CN114402713B - 一种仿生蚯蚓装置及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种仿生蚯蚓装置及其工作方法，所述蚯蚓装置包括通过转向单元相连的多个伸缩单元；所述伸缩单元包括推杆机构和沿首尾方向设置的弹性件；所述伸缩单元的伸缩动作由弹性件在推杆机构作用下的形变、弹性件的自然恢复来驱动；当蚯蚓装置移动时，各伸缩单元按预设的伸缩次序执行伸缩动作以驱动蚯蚓装置；所述转向单元由微型丝杆滑台提供推动力；当蚯蚓装置转向时，转向单元的各微型丝杆滑台相互配合推动鱼眼杆端关节轴承，进而控制各伸缩单元以单杆球头关节轴承球心为原点的相互夹角以实现蚯蚓身体的弯曲；本发明以微型电推杆和微型丝杆滑台作为动力源，利用金属弹簧片提供快速恢复力，运行速度较快。

Description

一种仿生蚯蚓装置及其工作方法
技术领域
本发明涉及仿生机械技术领域，尤其是一种仿生蚯蚓装置及其工作方法。
背景技术
近年来,工农业的快速发展导致土壤污染、土壤退化日益成为全球性的环境危机。土壤污染和退化问题亟待解决,如何实现经济、快速的土壤检测和修复是关键。蚯蚓挖穴松土、分解有机物，为土壤微生物生长繁殖创造良好条件，在土壤改良、消除公害、保护生态环境、物质循环以及生物多样性等方面发挥着特殊作用。仿生蚯蚓结合蚯蚓上述优点，可以在土壤修复、地质勘探、管涌堵漏及抢险救灾方面承担重要作用。然而，目前的仿生蚯蚓装置在掘进速度、能源消耗及外形尺寸等方面依然有较多的不足，在一定程度上限制了其发展和应用。
发明内容
本发明提出一种仿生蚯蚓装置及其工作方法，以微型电推杆作为动力源，利用金属弹簧片提供快速恢复力，运行速度较快。
本发明采用以下技术方案。
一种仿生蚯蚓装置，所述蚯蚓装置包括以首尾相接方式线形相连的多个伸缩单元；所述伸缩单元包括推杆机构和沿首尾方向设置的弹性件；所述伸缩单元的伸缩动作由弹性件在推杆机构作用下的形变、弹性件的自然恢复来驱动；当蚯蚓装置移动时，各伸缩单元按预设的伸缩次序执行伸缩动作以驱动蚯蚓装置。
所述推杆机构包括以第一连接块（2-3）、第二连接块（2-6）固定于伸缩单元内的微型电推杆（2-5）；所述微型电推杆的顶部通过第一连接块与伸缩单元首端的第一体节盖（2-1）相接；所述微型电推杆的尾部通过第二连接块固定于伸缩单元尾端的第二体节盖（2-7）处；所述弹性件为连接伸缩单元首端的第一体节盖、尾端的第二体节盖的多根金属弹簧片（2-2）；所述金属弹簧片均匀设置于微型电推杆旁侧；当微型电推杆上电伸长时驱动金属弹簧片伸展，使伸缩单元的腔体伸长，横截面缩小；当微型电推杆断电收缩时，金属弹簧片以弹力收缩并恢复姿态，使伸缩单元的腔体收缩，横截面膨胀。
各伸缩单元之间的体节盖以转向单元（3）相连，使蚯蚓装置可处于弯曲形态；所述转向单元包括位于中轴部位处的单杆球头关节轴承（3-4）、环绕单杆球头关节轴承设置的多个鱼眼杆端关节轴承（3-3），还包括微型丝杆滑台（3-7）；所述单杆球头关节轴承一端通过转向连接块（3-1）与前部伸缩单元的第二体节盖相连接，另一端与后部伸缩单元的第一体节盖固定；所述微型丝杆滑台通过丝杆滑台安装块（3-6）固定于后部伸缩单元的第一体节盖处，其控制第二转向推杆（3-5）推动鱼眼杆端关节轴承进行前后运动；所述鱼眼杆端关节轴承通过第一转向推杆（3-2）推动转向连接块，控制两个伸缩单元间的连接角度。
所述蚯蚓装置内置与运动控制机构相连的控制器；所述控制器经无线通讯模块与上位机相连以接收运行指令；所述运动控制机构通过控制各伸缩单元的微型电推杆和各转向单元的微型丝杆滑台来控制蚯蚓装置的移动工况。
所述蚯蚓装置还包括电池电源模块、运动传感器组件、土壤修复治理机构以及土壤检测传感器组件；所述电池电源为蚯蚓装置的各模块提供电源；所述土壤修复机构可执行土壤样本采集作业、土壤修复液喷洒作业；所述土壤检测传感器组件可对土壤的质量状态进行检测；所述运动传感器组件对蚯蚓装置的运动状态进行检测；所述控制器为基于STM32的控制器，在接收上位机控制指令后，结合传感器组件的采集信息，发出对应的运动控制和土壤治理控制指令。
所述蚯蚓装置的外壁处覆有具有保护功能的表皮结构；当蚯蚓装置移动时，所述表皮结构以润滑效应辅助其动作执行，同时防止外界异物破坏伸缩单元和转向单元；所述蚯蚓装置的前、后处还安装有保护罩（1），所述保护罩为有助蚯蚓装置的前进运动并能避免坚硬物质伤害的保护罩。
当所述金属弹簧片固定于体节盖时，通过体节盖处的定位孔定位，再以紧固件固定连接于体节盖的通孔处，环绕微型电堆杆的多根金属弹簧片围成伸缩单元的椭圆状腔体；所述紧固件与体节盖之间加装弹簧垫圈以优化连接的自锁性；所述体节盖为盘形结构。
一种仿生蚯蚓装置的工作方法，当以上所述的仿生蚯蚓装置由四个伸缩单元组成时，其在管道中的前进运动方法包括以下步骤；
步骤S1、使仿生蚯蚓装置处于初始状态，此时所有的电推杆均未上电，仿生蚯蚓装置的所有伸缩单元形成的体节都处于收缩状态，此时仿生蚯蚓装置的横截面膨胀，使仿生蚯蚓装置固定在管道中；
步骤S2、设置前进方向的最后一节电推杆保持掉电状态，此时该电推杆所在的伸缩单元处于收缩状态，伸缩单元在金属弹簧片弹力作用下具有大的腔体横截面，使伸缩单元侧壁的金属弹簧片与管道的管壁充分接触，使得仿生蚯蚓装置尾端保持被固定的状态，而前面三节电推杆则处于上电伸展状态，迫使前面三个体节伸张，横截面缩小并向前运动；
步骤S3、设置前进方向的第一节电推杆掉电，使得第一节体节横截面膨胀，固定于管道内；
步骤S4、对最后一节电推杆进行上电，使得最后一节体节横截面收缩，脱离管壁固定状态；
步骤S5、依次对二、三、四节电推杆进行掉电处理，在金属弹簧片和膨胀固定的第一节体节的作用下，二、三、四节体节依次向前运动，完成一次前进工作循环。
当需使仿生蚯蚓装置在管道内的前进速度加快时，在步骤S2中，多个电推杆同步上电伸展，使三个体节同步伸张；在步骤S5中，多个电推杆同时掉电，使三个体节同时收缩。
与现有技术相比，本发明具有结构简单，行进效率高的优点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的结构示意图；
附图2是伸缩单元的结构示意图；
附图3是转向单元的结构示意图；
附图4是各转向单元同时向一个方向转动时，本发明的形态示意图；
附图5是本发明的系统控制示意图；
附图6是仿生蚯蚓装置在管道内前进的示意图；
图中：1、保护罩；2、伸缩单元；3、转向单元；
2-1、第一体节盖；2-2、金属弹簧片；2-3、第一连接块；2-4、连接螺栓；2-5、微型电推杆；2-6、第二连接块；2-7、第二体节盖；
3-1、转向连接块；3-2、第一转向推杆；3-3、鱼眼杆端关节轴承；3-4、单杆球头关节轴承；3-5、第二转向推杆；3-6、丝杆滑台安装块；3-7、微型丝杆滑台。
具体实施方式
如图1所示，一种仿生蚯蚓装置，所述蚯蚓装置包括以首尾相接方式线形相连的多个伸缩单元2；所述伸缩单元包括推杆机构和沿首尾方向设置的弹性件；所述伸缩单元的伸缩动作由弹性件在推杆机构作用下的形变、弹性件的自然恢复来驱动；当蚯蚓装置移动时，各伸缩单元按预设的伸缩次序执行伸缩动作以驱动蚯蚓装置。
如图2所示，所述推杆机构包括以第一连接块2-3、第二连接块2-6固定于伸缩单元内的微型电推杆2-5；所述微型电推杆的顶部通过第一连接块与伸缩单元首端的第一体节盖2-1相接；所述微型电推杆的尾部通过第二连接块固定于伸缩单元尾端的第二体节盖2-7处；所述弹性件为连接伸缩单元首端的第一体节盖2-1、尾端的第二体节盖的多根金属弹簧片2-2；所述金属弹簧片均匀设置于微型电推杆旁侧；当微型电推杆上电伸长时驱动金属弹簧片伸展，使伸缩单元的腔体伸长，横截面缩小；当微型电推杆断电收缩时，金属弹簧片以弹力收缩并恢复姿态，使伸缩单元的腔体收缩，横截面膨胀。
如图3所示，各伸缩单元之间的体节盖以转向单元3相连，使蚯蚓装置可处于弯曲形态；所述转向单元包括位于中轴部位处的单杆球头关节轴承3-4、环绕单杆球头关节轴承设置的多个鱼眼杆端关节轴承3-3，还包括微型丝杆滑台3-7；所述单杆球头关节轴承一端通过转向连接块3-1与前部伸缩单元的第二体节盖相连接，另一端与后部伸缩单元的第一体节盖固定；所述微型丝杆滑台通过丝杆滑台安装块3-6固定于后部伸缩单元的第一体节盖处，其控制第二转向推杆3-5推动鱼眼杆端关节轴承进行前后运动；所述鱼眼杆端关节轴承通过第一转向推杆3-2推动转向连接块，控制两个伸缩单元间的连接角度。
进一步，在如图3所示的实例中，转向单元3的第一转向推杆3-2、鱼眼杆端关节轴承3-3、第二转向推杆3-4、微型丝杆滑台3-7以及丝杆滑台安装块3-6均有4个，两两对称安装，两两组合，分别对两个方向的转动分别进行控制。
以4节蚯蚓为例，其在各伸缩单元2之间一共安装了3个转向单元3，令各转向单元3中的两个对位微型丝杆滑台3-7保持中间位置不动，另外两个微型丝杆滑台3-7一个运动到行程最大处，另一个运动到行程最小处，则整个蚯蚓呈图4所示弯曲形态。
所述蚯蚓装置内置与运动控制机构相连的控制器；所述控制器经无线通讯模块与上位机相连以接收运行指令；所述运动控制机构通过控制各伸缩单元的微型电推杆和各转向单元的微型丝杆滑台来控制蚯蚓装置的移动工况。
如图5所示，所述蚯蚓装置还包括电池电源模块、运动传感器组件、土壤修复治理机构以及土壤检测传感器组件；所述电池电源为蚯蚓装置的各模块提供电源；所述土壤修复机构可执行土壤样本采集作业、土壤修复液喷洒作业；所述土壤检测传感器组件可对土壤的质量状态进行检测；所述运动传感器组件对蚯蚓装置的运动状态进行检测；所述控制器为基于STM32的控制器，在接收上位机控制指令后，结合传感器组件的采集信息，发出对应的运动控制和土壤治理控制指令。
所述蚯蚓装置的外壁处覆有具有保护功能的表皮结构；当蚯蚓装置移动时，所述表皮结构以润滑效应辅助其动作执行，同时防止外界异物破坏伸缩单元和转向单元；所述蚯蚓装置的前、后处还安装有保护罩1，所述保护罩为有助蚯蚓装置的前进运动并能避免坚硬物质伤害的保护罩。
当所述金属弹簧片固定于体节盖时，通过体节盖处的定位孔定位，再以紧固件固定连接于体节盖的通孔处，环绕微型电堆杆的多根金属弹簧片围成伸缩单元的椭圆状腔体；所述紧固件与体节盖之间加装弹簧垫圈以优化连接的自锁性；所述体节盖为盘形结构。
如图6所示，一种仿生蚯蚓装置的工作方法，当以上所述的仿生蚯蚓装置由四个伸缩单元组成时，其在管道中的前进运动方法包括以下步骤；
步骤S1、使仿生蚯蚓装置处于初始状态，此时所有的电推杆均未上电，仿生蚯蚓装置的所有伸缩单元形成的体节都处于收缩状态，此时仿生蚯蚓装置的横截面膨胀，使仿生蚯蚓装置固定在管道中；
步骤S2、设置前进方向的最后一节电推杆保持掉电状态，此时该电推杆所在的伸缩单元处于收缩状态，伸缩单元在金属弹簧片弹力作用下具有大的腔体横截面，使伸缩单元侧壁的金属弹簧片与管道的管壁充分接触，使得仿生蚯蚓装置尾端保持被固定的状态，而前面三节电推杆则处于上电伸展状态，迫使前面三个体节伸张，横截面缩小并向前运动；
步骤S3、设置前进方向的第一节电推杆掉电，使得第一节体节横截面膨胀，固定于管道内；
步骤S4、对最后一节电推杆进行上电，使得最后一节体节横截面收缩，脱离管壁固定状态；
步骤S5、依次对二、三、四节电推杆进行掉电处理，在金属弹簧片和膨胀固定的第一节体节的作用下，二、三、四节体节依次向前运动，完成一次前进工作循环。
当需使仿生蚯蚓装置在管道内的前进速度加快时，在步骤S2中，多个电推杆同步上电伸展，使三个体节同步伸张；在步骤S5中，多个电推杆同时掉电，使三个体节同时收缩。

Claims (7)

1.一种仿生蚯蚓装置，其特征在于：所述蚯蚓装置包括以首尾相接方式线形相连的多个伸缩单元；所述伸缩单元包括推杆机构和沿首尾方向设置的弹性件；所述伸缩单元的伸缩动作由弹性件在推杆机构作用下的形变、弹性件的自然恢复来驱动；当蚯蚓装置移动时，各伸缩单元按预设的伸缩次序执行伸缩动作以驱动蚯蚓装置；
所述推杆机构包括以第一连接块（2-3）、第二连接块（2-6）固定于伸缩单元内的微型电推杆（2-5）；所述微型电推杆的顶部通过第一连接块与伸缩单元首端的第一体节盖（2-1）相接；所述微型电推杆的尾部通过第二连接块固定于伸缩单元尾端的第二体节盖（2-7）处；所述弹性件为连接伸缩单元首端的第一体节盖、尾端的第二体节盖的多根金属弹簧片（2-2）；所述金属弹簧片均匀设置于微型电推杆旁侧；当微型电推杆上电伸长时驱动金属弹簧片伸展，使伸缩单元的腔体伸长，横截面缩小；当微型电推杆断电收缩时，金属弹簧片以弹力收缩并恢复姿态，使伸缩单元的腔体收缩，横截面膨胀；
各伸缩单元之间的体节盖以转向单元（3）相连，使蚯蚓装置可处于弯曲形态；所述转向单元包括位于中轴部位处的单杆球头关节轴承（3-4）、环绕单杆球头关节轴承设置的多个鱼眼杆端关节轴承（3-3），还包括微型丝杆滑台（3-7）；所述单杆球头关节轴承一端通过转向连接块（3-1）与前部伸缩单元的第二体节盖相连接，另一端与后部伸缩单元的第一体节盖固定；所述微型丝杆滑台通过丝杆滑台安装块（3-6）固定于后部伸缩单元的第一体节盖处，其控制第二转向推杆（3-5）推动鱼眼杆端关节轴承进行前后运动；所述鱼眼杆端关节轴承通过第一转向推杆（3-2）推动转向连接块，控制两个伸缩单元间的连接角度。
2.根据权利要求1所述的一种仿生蚯蚓装置，其特征在于：所述蚯蚓装置内置与运动控制机构相连的控制器；所述控制器经无线通讯模块与上位机相连以接收运行指令；所述运动控制机构通过控制各伸缩单元的微型电推杆和各转向单元的微型丝杆滑台来控制蚯蚓装置的移动工况。
3.根据权利要求2所述的一种仿生蚯蚓装置，其特征在于：所述蚯蚓装置还包括电池电源模块、运动传感器组件、土壤修复治理机构以及土壤检测传感器组件；所述电池电源为蚯蚓装置的各模块提供电源；所述土壤修复机构可执行土壤样本采集作业、土壤修复液喷洒作业；所述土壤检测传感器组件可对土壤的质量状态进行检测；所述运动传感器组件对蚯蚓装置的运动状态进行检测；所述控制器为基于STM32的控制器，在接收上位机控制指令后，结合传感器组件的采集信息，发出对应的运动控制和土壤治理控制指令。
4.根据权利要求1所述的一种仿生蚯蚓装置，其特征在于：所述蚯蚓装置的外壁处覆有具有保护功能的表皮结构；当蚯蚓装置移动时，所述表皮结构以润滑效应辅助其动作执行，同时防止外界异物破坏伸缩单元和转向单元；所述蚯蚓装置的前、后处还安装有保护罩（1），所述保护罩为有助蚯蚓装置的前进运动并能避免坚硬物质伤害的保护罩。
5.根据权利要求1所述的一种仿生蚯蚓装置，其特征在于：当所述金属弹簧片固定于体节盖时，通过体节盖处的定位孔定位，再以紧固件固定连接于体节盖的通孔处，环绕微型电堆杆的多根金属弹簧片围成伸缩单元的椭圆状腔体；所述紧固件与体节盖之间加装弹簧垫圈以优化连接的自锁性；所述体节盖为盘形结构。
6.一种仿生蚯蚓装置的工作方法，其特征在于：当权利要求2所述的仿生蚯蚓装置由四个伸缩单元组成时，其在管道中的前进运动方法包括以下步骤；
步骤S1、使仿生蚯蚓装置处于初始状态，此时所有的电推杆均未上电，仿生蚯蚓装置的所有伸缩单元形成的体节都处于收缩状态，此时仿生蚯蚓装置的横截面膨胀，使仿生蚯蚓装置固定在管道中；
步骤S2、设置前进方向的最后一节电推杆保持掉电状态，此时该电推杆所在的伸缩单元处于收缩状态，伸缩单元在金属弹簧片弹力作用下具有大的腔体横截面，使伸缩单元侧壁的金属弹簧片与管道的管壁充分接触，使得仿生蚯蚓装置尾端保持被固定的状态，而前面三节电推杆则处于上电伸展状态，迫使前面三个体节伸张，横截面缩小并向前运动；
步骤S3、设置前进方向的第一节电推杆掉电，使得第一节体节横截面膨胀，固定于管道内；
步骤S4、对最后一节电推杆进行上电，使得最后一节体节横截面收缩，脱离管壁固定状态；
步骤S5、依次对二、三、四节电推杆进行掉电处理，在金属弹簧片和膨胀固定的第一节体节的作用下，二、三、四节体节依次向前运动，完成一次前进工作循环。
7.根据权利要求6所述的一种仿生蚯蚓装置的工作方法，其特征在于：当需使仿生蚯蚓装置在管道内的前进速度加快时，在步骤S2中，多个电推杆同步上电伸展，使三个体节同步伸张；在步骤S5中，多个电推杆同时掉电，使三个体节同时收缩。
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