一种钻进锚固式小行星矿物采集和跨域输运系统及方法

技术领域

本发明涉及一种小行星矿物采集系统及方法，属于小行星矿物采集、输运技术领域。

背景技术

小行星表面为弱引力环境，重力可忽略不计，若要进行切削采矿就必须在小行星表面实现可靠附着；小行星表面不规则，常有陡坡、隆起或陨击坑要求采样装置设计灵活，需要采矿装置能适应小行星表面各类地形，并可进行多点多次重复采样；且小行星探测任务能源供给困难、质量约束苛刻。目前常见的小行星采矿装置存在地形适应性较差、可靠性较差的问题。

因此，亟需提出一种钻进锚固式小行星矿物采集和跨域输运系统及方法，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决小行星采矿装置存在地形适应性较差、可靠性较差的的问题，提供一种钻进锚固式小行星矿物采集和跨域输运系统及方法，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的技术方案：

一种钻进锚固式小行星矿物采集和跨域输运系统，包括采集装置、矿物收集机构和母舰探测器，采集装置包括矿物采集机构、钻进锚固机构、离心加速机构、喷气装置和采矿机器人外壳，矿物采集机构与离心加速机构连接，离心加速机构设置在采矿机器人外壳内，离心加速机构的输出端与矿物收集机构建立配合，母舰上搭载矿物收集机构，采矿机器人外壳的上侧设置有喷气装置，采矿机器人外壳下侧设置有钻进锚固机构。

优选的：矿物采集机构包括导流罩、输运管和切削盘刀，所述导流罩下部设置有两个切削盘刀，导流罩的上部设置有输运管，导流罩通过输运管与离心加速机构建立连接。

优选的：离心加速机构包括离心加速腔、输出口、中心轴和扫盘，采矿机器人外壳内通过中心轴与离心加速腔转动连接，中心轴与第二伺服电机的输出端连接，离心加速腔内设置有扫盘，输运管与离心加速腔下侧的入口连接，输出口与离心加速腔上侧的出口连接。

优选的：矿物采集机构还包括滑块和导轨，输运管包括内管和套装在内管外侧的外管，内管与导流罩固定连接，内管的侧面设置有滑块，外管、导轨与离心加速腔固定连接，滑块与导轨滑动连接。

优选的：输出口沿离心加速腔的切向设置，输出口与矿物收集机构对应设置。

优选的：钻进锚固机构包括钻机、足垫、锚杆和机械臂，机械臂的上下两端分别与采矿机器人外壳、钻机连接，超声波钻的输出端安装有锚杆，超声波钻与锚杆的连接部设置有足垫。

优选的：钻机为超声波钻，锚杆为钻入式锚杆，机械臂为四个，四个机械臂均匀布置。

优选的：喷气装置包括储气瓶和喷嘴，采矿机器人外壳内设置有储气瓶，储气瓶的出口设置有位于采矿机器人外壳外侧的喷嘴，喷嘴的数量为四个并均匀布置。

一种钻进锚固式小行星矿物采集和跨域输运方法，包括以下步骤：

步骤一：采集装置的机械臂张开，调整采集装置的位置；

步骤二：喷气装置为采集装置加压，钻机旋转使锚杆钻入小行星，实现采集装置的固定，将矿物收集机构移动置输出口的正上方位置；

步骤三：调整矿物采集机构与小行星地表接触，开始采矿，并将采集的矿物通过离心加速机构运输到矿物收集机构；

步骤四：一处采集完成后，将一个机械臂抽出移动到下一处，并在下一处钻入，再抽出、钻入另一个机械臂，依次类推，直至全部机械臂移动完成，使采集装置移动到下一处，重复步骤一-三进行采矿、运输作业。

优选的：步骤三中，通过输运管的伸缩，可以调整采矿的深度，通过矿物采集机构的转动，调整采矿的面积。

本发明具有以下有益效果：

本发明能够适应小行星的各种地形地貌环境，在星表可靠锚固后进行矿物采集并输运，且能够进行移动换点锚固和矿物采集，并将矿物输运至母舰探测器，能够有效提高小行星的矿物采集和输运效率，可靠性高。

本发明通过合理的方法，减少装置的多余动作，提高采集效率，减低采集成本，减小能源浪费。

附图说明

图1是一种钻进锚固式小行星矿物采集和跨域输运系统的结构示意图；

图2是钻进锚固机构的结构示意图；

图3是一种钻进锚固式小行星矿物采集和跨域输运系统的局部结构示意图；

图4是采集装置移动流程示意图。

图中：1-矿物采集机构，2-钻进锚固机构，3-离心加速机构，4-喷气装置，5-矿物收集机构，6-母舰探测器，1-1-导流罩，1-2-输运管，1-3-切削盘刀，1-4-滑块，1-5-导轨，2-1-钻机，2-2-足垫，2-3-锚杆，2-4-机械臂，3-1-离心加速腔，3-2-输出口，3-3-中心轴，3-4-扫盘，4-1-储气瓶，4-2-喷嘴。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

具体实施方式一：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种钻进锚固式小行星矿物采集和跨域输运系统，包括采集装置、矿物收集机构5和母舰探测器6，采集装置包括矿物采集机构1、钻进锚固机构2、离心加速机构3、喷气装置4和采矿机器人外壳，矿物采集机构1与离心加速机构3连接，离心加速机构3设置在采矿机器人外壳内，离心加速机构3的输出端与矿物收集机构5建立配合，母舰6上搭载矿物收集机构5，母舰6可为母航探测器，采矿机器人外壳的上侧设置有喷气装置4，采矿机器人外壳下侧设置有钻进锚固机构2；本发明在微重力小行星采矿和矿物输运过程中采矿量较大、采矿效率较高、采矿装置地形的适应性强，且实现大量跨域输运矿物。

具体实施方式二：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种钻进锚固式小行星矿物采集和跨域输运系统，矿物采集机构1包括导流罩1-1、输运管1-2和切削盘刀1-3，所述导流罩1-1内下部设置有两个切削盘刀1-3，切削盘刀1-3与第一伺服电机的输出端连接，第一伺服电机通过螺栓安装在导流罩1-1的外侧，导流罩1-1的上部设置有输运管1-2，输运管1-2位于两个切削盘刀1-3之间的上方位置，导流罩1-1通过输运管1-2与离心加速机构3建立连接；所述矿物采集机构采用切削小行星表面矿物，将矿物碎屑扫起并沿着管道输运至离心加速机构。

具体实施方式三：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种钻进锚固式小行星矿物采集和跨域输运系统，离心加速机构3包括离心加速腔3-1、输出口3-2、中心轴3-3和扫盘3-4，离心加速腔3-1为球形，无死角，防止卡料，物料运行顺畅，节约成本，在无人小行星上起到了重要作用，提高其可靠性，采矿机器人外壳内通过设置在离心加速腔3-1上下两端的中心轴3-3与离心加速腔3-1转动连接，中心轴3-3与第二伺服电机的输出端连接，第二伺服电机通过螺栓与采矿机器人外壳连接，采矿机器人外壳的上下两侧分别加工有以中心轴为轴心的弧形孔，弧形凹槽小于180°，离心加速腔3-1内通过与中心轴3-3垂直的转轴设置有扫盘3-4，转轴与第三伺服电机连接，第三伺服电机通过螺栓连接在离心加速腔3-1外侧，中心轴3-3驱动离心加速机构3、矿物收集机构1转动的同时，连接扫盘3-4径向位置的转轴也可带动扫盘3-4转动，为矿物提供加速度，输运管1-2穿过下侧的弧形孔与离心加速腔3-1下侧的入口连接，输出口3-2穿过上侧的弧形孔与离心加速腔3-1上侧的出口连接；矿物收集机构1和离心加速机构安装在采矿机器人外壳4内部，矿物收集机构1可自由伸缩升降，钻进锚固机构2安装在壳体外侧且可收展；所述矿物采集机构和离心加速机构可以绕着固定离心加速机构的中心轴线回转，以使矿物采集机构能够在小行星表面的一个环形区域内进行矿物采集；所述离心加速机构通过在一封闭腔室内通过扫盘3-4对切屑旋转加速，直至达到某一速度后，将矿物以一定初速度甩出；所述矿物收集机构位于母舰探测器上，呈喇叭状结构，用于收集来自采集装置来的小行星表面矿物。

具体实施方式四：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种钻进锚固式小行星矿物采集和跨域输运系统，矿物采集机构1还包括滑块1-4和导轨1-5，输运管1-2包括内管和套装在内管外侧的外管，内管与导流罩1-1固定连接，内管的侧面设置有滑块1-4，外管、与外管平行的导轨1-5与离心加速腔3-1固定连接，滑块1-4与导轨1-5滑动连接，直线电机的两端分别与滑块1-4、离心加速腔3-1连接；可伸缩输运管1-2作为离心加速装置的输入端接入；可伸缩输运管1-2通过滑块1-4沿导轨1-5移动，由采矿机器人壳体内向下伸出至小行星表面进行采矿；所述矿物采集机构1和离心加速机构3可围绕中心轴3-3转动，当矿物采集机构对一处的矿物采集完毕，可通过中心轴3-3的转动，带动矿物采集机构1和离心加速机构3转动，实现对小行星表面的环形区域进行采矿。

具体实施方式五：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种钻进锚固式小行星矿物采集和跨域输运系统，输出口3-2沿离心加速腔3-1的切向设置，输出口3-2与矿物收集机构5对应设置。

具体实施方式六：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种钻进锚固式小行星矿物采集和跨域输运系统，钻进锚固机构2包括钻机2-1、足垫2-2、锚杆2-3和机械臂2-4，机械臂2-4的上下两端分别与采矿机器人外壳、钻机2-1连接，超声波钻2-1的输出端安装有锚杆2-3，超声波钻2-1与锚杆2-3的连接部设置有位于机械臂2-4外侧的足垫2-2，足垫2-2用于减震保护，机械臂2-4由四个顺次连接的分机械臂组成，相邻的分机械臂之间通过舵机连接，上端的机械臂通过第四伺服电机与采矿机器人外壳连接；各机械臂之间通过具有一个自由度的转动副关节，相连超声波钻2-1安装在一条机械臂2-4的内部，足垫2-2在钻进锚固机构的最末端和小行星表面接触；所述钻进锚固机构采用超声波钻2-1在较小钻进力下将钻进锚杆2-2钻入小行星实现小行星表面的可靠附着，将整个采矿机器人稳固在小行星表面；所述采矿机器人每个钻进锚固机构包含有4个自由度；当需要进行移动时，一组锚固机构先将钻进锚杆2-2拔出，机械臂2-4各关节运动将钻进锚固机构向某个方向移动一定距离后再钻进锚固小行星表面；一组钻进锚固机构换位并锚固成功后，其余三组钻进锚固机构依次完成换位锚固动作，即首先一组钻进锚固机构将锚杆拔出，其余三组钻进锚固机构维持锚固状态，机械臂带动钻进锚固机构向某一方向平移一段距离，在其余三组钻进锚固机构提供的锚固力下，将锚固钻杆钻入小行星表面；当一组钻进锚固机构移动完毕后，其余三组钻进锚固机构依次重复，实现采矿机器人在小行星表面移动；所述钻进锚固机构既作为采矿机器人着陆与于小行星表面的着陆腿进行着陆缓冲，也作为固定装置将采矿机器人固定在小行星表面；当采矿机器人未着陆时，钻进锚固机构折叠收缩在采矿机器人外壳外侧；当采矿机器人着陆时，钻进锚固机构展开，适应复杂路面情况，适应性强。

具体实施方式七：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种钻进锚固式小行星矿物采集和跨域输运系统，钻机2-1为超声波钻，锚杆2-3为钻入式锚杆，机械臂2-4为四个，四个机械臂2-4成方形均匀布置；所述钻进锚固机构采用超声波钻在较小钻进力下实现小行星表面的可靠附着，将整个采矿机器人稳固在小行星表面；所述采矿机器人每个钻进锚固机构包含有4个自由度，可以通过锚固机构所在机械臂各关节的运动实现锚固地点的转移。

具体实施方式八：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种钻进锚固式小行星矿物采集和跨域输运系统，喷气装置4包括储气瓶4-1和喷嘴4-2，采矿机器人外壳内设置有储气瓶4-1，储气瓶4-1的出口设置有位于采矿机器人外壳外侧的喷嘴4-2，喷嘴4-2的数量为四个并均匀布置；所述钻进锚固机构由安装在采矿机器人外壳内部的储气罐反向喷气，为超声波钻提供稳定钻进力。

具体实施方式九：结合图1-4说明本实施方式，本实施方式的一种钻进锚固式小行星矿物采集和跨域输运方法，采用所述的一种钻进锚固式小行星矿物采集和跨域输运系统，包括以下步骤：

步骤一：母舰6将采集装置发送到小行星表面，采集装置的机械臂2-4张开，调整采集装置的位置；

步骤二：喷气装置4为采集装置加压，钻机2-1旋转使锚杆2-3钻入小行星，实现采集装置的固定，固定完成后关闭喷气装置4，矿物收集机构5位于母舰探测器6上，且可以收展，将矿物收集机构5移动置输出口3-2的正上方位置；

步骤三：调整矿物采集机构1与小行星地表接触，开始采矿，并将采集的矿物通过离心加速机构3跨域运输到矿物收集机构5；

步骤四：一处采集完成后，将一个机械臂2-4抽出移动到下一处，并在下一处钻入，再抽出、钻入另一个机械臂，依次类推，直至全部机械臂移动完成，使采集装置移动到下一处，重复步骤一-三进行采矿、运输作业。

具体实施方式十：结合图1-4说明本实施方式，本实施方式的一种钻进锚固式小行星矿物采集和跨域输运方法，步骤三中，通过输运管1-2的伸缩，可以调整采矿的深度，通过矿物采集机构1的转动，调整采矿的面积；步骤四中，为了对采矿点进行无遗漏的采集，且为了使中心轴3-3与离心加速腔3-1下侧的连接部与离心加速腔3-1整体连接，弧形凹槽的两个端点到轴心连线角度要小于180°，因此未设置下侧弧形凹槽的位置限制矿物采集机构1的转动，因此采集装置向未设置弧形凹槽的方向移动，减小了采集装置的调整难度，并使采集范围被充分覆盖；本发明通过合理的方法，在保证充分覆盖的基础上，减少装置的多余动作，提高采集效率，减低采集成本，减小能源浪费。

实施例1：

以实际小行星的矿物采集和输运为例，首先采矿机器人(采集装置)自母舰探测器释放，向小行星飞去；母舰探测器则一直位于采矿机器人的同步轨道上；在采矿机器人着陆过程中，将收缩在小行星采矿机器人外壳的四组钻进锚固机构展开，形成用于进行着陆缓冲的机械臂；在采矿机器人着陆后，钻进锚固机构的超声波钻依靠采矿机器人向后方喷出气体提供的钻压力，将锚杆钻进小行星一定深度，实现采矿机器人在小行星表面的可靠附着和稳定锚固；随后，矿物采集机构自采矿机器人内部伸出至接触小行星表面，并对小行星表面矿物进行切削；当对星表一处地点的矿物采集完毕，矿物采集机构和离心加速机构绕着中心轴线旋转，使矿物采集机构对星表一款环形区域内进行采矿；若有需要，采矿机器人可以通过锚固机构机械臂的动作，将采矿机器人进行换点锚固并再次采矿；矿物碎屑由旋转切削刀具扫入输运管道传输至离心加速机构，矿物在离心加速机构的密封舱室中不断旋转加速直至拥有一定初速度，输出侧舱门打开，具有一定速度的矿物颗粒被甩出，飞向母舰探测器的矿物收集机构；母舰探测器张开矿物收集机构，收集来自采矿机器人的矿物，送入存储舱室，至此一次矿物的采集和输运过程结束。

需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。