CN106078716A - 一种具有钻地功能的蛇形机器人 - Google Patents

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张鹏涛
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Abstract

本发明公开了一种具有钻地功能的蛇形机器人，工作时首先第二壳体保持不动状态，第一电机旋转，通过输出轴带动第一壳体以及钻头旋转，安装在箱体之间的直线电机推动杆伸长，推动第一壳体向前钻进，同时第二壳体表面的螺旋叶片不旋转作为支撑片，提供支撑反力，第一壳体向前运动一段距离s后停止，此时电机第一壳体保持不动状态，第二电机开始旋转带动第二壳体旋转，直线电机输出杆回收，拉动第二壳体向前运动，第二壳体前进相同距离s后停止运动。当需要转弯或者俯仰时，可根据所需转弯和俯仰角度的大小来控制不同直线电机的输出长度，来实现相应的运动。本发明安全可靠、简单易行,实现了蛇形机器人的钻地功能。

Description

一种具有钻地功能的蛇形机器人
技术领域
本发明公开了一种具有钻地功能的蛇形机器人，具体涉及一种可在地下土壤、沙地等环境钻进运动的蛇形机器人。
背景技术
随着科技的不断发展，蛇形机器人作为新型可移动的柔性机器人。以其具有多步态运动能力且能够适应复杂多变的环境的特点，成为机器人领域的一个研究热点，特别是蛇形机器人的易于伪装、隐蔽性高、结构紧密和高集成化等特点，使其能够满足侦察、巡逻等军事需求，并且可通过空中投放到敌方阵地，利用自身携带的图像采集设备完成侦察任务，未来的蛇形机器人还可装备一定的弹药完成攻击或自爆等任务。
目前已有的具有钻地功能的机器人“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，此类机器人使用气动或液动驱动,结构上都采用往复冲击挤压泥土前进,能耗较高、可靠性较低，控制系统复杂，严重制约工程实践应用。目前研制的蛇形机器人，大多数针对地面运动和攀爬运动而设计，不具备钻地功能，而未来面对军事侦察、抢险救灾等特种复杂任务，在地下土壤里运动是一项重要功能，因此设计一款简单、可靠的钻地机器人有着现实工程需求。
中国专利文献201510046831.7公开的《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,该钻地机器人有一个重要缺点就是鳞片打开收缩时，需要克服较大的土壤阻力，受力面积大所需能耗极大，并且鳞片也比较容易损坏，并且在钻地时没有松土装置，阻力较大。当前尚未有其他高效、简单、合理的钻地机器人。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：现有蛇形机器人主要是实现地面运动功能和攀爬功能，绝大多数没有钻地功能，现有的蠕动钻地机器人在实现地下运动时，克服阻力较大、能耗较高、鳞片容易损坏，实用性不强。针对现有钻地机器人的不足，本发明提供的钻地蛇形机器人，具有结构简单、可靠性高、运动灵活等特点。
本发明的技术方案是：一种具有钻地功能的蛇形机器人，包括钻头1、第一壳体2、第二壳体9、螺旋叶片3、套筒4、第一电机6、第二电机10、第一箱体16、第二箱体11、关节轴承12和直线电机13；钻头1和第一壳体2连接，第一壳体2内部设有套筒4，第一壳体2未连接钻头1的一端连接有第一箱体16，第一箱体16内设有第一电机6，第一电机6的输出轴和套筒通过键连接，将第一壳体2和第一箱体16连接；第二壳体9和第一壳体2相对的一端连接有第二箱体11，第二箱体11内设有第二电机10，第二壳体9内设有套筒4，第二电机10的输出轴和套筒4通过键连接，将第二壳体9和第二箱体11连接；四个所述直线电机13位于第一箱体16和第二箱体11之间，且沿第一壳体2的轴线周向均布；第一壳体2和第二壳体9外壁上缠有螺旋叶片3；第一壳体2在第一电机6带动下进行旋转，在直线电机13作用下带动钻头1轴向前进；第一壳体2停止运动时，第二壳体9在第二电机10作用下旋转，并由直线电机13带动向第一壳体2靠拢；通过控制四个所述直线电机13沿直线电机输出杆的输出长度，完成本装置的转弯或俯仰运动。
本发明进一步的技术方案是：所述两个箱体之间连接有蒙皮14，用于抵挡外界土壤、沙粒。
本发明进一步的技术方案是：所述两个箱体内均设有关节轴承，直线电机连接于关节轴承。
本发明进一步的技术方案是：所述两个箱体内的电机通过螺钉固连在箱体中。
本发明进一步的技术方案是：所述钻头1和第一壳体2为粘接。
本发明进一步的技术方案是：第一壳体2和第一箱体16的连接是通过套筒4和第一电机6输出轴的键连接而连接。
本发明进一步的技术方案是：所述第二箱体11和第二壳体9的连接是通过套筒4和第二电机10输出轴的键连接而连接。
本发明进一步的技术方案是：当壳体运动时，螺旋叶片的作用为松动土壤、螺旋钻进；当壳体静止不动时，螺旋叶片起到支撑作用。
发明效果
本发明的技术效果在于：本发明采用螺旋钻进原理，利用螺旋叶片在不同状态分别实现钻进和支撑功能，依靠直线电机的推动力，在两者共同作用下实现钻地功能，其中还可通过直线电机的输出长度不同，来实现蛇形机器人的转弯和俯仰，本发明结构简单，能耗较低，适合在土壤、沙地等地下结构运动，未来具有较大的工程实践应用前景。
附图说明
图1是本发明所述的可钻地蛇形机器人。
其中：1—钻头、2—第一壳体、3—螺旋叶片、4—套筒、5—第一电机输出轴、6—第一电机、7—螺钉、8—电机安装支架、9—第二壳体、10—第二电机、11—第二箱体、12—关节轴承、13—直线电机、14—蒙皮、15—直线电机输出杆、16—第一箱体。
具体实施方式
一种具有钻地功能的蛇形机器人，主要由钻头1、第一壳体2、螺旋叶片3、套筒4、第一电机输出轴5、第一电机6、螺钉7、电机安装支架8、第二壳体9、第二电机10、第二箱体11、关节轴承12、直线电机13、蒙皮14、直线电机输出杆15、第一箱体16组成。在工作时，首先第二壳体9保持不动状态，第一电机6旋转，通过第一电机输出轴5带动第一壳体2以及钻头1旋转，钻头和第一壳体粘接固定，安装在两个箱体之间的直线电机13开始工作，直线电机输出杆15伸出，推动第一箱体前进，第一壳体上固定有套筒4，第一箱体和第一壳体通过电机输出轴和套筒的键连接而连接在一起，因此第一箱体前进推动第一壳体向前钻进，第一壳体的螺旋叶片旋转松土并向后排土，同时第二壳体9表面的螺旋叶片作为支撑片，提供支撑作用，让直线电机推动第一壳体前进，第一壳体2向前运动一段距离s后停止(由外部控制器无线控制)，此时第一电机6停止工作，第一壳体2保持不动状态，第二电机10开始旋转并通过输出轴带动第二壳体9旋转，直线电机的输出杆收缩带动第二箱体11向前运动，第二箱体带动第二壳体向前运动，此时第一壳体2的螺旋叶片提供支撑反力，第二壳体9前进相同距离s后停止运动。至此一个运动循环结束，随后重复这个运动过程可一直进行钻进。直线电机推动装置由关节轴承12、直线电机13、直线电机输出杆15组成，箱体上安装关节轴承，直线电机和箱体之间通过关节轴承连接。
两个箱体间连接有蒙皮14，在地下钻进过程中，将外界环境和内部环境隔开，防止土壤进入机器人体内，影响机器人正常工作。第一电机和第二电机安装支架8安装在箱体内，第一和第二电机相同的，直线电机是推动壳体前进的，连接于两个箱体之间，共4个且型号一样，90°均布放置，第一电机第二电机安装在箱体壁上，带动壳体旋转并使用螺钉7固定在箱体壁上。
下面结合附图对本发明作详细的描述：
参阅图1，本发明所述的可钻地蛇形机器人，主要由钻头1、第一壳体2、螺旋叶片3、套筒4、第一电机输出轴5、第一电机6、螺钉7、电机安装支架8、第二壳体9、第二电机10、第二箱体11、关节轴承12、直线电机13、蒙皮14、直线电机输出杆15、第一箱体16组成。
工作过程如下所述，在进行直线运动时，首先第二电机10不工作使第二壳体9保持不动状态，第一电机6旋转，通过第一电机输出轴5带动第一壳体2以及钻头1旋转，钻头和第一壳体粘接固定，安装在两个箱体之间的直线电机开始工作，直线电机输出杆15伸长，推动第一箱体16前进，第一壳体上固定有套筒4，第一箱体和第一壳体通过电机输出轴和套筒的键连接而连接在一起，因此第一箱体前进推动第一壳体向前钻进，同时第二壳体9表面的螺旋叶片作为支撑片，提供支撑作用，第一壳体2上的螺旋叶片旋转松土并向后排土，直线电机推动第一壳体2向前运动一段距离s后停止，此时第一电机6停止工作，并且第一壳体2保持不动状态，第二电机10开始旋转并通过第二电机的输出轴带动第二壳体旋转，直线电机缩回输出杆，拉动第二箱体11向前运动，第二箱体带动第二壳体前进，此时第一壳体的螺旋叶片提供支撑作用，第二壳体的螺旋叶片旋转松土并向后排土，第二壳体前进相同距离s后停止运动。至此一个运动过程结束，随后重复这个运动过程可一直进行钻进。当需要转弯或者俯仰时，可根据所需转弯和俯仰角度来控制4个直线电机的输出长度，来实现相应的运动。需要左转时，可让右侧的直线电机输出杆伸出长度大于左侧直线电机输出杆伸出长度，根据两侧伸出长度差的不同，可以实现不同转弯角度，同理右转时，左侧直线电机输出杆伸出长度大于右侧直线电机输出杆伸出长度。需要仰起运动时，可让下侧的直线电机输出杆伸出长度大于上侧直线电机输出杆伸出长度，根据两侧直线电机输出杆伸出长度差的不同，可以实现不同仰起角度，同理俯下运动时，上侧直线电机输出杆伸出长度大于下侧直线电机输出杆伸出长度。
直线电机通过关节轴承和前后两个箱体连接，直线电机可推动壳体前进，也可实现转弯俯仰运动，直线电机提供较大推力，推动壳体克服阻力前进。
在两个箱体之间连接包裹有蒙皮14，通过蒙皮隔离外界土壤和机器人内部环境，防止土壤等杂物影响电机工作，并且蒙皮具有可伸缩性，类似于皮筋，当蛇形机器人运动时，随着两个壳体距离变化而蒙皮伸缩。

Claims (8)

1.一种具有钻地功能的蛇形机器人，其特征在于，包括钻头(1)、第一壳体(2)、第二壳体(9)、螺旋叶片(3)、套筒(4)、第一电机(6)、第二电机(10)、第一箱体(16)、第二箱体(11)、关节轴承(12)和直线电机(13)；钻头(1)和第一壳体(2)连接，第一壳体(2)内部设有套筒(4)，第一壳体(2)未连接钻头(1)的一端连接有第一箱体(16)，第一箱体(16)内设有第一电机(6)，第一电机(6)的输出轴和套筒通过键连接，将第一壳体(2)和第一箱体(16)连接；第二壳体(9)和第一壳体(2)相对的一端连接有第二箱体(11)，第二箱体(11)内设有第二电机(10)，第二壳体(9)内设有套筒(4)，第二电机(10)的输出轴和套筒(4)通过键连接，将第二壳体(9)和第二箱体(11)连接；四个所述直线电机(13)位于第一箱体(16)和第二箱体(11)之间，且沿第一壳体(2)的轴线周向均布；第一壳体(2)和第二壳体(9)外壁上缠有螺旋叶片(3)；第一壳体(2)在第一电机(6)带动下进行旋转，在直线电机(13)作用下带动钻头(1)轴向前进；第一壳体(2)停止运动时，第二壳体(9)在第二电机(10)作用下旋转，并由直线电机(13)带动向第一壳体(2)靠拢；通过控制四个所述直线电机(13)沿直线电机输出杆的输出长度，完成本装置的转弯或俯仰运动。
2.如权利要求1所述的一种具有钻地功能的蛇形机器人，其特征在于，所述两个箱体之间连接有蒙皮(14)，用于抵挡外界土壤、沙粒。
3.如权利要求1所述的一种具有钻地功能的蛇形机器人，其特征在于，所述两个箱体内均设有关节轴承，直线电机连接于关节轴承。
4.如权利要求1所述的一种具有钻地功能的蛇形机器人，其特征在于，所述两个箱体内的电机通过螺钉固连在箱体中。
5.如权利要求1所述的一种具有钻地功能的蛇形机器人，其特征在于，所述钻头(1)和第一壳体(2)为粘接。
6.如权利要求1所述的一种具有钻地功能的蛇形机器人，其特征在于，第一壳体(2)和第一箱体(16)的连接是通过套筒(4)和第一电机(6)输出轴的键连接而连接。
7.如权利要求1所述的一种具有钻地功能的蛇形机器人，其特征在于，所述第二箱体(11)和第二壳体(9)的连接是通过套筒(4)和第二电机(10)输出轴的键连接而连接。
8.如权利要求1所述的一种具有钻地功能的蛇形机器人，其特征在于，当壳体运动时，螺旋叶片的作用为松动土壤、螺旋钻进；当壳体静止不动时，螺旋叶片起到支撑作用。
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