專利名稱：一種仿蚯蚓鉆地機器人的制作方法
一種仿蚯蚓鉆地機器人技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于仿生機器人領(lǐng)域，涉及一種能夠在泥土中爬行的鉆地機器人。
技術(shù)背景
礦產(chǎn)預測、礦產(chǎn)普查、地質(zhì)調(diào)查等是國土開發(fā)、整治、規(guī)劃的重要依據(jù)。目前，上述工作主要是通過搭建大型鉆塔進行鉆探來完成，這種做法需要大型設備，地質(zhì)調(diào)查成本高。 另一方面，我國是多地震國家，尤其是近年來，多次遭受強烈地震，對我們的生命、財產(chǎn)造成了巨大損失。目前的地震搜救主要依靠聲波(振動)、雷達微波生命探測器、搜救犬等，但是搜救的效果不是很理想。再者，我國礦難事故時有發(fā)生。過去我們搶救井下事故是通過坑口向出事地點沿著巷道平行推進救援，現(xiàn)在我們采用“垂直鉆井救援”技術(shù)，但這種做法同樣需要大型設備，救援成本高。綜上所述，客觀上需要一種簡便易行的新方法來完成上述任務。
機器人作為信息技術(shù)和先進制造技術(shù)的典型代表，已成為世界各國競相發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域，而地下鉆探機器人更是近年來國內(nèi)外研究的熱點。此前國內(nèi)已經(jīng)研制出用于地下鋪管的非開挖“穿地龍”特種作業(yè)機器人和用于海底沉船打撈的拱泥機器人，此類機器人一般用液動或氣動的方式驅(qū)動拱泥頭做往復式?jīng)_擊運動，將前方泥土沖出一定長度的孔洞， 但能耗高、控制系統(tǒng)復雜。日本開發(fā)出一種用于地質(zhì)勘測的小型鉆掘機器人“Digbot”，該機器人采用“雙重反轉(zhuǎn)鉆頭”的設計，可以消除鉆土過程中的阻力矩，機器人后部采用電磁螺線管提供前進推力，但該方法提供的推力有限，且不具備轉(zhuǎn)向功能。美國發(fā)明了一種自推進深孔鉆進設備，分為前、后兩節(jié)，模仿尺蠖鉆掘爬行，主要用于地外行星的表面探測，但該機器人結(jié)構(gòu)復雜，制造成本高，不適合大批量生產(chǎn)應用。地下土壤環(huán)境復雜，對機器人的性能要求高，因此，盡管國內(nèi)外研究鉆地機器人多年，大多數(shù)仍處于實驗室研究階段。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種仿蚯蚓鉆地機器人，不僅能在泥土中前進，還能自由轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)礦藏探索，地質(zhì)勘探和地震、礦難救援。一般鉆孔的直徑可為100 600mm，鉆孔深度可達20 100m。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為一種在泥土中爬行的仿蚯蚓鉆地機器人，由頭部、前體節(jié)、后體節(jié)、螺旋桿四部分組成，包括鉆、排土，驅(qū)動，探測、控制三大模塊。鉆、排土模塊實現(xiàn)土壤的切削和輸送；驅(qū)動模塊實現(xiàn)機體的運動，包括前進、轉(zhuǎn)向兩個動作；探測、控制模塊實現(xiàn)機器人周圍環(huán)境的探測并控制驅(qū)動模塊，從而實現(xiàn)理想的運動方式。
所述鉆、排土模塊包括圓錐形鉆頭、電機、螺旋桿三部分。所述電機具有雙輸出軸， 通過聯(lián)接銷分別連接圓錐形鉆頭和螺旋桿。電機外部焊有輻板，所述輻板與前體節(jié)左端板螺栓聯(lián)接。所述螺旋桿由一對吊軸承固定，所述吊軸承通過螺栓固定在前、后體節(jié)內(nèi)殼體端部的平臺上。
所述驅(qū)動模塊包括前、后體節(jié)兩部分，體節(jié)之間通過軸向伸縮機構(gòu)相連。所述前體節(jié)由內(nèi)、外殼體兩部分組成，所述外殼體周向均布徑向脹縮機構(gòu)，所述內(nèi)殼體右半部分周向均布導軌，左半部分端部焊有平臺，所述平臺設有螺紋孔。所述外殼體與內(nèi)殼體通過左、右端板固聯(lián)，所述左端板設有螺紋孔，所述右端板設有通孔。同理，后體節(jié)也由內(nèi)、外兩殼體組成。所述外殼體周向均布3個徑向脹縮機構(gòu)，所述內(nèi)殼體周向均布3個凹槽，與導軌相配合， 內(nèi)殼體端部焊有平臺，所述平臺設有螺紋孔。所述外殼體與內(nèi)殼體通過左、右端板固聯(lián)，所述左端板設有螺紋孔。
所述探測、控制模塊包括陀螺儀、電路板、探測裝置三部分。所述陀螺儀和電路板安裝在后體節(jié)右端板內(nèi)側(cè)，所述探測裝置安裝在前體節(jié)左端板內(nèi)側(cè)。
所述圓錐形鉆頭采用中空的特殊設計，將切削得到的土屑通過螺旋桿排出體外。 考慮到土壤中石礫的存在，鉆頭后方可添加破碎機構(gòu)，以限制顆粒直徑。所述螺旋桿的排土形式為內(nèi)排土。
所述徑向脹縮機構(gòu)由支撐足、絲杠、電機三部分組成。所述支撐足與絲杠螺紋聯(lián)接，所述絲杠與電機銷聯(lián)接，所述電機與內(nèi)殼體表面螺栓聯(lián)接。所述軸向伸縮機構(gòu)由一對絲杠螺母機構(gòu)組成，所述絲杠螺母機構(gòu)包括絲杠和電機兩部分，所述絲杠與電機銷聯(lián)接，所述電機與右端板內(nèi)壁螺栓聯(lián)接。
所述徑向脹縮機構(gòu)可采用曲柄滑塊機構(gòu)或支撐氣囊的形式。所述支撐足側(cè)面有小凸塊，外殼體壁上有對應凹槽，利于支撐足的徑向伸縮。所述支撐足周圍和前、后體節(jié)之間均附有防塵罩。
此外，機器人尾部拖有纜線，所述纜線通過卷筒不斷釋放，并與地表的電源、計算機控制系統(tǒng)相連，實現(xiàn)機器人的持續(xù)鉆進和實時控制。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于
1、利用仿生學原理，采用雙體節(jié)設計，通過前、后體節(jié)的運動配合，使其能夠像蚯蚓一樣在泥土中蠕動爬行，實現(xiàn)前進、自由轉(zhuǎn)向。
2、可安裝傳感器、微型CCD攝像機等探測裝置，實現(xiàn)對周圍環(huán)境的探測，預先規(guī)劃路徑。
3、采用螺旋鉆進的形式，內(nèi)置用于排土的螺旋桿。
4、內(nèi)置纜線釋放裝置，可使纜線從內(nèi)部緩慢釋放，消除因拖拽纜線造成的摩擦阻力。
5、總體機構(gòu)簡單，實施成本低，適用于礦藏探索、地質(zhì)勘探和地震、礦難救援。


圖1為本發(fā)明機器人實施例的結(jié)構(gòu)示意圖(未畫出防塵罩)；
圖2為圖1所示實施例的A-A剖面視圖3為圖1所示實施例頭部的結(jié)構(gòu)示意圖4為圖1所示實施例前體節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖5為圖1所示實施例后體節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖6為圖1所示實施例支撐足的結(jié)構(gòu)示意圖7為圖2中所示的B-B剖面視圖；4
圖為本發(fā)明機器人實現(xiàn)前進的原理示意圖9為本發(fā)明機器人實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的原理示意圖。
圖中各標號為1、圓錐形鉆頭；2、電機；3、輻板；4、前體節(jié)；5、吊軸承；6、前支撐足；7、絲杠；8、螺旋桿；9、絲杠；10、后體節(jié)；11、后支撐足；12、陀螺儀；13、纜線；14、電源； 15、計算機控制系統(tǒng)；16、卷筒；17、電路板；18、電機；19、防塵罩；20、軸套；21、電機；22、探測裝置；23、左端板；24、螺紋孔；25、凹槽；26、外殼體；27、右端板；28、內(nèi)殼體；29、導軌； 30、通孔；31、平臺；32、螺紋孔；33、左端板；34、凹槽；35、外殼體；36、平臺；37、右端板；38、 內(nèi)殼體；39、螺紋孔；40、凸塊。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖所示實施例對本發(fā)明進一步加以說明。
請參閱圖1 9，本發(fā)明中仿蚯蚓鉆地機器人呈軸對稱結(jié)構(gòu)，由均布在前、后體節(jié) 4、10上的支撐足6、11定位。
上述仿蚯蚓鉆地機器人由頭部(圖幻、前體節(jié)4、后體節(jié)10、螺旋桿8四部分組成， 包括鉆、排土，驅(qū)動，探測、控制三大模塊。鉆、排土模塊實現(xiàn)土壤的切削和輸送；驅(qū)動模塊實現(xiàn)機體的運動，包括前進、轉(zhuǎn)向兩個動作；探測、控制模塊實現(xiàn)機器人周圍環(huán)境的探測并控制驅(qū)動模塊，從而實現(xiàn)理想的運動方式。
鉆、排土模塊包括圓錐形鉆頭1、電機2、螺旋桿8三部分。圓錐形鉆頭1采用特殊設計，其頂部1/3為螺旋鉆頭，尾部仿照盾構(gòu)機的刀片設計，其間中空，切削形成的土屑由此進入螺旋桿8，并最終從機體尾部排出，考慮到土壤中石礫的存在，鉆頭1后方可添加破碎機構(gòu)，以限制顆粒直徑。電機2具有雙輸出軸，可添加減速器來輸出不同的轉(zhuǎn)速，雙輸出軸通過聯(lián)接銷分別連接圓錐形鉆頭1和螺旋桿8，使圓錐形鉆頭1和螺旋桿8同時轉(zhuǎn)動。電機2外部焊有輻板3，輻板3與前體節(jié)4左端板23螺栓聯(lián)接。螺旋桿8由一對吊軸承5固定在機身中心軸線上，吊軸承5通過螺栓固定在內(nèi)殼體觀、38端部的平臺31、36上。螺旋桿8的排土形式為內(nèi)排土，通過優(yōu)化螺距、外徑、芯桿直徑、長度、轉(zhuǎn)速等結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用正、 反轉(zhuǎn)的形式，可提高排土效率，防止“卡死”。
驅(qū)動模塊包括前體節(jié)4 (圖4)、后體節(jié)10 (圖幻兩部分，體節(jié)之間通過軸向伸縮機構(gòu)相連。前體節(jié)4由外殼體26、內(nèi)殼體觀兩部分組成，外殼體26周向均布3個徑向脹縮機構(gòu)(圖7)，內(nèi)殼體觀右半部分(圖4中內(nèi)殼體觀的實線部分)周向均布3條導軌四，左半部分(圖4中內(nèi)殼體觀的虛線部分)端部焊有平臺31，平臺31設有螺紋孔32，用于螺栓聯(lián)接。外殼體26與內(nèi)殼體28通過左、右端板23、27固聯(lián)，左端板23設有螺紋孔M，用于螺栓聯(lián)接；右端板27設有通孔30，用于安裝軸套20。同理，后體節(jié)10也由內(nèi)、外兩殼體 38,35組成。外殼體35周向均布3個徑向脹縮機構(gòu)，內(nèi)殼體38周向均布3個凹槽34，與內(nèi)殼體觀的導軌四相配合，內(nèi)殼體38端部焊有平臺36，平臺36設有螺紋孔32，用于螺栓聯(lián)接。外殼體35與內(nèi)殼體38通過左、右端板33、37固聯(lián)，左端板33設有螺紋孔39，充當絲杠螺母機構(gòu)的“螺母”。
上述徑向脹縮機構(gòu)由支撐足6、11 (圖6)、絲杠7、電機18三部分組成，這三者以絲杠螺母機構(gòu)的形式運動。支撐足6、11與絲杠7螺紋聯(lián)接，絲杠7與電機18銷聯(lián)接，電機18 與內(nèi)殼體28表面螺栓聯(lián)接。支撐足6、11側(cè)面有小凸塊40，外殼體沈、35壁上有對應凹槽25，利于支撐足6、11的徑向伸縮。除了絲杠螺母機構(gòu)，徑向脹縮機構(gòu)還可以采用曲柄滑塊機構(gòu)或支撐氣囊的形式。軸向伸縮機構(gòu)由一對絲杠螺母機構(gòu)組成，絲杠螺母機構(gòu)包括絲杠 9和電機21兩部分，絲杠9與電機21銷聯(lián)接，電機21與右端板27內(nèi)壁螺栓聯(lián)接。通過徑向脹縮機構(gòu)和軸向伸縮機構(gòu)的相互配合，可模仿蚯蚓蠕動爬行。
探測、控制模塊包括陀螺儀12、電路板17、探測裝置22三部分。陀螺儀12和電路板17安裝在后體節(jié)10右端板37內(nèi)側(cè)，分別用于位姿檢測和運動控制。探測裝置22安裝在前體節(jié)4左端板23內(nèi)側(cè)，用于周圍環(huán)境的探測。
除此之外，支撐足6、11周圍和前、后體節(jié)4、10之間均附有防塵罩19。機器人尾部拖有纜線13，所述纜線13通過卷筒16不斷釋放，并與地表的電源14、計算機控制系統(tǒng)15 相連，實現(xiàn)機器人的持續(xù)鉆進和實時控制。
工作原理本發(fā)明的仿蚯蚓鉆地機器人由三組直流電機驅(qū)動，其中兩組通過絲杠螺母機構(gòu)將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為平動。圓錐形鉆頭1切削得到土屑，由螺旋桿8排出體外。通過驅(qū)動絲杠螺母機構(gòu)，實現(xiàn)支撐足6、11的徑向脹縮和體節(jié)4、10的軸向伸縮。按一定的順序控制三組電機的正、反轉(zhuǎn)，就可以實現(xiàn)蠕動式前進和轉(zhuǎn)向。在機器人鉆進的過程中，內(nèi)部的探測裝置22實時探測周圍的環(huán)境，并通過尾部的纜線13將數(shù)據(jù)傳輸給地表的計算機控制系統(tǒng)15，使工作人員能夠掌握機器人的最新動態(tài)。當發(fā)現(xiàn)前方有石頭、孔洞等異物時，工作人員根據(jù)機體內(nèi)置陀螺儀12提供的位姿信息，將命令傳輸給電路板17，指揮機器人躲避；當發(fā)現(xiàn)目標物體時，可以將目標物體的位置信息傳遞給計算機控制系統(tǒng)15，有利于后續(xù)的挖掘工作。
以下具體說明本發(fā)明的仿蚯蚓鉆地機器人的基本運動步驟。
請參閱圖8，一個前進的運動周期可以分為6個步驟。
步驟一，如圖fe所示，機器人處于初始狀態(tài)，支撐足6、11收縮在各自體節(jié)內(nèi)，絲杠 9所在的絲杠螺母機構(gòu)處于收縮狀態(tài)。電機2驅(qū)動圓錐形鉆頭1和螺旋桿8旋轉(zhuǎn)，機器人一方面切削土壤，形成孔洞，另一方面把泥土從尾部排出。
步驟二，如圖8b所示，電機18驅(qū)動絲杠7轉(zhuǎn)動，使后支撐足11伸出后體節(jié)10，并撐緊由圓錐形鉆頭1鉆削形成的孔壁。
步驟三，如圖8c所示，電機21驅(qū)動絲杠9所在的絲杠螺母機構(gòu)伸長，使前體節(jié)4、 鉆頭1和螺旋桿8前進距離h。
步驟四，如圖8d所示，電機18驅(qū)動絲杠7轉(zhuǎn)動，使前支撐足6伸出前體節(jié)4，并撐緊孔壁，而后支撐足11縮回后體節(jié)10內(nèi)部。
步驟五，如圖Se所示，電機21驅(qū)動絲杠9所在的絲杠螺母機構(gòu)收縮，使后體節(jié)10 跟進距離h。
步驟六，如圖8f所示，電機18驅(qū)動絲杠7轉(zhuǎn)動，使前支撐足6縮回前體節(jié)4內(nèi)部， 機器人回到初始狀態(tài)，即回到步驟一。
至此，完成一個周期的運動，機器人整體向前移動了一個步距h，如此反復，可實現(xiàn)機器人的不斷直線前進。
請參閱圖9，當前、后體節(jié)4、10對角線上的一對支撐足收縮或伸長，而其余支撐足伸長或收縮時，由于力矩的不平衡，機身發(fā)生相應偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向運動。
上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進和修改都應該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種鉆地機器人，其特征在于其包括實現(xiàn)土壤切削和輸送的鉆、排土模塊，實現(xiàn)機體運動的驅(qū)動模塊，以及實現(xiàn)機器人周圍環(huán)境探測并控制驅(qū)動模塊的探測、控制模塊，所述三個模塊相互聯(lián)接配合構(gòu)成鉆地機器人整體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆地機器人，其特征在于所述鉆、排土模塊包括圓錐形鉆頭 (1)、電機O)、螺旋桿(8)三部分，所述電機( 具有雙輸出軸，通過聯(lián)接銷分別連接圓錐形鉆頭⑴和螺旋桿⑶；電機⑵外部設置有輻板⑶，所述輻板(3)與前體節(jié)⑷左端板03)螺栓聯(lián)接；所述螺旋桿⑶由一對吊軸承(5)固定，所述吊軸承(5)通過螺栓固定在內(nèi)殼體(28,38)端部的平臺(31,36)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆地機器人，其特征在于所述驅(qū)動模塊包括前體節(jié)、后體節(jié)(10)兩部分，體節(jié)之間通過軸向伸縮機構(gòu)相連；所述前體節(jié)(4)由外殼體06)、內(nèi)殼體08)兩部分組成，所述外殼體06)周向均布徑向脹縮機構(gòu)，所述內(nèi)殼體08)右半部分周向均布導軌( )，左半部分端部設置有平臺(31)，所述平臺(31)設有螺紋孔(3 ；所述外殼體06)與內(nèi)殼體08)通過左、右端板03、27)固聯(lián)，所述左端板設有螺紋孔 (M)，所述右端板(27)設有通孔(30)；后體節(jié)(10)由內(nèi)、外兩殼體(38,35)組成；所述外殼體(3 周向均布徑向脹縮機構(gòu)，所述內(nèi)殼體(3 周向均布凹槽(34)，與內(nèi)殼體08)的導軌09)相配合，內(nèi)殼體(38)端部設置有平臺(36)，所述平臺(36)上設有螺紋孔(32)， 所述外殼體(3 與內(nèi)殼體(38)通過左、右端板(33、37)固聯(lián)，所述左端板(3 上設有螺紋孔(39)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆地機器人，其特征在于所述探測、控制模塊包括陀螺儀 (12)、電路板(17)、探測裝置(22)，所述陀螺儀(12)和電路板(17)安裝在后體節(jié)(10)右端板(37)內(nèi)側(cè)，所述探測裝置0 安裝在前體節(jié)(4)左端板內(nèi)側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鉆地機器人，其特征在于所述圓錐形鉆頭(1)采用中空的結(jié)構(gòu)以將切削得到的土屑通過螺旋桿(8)排出體外；優(yōu)選的，鉆頭(1)后方再添加破碎機構(gòu)以限制顆粒直徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鉆地機器人，其特征在于所述徑向脹縮機構(gòu)包括支撐足(6、 11)、絲杠(7)、電機(18)，所述支撐足(6、11)與絲杠(7)螺紋聯(lián)接，所述絲杠(7)與電機 (18)銷聯(lián)接，所述電機(18)與內(nèi)殼體(觀、38)表面螺栓聯(lián)接；所述軸向伸縮機構(gòu)由一對絲杠螺母機構(gòu)組成，所述絲杠螺母機構(gòu)包括絲杠(9)和電機兩部分，所述絲杠(9)與電機銷聯(lián)接，所述電機與右端板m內(nèi)壁螺栓聯(lián)接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鉆地機器人，其特征在于所述徑向脹縮機構(gòu)可采用曲柄滑塊機構(gòu)或支撐氣囊的形式。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鉆地機器人，其特征在于支撐足(6、11)側(cè)面有小凸塊 (40)，外殼體(26,35)壁上有對應凹槽(25)，利于支撐足(6,11)的徑向伸縮。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆地機器人，其特征在于機器人尾部拖有纜線(13)，所述纜線(13)繞于卷筒(16)上并與地表的電源(14)、計算機控制系統(tǒng)(15)相連以實現(xiàn)機器人的持續(xù)鉆進和實時控制。
10.根據(jù)權(quán)利要求6或8所述的鉆地機器人，其特征在于支撐足(6、11)周圍和前、后體節(jié)(4,10)之間均設置有防塵罩(19)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種能夠在泥土中爬行的仿蚯蚓鉆地機器人，其結(jié)構(gòu)包括鉆削土壤的頭部，可行進、轉(zhuǎn)向的前、后兩節(jié)體節(jié)，以及用于內(nèi)排土的螺旋桿。其中，所述體節(jié)周向各均布3個支撐足，體節(jié)之間通過一對絲杠螺母機構(gòu)連接。在電機的驅(qū)動下，所述支撐足和絲杠螺母機構(gòu)相互配合，可使機器人模仿蚯蚓蠕動爬行。此外，機器人自帶探測裝置、陀螺儀和電路板，使用組合纜線傳遞動力和信息，利于工作人員的遠程實時控制。本發(fā)明的優(yōu)點在于該機器人采用仿生學理論進行設計，模仿蚯蚓鉆掘爬行，具有鉆土效率高、結(jié)構(gòu)簡單、實施成本低等優(yōu)勢，可實現(xiàn)前進和自由轉(zhuǎn)向，適用于地下礦藏探索，地質(zhì)勘探和地震、礦難救援等。
文檔編號E21B7/00GK102493763SQ20111039744
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月2日
發(fā)明者李曉華, 楊鵬春, 王葉鋒, 簡小剛, 黃江昕 申請人:同濟大學