CN103216192A - 一种具有地下探测功能的螺旋钻进机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有地下探测功能的螺旋钻进机器人，包括对土壤进行切削并提供前进动力的螺旋钻进系统，调整钻进方向的转向系统，探测机器人周围环境的探测系统，处理探测信息并对运动进行调控的控制系统；钻进系统与转向系统联接，控制系统与探测系统、钻进系统、转向系统之间设置通讯联接。机器人能够在地下自由钻进和转向，利用探测系统实时探测周围环境，从而调整运动方向。机器人通过复合电缆与地面设备相连，获取能量并反馈信息，便于地面工作人员实施远程实时监控。该机器人结构紧凑、运动灵活，能够在地下封闭环境中钻进，并对周围环境及特定目标进行探测，适用于地下勘探、矿难搜救等。
Description
技术领域
本发明属于机器人探测技术领域，具体涉及一种具有地下探测功能的螺旋钻进机器人。
背景技术
资源是兴国安邦的重要条件，矿藏的勘探和开采已成为国家国土资源开发、规划的重要依据。随着煤矿资源的不断开发，矿难事故屡屡发生。同时，地震、恐怖活动和各种突发事故等引发的灾害也经常发生。在事故救援中，时间非常宝贵，然而由于技术水平落后，无法迅速获得被困或遇难人员位置信息，而现场环境复杂，温度、氧气含量、CO等有害气体含量等因素都会延误救援人员工作的开展。但现有机器人大多采用轮式、履带式、足式，不具备钻掘功能，需要沿着建筑物废墟空隙或地下巷道等非闭塞空间环境中行进，应用范围受到限制。为解决这一问题，许多国家都开始钻探机器人的研发。
例如我国哈尔滨工程大学设计了基于蠕动原理的冲击拱泥机器人和西北工业大学设计的陆上仿蚯蚓拱泥机器人，都采用冲击方式克服土壤阻力，并借助传感器反馈机器人的位置和状态，在地面进行调控。日本开发了一种用于地质勘探的小型钻掘机器人“Digbot”，采用“双重反转钻头”的设计，但钻进力有限，且不具备转向功能。与此同时，现有的钻进机器人大多通过地面设备进行探测。机器人搭载的超声波距离传感器、摄像头等设备不能够良好的识别机器人的周边环境，不利于机器人自动化的实现。
因此研究和开发一种能耗低、控制方便，能够在地下封闭环境中灵活移动，并对周围环境及特定目标进行探测的机器人，有助于地下勘探、矿难搜救的进行，具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有地下探测功能的螺旋钻进机器人，能够在泥土中钻进和转向，探测系统可以对机器人前方的环境进行检测，并根据探测信息自动调整运动方向。机器人可用于地下勘探，地震、矿难搜救。一般钻孔的直径为100~600mm，钻孔长度为20~100m，探测距离0.3~5m。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种具有地下探测功能的螺旋钻进机器人，所述机器人包括对土壤进行切削并提供前进动力的螺旋钻进系统，调整钻进方向的转向系统，探测机器人周围环境的探测系统，处理探测信息并对运动进行调控的控制系统；钻进系统与转向系统联接，控制系统与探测系统、钻进系统、转向系统之间设置通讯联接；其中：
所述对土壤进行切削并提供前进动力的螺旋钻进系统位于机器人本体27内，包括圆锥形螺旋钻头1、圆柱形螺旋钻体6和尾部端盖止转机构13，所述圆锥形螺旋钻头1顶部设有切削刀片2，圆锥形螺旋钻头1用于打碎土块和向后输送土壤；圆柱形螺旋钻体6在旋转时向后挤压土壤，同时利用土壤的反作用力提供机器人前进的推进力；圆锥形螺旋钻头1通过销钉21和钻头轴20一端连接，钻头轴20另一端通过万向节19联接转轴17；转轴17通过弹性联轴器15与直流无刷电机11联接；转轴17通过行星齿轮组16将动力传给圆柱形螺旋钻体6，行星齿轮组16中的外齿轮通过螺钉和圆柱形螺旋钻体6固定在一起；电机固定架10通过螺钉固定在圆柱形螺旋钻体6上，尾部端盖止转机构13通过螺纹联接和圆柱形螺旋钻体6固定在一起，左挡板7和右挡板8通过螺钉固定在行星齿轮组16两侧，左挡板7和右挡板8内部置有深沟球轴承以支承转轴17，左斜柱体3内置有一对背靠背安装的双列角接触球轴承12用来限制钻头轴20的轴向移动，双列角接触球轴承12支承圆柱形螺旋钻体6并承受钻体所受轴向力；
所述调整钻进方向的转向系统包括左斜柱体3、右斜柱体4和圆转板18；所述左斜柱体3、右斜柱体4之间通过滚动轴承23联接，右斜柱体4通过轴承支撑圆转板18，所述右斜柱体4和圆转板18通过转向齿轮组5与步进电机9联接；圆锥形螺旋钻头1与圆柱形螺旋钻体6通过波纹管联接，防止土壤进入机器人内部；
所述探测机器人周围环境的探测系统为脉冲雷达系统，所述脉冲雷达系统包括电源稳压器、中央控制单元28、时序逻辑单元CPLD29、脉冲生成电路30、发射天线31、接收天线32和信号采集电路33，所述中央控制单元28是一具有多通道串口的主控制器，分别与时序逻辑单元CPLD29和信号采集电路33联接，负责控制雷达的运行和通讯；所述时序逻辑元件CPLD29分别与中央控制单元28、脉冲生成电路30、信号采集电路33联接，用以产生稳定时序间隔的逻辑脉冲；所述脉冲生成电路30联接发射天线31和电源稳压器，在CPLD逻辑信号的激励下产生电压脉冲信号；所述信号采集电路33联接接收天线32，对回波信号进行接收采集；所述探测机器人周围环境的探测系统安装在尾部端盖止转机构13的内腔，所述中央控制单元28通过复合缆线24与计算机控制设备26联接。
本发明中，所述中央控制单元28为单片机AT89S52。
本发明中，所述时序逻辑单元CPLD29为EPM240T100C5。
本发明中，所述中央控制单元28和信号采集电路33之间设有RAM存储器34，RAM存储器34与所述中央控制单元28、时序逻辑元件CPLD29、信号采集电路33相连，用于缓存A/D转换后的数字信号。
本发明中，所述脉冲生成电路30为4级雪崩三极管MARX电路，三极管型号为MMBT3904；供电电压56V，负载电阻R2-R3为51Ω，电阻R4-R10为30KΩ，级间电容C2-C5为100pF，锐化电容C6-C7为5pF。
本发明中，所述发射天线31与所述接收天线32为同一天线，为锥面等角螺旋天线；所述圆锥形螺旋钻头1顶部的切削刀片2为双螺旋结构。所述锥面等角螺旋天线安装在切削刀片的表面。
本发明中，所述探测系统还可添加或更换为金属探测器、红外摄像头等探测装置。
本发明中，：所述机器人尾部的复合缆线24通过尾部端盖止转机构13的通孔14联接供能设备25和计算机控制设备26。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、机器人具有钻进和转向装置，采用螺旋钻进提高了机器人钻进的推动力，转向装置使机器人的运动更加灵活、可以调整钻进方向、避开障碍。
2、转向机构采用“双驱动万向节”的设计，利用一对相互旋转运动的斜面来改变钻头在空间内的方向，从而改变机器人运动方向。结构简单紧凑，提高了稳定性的同时也利于机器人的小型化。
3、机器人搭载有雷达探测系统，穿透土壤对机器人前方环境、目标及障碍物进行检测。便于机器人及时对运动路径进行调整，也为地下钻进机器人行进的自动化提供了技术基础。
4、雷达收发天线小型化，并与机器人外形结构一体化，避免了天线对机器人钻进过程的阻碍。
5、机器人还可以搭载扩展其他功能模块，如金属探测装置、红外CCD摄像头、超声波探测器、生命探测装置等。
附图说明
图1为本发明实施例的机器人总体工作示意图；
图2为本发明实施例中机器人钻进部分示意图；
图3为本发明实施例中机器人转向部分示意图；
图4为本发明实施例中脉冲雷达系统的结构示意图；
图5为本发明实施例中探测系统扩展金属探测器、红外CCD摄像头后的结构示意图；
图6为本发明实施例中脉冲生成电路的电路示意图；
图7为本发明实施例中雷达发射天线的结构示意图。
图中标号：1、圆锥形螺旋钻头；2、切削刀片；3、左斜柱体；4、右斜柱体；5、转向齿轮组；6、圆柱形螺旋钻体；7、左挡板；8、右挡板；9、步进电机；10、电机固定架；11、直流无刷电机；12、双列角接触球轴承；13、尾部端盖止转机构；14、通孔；15、弹性联轴器；16、行星齿轮组；17、转轴；18、圆转板；19、万向节；20、钻头轴；21、销钉；22、轴承挡板；23、滚动轴承；24、复合缆线；25、供能设备；26、计算机控制设备；27、机器人本体；28、中央控制单元；29、时序逻辑单元(CPLD)；30、脉冲生成电路；31、发射天线；32、接收天线；33、信号采集电路；34、缓存器；35、振荡电路；36、放大电路；37、探测线圈；38、霍尔元件；39、放大检波电路；40、数据转换电路；41、微型红外摄像头。
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。
实施例1：参照图1，本发明实施例一种具有地下探测功能的螺旋钻进机器人系统方案主要由机器人本体27、复合缆线24、计算机控制设备26和供能设备25这四部分组成。其中，机器人本体27拥有钻进系统、转向系统能够实现机器人在泥土中的自由钻进和转向，探测系统能够实时探测周围环境，控制系统根据探测信息和地面指令对机器人的运动进行调整。复合缆线24能够传输信号和能量。计算机控制设备26使地面工作人员实时了解地下环境，对机器人本体27进行调控。供能设备25提供机器人地下运动、探测所需的能量。
参照图2，机器人钻进部分主要包括圆锥形螺旋钻头1、圆柱形螺旋钻体6、尾部端盖止转机构13三部分。圆锥形螺旋钻头1后部采用中空结构，钻头表面设置有切削刀片2，用于打碎土块和向后输送土壤；圆柱形螺旋钻体6在旋转时向后挤压土壤，同时利用土壤的反作用力推动机器人前进。直流无刷电机11直接为圆锥形螺旋钻头1提供动力，同时经过行星齿轮组16减速后为圆柱形螺旋钻体6提供动力。直流无刷电机11与转轴17通过弹性联轴器15联接，转轴17经过万向节19联接钻头轴20，钻头轴20通过销钉21和圆锥形螺旋钻头1联接；转轴17通过行星齿轮组16将动力传给圆柱形螺旋钻体6；行星齿轮组12中的外齿轮和圆柱形螺旋钻体6通过螺钉固定在一起。电机固定架10通过螺钉固定在圆柱筒6上；尾部端盖止转机构13通过螺纹联接和圆柱筒6固定在一起；左挡板7和右挡板8内部置有深沟球轴承以支承转轴17；左斜柱体3内置有一对背靠背安装的角接触球轴承用来限制钻头轴20的轴向移动；双列角接触球轴承12支承圆柱形螺旋钻体6并承受钻体所受轴向力。
参照图3，机器人转向部分主要由左斜柱体3、右斜柱体4和圆转板18构成。右斜柱体4和圆转板18由步进电机9通过两组齿轮副实现不同转速，圆转板18带动左斜柱体3一起转动，实现左、右两斜柱体相对转动，由于左、右两斜柱体旋转轴不共线，从而实现钻头的偏转。所述右斜柱体4和圆转板18通过转向齿轮组5与步进电机9联接，左斜柱体3、右斜柱体4之间通过滚动轴承23联接，钻头轴20与转轴17之间通过万向节19联接，右斜柱体4通过轴承支撑圆转板18，钻头轴20通过一对角接触球轴承限制其轴向移动。圆锥形螺旋钻头1与圆柱形螺旋钻体6通过波纹管联接，防止土壤进入机器人内部。
参照图4，机器人探测系统采用脉冲雷达探测系统。主要包括电源稳压器、中央控制单元28、时序逻辑单元CPLD 29、脉冲生成电路30、发射天线31、接收天线32和信号采集电路33。所述中央控制单元28与时序逻辑单元CPLD 29、信号采集电路33联接，控制整个雷达系统的发射、接收、信号采集、数据传输等。所述时序逻辑单元CPLD29还与脉冲生成电路30、信号采集电路33联接，负责产生稳定时序间隔的逻辑脉冲，协调信号发射、采集、数据传输的起止时间，确保各部分有序工作。所述脉冲生成电路30连接发射天线31和电源稳压器，在时序逻辑单元CPLD29的激励下产生电压脉冲信号，该电压脉冲信号通过发射天线31发射；所述信号采集电路33连接接收天线32，对回波信号进行接收采集。所述探测系统电路安装在尾部端盖止转机构13的内腔，所述中央控制单元28通过复合缆线24与计算机控制设备26连接。
本发明实施例中，所述中央控制单元可为单片机AT89S52。单片机与时序逻辑单元CPLD的采用双通信接口，单片机向时序逻辑单元CPLD发送控制指令，并接受时序逻辑单元CPLD的状态反馈信号，二者协调控制电路各模块有序工作。单片机与缓存器联接，分次读取缓存器中缓存的数据信息。单片机通过USB接口电路与计算机控制设备通讯。同时单片机还用于控制多种探测模式的切换开关，实现多探测方式的协调工作。
本发明实施例中，所述时序逻辑单元CPLD可为EPM240T100C5，其相当于8650门CPLD，有I/O引脚80个，支持4个时钟信号，可擦写十万次以上。CPLD主要用于生成100KHz的触发信号TRI_1，用于触发脉冲生成电路产生高压脉冲信号。同时CPLD产生步进延时脉冲发生器AD9501所需要的触发信号TRI_2、锁存信号LATCH、步进延时控制字，控制步进延时脉冲发生器产生延时为0.1ns的步进延时脉冲，从而等效采样最大频率为2GHz的回波信号。时序逻辑单元CPLD联接缓存器，产生A/D转换后的数据存储地址，使采集转换后的数据保存在相应的存储器地址中，便于单片机分次读取。
参照图6，所述脉冲生成电路为4级雪崩三极管MARX电路。其中，三极管Q1-Q4选用MMBT3904，其集-射极击穿电压BVCEO为40V，集-基极击穿电压BVCBO为60V。供电电压56V，热敏电阻R1为10Ω，负载电阻R2-R3为51Ω，电阻R4-R10为30KΩ。电容C1为1000pF，级间电容C2-C5为100pF，锐化电容C6-C7为5pF。输出脉冲负峰值28V，脉宽0.95ns，主频率高达1GHz。输出脉冲经发射天线发射。
信号采集电路33由步进延时脉冲发生器、取样放大电路和A/D转换电路三部分组成。冲击脉冲探地雷达的回波信号频率较高，一般从几兆赫兹到几千兆赫兹，虽然现阶段研发了高速A/D转换器，但高速电路对电路、设备的性能要求较高，价格昂贵。因此采用等效采样技术采集回波信号。 AD9051为8位数字可编程脉冲延时器，最小延时分辨率为10ps，延时范围为2.5ns-10us。步进延时脉冲发生器采用双AD9051配合方式，构成16位数字可编程脉冲延时器，其最大等效采样频率为100GHz，最大采样时窗为600ns-100ms。选用等效采样频率为10GHz，采样时窗100ns。取样放大电路采用四关管平衡取样门，由肖特基二极管组成。接收天线接受的信号经取样放大后，传输给宽带运算放大器LT1316，使输入信号转换成-2.5V至2.5V的电压信号，传递到A/D转换电路。A/D转换电路选用14位高速转换器LTC1419，其分辨率为305.2uV，最大采样速率为800KHz，最大采样时间为1250ns。在转换完成时，通过状态信号BUSY通知CPLD进行数据读取。LTC1419数据存储或读写时间小于1us，且采集数据量较大，单片机直接读取存储不能满足需求，因此选用双口RAM作为数据缓存器。选用RAM型号为CY7C015。其存储空间为8K×16bit；具有13位地址线，左13位地址线联接CPLD，右13位地址线联接单片机；16位数据线能够一次性存储A/D转换器LTC1419转换后的14位数据，再由单片机分次读取，节省了数据存储时间，保证了采样转换的高速连贯。
参照图7，所述发射天线与所述接收天线为同一天线，采用锥面等角螺旋天线结构。天线外径10cm时，有效工作频段为0.5~8GHz，驻波比不大于3，轴比不大于3dB。当选用其他尺寸的圆锥形螺旋钻头时，可通过改变螺旋天线臂长调节带宽。增大螺旋天线臂长可以降低天线工作频段；增大圆锥形螺旋钻头的锥角以及在圆锥形螺旋钻头的背腔内填充吸波材料可以提高天线的前后辐射比，增强单向辐射性。所述圆锥形螺旋钻头1顶部的切削刀片2采用双螺旋结构。锥面等角螺旋天线安装在切削刀片的表面，表面覆盖绝缘涂层，保证与切削刀片、土壤间良好绝缘。天线内侧端作为天线馈电点，由引线接入圆锥形螺旋钻头，联接脉冲生成电路。
雷达探测系统的工作流程可以简述为：
步骤一，计算机控制设备向单片机发送控制信号，雷达主控系统开始工作。
步骤二，单片机接到指令后向CPLD发出控制信号，CPLD开始工作，CPLD产生发射电路所需的触发脉冲TRI_1；以及控制步进延时脉冲器的时序信号TRI_2、锁存信号LATCH、16位步进延时控制字。
步骤三，脉冲生成电路在TRI_1的触发下生成电压脉冲信号；由发射天线发射，探测机器人前方目标环境。
步骤四，接收天线接收回波信号并传递给取样放大电路；经取样放大后的回波信号进入A/D转换器。
步骤五，步进延时脉冲器产生步进延时信号CONVST，控制A/D转换的启始；转换完成后，将14位数字信号存储在缓存器RAM中，并发送状态信号BUSY给CPLD。
步骤六，CPLD向单片机发送读取数据指令，单片机从缓存器RAM中读取数据，并输给计算机控制设备。
步骤七，计算机控制设备对数据进行处理并显示回波信号的波形。
参照图5，本发明实施例中，所述探测系统还可以添加或更换为其他探测装置。如将金属探测器的探测线圈装在转向机构外侧，通过振荡电路35、放大电路36生成稳定的交变电压，激励探测线圈37产生磁场。当机器人前方存在金属物体时，金属的涡流现象对探测磁场产生干扰；位于锥形螺旋钻头内腔的霍尔元件38将探测磁场的变化转变成电压信号，经放大检波电路38后，传输给单片机；单片机根据设定程序调整机器人的运动，同时将探测信息反馈到地面计算机控制设备。在机器人锥形螺旋钻头内可安装微型红外CCD摄像头41，在锥形螺旋钻头侧壁上开孔，并用透明材料密封，配合红外LED光源，对地下空洞、废墟孔穴进行可视探测。多种探测方式配合使用，拓展了机器人的探测功能和应用范围。
参照图1，所述机器人尾部拖有复合缆线，包含电源线、信号线和引线；所述复合缆线通过尾部端盖止转机构的通孔联接供能设备和计算机控制设备。从而实现机器人的长时间工作和地面工作人员对机器人远程实时监控。
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 (8)
1.一种具有地下探测功能的螺旋钻进机器人，其特征在于：所述机器人包括对土壤进行切削并提供前进动力的螺旋钻进系统，调整钻进方向的转向系统，探测机器人周围环境的探测系统，处理探测信息并对运动进行调控的控制系统；钻进系统与转向系统联接，控制系统与探测系统、钻进系统、转向系统之间设置通讯联接；其中：
所述对土壤进行切削并提供前进动力的螺旋钻进系统位于机器人本体(27)内，包括圆锥形螺旋钻头（1）、圆柱形螺旋钻体（6）和尾部端盖止转机构（13），所述圆锥形螺旋钻头（1）顶部设3有切削刀片（2），圆锥形螺旋钻头（1）用于打碎土块和向后输送土壤；圆柱形螺旋钻体（6）在旋转时向后挤压土壤，同时利用土壤的反作用力提供机器人前进的推进力；圆锥形螺旋钻头（1）通过销钉（21）和钻头轴（20）一端连接，钻头轴（20）另一端通过万向节（19）联接转轴（17）；转轴（17）通过弹性联轴器（15）与直流无刷电机（11）联接；转轴（17）通过行星齿轮组（16）将动力传给圆柱形螺旋钻体（6），行星齿轮组（16）中的外齿轮通过螺钉和圆柱形螺旋钻体（6）固定在一起；电机固定架（10）通过螺钉固定在圆柱形螺旋钻体（6）上，尾部端盖止转机构（13）通过螺纹联接和圆柱形螺旋钻体（6）固定在一起，左挡板（7）和右挡板（8）通过螺钉固定在行星齿轮组（16）两侧，左挡板（7）和右挡板（8）内部置有深沟球轴承以支承转轴（17），左斜柱体（3）内置有一对背靠背安装的双列角接触球轴承（12）用来限制钻头轴（20）的轴向移动，双列角接触球轴承（12）支承圆柱形螺旋钻体（6）并承受钻体所受轴向力；
所述调整钻进方向的转向系统包括左斜柱体（3）、右斜柱体（4）和圆转板（18）；所述左斜柱体（3）、右斜柱体（4）之间通过滚动轴承（23）联接，右斜柱体（4）通过轴承支撑圆转板（18），所述右斜柱体（4）和圆转板（18）通过转向齿轮组（5）与步进电机（9）联接；圆锥形螺旋钻头（1）与圆柱形螺旋钻体（6）通过波纹管联接；
所述探测机器人周围环境的探测系统为脉冲雷达系统，所述脉冲雷达系统包括电源稳压器、中央控制单元（28）、时序逻辑单元CPLD（29）、脉冲生成电路（30）、发射天线（31）、接收天线（32）和信号采集电路（33）；所述中央控制单元（28）是一具有多通道串口的主控制器，分别与时序逻辑单元CPLD（29）和信号采集电路（33）联接，负责控制雷达的运行和通讯；所述时序逻辑单元CPLD（29）分别中央控制单元（28）、脉冲生成电路（30）、信号采集电路（33）联接，用以产生稳定时序间隔的逻辑脉冲；所述脉冲生成电路（30）联接发射天线（31）和电源稳压器，在时序逻辑单元CPLD逻辑信号的激励下产生电压脉冲信号；所述信号采集电路（33）联接接收天线（32），对回波信号进行接收采集；所述探测机器人周围环境的探测系统安装在尾部端盖止转机构（13）的内腔，所述中央控制单元（28）通过复合缆线（24）与计算机控制设备（26）联接。
2.根据权利要求1所述的具有地下探测功能的螺旋钻进机器人，其特征在于：所述中央控制单元（28）为单片机AT89S52。
3.根据权利要求1所述的具有地下探测功能的螺旋钻进机器人，其特征在于：所述时序逻辑单元CPLD（29）为EPM240T100C5。
4.根据权利要求1所述的具有地下探测功能的螺旋钻进机器人，其特征在于：所述中央控制单元(28)和信号采集电路(33)之间设有RAM存储器（34），RAM存储器（34）与所述中央控制单元（28）、时序逻辑单元CPLD（29）、信号采集电路（33）相连，用于缓存A/D转换后的数字信号。
5.根据权利要求1所述的具有地下探测功能的螺旋钻进机器人，其特征在于：所述脉冲生成电路（30）为4级雪崩三极管MARX电路，三极管型号为MMBT3904；供电电压56V，负载电阻R2-R3为51Ω，电阻R4-R10为30KΩ；级间电容C2-C5为100pF，锐化电容C6-C7为5pF。
6.根据权利要求1所述的具有地下探测功能的螺旋钻进机器人，其特征在于：所述发射天线（31）与所述接收天线（32）为同一天线，为锥面等角螺旋天线；所述圆锥形螺旋钻头（1）顶部的切削刀片（2）为双螺旋结构；所述锥面等角螺旋天线安装在切削刀片的表面。
7.根据权利要求1所述的具有地下探测功能的螺旋钻进机器人，其特征在于：所述探测系统还可添加或更换为金属探测器或红外摄像头。
8.根据权利要求1所述的具有地下探测功能的螺旋钻进机器人，其特征在于：所述机器人尾部的复合缆线（24）通过尾部端盖止转机构（13）的通孔（14）联接供能设备（25）和计算机控制设备（26）。
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Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103913775A (zh) * | 2014-03-26 | 2014-07-09 | 中国矿业大学 | 一种基于金属探测成像的采煤机工况环境可视化装置 |
| CN105223629A (zh) * | 2015-10-15 | 2016-01-06 | 同济大学 | 微型地下蛇行自盾构探测机器人 |
| EP3028779A1 (en) | 2014-12-01 | 2016-06-08 | Vysoká Skola Bánská - Technická Univerzita Ostrava | Device comprising autonomous system providing analysis and flow of bulk material |
| CN104727749B (zh) * | 2015-01-29 | 2016-10-19 | 同济大学 | 蠕动钻地机器人 |
| CN106677708A (zh) * | 2016-11-24 | 2017-05-17 | 上海工程技术大学 | 具备岩石薄片鉴定功能的石油勘探用钻井钻头系统及方法 |
| CN107115612A (zh) * | 2017-04-28 | 2017-09-01 | 苏州商信宝信息科技有限公司 | 一种基于目标物制定灭火策略的消防机器人 |
| CN109356522A (zh) * | 2018-12-14 | 2019-02-19 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种地外天体用旋转自钻进装置 |
| CN111122215A (zh) * | 2018-10-30 | 2020-05-08 | 哈尔滨工业大学 | 一种刷式小行星表面星壤采样装置 |
| CN111911149A (zh) * | 2020-08-31 | 2020-11-10 | 中国科学院空间应用工程与技术中心 | 一种基于仿生技术的分离内杆式深层月壤钻进装置 |
| CN112349078A (zh) * | 2021-01-11 | 2021-02-09 | 湖南联智科技股份有限公司 | 一种重力式地下空洞自动化监测报警方法 |
| CN113374407A (zh) * | 2021-07-23 | 2021-09-10 | 西南石油大学 | 一种基于反馈控制的预击穿-储能放电破岩系统 |
| CN116499791A (zh) * | 2023-05-11 | 2023-07-28 | 山东省地质矿产勘查开发局第一地质大队（山东省第一地质矿产勘查院） | 一种地质调查用土壤取样器 |
| CN117803384A (zh) * | 2024-02-28 | 2024-04-02 | 山西三水能源股份有限公司 | 一种浅层地热数据采集装置 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108846999B (zh) * | 2018-07-01 | 2020-04-17 | 林文辉 | 一种黏土壤掩埋求生信号发生装置 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1887535A (zh) * | 2005-06-30 | 2007-01-03 | 上海市延安中学 | 一种矿难救护辅助机器人 |
| US20080135292A1 (en) * | 2006-12-07 | 2008-06-12 | Schlumberger Technology Corporation | Apparatus for eliiminating net drill bit torque and controlling drill bit walk |
| CN102518395A (zh) * | 2011-12-09 | 2012-06-27 | 同济大学 | 一种自推进式钻地机器人 |
| DE202012005973U1 (de) * | 2012-06-21 | 2012-11-15 | GIB - Gesellschaft für Innovationen im Bauwesen mbH | Erdwurm |
-
2013
- 2013-04-17 CN CN201310132371.0A patent/CN103216192B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1887535A (zh) * | 2005-06-30 | 2007-01-03 | 上海市延安中学 | 一种矿难救护辅助机器人 |
| US20080135292A1 (en) * | 2006-12-07 | 2008-06-12 | Schlumberger Technology Corporation | Apparatus for eliiminating net drill bit torque and controlling drill bit walk |
| CN102518395A (zh) * | 2011-12-09 | 2012-06-27 | 同济大学 | 一种自推进式钻地机器人 |
| DE202012005973U1 (de) * | 2012-06-21 | 2012-11-15 | GIB - Gesellschaft für Innovationen im Bauwesen mbH | Erdwurm |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 孟庆鑫等: ""穿地龙"机器人总体方案分析与研究", 《哈尔滨工程大学学报》, vol. 24, no. 3, 30 June 2003 (2003-06-30), pages 292 - 295 * |
| 杨鹏春等: "地下钻进机器人研究与发展趋势", 《机械设计》, vol. 29, no. 11, 30 November 2012 (2012-11-30), pages 1 - 4 * |
Cited By (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103913775B (zh) * | 2014-03-26 | 2015-07-08 | 中国矿业大学 | 一种基于金属探测成像的采煤机工况环境可视化装置 |
| CN103913775A (zh) * | 2014-03-26 | 2014-07-09 | 中国矿业大学 | 一种基于金属探测成像的采煤机工况环境可视化装置 |
| CZ307405B6 (cs) * | 2014-12-01 | 2018-08-01 | Vysoká Škola Báňská - Technická Univerzita Ostrava | Zařízení zahrnující autonomní systém zajišťující analýzu a tok sypké hmoty |
| EP3028779A1 (en) | 2014-12-01 | 2016-06-08 | Vysoká Skola Bánská - Technická Univerzita Ostrava | Device comprising autonomous system providing analysis and flow of bulk material |
| CN104727749B (zh) * | 2015-01-29 | 2016-10-19 | 同济大学 | 蠕动钻地机器人 |
| CN105223629A (zh) * | 2015-10-15 | 2016-01-06 | 同济大学 | 微型地下蛇行自盾构探测机器人 |
| CN105223629B (zh) * | 2015-10-15 | 2017-08-25 | 同济大学 | 微型地下蛇行自盾构探测机器人 |
| CN106677708B (zh) * | 2016-11-24 | 2019-08-30 | 上海工程技术大学 | 具备岩石薄片鉴定功能的石油勘探用钻井钻头系统及方法 |
| CN106677708A (zh) * | 2016-11-24 | 2017-05-17 | 上海工程技术大学 | 具备岩石薄片鉴定功能的石油勘探用钻井钻头系统及方法 |
| CN107115612A (zh) * | 2017-04-28 | 2017-09-01 | 苏州商信宝信息科技有限公司 | 一种基于目标物制定灭火策略的消防机器人 |
| CN111122215A (zh) * | 2018-10-30 | 2020-05-08 | 哈尔滨工业大学 | 一种刷式小行星表面星壤采样装置 |
| CN109356522A (zh) * | 2018-12-14 | 2019-02-19 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种地外天体用旋转自钻进装置 |
| CN111911149A (zh) * | 2020-08-31 | 2020-11-10 | 中国科学院空间应用工程与技术中心 | 一种基于仿生技术的分离内杆式深层月壤钻进装置 |
| CN111911149B (zh) * | 2020-08-31 | 2021-08-24 | 中国科学院空间应用工程与技术中心 | 一种基于仿生技术的分离内杆式深层月壤钻进装置 |
| CN112349078A (zh) * | 2021-01-11 | 2021-02-09 | 湖南联智科技股份有限公司 | 一种重力式地下空洞自动化监测报警方法 |
| CN113374407A (zh) * | 2021-07-23 | 2021-09-10 | 西南石油大学 | 一种基于反馈控制的预击穿-储能放电破岩系统 |
| CN116499791A (zh) * | 2023-05-11 | 2023-07-28 | 山东省地质矿产勘查开发局第一地质大队（山东省第一地质矿产勘查院） | 一种地质调查用土壤取样器 |
| CN116499791B (zh) * | 2023-05-11 | 2023-08-29 | 山东省地质矿产勘查开发局第一地质大队（山东省第一地质矿产勘查院） | 一种地质调查用土壤取样器 |
| CN117803384A (zh) * | 2024-02-28 | 2024-04-02 | 山西三水能源股份有限公司 | 一种浅层地热数据采集装置 |
| CN117803384B (zh) * | 2024-02-28 | 2024-05-07 | 山西三水能源股份有限公司 | 一种浅层地热数据采集装置 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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