一种潜入式星壤掘进机器人

技术领域

本发明涉及星壤掘进机器人技术领域，更具体地，涉及一种潜入式星壤掘进机器人。

背景技术

自古以来，太空就是人类一直向往并不断追求的一片未知世界。从人类开始执行太空取样作业的任务至今，已经取得了丰硕的成果。比如苏联“Luna”系列探测器，美国的“Apollo”登月任务，日本的“隼鸟号”探测器，欧洲的火星快车公司研究的“比格尔号”探测器，我国的“嫦娥五号”探测器等，它们都成功地从地外行星上采样品返回。从现有技术来看，各个国家的钻探机器人都以螺旋式钻杆为主要功能部件来开展，但与此同时螺旋式钻进的方式随着钻进深度的加深，摩擦力会急剧增大，使得钻进深度有限。

现有技术公开了一种星壤掘进机器人，包括用于星壤挖掘的挖掘机构与用于驱动挖掘机构前移的且可根据井壁进行尺寸调整的推移机构，所述推移机构的包络半径大于或等于所述挖掘机构的包络半径，挖掘机构设于推移机构前端；推移机构包括支撑架、链条传动装置、用于带动链条传动装置运动的驱动装置，链条传动装置、驱动装置均装设在所述支撑架上。该方案中，通过驱动装置驱动链条传动装置进行推进，由于链条宽度过于短窄，与井壁接触面积小，所能提供的压力是极其有限的，同时星壤的颗粒直径小，容易陷入链条之中，增大链条摩擦力的同时加剧了链条的磨损，实际上反而使得机器人无法实现掘进目的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种潜入式星壤掘进机器人，利用推移机构向挖掘机构提供钻压力的过程中，增大推移机构与井壁的接触面积，防止推移过程中对推移机构的磨损导致无法掘进，确保推移机构行进稳定。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种潜入式星壤掘进机器人，包括挖掘机构和可根据井壁进行尺寸调整的推移机构，所述推移机构的包络半径大于所述挖掘机构的包络半径，所述挖掘机构位于所述推移机构的底部；所述推移机构包括支撑架、驱动装置、若干履带传动装置和若干自适应结构，所述支撑架的底部与所述挖掘机构连接，所述驱动装置装设于所述支撑架，所述驱动装置的输出端与所述履带传动装置传动连接，若干所述自适应结构沿着所述支撑架的圆周布置，所述履带传动装置装设于所述自适应结构，所述自适应结构用于调整所述履带传动装置与所述支撑架之间的距离。

本发明的潜入式星壤掘进机器人，利用挖掘机构挖掘星壤，推移机构用于驱动挖掘机构前移，使用时，通过支撑架对推移机构进行支撑，通过驱动装置驱动履带传动装置，履带传动装置作用于井壁实现推移作用，进而向挖掘机构提供钻压力，其中，履带传动装置增大推移机构与井壁的接触面积，有效保持工作的稳定性，同时提高了利用井壁对推移机构的摩擦力所能提供给挖掘机构钻进的动力，提高了机器人深入钻进的钻压能力；同时，通过自适应结构可自动调节履带传动装置于支撑架的距离，保持履带传动装置与井壁压紧，使推移机构达到自适应的功能。

进一步地，每个所述自适应结构包括第一连接杆、第二连接杆和若干固定连杆，所述固定连杆的两端分别与所述第一连接杆的一端、第二连接杆的一端铰接，所述第一连接杆的另一端、第二连接杆的另一端分别铰接于所述支撑架，所述第一连接杆、固定连杆、第二连接杆与所述支撑架构成平行四边形机构，所述履带传动装置装设于所述固定连杆。

进一步地，所述自适应结构还包括第三连接杆、挡板、弹簧，第一平台和第二平台，所述第一平台和第二平台沿着所述支撑架的长度方向间隔设置，所述挡板套设于所述第一平台与所述第二平台之间的支撑架，所述第一平台、挡板与所述第二平台通过第一连接件顺次连接，所述弹簧缠绕所述第一连接件，且所述弹簧的两端分别连接于所述第一平台和所述挡板，所述第三连接杆的一端与所述第二连接杆的一端铰接，所述第三连接杆的另一端与所述挡板铰接。

进一步地，每个所述履带传动装置包括第一同步带轮、第二同步带轮、第一履带、第一连接轴和第二连接轴，所述驱动装置的输出端与所述第一连接轴连接，所述第一同步带轮、第一连接杆的一端、固定连杆的一端装设于所述第一连接轴，所述第二同步带轮、第二连接杆的一端、固定连杆的另一端装设于所述第二连接轴，所述第一履带缠绕所述第一同步带轮和第二同步带轮。

进一步地，所述驱动装置包括齿轮架、推移电机、主动轴、主动斜齿轮、若干从动轴和若干从动斜齿轮，所述齿轮架顶部与所述支撑架连接，所述齿轮架底部与所述挖掘机构连接，若干所述从动轴转动设置于所述齿轮架的圆周，所述推移电机装设于所述支撑架，所述推移电机的输出轴与所述主动轴连接，所述主动斜齿轮装设于所述主动轴，若干所述从动斜齿轮分别装设于若干所述从动轴，且若干所述从动斜齿轮分别与所述主动斜齿轮啮合，若干所述从动轴分别与若干所述第一连接轴传动连接，所述第一连接杆的两端分别连接于所述第一连接轴和从动轴。

进一步地，还包括第三同步带轮、第四同步带轮和第二履带，所述第三同步带轮固定装设于所述从动轴，所述第四同步带轮固定装设于所述第一连接轴，所述第二履带缠绕所述第三同步带轮和第四同步带轮。

进一步地，还包括若干辅助支撑装置，每组所述辅助支撑装置包括支撑板和若干夹具，若干所述夹具固定装设于所述支撑架，所述夹具与所述支撑板连接。

进一步地，所述挖掘机构包括支撑装置和切削装置，所述支撑装置连接于所述推移机构与所述切削装置之间。

进一步地，所述切削装置包括挖掘电机和刀盘，所述刀盘可拆卸连接于所述支撑装置底部，所述挖掘电机安装于所述支撑装置，所述挖掘电机的输出轴与所述刀盘连接，所述刀盘呈内凹的锥形，且刀盘的尺寸从靠近所述支撑装置的一端向远离所述支撑装置的一端逐渐减小，所述刀盘至少设有两个刀片，每个所述刀片的刀锋呈锯齿状，且相邻刀片的刀锋沿径向交错设置。

进一步地，所述挖掘机构还包括除屑装置，所述除屑装置包括空气压缩机、气管、喷头、吸尘器和排屑管，所述气管和排屑管装设于所述支撑装置内，所述喷头安装于所述气管前端，所述空气压缩机与所述气管连通，所述吸尘器与所述排屑管连通，所述刀盘开设有分别与所述气管、排屑管位置对应的缺口。

本发明的潜入式星壤掘进机器人与背景技术相比，产生的有益效果为：

通过履带传动装置增大推移机构与井壁的接触面积，有效保持工作的稳定性，同时提高了利用井壁对推移机构的摩擦力所能提供给挖掘机构钻进的动力，提高了机器人深入钻进的钻压能力；

通过自适应结构可自动调节履带传动装置于支撑架的距离，保持履带传动装置与井壁压紧，使推移机构达到自适应的功能；

通过辅助支撑装置进一步增大井壁对推移机构的摩擦力所提供给挖掘机构钻进的动力；

驱动装置采用斜齿轮直接传动的方式，减少了齿轮的设计与安装。

附图说明

图1为本发明实施例中潜入式星壤掘进机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例中推移机构的立体图；

图3为本发明实施例中推移机构的结构示意图；

图4为本发明实施例中齿轮架在第一视角的结构示意图；

图5为本发明实施例中齿轮架在第二视角的结构示意图；

图6为本发明实施例中辅助支撑装置的结构示意图；

图7为本发明实施例中挖掘机构的结构示意图；

图8为本发明实施例中刀盘的结构示意图；

图9为本发明实施例中推移机构与挖掘机构的连接示意图。

附图中：1-推移机构；2-支撑架；201-连接台；202-凸体；2021-第二螺纹孔；3-辅助支撑装置；301-夹具；302-支撑板；303-增摩结构；4-驱动装置；401-齿轮架；4011-凸台；4012-第一螺纹孔；4013-滑轨；4014-第二通孔；402-推移电机；403-主动轴；404-主动斜齿轮；405-从动轴；406-从动斜齿轮；407-滚珠轴承；408-深沟球轴承；409-挡边轴承；4010-卡簧；4011-第三同步带轮；4012-第四同步带轮；4013-第二履带；4014-张紧柱；4015-第一联轴器；5-履带传动装置；501-第一同步带轮；502-第二同步带轮；503-第一履带；504-第一连接轴；505-第二连接轴；506-张紧轮；6-自适应结构；601-第一连接杆；602-固定连杆；603-第二连接杆；604-第三连接杆；605-挡板；606-弹簧；607-第一平台；608-第二平台；609-套筒；7-挖掘机构；8-支撑装置；801-连接盖；8011-凹槽；8012-第一通孔；8013-弹簧销；8014-螺母；802-外壳；803-连接盘；9-切削装置；901-挖掘电机；902-刀盘；903-刀片；904-缺口；905-第二联轴器；10-除屑装置；1001-气管；1002-喷头；1003-排屑管；1004-单向气动快速接头。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例一

一种潜入式星壤掘进机器人，如图1所示，包括挖掘机构7和可根据井壁进行尺寸调整的推移机构1，推移机构1的包络半径大于挖掘机构7的包络半径，挖掘机构7位于推移机构1的底部；推移机构1包括支撑架2、驱动装置4、若干履带传动装置5和若干自适应结构6，支撑架2的底部与挖掘机构7连接，驱动装置4装设于支撑架2，驱动装置4的输出端与履带传动装置5传动连接，若干自适应结构6沿着支撑架2的圆周布置，履带传动装置5装设于自适应结构6，自适应结构6用于调整履带传动装置5与支撑架2之间的距离。

上述的潜入式星壤掘进机器人，利用挖掘机构7挖掘星壤，推移机构1用于驱动挖掘机构7前移，使用时，通过支撑架2对推移机构1进行支撑，通过驱动装置4驱动履带传动装置5，履带传动装置5作用于井壁实现推移作用，进而向挖掘机构7提供钻压力，其中，履带传动装置5增大推移机构1与井壁的接触面积，有效保持工作的稳定性，同时提高了利用井壁对推移机构1的摩擦力所能提供给挖掘机构7钻进的动力，提高了机器人深入钻进的钻压能力；同时，通过自适应结构6可自动调节履带传动装置5于支撑架2的距离，保持履带传动装置5与井壁压紧，使推移机构1达到自适应的功能。

如图2、图3所示，每个自适应结构6包括第一连接杆601、第二连接杆603和若干固定连杆602，固定连杆602的两端分别与第一连接杆601的一端、第二连接杆603的一端铰接，第一连接杆601的另一端、第二连接杆603的另一端分别铰接于支撑架2，第一连接杆601、固定连杆602、第二连接杆603与支撑架2构成平行四边形机构，履带传动装置5装设于固定连杆602。实施时，驱动装置4驱动履带传动装置5的过程中，由于履带传动装置5设于固定连杆602，井壁内径发生变化时，履带传动装置5与支撑架2的距离需相应变化，其中，第一连接杆601、固定连杆602、第二连接杆603与支撑架2构成平行四边形机构，在井壁内径增大时，平行四边形机构在自身作用下，第一连接杆601和第二连接杆603分别围绕各自与支撑架2的铰接位置转动，固定连杆602随第一连接杆601和第二连接杆603的转动而向靠近井壁的方向和掘进方向平行移动，进而带动固定连杆602上的履带传动装置5逐渐靠近至与井壁接触；当井壁内径减小时，井壁挤压固定连杆602上的履带传动装置5，进而推动固定连杆602向与掘进方向相反的方向平行移动，第一连接杆601和第二连接杆603随固定连杆602的移动而反向转动，缩小固定连杆602及其上履带传动装置5与支撑架2的距离，实现推移机构1的自适应功能。

如图1至图3所示，自适应结构6还包括第三连接杆604、挡板605、弹簧606，第一平台607和第二平台608，第一平台607和第二平台608沿着支撑架2的长度方向间隔设置，挡板605套设于第一平台607与第二平台608之间的支撑架2，第一平台607、挡板605与第二平台608通过第一连接件顺次连接，弹簧606缠绕第一连接件，且弹簧606的两端分别连接于第一平台607和挡板605，第三连接杆604的一端与第二连接杆603的一端铰接，第三连接杆604的另一端与挡板605铰接。弹簧606位于初始位置时，挡板605位于下止点位置，此时，固定连杆602及其上的履带传动装置5与支撑架2的距离最大，当井壁减小时，固定连杆602移动，履带传动装置5与支撑架2的距离逐渐减小，第三连接杆604随之移动，第三连接杆604推动挡板605沿第一连接件上移挤压弹簧606，在井壁增大时，弹簧606压缩时所储存的弹性势能可为自适应结构6提供动力，弹簧606推动挡板605下行，第三连接杆604运动过程中推动固定连杆602及其上的履带传动装置5运动，使履带传动装置5接触井壁。其中，第二连接杆603、第三连接杆604和支撑架2形成三角形结构，保持推移机构1自适应运动过程中的稳定性。

如图2、图3所示，每个履带传动装置5包括第一同步带轮501、第二同步带轮502、第一履带503、第一连接轴504和第二连接轴505，驱动装置4的输出端与第一连接轴504连接，第一同步带轮501、第一连接杆601的一端、固定连杆602的一端装设于第一连接轴504，第二同步带轮502、第二连接杆603的一端、固定连杆602的另一端装设于第二连接轴505，第一履带503缠绕第一同步带轮501和第二同步带轮502。具体地，如图6所示，支撑架2设有连接台201，第二连接杆603的另一端通过连接台201与支撑架2铰接，连接台201呈内凹状，避免对第一履带503造成干涉影响。实施时，驱动装置4驱动第一连接轴504转动，带动第一同步带轮501转动，通过第一同步带轮501、第二同步带轮502与第一履带503的啮合，推动第一履带503运动并带动第二同步带轮502转动，第一履带503沿着井壁运动，井壁对第一履带503的摩擦力提供挖掘机构7钻进的动力。其中，利用第一连接轴504可同时实现第一连接杆601与固定连杆602的铰接，利用第二连接轴505可同时实现第二连接杆603与固定连杆602的铰接，减少了连接结构件的设置。

具体地，如图2所示，每个自适应结构6可设置两组第一连接杆601、两组固定连杆602、两组第二连接杆603和两组弹簧606，本实施例中，通过第一连接轴504和第二连接轴505来对称分布第一连接杆601、固定连杆602和第二连接杆603，确保推移机构1圆周上受力的均匀与平衡，以加强传动的稳定性，更有效稳定地实现推移机构1对井壁的自适应功能，其中，两组固定连杆602之间可固定设置套筒609，以加强固定连杆602的刚度；如图1、图2所示，两组固定连杆602之间还转动装设有与第一履带503接触的张紧轮506，通过张紧轮506压紧第一履带503，增大第一履带503的预紧力。

驱动装置4包括齿轮架401、推移电机402、主动轴403、主动斜齿轮404、若干从动轴405和若干从动斜齿轮406，齿轮架401顶部与支撑架2连接，齿轮架401底部与挖掘机构7连接，若干从动轴405转动设置于齿轮架401的圆周，推移电机402装设于支撑架2，推移电机402的输出轴与主动轴403连接，主动斜齿轮404装设于主动轴403，若干从动斜齿轮406分别装设于若干从动轴405，且若干从动斜齿轮406分别与主动斜齿轮404啮合，若干从动轴405分别与若干第一连接轴504传动连接，第一连接杆601的两端分别连接于第一连接轴504和从动轴405。实施时，推移电机402通过第一联轴器4015驱动主动轴403及其上的主动斜齿轮404转动，通过啮合作用带动若干从动斜齿轮406和从动轴405转动，通过从动轴405的转动带动第一连接轴504转动，进而带动第一同步带轮501、第一履带503的运动，实现挖掘机构7的推移。需要说明的是，主动斜齿轮404可与主动轴403一体成型，本实施例中，通过斜齿轮间的传动，减少了齿轮的设计与安装，简化了设计安装流程。

还包括第三同步带轮4011、第四同步带轮4012和第二履带4013，第三同步带轮4011固定装设于从动轴405，第四同步带轮4012固定装设于第一连接轴504，第二履带4013缠绕第三同步带轮4011和第四同步带轮4012。实施时，推移电机402驱动主动轴403、主动斜齿轮404、从动斜齿轮406和从动轴405转动，进而带动第三同步带轮4011转动，通过第三同步带轮4011、第四同步带轮4012与第二履带4013的啮合，带动第二履带4013和第四同步带轮4012运动，通过第四同步带轮4012带动第一连接轴504转动，进而带动第一履带503运动。其中，如图2所示，第一连接板设有与第二履带4013接触的张紧柱4014，通过张紧柱4014压紧第二履带4013，增加第二履带4013的预紧力。

从动轴405可为花键轴，从动轴405通过花键与从动斜齿轮406连接，为了提高传动稳定性，如图3至图5所示，在齿轮架401与主动轴403之间设置滚珠轴承407，从动轴405的两端分别通过挡板605轴承和深沟球轴承408与齿轮架401连接，挡边轴承409外装设有卡簧4010，卡簧4010为挡边轴承409起限位作用，从动轴405的两端分别设有第一销孔，用于从动轴405与第三同步带轮4011的固定连接。第一连接轴504可为花键轴，第一连接轴504通过花键与第一同步带轮501连接，第一连接轴504的两端分别设有第二销孔，用于第一连接轴504与第四同步带轮4012的固定连接。

本实施例中，第一同步带轮501、第二同步带轮502、第三同步带轮4011和第四同步带轮4012均采用非标设计，采用相邻齿条错峰设计，减少星壤土质对第一履带503和第二履带4013的磨损，同时降低被星壤卡住的可能性。

实施例二

本实施例与实施例一类似，所不同之处在于，如图1、图2、图3和图6所示，还包括若干辅助支撑装置3，每组辅助支撑装置3包括支撑板302和若干夹具301，若干夹具301固定装设于支撑架2，夹具301与支撑板302连接。具体地，每组夹具301包括锁紧件和两个夹板，两个夹板固定于支撑架2外壁，且两个夹板之间设有间隙，支撑板302可插入两个夹板之间的间隙中，再利用锁紧件将两个夹板与支撑板302锁紧固定；为了保证支撑板302的稳定夹持，每组辅助支撑装置3包括至少两组夹具301，通过至少两组夹具301分别锁紧支撑板302的不同部位，防止支撑板302转动偏移。其中，支撑板302外壁可设置增摩结构303，如齿条型结构，以增加与井壁的摩擦，进一步增大井壁对推移机构1的摩擦力所提供给挖掘机构7钻进的动力，同时，本实施例还能为线路排布预留空间，便于机器人的回收工作。

如图5、图9所示，齿轮架401顶部开设有若干第一螺纹孔4012，如图6所示，支撑架2底部设有若干凸体202，若干凸体202分别开设有与第一螺纹孔4012一一对应的第二螺纹孔2021，第一螺纹孔4012与第二螺纹孔2021通过第二连接件连接，其中，齿轮架401顶部还设有若干凸台4011，其中若干第一螺纹孔4012可分别设于凸台4011，凸台4011可嵌入凸体202，通过凸台4011与凸体202的配合，实现齿轮架401与支撑架2的定位安装。

实施例三

本实施例与实施例二类似，所不同之处在于，如图1所示，挖掘机构7包括支撑装置8和切削装置9，支撑装置8连接于推移机构1与切削装置9之间。其中，支撑装置8为挖掘机构7提供径向支撑力，

如图1、图7和图8所示，切削装置9包括挖掘电机901和刀盘902，刀盘902可拆卸连接于支撑装置8底部，挖掘电机901安装于支撑装置8，挖掘电机901的输出轴与刀盘902连接，刀盘902呈内凹的锥形，且刀盘902的尺寸从靠近支撑装置8的一端向远离支撑装置8的一端逐渐减小，刀盘902至少设有两个刀片903，每个刀片903的刀锋呈锯齿状。实施时，挖掘电机901通过第二联轴器905驱动刀盘902旋转来进行星壤的破碎和切削，刀盘902的内凹锥形设计使得钻进阻力更小，破壁和切削效果更好，提高了挖掘能力，另外，刀片903的刀锋呈锯齿状，且相邻刀片903的刀锋沿径向交错设置，进一步提高星壤破碎效果。

如图1、图7、图8所示，挖掘机构7还包括除屑装置10，除屑装置10包括空气压缩机、气管1001、喷头1002、吸尘器和排屑管1003，气管1001和排屑管1003装设于支撑装置8内，喷头1002安装于气管1001前端，空气压缩机与气管1001连通，吸尘器与排屑管1003连通，刀盘902开设有分别与气管1001、排屑管1003位置对应的缺口904。具体地，气管1001的内径小于排屑管1003的内径，保证气管1001内气体的高压状态，同时防止排屑管1003堵塞。实施时，通过空气压缩机将高压气体送入气管1001并从喷头1002喷出，可将刀盘902附近的切屑冲掉，并通过吸尘器将切削时的尘土吸入排屑管1003，实现气动排屑，防止堵钻情况的发生。其中，可增加排屑管1003的数量，提高排屑效率，改善排屑效果，延长刀盘902的使用寿命。

如图7、图9所示，支撑装置8包括外壳802、连接盖801和连接盘803，连接盖801和连接盘803分别安装于外壳802的两端，连接盖801与齿轮架401连接，连接盘803与刀盘902连接，挖掘电机901安装于连接盘803，气管1001的一端和排屑管1003的一端分别通过单向气动快速接头1004安装于连接盘803。

如图7、图9所示，连接盖801顶部设有凹槽8011，凹槽8011与齿轮架401的底部配合，凹槽8011内开设有若干第一通孔8012，如图4、图5所示，齿轮架401底部设有若干滑轨4013，滑轨4013开设有第二通孔4014，弹簧销8013配合螺母8014安装于第一通孔8012，将挖掘机构7与推移机构1连接时，先将齿轮架401放入凹槽8011中，使齿轮架401上的滑轨4013位于弹簧销8013上，转动齿轮架401，弹簧销8013沿着滑轨4013滑动，直至弹簧销8013与第二通孔4014对准配合，完成推移机构1与挖掘机构7的连接。

在上述具体实施方式的具体内容中，各技术特征可以进行任意不矛盾的组合，为使描述简洁，未对上述各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。