CN100999236A - 一种拱洞及蠕动爬行机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种拱洞及蠕动爬行机构，其包括至少两个首尾依次相连的体节；每个体节均包括壳体、后连接头、驱动装置以及爬行装置；每个后方体节的前连接头和其前方体节的后连接头之间为活动连接；电动机带动驱动装置和爬行装置运动来模仿蚯蚓蠕动爬行，利用不同体节爬行装置的连续作用，一个方面扩出要求孔径的孔洞，另一方面不断夯实孔壁，本发明可以应用在非开挖铺管施工，可以探索地下矿藏，实施井下救援，还可以在极其隐蔽的情况下代替人工完成战场上的探测、侦察、爆破等任务。本发明具有结构简单、功率小，力量大、管道孔径可选择、使用寿命长、可实现后退和转向的优点。

Description

一种拱洞及蠕动爬行机构

技术领域

本发明涉及一种仿生机器人领域，可用于陆上不开挖领域或地下探测等。

背景技术

城市地下管线的老化更新和城区发展建设需要埋设大量的电力线、通信线和水管线等。现在主要的管道施工方法有直接开挖法、顶管法或水平钻井法，其中直接开挖法容易造成交通障碍和扬尘污染，且施工周期长；若采用顶管法和水平钻井法，其缺点是施工成本高、无法控制管线方向、穿越距离受限，而且无法应用于PVC或PE等细长管道的穿越施工。因此需要一种体积小、操作方便的地下可控钻孔机构来开挖地下管线所需的管道。

发明内容

本发明目的是提供一种在不开挖地面的情况下可完成地下管线铺设的拱洞及蠕动爬行机构，其解决了背景技术易造成交通障碍、污染环境、施工周期长、施工成本高、穿越距离受限，无法应用于细长管道的穿越施工的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种拱洞及蠕动爬行机构，特殊之处是，其包括至少两个首尾依次相连的体节；所述每个体节均包括壳体3、后连接头16、驱动装置以及爬行装置；所述壳体3为两端封闭的圆筒状结构；所述后连接头16固定在壳体3后端面中部；所述驱动装置设置在壳体3内，其包括驱动电机、蜗杆10和蜗轮11；所述电动机9的输出轴与蜗杆10同轴固连，所述蜗杆10与蜗轮11啮合传动；所述爬行装置包括支撑件7、连杆12、伸缩杆14、前连接头15、至少三个推杆13以及与推杆13数量相应的推柱5和推爪6；所述支撑件7固定在壳体3内壁；所述连杆12的一端部与蜗轮11铰接构成曲柄连杆机构，另一端部与伸缩杆14中部铰接；所述伸缩杆14由壳体前端面2和支撑件7共同支撑并可在连杆12的带动下沿轴向往复运动，其前端伸出壳体前端面2并与前连接头15连接；所述至少三个推柱5通过轴套4沿径向均匀定位在壳体3的同一圆周上，所述至少三个推杆13的一端与伸缩杆14的中间分别铰接，其另外一端与相应推柱5的内端铰接，所述每个推柱5可在相应推杆13的带动下沿径向往复运动；所述每个推爪6的形状为与壳体3形状吻合的瓦状，其内表面中部与相应推柱5的外端固连；所述至少三个推爪6可将壳体3外表面周向覆盖；所述每个后方体节的前连接头15和其前方体节的后连接头16之间为活动连接。

上述拱洞及蠕动爬行机构还包括圆锥体拱土头17，其与最前方体节前连接头15连接。

上述每个后方体节的壳体3直径比其前方体节的壳体3直径大。

上述首尾相连的所有体节外表面包覆一个弹性非金属波纹管。

上述推杆13、推柱5和推爪6的数量各为四个，所述四个推杆13、推柱5和推爪6沿壳体3圆周均布。

上述推杆13、推柱5和推爪6的数量还可各为八个，包括设置在壳体3前部且沿圆周均布的各四个推杆13、推柱5和推爪6以及设置在壳体3后部且沿圆周均布的另外各四个推杆13、推柱5和推爪6。

上述推爪6的外表面为凹凸不平的摩擦面。

上述推爪6的外表面可设置有胶垫18。

上述前连接头15和壳体前端面2之间的伸缩杆14上可套有压力弹簧1。

本发明具有如下优点：

1、结构简单。本发明由电动机提供前进动力，通过简单的机械结构组合同时完成拱洞和爬行动作，结构简单。

2、功率小，力量大。采用连杆机构的增力特性设计出挤压土质的机构；同时，利用多体节连续扩孔的方法，降低了一次成孔所需要的动力。解决了以往管道施工设备需要很大功率才能工作的技术问题。

3、管道孔径可选择。根据需要，只要最后一个体节的推爪伸出直径与管道直径相同，即可形成所需的管道孔径。

4、应用范围宽。本发明可采用所有体节直径相同的组合结构，它可以完成管道中行进或穿线的任务，还可以采用后体节的直径比前体节直径依次增大的组合结构，完成地下管线铺设、探测等任务。

5、使用寿命长。本发明采用组合式结构，任何一部分的损坏不影响其它部分的功能，只需更换受损的拱土头或体节即可修复；另外，在体节的外表面设置一层弹性非金属波纹管，其为一次性使用，可减少土壤中的异物对体节造成的损伤。

6、可实现后退。对于需要后退的环境，只要本发明的最后几个体节直径相同，就可实现反方向蠕动爬行。

7、可转向。各体节之间为活动连接，允许在一定范围内旋转，因此本发明可以在弯曲管道中行走。

附图说明

图1是本发明单体节结构示意图；

图2是本发明在管道中穿行的拱洞及蠕动爬行机构的推爪外形示意图；

图3是本发明工作过程示意图；

图4是本发明多体节组合示意图；

其中：1-压力弹簧，2-壳体前端面，3-壳体，4-轴套，5-推柱，6-推爪，7-支撑件，8-蜗轮支撑，9-电动机，10-蜗杆，11-蜗轮，12-连杆，13-推杆，14-伸缩杆，15-前连接头，16-后连接头，17-拱土头，18-胶垫。

具体实施方式

本发明可以衍生出不同的组合方式，其中每个体节的结构均可参考图1。

第一种组合方式是土壤中施工的拱洞及蠕动爬行机构，参见图4包括多个首尾依次相连的体节；每个体节均包括壳体3、后连接头16、驱动装置、圆锥体拱土头17以及爬行装置；壳体3为两端封闭的圆筒状结构；后连接头16固定在壳体3的后端面中部；驱动装置设置在壳体3内，其包括电动机9、蜗杆10和蜗轮11；电动机9的输出轴与蜗杆10同轴固连，蜗杆10与蜗轮11啮合传动；蜗轮11通过蜗轮11支撑8定位在壳体3上；爬行装置包括支撑件7、连杆12、伸缩杆14、前连接头15、六个推杆13以及与六个推柱5和六个推爪6；连杆12的一端部与蜗轮11铰接构成曲柄连杆机构，另一端部与伸缩杆14中部铰接；伸缩杆14由壳体前端面2和支撑件7共同支撑并可在连杆12的带动下沿轴向往复运动，其前端伸出壳体前端面2并与前连接头15连接；支撑件7固定在壳体3内壁；六个推柱5分为前排三个推柱5和后排三个推柱5，分别通过轴套4沿径向均匀定位在壳体3的圆周上，前排推杆13的一端与伸缩杆14中间分别铰接，其另外一端与相应推柱5的内端铰接，后排推杆13的一端与伸缩杆14中间分别铰接，其另外一端与相应推柱5的内端铰接，每个推柱5均可在相应推杆13的带动下沿径向往复运动；每个推爪6的形状为与壳体3形状吻合的瓦状，其外表面为凹凸不平的摩擦面，其内表面中部与推柱5的外端固连；该六个推爪6可将壳体3外表面周向覆盖，组合成为前小后大的锥形；每个后方体节的前连接头15和其前方体节的后连接头16之间活动连接；圆锥体拱土头17设置在最前方体节的连接头15上；每个体节的前连接头15和壳体前端面2之间的伸缩杆14上套有压力弹簧1作为伸缩杆14缩回时的储能装置；每个后方体节的壳体3直径比其前方体节的壳体3直径大；为了减少上壤中的异物对体节造成的损伤，首尾相连的所有体节外表面可包覆一个弹性非金属波纹管。

该种组合的拱洞及蠕动爬行机构在拱土头破土的基础上，通过多体节依次扩孔，形成所需孔径，拱土头的直径应该比紧随其后的体节的直径小，最后一节体节的成孔直径选择与所需孔径的大小相同。其单体节中推爪缩回时内表面与壳体吻合，外表面形状组合成为锥形。

第二种组合方式是管道中穿行的拱洞及蠕动爬行机构，其与土壤中施工的拱洞及蠕动爬行机构的不同在于：其多个首尾依次相连的体节的直径可以一致；其最前方的前连接头15上可以没有拱土头，在推爪6的外表面上设置的是一层弹性胶垫18，参见图2；所有推爪6缩回时外表面组合成圆筒状。

在该组合方式中，因其只需达到管道内行走的目的，体节的数量不一定太多，最少可以是两个体节，其体节直径相同；体节推爪的伸出直径比管道半径略小，推爪缩回时组合成外形区别于拱土时的组合方式，为圆柱形，如图2所示为一个推爪6的剖视图，并在推爪6外贴有一定厚度的胶垫；另外不需要拱土头；由于体节间球铰接，所以在管道中爬行时，有一定弯度的管道可自适应行走。本发明的工作原理：

本发明拱洞及蠕动爬行机构，属仿生机器人领域，是一种功能性模仿蚯蚓蠕动爬行机构。这种蠕动式爬行机构通过拱土头破土，利用不同体节爬行装置的连续作用，一个方面扩出要求孔径的孔洞，另一方面不断夯实孔壁，其中为了提高在同样驱动力作用下推爪的推力，本发明用连杆的增力特性实现径向胀紧，通过体节与土壁胀紧产生的摩擦力提供前进时需要的后座力，采用了多体节规律动作来实现机器人的逐渐扩孔和连续行走。它可以应用在非开挖铺管施工，可以探索地下矿藏，实施井下救援，还可以在极其隐蔽的情况下代替人工完成战场上的探测、侦察、爆破等任务。

本发明的仿生学原理：

蚯蚓运动时几个体节成一组，当纵肌收缩时，环肌舒张，体节缩短，体腔压力升高，刚毛伸出；而相邻体节组则纵肌舒张，环肌收缩，体腔压力下降，刚毛收回；如此交替作用，使身体蠕动前进，并能以相反方向后退。

仿照蚯蚓的蠕动爬行，要实现径向膨胀和纵向伸缩的动作。由图1可知，在蜗轮上作用驱动力矩，则伸缩杆做轴向运动，推柱、推爪做径向运动。

为了达到需要的洞口径尺寸，设计每个体节的结构相同，在尺寸上略有增加，利用各体节逐节加粗来逐渐扩孔。第n节比第n-1节扩孔的口径略有增加。利用每节扩孔来分散一次性成孔所需要的力。机器人在一个动作周期内最后一节体节的径向膨胀即决定了孔洞的大小。

本机器人主体机构在蚯蚓的蠕动爬行机理基础上，通过对各体节机构轴向伸缩和径向膨胀的规律的合理规划，实现了蠕动爬行动作。运动规划方案是将机构的运动周期分为0T→1/4T、1/4T→1/2T、1/2T→3/4T、3/4T→T四个阶段。设计四个概念性图标分别代表机构在四个位置时的特征，它们分别是：曲柄处于0°时，机构表现为轴向缩短、径向收缩，用

表示；同理曲柄处于90°时，用

表示；曲柄处于180°时，用 表示；曲柄处于270°时，用

表示。图3中用设的四种符号代表机构进行运动规划。

Claims (10)

1、一种拱洞及蠕动爬行机构，其特征在于：其包括至少两个首尾依次相连的体节；所述每个体节均包括壳(3)、后连接头(16)、驱动装置以及爬行装置；所述壳体(3)为两端封闭的圆筒状结构；所述后连接头(16)固定在壳体(3)后端面中部；所述驱动装置设置在壳体(3)内，其包括驱动电机、蜗杆(10)和蜗轮(11)；所述电动机(9)的输出轴与蜗杆(10)同轴固连，所述蜗杆(10)与蜗轮(11)啮合传动；所述爬行装置包括支撑件(7)、连杆(12)、伸缩杆(14)、前连接头(15)、至少三个推杆(13)以及与推杆(13)数量相应的推柱(5)和推爪(6)；所述支撑件(7)固定在壳体(3)内壁；所述连杆(12)的一端部与蜗轮(11)铰接构成曲柄连杆机构，另一端部与伸缩杆(14)中部铰接；所述伸缩杆(14)由壳体前端面(2)和支撑件(7)共同支撑并可在连杆(12)的带动下沿轴向往复运动，其前端伸出壳体前端面(2)并与前连接头(15)连接；所述至少三个推柱(5)通过轴套(4)沿径向均匀定位在壳体(3)的同一圆周上，所述至少三个推杆(13)的一端与伸缩杆(14)的中间分别铰接，其另外一端与相应推柱(5)的内端铰接，所述每个推柱(5)可在相应推杆(13)的带动下沿径向往复运动；所述每个推爪(6)的形状为与壳体(3)形状吻合的瓦状，其内表面中部与相应推柱(5)的外端固连；所述至少三个推爪(6)可将壳体(3)外表面周向覆盖；所述每个后方体节的前连接头(15)和其前方体节的后连接头(16)之间为活动连接。

2、根据权利要求1所述的拱洞及蠕动爬行机构，其特征在于：所述每个后方体节的壳体(3)直径比其前方体节的壳体(3)直径大。

3、根据权利要求1所述的拱洞及蠕动爬行机构，其特征在于：所述拱洞及蠕动爬行机构还包括圆锥体拱土头(17)，其与最前方体节前连接头(15)连接。

4、根据权利要求3所述的拱洞及蠕动爬行机构，其特征在于：所述每个后方体节的壳体(3)直径比其前方体节的壳体(3)直径大。

5、根据权利要求1或2或3或4所述的拱洞及蠕动爬行机构，其特征在于：所述首尾相连的所有体节外表面包覆一个弹性非金属波纹管。

6、根据权利要求5所述的拱洞及蠕动爬行机构，其特征在于：所述推杆(13)、推柱(5)和推爪(6)的数量各为四个，所述四个推杆(13)、推柱(5和推爪(6)沿壳体(3)圆周均布。

7、根据权利要求5所述的拱洞及蠕动爬行机构，其特征在于：所述推杆(13)、推柱(5)和推爪(6)的数量各为八个，包括设置在壳体(3)前部且沿圆周均布的各四个推杆(13)、推柱(5)和推爪(6)以及设置在壳体(3)后部且沿圆周均布的另外各四个推杆(13)、推柱(5)和推爪(6)。

8、根据权利要求5所述的拱洞及蠕动爬行机构，其特征在于：所述推爪(6)的外表面为凹凸不平的摩擦面。

9、根据权利要求5所述的拱洞及蠕动爬行机构，其特征在于：所述推爪(6)的外表面设置有胶垫(18)。

10、根据权利要求6或7或8或9所述的拱洞及蠕动爬行机构，其特征在于：所述前连接头(15)和壳体前端面(2)之间的伸缩杆(14)上套有压力弹簧(1)。

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