钻杆定位销221的定位，且初始状态下钻心220底部与钻杆218的底部齐平，钻心220和钻杆218无相对运动；
[0104]当取样管219向下运动时，钻杆定位销221相对于取样管在销钉槽内向上运动，限制取样管219的上限位置，取样管219的下端伸出钻杆218，取样管219底端中空部分将对土壤样品进行采样，完成样品的取样；当取样管219向上运动时，钻杆定位销221和钻心220相对于取样管219在销钉槽内向下运动，迫使采集的土壤排出到样品容器中；放样时，取样管219与样品容器对接，通过压缩取样弹簧205调整取样管219的位置使其与样品容器保持相同高度。
[0105]所述抓铲机构3如图6和图7所示，包括:抓铲电机301，抓铲电机端盖302，联轴器B303，轴承D304，滚珠丝杠305，丝杠螺母306，连杆307，支座轴承端盖308，抓铲支座309，轴承E310和铲子311。
[0106]抓铲电机301通过螺钉固定安装在抓铲电机端盖302上，同时抓铲电机301通过联轴器B303连接滚珠丝杠305 ;具体连接如下:抓铲电机301输出轴连接联轴器B303的上端孔内，通过紧定螺钉固定，联轴器B303的下端孔内连接滚珠丝杠305，滚珠丝杠305上端通过轴承D304安装在下框架112的水平面上；抓铲轴承端盖114安装在下框架112上，用来限定轴承D304的外圈轴向上限位置。滚珠丝杠305的下端通过轴承E310安装在抓铲支座309上，抓铲支座309通过螺钉固定在下框架112水平面上。同时，支座轴承端盖308通过螺钉安装在抓铲支座309上用来限制轴承E310的轴向位置。在滚珠丝杠305通过丝杠螺母306连接连杆307，连杆307两端部通过铰链方式分别安装在丝杠螺母306和铲子311上，铲子311通过铰链安装在抓铲支座309上。
[0107]所述抓铲机构3的驱动力来自抓铲电机301，抓铲电机301的输出轴通过联轴器B303将扭矩传递给滚珠丝杠305，滚珠丝杠305与丝杠螺母306配合运动，当滚珠丝杠305旋转时，丝杠螺母306会沿滚珠丝杠305轴向运动，当丝杠螺母306向下运动时,带动伊子311张开，当丝杠螺母306向上运动时，带动铲子311合拢，从而采集小行星表面上面的土壤和岩石样品。铲子311的抓取部分特别设计为锯齿状，有利于密实土壤样品的采集。
[0108]所述钻取抓铲式复合采样器装置包括了钻取和抓铲的功能，既可通过抓铲机构3对小行星表面样品进行采集，又可通过进给机构I和钻取机构2的配合使用，对小行星进行深层采样，样品可保持其层理信息，有采样量大、样品种类多、保持样品原样等优点。
[0109]本发明钻取抓铲式复合采样器装置的使用方法具体步骤为:
[0110]第一步、控制各个电机进行复位；
[0111]将钻取抓铲式复合采样器安装在着陆器上机械臂末端，将机械结构装配完毕，然后将安装板4通过螺纹连接安装在着陆器上机械臂的末端。
[0112]启动进给电机101控制进给丝杠104做旋转运动，带动进给丝杠螺母222达到最上限的位置，使微动开关触头109触发微动开关223 ;此时进给电机101停止转动，钻取机构2停在上限位置；启动取样电机201，控制取样丝杠203旋转运动，带动弹簧套筒204以及套筒端盖209向上运动，当弹簧套筒204运动到最上端时取样管219底部与钻杆218齐平；此时进给机构I和钻取机构2的各电机复位完成。
[0113]启动抓铲电机301驱动滚珠丝杠305旋转运动，使丝杠螺母306向下运动，带动连杆307控制铲子311达到张开的最大状态。至此，抓铲机构3的抓铲电机301复位，完成采样工作的准备工作。
[0114]第二步、判断各电机是否复位；如果各电机没有复位，则重复第一步，如果复位，则进行第三步操作；[0115]利用钻取抓铲式复合采样器的控制系统检验各电机是否复位；
[0116]第三步、抓铲电机驱动铲子采样；
[0117]钻取抓铲式复合采样器的控制系统启动抓铲电机301，驱动滚珠丝杠305旋转运动，带动丝杠螺母306向上运动，配合连杆307控制铲子311慢慢合拢，同时铲子311上锯齿状结构开始采集小行星表面的土壤和岩石样品，并将样品收集在铲子311中。
[0118]第四步、判断铲子是否完全合拢，如果否，则重复第三步操作，如果是，进行如下操作后进入第五步；
[0119]利用钻取抓铲式复合采样器的控制系统检验，当铲子311完全合拢时，抓铲电机301停止工作，这时机械臂调整位姿，将钻取抓铲式复合采样器整体竖直提升一小段距离，使铲子311底部完全脱离小行星表面。至此，钻取抓铲式复合采样器完成了小行星上浅层土壤和岩石样品的采样工作。
[0120]第五步、钻杆旋转向下运动；
[0121]启动进给电机101，驱动进给丝杠104做旋转运动，从而带动进给丝杠螺母222向下运动，由于进给丝杠螺母222固连在钻杆固定板213上，所以带动整个钻取机构2平稳地向下运动，钻杆218开始向下运动。同时启动旋转电机214，驱动小齿轮212和大齿轮215旋转运动，带动钻杆218做旋转运动，开始切削土壤和岩石样品。随着钻进深度的增加，进给力会不断地变化，一维力传感器224会实时监测进给力的数值，并反馈给钻取抓铲式复合采样器的控制系统，从而调节进给机构I的进给速度。 [0122]第六步、检验钻杆是否进给到设定的深度，如果没有达到，则重复操作第五步，如果已经达到设定的深度，则进行第七步操作；
[0123]第七步、提升钻杆到设定的距离；
[0124]当钻杆218旋转切削到设定深度时，旋转电机214和进给电机101反向旋转，进给电机101输出轴反向旋转，带动钻取机构2向上运动，从而钻杆218向上运动；旋转电机214反向旋转，带动钻杆218反向旋转,将钻孔内壁的土壤碎屑旋入钻孔底部，以便取样管219进行采样。
[0125]第八步、检验钻杆是否提升到设定的距离；如果否，则重复操作第七步，如果达到，则进行第九步操作；
[0126]第九步、取样管进行取样；
[0127]钻杆218向上提升到设定的距离后，进给电机101停止工作，同时启动取样电机201，通过驱动取样丝杠203旋转运动，带动弹簧套筒204和取样管219向下运动，即取样管219上的销钉槽相对钻杆定位销221向下运动。此时，取样管219开始对小行星的土壤和岩石样品进行采样。
[0128]第十步、检验取样管是否达到下限位置；如果没有达到，重复操作第八步，如果达到，进行第十一步操作；
[0129]第H^一步、钻取机构向上运动；
[0130]当取样管219运动到下限位置时，即钻杆定位销221达到销钉槽的上限位置处，取样电机201和旋转电机214同时停止工作，进给电机101输出轴开始反转，驱动进给丝杠104向上运动，带动进给丝杠螺母222和钻杆固定板213向上运动，从而提升钻杆218和钻取机构2向上运动。[0131]第十二步、检验微动开关触头是否触发到微动开关，如果没有触发，重复第十一步操作；如果触发，则进行第十三步操作；
[0132]第十三步、进给电机停止工作，机械臂收缩；
[0133]微动开关触头109触发到微动开关223后，钻取机构2到达上限位置，进给电机101停止工作。至此，钻取抓铲式复合采样器完成了小行星上深层土壤和岩石样品的采样工作。同时，机械臂收缩到样品容器上端。
[0134]第十四步、检验钻取抓铲式复合采样器是否运动到样品容器上端，如果没有，重复第十三步操作，如果达到，进行第十五步操作；
[0135]第十五步、铲子中样品排入容器中；
[0136]启动抓铲电机301，驱动滚珠丝杠305旋转运动，带动丝杠螺母306向下运动，同时连杆307带动铲子311慢慢张开，将铲子311中的样品排入容器中。
[0137]第十六步、检验铲子中样品是否排完，如果没有排完，重复第十五步操作，如果排完，进行第十七步操作；
[0138]第十七步、取样管样品排入容器中；
[0139]取样电机201驱动取样丝杠203反向旋转，带动弹簧套筒204和取样管219向上运动，即取样管219上的销钉槽相对钻杆定位销221向上运动。此时，钻心220将土壤样品排入容器中
[0140]第十八步、检验取样管中样品是否排完，如果没有排完，重复第十七步操作，如果排完，进行第十九步操作；
[0141]第十九步、将各个电机进行复位，采样过程结束。
【权利要求】
1.一种用于小行星探测的钻取抓铲式复合采样器装置，其特征在于:包括进给机构、钻取机构、抓铲机构和安装板； 所述进给机构主要由进给电机、联轴器A、进给丝杠、光轴、微动开关触头、上框架和下框架组成； 上框架和下框架均采用L型板材结构；分为水平面和垂直面；上框架和下框架的水平面相对平行放置；垂直面通过螺钉固定在安装板上；进给电机输出轴通过联轴器A连接进给丝杠，进给丝杠两端连接在上框架和下框架的水平面上；进给电机提供驱动力，驱动进给丝杠做旋转运动； 所述钻取机构主要由旋转组件和取样组件构成，还包括:进给丝杠螺母，直线轴承，钻杆固定板以及一维力传感器；所述的旋转组件主要有旋转电机，大齿轮，小齿轮和钻杆；所述的取样组件主要由取样电机，取样丝杠，弹簧套筒，取样弹簧，取样管和钻心组成； 取样电机的输出轴固连取样丝杠，取样丝杠套接弹簧套筒；弹簧套筒内放置取样弹簧；取样弹簧通过取样管螺母连接取样管，取样电机驱动取样丝杠做旋转运动，带动弹簧套筒上下运动，从而带动取样管上下运动； 旋转电机通过键连接小齿轮，小齿轮和大齿轮啮合传动，大齿轮通过键连接钻杆，因此旋转电机通过齿轮传动驱动钻杆旋转运动，进而切削样品； 将进给丝杠穿入进给丝杠螺母，进给丝杠螺母固连在钻杆固定板上，直线轴承固连在钻杆固定板上并安装在两根光轴上；两根光轴两端分别连接在上框架和下框架的水平面上；因此当进给电机驱动进给丝杠旋转运动时，带动进给丝杠螺母沿进给丝杠轴向上下运动，直线轴承沿着光轴做上下运动，从而带动钻杆固定板在竖直方向来回运动，进而带动钻杆上下运动； 钻杆内部为中空结构，间隙配合安装取样管；取样管底端为中空形式，间隙配合安装钻心，钻杆上下部分别开有2个销孔，钻心上开有2个销孔，钻心销孔的位置与钻杆下部销孔的位置相对，用于安装钻杆定位销；取样管上下部各有2个销钉槽，通过将钻杆定位销穿过取样管的销钉槽以及钻心的销孔固定安装在钻杆的销孔中，通过将钻杆定位销和钻心采用过盈配合的方式固定，实现钻杆定位销的定位； 当取样管向下运动时，钻杆定位销相对于取样管在销钉槽内向上运动，限制取样管的上限位置，取样管下端伸出钻杆，取样管底端中空部分将对土壤样品进行采样，完成样品的取样；当取样管向上运动时，钻杆定位销和钻心相对于取样管在销钉槽内向下运动，迫使采集的土壤排出到样品容器中； 所述抓铲机构用以采集小行星的表层样品，主要由抓铲电机、联轴器B、滚珠丝杠、丝杠螺母、连杆、抓铲支座和铲子组成； 抓铲电机通过联轴器B连接滚珠丝杠，滚珠丝杠上端连接在下框架上，滚珠丝杠下端连接在抓铲支座上，抓铲支座固定在下框架上，滚珠丝杠通过丝杠螺母连接连杆，连杆两端分别安装在丝杠螺母和铲子上；铲子通过铰链安装在抓铲支座上；抓铲电机驱动滚珠丝杠旋转运动，带动丝杠螺母在竖直方向上往复运动，进而驱动铲子的开合，从而采集样品。
2.如权利要求1所述的钻取抓铲式复合采样器装置，其特征在于:安装板设计为立式板状结构，将进给机构、钻取机构和抓铲机构接成一个整体，并且通过螺钉固定安装在着陆器上采样机械臂的末端。
3.如权利要求1所述的钻取抓铲式复合采样器装置，其特征在于:两根光轴和进给丝杠均立式平行放置，横截面呈三角形排列。
4.如权利要求1所述的钻取抓铲式复合采样器装置，其特征在于:上框架上安有一个微动开关触头，配合微动开关限定钻取机构的上限位置。
5.如权利要求1所述的钻取抓铲式复合采样器装置，其特征在于:进给电机的输出轴安装在联轴器A的上端孔内，通过螺钉预紧固定，联轴器A的下端孔内安装进给丝杠的上端轴，并通过进给丝杠锁紧螺母进行锁紧固定。
6.如权利要求1所述的钻取抓铲式复合采样器装置，其特征在于:所述弹簧套筒外表面设计为键的形式，与齿轮保护盖上部的键槽配合。
7.应用如权利要求1所述的钻取抓铲式复合采样器装置的钻取抓铲式复合采样器使用方法具体步骤为: 第一步、控制各个电机进行复位； 将钻取抓铲式复合采样器安装在着陆器上机械臂末端，启动进给电机控制进给丝杠旋转，带动进给丝杠螺母达到最上限的位置，使微动开关触头触发微动开关，进给电机停止转动，钻取机构停在上限位置；启动取样电机，控制取样丝杠旋转运动，带动弹簧套筒向上运动到最上端时取样管底部与钻杆齐平；启动抓铲电机驱动滚珠丝杠旋转运动，使丝杠螺母向下运动，带动连杆控制铲子达到张开的最大状态； 第二步、判断各电机是否复位；如果否，则返回第一步，如果复位，则进行第三步操作； 第三步、抓铲电机驱动铲子采样； 启动抓铲电机，驱动滚珠丝杠旋转运动，带动丝杠螺母向上运动，配合连杆控制铲子慢慢合拢进行采样； 第四步、判断铲子是否完全合拢，如果否，则返回第三步，如果是，进行如下操作后进入第五步； 当铲子完全合拢时，抓铲电机停止工作，机械臂将钻取抓铲式复合采样器整体竖直提升，直至铲子底部完全脱离小行星表面； 第五步、钻杆旋转向下运动； 启动进给电机，驱动进给丝杠做旋转运动，带动进给丝杠螺母向下运动，从而带动钻杆开始向下运动；同时启动旋转电机，驱动小齿轮和大齿轮旋转运动，带动钻杆做旋转运动，开始切削样品； 第六步、检验钻杆是否进给到设定的深度，如果没有达到，则返回操作第五步，如果已经达到设定的深度，则进行第七步操作； 第七步、提升钻杆到设定的距离； 当钻杆旋转切削到设定深度时，旋转电机和进给电机反向旋转，带动钻杆反向向上旋转; 第八步、钻杆是否提升到设定的距离；如果否，则重复操作第七步，如果达到，则进行第九步操作； 第九步、取样管进行取样； 钻杆向上提升到设定距离后，进给电机停止工作，同时启动取样电机，通过驱动取样丝杠旋转运动，带动取样管向下运动进行采样；第十步、检验取样管是否达到下限位置；如果没有达到，重复操作第八步，如果达到，进行第十一步操作； 第十一步、钻取机构向上运动； 取样管运动到下限位置时，取样电机和旋转电机同时停止工作，进给电机输出轴开始反转，驱动进给丝杠向上运动，提升钻杆和钻取机构向上运动； 第十二步、检验微动开关触头是否触发到微动开关，如果没有触发，重复第十一步操作；如果触发，则进行第十三步操作； 第十三步、进给电机停止工作，机械臂收缩； 微动开关触头触发到微动开关后，钻取机构到达上限位置，进给电机停止工作；同时，机械臂收缩到样品容器上端； 第十四步、检验钻取抓铲式复合采样器是否运动到样品容器上端，如果没有，重复第十三步操作，如果达到，进行第十五步操作； 第十五步、铲子中样品排入容器中； 启动抓铲电机，驱动滚珠丝杠旋转运动，带动丝杠螺母向下运动，连杆带动铲子张开，将样品排入容器； 第十六步、检验铲子 中样品是否排完，如果没有排完，重复第十五步操作，如果排完，进行第十七步操作； 第十七步、取样管样品排入容器中； 取样电机驱动取样丝杠反向旋转，带动取样管向上运动，钻心将样品排入容器中第十八步、检验取样管中样品是否排完，如果没有排完，重复第十七步操作，如果排完，进行第十九步操作； 第十九步、将各个电机进行复位，采样过程结束。
8.如权利要求7所述的钻取抓铲式复合采样器使用方法，其特征在于:一维力传感器实时监测进给力的数值，并反馈给钻取抓铲式复合采样器的控制系统，从而调节进给机构的进给速度。
【文档编号】G01N1/08GK104034557SQ201410298650
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】丁希仑, 李京霖, 张涛 申请人:北京航空航天大学