本發(fā)明屬于機(jī)器人領(lǐng)域，具體地說是一種啄取采樣機(jī)器人。

背景技術(shù)：

在近幾十年中，隨著航天科技的發(fā)展，各國的航天活動日益頻繁，深空探測已引起美國、歐洲和日本等國的極大關(guān)注，各國紛紛制定自己的發(fā)展規(guī)劃。為了進(jìn)一步了解地球發(fā)展，考察探索太陽系，人類需對深空進(jìn)行探測。深空探測分為不同的階段，從小到大主要有月球探測、行星探測、行星際探測和星際探測。通過深空探測，能幫助人類研究太陽系及宇宙的起源和發(fā)展，進(jìn)一步了解地球環(huán)境的演變，認(rèn)識地球自然系統(tǒng)和空間現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)。然而，在深空探測的領(lǐng)域，我國與世界強(qiáng)國仍有很大差距，必須加快研究步伐。從現(xiàn)實(shí)和長遠(yuǎn)來看，對深空的探測和開發(fā)都具有十分重要的科學(xué)和經(jīng)濟(jì)意義。

為了進(jìn)一步探測外太空，我國須借助采樣技術(shù)從地外星體上取回樣本，并在地面實(shí)驗(yàn)室對地外星體環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造、礦物成分等眾多方面進(jìn)行研究。采樣研究是這些地外星體探測的重要一環(huán)，也是開展探測的主要目的之一。采樣裝置的研究設(shè)計(jì)是探測過程中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，空間采樣系統(tǒng)要求采樣機(jī)構(gòu)空間尺寸緊湊、采樣效率高，能夠適應(yīng)地外星體表面低重力、強(qiáng)輻射及晝夜溫差大等特點(diǎn)；因此，研究新型的地外星體表層采樣機(jī)構(gòu)具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了滿足研究新型地外星體表層取樣的要求，本發(fā)明的目的在于提供一種啄取采樣機(jī)器人。該啄取采樣機(jī)器人采用基于啄木鳥的仿生采樣機(jī)構(gòu)，能夠?qū)r石和沙土進(jìn)行采樣。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明包括頭部、頸部、俯仰關(guān)節(jié)、回轉(zhuǎn)臺、回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、前車輪架、車輪、后車輪架及車身，其中回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)安裝在車身內(nèi)，所述回轉(zhuǎn)臺的一端與該回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接，另一端安裝有所述俯仰關(guān)節(jié)，所述頸部的一端與俯仰關(guān)節(jié)相連，另一端轉(zhuǎn)動安裝有所述頭部；所述車身的兩側(cè)分別設(shè)有前車輪架及后車輪架，兩側(cè)的所述前車輪架均與車身轉(zhuǎn)動連接，兩側(cè)的所述后車輪架均固接在所述車身上，所述前車輪架及后車輪架上均轉(zhuǎn)動安裝有車輪；所述頭部、頸部、俯仰關(guān)節(jié)及回轉(zhuǎn)臺均 通過回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)帶動轉(zhuǎn)動，所述頭部及頸部通過俯仰關(guān)節(jié)帶動往復(fù)俯仰擺動，所述頭部的一端為敲擊端，另一端為啄擊端，由所述頸部的舵機(jī)a通過傳動機(jī)構(gòu)a驅(qū)動轉(zhuǎn)換。

其中：所述頭部一端的敲擊端為用于敲擊的圓柱平頭，另一端的啄擊端為用于啄擊的四棱錐形狀，該四棱錐的任一側(cè)面上開有用于取樣的凹槽；所述頸部包括頸部安裝箱、舵機(jī)a及傳動機(jī)構(gòu)a，該頸部安裝箱的一端與所述俯仰關(guān)節(jié)相連，另一端與所述頭部轉(zhuǎn)動連接，所述舵機(jī)a安裝在頸部安裝箱內(nèi)，通過所述傳動機(jī)構(gòu)a與頭部相連，通過該舵機(jī)a驅(qū)動所述頭部在敲擊端與啄擊端之間轉(zhuǎn)換；

所述俯仰關(guān)節(jié)包括舵機(jī)b、關(guān)節(jié)內(nèi)殼、關(guān)節(jié)外殼及傳動機(jī)構(gòu)b，該關(guān)節(jié)內(nèi)殼安裝在所述回轉(zhuǎn)臺上，所述關(guān)節(jié)外殼位于關(guān)節(jié)內(nèi)殼的外圍，一端與該關(guān)節(jié)內(nèi)殼轉(zhuǎn)動連接，另一端與所述回轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動連接，且所述關(guān)節(jié)外殼的另一端與所述頸部的一端相連；所述舵機(jī)b安裝在關(guān)節(jié)內(nèi)殼內(nèi)，輸出軸通過所述傳動機(jī)構(gòu)b與關(guān)節(jié)外殼相連接，通過所述關(guān)節(jié)外殼帶動頸部及頭部往復(fù)俯仰擺動；所述傳動機(jī)構(gòu)b包括內(nèi)齒輪a及外齒圈a，該內(nèi)齒輪a與所述舵機(jī)b的輸出軸相連，所述外齒圈a安裝在所述關(guān)節(jié)外殼另一端的內(nèi)表面，并與所述內(nèi)齒輪a嚙合傳動；所述回轉(zhuǎn)臺包括底板及分別安裝在該底板兩側(cè)的側(cè)板a、側(cè)板b，該底板安裝在所述回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上，所述關(guān)節(jié)內(nèi)殼固接在側(cè)板b上，所述關(guān)節(jié)外殼的另一端與所述側(cè)板a轉(zhuǎn)動連接；

所述回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)包括舵機(jī)c、關(guān)節(jié)內(nèi)套、關(guān)節(jié)外套及傳動機(jī)構(gòu)c，該關(guān)節(jié)內(nèi)套安裝在所述車身上，所述關(guān)節(jié)外套位于關(guān)節(jié)內(nèi)套的外圍，并與該關(guān)節(jié)內(nèi)套轉(zhuǎn)動連接，所述回轉(zhuǎn)臺的一端安裝在該關(guān)節(jié)外套上；所述舵機(jī)c安裝在關(guān)節(jié)內(nèi)套內(nèi)，輸出軸通過所述傳動機(jī)構(gòu)c與關(guān)節(jié)外套相連接，通過所述關(guān)節(jié)外套帶動回轉(zhuǎn)臺、俯仰關(guān)節(jié)、頸部及頭部轉(zhuǎn)動；所述傳動機(jī)構(gòu)c包括內(nèi)齒輪b及外齒圈b，該內(nèi)齒輪b與所述舵機(jī)c的輸出軸相連，所述外齒圈b安裝在所述關(guān)節(jié)外套的內(nèi)表面，并與所述內(nèi)齒輪b嚙合傳動；

所述車輪包括舵機(jī)d、輪體、軸承蓋及輸出軸，該舵機(jī)d安裝在前車輪架或后車輪架的內(nèi)側(cè)，所述輪體轉(zhuǎn)動安裝在所述前車輪架或后車輪架的外側(cè)，所述輸出軸的一端與舵機(jī)d的輸出軸相連，另一端通過軸承蓋與所述輪體連接，所述輪體通過舵機(jī)d的驅(qū)動轉(zhuǎn)動；所述前車輪架呈倒置的“v”字形，該“v”字形開口兩端均安裝有所述車輪，所述后車輪架的一端固接在車身上，另一端安裝有所述車輪；所述輪體的外圓周表面為凹槽式履刺結(jié)構(gòu)，即該輪體的外圓周表面均布有多個履刺，相鄰履刺之間形成凹槽。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與積極效果為：

1.本發(fā)明采用基于啄木鳥的仿生采樣機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生的沖擊力大，可靠性強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)對高硬度巖石的開采。

2.本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、新穎，整個機(jī)器人共有三個關(guān)節(jié)(回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、俯仰關(guān)節(jié)、頸部的舵機(jī)帶動頭部)，進(jìn)行采樣時僅需控制一個關(guān)節(jié)，采樣精確度高。

3.本發(fā)明利用頭部凹槽采樣，方式簡單，易于控制，采樣效率高。

4.本發(fā)明的車輪表面采用凹槽式履刺，可限制沙土的側(cè)向流動而使?fàn)恳侍岣?，增加與接觸面摩擦力，實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)移動。

5.本發(fā)明的前車輪架為隨動系統(tǒng)，可適應(yīng)上坡、下坡、障礙物多種路況；后車輪架固定于車身上，使啄取時車體保持穩(wěn)定。

6.本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，外觀小巧，重量輕，功耗小。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)左視圖；

圖2為本發(fā)明車身內(nèi)部的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)后視圖；

圖4為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖5為本發(fā)明頸部的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明俯仰關(guān)節(jié)及回轉(zhuǎn)臺的剖面圖；

圖7為本發(fā)明回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的剖面圖；

圖8為本發(fā)明車輪及后車輪架的剖面圖；

其中：1為頭部，2為頸部，3為俯仰關(guān)節(jié)，4為回轉(zhuǎn)臺，5為回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，6為前車輪架，7為車輪，8為后車架，9為車身，10為舵機(jī)，11帶傳動機(jī)構(gòu)，12為舵機(jī)，13為軸承，14為關(guān)節(jié)外殼，15為關(guān)節(jié)內(nèi)殼，16為外齒圈，17為內(nèi)齒輪，18為軸承，19為側(cè)板，20為底板，21為側(cè)板，22為關(guān)節(jié)外套，23為外齒圈，24為軸承，25為關(guān)節(jié)內(nèi)套，26為舵機(jī)，27為內(nèi)齒輪，28為輪體，29為軸承蓋，30為輸出軸，31為軸承，32為舵機(jī)，33為卡簧，34為頸部安裝箱，35為背板，36為車身側(cè)板，37為后板。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。

如圖1～4所示，本發(fā)明包括頭部1、頸部2、俯仰關(guān)節(jié)3、回轉(zhuǎn)臺4、回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)5、前車輪架6、車輪7、后車輪架8及車身9，其中回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)5安裝在車身9內(nèi)，回轉(zhuǎn)臺4的一端與該回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)5連接，另一端安裝有俯仰關(guān)節(jié)3，頸部2的一端與俯仰關(guān)節(jié)3相連，另一端轉(zhuǎn)動安裝有頭部1。車身9的兩側(cè)分別設(shè)有前車輪架6及后車輪架8， 兩側(cè)的前車輪架6均與車身9轉(zhuǎn)動連接，兩側(cè)的后車輪架8均固接在車身9上，前車輪架6及后車輪架8上均轉(zhuǎn)動安裝有車輪7。前車輪架6為隨動系統(tǒng)(即可相對車身9轉(zhuǎn)動)，增加啄取采樣機(jī)器人的爬坡和越障能力，后車輪架8固定在車身9上，使啄取采樣機(jī)器人工作時更為穩(wěn)定。本發(fā)明的車輪7共六個，車身9的兩側(cè)各有三個；前車輪架6呈倒置的“v”字形，該“v”字形開口兩端均安裝車輪7，后車輪架7的一端固接在車身9上，另一端安裝車輪7。頭部1、頸部2、俯仰關(guān)節(jié)3及回轉(zhuǎn)臺4均通過回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)5帶動轉(zhuǎn)動，頭部1及頸部2通過俯仰關(guān)節(jié)3帶動往復(fù)俯仰擺動。頭部1的一端為敲擊端，該敲擊端為圓柱平頭，用來實(shí)現(xiàn)敲擊功能，可在采樣過程中對較堅(jiān)硬巖石樣本進(jìn)行敲擊；頭部1的另一端為啄擊端，該啄擊端為四棱錐形狀，并在四棱錐的任一側(cè)面上開有凹槽，可利用錐尖對巖石表面進(jìn)行啄擊，也可插入沙土進(jìn)行挖掘采樣。

回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)5安裝在車身9的一端，車身9的另一端(即車身9背部)利用后板37、兩側(cè)的車身側(cè)板36及傾斜的背板35形成了承裝樣品的斗。

如圖5所示，頸部2為中空的箱型結(jié)構(gòu)，包括頸部安裝箱34、舵機(jī)a10及傳動機(jī)構(gòu)a，該頸部安裝箱34的一端與俯仰關(guān)節(jié)3相連，另一端與頭部1轉(zhuǎn)動連接，舵機(jī)a10安裝在頸部安裝箱34內(nèi)，通過傳動機(jī)構(gòu)a與頭部1相連。本實(shí)施例的傳動機(jī)構(gòu)a為帶傳動機(jī)構(gòu)11，舵機(jī)a10的輸出軸上連接有帶輪a，頸部安裝箱34的另一端設(shè)有帶輪b，帶輪a與帶輪b通過皮帶相連；帶輪b的輪軸轉(zhuǎn)動安裝在頸部安裝箱34的另一端，頭部1與帶輪b的輪軸連動，進(jìn)而通過舵機(jī)a10驅(qū)動頭部1轉(zhuǎn)動、在敲擊端與啄擊端之間轉(zhuǎn)換。

如圖6所示，回轉(zhuǎn)臺4包括底板20及分別固定在底板20兩側(cè)的側(cè)板a19、側(cè)板b21，底板20固接在回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)5上。

俯仰關(guān)節(jié)3包括舵機(jī)b12、關(guān)節(jié)內(nèi)殼15、關(guān)節(jié)外殼14及傳動機(jī)構(gòu)b，該關(guān)節(jié)內(nèi)殼15固接在側(cè)板b21上，關(guān)節(jié)外殼14位于關(guān)節(jié)內(nèi)殼15的外圍，一端通過軸承a13與關(guān)節(jié)內(nèi)殼15轉(zhuǎn)動連接，另一端通過軸承b18與側(cè)板a19轉(zhuǎn)動連接，且關(guān)節(jié)外殼14的另一端與頸部安裝箱34的一端固連。關(guān)節(jié)內(nèi)殼15和關(guān)節(jié)外殼14之間由軸承a13支撐，軸承a13內(nèi)圈與關(guān)節(jié)內(nèi)殼15配合，外圈與關(guān)節(jié)外殼14配合；關(guān)節(jié)外殼14與側(cè)板a19之間由軸承b18支撐，軸承b18內(nèi)圈與關(guān)節(jié)外殼14配合，外圈與側(cè)板a19配合。這樣使頸部2和回轉(zhuǎn)臺4由俯仰關(guān)節(jié)3連接形成轉(zhuǎn)動副。舵機(jī)b12安裝在關(guān)節(jié)內(nèi)殼15內(nèi)，輸出軸通過傳動機(jī)構(gòu)b與關(guān)節(jié)外殼14相連接，通過關(guān)節(jié)外殼14帶動頸部2及頭部1 往復(fù)俯仰擺動。本實(shí)施例的傳動機(jī)構(gòu)b包括內(nèi)齒輪a17及外齒圈a16，該內(nèi)齒輪a17與舵機(jī)b12的輸出軸相連，外齒圈a16安裝在關(guān)節(jié)外殼14另一端的內(nèi)表面，并與內(nèi)齒輪a17嚙合傳動，利用內(nèi)齒輪17和外齒圈16的嚙合將舵機(jī)b12的動力傳遞給關(guān)節(jié)外殼14，進(jìn)而傳遞給頸部2。

如圖7所示，回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)5包括舵機(jī)c26、關(guān)節(jié)內(nèi)套25、關(guān)節(jié)外套22及傳動機(jī)構(gòu)c，該關(guān)節(jié)內(nèi)套25固接在車身9上，關(guān)節(jié)外套22位于關(guān)節(jié)內(nèi)套25的外圍，并通過軸承c24與關(guān)節(jié)內(nèi)套25轉(zhuǎn)動連接，回轉(zhuǎn)臺4的一端固定在該關(guān)節(jié)外套22上。關(guān)節(jié)內(nèi)套25和關(guān)節(jié)外套22之間由軸承c24支撐，這樣使回轉(zhuǎn)臺4和車身9之間由回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)5連接形成轉(zhuǎn)動副。舵機(jī)c26安裝在關(guān)節(jié)內(nèi)套25內(nèi)，輸出軸通過傳動機(jī)構(gòu)c與關(guān)節(jié)外套22相連接，通過關(guān)節(jié)外套22帶動回轉(zhuǎn)臺4、俯仰關(guān)節(jié)3、頸部2及頭部1轉(zhuǎn)動。本實(shí)施例的傳動機(jī)構(gòu)c包括內(nèi)齒輪b27及外齒圈b23，該內(nèi)齒輪b27與舵機(jī)c26的輸出軸相連，外齒圈b23安裝在關(guān)節(jié)外套25的內(nèi)表面，并與內(nèi)齒輪b27嚙合傳動，利用內(nèi)齒輪27b和外齒圈b23的嚙合將舵機(jī)c26的動力傳遞給回轉(zhuǎn)臺4。

如圖8所示，車輪7包括舵機(jī)d32、輪體28、軸承蓋29、輸出軸30、軸承d31及卡簧33，該舵機(jī)d32通過機(jī)架固定在前車輪架6或后車輪架8的內(nèi)側(cè)，輪體28通過軸承d31轉(zhuǎn)動安裝在前車輪架6或后車輪架8的外側(cè)；輸出軸30的一端與舵機(jī)d32的輸出軸固接，另一端與軸承蓋29固接。輪體28與前車輪架6或后車輪架8之間由軸承d31支撐，軸承d31的內(nèi)圈與前車輪架6或后車輪架8配合，外圈與輪體28配合。輪體28與軸承蓋29固連，舵機(jī)d32輸出的動力通過輸出軸30傳遞給軸承蓋29，進(jìn)而傳遞給輪體28，給啄取采樣機(jī)器人提供行進(jìn)動力。輪體28的外圓周表面為凹槽式履刺結(jié)構(gòu)，即該輪體28的外圓周表面均布有多個履刺，相鄰履刺之間形成凹槽；凹槽式履刺結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)增加了與接觸面的摩擦力，實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)移動。

車身9的內(nèi)部布置有主電路板、電池及線路，電池通過線路與各個舵機(jī)電連接。

本發(fā)明的工作原理為：

由電池為車輪7上的舵機(jī)d32供電，并通過主電路板對舵機(jī)d32的轉(zhuǎn)速加以控制，以實(shí)現(xiàn)啄取采樣機(jī)器人的直行與轉(zhuǎn)彎，到達(dá)采樣地點(diǎn)后停止行走。由電池為回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4的舵機(jī)c26供電，使回轉(zhuǎn)臺4帶動頸部2轉(zhuǎn)動至待開采樣本所在方向；為頸部2的舵機(jī)a10供電，使頭部1四棱錐的尖端所指方向垂直于頸部2方向向前(或向后)，然后為俯仰關(guān)節(jié)3的舵機(jī)b12供電，使頸部2帶動頭部1對樣品進(jìn)行啄 擊(或敲擊)。對于采集沙土樣本，可利用頸部2的舵機(jī)a10和俯仰關(guān)節(jié)3的舵機(jī)b12配合轉(zhuǎn)動，進(jìn)行挖掘采樣。而后利用頸部2的舵機(jī)a10和俯仰關(guān)節(jié)3的舵機(jī)b12配合轉(zhuǎn)動，將采集的樣品卸入車身9背部的斗中。

本發(fā)明通過按照不同的方案來驅(qū)動俯仰關(guān)節(jié)、回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)及運(yùn)動副實(shí)現(xiàn)直行、轉(zhuǎn)向、啄取樣本及收集樣本的采樣工作。