CN104727749B - 蠕动钻地机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种蠕动钻地机器人，包括依次连接的电动推杆机构、电机转向机构、钻头机构，所述电动推杆机构和钻头机构的外壁上均分别设有一用于张开和收缩的鳞片装置，电动推杆机构周期伸缩，鳞片装置在土体力的作用下张开或收缩，用于提供钻进方向的支撑反力，电机转向机构调节钻头机构的转向，为日后通过携带传感器深入土壤进行地质勘探、矿难搜索救援或采集土壤样本等任务提供了很好的平台。与现有技术相比，本发明具有结构简单、造价低廉、控制方便等优点。
Description
技术领域
本发明涉及地质资源与地质工程探测领域，尤其是涉及一种蠕动钻地机器人。
背景技术
目前，地质勘探、矿难搜索救援等作业，往往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，因此实际应用效果并不理想。钻地机器人由于其体积小、功耗低、运动灵活等特点，很适合承担地下施工、救援等任务，已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。西北工业大学设计出一种土质环境下仿蚯蚓拱洞机器人，具有三个可轴向伸缩和径向胀缩的体节，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“IDDS”，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。
中国专利CN 203601545U一种双螺旋叶片拱泥机器人，它由：前后拱泥体、左右旋螺旋叶片、第一二平键、第一二液压马达、前后节板、姿态调整机构构成。右旋螺旋叶片固定在前拱泥体上，第一液压马达一端与前拱泥体相连接，另一端固定在前节板上，左旋螺旋叶片固定在后拱泥体上，第二液压马达一端与后拱泥体相连接，另一端固定在后节板上，前拱泥体通过姿态调整机构与后拱泥体相连接。该产品采用双螺旋叶片，能同时完成拱泥、前进、支撑三个动作，姿态调整机构采用并联机构，保证了拱泥机器人在泥土中可靠转向，动力由液压马达与液压缸提供，但是该专利使用两个液压马达，存在结构和控制复杂、能耗大的缺点。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种蠕动钻地机器人，结构简单，能够实现在地下自推进和调整方向，为日后通过携带传感器深入土壤进行地质勘探、矿难搜索救援或采集土壤样本等任务提供了很好的平台。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种蠕动钻地机器人，包括电动推杆机构和钻头机构，还包括电机转向机构，电动推杆机构、电机转向机构和钻头机构依次连接，所述电动推杆机构和钻头机构的外壁上均分别设有一用于张开和收缩的鳞片装置，电动推杆机构周期伸缩，鳞片装置在土体力的作用下张开或收缩，用于提供钻进方向的支撑反力，电机转向机构调节钻头机构的转向。
所述鳞片装置包括依次设置的张开阻挡件、转动轴和收缩阻挡件，所述转动轴上设有多个用于张开和收缩的鳞片。
所述鳞片的表面为平面或者具有弧度的曲面。
所述电动推杆机构包括电动推杆安装壳和用于伸缩的电动推杆，所述电动推杆的末端固定于电动推杆安装壳的内腔，电动推杆的顶端连接电机转向机构，所述鳞片装置设于电动推杆安装壳外壁的末端。
所述电动推杆机构的末端设有传感器搭载腔。
所述电机转向机构包括电机安装壳和步进行星减速电机，所述电机安装壳的末端通过固定支座连接电动推杆机构，所述步进行星减速电机固定于电机安装壳的内腔，并通过联轴器连接钻头机构。
所述电机安装壳与钻头机构之间的两个接触面为斜面，两个接触面之间设有用于传动的推力轴承。
所述钻头机构包括第一传动杆件、第二传动杆件和钻头，所述第一传动杆件的顶端连接第二传动杆件的末端，末端连接电机转向机构，所述第二传动杆件的顶端连接钻头的内腔，所述鳞片装置设于钻头外壁的末端。
所述第一传动杆件的顶端通过双节万向节连接第二传动杆件的末端。
所述电动推杆机构和电机转向机构之间安装用于密封的波纹管。
本发明由电动推杆提供在土壤中钻进的动力，当电动推杆伸出时，一方面，电动推杆安装壳及其附件向后运动，此时电动推杆安装壳上的鳞片在土壤的作用下，绕着转动轴转动，逐渐张开，最后抵在张开阻挡件上，电动推杆机构的鳞片装置呈完全张开状态，另一方面，电机安装壳及钻头机构向前运动，钻头上的鳞片在土壤的作用下，绕着转动轴转动，逐渐收缩，最后抵在收缩阻挡件上，钻头机构的鳞片装置呈收缩状态，大大减小了钻地机器人前进时的阻力，这样，电动推杆在伸出的过程中，电动推杆安装壳及其附件向后运动的阻力逐渐增大，最后鳞片卡阻于土壤之中，提供钻地机器人钻进破解土壤时的支撑反力，电机安装壳及钻头部分向前运动的阻力逐渐减小，有利于钻头破解土壤不断钻进。同理，电动推杆收缩时，一方面，电动推杆安装壳及其附件向前运动，电动推杆安装壳上的鳞片装置在土壤的作用下逐渐收缩，不断减小其向前运动的阻力，另一方面，电机安装壳及钻头机构向后运动，钻头上的鳞片装置逐渐展开，最后卡阻于土壤中，阻碍其向后运动。蠕动钻地机器人通过电动推杆不断的伸缩运动，配合鳞片装置的张开或收缩，获得在土壤中蠕动钻进的效果。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明通过电动推杆与鳞片装置的配合，实现钻地机器人的蠕动前进，而鳞片装置的张开和收缩无需专门的动力机构进行驱动，这使得钻地机器人的结构更加简单，利于机构内的布线及密封等，同时相比液动或气动的动力源，电动推杆提供稳定、恒定的推力；
2)本发明中鳞片装置的形状尺寸可有不同，鳞片主体是可绕转动轴转动的片状物，鳞片表面可以是平面或者是具有一定弧度的曲面等等，从而保证鳞片张开时可以提供足够的支撑反力，同时曲面可以减少与土体的阻力，便于收缩，从而实现钻地机器人的钻进；
3)本发明在电动推杆安装壳和电机安装壳之间安装波纹管，可以起到密封作用，避免土壤进入钻地机器人内部，结构可靠；
4)本发明中电机安装壳和钻头之间的接触平面为一斜面，即此平面的法线与电机安装壳的轴线具有一定角度，两接触面通过推力轴承传动，当二者发生转动时，钻头轴心线与电机安装壳轴心线之间的角度将发生变化，通过控制步进行星减速电机的转动角度便可调整钻头的转向姿态，克服现有技术不具有转向功能的缺陷，实现调整钻进方向，实用性强；
2)本发明结构简单，造价低廉，控制方便，在电动推杆安装壳尾部设置有传感器搭载腔，便于搭载探地雷达、通信装置等，适用于松软土壤环境中执行地质勘探、矿难救援搜索等任务，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的外观示意图；
图2为本发明的剖视图；
图3为本发明鳞片装置的示意图；
图4为本发明鳞片装置中鳞片的示意图；
图5为本发明钻进过程的示意图；
图6为本发明转向时的示意图。
图中：1、传感器搭载腔，2、第一紧定销钉，3、电动推杆安装壳，4、电动推杆，5、第二紧定销钉，6、固定支座，7、电机安装壳，8、推力轴承，9、联轴器，10、第一传动杆件，11、双节万向节，12、第二传动杆件，13、钻头，14、步进行星减速电机，15、张开阻挡件，16、转动轴，17、鳞片，18、收缩阻挡件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1、图2所示，一种蠕动钻地机器人包括电动推杆机构、电机转向机构、钻头机构，电动推杆机构包括电动推杆安装壳3、用于伸缩的电动推杆4和第一鳞片装置，电子转向机构包括电机安装壳7和步进行星减速电机14，钻头机构包括第一传动杆件10、第二传动杆件12、钻头13和第二鳞片装置。其连接关系为：
电动推杆4的基座安置于电动推杆安装壳3内，并通过第一紧定销钉2固定，电动推杆4可作伸缩运动，电动推杆4的顶端通过第二紧定销钉5连接于固定支座6上，固定支座6与电机安装壳7通过螺栓连接，电机安装壳7内安装有步进行星减速电机14，步进行星减速电机14通过联轴器9与第一传动杆件10连接，第一传动杆件10通过双节万向节11与第二传动杆件12连接，第二传动杆件12通过螺钉与钻头13固定连接，钻头13与电机安装壳7之间通过推力轴承8传动，电动推杆安装壳3的外壁上安装有第一鳞片装置，钻头13的外壁上安装有第二鳞片装置。
如图3所示，第一鳞片装置和第二鳞片装置均由若干鳞片17、转动轴16、张开阻挡件15、收缩阻挡件18构成，在张开阻挡件15和收缩阻挡件18限定的范围内，鳞片17可绕着转动轴16转动。在土壤的作用下，当鳞片装置处于收缩状态时，鳞片17抵在收缩阻挡件18上，大大减小了蠕动钻地机器人前进时的阻力当，鳞片17抵在收缩阻挡件18上时，鳞片17与电动推杆安装壳3或钻头13的轴心线具有一定的角度，这样在进入下一运动阶段时，鳞片17便于在土壤的作用下进入张开状态；当鳞片装置处于张开状态时，鳞片17张开并抵在张开阻挡件15上，鳞片17在钻地机器人运动方向上具有较大的投影面积，可以提供钻机机器人钻进时的支撑反力。
鳞片装置的形状尺寸可有不同。鳞片17主体是可绕转动轴16转动的片状物，鳞片17表面可以是平面或者是具有一定弧度的曲面等等，其中，行进方向上设置光滑曲面，可以减小阻力，曲面的弧度根据行进过程具体设置，如图4所示，图3中鳞片17为六个，均布在电动推杆安装壳3和钻头13的外壁上，其张开时提供一个稳定的、沿整个钻地机器人中心轴方向的支撑反力，保证行进方向稳定，另外，电动推杆4的行程也可以根据实际效果进行调整，这些参数对机器人钻进时的力学性能都有影响。
步进行星减速电机14的驱动实现钻地机器人的转向，如图6所示，步进行星减速电机14、联轴器9、第一传动杆件10、双节万向节11、第二传动杆件12和钻头13依次连接，而电机安装壳7和钻头13之间的接触面为一斜面，即此接触面的法线与电机安装壳7的轴线具有一定角度α，本实施例中该角度α取15°，这样钻头13实际可转动范围为0-30°，两接触面通过推力轴承8传动，当二者发生转动时，钻头13轴心线与电机安装壳7轴心线之间的角度将发生变化，通过控制步进行星减速电机14的转动角度便可调整钻头13的转向姿态，其中，角度α根据实际效果在0-45°范围内进行调整，即钻头13在0-90°范围内调整(钻头13转动范围与角度α成两倍关系)。
上述钻地机器人由电动推杆4提供在土壤中钻进的动力，电动推杆4周期性伸缩，如图5所示，一个周期的工作工程包括：
a)最大伸出状态：电动推杆4由初始状态伸出到最大伸出状态，一方面，电动推杆安装壳3及其附件向后运动，此时电动推杆安装壳3上的鳞片17在土壤的作用下，绕着转动轴16转动，逐渐张开，最后抵在张开阻挡件15上，第一鳞片装置呈完全张开状态，另一方面，电机安装壳7及钻头13向前运动，钻头13上的鳞片17在土壤的作用下，绕着转动轴16转动，逐渐收缩，最后抵在收缩阻挡件18上，第二鳞片装置呈收缩状态，大大减小了钻地机器人前进时的阻力，这样，电动推杆4在伸出的过程中，电动推杆安装壳3及其附件向后运动的阻力逐渐增大，最后第一鳞片装置卡阻于土壤之中，提供钻地机器人钻进破解土壤时的支撑反力，第二鳞片装置逐渐收缩，电机安装壳7及钻头13部分向前运动的阻力逐渐减小，有利于钻头13破解土壤不断钻进。
b)收缩动作：电动推杆4收缩时，一方面，电动推杆安装壳3及其附件向前运动，第一鳞片装置在土壤的作用下逐渐收缩，不断减小其向前运动的阻力，另一方面，电机安装壳7及钻头13向后运动，第二鳞片装置逐渐展开。
c)最大收缩状态：此时，第一鳞片装置的鳞片17收缩并抵住收缩阻挡件18，第二鳞片装置的鳞片17张开并抵住张开阻挡件15，卡阻于土壤中，阻碍其向后运动。
d)伸出动作：电动推杆4伸出时，同a)，第一鳞片装置的鳞片17逐渐张开，第二鳞片装置的鳞片17逐渐收缩。
e)最大伸出状态：最后同a)的最大伸出状态，完成一个周期的钻进，钻进距离为S，综上，蠕动钻地机器人通过电动推杆4不断的伸缩运动，配合鳞片装置的张开或收缩，获得在土壤中蠕动钻进的效果。
在电动推杆安装壳3和电机安装壳7之间安装波纹管，可以起到密封作用，避免土壤进入钻地机器人内部。
在电动推杆安装壳3尾部设置有传感器搭载腔1，便于搭载探地雷达、通信装置等，为日后通过携带传感器深入土壤进行地质勘探、矿难搜索救援或采集土壤样本等任务提供了很好的平台。
Claims (10)
1.一种蠕动钻地机器人，包括电动推杆机构和钻头机构，其特征在于，还包括电机转向机构，电动推杆机构、电机转向机构和钻头机构依次连接，所述电动推杆机构和钻头机构的外壁上均分别设有一用于张开和收缩的鳞片装置，电动推杆机构周期伸缩，鳞片装置在土体力的作用下张开或收缩，用于提供钻进方向的支撑反力，电机转向机构调节钻头机构的转向。
2.根据权利要求1所述的蠕动钻地机器人，其特征在于，所述鳞片装置包括依次设置的张开阻挡件(15)、转动轴(16)和收缩阻挡件(18)，所述转动轴(16)上设有多个用于张开和收缩的鳞片(17)。
3.根据权利要求2所述的蠕动钻地机器人，其特征在于，所述鳞片(17)的表面为平面或者具有弧度的曲面。
4.根据权利要求1所述的蠕动钻地机器人，其特征在于，所述电动推杆机构包括电动推杆安装壳(3)和用于伸缩的电动推杆(4)，所述电动推杆(4)的末端固定于电动推杆安装壳(3)的内腔，电动推杆(4)的顶端连接电机转向机构，位于电动推杆机构外壁的鳞片装置设于电动推杆安装壳(3)外壁的末端。
5.根据权利要求1或4所述的蠕动钻地机器人，其特征在于，所述电动推杆机构的末端设有传感器搭载腔(1)。
6.根据权利要求1所述的蠕动钻地机器人，其特征在于，所述电机转向机构包括电机安装壳(7)和步进行星减速电机(14)，所述电机安装壳(7)的末端通过固定支座(6)连接电动推杆机构，所述步进行星减速电机(14)固定于电机安装壳(7)的内腔，并通过联轴器(9)连接钻头机构。
7.根据权利要求6所述的蠕动钻地机器人，其特征在于，所述电机安装壳(7)与钻头机构之间的两个接触面为斜面，两个接触面之间设有用于传动的推力轴承(8)。
8.根据权利要求1所述的蠕动钻地机器人，其特征在于，所述钻头机构包括第一传动杆件(10)、第二传动杆件(12)和钻头(13)，所述第一传动杆件(10)的顶端连接第二传动杆件(12)的末端，末端连接电机转向机构，所述第二传动杆件(12)的顶端连接钻头(13)的内腔，位于钻头机构外壁的鳞片装置设于钻头(13)外壁的末端。
9.根据权利要求8所述的蠕动钻地机器人，其特征在于，所述第一传动杆件(10)的顶端通过双节万向节(11)连接第二传动杆件(12)的末端。
10.根据权利要求1所述的蠕动钻地机器人，其特征在于，所述电动推杆机构和电机转向机构之间安装用于密封的波纹管。
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2015
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