可扬升基座一体式旋挖地外表取采样装置

1.本发明涉及深空地外采样技术领域，特别涉及可扬升基座一体式旋挖地外表取采样装置。


背景技术：

2.深空地外采样活动始于1960年代，被采对象包括月球、行星、彗星和第二行星，取样方法包括刮、挖、铲、钻，研磨、夹取等。在各种地外采样任务中，铲掘采样和钻探采样占第一多数。地外天体表面覆盖着不同粒径的风化层，经无数陨石的撞击、岩石物理的崩解和辐射损伤形成，历经上亿年的光照辐射，其内涵盖了由光照辐射挥发性化学元素和同位素，通过其样品的研究对探索宇宙形成与演化、揭示生命起源与进化具有重要科学意义。
3.地外天体表面无人自主采集样品装置是着陆采样器的重要组成部分。各国的地外天体表取样品采集任务第一多数采用由两节臂杆组成的关节式机械臂。为适应第一范围选取采样点和转移样品，机械臂长刚度低，造成机械臂末端的采样器定位精度低、机械臂关节驱动力矩第一和控制复杂。
4.因此，针对末端采样器无人自主采样过程多功能需求任务，开发一种可扬升基座一体式旋挖地外表取采样装置具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供可扬升基座一体式旋挖地外表取采样装置，以解决现有技术中存在的问题。
6.为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，可扬升基座一体式旋挖地外表取采样装置，包括可扬升基座装置、机械臂组件和末端采样器。
7.所述可扬升基座装置具有机械臂升降机构。
8.所述机械臂组件为四自由度两节臂杆关节式机械臂组件。所述机械臂组件包括依次串联连接的腰关节、肩关节、第一臂杆、肘关节、第二臂杆和腕关节。所述腰关节为偏航关节。所述肩关节为俯仰关节。所述肘关节为俯仰关节。所述腕关节为俯仰关节。所述腰关节连接机械臂升降机构。所述腕关节输出端连接末端采样器。
9.所述末端采样器包括采样器机身、回转装置和一体式旋挖采样封装装置。所述采样器机身和腕关节输出轴相连。所述腕关节驱动采样器机身做360
°
旋转运动。所述回转装置固连在采样器机身上。
10.所述一体式旋挖采样封装装置与回转装置的输出端相连。所述一体式旋挖采样封装装置包括样品封装组件、装锁紧释放装置和旋挖采样器。所述样品封装组件整体为一端敞口的桶体结构。所述装锁紧释放装置夹持样品封装组件，并封堵样品封装组件的敞口。所述旋挖采样器布置在样品封装组件的敞口处。所述装锁紧释放装置处于锁紧状态时，所述旋挖采样器与样品封装组件的内腔连通。
11.工作时，控制机械臂组件下摆，将一体式旋挖采样封装装置置于地外天体表面。所
述旋挖采样器高速回转采样。机械臂组件提升末端采样器，回转180
°
后采集土壤样本送入样品封装组件中。
12.进一步，所述机械臂升降机构为滚珠丝杆螺母机构。
13.进一步，所述第二臂杆上布置有臂载相机。
14.进一步，所述第二臂杆靠近腕关节的位置设置有触地传感装置，反馈末端采样器的触地信息。
15.进一步，所述旋挖采样器远离样品封装组件的一端设置有旋挖爪。
16.本发明的技术效果是毋庸置疑的：
17.a.结构简单，不需要复杂的机械结构和电器辅助，通过巧妙的结构设计，达到采样、封装、运输过程中的技术要求；
18.b.通过可扬升基座装置，“下”可大范围采集样品，“上”可转送初级封装容器，减短了机械臂的长度；
19.c.机械臂采用高强度轻质圆管，多关节结构，臂展短，刚度高，受力最大关节的驱动力矩小；
20.d.一体式末端采样器可实现“旋挖采样”和“初级封装”两种功能，前端尖顶安装力传感器，不仅有灵敏的触地感知能力，还可全过程监控操作力。电机、减速器、传感器等全封闭设计，热控、防尘等容易。本发明可用于地外天体无人自主表面采集样品。
附图说明
21.图1为采样装置结构示意图；
22.图2为可扬升基座装置结构示意图
23.图3为机械臂组件结构示意图；
24.图4为腰关节结构示意图；
25.图5为肩关节结构示意图；
26.图6为腕关节结构示意图；
27.图7为末端采样器结构示意图；
28.图8为末端采样器剖视结构示意图；
29.图9为锁紧与释放装置结构示意图；
30.图10为样品封装锁紧与释放装置的锁紧与释放状态示意图；
31.图11为末端采样器拾取采样工作过程；
32.图12为旋挖采样器旋挖爪示意图；
33.图13为表取采样装置机械臂锁紧状态；
34.图14为表取采样装置机械臂预采样状态；
35.图15为表取采样装置机械臂到达转移初级封装装置预定位置。
36.图中：可扬升基座装置1、扬升基座101、滚珠丝杠102、行星减速驱动电机103、扬升机架104、机械臂组件2、腰关节201、腰关节安装座2011、谐波减速机2012、锥齿轮ⅰ2013、空心杯电机ⅰ2014、肩关节202、空心杯电机ⅱ2022、第一臂接口2023、锥齿轮ⅱ2024、锥齿轮ⅲ2025、钢轮2026、波轮2027、柔轮2028、肘关节203、腕关节205、腕关节箱体2051、采样器角位移传感组件2052、腕关节箱盖2053、采样器传动组件2054、行星减速电机2055、末端采样器
3、采样器机身301、回转装置302、样品封装组件303、装锁紧释放装置304、旋挖采样器305。
具体实施方式
37.下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
38.实施例1：
39.参见图1和图2，本实施例公开可扬升基座一体式旋挖地外表取采样装置，包括可扬升基座装置1、机械臂组件2和末端采样器3。
40.所述可扬升基座装置1包括扬升基座101、滚珠丝杠102、行星减速驱动电机103和扬升机架104。
41.参见图3，所述机械臂组件2包括依次串联连接的腰关节201、肩关节202、第一臂杆、肘关节203、第二臂杆和腕关节205。所述腰关节201与滚珠丝杠102的丝杠螺母座连接。所述第二臂杆上布置有臂载相机204。
42.参见图4，所述腰关节201包括腰关节安装座2011、谐波减速机2012、锥齿轮ⅰ2013和空心杯电机ⅰ2014。
43.参见图5，所述肩关节202包括空心杯电机ⅱ2022、第一臂接口2023、锥齿轮ⅱ2024、锥齿轮ⅲ2025、钢轮2026、波轮2027和柔轮2028。空心杯电机ⅱ2022经一对锥齿轮减速换向再由谐波减速机减速后通过谐波减速机的刚轮输出，驱动第一臂杆俯仰。
44.参见图6，所述腕关节205包括腕关节箱体2051、采样器角位移传感组件2052、腕关节箱盖2053、采样器传动组件2054和行星减速电机2055。图6a和6b分别表示腕关节的不同视图。
45.所述机械臂组件2具有四个转动自由度：腰关节偏航自由度、肩俯仰自由度、肘关节俯仰自由度和腕关节俯仰自由度，各自由度联动完成各类动作。
46.参见图7、图8和图9，所述末端采样器3包括采样器机身301、回转装置302、样品封装组件303、装锁紧释放装置304和旋挖采样器305。所述回转装置302包括回转装置驱动电机3021和回转装置高精传动锥齿轮3022。所述装锁紧释放装置304包括锁紧环3041、锁紧钢球3042和锁紧与释放装置驱动组件3043。所述采样器机身301与腕关节205的输出轴连接。所述腕关节205驱动采样器机身组件做360
°
旋转运动。所述回转装置302固连在采样器机身301上。
47.所述一体式旋挖采样封装装置与回转装置302的输出端相连。所述一体式旋挖采样封装装置包括样品封装组件303、装锁紧释放装置304和旋挖采样器305。所述样品封装组件303整体为一端敞口的桶体结构。所述装锁紧释放装置304夹持样品封装组件303，并封堵样品封装组件303的敞口。所述旋挖采样器305布置在样品封装组件303的敞口处。所述旋挖采样器305的端部设置有旋挖爪。，通过“旋挖”方法实现末端采样器的采样、封装功能复用。参见图10，所述装锁紧释放装置304处于锁紧状态时，所述旋挖采样器305与样品封装组件303的内腔连通。图10a和图10b分别表示锁紧状态和释放状态。
48.工作时，控制机械臂组件2下摆，将一体式旋挖采样封装装置置于地外天体表面。参见图11，所述旋挖采样器305高速回转采样。机械臂组件2提升末端采样器3，回转180
°
后
采集土壤样本送入样品封装组件303中。
49.本实施例针对表面样品的采集和挖掘任务，末端采样器采用旋转挖取形式。为提高机构针对性，减少表取采样封装流程，集成初级封装机构和表取采样机构，使采样机构具备更均衡的“采集”与“收集”相结合的能力。实现浅层挖掘、初级封装、样本转移等多种复合功能。
50.实施例2：
51.本实施例主要结构同实施例1，其中，所述机械臂升降机构为滚珠丝杆螺母机构。通过滚珠丝杆螺母机构实现机械臂组件2的大范围采样和样品转移。
52.实施例3：
53.本实施例主要结构同实施例1，其中，所述第二臂杆上布置有臂载相机204。
54.实施例4：
55.本实施例主要结构同实施例1，其中，所述第二臂杆靠近腕关节205的位置设置有触地传感装置，反馈末端采样器3的触地信息。
56.实施例5：
57.本实施例主要结构同实施例1，其中，参见图12，所述旋挖采样器305远离样品封装组件303的一端设置有旋挖爪。
58.实施例6：
59.本实施例主要结构同实施例1，其中，样品封装组件和样品封装锁紧释放装置由锁紧驱动装置连接，样品封装组件的夹持与释放随锁紧行星减速电机顺、逆时针旋转控制。
60.当采掘有一定深度月壤时，末端采样器将启动铲掘采样模式，旋挖采样器前端尖顶插入样品月壤，锚定住末端采样器，然后，高速旋转实施采样作业的同时完成样品月壤的采集和初级封装。
61.本实施例的机械臂组件具备四个自由度，考虑工作空间、越障能力等条件，所有关节为转动关节，采用腰－肩－肘－腕方案，从根部到末端依次为腰偏航关节、肩俯仰关节、肘俯仰关节、腕俯仰关节。三个俯仰关节之间配置两根臂杆，腕关节末端安装末端采样器。机械臂搭载相机。
62.本实施例的腰关节用于驱动机械臂转动，实现机械臂在120
°
扇形区域内调整。它主要由空心杯电机、锥齿轮、谐波减速机、腰关节安装座等组成。电机经一对锥齿轮减速换向再由谐波减速机减速后通过柔软输出，驱动肩关节安座转动。特别地，采用锥齿轮减速+谐波减速器的传动方式，最大限度的减小了机构的尺寸与质量。与传统的齿轮传动相比，该传动方式具有体积小、重量轻、扭转刚度大、承载能力大、传动平稳的优点，其最突出优点是传动精度及重复定位精度高，传动精度可达5＇。
63.本实施例的肩关节与腰关节相似，肩关节主要由空心杯电机、锥齿轮、谐波减速机、肩关节安装座和大臂接口等组成。电机经一对锥齿轮减速换向再由谐波减速机减速后通过谐波减速机的刚轮输出，驱动大臂管俯仰。肘关节结构与肩关节相同。肩关节与肘关节共同构成了机械臂长度(俯仰)调节部分。随着两者的转动，机械臂最长可伸展至1.4m。
64.本实施例的腕关节模块中，小臂臂管直接与腕关节箱体法兰相连。在小臂臂管上靠近腕关节箱体法兰的位置设有触地传感装置，此装置能感知两个方向的力矩从而能精确的反馈末端采样器的触地信息。腕关节模块由腕关节箱体，箱体盖，传动组件，角度传感组
件等组成。
65.本实施例的可扬升基座装置是机械臂的安装基座，也是机械臂在发射、地外转移过程中的辅助支撑。可翻转基座主要由用于安装机械臂腰关节的扬升基座、滚珠丝杠、行星减速驱动电机、位移传感器和扬升机架组成。在扬升基座和机架间由滚珠丝杠及螺母组成。行星减速电机驱动滚珠丝杠带动扬升基座上升下降，运动平稳可靠，控制稳定简单，保证在基座扬升过程中平稳、牢固、相对着陆器的姿态角保持不变。
66.实施例7：
67.参见图13～15，本实施例用以描述实施例1～6中任意一项装置的主要工作过程：
68.a)采样装置在地面发射阶段、地星转移段、环星段和动力下降阶段中通过压紧释放机构固定在与着陆器固结的支架上。在着陆器实现软着陆后，采样机械臂组件与可扬升装置分离释放，作采样准备就绪。
69.b)表取采样装置上电自检，包括电机自检、传感器自检等。
70.c)机械臂各关节电机协同工作，控制机械臂下摆，将一体式旋挖末端采样器置于地外天体表面附近。
71.d)借助臂载相机，粗略判断末端采样器的位置，使之进入采样作业区域。
72.e)检查末端采样器上各传感器的位置信息，看各个部组件是否进入预备采样状态。其中包括，末端采样器相对地外天体表面的位置姿态。使旋挖采样器筒身与月面垂直，采样器前端尖顶与地外天体表面最先接触。
73.f)继续保持旋挖采样器筒身与月面垂直，以工作进给速度继续向下旋挖采样直至达到预定采样深度，同时完成样本的初级封装。最后，反转旋挖采样器使其关闭，提升旋挖采样器，单次采样结束。
74.g)按需求多次采集样本，重复a～f步骤，直至采集到预定质量的样品。
75.h)待最后一次表面采样完毕后，样品封装组件运动到其转移所需位姿。保持该位姿，由可扬升基座装置和机械臂共同动作转移至返回器顶部。转移过程中，采样器位姿相对月面不变。
76.i)控制机械臂伸展，将样品封装组件转移至密封装置内，末端采样的装锁紧释放装置动作，释放样品封装组件。
77.j)此后，机械臂向外旋转，让出上升器的起飞通道，至此表取采样机构工作结束。

技术特征：
1.可扬升基座一体式旋挖地外表取采样装置，其特征在于：包括可扬升基座装置(1)、机械臂组件(2)和末端采样器(3)；所述可扬升基座装置(1)具有机械臂升降机构；所述机械臂组件(2)为四自由度两节臂杆关节式机械臂组件；所述机械臂组件(2)包括依次串联连接的腰关节(201)、肩关节(202)、第一臂杆、肘关节(203)、第二臂杆和腕关节(205)；所述腰关节(201)为偏航关节；所述肩关节(202)为俯仰关节；所述肘关节(203)为俯仰关节；所述腕关节(205)为俯仰关节；所述腰关节(201)连接机械臂升降机构；所述腕关节(205)输出端连接末端采样器(3)；所述末端采样器(3)包括采样器机身(301)、回转装置(302)和一体式旋挖采样封装装置；所述采样器机身(301)和腕关节(205)输出轴相连；所述腕关节(205)驱动采样器机身(301)做360
°
旋转运动；所述回转装置(302)固连在采样器机身(301)上；所述一体式旋挖采样封装装置与回转装置(302)的输出端相连；所述一体式旋挖采样封装装置包括样品封装组件(303)、装锁紧释放装置(304)和旋挖采样器(305)；所述样品封装组件(303)整体为一端敞口的桶体结构；所述装锁紧释放装置(304)夹持样品封装组件(303)，并封堵样品封装组件(303)的敞口；所述旋挖采样器(305)布置在样品封装组件(303)的敞口处；所述装锁紧释放装置(304)处于锁紧状态时，所述旋挖采样器(305)与样品封装组件(303)的内腔连通；工作时，控制机械臂组件(2)下摆，将一体式旋挖采样封装装置置于地外天体表面；所述旋挖采样器(305)高速回转采样；机械臂组件(2)提升末端采样器(3)，回转180
°
后采集土壤样本送入样品封装组件(303)中。2.根据权利要求1所述的可扬升基座一体式旋挖地外表取采样装置，其特征在于：所述机械臂升降机构为滚珠丝杆螺母机构。3.根据权利要求1所述的可扬升基座一体式旋挖地外表取采样装置，其特征在于：所述第二臂杆上布置有臂载相机(204)。4.根据权利要求1所述的可扬升基座一体式旋挖地外表取采样装置，其特征在于：所述第二臂杆靠近腕关节(205)的位置设置有触地传感装置，反馈末端采样器(3)的触地信息。5.根据权利要求1所述的可扬升基座一体式旋挖地外表取采样装置，其特征在于：所述旋挖采样器(305)远离样品封装组件(303)的一端设置有旋挖爪。

技术总结
发明提供可扬升基座一体式旋挖地外表取采样装置。该采样装置包括可扬升基座装置、机械臂组件和末端采样器。所述可扬升基座装置具有机械臂升降机构。所述机械臂组件包括依次串联连接的腰关节、肩关节、第一臂杆、肘关节、第二臂杆和腕关节。所述机械臂升降机构连接腰关节。所述末端采样器包括采样器机身、回转装置、样品封装组件、装锁紧释放装置和旋挖采样器。所述回转装置包括回转装置驱动电机和回转装置高精传动锥齿轮。所述装锁紧释放装置包括锁紧环、锁紧钢球和锁紧与释放装置驱动组件。前端尖顶安装力传感器，不仅有灵敏的触地感知能力。电机、减速器、传感器等全封闭设计，热控、防尘等容易。尘等容易。尘等容易。


技术研发人员：谢更新 谢志江 宋代平 王康 程清 宋宁策 杜斌 朱奕斯 朱旭 李彦琪
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2022.10.29
技术公布日：2023/7/25