專利名稱：仿生螻蛄機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種可在土中自行行走的仿生螻蛄機器人。
背景技術：
對于地下管線的鋪設，從20世紀70年代起，在西方發(fā)達國家中開始推廣應用非開挖技術。這項技術可以在少量開挖地表的條件下探測、檢查、修復、更新和鋪設管道、線纜等多種地下設施。與開挖法地下管線施工相比，非開挖法具有不影響交通、不污染環(huán)境等優(yōu)點，并且在許多情況下比開挖法施工周期短、成本低。非開挖技術包括定向鉆進、沖擊矛、微型隧道、水平螺旋鉆、夯管錘等各種非開挖鋪管技術以及各種各樣的非開挖管道修復及探測技術。目前國內(nèi)外在小直徑管道的開挖和鋪設的設備大多采用液壓或氣壓沖擊式驅動。但液壓或氣動沖擊機構要求嚴格的動密封，還需要體積較大的陸上空壓或液壓動力源及供氣或供液管線，并且在曲線鉆進時曲線的曲率半徑較大?？蓞㈤喢蠎c鑫等在2003年第三期哈爾濱工程大學學報發(fā)表的《“穿地龍”機器人總體方案分析與研究》。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種可在土中自行行走的仿生螻蛄機器人。該機器人根據(jù)仿生原理設計，可以在一定深度的土層中，按預定設計的軌跡前進，行進中可以改變方向繞過障礙物，到達預定位置。它主要能夠實現(xiàn)PE或PVC管、電纜、光纜等管線的地下非開挖鋪設。
仿生螻蛄機器人總體結構如圖1、圖2所示帶動前爪實現(xiàn)挖掘動作的前爪曲柄搖桿機構(1)、實現(xiàn)驅動輸出轉向的錐齒輪組(2)、三個直流電機(3)、帶動后爪實現(xiàn)蹬土動作的后爪曲柄搖桿機構(4)、向前挖掘的前爪(5)、為機器人提供推力和轉彎力的后爪(6)、與后基架一起完成支撐和固定功能的前基架(7)、后基架(8)、外殼(9)、控制部分(10)、防止機器人前進過程中倒退的支撐體(11)、支撐外衣的膠皮(12)、由彈性布料制成起密封作用的外衣(13)、連接直流電機(3)的輸出軸與錐齒輪組(2)的聯(lián)軸器(14)、為錐齒輪提供轉軸的齒輪軸(15)、存放纜線的儲纜箱(16)；其中控制部分(10)與三個直流電機(3)之間為電連接，直流電機(3)輸出軸與聯(lián)軸器(14)之間使用銷連接，聯(lián)軸器(14)與錐齒輪組(2)之間使用鍵連接，齒輪軸(15)與錐齒輪組(2)之間使用卡簧限位連接，齒輪軸(15)與前基架(7)、后基架(8)之間是過盈固連，前后爪曲柄搖桿機構(1)和(4)的兩支點分別固連于前后基架(7)、(8)和錐齒輪組(2)上，前后爪曲柄搖桿機構(1)和(4)與前后爪(5)和(6)使用螺栓連接，前基架(7)、后基架(8)、控制部分(10)、和支撐體(11)分別固連于外殼(9)，膠皮(12)固連于前后爪(5)和(6)支撐外衣(13)，儲纜箱(16)固連于支撐體(11)內(nèi)部。
本發(fā)明根據(jù)仿生原理設計。主體由前基架(7)和后基架(8)連接的前后三個直流電機(3)及其分別驅動的兩組前后爪曲柄搖桿機構(1)、(4)構成，呈管狀結構。前后爪(5)和(6)分別位于主體的前部和中部，這樣的布置有利于機器人整體的靈活運動。它們由前后爪曲柄搖桿機構(1)、(4)帶動，由直流電機(3)驅動作“D”字形軌跡運動。前爪曲柄搖桿機構(1)由同一直流電機(3)驅動，主要完成向前挖土的功能。兩個后爪曲柄搖桿機構(4)分別由另兩個直流電機(3)驅動，為機器人前進提供驅動力，并且可以通過左右兩個后爪曲柄搖桿機構(4)的轉速差提供轉向力?？刂撇糠?10)嵌入于機器人的后部，主要用于控制其前后爪曲柄搖桿機構(1)、(4)的配合以及運動方向。密封采用膠皮(12)與彈性外衣(13)包住機身。
本發(fā)明體積較小，避免了挖掘過程中的不必要的破壞，挖掘效率較高；其管狀身體使阻力減小，利于在土中前進；爪部用易于實現(xiàn)的曲柄搖桿機構模仿螻蛄挖土的動作特點“D”字形動作軌跡，扒土時力最大，回程時速度快，這保證了掘進的高效；爪式撥土將驅動和挖掘統(tǒng)一起來，節(jié)省功耗；前后爪(5)和(6)的配合動作使挖掘前進更順利。


圖1仿生螻蛄機器人總體裝配俯視2仿生螻蛄機器人總體裝配側視3仿生螻蛄機器人直流電機驅動電路原理4仿生螻蛄機器人直流電機控制電路原理5仿生螻蛄機器人總體控制電路原理圖具體實施方式
下面給出本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，并結合附圖加以說明。
仿生螻蛄機器人總體結構如圖1，圖2所示由同一直流電機(3)帶動的兩組比例為3.6∶8∶5∶10的曲柄搖桿機構(1)、實現(xiàn)驅動的輸出轉向的鋼制錐齒輪組(2)、輸出力矩50N/m，驅動電壓24V的直流電機(3)、由兩個相同直流電機(3)分別驅動兩組比例均為1.8∶5.7∶3.6∶6的曲柄搖桿機構(4)、鋼制前爪(5)、鋼制后爪(6)、硬質鋁前基架(7)、硬質鋁后基架(8)、硬質鋁合金外殼(9)、包括電機驅動、電機控制、總體控制電路的控制部分(10)、由塑料制作的支撐體(11)、支撐外衣的膠皮(12)、由彈性布料制成起密封作用的外衣(13)、連接直流電機(3)輸出軸與錐齒輪組(2)的硬質鋁聯(lián)軸器(14)、為兩個錐齒輪提供轉軸的鋼制齒輪軸(15)、存放纜線的儲纜箱(16)。仿生螻蛄機器人體長545mm，最大直徑98mm，殼體直徑57mm，前端錐角50°。
本發(fā)明根據(jù)仿生原理，設計的機構符合螻蛄的運動特點，既簡單又高效。通過預設程序調整前后爪的配合，本機器人可在較軟土層中快速挖掘前進；可根據(jù)土質不同調節(jié)其挖掘速度，使其達到最好挖掘效果；本機器人還可攜帶有效載荷，到達預定位置，完成預定任務。
本發(fā)明的工作過程，首先要對挖掘的土質及挖掘路線上的障礙情況進行了解，估算機器人在該土層中的挖掘速度和轉彎最小曲率半徑，然后根據(jù)估算結果設計挖掘軌跡并以程序的形式輸入到仿生螻蛄機器人的控制部分(10)。在預定挖掘軌跡的起始點和終止點用其它方法挖掘到仿生螻蛄機器人工作深度，將仿生螻蛄機器人放入起始點工作深度的土層中，并接入24V外部直流電源。控制部分(10)按照預先編寫的程序向三個直流電機(3)發(fā)出電壓信號，控制直流電機(3)通過聯(lián)軸器(14)帶動錐齒輪組(2)轉動，錐齒輪組(2)通過前后爪曲柄搖桿機構(1)和(4)帶動前后爪(5)和(6)完成挖掘和推動動作。當轉彎時，控制部分(10)控制后部的兩個直流電機(3)產(chǎn)生轉速差，使兩個后爪(6)產(chǎn)生不同的推進力，使身體轉向。仿生螻蛄機器人便可以按照設定軌跡從終止點的同一深度鉆出。
仿生螻蛄機器人在許多領域具有廣泛的應用前景地下電纜電線及管道鋪設、管道疏通等。本發(fā)明在城市建設和科學研究中扮演重要角色，其高效性與低破壞性都是現(xiàn)有的隧道挖掘機所不可比擬的。
權利要求
1.一種仿生螻蛄機器人，其特征在于其結構包括前爪曲柄搖桿機構(1)、錐齒輪組(2)、直流電機(3)、后爪曲柄搖桿機構(4)、前爪(5)、后爪(6)、前基架(7)、后基架(8)、外殼(9)、控制部分(10)、支撐體(11)、膠皮(1 2)、外衣(13)、聯(lián)軸器(14)、齒輪軸(15)、儲纜箱(16)；其中控制部分(10)與三個直流電機(3)之間為電連接，直流電機(3)輸出軸與聯(lián)軸器(14)之間使用銷連接，聯(lián)軸器(14)與錐齒輪組(2)之間使用鍵連接，齒輪軸(15)與錐齒輪組(2)之間使用卡簧限位連接，齒輪軸(15)與前基架(7)、后基架(8)之間是過盈固連，前后爪曲柄搖桿機構(1)和(4)的兩支點分別固連于前后基架(7)、(8)和錐齒輪組(2)上，前后爪曲柄搖桿機構(1)和(4)與前后爪(5)和(6)使用螺栓連接，前基架(7)、后基架(8)、控制部分(10)、和支撐體(11)分別固連于外殼(9)，膠皮(12)固連于前后爪(5)和(6)并支撐外衣(13)，儲纜箱(16)固連于支撐體(11)內(nèi)部。
全文摘要
本發(fā)明提供一種仿生螻蛄機器人，其結構包括由曲柄搖桿機構實現(xiàn)的仿生挖掘及其直流電機驅動部分、操縱機器人行走的控制部分、密封部分及支撐部分。仿生螻蛄機器人可以在一定深度的土層中按預定軌跡自動行走，繞過障礙物，到達預定位置。其優(yōu)點是根據(jù)仿生原理設計、體積小、運動相對靈活、效率較高?？捎糜趯崿F(xiàn)它主要能夠實現(xiàn)PE或PVC管、電纜、光纜等管線的地下非開挖鋪設和疏通。
文檔編號B25J13/00GK1743142SQ200510010008
公開日2006年3月8日 申請日期2005年5月20日 優(yōu)先權日2005年5月20日
發(fā)明者陳東良, 徐明道, 徐鵬, 趙有金, 姜輝 申請人:哈爾濱工程大學