一种地外行星着陆装置的制作方法

1.本申请属于深空探测和航天器机构技术领域，具体涉及一种地外行星着陆装置。


背景技术：

2.地外天体的着陆与探测是航天研究领域的重要应用。由于为了到达地外天体需要摆脱地球引力，需要大量燃料，目前发射地外天体探测器的成本非常高昂。因此，人们在保证完成探测器基本功能的基础上，试图尽可能地减少发射负载和系统的组成器件。
3.从上世纪50
‑
60年代至今，人类已经向月球、金星、火星的天体发射了数十个着陆探测器。这些探测器主要分为固定式和移动式。固定式探测器以美国维京1号火星着陆器为代表，它采用4个固定三角支架实现稳定着陆，并通过一个长柄状机构进行土壤取样和探测，但是这类固定式探测器一旦降落后就无法移动，取样范围非常有限，且着陆机构没有主动自由度，无法适应崎岖地形。
4.移动式探测器以美国机遇号火星车和中国嫦娥三号月球着陆器为代表，由着陆器和移动探测器组成。着陆器在行星表面实现软着陆后，轮式移动探测器(如月球车、火星车等)可以在附近移动，并通过安装一个专门的机械臂进行取样和探测。这类探测器需要组装包括着陆器和移动探测器在内的多个系统，降低了整体可靠性，增加了发射负载，且轮式移动探测器难以跨越崎岖不平的地面。
5.如公开号为cn 110667893 a的中国发明专利，其公开了一种航天器六自由度主动着陆缓冲装置及控制方法，并具体公开了缓冲装置由平台、缓冲腿组成。平台连接3套状态一致的缓冲腿，同时承载航天器结构重量。缓冲腿具有3自由度。当航天器以任意姿态降落到崎岖地面时，缓冲装置根据航天器机身姿态、机身速度计算航天器机身所需缓冲力和力矩。上述现有方案虽然具有缓冲着陆和在不平地面的平衡能力，但是无法移动和行走。
6.公开号为cn 104943875 a的中国发明专利，其公开了一种可行走的月球软着陆机构。公开号为cn 105127975 a，其公开了一种具有着陆缓冲功能的行走机器人。上述两种方案均有平台和4组缓冲腿组成，缓冲腿具有三个主动自由度，分别由三个丝杠驱动，可以伸缩，实现腿末端在空间中的自由移动；通过末端传感器和身体姿态传感器，各腿可以调整身体姿态，并实现行走。但是，上述方案为实现对环境的取样，仍需要额外安装一套机械臂及其驱动元件，无法利用腿部已有的驱动机构，造成了驱动器件的冗余，增加了发射负载。
7.综上所述，在现有行星探测器方案中，着陆缓冲、行走装置不具有土壤取样功能，取样机构需要额外安装，造成了驱动器件的冗余，增加了发射负载，显著提高了发射成本。


技术实现要素：

8.针对上述现有技术的缺点或不足，本申请要解决的技术问题是提供一种地外行星着陆装置，其可实现行星探测器的主动缓冲、行走与月壤取样功能，通过多组腿式着陆行走机构实现探测器的软着陆和在不平地面上的稳定行走移动，扩大探测范围。同时，通过将取样机构集成在腿式着陆行走机构的末端，取消了以往探测器上额外所需的用于取样的机械
臂，从而降低发射载荷和发射成本。
9.为解决上述技术问题，本申请通过以下技术方案来实现：
10.本申请提出了一种地外行星着陆装置，包括：
11.探测器本体，
12.腿式着陆行走机构，其设置有多个，所述腿式着陆行走机构按照环形布设于所述探测器本体上；
13.取样机构，其设置有多个，所述取样机构转动连接于所述腿式着陆行走机构上。
14.可选地，上述的地外行星着陆装置，其中，所述腿式着陆行走机构包括：髋部连杆、大腿连杆以及小腿连杆，其中，所述髋部连杆通过第一转动组件与所述探测器本体连接，所述大腿连杆通过第二转动组件连接于所述髋部连杆，所述小腿连杆通过第三转动组件连接与所述大腿连杆。
15.可选地，上述的地外行星着陆装置，其中，所述第一转动组件包括：第一转动副以及第一伺服电机，通过所述第一转动副将所述髋部连杆与所述探测器本体转动连接，所述髋部连杆在所述第一伺服电机的驱动作用下可以绕第一转动副旋转。
16.可选地，上述的地外行星着陆装置，其中，所述第二转动组件包括：第二转动副以及第二伺服电机，通过所述第二转动副将所述大腿连杆转动连接于所述髋部连杆，所述大腿连杆在所述第二个伺服电机的驱动作用下可以绕所述第二转动副旋转。
17.可选地，上述的地外行星着陆装置，其中，所述第三转动组件包括：第三转动副以及第三伺服电机，通过所述第三转动副将所述小腿连杆转动连接于所述大腿连杆，并由所述第三伺服电机驱动使得所述小腿连杆可以绕膝关节转动并能够翻转。可选地，上述的地外行星着陆装置，其中，还包括：足尖，所述足尖与所述小腿连杆连接，所述足尖为球形、半球形或圆盘形等结构。
18.可选地，上述的地外行星着陆装置，其中，所述取样机构包括：铲子和收纳部，其中，所述铲子的承载部与所述收纳部连通设置。
19.可选地，上述的地外行星着陆装置，其中，所述取样机构通过第四转动组件转动连接在所述腿式着陆行走机构上。
20.可选地，上述的地外行星着陆装置，其中，所述第四转动组件包括：第四转动副以及第四伺服电机，所述取样机构通过所述第四转动副转动连接在所述腿式着陆行走机构上，并通过所述第四伺服电机驱动，使所述取样机构绕所述小腿连杆旋转。
21.所述探测器本体还设有样品收集部。
22.与现有技术相比，本申请具有如下技术效果：
23.本申请可以实现在崎岖不平地面上的软着陆和平台的姿态调整，可以利用在崎岖不平地面上行走，扩大探测范围；本申请上集成了取样机构，可以将腿当成臂使用，对行星土壤取样，取样范围大且灵活，结构轻巧紧凑，从而节约了额外的机械臂取样系统，降低了发射负载和成本。
24.本申请中每个腿式着陆行走机构有三个主动自由度，其可通过第一转动组件、第二转动组件以及第三转动组件实现，因此，所述腿式着陆行走机构的末端可以运动到工作空间内的三维空间任意一点。
25.本申请中的足尖具有各向同性，可以适应多种地形，并提供一定的缓冲和吸振功
能，同时可以增大与地面接触面积，减少着陆或行走时产生的下陷。
附图说明
26.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
27.图1：本申请一实施例地外行星着陆装置的结构示意图；
28.图2：本申请一实施例中腿式着陆行走机构的结构示意图；
29.图3：本申请一实施例中取样机构的结构示意图。
具体实施方式
30.下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
31.如图1所示，在本申请的其中一个实施例中，一种地外行星着陆装置，包括：
32.探测器本体10，
33.腿式着陆行走机构20，其设置有多个，所述腿式着陆行走机构20按照环形布设于所述探测器本体10上；
34.取样机构30，其设置有多个，所述取样机构30转动连接于所述腿式着陆行走机构20上。
35.本实施例实现行星探测器的主动缓冲、行走与土壤等取样功能，其通过多个腿式着陆行走机构20实现探测器的软着陆和在不平地面上的稳定行走移动，扩大探测范围；同时，通过将取样机构30集成在腿式着陆行走机构20上，取消了以往探测器上额外所需的用于取样的机械臂，从而降低发射载荷和发射成本。
36.其中，所述探测器本体10还设有样品收集部40。所述样品收集部40可以为框形、圆形等结构，用于接收取样机构30所挖取的土壤等样本。然后，探测器就可以使用所携带的各种分析仪器对土壤等样本进行分析。可选地，在本实施例中，所述探测器本体10上还可安装有姿态传感器、通讯元件、电源供应元件、推进装置或其他设备等。
37.在本实施例中，如图1和图2所示，所述腿式着陆行走机构20包括：髋部连杆21、大腿连杆22以及小腿连杆23，其中，所述髋部连杆21通过第一转动组件与所述探测器本体10连接，所述大腿连杆22通过第二转动组件连接于所述髋部连杆21，所述小腿连杆23通过第三转动组件连接与所述大腿连杆22。
38.可选地，在所述探测器本体10四周，成等角度均匀布置多个(，如可以是大于等于4个)所述腿式着陆行走机构20。每个腿式着陆行走机构20有三个主动自由度，具体地可通过上述的第一转动组件、第二转动组件以及第三转动组件实现，因此，所述腿式着陆行走机构20的末端可以运动到工作空间内的三维空间任意一点。
39.所述第一转动组件包括：第一转动副51以及第一伺服电机52，通过所述第一转动副51将所述髋部连杆21与所述探测器本体10转动连接，所述髋部连杆21在所述第一伺服电机52的驱动作用下可以绕第一转动副51旋转。
40.所述第二转动组件包括：第二转动副61以及第二伺服电机62，通过所述第二转动副61将所述大腿连杆22转动连接于所述髋部连杆21，所述大腿连杆22在所述第二个伺服电机的驱动作用下可以绕所述第二转动副61旋转。
41.所述第三转动组件包括：第三转动副71以及第三伺服电机72，通过所述第三转动副71将所述小腿连杆23转动连接于所述大腿连杆22，并由第三伺服电机72通过连杆或齿形带驱动，所述小腿连杆23可以绕膝关节转动并能够翻转实现奇异位形，即，大腿连杆22与小腿连杆23夹角为0
°
的位形。
42.可选地，本实施例还包括：足尖24，所述足尖24与所述小腿连杆23连接，所述足尖24为球形、半球形或圆盘形结构。该足尖24具有各向同性，可以适应多种地形，并提供一定的缓冲和吸振功能。同时可以增大与地面接触面积，减少着陆或行走时产生的下陷。其中，上述足尖24的具体结构仅为列举并不对本申请的保护范围造成限定，本领域技术人员有动机替换为其他形状的结构。
43.如图3所示，在本实施例中，所述取样机构30包括：铲子31和收纳部32，其中，所述铲子31的承载部与所述收纳部32连通设置。其中，所述铲子31用于铲取土壤等样品，铲取的样品可以暂时存储在所述收纳部32中。
44.可选地，所述取样机构30通过第四转动组件转动连接在所述腿式着陆行走机构20上。
45.其中，所述第四转动组件包括：第四转动副81以及第四伺服电机82，所述取样机构30通过所述第四转动副81转动连接在所述腿式着陆行走机构20上，并通过第四伺服电机82加以驱动，使取样机构30可以绕小腿连杆23旋转。当取样机构30转到与所述腿式着陆行走机构20的足尖24相同的方向时，铲子31位于足尖24的外侧，使其可以挖铲到土壤等样品。需要说明地是，取样机构30在旋转时，应避免与足尖24干涉。
46.可选地，在本实施中，取样机构30可安装在任意一个所述腿式着陆行走机构20上，设置数量不限。通常情况下，为了减少发射重量，安装1
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2个即可。
47.本实施例的工作原理如下所示：
48.1)着陆缓冲阶段：各腿式着陆行走机构20呈初始站立姿态，探测器本体10在目标位置上空关闭推进装置并自由下落。腿式着陆机构的足尖24接触行星表面后，电机驱动末端向上收缩，并施加缓冲所需的支撑力，最终实现软着陆。腿式着陆行走机构20根据探测器本体10上的姿态传感器数据控制各腿支撑力大小，调整身体姿态。此时，取样机构30收起，铲子31与足尖24的方向相反，让腿式着陆行走机构20的足尖24可以有效接触行星表面。
49.2)行走阶段：各腿式着陆行走机构20在一段时间内有序地依次抬起，并在前进方向上选择合理落脚点落下。探测器本体10的重心始终位于未抬起腿末端所形成的支撑多边形内部。通过此方式，可以实现探测器的行走移动。此时，取样机构30收起，铲子31与足尖24的方向相反，让腿式着陆行走机构20的足尖24可以有效接触行星表面。
50.3)取样阶段：取样机构30上的伺服电机转动，使铲子31与足尖24的方向相同。此时，控制腿式着陆行走机构20运动到取样目标附近，做挖铲运动，让铲子31可以挖铲到土壤。然后，取样机构30上的第四伺服电机82转动使收纳部32开口向上，让铲子31中的土壤可以在星球重力的作用下落入收纳部32中，完成取样。
51.4)样本转移阶段：控制腿式着陆行走机构20的大腿连杆22抬起，小腿连杆23绕第
三转动副71转动并翻转。此时，通过控制取样机构30上的第四伺服电机82，让取样机构30的收纳部32开口始终向上，保证土壤等样本不撒落。最后，控制腿式着陆行走机构20运动到探测器本体10上方的样品收集部40附近，再次转动取样机构30上的第四伺服电机82，将其收纳部32中的土壤等样本倒入样品收集部40内，完成样本转移。
52.在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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在本申请中的具体含义。
53.在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
54.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
55.以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限定，参照较佳实施例对本申请进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围，均应涵盖在本申请的权利要求范围内。