CN102518395A - 一种自推进式钻地机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自推进式钻地机器人，包括实现对土壤的切削和输送的钻入系统，提供运动能力的动力系统，对钻入系统和动力系统进行控制的控制系统；动力系统通过传动装置与钻入系统连接，控制系统与动力系统及钻入系统之间设置通信连接。在电机驱动下，机器人通过支撑足的推动可实现前进和转向。此外，机器人自带探测装置、陀螺仪和控制电路板，使用组合缆传递动力源和信息，利于地上人员对机器人实施远程实时监控。该机器人机构简单，结构紧凑，自带钻头和排土装置，利用自推进方式运动，能够顺利钻入地下并可在土壤中自由行进和转向，适用于地下矿藏探寻，地质勘探和地震、矿难救援等。

Description

一种自推进式钻地机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种可用于地下矿藏探寻、地质勘探和地震、矿难救援等方面的自推进式钻地机器人。

背景技术

我国是世界上少数矿产资源大国之一，然而大多数矿产资源储藏于地下或海底，人们很难直接发现储藏地点进行开采；另外，我国地震灾害、矿难事故时有发生，受害者往往被困于建筑物废墟下或地下，救援人员和设备难于直接到达受害者，对救援工作造成很大困难。地下、海底或建筑物废墟等环境是人不能直接达到或不允许人直接进入的，而且在地面搭设大型开挖设备，往往具有费时、能耗大、成本高和受地面环境条件限制等缺点。

机器人作为信息技术和先进制造技术的典型代表，已成为世界各国竞相发展的技术领域，而地下钻探机器人更是成为近年来国内外研究的热点。此前国内已经研制出用于地下铺管的非开挖“穿地龙”特种作业机器人和用于海底沉船打捞的拱泥机器人，此类机器人动力源一般为液动或气动，结构上都采用往复冲击挤压泥土前进，具有能耗高、控制系统复杂等缺点。国内一所大学设计出一种土质环境下仿蚯蚓拱洞机器人，具有三个可轴向移动和径向胀缩的体节，模仿蚯蚓蠕动爬行方式钻进，然而这种机器人还处于理论研究和虚拟模拟阶段，距离实用化还有较大差距。日本开发了一种用于地质勘测的小型钻掘机器人“Digbot”，该机器人采用“双重反转钻头”的设计，用来消除钻进过程中泥土的阻力矩，机器人后部采用电磁螺线管提供机器人前进推力，但是这种方法提供的推力有限，而且不具备转向功能。美国研制出一种自推进深孔钻进设备，分为前后两节，采用仿尺蠖运动方式前进，用于地外行星探测也可用于地球上进行地下钻进，但是该机器人结构复杂，制造成本昂贵，不适合大批量生产应用。虽然钻地机器人在国内外研究多年，但由于地下土壤环境复杂，对机器人的性能要求高，很多钻地机器人还处于实验室研究阶段。

因此，发明一种功耗低、体积小，而且运动灵活的钻地机器人，可以极大地帮助人们实施有效的地震、矿难救援和地下勘探，具有很大的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自推进式钻地机器人，能在泥土中前进和转向，实现矿藏探寻，地质勘探和地震、矿难救援。一般钻孔的直径为100～600mm，钻孔长度为20～100m。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种在泥土中行进的自推进式钻地机器人，主要由头部、机器人躯体、螺旋杆、支撑足四部分组成，包括实现对土壤的切削和输送的钻入系统，提供运动能力的动力系统，对钻入系统和动力系统进行控制的控制系统，各系统相互配合，共同实现机器人在土壤中的自由行进、转向和探测。

所述钻入系统包括：圆锥形钻头、电机和螺旋杆，所述电机具有双输出轴，通过联接销分别连接圆锥形钻头和螺旋杆。电机外部带有辐板，所述辐板通过螺栓与机器人躯体前挡板连接。所述螺旋杆通过一对吊轴承固定在机器人躯体中心轴线上，所述吊轴承通过螺栓联接固定于机器人内壳体平台上。

所述动力系统包括：机器人躯体、支撑足和滑块，它们之间通过伸缩机构相连。所述机器人躯体由内壳体、外壳体通过前、后挡板焊接在一起，所述前挡板设有螺纹孔，所述后挡板设有通孔。所述内壳体两端设有平台，所述平台上设有螺纹孔，内壳体外部周向均布导轨。所述滑块周向均布凹槽，与内壳体上的导轨相配合，滑块端面设有螺纹孔。

所述控制系统包括：探测装置、陀螺仪和控制电路板，所述探测装置安装在机器人躯体前挡板的内侧，陀螺仪和控制电路板安装于机器人躯体后挡板的内侧。

所述圆锥形钻头采用中空的特殊设计，使切削得到的土屑能够进入钻头内部；优选的，圆锥形钻头和机器人躯体之间可添加破碎机构，限制土颗粒直径，防止螺旋杆输土“卡死”。

所述支撑足由径向伸缩机构和轴向伸缩机构驱动。径向伸缩机构由径向电机、径向丝杆和支撑足组成，所述径向电机和径向丝杆通过销连接在一起，径向电机通过螺钉固定于滑块上，径向丝杆通过轴套和滑块连接，所述支撑足与径向丝杆通过螺纹孔连接，两者构成丝杠螺母机构；轴向伸缩机构由轴向电机、轴向丝杆和滑块组成，所述轴向电机和轴向丝杆通过销连接在一起，轴向电机通过螺钉固定于机器内壳体上，所述滑块与轴向丝杆通过螺纹孔连接，两者构成丝杠螺母机构。

所述机器人躯体外壳体周向均布三个窗口，利于支撑足的轴向和径向运动。

所述支撑足两端有凸块，利于其嵌入孔壁周围土壤中，为机器人提供足够的支撑反作用力。另外，支撑足周围附有弹性防尘罩。

所述机器人尾部拖有组合缆，所述组合缆绕于机器人内部卷筒上，所述卷筒焊接于机器人内壳体上。优选的，所述组合缆包含电源线、信号线和引绳三部分。所述组合缆通过后挡板上通孔连接地上直流电源和计算机控制中心，实现机器人的持续钻进和对机器人运动的远程实时控制。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、机器人具有钻头和排土装置，钻进和排土同时进行，钻进效率高，并利用支撑足支撑孔壁的反作用力推动机器人运动，能够顺利钻入地下并可在土壤中自由行进和转向。

2、通过集成径向和轴向伸缩机构，巧妙的实现了支撑足沿两个方向的运动，结构紧凑，减少了执行机构的数目。

3、可搭载扩展功能模块，如CCD镜头、矿藏探测装置和生命探测装置等，实现对地下环境的探测、探寻矿藏和寻找生命体等。

4、内置收、放组合缆的卷筒装置，消除因拖拽缆线引起的摩擦阻力，防止机器人卡死。

5、该机器人总体机构简单，实施成本低，适用于地下矿藏探寻，地质勘探和地震、矿难救援等任务。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图(未画出防尘罩)。

图2为图1的A-A剖面示意图。

图3为图2的B-B剖面示意图。

图4为本发明实施例中钻头部分示意图。

图5为本发明实施例中躯体部分示意图。

图6为本发明实施例中滑块部分示意图。

图7为本发明实施例中支撑足示意图。

图8a-e为本发明实施例的前进示意图。

图9为本发明实施例的转向示意图。

图中各标号为：1、圆锥形钻头；2、电机；3、探测装置；4、机器人躯体；5、吊轴承；6、弹性防尘罩；7、轴向电机；8、支撑足；9、轴向丝杆；10、径向丝杆；11、径向电机；12、螺旋杆；13、卷筒；14、组合缆；15、地上计算机控制中心；16、信号线；17、直流电源；18、电源线；19、引绳；20、控制电路板；21、陀螺仪；22、滑块；23、轴套；24、内壳体；25、辐板；26、切削齿；27、平台；28、外壳体；29、导轨；30、通孔；31、后挡板；32、螺纹孔；33、窗口；34、前挡板；35、螺纹孔；36、凹槽；37、螺纹孔；38、凸块；39、螺纹孔。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本发明进一步加以说明。

请参阅图1～7，该实施例自推进式钻地机器人，主要由头部1、机器人躯体4、螺旋杆12、支撑足8四部分组成，包括实现对土壤的切削和输送的钻入系统，提供运动能力的动力系统，对钻入系统和动力系统进行控制的控制系统。

钻入系统包括圆锥形钻头1、电机2和螺旋杆12三部分。钻头1(图4)顶部为螺旋钻头，后部采用中空形式，钻头表面设置有切削齿26，方便切削土壤，同时中空结构利于土屑能进入排土螺旋杆12，并最终从机身尾部排出。所述电机2具有双输出轴，通过联接销分别连接圆锥形钻头1和螺旋杆12，所述电机2带有辐板25，所述辐板25通过螺栓与机器人躯体4前挡板34连接。电机2和螺旋杆12间可添加减速器(简明起见，图中并未画出)以提高螺旋杆12的输土能力。所述钻头1和机器人躯体4之间可添加破碎机构(简明起见，图中并未画出)，限制土颗粒直径，防止螺旋杆12输土“卡死”。用于排土的螺旋杆12两端通过一对吊轴承5固定在机器人躯体4中心轴线上，吊轴承5通过螺栓联接固定于机器人内壳体24的平台27上。由于机器人采用螺旋排土方式，根据工作环境土壤性质，通过优化螺旋杆的螺距、螺旋倾角、外径、芯杆直径和转速等参数，可提高排土效率，另外，通过控制螺旋杆的正、反转可以防止土壤“结实”现象。

所述动力系统包括：机器人躯体4(图5)、支撑足8和滑块22(图6)三部分，三者之间通过伸缩机构相连。所述机器人躯体4由内壳体24、外壳体28通过前、后挡板34、31焊接在一起，所述前挡板34设有螺纹孔35，用于螺栓固定电机2，所述后挡板31设有通孔30；所述内壳体24两端设有平台27，所述平台27上设有螺纹孔32，所述内壳体24外部周向均布三个导轨29；所述滑块22周向均布三个凹槽36，所述凹槽36与内壳体24的导轨29相配合，以实现相对滑动，所述滑块22端面设有螺纹孔37。

上述支撑足8(图7)由径向伸缩机构和轴向伸缩机构驱动。径向伸缩机构由径向电机11和径向丝杆10组成，两者通过销连接在一起，电机11通过螺钉固定于滑块22上，丝杆10通过轴套23和滑块22连接，同时支撑足8中部开有螺纹孔39并与丝杆10构成丝杠螺母机构，在电机11驱动下，支撑足8可沿丝杆10作往复运动。轴向伸缩机构由轴向电机7和轴向丝杆9组成，两者通过销连接在一起，电机7通过螺钉固定于机器内壳体24上。滑块22端面均布三个螺纹通孔37并与丝杆9构成丝杠螺母机构，同时滑块22通过凹槽36可沿着内壳体24上的导轨29滑动，在电机7驱动下，支撑足8在滑块22带动下可沿丝杆9作往复运动。通过径向伸缩机构和轴向伸缩机构的相互配合，可实现机器人的行进和转向。

上述支撑足8两端有凸块38，以便嵌入周围孔壁土壤中，为机器人提供足够的支撑反作用力，推动机器人前进或转向。在满足结构尺寸要求条件下，上述径向伸缩机构和轴向伸缩机构可由伸缩气缸或伸缩液压缸代替。

所述控制系统包括探测装置3、陀螺仪21和控制电路板20，所述探测装置3安装在机器人躯体4前挡板34内侧，用于探测机器人周边土壤环境；陀螺仪21和控制电路板20固定于机器人躯体4后挡板31内侧，陀螺仪21用于监测机器人位置和体姿变化，控制电路板20收集探测装置3和陀螺仪21的信息，为地上计算机控制中心15提供机器人周围环境信息反馈和自身位置、体姿信息反馈，地上人员通过计算机控制中心15对机器人实施远程实时监控。

除此之外，机器人躯体4周围附有弹性防尘罩6，防止土壤或水进入机器人内部。同时，机器人内置可收、放组合缆14的卷筒13，所述卷筒13焊接于机器人内壳体24上。组合缆14通过机器人躯体4后挡板31上通孔30连接地上装置。所述组合缆14包含电源线18、信号线16和引绳19。电源线18连接机器人控制电路板20和地面直流电源17，信号线16连接机器人控制电路板20和地上计算机控制中心15，以此实现机器人的持续钻进和对机器人运动的远程实时控制。所述引绳19用于防止电源线17和信号线16承受过大拉力而断裂。

工作原理：本发明的自推进式钻地机器人钻、排土机构由具有双输出轴的电机2驱动，圆锥形钻头1切削土壤，切削下的土屑通过钻头中空部分进入螺旋杆12，然后由螺旋杆12排出体外；径向伸缩机构和轴向伸缩机构分别由径向电机11和轴向电机7驱动，通过丝杠螺母机构将转动转化为支撑足8或机器人躯体4的平动，按一定的顺序控制电机11、7的正、反转，就可以实现机器人的前进和转向。在机器人钻进过程中，机器人躯体4内部的探测装置3用于探测周围环境，陀螺仪21用于监测机器人位置和体姿变化，并将这些信息通过尾部组合缆14传输给地上计算机控制中心15，使地上人员能够掌握机器人的最新动态。当探测装置3发现前方有石头、孔洞等异物时，工作人员根据陀螺仪21提供的位姿信息，将指令通过组合缆14传输给电路板20，控制机器人躲避障碍物；当发现目标物体时，可以将目标物体的位置信息传输给地上计算机控制中心15，指导后续挖掘工作。

以下具体说明本发明的自推进式钻地机器人的基本运动步骤。

请参阅图8a-e，一个前进的运动周期可以分为6个步骤。

步骤一，如图8a所示，机器人处于初始状态，支撑足8收缩在机器人躯体4内。电机2驱动圆锥形钻头1和螺旋杆12旋转，机器人一方面切削土壤成孔，另一方面通过螺旋杆12将泥土从尾部排出。

步骤二，如图8b所示，电机11驱动丝杆10，使3个支撑足8同时从机器人躯体4内沿径向伸出，并撑紧孔壁，提供足够支撑反作用力。

步骤三，如图8c所示，电机7驱动丝杆9，由于支撑足8撑紧在孔壁上，不能轴向移动，因此，丝杆9沿轴向伸长，带动电机7轴向移动，而电机7固定于内壳体24上，从而带动机器人主体前进距离h。

步骤四，如图8d所示，电机11驱动丝杆10，使3个支撑足8同时沿径向收缩至机器人躯体4内。

步骤五，如图8e所示，电机7驱动丝杆9，由于机器人主体与孔壁之间的摩擦力大于滑块22沿内壳体24的滑动摩擦力，丝杆9带动滑块22沿轴向前进距离h。机器人回到初始状态，即回到步骤一。

至此，完成一个周期的运动，机器人整体向前移动了一个步距h，如此反复，可实现机器人的不断直线前进。

机器人转向运动原理请参阅图9，当支撑足8中任一个支撑足伸出并撑紧孔壁，其余支撑足不动作，而电机7驱动丝杆9运动时，由于作用于单个支撑足上的土壤反力使机器人整体所受力矩不平衡，机身发生相应偏转，从而可以实现转向。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自推进式钻地机器人，其特征在于：包括实现对土壤的切削和输送的钻入系统，提供运动能力的动力系统，对钻入系统和动力系统进行控制的控制系统；动力系统通过传动装置与钻入系统连接，控制系统与动力系统及钻入系统之间设置通信连接。

2.根据权利要求1所述的自推进式钻地机器人，其特征在于：所述钻入系统包括圆锥形钻头(1)、电机(2)和螺旋杆(12)，所述电机(2)具有双输出轴，通过联接销分别连接圆锥形钻头(1)和螺旋杆(12)；所述电机(2)带有辐板(25)，所述辐板(25)通过螺栓与机器人躯体(4)的前挡板(34)连接；所述螺旋杆(12)通过一对吊轴承(5)固定在机器人躯体(4)中心轴线上，所述吊轴承(5)通过螺栓联接固定于机器人内壳体(24)的平台(27)上。

3.根据权利要求1所述的自推进式钻地机器人，其特征在于：所述动力系统包括：机器人躯体(4)、支撑足(8)和滑块(22)，三者之间通过伸缩机构相连；所述机器人躯体(4)由内壳体(24)、外壳体(28)通过前、后挡板(34、31)焊接在一起，所述前挡板(34)设有螺纹孔(35)，所述后挡板(31)设有通孔(30)；所述内壳体(24)两端设有平台(27)，所述平台(27)上设有螺纹孔(32)，所述内壳体(24)外部周向均布导轨(29)；所述滑块(22)周向均布凹槽(36)，所述凹槽(36)与内壳体(24)的导轨(29)相配合，所述滑块(22)端面设有螺纹孔(37)。

4.根据权利要求1所述的自推进式钻地机器人，其特征在于：所述控制系统包括探测装置(3)、陀螺仪(21)和控制电路板(20)，所述探测装置(3)安装在机器人躯体(4)的前挡板(34)内侧；所述陀螺仪(21)和控制电路板(20)安装于机器人躯体(4)的后挡板(31)内侧。

5.根据权利要求2所述的自推进式钻地机器人，其特征在于：所述圆锥形钻头(1)采用中空的结构以使切削得到的土屑能够进入钻头内部；优选的，圆锥形钻头(1)和机器人躯体(4)之间可添加破碎机构，限制土颗粒直径，防止螺旋杆(12)输土“卡死”。

6.根据权利要求3所述的自推进式钻地机器人，其特征在于：所述支撑足(8)由径向伸缩机构和轴向伸缩机构驱动；径向伸缩机构由径向电机(11)、径向丝杆(10)和支撑足(8)组成，所述电机(11)和丝杆(10)通过销连接在一起，电机(11)通过螺钉固定于滑块(22)上，丝杆(10)通过轴套(23)和滑块(22)连接，所述支撑足(8)与丝杆(10)通过螺纹孔(39)连接，两者构成丝杠螺母机构；轴向伸缩机构由轴向电机(7)、轴向丝杆(9)和滑块(22)组成，所述电机(7)和丝杆(9)通过销连接在一起，电机(7)通过螺钉固定于机器内壳体(24)上，所述滑块(22)与丝杆(9)通过螺纹孔(37)连接，两者构成丝杠螺母机构。

7.根据权利要求3所述的自推进式钻地机器人，其特征在于：所述外壳体(28)周向均布三个窗口(33)以利于支撑足(8)的轴向和径向运动。

8.根据权利要求6所述的自推进式钻地机器人，其特征在于：在满足结构尺寸要求等条件下，所述径向伸缩机构和轴向伸缩机构由伸缩气缸或伸缩液压缸代替。

9.根据权利要求6所述的自推进式钻地机器人，其特征在于：所述支撑足(8)两端设置有凸块(38)以利于嵌入孔壁周围土壤中为机器人提供足够的支撑反作用力；优选的，所述支撑足(8)周围附有弹性防尘罩(6)。

10.根据权利要求1所述的自推进式钻地机器人，其特征在于：所述机器人尾部拖有组合缆(14)，所述组合缆(14)绕于卷筒(13)上，所述卷筒(13)焊接于机器人内壳体(24)上；优选的，所述组合缆(14)包含电源线(18)、信号线(16)和引绳(19)；优选的，所述组合缆(14)通过机器人躯体(4)的后挡板(31)上通孔(30)连接地上直流电源(17)、地上计算机控制中心(15)，以此实现机器人的持续钻进和对机器人运动的远程实时控制。

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