技术领域
[0001] 本
发明涉及一种小天体附着取样封装一体化装置，属于深空探测领域。
背景技术
[0002]
小行星产生于
太阳系形成初期，对小行星的研究将有助与揭示太阳系的演化过程及生命的起源，同时推进太空资源的开发与利用。对小行星研究的途径有多种，而最直接的途径是探测器着陆到小行星表面开展科学探测任务。目前，通过着陆途径对小行星进行了探测的
飞行器仅有美国的尼尔号、日本的隼
鸟号及欧空局的罗塞塔-菲莱号；其中，尼尔号在小行星表面的着陆不属预定任务，它在推
力器的推动下使自身主体侧板、太阳帆板硬撞击星表实现着陆，这种硬着陆方式导致部分仪器损坏；日本的隼鸟号通过探测器腹部伸出的样品捕捉器与星表“一触即走”，这种方式中探测器在小行星表面
停留时间极短故不属于真正意义上的着陆；欧空局的罗塞塔-菲莱号配备了专
门的着陆缓冲机构以实现在小行星表面的长时间停留，但因系统故障而导致着陆失败，其原计划着陆固定后开展原位样品探测。探测任务的科研成果在一定程度上一方面与其在小行星表面停留的有效时间成正相关，另一方面与其能否够获得小天体介质紧密相关，因此探测器在小行星表面的软着陆和取样装置对小行星探测任务具有极其重要的作用。本发明提出了一种采用
连杆反驱缓冲实现在小天体表面着陆附着，采用多功能
机械臂取样及封装的小天体附着取样及封装一体化装置，具备实现在小天体表面着陆和取样积封装的功能，目前尚未检索到采用连杆展开及反驱功能复用的电磁阻尼缓冲式着陆、融合机械臂进行取样的装置的
专利。
[0003] 专利CN201210342842.6介绍了一种小行星取样器的自嵌入式锚固方法，该方法提出了采用切割方式实现在小行星表面的附着固定，但未对探测器的着陆缓冲及取样等关键关节进行考虑；CN201510861003.9介绍了一种可分离式小行星探测器，仅对探测器的组成及工作途径进行了描述，未对着陆缓冲、附着固定、取样封装等环节进行详细说明；CN201110080257.9介绍了一种小天体着陆器附着机构，其仅对着陆缓冲及附着进行了介绍，且附着采用锚固装置，不能实现在硬质
岩石中的附着固定，其功能中不包含取样及封装。
发明内容
[0004] 本发明解决的技术问题是：针对目前
现有技术中对着陆缓冲、取样封装环节难以兼顾，且着陆缓冲时不能于所有着陆环境中稳定实现着陆的问题，提出了一种小天体附着取样封装一体化装置。
[0005] 本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
[0006] 一种小天体附着取样封装一体化装置，包括连杆式着陆腿、着陆腿附着器、探测器本体、返回器、通信天线、太阳翼、姿控
发动机、样品采集机构，对
采样及着陆过程进行控制的探测器本体底部设置有四支连杆式着陆腿，并通过连杆式着陆腿与安装于连杆式着陆腿着陆端的着陆腿附着器进行联动配合实现平稳着陆，用于储存采样样品的返回器设置于探测器本体底部，返回器通过样品采集机构进行附着取样并对样品进行储存，所述探测器本体外
侧壁设置有用于供电的太阳翼，进行信息交互的通信天线设置于探测器本体外侧壁的其中一面上，姿控发动机于着陆过程中对探测器本体的
姿态进行不断调整并配合连杆式着陆腿、着陆腿附着器实现探测器本体的平稳着陆。
[0007] 所述样品采集机构包括机械臂、取样器、样品容器，所述样品容器安装于探测器本体底部外表面靠近返回器一侧，数量为个，用于采集样品的机械臂于不进行采样任务时为收紧状态，样品容器在收紧状态下通过机械臂压紧固定于探测器本体底部外表面上，对样品进行实际采样操作的取样器设置于机械臂末端，探测器本体平稳着陆后通过机械臂带动取样器至
指定位置对样品进行抓取或磨削处理，并将处理后的样品存储于返回器中。
[0008] 当探测器本体开始进行样品采集时，若对待抓取样品进行抓取，可通过机械臂携带样品容器进行采样，样品采集成功后先存储于样品容器内，再将已存储的样品容器保存于返回器内以避免样品直接存储于返回器产生摇晃或破损；若对待抓取样品进行磨削处理，可通过机械臂携带样品容器至指
定位置并通过取样器对样品进行磨削，将磨削后样品粉尘通过样品容器输送至返回器内。
[0009] 所述样品容器一端设置有可与机械臂末端侧壁匹配连接的环状
接口，与返回器的放样通道间形成限位连接，使样品容器进入返回器的放样通道后，样品容器被限制在通道内，所述样品容器另一端内部设置有弹性夹片，可直接对
块状样品进行抓取采集。
[0010] 所述样品采集机构还包括捕捉相机，所述捕捉相机设置于取样器侧壁，于采样过程中对采样位置对样品进行识别，同时进行采样过程导航与监视。
[0011] 所述着陆腿附着器内设置有
超声波钻头，探测器本体进行着陆时，
超声波钻头钻入地面实现钻进固定。
[0012] 所述连杆式着陆腿内设置有
扭矩传感器及内部
电机，对连杆式着陆腿着陆过程中的冲击
能量进行识别，并将扭矩传感器
信号转化为内部电机控制前馈信号，提升连杆式着陆腿的缓冲性能并通过内部电机实现变阻尼缓冲辅助着陆。
[0013] 所述取样器包括磨削清扫装置、夹持装置，当需要对样品进行直接抓取时，利用夹持装置进行样品采集，当需要对样品进行磨削存储时，利用磨削清扫装置进行样品处理。
[0014] 所述连杆式着陆腿于探测器本体发射前呈压紧态，于探测器本体着陆前呈展开态，于探测器本体着陆过程中呈折叠缓冲态。
[0015] 所述机械臂通过取样器完成一次采样后，若要进行下一次取样，需重新于探测器本体底部外表面上装载样品容器进行下一次样品采集。
[0016] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0017] (1)本发明提供的一种小天体附着取样封装一体化装置，通过采用四连杆着陆腿主动关节的控制产生缓冲阻尼，可实现着陆腿变阻尼缓冲，区别于传统的着陆腿采用蜂窝率缓冲的方案，着陆缓冲效果更好，同时四个主动式着陆腿通过构型调整可实现对着陆地形的强适应，具有地形适应性强、着陆
稳定性高的优点；
[0018] (2)本发明采用的四连杆着陆腿包括多种折叠及展开状态，折叠运动的
驱动电机与缓冲吸能用电机可进行复用，使得着陆腿在折叠的同时具有缓冲功能，能够在多种运动状态中实现主动及被动缓冲；
[0019] (3)本发明采用机械臂末端设计多功能取样器的方式实现取样，具有取样方式多样化、取样工作行程大、放样简单等特点；同时品容器设计为多个，保证了多次取样的样品分开存放，防止了不同点样品的混合，在安装位置上可通过安装于探测器底部，通过机械臂进行压紧，省去了专门的压紧机构，同时返回器位置位于探测器底部，便于机械臂放样操作。
附图说明
[0020] 图1为发明提供的附着取样封装一体化装置结构组成示意图；
[0021] 图2为发明提供的附着取样及封装装置展开时仰视示意图；
[0022] 图3为发明提供的附着取样及封装装置发射折叠状态的示意图；
[0023] 图4为发明提供的附着取样及封装装置折叠状态的仰视示意图；
[0024] 图5为发明提供的机械臂及取样器示意图；
[0025] 图6为发明提供的样品容器结构组成示意图；
具体实施方式
[0026] 一种小天体附着取样封装一体化装置，如图1所示，包括连杆式着陆腿2、着陆腿附着器1、探测器本体3、返回器4、通信天线8、太阳翼9、姿控发动机11、样品采集机构，样品采集机构具体包括机械臂5、取样器6、样品容器7，探测器本体3底部设置有四支连杆式着陆腿2，着陆腿附着器1设置于连杆式着陆腿2着陆端，探测器本体3对采样及着陆过程进行控制并通过连杆式着陆腿2与着陆腿附着器1联动配合实现平稳着陆，返回器4设置于探测器本体3底部用于储存采样样品，用于供电的太阳翼9设置于测器本体3外侧壁，通信天线8设置于探测器本体3外侧壁的其中一面上进行信息交互，姿控发动机11于着陆过程中对探测器本体3的姿态进行不断调整，同时于连杆式着陆腿2、着陆腿附着器1配合完成着陆；
[0027] 在采样机构中，样品容器7安装于探测器本体3底部外表面靠近返回器4一侧，机械臂5于不进行采样任务时为收紧状态，样品容器7在收紧状态下通过机械臂5压紧固定于探测器本体3底部外表面上，对样品进行实际采样操作的取样器6设置于机械臂5末端，探测器本体3平稳着陆后通过机械臂5带动取样器6至指定位置对样品进行抓取或磨削处理，并将处理后的样品存储于返回器4中。
[0028] 样品采集过程中，主要分为对样品的抓取或对样品的磨削处理，其中：
[0029] 当探测器本体3开始进行样品采集时，若对待抓取样品进行抓取，可通过机械臂5携带样品容器7进行采样，样品采集成功后先存储于样品容器7内，再将已存储的样品容器7保存于返回器4内以避免样品直接存储于返回器4产生摇晃或破损；若对待抓取样品进行磨削处理，可通过机械臂5携带样品容器7至指定位置并通过取样器6对样品进行磨削，将磨削后样品粉尘通过样品容器7输送至返回器4内。
[0030] 样品容器7的两侧均有配合样品抓取的设计，如图6所示，一端设置有可与机械臂5末端侧壁匹配连接的连接孔，样品容器7通过一端的环状接口7-1可与返回器4的放样通道之间形成限位连接，使得样品容器7进入返回器4的放样通道后，样品容器7被限制在通道内。样品容器7可通过另一端内部设置的弹性夹片7-2可实现对块状样品直接进行抓取采集。
[0031] 对样品直接进行抓取采集；机械臂5通过取样器6完成一次采样后，若要进行下一次取样，需重新于探测器本体3底部外表面上装载样品容器7进行下一次样品采集。
[0032] 样品采集机构中，还包括捕捉相机10，通过捕捉相机10于采样过程中对采样位置对样品进行识别，同时进行采样过程导航与监视，需要设置于取样器6侧壁。
[0033] 连杆式着陆腿2内设置有扭矩传感器及内部电机，对连杆式着陆腿2着陆过程中的冲击能量进行识别，并将扭矩传感器信号转化为内部电机控制前馈信号，提升连杆式着陆腿2的缓冲性能并通过内部电机实现变阻尼缓冲辅助着陆；同时，着陆腿附着器1内设置有超声波钻头，探测器本体3进行着陆时，超声波钻头钻入地面实现钻进固定；
[0034] 连杆式着陆腿2于探测器本体3发射前呈压紧态，于探测器本体3着陆前呈展开态，于探测器本体3着陆过程中呈折叠缓冲态；
[0035] 取样器6包括磨削清扫装置6-1、夹持装置6-2，当需要对样品进行直接抓取时，利用夹持装置6-2进行样品采集，当需要对样品进行磨削存储时，利用磨削清扫装置6-1进行样品处理。
[0036] 当探测器附着失败时，可进行
接触取样，接触取样时，取样机械臂5切换为柔顺控
制模式，取样器6切换到磨削清扫装置6-1，探测器接近小行星表面，在姿控发动机11作用下，探测器被短时间压在小行星表面，期间磨削清扫装置6-1通过高速磨削/清扫实现接触取样，取样结束后，机械臂将样品容器放回返回器4内部，完成取样。
[0037] 连杆式着陆腿2展开失效时，探测器可以连杆式着陆腿2的压紧态进行着陆，着陆时，探测器顶部的姿控发动机11提供一定的下压力，防止探测器本体3反弹；稳定着陆后，姿控发动机11持续作用，同时探测器本体3通过着陆腿附着器1-1、1-2、1-3、1-4进行钻进，钻进结束后姿控发动机11停止工作，探测器本体3被固定在小行星表面。该工作模式下着陆时，探测器受到的着陆冲击
载荷大于具有缓冲阻尼的着陆情况，该工作模式为故障备份工作模式。
[0039] 在本实施例中，如图2所示，采取四个完全相同的平行四边形连杆式着陆腿2-1、2-2、2-3、2-4安装于探测器本体3的底部，在着陆腿的末端设计有四个完全相同的着陆腿附着器1-1、1-2、1-3、1-4，着陆腿附着器内部采用超声波钻实现在小行星表面的钻进固定；
[0040] 侧面开口的返回器4、机械臂5安装于探测器本体3的底部；在机械臂5的末端设计有多功能的取样器6，具体包括磨削清扫装置6-1、夹持装置6-2，磨削清扫装置6-1具有磨削及清扫功能、夹持装置6-2具有样品的夹持抓取功能，样品容器7发射前安装于探测器本体3底部，并通过机械臂5的臂杆压紧，取样时夹持装置6-2经机械臂5操作将样品容器7安装于取样器6顶部一侧；捕捉相机10安装于取样器6的壳体侧壁上，实现对样品的识别及取样、放样过程监视。
[0041] 如图3、图4所示，发射前，四个连杆式着陆腿2-1、2-2、2-3、2-4主动折叠成压紧态，机械臂5折叠成压紧态，在机械臂5压紧位置的样品容器7被机械臂压紧；
[0042] 着陆前，四个连杆式着陆腿2-1、2-2、2-3、2-4主动展开成着陆标称态，着陆腿内驱动关节电机切换为反驱阻尼自适应控制模式；
[0043] 着陆时，探测器顶部的姿控发动机11提供一定的下压姿态力，防止反弹，同时四个连杆式着陆腿2-1、2-2、2-3、2-4利用连杆式着陆腿2内部的关节电机通过主动控制进行变阻尼缓冲，实现探测器稳定着陆。
[0044] 稳定着陆后，着陆腿附着器1构型
锁定，姿控发动机11持续作用，同时探测器通过着陆腿附着器1-1、1-2、1-3、1-4进行钻进，钻进结束后姿控发动机11停止工作，探测器本体3被固定在小行星表面；
[0045] 着陆并固定后，进行取样操作，如图5所示，机械臂5展开，根据取样需求选择取样方式。进行石块夹持取样时，机械臂5带动夹持装置6-2将石块夹持，夹持石块后，机械臂5将石块从返回器侧面放入返回器4内部；进行磨削或清扫取样时，机械臂5首先将样品容器7安装于取样器6顶部，随后取样器6被机械臂5移动到取样位置，磨削清扫装置6-1开始磨削或清扫，磨削/清扫产生的样品进入样品容器7内部，取样结束后，样品容器7被机械臂5放入返回器4内部，一次取样结束。当需要进行多次磨削或清扫取样时，机械臂5再次在探测器本体3底部安装样品容器7，重新开始新的取样。
[0046] 探测器需要进行换点探测时，附着器1可将内部的超声波钻提起，实现探测器与小行星表面之间的机械固连失效。随后四连杆式着陆腿2进行主动曲展动作，将探测器推离小行星表面，继续进行下一轮的探测。
[0047] 本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
