CN1328017C - 仿生蝼蛄机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种仿生蝼蛄机器人，其结构包括由曲柄摇杆机构实现的仿生挖掘及其直流电机驱动部分、操纵机器人行走的控制部分、密封部分及支撑部分。仿生蝼蛄机器人可以在一定深度的土层中按预定轨迹自动行走，绕过障碍物，到达预定位置。其优点是根据仿生原理设计、体积小、运动相对灵活、效率较高。可用于实现它主要能够实现PE或PVC管、电缆、光缆等管线的地下非开挖铺设和疏通。

Description

仿生蝼蛄机器人

技术领域

本发明涉及一种可在土中自行行走的仿生蝼蛄机器人。

背景技术

对于地下管线的铺设，从20世纪70年代起，在西方发达国家中开始推广应用非开挖技术。这项技术可以在少量开挖地表的条件下探测、检查、修复、更新和铺设管道、线缆等多种地下设施。与开挖法地下管线施工相比，非开挖法具有不影响交通、不污染环境等优点，并且在许多情况下比开挖法施工周期短、成本低。非开挖技术包括定向钻进、冲击矛、微型隧道、水平螺旋钻、夯管锤等各种非开挖铺管技术以及各种各样的非开挖管道修复及探测技术。目前国内外在小直径管道的开挖和铺设的设备大多采用液压或气压冲击式驱动。但液压或气动冲击机构要求严格的动密封，还需要体积较大的陆上空压或液压动力源及供气或供液管线，并且在曲线钻进时曲线的曲率半径较大。可参阅孟庆鑫等在2003年第三期哈尔滨工程大学学报发表的《“穿地龙”机器人总体方案分析与研究》。

发明内容

本发明涉及一种可在土中自行行走的仿生蝼蛄机器人。该机器人根据仿生原理设计，可以在一定深度的土层中，按预定设计的轨迹前进，行进中可以改变方向绕过障碍物，到达预定位置。它主要能够实现PE或PVC管、电缆、光缆等管线的地下非开挖铺设。

仿生蝼蛄机器人总体结构如图1、图2所示：带动前爪实现挖掘动作的前爪曲柄摇杆机构(1)、实现驱动输出转向的锥齿轮组(2)、三个直流电机(3)、带动后爪实现蹬土动作的后爪曲柄摇杆机构(4)、向前挖掘的前爪(5)、为机器人提供推力和转弯力的后爪(6)、与后基架一起完成支撑和固定功能的前基架(7)、后基架(8)、外壳(9)、控制部分(10)、防止机器人前进过程中倒退的支撑体(11)、支撑外衣的胶皮(12)、由弹性布料制成起密封作用的外衣(13)、连接直流电机(3)的输出轴与锥齿轮组(2)的联轴器(14)、为锥齿轮提供转轴的齿轮轴(15)、存放缆线的储缆箱(16)；其中控制部分(10)与三个直流电机(3)之间为电连接，直流电机(3)输出轴与联轴器(14)之间使用销连接，联轴器(14)与锥齿轮组(2)之间使用键连接，齿轮轴(15)与锥齿轮组(2)之间使用卡簧限位连接，齿轮轴(15)与前基架(7)、后基架(8)之间是过盈固连，前后爪曲柄摇杆机构(1)和(4)的两支点分别固连于前后基架(7)、(8)和锥齿轮组(2)上，前后爪曲柄摇杆机构(1)和(4)与前后爪(5)和(6)使用螺栓连接，前基架(7)、后基架(8)、控制部分(10)、和支撑体(11)分别固连于外壳(9)，胶皮(12)固连于前后爪(5)和(6)支撑外衣(13)，储缆箱(16)固连于支撑体(11)内部。

本发明根据仿生原理设计。主体由前基架(7)和后基架(8)连接的前后三个直流电机(3)及其分别驱动的两组前后爪曲柄摇杆机构(1)、(4)构成，呈管状结构。前后爪(5)和(6)分别位于主体的前部和中部，这样的布置有利于机器人整体的灵活运动。它们由前后爪曲柄摇杆机构(1)、(4)带动，由直流电机(3)驱动作“D”字形轨迹运动。前爪曲柄摇杆机构(1)由同一直流电机(3)驱动，主要完成向前挖土的功能。两个后爪曲柄摇杆机构(4)分别由另两个直流电机(3)驱动，为机器人前进提供驱动力，并且可以通过左右两个后爪曲柄摇杆机构(4)的转速差提供转向力。控制部分(10)嵌入于机器人的后部，主要用于控制其前后爪曲柄摇杆机构(1)、(4)的配合以及运动方向。密封采用胶皮(12)与弹性外衣(13)包住机身。

本发明体积较小，避免了挖掘过程中的不必要的破坏，挖掘效率较高；其管状身体使阻力减小，利于在土中前进；爪部用易于实现的曲柄摇杆机构模仿蝼蛄挖土的动作特点：“D”字形动作轨迹，扒土时力最大，回程时速度快，这保证了掘进的高效；爪式拨土将驱动和挖掘统一起来，节省功耗；前后爪(5)和(6)的配合动作使挖掘前进更顺利。

附图说明

图1仿生蝼蛄机器人总体装配俯视图

图2仿生蝼蛄机器人总体装配侧视图

图3仿生蝼蛄机器人直流电机驱动电路原理图

图4仿生蝼蛄机器人直流电机控制电路原理图

图5仿生蝼蛄机器人总体控制电路原理图

具体实施方式

下面给出本发明的优选实施方式，并结合附图加以说明。

仿生蝼蛄机器人总体结构如图1，图2所示：由同一直流电机(3)带动的两组比例为3.6∶8∶5∶10的曲柄摇杆机构(1)、实现驱动的输出转向的钢制锥齿轮组(2)、输出力矩：50N/m，驱动电压：24V的直流电机(3)、由两个相同直流电机(3)分别驱动两组比例均为1.8∶5.7∶3.6∶6的曲柄摇杆机构(4)、钢制前爪(5)、钢制后爪(6)、硬质铝前基架(7)、硬质铝后基架(8)、硬质铝合金外壳(9)、包括电机驱动、电机控制、总体控制电路的控制部分(10)、由塑料制作的支撑体(11)、支撑外衣的胶皮(12)、由弹性布料制成起密封作用的外衣(13)、连接直流电机(3)输出轴与锥齿轮组(2)的硬质铝联轴器(14)、为两个锥齿轮提供转轴的钢制齿轮轴(15)、存放缆线的储缆箱(16)。仿生蝼蛄机器人体长：545mm，最大直径：98mm，壳体直径：57mm，前端锥角50°。

本发明根据仿生原理，设计的机构符合蝼蛄的运动特点，既简单又高效。通过预设程序调整前后爪的配合，本机器人可在较软土层中快速挖掘前进；可根据土质不同调节其挖掘速度，使其达到最好挖掘效果；本机器人还可携带有效载荷，到达预定位置，完成预定任务。

本发明的工作过程，首先要对挖掘的土质及挖掘路线上的障碍情况进行了解，估算机器人在该土层中的挖掘速度和转弯最小曲率半径，然后根据估算结果设计挖掘轨迹并以程序的形式输入到仿生蝼蛄机器人的控制部分(10)。在预定挖掘轨迹的起始点和终止点用其它方法挖掘到仿生蝼蛄机器人工作深度，将仿生蝼蛄机器人放入起始点工作深度的土层中，并接入24V外部直流电源。控制部分(10)按照预先编写的程序向三个直流电机(3)发出电压信号，控制直流电机(3)通过联轴器(14)带动锥齿轮组(2)转动，锥齿轮组(2)通过前后爪曲柄摇杆机构(1)和(4)带动前后爪(5)和(6)完成挖掘和推动动作。当转弯时，控制部分(10)控制后部的两个直流电机(3)产生转速差，使两个后爪(6)产生不同的推进力，使身体转向。仿生蝼蛄机器人便可以按照设定轨迹从终止点的同一深度钻出。

仿生蝼蛄机器人在许多领域具有广泛的应用前景：地下电缆电线及管道铺设、管道疏通等。本发明在城市建设和科学研究中扮演重要角色，其高效性与低破坏性都是现有的隧道挖掘机所不可比拟的。

Claims (1)

1.一种仿生蝼蛄机器人，其特征在于其结构包括前爪曲柄摇杆机构(1)、锥齿轮组(2)、直流电机(3)、后爪曲柄摇杆机构(4)、前爪(5)、后爪(6)、前基架(7)、后基架(8)、外壳(9)、控制部分(10)、支撑体(11)、胶皮(12)、外衣(13)、联轴器(14)、齿轮轴(15)、储缆箱(16)；其中控制部分(10)与三个直流电机(3)之间为电连接，直流电机(3)输出轴与联轴器(14)之间使用销连接，联轴器(14)与锥齿轮组(2)之间使用键连接，齿轮轴(15)与锥齿轮组(2)之间使用卡簧限位连接，齿轮轴(15)与前基架(7)、后基架(8)之间是过盈固连，前爪曲柄摇杆机构(1)和后爪曲柄摇杆机构(4)的两支点分别固连于前基架(7)、后基架(8)和锥齿轮组(2)上，前爪曲柄摇杆机构(1)和后爪曲柄摇杆机构(4)与前爪(5)和后爪(6)使用螺栓连接，前基架(7)、后基架(8)、控制部分(10)、和支撑体(11)分别固连于外壳(9)，胶皮(12)固连于前爪(5)和后爪(6)并支撑外衣(13)，储缆箱(16)固连于支撑体(11)内部。

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