CN114109255A - 一种基于仿生学的钻掘装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于仿生学的钻掘装置，包括钻掘头部、躯干部、第一万向连接件和第一转向机构，钻掘头部与躯干部通过第一万向连接件连接，第一转向机构用于调节钻掘头部与躯干部之间的偏角。通过在钻掘头部设计扩缩驱动机构与冲击驱动机构，在所有钻头单元既绕第一轴体公转，且自身又自转来进行钻进的同时，可实现钻头单元间歇性地做扩张或收缩动作，以及做冲击动作，提高了钻掘效率，更能实现掘地推进要求。在掘进过程中，该钻掘装置整体能够完美的与洞壁配合，因此，其掘进方式不易破坏周围土地结构稳定性，从而避免了在掘进过程中发生塌方等安全隐患，提高了安全性。

Description

一种基于仿生学的钻掘装置

技术领域

本发明涉及仿生机械技术领域，具体涉及一种基于仿生学的钻掘装置。

背景技术

随着仿生技术的不断改善，仿生机器人已经广泛应用到世界各个领域，为了提高机器人的性能，研究学者们利用传感器、微型计算机、无线控制技术对机器人进行协助操作。仿生学是研究生物的特殊结构及运动肌理，为科学技术提供新的设计理念和工作方式的一种技术科学，为未来机器人的发展与方向提供了新的思路。

美国麻省理工学院、哈佛大学和韩国首尔国立大学研究人员设计出一种模仿蠕动机制的机器人。这样一种软体机器人有多种用途，例如通过崎岖地形或钻进稠密空间等，它靠蠕动移动，通过收缩身体体节，在各种表面上爬行。

因此，通过对这类生物的外形结构、运动肌理进行仿生分析，设计出的机器人能够取替人类完成一些恶劣环境下无法完成的工作任务。基于这类运动机理设计的机器人对于掘地打洞探索地底深处、探索搜救危险区域、水下探险、土壤检测收集等具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于仿生学的钻掘装置，以提高钻掘效率，实现推进要求。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于仿生学的钻掘装置，包括钻掘头部、躯干部、第一万向连接件和第一转向机构，所述钻掘头部与所述躯干部通过所述第一万向连接件连接，所述第一转向机构用于调节所述钻掘头部与所述躯干部之间的偏角；

所述钻掘头部包括：头部支座，其具有呈空心结构的中心轴体，所述中心轴体同轴布置在所述头部支座背离所述躯干部的一侧；第一轴体，其转动套设在所述中心轴体外；头部旋转驱动机构，其用于驱动所述第一轴体旋转；第二轴体，其套设在所述第一轴体外，所述第二轴体与所述第一轴体之间可相对滑动且无相对转动；第三轴体，其套设在所述第二轴体外，所述第三轴体与所述第二轴体之间可相对滑动且无相对转动；多个钻头单元，分别与所述第二轴体和所述第三轴体铰接，多个所述钻头单元沿所述中心轴体的轴线呈环形阵列布置；钻头驱动机构，其用于同步驱动所有所述钻头单元旋转；扩缩驱动机构，其用于同步驱动所有所述钻头单元间歇性做扩张或收缩动作；冲击驱动机构，其用于驱动所述第二轴体沿其轴向做往复冲击运动；头部外壳，其转动套设在所述头部支座和所述第三轴体外；以及第一外壳旋转驱动机构，其用于驱动所述头部外壳旋转，以使所述头部外壳与所述第一轴体的旋转方向相反。

优选地，所述第一轴体的周向外壁设置有多个第一止转凸起，所述第一轴体远所述头部支座的一端设置有第一环形凸台，所述第二轴体位于所述第一环形凸台与所述头部支座之间，所述第一轴体近所述头部支座的一端设置有第一延伸部；

所述冲击驱动机构包括：第一冲击端面凸轮，其转动套设在所述第一延伸部外；第二冲击端面凸轮，其套设在所述第一轴体外并位于所述第二轴体背离所述第一环形凸台的一侧，所述第二冲击端面凸轮的内壁设置有与所述第一止转凸起相配合第一止转滑槽，所述第二冲击端面凸轮的凸轮面与所述第一冲击端面凸轮的凸轮面相对设置；第一复位弹簧，其套设在所述第一轴体外，所述第一复位弹簧分别连接所述第二冲击端面凸轮与所述第二轴体；第二复位弹簧，其套设在所述第一轴体外，所述第二复位弹簧分别连接所述第二轴体与所述第一环形凸台；冲击从动齿轮，其固定套设在所述第一冲击端面凸轮外；以及冲击驱动电机，其安装在所述头部支座上，所述冲击驱动电机的输出轴设置有与所述冲击从动齿轮相啮合的冲击驱动齿轮。

优选地，所述第二轴体的内壁上设置有第二环形凸台，所述第二轴体的外壁上设置有多个第二止转凸起，所述第二轴体远所述头部支座的一端设置有第三环形凸台，所述第三环形凸台上设置有多个第一铰座；

还包括内筒，所述内筒固定在所述第二环形凸台的内壁上，所述内筒的内壁设置有多个第二止转滑槽，所述第二止转滑槽与所述第一止转凸起滑动配合；

所述第一复位弹簧的两端分别连接所述第二冲击端面凸轮与所述第二环形凸台近所述第二冲击端面凸轮的一面；所述第二复位弹簧的两端分别连接所述第一环形凸台与所述第二环形凸台背离所述第二冲击端面凸轮的一面。

优选地，所述第三轴体的内壁设置有多个第三止转滑槽，所述第三止转滑槽与所述第二止转凸起滑动配合，所述第三轴体的外壁设置有环形支撑台，所述第三轴体远所述头部支座的一端设置有多个第二铰座；

所述扩缩驱动机构包括：第一扩缩端面凸轮，其转动套设在所述第一冲击端面凸轮外；第二扩缩端面凸轮，其固定在所述第三轴体上，所述第二扩缩端面凸轮的凸轮面与所述第一扩缩端面凸轮的凸轮面相对设置；第三复位弹簧，其套设在所述第二轴体外，所述第三复位弹簧的两端分别连接所述第三止转滑槽与所述第三环形凸台；扩缩从动齿轮，其固定套设在所述第一扩缩端面凸轮外；以及扩缩驱动电机，其安装在所述头部支座上，所述扩缩驱动电机的输出轴设置有与所述扩缩从动齿轮相啮合的扩缩驱动齿轮。

优选地，所述钻头单元包括：第一转轴，其套设有轴套，所述轴套分别与所述第一铰座和第二铰座铰接，所述第一转轴远所述头部支座的一端朝所述中心轴体的轴线倾斜；钻头本体，其固定在所述第一转轴的一端；第二转轴，其转动配合在所述环形支撑台上，所述第二转轴的轴线与所述第三轴体的轴线平行；以及第一万向节，其分别与所述第一转轴和所述第二转轴传动连接；

所述钻头驱动机构包括：钻头旋转传动齿轮，其转动套设在所述第三轴体外，所述钻头旋转传动齿轮与所述第二铰座分别布置在所述环形支撑台的两侧；多个钻头旋转从动齿轮，与所述第二转轴相对应，所述钻头旋转从动齿轮固定在所述第二转轴近所述钻头旋转传动齿轮的一端，并与所述钻头旋转传动齿轮相啮合；以及钻头旋转驱动电机，其安装在所述头部支座上，所述钻头旋转驱动电机的输出轴上设置有钻头旋转驱动齿轮，所述钻头旋转驱动齿轮与所述钻头旋转传动齿轮相啮合。

优选地，所述躯干部包括多个躯干单元、多个第二万向连接件和多个第二转向机构，相邻两个所述躯干单元通过所述第二万向连接件连接，所述第二转向机构用于调节相邻两个所述躯干单元之间的偏角；

所述躯干单元包括：两个相对布置的躯干支座；躯干轴体，其两端分别连接两个所述躯干支座；躯干外壳，其转动套设在两个所述躯干支座外；以及第二外壳齿圈，其固定在所述躯干外壳的内壁上；以及第二外壳旋转电机，其固定在所述躯干支座上，所述第二外壳旋转电机的输出轴上设置有第二外壳驱动齿轮，所述第二外壳驱动齿轮与所述第二外壳齿圈相啮合。

优选地，近所述头部支座的所述躯干支座上贯穿有两个让位孔，所述第一转向机构包括两组转向单元，两组所述转向单元对称布置在所述躯干轴体的两侧，所述转向单元包括：转向电机，其安装在远离所述头部支座的所述躯干支座上；丝杆，其与所述转向电机的输出轴连接；转向套筒，其套设在所述丝杆上，并与所述丝杆螺纹配合，所述转向套筒穿伸出所述让位孔外；以及第二万向节，其分别连接所述转向套筒和所述头部支座。

优选地，所述躯干外壳呈鼓型，所述躯干外壳的外壁绕其轴线均布有多个躯干螺旋形叶片。

优选地，所述头部外壳呈鼓型，所述头部外壳的外壁绕其轴线均布有多个头部螺旋形叶片；所述第一外壳旋转驱动机构包括：第一外壳齿圈，其固定在所述头部外壳的内壁上；以及第一外壳旋转电机，其固定在所述头部支座上，所述第一外壳旋转电机的输出轴上设置有第一外壳驱动齿轮，所述第一外壳驱动齿轮与所述第一外壳齿圈相啮合。

本发明的有益效果：

本发明公开了一种基于仿生学的钻掘装置，可模拟蠕虫在土壤中向前掘进和蠕动的形态,通过在钻掘头部设计扩缩驱动机构与冲击驱动机构，在所有钻头单元既绕第一轴体公转，且自身又自转来进行钻进的同时，可实现钻头单元间歇性地做扩张或收缩动作，以及做冲击动作，提高了钻掘效率，更能实现掘地推进要求。

在掘进过程中，该钻掘装置整体能够完美的与洞壁配合，因此，其掘进方式不易破坏周围土地结构稳定性，从而避免了在掘进过程中发生塌方等安全隐患，提高了安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明一实施例提供的基于仿生学的钻掘装置的结构示意图；

图2为头部支座、中心轴体、第一轴体、第二轴体和第三轴体配合的结构示意图；

图3为头部旋转驱动机构与第一轴体配合的结构示意图；

图4为冲击驱动机构的结构示意图；

图5为第一冲击端面凸轮与第二冲击端面凸轮相配合的结构示意图；

图6为冲击驱动机构与第一轴体和第二轴体相配合的剖面示意图；

图7为钻掘头部和躯干单元(去除头部外壳和躯干外壳)的剖面示意图。

图8为第一扩缩端面凸轮与第二扩缩端面凸轮相配合的结构示意图；

图9为钻掘头部和躯干单元(去除头部外壳和躯干外壳)的结构示意图。

附图标记：

100-钻掘头部，

101-头部支座，

102-中心轴体，

103-第一轴体，1031-第一止转凸起，1032-第一环形凸台，1033-第一延伸部，

104-头部旋转驱动机构，1041-头部旋转从动齿轮，1042-头部旋转驱动电机，1043-头部旋转驱动齿轮，

105-第二轴体，1051-第二环形凸台，1052-第二止转凸起，1053-第三环形凸台，1054-第一铰座，1055-内筒，1056-第二止转滑槽，

106-第三轴体，1061-第三止转滑槽，1062-环形支撑台，1063-第二铰座，

107-钻头单元，1071-第一转轴，1072-轴套，1073-钻头本体，1074-第二转轴，1075-第一万向节，

108-钻头驱动机构，1081-钻头旋转传动齿轮，1082-钻头旋转从动齿轮，1083-钻头旋转驱动电机，1084-钻头旋转驱动齿轮，

109-扩缩驱动机构，1091-第一扩缩端面凸轮，1092-第二扩缩端面凸轮，1093-第三复位弹簧，1094-扩缩从动齿轮，1095-扩缩驱动电机，1096-扩缩驱动齿轮，

110-冲击驱动机构，1101-第一冲击端面凸轮，1102-第二冲击端面凸轮，1103-第一止转滑槽，1104-第一复位弹簧，1105-第二复位弹簧，1106-冲击从动齿轮，1107-冲击驱动电机，1108-冲击驱动齿轮，

111-头部外壳，

112-第一外壳旋转驱动机构，1121-第一外壳旋转电机，1122-第一外壳驱动齿轮；

200-躯干单元，201-躯干支座，202-躯干轴体，203-躯干外壳，204-第二外壳旋转电机，205-第二外壳驱动齿轮；

300-第一万向连接件；

400-第一转向机构，401-转向电机，402-丝杆，403-转向套筒，404-第二万向节。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1-9所示，在本发明的一实施例中，提供一种基于仿生学的钻掘装置，包括钻掘头部100、躯干部、第一万向连接件300和第一转向机构400，钻掘头部100与躯干部通过第一万向连接件300连接，第一转向机构400用于调节钻掘头部100与躯干部之间的偏角。

其中，钻掘头部100包括头部支座101、第一轴体103、头部旋转驱动机构104、第二轴体105、第三轴体106、多个钻头单元107、钻头驱动机构108、扩缩驱动机构109、冲击驱动机构110、头部外壳111和第一外壳旋转驱动机构112。

头部支座101呈圆形，头部支座101的圆心处固定有呈空心结构的中心轴体102，中心轴体102同轴布置在头部支座101背离躯干部的一侧。第一轴体103转动套设在中心轴体102外，第一轴体103与中心轴体102之间可相对转动且无相对滑动，头部旋转驱动机构104用于驱动第一轴体103旋转。头部旋转驱动机构104包括头部旋转从动齿轮1041、头部旋转驱动电机1042和头部旋转驱动齿轮1043，头部旋转驱动电机1042安装在头部支座101上，头部旋转驱动电机1042的输出轴上安装有头部旋转驱动齿轮1043，头部旋转从动齿轮1041固定套设在中心轴体102外，并与头部旋转驱动齿轮1043相啮合。

第二轴体105套设在第一轴体103外，第二轴体105与第一轴体103之间可相对滑动且无相对转动。第三轴体106套设在第二轴体105外，第三轴体106与第二轴体105之间可相对滑动且无相对转动。因此，在头部旋转驱动机构104驱动第一轴体103旋转时，第二轴体105与第三轴体106也会跟随第一轴体103同步转动。

多个钻头单元107分别与第二轴体105和第三轴体106铰接，多个钻头单元107沿中心轴体102的轴线呈环形阵列布置，钻头驱动机构108用于同步驱动所有钻头单元107旋转。扩缩驱动机构109用于同步驱动所有钻头单元107间歇性做扩张或收缩动作，冲击驱动机构110用于驱动第二轴体105沿其轴向做往复冲击运动。

头部外壳111转动套设在头部支座101和第三轴体106外，第一外壳旋转驱动机构112用于驱动头部外壳111旋转，以使头部外壳111与第一轴体103的旋转方向相反。

该基于仿生学的钻掘装置的钻掘头部100的工作原理：

头部旋转驱动机构104在驱动第一轴体103旋转的同时，第二轴体105、第三轴体106和所有钻头单元107也会跟随第一轴体103同步转动，同时，第一外壳旋转驱动机构112头部外壳111旋转，由于头部外壳111旋转的旋转方向与第一轴体103的旋转方向相反，因此，可使整个钻掘头部100整体力矩实现平衡。与此同时，钻头驱动机构108也会同步驱动所有的钻头单元107旋转，所有钻头单元107在绕第一轴体103轴线公转的同时，每个钻头单元107也会被钻头驱动机构108所驱动而自转。扩缩驱动机构109则能够带动所有的钻头单元107间歇性地做扩张或收缩动作，冲击驱动机构110则驱动第二轴体105沿其轴向做往复冲击运动，由于每个钻头单元107分别与第二轴体105和第三轴体106铰接，因此，在第二轴体105做往复冲击运动的过程中，也会带动所有钻头单元107做冲击动作。

本实施例的基于仿生学的钻掘装置，可模拟蠕虫一样在土壤中向前掘进和蠕动,通过在钻掘头部100设计扩缩驱动机构109与冲击驱动机构110，在所有钻头单元107既绕第一轴体103公转，且自身又自转来进行钻进的同时，可实现所有钻头单元107间歇性地做扩张或收缩动作，以及做冲击动作，从而提高了钻掘效率，更能实现掘地推进要求。

中心轴体102的中空设计可以额外在其内部设计多种传感器以及各种探测储存装置，从而使得该基于仿生学的钻掘装置具备完成多种任务功能的能力。并且，头部外壳111与中心轴体102分离的设计能够保证钻掘头部100中各种传感器等的工作环境，从而提高了该钻掘装置工作的可靠性。

此外，在掘进过程中，该钻掘装置整体能够完美的与洞壁配合，因此，其掘进方式不易破坏周围土地结构稳定性，从而避免了在掘进过程中发生塌方等安全隐患，提高了安全性。

在一个实施例中，第一轴体103的周向外壁设置有多个第一止转凸起1031，第一轴体103远头部支座101的一端设置有第一环形凸台1032，第二轴体105位于第一环形凸台1032与头部支座101之间，第一轴体103近头部支座101的一端设置有第一延伸部1033。冲击驱动机构110包括第一冲击端面凸轮1101、第二冲击端面凸轮1102、第一复位弹簧1104、第二复位弹簧1105、冲击从动齿轮1106、冲击驱动电机1107和冲击驱动齿轮1108。

第一冲击端面凸轮1101转动套设在第一延伸部1033外，第二冲击端面凸轮1102套设在第一轴体103外并位于第二轴体105背离第一环形凸台1032的一侧，第二冲击端面凸轮1102的内壁设置有与第一止转凸起1031相配合第一止转滑槽1103，第二冲击端面凸轮1102的凸轮面与第一冲击端面凸轮1101的凸轮面相对设置。

第一复位弹簧1104套设在第一轴体103外，第一复位弹簧1104分别连接第二冲击端面凸轮1102与第二轴体105。第二复位弹簧1105套设在第一轴体103外，第二复位弹簧1105分别连接第二轴体105与第一环形凸台1032。

冲击从动齿轮1106固定套设在第一冲击端面凸轮1101外，冲击驱动电机1107安装在头部支座101上，冲击驱动电机1107的输出轴设置有与冲击从动齿轮1106相啮合的冲击驱动齿轮1108。

当冲击驱动电机1107驱动冲击驱动齿轮1108旋转时，会带动冲击从动齿轮1106和第一冲击端面凸轮1101旋转，当第一冲击端面凸轮1101在旋转的过程中，其凸轮面会与第二冲击端面凸轮1102的凸轮面相配合，从而向前间歇性地抵推第二冲击端面凸轮1102，由于第二冲击端面凸轮1102与第一轴体103可相对滑动且无相对转动，因此，第二冲击端面凸轮1102也会间歇性地推动第一复位弹簧1104，第一复位弹簧1104又会推动第二轴体105，并压缩第二复位弹簧1105，从而实现第二轴体105沿其轴向做往复冲击运动。该结构设计巧妙，在不影响整体转动的情况下，充分利用了钻掘头部100的内部空间来提高钻掘效率。

在一个实施例中，第二轴体105的内壁上设置有第二环形凸台1051，第二轴体105的外壁上设置有多个第二止转凸起1052，第二轴体105远头部支座101的一端设置有第三环形凸台1053，第三环形凸台1053上设置有多个第一铰座1054。第二轴体105还包括内筒1055，内筒1055固定在第二环形凸台1051的内壁上，内筒1055的内壁设置有多个第二止转滑槽1056，第二止转滑槽1056与第一止转凸起1031滑动配合。第一复位弹簧1104的两端分别连接第二冲击端面凸轮1102与第二环形凸台1051近第二冲击端面凸轮1102的一面。第二复位弹簧1105的两端分别连接第一环形凸台1032与第二环形凸台1051背离第二冲击端面凸轮1102的一面。该结构设计保证了第一冲击端面凸轮1101在与第二冲击端面凸轮1102相配合时，第二轴体105做往复冲击运动的顺畅和稳定性，在对钻头单元107实现钻进的同时，附加了冲击动作，从而提高了钻掘头部100的钻掘效率，更能实现推进要求。

在一个实施例中，第三轴体106的内壁设置有多个第三止转滑槽1061，第三止转滑槽1061与第二止转凸起1052滑动配合，第三轴体106的外壁设置有环形支撑台1062，第三轴体106远头部支座101的一端设置有多个第二铰座1063。

扩缩驱动机构109包括第一扩缩端面凸轮1091、第二扩缩端面凸轮1092、第三复位弹簧1093、扩缩从动齿轮1093、扩缩驱动电机1094和扩缩驱动齿轮1095。第一扩缩端面凸轮1091转动套设在第一冲击端面凸轮1101外，第二扩缩端面凸轮1092固定在第三轴体106上，第二扩缩端面凸轮1092的凸轮面与第一扩缩端面凸轮1091的凸轮面相对设置。第三复位弹簧1093套设在第二轴体105外，第三复位弹簧1093的两端分别连接第三止转滑槽1061与第三环形凸台1053。扩缩从动齿轮1093固定套设在第一扩缩端面凸轮1091外，扩缩驱动电机1094安装在头部支座101上，扩缩驱动电机1094的输出轴设置有与扩缩从动齿轮1093相啮合的扩缩驱动齿轮1095。

当扩缩驱动电机1094驱动扩缩驱动齿轮1095旋转时，会带动扩缩从动齿轮1093和第一扩缩端面凸轮1091旋转，当第一扩缩端面凸轮1091在旋转的过程中，其凸轮面会与第二扩缩端面凸轮1092的凸轮面相配合，从而会向前歇性地抵推第二扩缩端面凸轮1092，由于第二扩缩端面凸轮1092固定在第三轴体106的一端，因此，第二扩缩端面凸轮1092带动第三轴体106间歇性地推动第三复位弹簧1093，在于第三环形凸台1053相互配合下，通过压缩第三复位弹簧1093以及第三复位弹簧1093的复位，从而实现第三轴体106沿其轴向做往复运动，进而实现驱动钻头单元107间歇性地做扩张或收缩动作。该结构设计同样充分利用了钻掘头部100的内部空间，在不影响整体转动的情况下，能够在对钻头单元107实现钻进的同时，附加了扩张和收缩动作，从而提高了钻掘头部100的钻掘效率，更能实现推进要求。

在一个实施例中，钻头单元107包括第一转轴1071、轴套1072、钻头本体1073、第二转轴1074和第一万向节1075。第一转轴1071套设有轴套1072，轴套1072分别与第一铰座1054和第二铰座1063铰接，第一转轴1071远头部支座101的一端朝中心轴体102的轴线倾斜。钻头本体1073固定在第一转轴1071的一端，第二转轴1074转动配合在环形支撑台1062上，第二转轴1074的轴线与第三轴体106的轴线平行，第一万向节1075分别与第一转轴1071和第二转轴1074传动连接。

钻头驱动机构108包括钻头旋转传动齿轮1081、多个钻头旋转从动齿轮1082、钻头旋转驱动电机1083和钻头旋转驱动齿轮1084。钻头旋转传动齿轮1081转动套设在第三轴体106外，钻头旋转传动齿轮1081与第二铰座1063分别布置在环形支撑台1062的两侧。钻头旋转从动齿轮1082的数量与第二转轴1074的数量相对应，钻头旋转从动齿轮1082固定在第二转轴1074近钻头旋转传动齿轮1081的一端，并与钻头旋转传动齿轮1081相啮合。钻头旋转驱动电机1083安装在头部支座101上，钻头旋转驱动电机1083的输出轴上设置有钻头旋转驱动齿轮1084，钻头旋转驱动齿轮1084与钻头旋转传动齿轮1081相啮合。

钻头单元107的结构和位置设计模拟了蠕虫的牙齿结构，头部旋转驱动机构104在驱动第一轴体103旋转的同时，第二轴体105、第三轴体106和所有钻头单元107也会跟随第一轴体103同步转动。同时，钻头旋转驱动电机1083也带动钻头旋转驱动齿轮1084来驱动钻头旋转传动齿轮1081旋转，因此，旋转的钻头旋转传动齿轮1081会同步带动所有的钻头旋转从动齿轮1082旋转，旋转的钻头旋转从动齿轮1082能够将动力通过第二转轴1074、第一万向节1075和第一转轴1071传递给钻头本体1073，所有钻头单元107在绕第一轴体103轴线公转的同时，每个钻头单元107也会被钻头驱动机构108所驱动而自转，从而实现钻进动作。

在一个实施例中，躯干部包括多个躯干单元200、多个第二万向连接件和多个第二转向机构，相邻两个躯干单元200通过第二万向连接件连接，第二转向机构用于调节相邻两个躯干单元200之间的偏角。在相邻两个躯干单元200的连接处采用橡胶连接以保护球第二万向连接件与第二转向机构。

躯干单元200包括两个躯干支座201、躯干轴体202、躯干外壳203、第二外壳齿圈(图中未示出)、第二外壳旋转电机204和第二外壳驱动齿轮205。躯干轴体202的两端分别连接两个躯干支座201，躯干外壳203转动套设在两个躯干支座201外，第二外壳齿圈固定在躯干外壳203的内壁上，第二外壳旋转电机204固定在躯干支座201上，第二外壳旋转电机204的输出轴上设置有第二外壳驱动齿轮205，第二外壳驱动齿轮205与第二外壳齿圈相啮合。

第二外壳旋转电机204通过带动第二外壳驱动齿轮205旋转，从而实现第二外壳齿圈和躯干外壳203的旋转，从而使躯干部整体能够完美的与洞壁配合，因此，其掘进方式不易破坏周围土地结构稳定性，从而避免了在掘进过程中发生塌方等安全隐患，提高了安全性。

在一个实施例中，近头部支座101的躯干支座201上贯穿有两个让位孔，第二转向机构与第一转向机构400的结构相同，第一转向机构400包括两组转向单元，两组转向单元对称布置在躯干轴体202的两侧，转向单元包括转向电机401、丝杆402、转向套筒403和第二万向节404。转向电机401安装在远离头部支座101的躯干支座201上，丝杆402与转向电机401的输出轴连接，转向套筒403套设在丝杆402上，并与丝杆402螺纹配合，转向套筒403穿伸出让位孔外，第二万向节404分别传动连接转向套筒403和头部支座101。

通过设计两组转向单元，转向单元通过使用丝杆402推出与拉回转向套筒403，转向套筒403又会作用在头部支座101上，从而可实现钻掘头部100与躯干单元200的方向控制。

在一个实施例中，躯干外壳203呈鼓型，躯干外壳203的外壁绕其轴线均布有多个躯干螺旋形叶片。头部外壳111呈鼓型，头部外壳111的外壁绕其轴线均布有多个头部螺旋形叶片。第一外壳旋转驱动机构112包括第一外壳齿圈、第一外壳旋转电机1121和第一外壳驱动齿轮1122。第一外壳齿圈固定在头部外壳111的内壁上，第一外壳旋转电机1121固定在头部支座101上，头部外壳111钻头旋转驱动电机1083的输出轴上设置有第一外壳驱动齿轮1122，第一外壳驱动齿轮1122与第一外壳齿圈相啮合。头部外壳111和躯干外壳203的设计能够将钻近过程中产生的土壤推挤至四周，同时，又能够对装置整体提供支撑。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种基于仿生学的钻掘装置，其特征在于：包括钻掘头部、躯干部、第一万向连接件和第一转向机构，所述钻掘头部与所述躯干部通过所述第一万向连接件连接，所述第一转向机构用于调节所述钻掘头部与所述躯干部之间的偏角；

所述钻掘头部包括：

头部支座，其具有呈空心结构的中心轴体，所述中心轴体同轴布置在所述头部支座背离所述躯干部的一侧；

第一轴体，其转动套设在所述中心轴体外；

头部旋转驱动机构，其用于驱动所述第一轴体旋转；

第二轴体，其套设在所述第一轴体外，所述第二轴体与所述第一轴体之间可相对滑动且无相对转动；

第三轴体，其套设在所述第二轴体外，所述第三轴体与所述第二轴体之间可相对滑动且无相对转动；

多个钻头单元，分别与所述第二轴体和所述第三轴体铰接，多个所述钻头单元沿所述中心轴体的轴线呈环形阵列布置；

钻头驱动机构，其用于同步驱动所有所述钻头单元旋转；

扩缩驱动机构，其用于同步驱动所有所述钻头单元间歇性做扩张或收缩动作；

冲击驱动机构，其用于驱动所述第二轴体沿其轴向做往复冲击运动；

头部外壳，其转动套设在所述头部支座和所述第三轴体外；以及

第一外壳旋转驱动机构，其用于驱动所述头部外壳旋转，以使所述头部外壳与所述第一轴体的旋转方向相反。

2.根据权利要求1所述的基于仿生学的钻掘装置，其特征在于：所述第一轴体的周向外壁设置有多个第一止转凸起，所述第一轴体远所述头部支座的一端设置有第一环形凸台，所述第二轴体位于所述第一环形凸台与所述头部支座之间，所述第一轴体近所述头部支座的一端设置有第一延伸部；

所述冲击驱动机构包括：

第一冲击端面凸轮，其转动套设在所述第一延伸部外；

第二冲击端面凸轮，其套设在所述第一轴体外并位于所述第二轴体背离所述第一环形凸台的一侧，所述第二冲击端面凸轮的内壁设置有与所述第一止转凸起相配合第一止转滑槽，所述第二冲击端面凸轮的凸轮面与所述第一冲击端面凸轮的凸轮面相对设置；

第一复位弹簧，其套设在所述第一轴体外，所述第一复位弹簧分别连接所述第二冲击端面凸轮与所述第二轴体；

第二复位弹簧，其套设在所述第一轴体外，所述第二复位弹簧分别连接所述第二轴体与所述第一环形凸台；

冲击从动齿轮，其固定套设在所述第一冲击端面凸轮外；以及

冲击驱动电机，其安装在所述头部支座上，所述冲击驱动电机的输出轴设置有与所述冲击从动齿轮相啮合的冲击驱动齿轮。

3.根据权利要求2所述的基于仿生学的钻掘装置，其特征在于：所述第二轴体的内壁上设置有第二环形凸台，所述第二轴体的外壁上设置有多个第二止转凸起，所述第二轴体远所述头部支座的一端设置有第三环形凸台，所述第三环形凸台上设置有多个第一铰座；

还包括内筒，所述内筒固定在所述第二环形凸台的内壁上，所述内筒的内壁设置有多个第二止转滑槽，所述第二止转滑槽与所述第一止转凸起滑动配合；

所述第一复位弹簧的两端分别连接所述第二冲击端面凸轮与所述第二环形凸台近所述第二冲击端面凸轮的一面；所述第二复位弹簧的两端分别连接所述第一环形凸台与所述第二环形凸台背离所述第二冲击端面凸轮的一面。

4.根据权利要求3所述的基于仿生学的钻掘装置，其特征在于：所述第三轴体的内壁设置有多个第三止转滑槽，所述第三止转滑槽与所述第二止转凸起滑动配合，所述第三轴体的外壁设置有环形支撑台，所述第三轴体远所述头部支座的一端设置有多个第二铰座；

所述扩缩驱动机构包括：

第一扩缩端面凸轮，其转动套设在所述第一冲击端面凸轮外；

第二扩缩端面凸轮，其固定在所述第三轴体上，所述第二扩缩端面凸轮的凸轮面与所述第一扩缩端面凸轮的凸轮面相对设置；

第三复位弹簧，其套设在所述第二轴体外，所述第三复位弹簧的两端分别连接所述第三止转滑槽与所述第三环形凸台；

扩缩从动齿轮，其固定套设在所述第一扩缩端面凸轮外；以及

扩缩驱动电机，其安装在所述头部支座上，所述扩缩驱动电机的输出轴设置有与所述扩缩从动齿轮相啮合的扩缩驱动齿轮。

5.根据权利要求4所述的基于仿生学的钻掘装置，其特征在于：所述钻头单元包括：

第一转轴，其套设有轴套，所述轴套分别与所述第一铰座和第二铰座铰接，所述第一转轴远所述头部支座的一端朝所述中心轴体的轴线倾斜；

钻头本体，其固定在所述第一转轴的一端；

第二转轴，其转动配合在所述环形支撑台上，所述第二转轴的轴线与所述第三轴体的轴线平行；以及

第一万向节，其分别与所述第一转轴和所述第二转轴传动连接；

所述钻头驱动机构包括：

钻头旋转传动齿轮，其转动套设在所述第三轴体外，所述钻头旋转传动齿轮与所述第二铰座分别布置在所述环形支撑台的两侧；

多个钻头旋转从动齿轮，与所述第二转轴相对应，所述钻头旋转从动齿轮固定在所述第二转轴近所述钻头旋转传动齿轮的一端，并与所述钻头旋转传动齿轮相啮合；以及

钻头旋转驱动电机，其安装在所述头部支座上，所述钻头旋转驱动电机的输出轴上设置有钻头旋转驱动齿轮，所述钻头旋转驱动齿轮与所述钻头旋转传动齿轮相啮合。

6.根据权利要求1所述的基于仿生学的钻掘装置，其特征在于：所述躯干部包括多个躯干单元、多个第二万向连接件和多个第二转向机构，相邻两个所述躯干单元通过所述第二万向连接件连接，所述第二转向机构用于调节相邻两个所述躯干单元之间的偏角；

所述躯干单元包括：

两个相对布置的躯干支座；

躯干轴体，其两端分别连接两个所述躯干支座；

躯干外壳，其转动套设在两个所述躯干支座外；以及

第二外壳齿圈，其固定在所述躯干外壳的内壁上；以及

第二外壳旋转电机，其固定在所述躯干支座上，所述第二外壳旋转电机的输出轴上设置有第二外壳驱动齿轮，所述第二外壳驱动齿轮与所述第二外壳齿圈相啮合。

7.根据权利要求6所述的基于仿生学的钻掘装置，其特征在于：近所述头部支座的所述躯干支座上贯穿有两个让位孔，所述第一转向机构包括两组转向单元，两组所述转向单元对称布置在所述躯干轴体的两侧，所述转向单元包括：

转向电机，其安装在远离所述头部支座的所述躯干支座上；

丝杆，其与所述转向电机的输出轴连接；

转向套筒，其套设在所述丝杆上，并与所述丝杆螺纹配合，所述转向套筒穿伸出所述让位孔外；以及

第二万向节，其分别连接所述转向套筒和所述头部支座。

8.根据权利要求6所述的基于仿生学的钻掘装置，其特征在于：所述躯干外壳呈鼓型，所述躯干外壳的外壁绕其轴线均布有多个躯干螺旋形叶片。

9.根据权利要求1所述的基于仿生学的钻掘装置，其特征在于：所述头部外壳呈鼓型，所述头部外壳的外壁绕其轴线均布有多个头部螺旋形叶片；

所述第一外壳旋转驱动机构包括：

第一外壳齿圈，其固定在所述头部外壳的内壁上；以及

第一外壳旋转电机，其固定在所述头部支座上，所述第一外壳旋转电机的输出轴上设置有第一外壳驱动齿轮，所述第一外壳驱动齿轮与所述第一外壳齿圈相啮合。

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