專利名稱：一種具有地下探測功能的螺旋鉆進(jìn)機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器人探測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有地下探測功能的螺旋鉆進(jìn)機(jī)器人。
背景技術(shù)：
資源是興國安邦的重要條件，礦藏的勘探和開采已成為國家國土資源開發(fā)、規(guī)劃的重要依據(jù)。隨著煤礦資源的不斷開發(fā)，礦難事故屢屢發(fā)生。同時，地震、恐怖活動和各種突發(fā)事故等引發(fā)的災(zāi)害也經(jīng)常發(fā)生。在事故救援中，時間非常寶貴，然而由于技術(shù)水平落后，無法迅速獲得被困或遇難人員位置信息，而現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，溫度、氧氣含量、CO等有害氣體含量等因素都會延誤救援人員工作的開展。但現(xiàn)有機(jī)器人大多采用輪式、履帶式、足式，不具備鉆掘功能，需要沿著建筑物廢墟空隙或地下巷道等非閉塞空間環(huán)境中行進(jìn)，應(yīng)用范圍受到限制。為解決這一問題，許多國家都開始鉆探機(jī)器人的研發(fā)。例如我國哈爾濱工程大學(xué)設(shè)計了基于蠕動原理的沖擊拱泥機(jī)器人和西北工業(yè)大學(xué)設(shè)計的陸上仿蚯蚓拱泥 機(jī)器人，都采用沖擊方式克服土壤阻力，并借助傳感器反饋機(jī)器人的位置和狀態(tài)，在地面進(jìn)行調(diào)控。日本開發(fā)了一種用于地質(zhì)勘探的小型鉆掘機(jī)器人“Digbot”，采用“雙重反轉(zhuǎn)鉆頭”的設(shè)計，但鉆進(jìn)力有限，且不具備轉(zhuǎn)向功能。與此同時，現(xiàn)有的鉆進(jìn)機(jī)器人大多通過地面設(shè)備進(jìn)行探測。機(jī)器人搭載的超聲波距離傳感器、攝像頭等設(shè)備不能夠良好的識別機(jī)器人的周邊環(huán)境，不利于機(jī)器人自動化的實現(xiàn)。因此研究和開發(fā)一種能耗低、控制方便，能夠在地下封閉環(huán)境中靈活移動，并對周圍環(huán)境及特定目標(biāo)進(jìn)行探測的機(jī)器人，有助于地下勘探、礦難搜救的進(jìn)行，具有重要的現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有地下探測功能的螺旋鉆進(jìn)機(jī)器人，能夠在泥土中鉆進(jìn)和轉(zhuǎn)向，探測系統(tǒng)可以對機(jī)器人前方的環(huán)境進(jìn)行檢測，并根據(jù)探測信息自動調(diào)整運(yùn)動方向。機(jī)器人可用于地下勘探，地震、礦難搜救。一般鉆孔的直徑為10(T600mm,鉆孔長度為20 100m，探測距離0.3 5m。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
一種具有地下探測功能的螺旋鉆進(jìn)機(jī)器人，所述機(jī)器人包括對土壤進(jìn)行切削并提供前進(jìn)動力的螺旋鉆進(jìn)系統(tǒng)，調(diào)整鉆進(jìn)方向的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，探測機(jī)器人周圍環(huán)境的探測系統(tǒng)，處理探測信息并對運(yùn)動進(jìn)行調(diào)控的控制系統(tǒng)；鉆進(jìn)系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)聯(lián)接，控制系統(tǒng)與探測系統(tǒng)、鉆進(jìn)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之間設(shè)置通訊聯(lián)接；其中:
所述對土壤進(jìn)行切削并提供前進(jìn)動力的螺旋鉆進(jìn)系統(tǒng)位于機(jī)器人本體27內(nèi)，包括圓錐形螺旋鉆頭1、圓柱形螺旋鉆體6和尾部端蓋止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)13，所述圓錐形螺旋鉆頭I頂部設(shè)有切削刀片2，圓錐形螺旋鉆頭I用于打碎土塊和向后輸送土壤；圓柱形螺旋鉆體6在旋轉(zhuǎn)時向后擠壓土壤，同時利用土壤的反作用力提供機(jī)器人前進(jìn)的推進(jìn)力；圓錐形螺旋鉆頭I通過銷釘21和鉆頭軸20 —端連接，鉆頭軸20另一端通過萬向節(jié)19聯(lián)接轉(zhuǎn)軸17 ;轉(zhuǎn)軸17通過彈性聯(lián)軸器15與直流無刷電機(jī)11聯(lián)接；轉(zhuǎn)軸17通過行星齒輪組16將動力傳給圓柱形螺旋鉆體6，行星齒輪組16中的外齒輪通過螺釘和圓柱形螺旋鉆體6固定在一起；電機(jī)固定架10通過螺釘固定在圓柱形螺旋鉆體6上，尾部端蓋止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)13通過螺紋聯(lián)接和圓柱形螺旋鉆體6固定在一起，左擋板7和右擋板8通過螺釘固定在行星齒輪組16兩側(cè)，左擋板7和右擋板8內(nèi)部置有深溝球軸承以支承轉(zhuǎn)軸17，左斜柱體3內(nèi)置有一對背靠背安裝的雙列角接觸球軸承12用來限制鉆頭軸20的軸向移動，雙列角接觸球軸承12支承圓柱形螺旋鉆體6并承受鉆體所受軸向力；
所述調(diào)整鉆進(jìn)方向的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括左斜柱體3、右斜柱體4和圓轉(zhuǎn)板18;所述左斜柱體
3、右斜柱體4之間通過滾動軸承23聯(lián)接，右斜柱體4通過軸承支撐圓轉(zhuǎn)板18，所述右斜柱體4和圓轉(zhuǎn)板18通過轉(zhuǎn)向齒輪組5與步進(jìn)電機(jī)9聯(lián)接；圓錐形螺旋鉆頭I與圓柱形螺旋鉆體6通過波紋管聯(lián)接，防止土壤進(jìn)入機(jī)器人內(nèi)部；
所述探測機(jī)器人周圍環(huán)境的探測系統(tǒng)為脈沖雷達(dá)系統(tǒng)，所述脈沖雷達(dá)系統(tǒng)包括電源穩(wěn)壓器、中央控制單元28、時序邏輯單元CPLD29、脈沖生成電路30、發(fā)射天線31、接收天線32和信號采集電路33，所述中央控制單元28是一具有多通道串口的主控制器，分別與時序邏輯單元CPLD29和信號采集電路33聯(lián)接，負(fù)責(zé)控制雷達(dá)的運(yùn)行和通訊；所述時序邏輯元件CPLD29分別與中央控制單元28、脈沖生成電路30、信號采集電路33聯(lián)接，用以產(chǎn)生穩(wěn)定時序間隔的邏輯脈沖；所述脈沖生成電路30聯(lián)接發(fā)射天線31和電源穩(wěn)壓器，在CPLD邏輯信號的激勵下產(chǎn)生電壓脈沖信號；所述信號采集電路33聯(lián)接接收天線32，對回波信號進(jìn)行接收采集；所述探測機(jī)器 人周圍環(huán)境的探測系統(tǒng)安裝在尾部端蓋止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)13的內(nèi)腔，所述中央控制單元28通過復(fù)合纜線24與計算機(jī)控制設(shè)備26聯(lián)接。本發(fā)明中，所述中央控制單元28為單片機(jī)AT89S52。本發(fā)明中，所述時序邏輯單元CPLD29為EPM240T100C5。本發(fā)明中，所述中央控制單元28和信號采集電路33之間設(shè)有RAM存儲器34，RAM存儲器34與所述中央控制單元28、時序邏輯元件CPLD29、信號采集電路33相連，用于緩存A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號。本發(fā)明中，所述脈沖生成電路30為4級雪崩三極管MARX電路，三極管型號為MMBT3904 ;供電電壓56V，負(fù)載電阻R2-R3為51 Ω，電阻R4-R10為30K Ω，級間電容C2-C5為IOOpF,銳化電容C6-C7為5pF。本發(fā)明中，所述發(fā)射天線31與所述接收天線32為同一天線，為錐面等角螺旋天線；所述圓錐形螺旋鉆頭I頂部的切削刀片2為雙螺旋結(jié)構(gòu)。所述錐面等角螺旋天線安裝在切削刀片的表面。本發(fā)明中，所述探測系統(tǒng)還可添加或更換為金屬探測器、紅外攝像頭等探測裝置。本發(fā)明中，:所述機(jī)器人尾部的復(fù)合纜線24通過尾部端蓋止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)13的通孔14聯(lián)接供能設(shè)備25和計算機(jī)控制設(shè)備26。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
1、機(jī)器人具有鉆進(jìn)和轉(zhuǎn)向裝置，采用螺旋鉆進(jìn)提高了機(jī)器人鉆進(jìn)的推動力，轉(zhuǎn)向裝置使機(jī)器人的運(yùn)動更加靈活、可以調(diào)整鉆進(jìn)方向、避開障礙。2、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用“雙驅(qū)動萬向節(jié)”的設(shè)計，利用一對相互旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的斜面來改變鉆頭在空間內(nèi)的方向，從而改變機(jī)器人運(yùn)動方向。結(jié)構(gòu)簡單緊湊，提高了穩(wěn)定性的同時也利于機(jī)器人的小型化。3、機(jī)器人搭載有雷達(dá)探測系統(tǒng)，穿透土壤對機(jī)器人前方環(huán)境、目標(biāo)及障礙物進(jìn)行檢測。便于機(jī)器人及時對運(yùn)動路徑進(jìn)行調(diào)整，也為地下鉆進(jìn)機(jī)器人行進(jìn)的自動化提供了技術(shù)基礎(chǔ)。4、雷達(dá)收發(fā)天線小型化，并與機(jī)器人外形結(jié)構(gòu)一體化，避免了天線對機(jī)器人鉆進(jìn)過程的阻礙。5、機(jī)器人還可以搭載擴(kuò)展其他功能模塊，如金屬探測裝置、紅外CXD攝像頭、超聲波探測器、生命探測裝置等。


圖1為本發(fā)明實施例的機(jī)器人總體工作示意 圖2為本發(fā)明實施例中機(jī)器人鉆進(jìn)部分示意 圖3為本發(fā)明實施例中機(jī)器·人轉(zhuǎn)向部分示意 圖4為本發(fā)明實施例中脈沖雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意 圖5為本發(fā)明實施例中探測系統(tǒng)擴(kuò)展金屬探測器、紅外CCD攝像頭后的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6為本發(fā)明實施例中脈沖生成電路的電路示意 圖7為本發(fā)明實施例中雷達(dá)發(fā)射天線的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號:1、圓錐形螺旋鉆頭；2、切削刀片；3、左斜柱體；4、右斜柱體；5、轉(zhuǎn)向齒輪組；6、圓柱形螺旋鉆體；7、左擋板；8、右擋板；9、步進(jìn)電機(jī)；10、電機(jī)固定架；11、直流無刷電機(jī)；12、雙列角接觸球軸承；13、尾部端蓋止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；14、通孔；15、彈性聯(lián)軸器；16、行星齒輪組；17、轉(zhuǎn)軸；18、圓轉(zhuǎn)板；19、萬向節(jié)；20、鉆頭軸；21、銷釘；22、軸承擋板；23、滾動軸承；24、復(fù)合纜線；25、供能設(shè)備；26、計算機(jī)控制設(shè)備；27、機(jī)器人本體；28、中央控制單元；29、時序邏輯單元(CPLD) ;30、脈沖生成電路；31、發(fā)射天線；32、接收天線；33、信號采集電路；34、緩存器；35、振蕩電路；36、放大電路；37、探測線圈；38、霍爾元件；39、放大檢波電路；40、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路；41、微型紅外攝像頭。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖所示實施例對本發(fā)明進(jìn)一步加以說明。實施例1:參照圖1，本發(fā)明實施例一種具有地下探測功能的螺旋鉆進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)方案主要由機(jī)器人本體27、復(fù)合纜線24、計算機(jī)控制設(shè)備26和供能設(shè)備25這四部分組成。其中，機(jī)器人本體27擁有鉆進(jìn)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人在泥土中的自由鉆進(jìn)和轉(zhuǎn)向，探測系統(tǒng)能夠?qū)崟r探測周圍環(huán)境，控制系統(tǒng)根據(jù)探測信息和地面指令對機(jī)器人的運(yùn)動進(jìn)行調(diào)整。復(fù)合纜線24能夠傳輸信號和能量。計算機(jī)控制設(shè)備26使地面工作人員實時了解地下環(huán)境，對機(jī)器人本體27進(jìn)行調(diào)控。供能設(shè)備25提供機(jī)器人地下運(yùn)動、探測所需的倉tfi。參照圖2，機(jī)器人鉆進(jìn)部分主要包括圓錐形螺旋鉆頭1、圓柱形螺旋鉆體6、尾部端蓋止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)13三部分。圓錐形螺旋鉆頭I后部采用中空結(jié)構(gòu)，鉆頭表面設(shè)置有切削刀片2，用于打碎土塊和向后輸送土壤；圓柱形螺旋鉆體6在旋轉(zhuǎn)時向后擠壓土壤，同時利用土壤的反作用力推動機(jī)器人前進(jìn)。直流無刷電機(jī)11直接為圓錐形螺旋鉆頭I提供動力，同時經(jīng)過行星齒輪組16減速后為圓柱形螺旋鉆體6提供動力。直流無刷電機(jī)11與轉(zhuǎn)軸17通過彈性聯(lián)軸器15聯(lián)接，轉(zhuǎn)軸17經(jīng)過萬向節(jié)19聯(lián)接鉆頭軸20，鉆頭軸20通過銷釘21和圓錐形螺旋鉆頭I聯(lián)接；轉(zhuǎn)軸17通過行星齒輪組16將動力傳給圓柱形螺旋鉆體6 ;行星齒輪組12中的外齒輪和圓柱形螺旋鉆體6通過螺釘固定在一起。電機(jī)固定架10通過螺釘固定在圓柱筒6上；尾部端蓋止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)13通過螺紋聯(lián)接和圓柱筒6固定在一起；左擋板7和右擋板8內(nèi)部置有深溝球軸承以支承轉(zhuǎn)軸17 ;左斜柱體3內(nèi)置有一對背靠背安裝的角接觸球軸承用來限制鉆頭軸20的軸向移動；雙列角接觸球軸承12支承圓柱形螺旋鉆體6并承受鉆體所受軸向力。參照圖3，機(jī)器人轉(zhuǎn)向部分主要由左斜柱體3、右斜柱體4和圓轉(zhuǎn)板18構(gòu)成。右斜柱體4和圓轉(zhuǎn)板18由步進(jìn)電機(jī)9通過兩組齒輪副實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速，圓轉(zhuǎn)板18帶動左斜柱體3一起轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)左、右兩斜柱體相對轉(zhuǎn)動，由于左、右兩斜柱體旋轉(zhuǎn)軸不共線，從而實現(xiàn)鉆頭的偏轉(zhuǎn)。所述右斜柱體4和圓轉(zhuǎn)板18通過轉(zhuǎn)向齒輪組5與步進(jìn)電機(jī)9聯(lián)接，左斜柱體3、右斜柱體4之間通過滾動軸承23聯(lián)接，鉆頭軸20與轉(zhuǎn)軸17之間通過萬向節(jié)19聯(lián)接，右斜柱體4通過軸承支撐圓轉(zhuǎn)板18，鉆頭軸20通過一對角接觸球軸承限制其軸向移動。圓錐形螺旋鉆頭I與圓柱形螺旋鉆體6通過波紋管聯(lián)接，防止土壤進(jìn)入機(jī)器人內(nèi)部。參照圖4，機(jī)器人探測系統(tǒng)采用脈沖雷達(dá)探測系統(tǒng)。主要包括電源穩(wěn)壓器、中央控制單元28、時序邏輯單元CPLD 29、脈沖生成電路30、發(fā)射天線31、接收天線32和信號采集電路33。所述中央控制單元28與時序邏輯單元CPLD 29、信號采集電路33聯(lián)接，控制整個雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射、接收、信號采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。所述時序邏輯單元CPLD29還與脈沖生成電路30、信號采集電路33聯(lián)接，負(fù)責(zé)產(chǎn)生穩(wěn)定時序間隔的邏輯脈沖，協(xié)調(diào)信號發(fā)射、采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹬箷r間，確保各部分有序工作。所述脈沖生成電路30連接發(fā)射天線31和電源穩(wěn)壓器，在時序邏輯單元CPLD29的激勵下產(chǎn)生電壓脈沖信號，該電壓脈沖信號通過發(fā)射天線31發(fā)射；所述信號采集電路33連接接收天線32，對回波信號進(jìn)行接收采集。所述探測系統(tǒng)電路安裝在尾部端蓋止轉(zhuǎn)機(jī) 構(gòu)13的內(nèi)腔，所述中央控制單元28通過復(fù)合纜線24與計算機(jī)控制設(shè)備26連接。本發(fā)明實施例中，所述中央控制單元可為單片機(jī)AT89S52。單片機(jī)與時序邏輯單元CPLD的采用雙通信接口，單片機(jī)向時序邏輯單元CPLD發(fā)送控制指令，并接受時序邏輯單元CPLD的狀態(tài)反饋信號，二者協(xié)調(diào)控制電路各模塊有序工作。單片機(jī)與緩存器聯(lián)接，分次讀取緩存器中緩存的數(shù)據(jù)信息。單片機(jī)通過USB接口電路與計算機(jī)控制設(shè)備通訊。同時單片機(jī)還用于控制多種探測模式的切換開關(guān)，實現(xiàn)多探測方式的協(xié)調(diào)工作。本發(fā)明實施例中，所述時序邏輯單元CPLD可為EPM240T100C5，其相當(dāng)于8650門CPLD,有I/O引腳80個，支持4個時鐘信號，可擦寫十萬次以上。CPLD主要用于生成IOOKHz的觸發(fā)信號TRI_1，用于觸發(fā)脈沖生成電路產(chǎn)生高壓脈沖信號。同時CPLD產(chǎn)生步進(jìn)延時脈沖發(fā)生器AD9501所需要的觸發(fā)信號TRI_2、鎖存信號LATCH、步進(jìn)延時控制字，控制步進(jìn)延時脈沖發(fā)生器產(chǎn)生延時為0.1ns的步進(jìn)延時脈沖，從而等效采樣最大頻率為2GHz的回波信號。時序邏輯單元CPLD聯(lián)接緩存器，產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲地址，使采集轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)保存在相應(yīng)的存儲器地址中，便于單片機(jī)分次讀取。參照圖6，所述脈沖生成電路為4級雪崩三極管MARX電路。其中，三極管Q1-Q4選用MMBT3904，其集-射極擊穿電壓BVceq為40V，集-基極擊穿電壓BVcbq為60V。供電電壓56V，熱敏電阻Rl為10Ω，負(fù)載電阻R2-R3為51Ω，電阻R4-R10為30K Ω。電容Cl為IOOOpF,級間電容C2-C5為IOOpF,銳化電容C6-C7為5pF。輸出脈沖負(fù)峰值28V，脈寬0.95ns，主頻率高達(dá)1GHz。輸出脈沖經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射。信號采集電路33由步進(jìn)延時脈沖發(fā)生器、取樣放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路三部分組成。沖擊脈沖探地雷達(dá)的回波信號頻率較高，一般從幾兆赫茲到幾千兆赫茲，雖然現(xiàn)階段研發(fā)了高速A/D轉(zhuǎn)換器，但高速電路對電路、設(shè)備的性能要求較高，價格昂貴。因此采用等效采樣技術(shù)采集回波信號。AD9051為8位數(shù)字可編程脈沖延時器，最小延時分辨率為10ps，延時范圍為2.5ns-10us。步進(jìn)延時脈沖發(fā)生器采用雙AD9051配合方式，構(gòu)成16位數(shù)字可編程脈沖延時器，其最大等效采樣頻率為100GHz，最大采樣時窗為600ns-100ms。選用等效采樣頻率為10GHz， 采樣時窗100ns。取樣放大電路采用四關(guān)管平衡取樣門，由肖特基二極管組成。接收天線接受的信號經(jīng)取樣放大后，傳輸給寬帶運(yùn)算放大器LT1316，使輸入信號轉(zhuǎn)換成-2.5V至2.5V的電壓信號，傳遞到A/D轉(zhuǎn)換電路。A/D轉(zhuǎn)換電路選用14位高速轉(zhuǎn)換器LTC1419，其分辨率為305.2uV，最大采樣速率為800KHz，最大采樣時間為1250ns。在轉(zhuǎn)換完成時，通過狀態(tài)信號BUSY通知CPLD進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。LTC1419數(shù)據(jù)存儲或讀寫時間小于lus，且采集數(shù)據(jù)量較大，單片機(jī)直接讀取存儲不能滿足需求，因此選用雙口 RAM作為數(shù)據(jù)緩存器。選用RAM型號為CY7C015。其存儲空間為8KX 16bit ;具有13位地址線，左13位地址線聯(lián)接CPLD，右13位地址線聯(lián)接單片機(jī)；16位數(shù)據(jù)線能夠一次性存儲A/D轉(zhuǎn)換器LTC1419轉(zhuǎn)換后的14位數(shù)據(jù)，再由單片機(jī)分次讀取，節(jié)省了數(shù)據(jù)存儲時間，保證了采樣轉(zhuǎn)換的高速連貫。參照圖7，所述發(fā)射天線與所述接收天線為同一天線，采用錐面等角螺旋天線結(jié)構(gòu)。天線外徑IOcm時，有效工作頻段為0.5 8GHz，駐波比不大于3，軸比不大于3dB。當(dāng)選用其他尺寸的圓錐形螺旋鉆頭時，可通過改變螺旋天線臂長調(diào)節(jié)帶寬。增大螺旋天線臂長可以降低天線工作頻段；增大圓錐形螺旋鉆頭的錐角以及在圓錐形螺旋鉆頭的背腔內(nèi)填充吸波材料可以提高天線的前后輻射比，增強(qiáng)單向輻射性。所述圓錐形螺旋鉆頭I頂部的切削刀片2采用雙螺旋結(jié)構(gòu)。錐面等角螺旋天線安裝在切削刀片的表面，表面覆蓋絕緣涂層，保證與切削刀片、土壤間良好絕緣。天線內(nèi)側(cè)端作為天線饋電點，由引線接入圓錐形螺旋鉆頭，聯(lián)接脈沖生成電路。雷達(dá)探測系統(tǒng)的工作流程可以簡述為:
步驟一，計算機(jī)控制設(shè)備向單片機(jī)發(fā)送控制信號，雷達(dá)主控系統(tǒng)開始工作。步驟二，單片機(jī)接到指令后向CPLD發(fā)出控制信號，CPLD開始工作，CPLD產(chǎn)生發(fā)射電路所需的觸發(fā)脈沖TRI_1 ;以及控制步進(jìn)延時脈沖器的時序信號TRI_2、鎖存信號LATCH、16位步進(jìn)延時控制字。步驟三，脈沖生成電路在TRI_1的觸發(fā)下生成電壓脈沖信號；由發(fā)射天線發(fā)射，探測機(jī)器人前方目標(biāo)環(huán)境。步驟四，接收天線接收回波信號并傳遞給取樣放大電路；經(jīng)取樣放大后的回波信號進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器。步驟五，步進(jìn)延時脈沖器產(chǎn)生步進(jìn)延時信號C0NVST，控制A/D轉(zhuǎn)換的啟始；轉(zhuǎn)換完成后，將14位數(shù)字信號存儲在緩存器RAM中，并發(fā)送狀態(tài)信號BUSY給CPLD。
步驟六，CPLD向單片機(jī)發(fā)送讀取數(shù)據(jù)指令，單片機(jī)從緩存器RAM中讀取數(shù)據(jù)，并輸給計算機(jī)控制設(shè)備。步驟七，計算機(jī)控制設(shè)備對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示回波信號的波形。參照圖5，本發(fā)明實施例中，所述探測系統(tǒng)還可以添加或更換為其他探測裝置。如將金屬探測器的探測線圈裝在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)外側(cè)，通過振蕩電路35、放大電路36生成穩(wěn)定的交變電壓，激勵探測線圈37產(chǎn)生磁場。當(dāng)機(jī)器人前方存在金屬物體時，金屬的渦流現(xiàn)象對探測磁場產(chǎn)生干擾；位于錐形螺旋鉆頭內(nèi)腔的霍爾元件38將探測磁場的變化轉(zhuǎn)變成電壓信號，經(jīng)放大檢波電路38后，傳輸給單片機(jī)；單片機(jī)根據(jù)設(shè)定程序調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動，同時將探測信息反饋到地面計算機(jī)控制設(shè)備。在機(jī)器人錐形螺旋鉆頭內(nèi)可安裝微型紅外CCD攝像頭41，在錐形螺旋鉆頭側(cè)壁上開孔，并用透明材料密封，配合紅外LED光源，對地下空洞、廢墟孔穴進(jìn)行可視探測。多種探測方式配合使用，拓展了機(jī)器人的探測功能和應(yīng)用范圍。參照圖1，所述機(jī)器人尾部拖有復(fù)合纜線，包含電源線、信號線和引線；所述復(fù)合纜線通過尾部端蓋止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的通孔聯(lián)接供能設(shè)備和計算機(jī)控制設(shè)備。從而實現(xiàn)機(jī)器人的長時間工作和地面工作人員對機(jī)器人遠(yuǎn)程實時監(jiān)控。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(yīng)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(yīng)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(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有地下探測功能的螺旋鉆進(jìn)機(jī)器人，其特征在于:所述機(jī)器人包括對土壤進(jìn)行切削并提供前進(jìn)動力的螺旋鉆進(jìn)系統(tǒng)，調(diào)整鉆進(jìn)方向的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，探測機(jī)器人周圍環(huán)境的探測系統(tǒng)，處理探測信息并對運(yùn)動進(jìn)行調(diào)控的控制系統(tǒng)；鉆進(jìn)系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)聯(lián)接，控制系統(tǒng)與探測系統(tǒng)、鉆進(jìn)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之間設(shè)置通訊聯(lián)接；其中: 所述對土壤進(jìn)行切削并提供前進(jìn)動力的螺旋鉆進(jìn)系統(tǒng)位于機(jī)器人本體(27)內(nèi)，包括圓錐形螺旋鉆頭(1 )、圓柱形螺旋鉆體(6)和尾部端蓋止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(13)，所述圓錐形螺旋鉆頭(I)頂部設(shè)3有切削刀片(2)，圓錐形螺旋鉆頭(1)用于打碎土塊和向后輸送土壤；圓柱形螺旋鉆體(6)在旋轉(zhuǎn)時向后擠壓土壤，同時利用土壤的反作用力提供機(jī)器人前進(jìn)的推進(jìn)力；圓錐形螺旋鉆頭(1)通過銷釘(21)和鉆頭軸(20)—端連接，鉆頭軸(20)另一端通過萬向節(jié)(19)聯(lián)接轉(zhuǎn)軸(17);轉(zhuǎn)軸(17)通過彈性聯(lián)軸器(15)與直流無刷電機(jī)(11)聯(lián)接；轉(zhuǎn)軸(17)通過行星齒輪組(16)將動力傳給圓柱形螺旋鉆體(6)，行星齒輪組(16)中的外齒輪通過螺釘和圓柱形螺旋鉆體(6)固定在一起；電機(jī)固定架(10)通過螺釘固定在圓柱形螺旋鉆體(6)上，尾部端蓋止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(13)通過螺紋聯(lián)接和圓柱形螺旋鉆體(6)固定在一起，左擋板(7)和右擋板(8)通過螺釘固定在行星齒輪組(16)兩側(cè)，左擋板(7)和右擋板(8)內(nèi)部置有深溝球軸承以支承轉(zhuǎn)軸(17),左斜柱體(3)內(nèi)置有一對背靠背安裝的雙列角接觸球軸承(12 )用來限制鉆頭軸(20 )的軸向移動，雙列角接觸球軸承(12 )支承圓柱形螺旋鉆體(6 )并承受鉆體所受軸向力； 所述調(diào)整鉆進(jìn)方向的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括左斜柱體(3)、右斜柱體(4)和圓轉(zhuǎn)板(18);所述左斜柱體(3)、右斜柱體(4)之間通過滾動軸承(23)聯(lián)接，右斜柱體(4)通過軸承支撐圓轉(zhuǎn)板(18),所述右斜柱體(4)和圓轉(zhuǎn)板(18)通過轉(zhuǎn)向齒輪組(5)與步進(jìn)電機(jī)(9)聯(lián)接；圓錐形螺旋鉆頭(I)與圓 柱形螺旋鉆體(6)通過波紋管聯(lián)接； 所述探測機(jī)器人周圍環(huán)境的探測系統(tǒng)為脈沖雷達(dá)系統(tǒng)，所述脈沖雷達(dá)系統(tǒng)包括電源穩(wěn)壓器、中央控制單元(28)、時序邏輯單元CPLD (29)、脈沖生成電路(30)、發(fā)射天線(31)、接收天線(32)和信號采集電路(33);所述中央控制單元(28)是一具有多通道串口的主控制器，分別與時序邏輯單元CPLD (29)和信號采集電路(33)聯(lián)接，負(fù)責(zé)控制雷達(dá)的運(yùn)行和通訊；所述時序邏輯單元CPLD (29)分別中央控制單元(28)、脈沖生成電路(30)、信號采集電路(33)聯(lián)接，用以產(chǎn)生穩(wěn)定時序間隔的邏輯脈沖；所述脈沖生成電路(30)聯(lián)接發(fā)射天線(31)和電源穩(wěn)壓器，在時序邏輯單元CPLD邏輯信號的激勵下產(chǎn)生電壓脈沖信號；所述信號采集電路(33)聯(lián)接接收天線(32)，對回波信號進(jìn)行接收采集；所述探測機(jī)器人周圍環(huán)境的探測系統(tǒng)安裝在尾部端蓋止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(13)的內(nèi)腔，所述中央控制單元(28)通過復(fù)合纜線(24)與計算機(jī)控制設(shè)備(26)聯(lián)接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有地下探測功能的螺旋鉆進(jìn)機(jī)器人，其特征在于:所述中央控制單元(28)為單片機(jī)AT89S52。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有地下探測功能的螺旋鉆進(jìn)機(jī)器人，其特征在于:所述時序邏輯單元 CPLD (29)為 EPM240T100C5。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有地下探測功能的螺旋鉆進(jìn)機(jī)器人，其特征在于:所述中央控制單元(28)和信號采集電路(33)之間設(shè)有RAM存儲器(34)，RAM存儲器(34)與所述中央控制單元(28)、時序邏輯單元CPLD (29),信號采集電路(33)相連，用于緩存A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有地下探測功能的螺旋鉆進(jìn)機(jī)器人，其特征在于:所述脈沖生成電路(30)為4級雪崩三極管MARX電路，三極管型號為MMBT3904 ;供電電壓56V，負(fù)載電阻R2-R3為51 Ω，電阻R4-R10為30ΚΩ ;級間電容C2-C5為IOOpF,銳化電容C6-C7為5pF。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有地下探測功能的螺旋鉆進(jìn)機(jī)器人，其特征在于:所述發(fā)射天線(31)與所述接收天線(32)為同一天線，為錐面等角螺旋天線；所述圓錐形螺旋鉆頭(I)頂部的切削刀片(2)為雙螺旋結(jié)構(gòu)；所述錐面等角螺旋天線安裝在切削刀片的表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有地下探測功能的螺旋鉆進(jìn)機(jī)器人，其特征在于:所述探測系統(tǒng)還可添加或更換為金屬探測器或紅外攝像頭。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述 的具有地下探測功能的螺旋鉆進(jìn)機(jī)器人，其特征在于:所述機(jī)器人尾部的復(fù)合纜線(24)通過尾部端蓋止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(13)的通孔(14)聯(lián)接供能設(shè)備(25)和計算機(jī)控制設(shè)備(26)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有地下探測功能的螺旋鉆進(jìn)機(jī)器人，包括對土壤進(jìn)行切削并提供前進(jìn)動力的螺旋鉆進(jìn)系統(tǒng)，調(diào)整鉆進(jìn)方向的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，探測機(jī)器人周圍環(huán)境的探測系統(tǒng)，處理探測信息并對運(yùn)動進(jìn)行調(diào)控的控制系統(tǒng)；鉆進(jìn)系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)聯(lián)接，控制系統(tǒng)與探測系統(tǒng)、鉆進(jìn)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之間設(shè)置通訊聯(lián)接。機(jī)器人能夠在地下自由鉆進(jìn)和轉(zhuǎn)向，利用探測系統(tǒng)實時探測周圍環(huán)境，從而調(diào)整運(yùn)動方向。機(jī)器人通過復(fù)合電纜與地面設(shè)備相連，獲取能量并反饋信息，便于地面工作人員實施遠(yuǎn)程實時監(jiān)控。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動靈活，能夠在地下封閉環(huán)境中鉆進(jìn)，并對周圍環(huán)境及特定目標(biāo)進(jìn)行探測，適用于地下勘探、礦難搜救等。
文檔編號E21B3/00GK103216192SQ20131013237
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月17日
發(fā)明者李曉華, 徐曉翔, 楊鵬春, 王葉峰, 其他發(fā)明人請求不公開姓名 申請人:同濟(jì)大學(xué)