专利名称：月面采样器的制作方法
技术领域：
本发明属于机器人研究和空间资源探测领域，一种用于月球探测方面的月面采样 器。
背景技术：
目前国际上只有美国和前苏联(俄罗斯)在20世纪七十年代成功地进行了月面 采样所业，并将样品送回地球。美国是通过载人登月进行采样，前苏联(俄罗斯)是采用无 人采样方式。我国的月球探测工程(嫦娥工程)三期工程对月面采样器有明确的需求，月 球上需要采集的样品种类主要有月表月壤、月表岩石块、深层月壤、月岩岩芯等，而月面环 境条件的约束又使月面采样器的研制面临许多理论和技术方面的难题。
发明内容
本发明的目的是提出一种结构紧凑、重量轻、能耗�。芄煌瓿啥栽卤硌炯吧畈�
月壤的采样，并且样品保持原样便于回收的多功能月面采样器。 本发明的技术方案是 本发明包括外壳、复合铲部分及置于外壳内的动力部分和换管部分，动力部分通 过其升降机构与换管部分连接，换管部分的钻管在工作时与复合铲部分的钻头连接。
所述的动力部分包括升降机构、驱动电机及锭子，升降机构固定在外壳的第一隔 板上，驱动电机的输出轴上安装有锭子，锭子与升降机构连接。所述的升降机构包括升降电 机、相互啮合的第一传动齿轮和第二传动齿轮、丝杠及丝杠螺母，升降电机输出轴端伸出第 一隔板，其上安装有第一传动齿轮，丝杠一端安装有第二传动齿轮，另一端上安装有换管部 分第二钻管转盘齿轮，丝杠螺母固定在锭子上。 所述的换管部分包括第一钻管转盘齿轮、第二钻管转盘齿轮、钻管转盘电机、夹紧 装置及至少一个钻管，钻管转盘电机安装在外壳第三隔板上，其输出轴上安装有第一钻管 转盘齿轮，与其相啮合的第二钻管转盘齿轮安装在丝杠上，钻管安装于第二钻管转盘齿轮 上，夹紧装置置于第二钻管转盘齿轮下方，夹紧装置的夹具部位对应锭子垂直位置。所述的 夹紧装置包括夹紧电机、连杆、V型夹具、夹具丝杠及夹具螺母，夹紧电机安装在外壳第四隔 板上，其输出端安装有夹具丝杠，其上的夹具螺母固定在连杆上，V型夹具杆端与连杆连接， 夹紧端对应锭子位置。所述的钻管一端为锥台型，另一端为圆筒型，钻管的锥台端沿圆周开 有至少两个凹槽，在端部凹槽内设有轴销，轴销上置有可旋转的簧片；钻管的圆筒端沿内圆 周开有与锥台端凹槽相应的槽孔，楔块一个端面与所述槽孔配合，通过槽孔固定在钻管圆 筒端内壁上，另一端面与锥台端的簧片表面配合。 所述的复合铲部分包括铲驱动电机、钻头、钻头刀具、铲、铲驱动电机固定在第四 隔板上，其输出轴端安装有铲传动机构，铲传动机构通过连接架与铲连接。所述的铲传动机 构包括第三传动齿轮、第四传动齿轮、惰轮、蜗杆及涡轮及铲驱动齿轮，蜗杆固定在第四隔 板上，第三传动齿轮安装在铲驱动电机输出轴端，第三传动齿轮通过惰轮与安装在蜗杆上的第四传动齿轮连接，与蜗杆相配合的涡轮安装于传动轴上，在传动轴两端分别安装有相 互啮合的至少两个铲驱动齿轮，在两侧相互啮合的铲驱动齿轮两端的齿轮上分别安装有连 接架。所述的钻头刀具包括钻头转盘齿轮、钻头转盘电机和钻头转盘，钻头转盘电机固定在 第五隔板上，钻头转盘电机输出轴端安装有钻头转盘齿轮，钻头转盘外周带有齿，和钻头转 盘相啮合。 所述的动力部分锭子和换管部分钻管间为带有内孔的第二隔板，沿第二隔板圆周
开有使钻管穿过的开口孔，所述开口孔为与钻管螺纹相应的螺纹孔，开口孔的数量和位置
与钻管数量和位置相同。 本发明的有益效果是 本发明中锭子与钻管、钻管与钻头及钻管间的连接采用簧片和楔块的连接形式， 使其连接后牢固配合。动力部分设有升降机构，带动锭子及与其连接的钻管、钻头上下运 动，实现多个钻管的连接，在采集深层月壤和岩心样品时，连接成所需的钻管长度。换管部 分设有夹紧装置，用于夹紧钻管，使换管方便。复合铲部分通过蜗轮蜗杆传动，带动齿轮旋 转，实现铲的张开闭合，完成取样工作。整个装置结构紧凑、传动灵活、方便采样，并能采到 满足条件的样品。本发明具有采集多种月球样品的功能，既可用仿生蚌式复合铲采集月表 的月壤和小的岩石样品，也可通过多管机构采集深层月壤和岩心样品。
图l为本发明的外形结构示意图。图2为本发明的内部结构示意图。图3为图2中动力部分结构示意图。图4为图2中换管部分结构示意图。图5为本发明钻管锥台端结构示意图。图6为本发明钻管圆筒端结构示意图。图7为本发明钻管连接端结构示意图。图8为图2中复合铲结构示意图。图9为图8中夹紧装置结构示意图。图10为钻头转盘结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。 实施例1 :如图1、图2所示，为本发明结构示意图。本发明包括外壳a、复合铲部 分d及置于外壳内的动力部分b和换管部分c，动力部分b通过其升降机构与换管部分c连 接，换管部分c的钻管在工作时与复合铲部分的钻头20连接。外壳a上相应各部分均设有 外壳隔板，各部分穿过对应的外壳隔板连接。动力部分连接有电池，该电池为月球车或着陆 器的太阳能电池。 本例外壳a为立方体结构，其上设置5个隔板。第一隔板35为立方腔体结构，包 括上、下层板，上层板45上可开有用于驱动电机2通过的第一圆孔44。第二隔板36带有内 孔，沿第二隔板36圆周开有使钻管穿过的开口孔47，所述开口孔47为与钻管螺纹相应的螺纹孔，开口孔47的数量和位置与钻管数量和位置相同。第三隔板37内嵌带有内孔的圆板， 沿该圆板圆周开有使钻管通过的第二圆孔49，所述圆孔的数量和位置与钻管数量和位置相 同。第四隔板38为对应两侧内凹的立方腔体结构，其顶板50上开有与钻管数量和位置相 同的第三圆孔52，底板51上相对锭子7位置开有一个可通过钻管的第四圆孔53。第五隔 板39开有可安装复合铲部分钻头转盘18的内孔。 如图3所示，所述的动力部分包括升降机构、驱动电机2及锭子7，驱动电机2的 输出轴端安装有锭子7，所述的升降机构包括升降电机1、相互啮合的第一传动齿轮3和第 二传动齿轮4、丝杠5及丝杠螺母6，升降电机1安装在外壳a的第一隔板35下层板46上， 其输出轴端伸出第一隔板35的下层板46，其上安装有第一传动齿轮3，丝杠5穿过第一隔 板35下层板46，其端部安装有第二传动齿轮4，另一端上安装有换管部分b第二钻管转盘 齿轮12，第一传动齿轮3和第二传动齿轮4置于第一隔板的腔体内，如图4所示；丝杠螺母 6固定在锭子7上。工作过程是升降电机1提供动力，通过传动齿轮3和传动齿轮4驱动 丝杠5旋转，使得丝杠螺母6及固定在其上的锭子7实现上下方向的升降运动，而固定在锭 子7上的驱动电机2是驱动钻管旋转进行采样工作。 如图4所示，所述的换管部分包括第一钻管转盘齿轮11、第二钻管转盘齿轮12、钻 管转盘电机13、夹紧装置及至少一个钻管，钻管转盘电机13安装在外壳第三隔板37上，其 输出轴端安装有第一钻管转盘齿轮11，与其相啮合的第二钻管转盘齿轮12安装在丝杠5 上，第二钻管转盘齿轮12与第三隔板37内的圆板固定连接，本例3个钻管沿圆周均布设于 第二钻管转盘齿轮12上，夹紧装置置于第二钻管转盘齿轮12下方，包括夹紧电机10、连杆 14、V型夹具15、夹具丝杠16及夹具螺母17，夹紧电机10安装在外壳第四隔板38上，其输 出端安装有夹具丝杠16，夹具丝杠16上的夹具螺母17固定在连杆14上，V型夹具15为连 杆结构，工作端呈V型结构，其杆端与连杆14连接，夹紧端对应锭子7竖直投影位置，用于 安装钻管。 所述的钻管两端、钻管与锭子7及钻管与钻头间为可相互连接的结构，如图5 图 7所示，钻管一端为锥台型，另一端为圆筒型，钻管的锥台端沿圆周开有三个凹槽41，在端 部凹槽41内设有轴销42，轴销42上置有可旋转的簧片28 ;钻管的圆筒端沿内圆周开有与 凹槽41相应的三个槽孔43，楔块29 —个端面与所述槽孔43配合，通过槽孔43固定在钻管 圆筒端内壁上，另一端面与锥台端的簧片28表面配合。锭子7与钻管连接端与钻管的锥台 端结构相同。钻头20与钻管连接端与钻管的圆筒端结构相同。 如图4所示，换管工作时，转盘电机13驱动钻管转盘齿轮，使一个钻管与锭子7轴 线重合。当锭子7由升降电机1驱动压紧该钻管后，由夹紧电机10通过夹具丝杠16、夹具 螺母17及连杆14、驱动V型夹具15对钻管进行轴向定位，之后，锭子7退回初始位置，钻 管转盘电机13通过钻管转盘齿轮11、钻管转盘齿轮12驱动钻盘旋转将第2根钻管与锭子 7同轴，再由升降机构带动锭子7沿轴向运动将两根钻管连接。其中，锭子7与钻管以及第 一根钻管和第二根钻管的连接均由簧片28和楔块29来实现的，即钻管连接时靠第一根钻 管内的簧片28的弹力与第二根钻管钻筒端的楔块29楔紧，簧片28、楔块29起到防松和定 位作用，这样就实现了两个钻管之间的轴向和周向的定位，当采样完毕回收时，可由升降电 机的轴向拉力使钻管分离，如图5所示。通过换管可实现对深层月壤及岩石岩心样本的采 集，所述钻管为3个可实现400mm的采样。
如图8所示，所述的复合铲部分包括铲驱动电机18、铲驱动齿轮19、钻头20、钻头 刀具、铲22、惰轮25、铲驱动蜗杆26、铲驱动涡轮27、第三传动齿轮32及第四传动齿轮33， 复合铲为蚌式仿生铲，由截面为梯形的两个槽形腔腔口相对构成，与普遍应用的煤矿挖掘 机的抓钩结构相似。铲驱动电机18及铲驱动蜗杆26穿过第四隔板38的底板51并固定在 底板51上，铲驱动电机18输出轴端安装有第三传动齿轮32，第三传动齿轮32通过惰轮25 与安装在铲驱动蜗杆26上的第四传动齿轮33连接，与铲驱动蜗杆26相配合的铲驱动涡轮 27固定在传动轴34上，在传动轴34两端分别安装有相互啮合的4个铲驱动齿轮19，在两 侧并列的铲驱动齿轮两端的齿轮分别上安装有三角形的连接架39，该两连接架39另一端 分别与铲22的两个槽形腔连接。铲驱动电机18驱动第三传动齿轮32，通过惰轮25传动 第四传动齿轮33，带动铲驱动蜗杆26、传动轴34上的蜗轮27转动，从而驱动相互啮合的齿 轮19旋转，通过连接架39带动铲22的两槽形腔张开、闭合。蚌式仿生复合铲部分的功能 是采集月表月壤及月表岩石块，并可根据采样表面的不同选择合适的张开角度以实现对多 功能的支撑和定位。 所述的钻头刀具包括钻头转盘齿轮23、钻头转盘电机24和钻头转盘21，钻头转盘 电机24固定在第五隔板38上，钻头转盘电机24输出轴端安装有钻头转盘齿轮23，钻头转 盘21置于第五隔板38内孔中，其外周带有齿，与钻头转盘齿轮23相啮合。钻头转盘21结 构如图10所示，其上对应锭子7安装有钻头20及可通过钻管的第五圆孔48，钻头转盘21 中间的孔54通过轴承安装有与底板51连接的圆柱体，该圆柱体对钻头转盘起到支撑定位 作用。 钻头20固定在钻头转盘21上。工作时由转盘电机24通过钻头转盘齿轮23驱动 钻头转盘21旋转，实现钻头20与钻管连接。其功能是根据样介质的不同选择合适的刀具 进行采样，并对采集后的样本进行存储。 本实施例中，多功能月面采样器的尺寸为196X186X550mm，可夹取100克样品， 铲取100克样品，钻取深度为0. 4米。 实施例2 :如图1、图2所示，包括外壳a、复合铲部分d及置于外壳内的动力部分b 和换管部分c，动力部分b通过其升降机构与换管部分c连接，换管部分c的钻管在工作时 与复合铲部分的钻头20连接。外壳a上相应各部分均设有外壳隔板，各部分穿过对应的外 壳隔板连接。动力部分连接有电池，该电池为月球车或着陆器的太阳能电池。
本例与实施例1结构不同的是换管部分c的第二钻管转盘齿轮12上沿圆周均布 8个钻管，与其相应的第二隔板36上的开口孔47、第三隔板37上的第二圆孔49及第四隔 板38的顶板50上开有的第三圆孔52数量和位置与钻管数量和位置相同，为沿圆周均布8 个。复合铲部分传动轴34两端分别安装有相互啮合的6个铲驱动齿轮19。其他部分结构 与实施例1相同。 实施例3 :如图1、图2所示，包括外壳a、复合铲部分d及置于外壳内的动力部分b 和换管部分c，动力部分b通过其升降机构与换管部分c连接，换管部分c的钻管在工作时 与复合铲部分的钻头20连接。外壳a上相应各部分均设有外壳隔板，各部分穿过对应的外 壳隔板连接。动力部分连接有电池，该电池为月球车或着陆器的太阳能电池。
本例与实施例1结构不同的是换管部分c的第二钻管转盘齿轮12上沿圆周均布 4个钻管，与其相应的第二隔板36上的开口孔47、第三隔板37上的第二圆孔49及第四隔板38的顶板50上开有的第三圆孔52数量和位置与钻管数量和位置相同，为沿圆周均布4 个。复合铲部分传动轴34两端分别安装有相互啮合的4个铲驱动齿轮19。其他部分结构 与实施例1相同。 实施例4 :如图1、图2所示，包括外壳a、复合铲部分d及置于外壳内的动力部分b 和换管部分c，动力部分b通过其升降机构与换管部分c连接，换管部分c的钻管在工作时 与复合铲部分的钻头20连接。外壳a上相应各部分均设有外壳隔板，各部分穿过对应的外 壳隔板连接。动力部分连接有电池，该电池为月球车或着陆器的太阳能电池。
本例与实施例1结构不同的是换管部分c的第二钻管转盘齿轮12上设有1个钻 管，与其相应的第二隔板36上的开口孔47、第三隔板37上的第二圆孔49及第四隔板38的 顶板50上开有的第三圆孔52数量和位置与钻管数量和位置相同，均为1个。复合铲部分 传动轴34两端分别安装有相互啮合的3个铲驱动齿轮19。第一隔板35的上层板45上不 开孔。其他部分结构与实施例l相同。 本发明可根据采样深度的不同，在第二钻管转盘齿轮12的圆周上设有更多的钻管。
权利要求
一种月面采样器，其特征在于包括外壳、复合铲部分及置于外壳内的动力部分和换管部分，动力部分通过其升降机构与换管部分连接，换管部分的钻管在工作时与复合铲部分的钻头连接。
2. 按照权利要求l所述的月面采样器，其特征在于所述的动力部分包括升降机构、驱 动电机及锭子，升降机构固定在外壳的第一隔板上，驱动电机的输出轴上安装有锭子，锭子 与升降机构连接。
3. 按照权利要求2所述的月面采样器，其特征在于所述的升降机构包括升降电机、相 互啮合的第一传动齿轮和第二传动齿轮、丝杠及丝杠螺母，升降电机输出轴端伸出第一隔 板，其上安装有第一传动齿轮，丝杠一端安装有第二传动齿轮，另一端上安装有换管部分第 二钻管转盘齿轮，丝杠螺母固定在锭子上。
4. 按照权利要求1所述的月面采样器，其特征在于所述的换管部分包括第一钻管转 盘齿轮、第二钻管转盘齿轮、钻管转盘电机、夹紧装置及至少一个钻管，钻管转盘电机安装 在外壳第三隔板上，其输出轴上安装有第一钻管转盘齿轮，与其相啮合的第二钻管转盘齿 轮安装在丝杠上，钻管安装于第二钻管转盘齿轮上，夹紧装置置于第二钻管转盘齿轮下方， 夹紧装置的夹具部位对应锭子垂直位置。
5. 按照权利要求4所述的月面采样器，其特征在于所述的夹紧装置包括夹紧电机、连 杆、V型夹具、夹具丝杠及夹具螺母，夹紧电机安装在外壳第四隔板上，其输出端安装有夹具 丝杠，其上的夹具螺母固定在连杆上，V型夹具杆端与连杆连接，夹紧端对应锭子位置。
6. 按照权利要求4所述的月面采样器，其特征在于所述的钻管一端为锥台型，另一端 为圆筒型，钻管的锥台端沿圆周开有至少两个凹槽，在端部凹槽内设有轴销，轴销上置有可 旋转的簧片；钻管的圆筒端沿内圆周开有与锥台端凹槽相应的槽孔，楔块一个端面与所述 槽孔配合，通过槽孔固定在钻管圆筒端内壁上，另一端面与锥台端的簧片表面配合。
7. 按照权利要求1所述的月面采样器，其特征在于所述的复合铲部分包括铲驱动电 机、钻头、钻头刀具、铲、铲驱动电机固定在第四隔板上，其输出轴端安装有铲传动机构，铲 传动机构通过连接架与铲连接。
8. 按照权利要求7所述的月面采样器，其特征在于所述的铲传动机构包括第三传动 齿轮、第四传动齿轮、惰轮、蜗杆及涡轮及铲驱动齿轮，蜗杆固定在第四隔板上，第三传动齿 轮安装在铲驱动电机输出轴端，第三传动齿轮通过惰轮与安装在蜗杆上的第四传动齿轮连 接，与蜗杆相配合的涡轮安装于传动轴上，在传动轴两端分别安装有相互啮合的至少两个 铲驱动齿轮，在两侧相互啮合的铲驱动齿轮两端的齿轮上分别安装有连接架。
9. 按照权利要求7所述的月面采样器，其特征在于所述的钻头刀具包括钻头转盘齿 轮、钻头转盘电机和钻头转盘，钻头转盘电机固定在第五隔板上，钻头转盘电机输出轴端安 装有钻头转盘齿轮，钻头转盘外周带有齿，和钻头转盘相啮合。
10. 按照权利要求l所述的月面采样器，其特征在于所述的动力部分锭子和换管部分 钻管间为带有内孔的第二隔板，沿第二隔板圆周开有使钻管穿过的开口孔，所述开口孔为 与钻管螺纹相应的螺纹孔，开口孔的数量和位置与钻管数量和位置相同。
全文摘要
一种月面采样器，属于机器人研究和空间资源探测领域。其结构包括外壳、复合铲部分及置于外壳内的动力部分和换管部分，动力部分通过其升降机构与换管部分连接，换管部分的钻管在工作时与复合铲部分的钻头连接。本发明中动力部分设有升降机构，带动锭子及与其连接的钻管、钻头上下运动，实现多个钻管的连接，在采集深层月壤和岩心样品时，连接成所需的钻管长度。复合铲部分通过蜗轮蜗杆传动，带动齿轮旋转，实现铲的张开闭合，完成取样工作。整个装置结构紧凑、传动灵活、方便采样，并能采到满足条件的样品。本发明具有采集多种月球样品的功能，既可用仿生蚌式复合铲采集月表的月壤和小的岩石样品，也可通过多管机构采集深层月壤和岩心样品。
文档编号G01N1/04GK101750233SQ20081022996
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月19日 优先权日2008年12月19日
发明者左志坚, 张国伟, 李斌, 王聪, 王越超, 龚海里 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所
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