专利名称：仿鼹鼠挖掘机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种仿生机器人，具体地说是一种放生挖掘机器人。
背景技术：
随着国际航运事业的发展，海上沉船事故屡屡发生，对于一些有较高价值和堵塞航道的沉船，需要及时打捞。沉船打捞的一项关键技术是水下攻打千斤洞，即在船底穿引钢缆用于沉船起吊作业。目前水下攻打千斤洞普遍使用的方法是潜水员运用手动攻泥器打洞。这种方法效率低、成本高，且不能应用于深水环境。
目前仿生拱泥机器人主要有仿蚯蚓蠕动多节式和冲击蠕动式机器人两种类型。其具体特点如下
I)仿蚯蚓蠕动多节式机器人
该种机器人包含至少两个首尾相连的体节，每个体节均包含壳体、后连接头、驱动装置以及爬行装置。电动机带动驱动装置和爬行装置，利用不同体节爬行装置的连续作用， 模拟蚯蚓的蠕动爬行运动，且可在泥土中转弯，该种机器人的特点是结构简单、功率小。
2)冲击蠕动式机器人
比较典型的是哈尔滨工程大学海洋智能机械研究所研制的带转向头的冲击式拱泥机器人。这种机器人采用气动冲击方式工作，利用冲击力挤压做功克服泥土阻力，提供机器人前进运动的驱动力。这种机器人的特点是工作稳定，适用泥土范围宽。
上述两种仿生拱泥机器人的主要缺点是受工作原理和机构尺寸影响，使得机器人本体长度相对较长，转弯半径大，轨迹可控性差。发明内容
本发明的目的是提供一种转弯半径小，轨迹灵活的仿鼹鼠挖掘机器人。
本发明的目的是这样实现的
包括躯体，安装在躯体前方的左前肢和右前肢，安装在躯体后方的左后肢和右后肢，左前肢和右前肢上安装有前肢爪趾，左后肢和右后肢上安装有后肢铲斗；
所述躯体由可相对转动的前后两个部分构成，前后两个部分躯体之间设置有扭转机构；
所述左前肢主要包括肢体中心轴、末端中心轴、滑道、滑块、上驱动机构和下驱动机构；滑道与滑块分别与末端中心轴或肢体中心轴的中部铰接，滑块置于所述滑道内；所述上驱动机构的组成主要包括电机、减速箱、转向齿轮箱、转向齿轮箱输出轴、曲柄、连杆、 摇杆和末端连杆，电机和减速箱固定在一起，减速箱连接转向齿轮箱将减速箱输出的运动由水平方向转换为竖直方向并通过转向齿轮箱输出轴输出，曲柄的一端与转向齿轮箱输出轴连接，曲柄的另一端和连杆的一端铰接，连杆的另一端与摇杆中间铰接，摇杆一端与末端连杆的一端铰接，摇杆的另一端与肢体中心轴的上端铰接，末端连杆的另一端与末端中心轴的上端铰接；所述下驱动机构的组成与上驱动机构的组成相同，下驱动机构的摇杆与肢3体中心轴的下端铰接，下驱动机构的末端连杆与末端中心轴的下端铰接；电机、减速箱和转向齿轮箱固定在躯体内；肢体中心轴安装在躯体上；
所述右前肢、左后肢和右后肢的结构均与所述左前肢相同；
所述前肢爪趾的两端与末端中心轴的两端铰接，前肢爪趾的中间与滑道或滑块固连。
本发明还可以包括
I、所述扭转机构包括扭转后套、扭转前套、扭转轴和扭转驱动电机，前后两个部分躯体内分别固定有扭转前侧板与扭转后侧板，扭转前套固定在扭转前侧板上，扭转后套固定在扭转后侧板上，扭转轴穿在扭转后套和扭转前套中并通过联轴器与扭转驱动电机相连，扭转驱动电机固定在躯体内。
2、躯体内设置扭转电机安装板，扭转驱动电机通过扭转电机安装板固定在躯体内。
3、躯体内设置后下电机安装板、后上电机安装板、前上电机安装板、前下电机安装板，电机固定在相应的电机安装板上。
4、扭转前套内部安装有深沟球轴承。
本发明提供了一种仿生挖掘装置，它可用于水下攻打千斤洞、陆上非开挖施工、灾难现场救援等多种领域。其在泥土中转弯半径小，轨迹灵活，所筑洞穴形状适合机器人可在三维空间内灵活转弯。
本发明的工作原理该仿鼹鼠挖掘机器人的工作过程包括挖掘、排土、前进、水平面内转弯、竖直面内转弯五个步骤，具体如下
I)挖掘。任一时刻，只有一个前肢工作于挖掘状态，此时其余三个肢体起支撑作用。以左前肢I挖掘为例，首先，调整左后肢、右后肢和右前肢至合适的位姿，为左前肢挖掘运动提供稳定的支撑。然后，左前肢的两个驱动电机转过一定角度，调整左前肢的爪趾至挖掘起始位置。最后，依据预定的轨迹和挖掘循环次数，左前肢的两个驱动电机分别按照一定的运动规律转动，带动左前肢爪趾挖掘。当左前肢完成挖掘过程之后，调整左前肢至支撑点位置，然后右前肢按照相同的方式进行挖掘运动。
2)排土。任一时刻，只有一个后肢工作于排土状态，此时其余三个肢体起支撑作用。以左后肢排土为例，首先，调整左前肢、右前肢和右后肢至合适的位姿，为左后肢的排土运动提供稳定的支撑。然后，左后肢的两个驱动电机转过一定角度，调整左后肢的铲斗至排土起始位置。最后，按照预定的轨迹，左后肢的两个驱动电机按照一定的运动规律转动，带动左后肢进行排土运动。当左后肢完成排土过程之后，调整左后肢至支撑点位置，然后右后肢按照相同方式进行排土运动。
3)前进。当左前肢和右前肢分别完成一个挖掘过程，左后肢和右后肢分别完成一个排土过程之后，机器人前方存在可供机器人前进的空间。首先，依据前进步距大小，调整左前肢、左后肢、右后肢、右前肢至合适的位姿。然后，左前肢和右后肢依次往前摆动一定角度，调整左前肢和右后肢的长度，使其支撑在洞穴两侧。再然后，左前肢、左后肢、右后肢、右前肢支撑点位置不变，四肢协调转动，使机器人躯体前进一段距离。最后，右前肢和左后肢依次往前摆动一定角度，调整右前肢和左后肢长度，使其支撑在洞穴两侧。至此，机器人完成一次往前运动过程。
4 )水平面内转弯。当机器人完成一个挖掘、排土周期运动之后，机器人可在水平面内转过一定角度。首先，按照预定的转弯轨迹，机器人按照前述前进方式前进一段距离，此距离应小于此时机器人可前进的理论最大距离。然后，左前肢、左后肢、右后肢、右前肢支撑点位置不变，四肢协调运动，调整四肢长度和角度至合理位置。以机器人顺时针转过一定角度为例，左前肢和右后肢伸长，右前肢和左后肢伸长。左前肢和右后肢缩短，使机器人躯体顺时针转过一定角度。然后，调整左前肢、左后肢、右后肢、右前肢的位姿，为机器人后续的运动提供稳定的支撑。
5)竖直面内转弯。当机器人需要在竖直面内转弯时，首先，左后肢和右后肢支撑， 扭转驱动电机转过一定角度，带动前侧躯体和左前肢、右前肢同时转过一定角度。然后调整左前肢、右前肢的位姿，使其支撑在所挖掘的洞穴壁上。然后，扭转驱动电机转过一定角度， 带动后侧躯体和左后肢、右后肢同时转过一定角度。最后，调整左前肢、左后肢、右后肢、右前肢的位姿，为机器人后续运动提供稳定的支撑。
图I仿鼹鼠挖掘机器人的结构示意图
图2左前肢的结构示意图3图2的俯视图4四肢原理图5躯体结构示意图6图5的右视图7图5的左视图8图5的仰视图9图5的俯视图。
具体实施方式
下面举例对本发明作进一步说明。
结合图I，仿鼹鼠挖掘机器人主要由左前肢I、躯体11、左后肢III、后肢铲斗IV、右后肢V、右前肢VI、前肢爪趾VII组成。
首先，左前肢I、左后肢III、右后肢V、右前肢VI均为两自由度机构，四个肢体独立运动，可按照预定轨迹循环运动，且轨迹半径可变。左前肢I和右前肢VI主要完成挖掘运动，左后肢III和右后肢V主要完成排土运动，通过左前肢I、左后肢III、右后肢V和右前肢VI的配合协调运动，机器人可实现前进运动和水平面内的转弯运动。其次，躯体II分为前后两个部分，通过扭转轴连接在一起，可相对转动一定角度，从而实现机器人挖掘轨迹在竖直平面内转弯。最后，前肢爪趾VII和后肢铲斗IV通过辅助滑块固定在肢体末端，可随肢体的转动而转动，随肢体的伸缩而伸缩，实现挖土与排土功能。
同时结合图2-图9。所述的左前肢I、左后肢III、右后肢V、右前肢VI肢体结构原理相同，安装位置不同。具有实现工作范围内预定轨迹的单循环运动的功能，且工作半径可变。以左前肢I为例，它包括电机I、减速箱2、转向齿轮箱3、齿轮箱输出轴4、连接轴5、 肢体中心轴6、限位卡环7、连接轴8、滑块9、末端中心轴10、滑道11、曲柄12、连杆13、摇杆14、末端连杆15。电机I和减速器2固定在一起，通过螺钉固定在前上电机安装板上32上， 转向齿轮箱3通过螺钉固定在前上底板31上。转向齿轮箱3将减速箱2输出的运动由水平方向转换为竖直方向，并通过齿轮箱输出轴4输出。曲柄12通过键和限位卡环7与齿轮箱输出轴连接在一起。曲柄12和连杆13通过连接轴5和两个限位卡环7铰接。连杆13与摇杆14、摇杆14与末端连杆15之间通过同样的方式铰接。摇杆14左端通过限位卡环与肢体中心轴6铰接。末端连杆15与末端中心轴10铰接。电机I、减速箱2、转向齿轮箱3、齿轮箱输出轴4、曲柄12、连杆13、两个摇杆14、两个末端连杆15，与滑块9、滑道11 一起，共同组成双曲柄摇杆十杆机构。此双曲柄摇杆机构在摇杆左端共轴，安装位置相错布置。通过分别控制两个摇杆14的位置和速度，即可实现对末端点轨迹和运动曲线的控制。
所述的躯体II，分为前后两个部分，前后两部分可相对转动，实现躯体的扭转。它由扭转轴16、圆螺母17、锁紧垫圈18、扭转后侧板19、扭转后套20、扭转前侧板21、扭转前套22、轴承23、圆螺母24、锁紧垫圈25、联轴器26、紧定螺钉27、减速器28、扭转驱动电机 29、前侧板30、前上底板31、前上电机安装板32、前下电机安装板33、前下底板34、后侧板 35、后上底板36、后上电机安装板37、扭转电机安装板38、后下电机安装板39、后下底板40、 螺栓41、螺母42、弹簧垫圈43组成。其中，前上电机安装板32、前下电机安装板33、后上电机安装板37、后下电机安装板39用于安装四肢的八个电机和减速器组。扭转后套20固定在扭转后侧板19上，扭转前套22固定在扭转前侧板21上。扭转前套22内部安装深沟球轴承23。当扭转电机29转过一定角度时，可使前后两部分躯体转过一定角度。
下面是本发明的一个具体实例
对于此设计的实施例中的工作泥土特性参数为内摩擦角24度、粘聚力约20kPa、 泥土密度18. 4kN/m3。设计基础参数为躯体尺寸(长X宽X高)为413 X 170 X 86mm。曲柄12长度为22mm,连杆13长度为46mm、摇杆14长度为80mm、双曲柄摇杆机构中摇杆14 有效长度为24mm、末端连杆15长度为56mm。四肢可摆动角度为139度。四肢可伸缩距离为56mm。其他设计参数为电机I直径为Φ 32臟、长度为62. 9mm,减速箱2直径为Φ 32mm、 长度为46. 2mm，转向齿轮箱3尺寸(长X宽X高)为52X34X34mm。减速器28直径为 Φ 19mm、长度为15. 5mm、扭转驱动电机29直径为Φ 22mm、长度为31.9mm。
如图2和图3所示，所述的左前肢I、左后肢III、右后肢V、右前肢VI肢体结构原理相同，安装位置不同。以左前肢I为例，电机I、减速箱2通过螺钉固定在前上电机安装板32上，转向齿轮箱3通过螺钉固定在前上底板31上，曲柄12通过平键和限位卡环7固定在齿轮箱输出轴4上，可随齿轮箱输出轴4的转动而转动。曲柄12和连杆13通过连接轴5和限位卡环7铰接在一起，连杆13和曲柄14通过连接轴8和限位卡环7铰接在一起， 摇杆14通过限位卡环7和肢体中心轴6铰接在一起,摇杆14和末端连杆15通过限位卡环和连接轴5铰接在一起。滑块9和肢体中心轴6铰接，上下两个末端连杆15分别和末端中心轴10铰接，滑道11右端末端中心轴10铰接，前肢爪趾VII与末端中心轴10铰接，并通过销钉和滑道11固定在一起。
如图5、图6、图7、图8和图9所示，所述的躯体11中，两个前侧板30、前上底板31、 前下底板34通过螺栓41、螺母42和弹簧垫圈43固定在一起，前上电机安装板32和前上底板31焊接在一起，前下前下电机安装板33和前下底板34焊接在一起。两个后侧板35、后上底板36、后下底板40通过螺栓41螺母42和弹簧垫圈43固定在一起，后上电机安装板37和后上底板焊接在一起，后下电机安装板39和后下底板40焊接在一起。扭转电机安装板38和后上底板36焊接在一起。减速器28和扭转驱动电机29通过紧定螺钉27固定在扭转电机安装板38上，减速器28输出轴和扭转轴16通过联轴器26连接在一起，扭转后套 20通过螺栓固定在扭转后侧板19上，轴承23安装在扭转前套22内部，扭转前套通过螺栓固定在扭转前侧板21上，圆螺母17、锁紧垫圈18、圆螺母24、锁紧垫圈25安装在扭转轴16 上，限定扭转轴16的左右位置。
仿鼹鼠挖掘机器人可在内摩擦角24度、粘聚力约20kPa、泥土密度18. 4kN/m3及抗剪强度小于该泥土的环境下工作，挖掘出形状复杂，轨迹灵活可控的洞穴。
权利要求
1.一种仿鼹鼠挖掘机器人，其特征是 包括躯体，安装在躯体前方的左前肢和右前肢，安装在躯体后方的左后肢和右后肢，左前肢和右前肢上安装有前肢爪趾，左后肢和右后肢上安装有后肢铲斗； 所述躯体由可相对转动的前后两个部分构成，前后两个部分躯体之间设置有扭转机构； 所述左前肢主要包括肢体中心轴、末端中心轴、滑道、滑块、上驱动机构和下驱动机构；滑道与滑块分别与末端中心轴或肢体中心轴的中部铰接，滑块置于所述滑道内；所述上驱动机构的组成主要包括电机、减速箱、转向齿轮箱、转向齿轮箱输出轴、曲柄、连杆、摇杆和末端连杆，电机和减速箱固定在一起，减速箱连接转向齿轮箱将减速箱输出的运动由水平方向转换为竖直方向并通过转向齿轮箱输出轴输出，曲柄的一端与转向齿轮箱输出轴连接，曲柄的另一端和连杆的一端铰接，连杆的另一端与摇杆中间铰接，摇杆一端与末端连杆的一端铰接，摇杆的另一端与肢体中心轴的上端铰接，末端连杆的另一端与末端中心轴的上端铰接；所述下驱动机构的组成与上驱动机构的组成相同，下驱动机构的摇杆与肢体中心轴的下端铰接，下驱动机构的末端连杆与末端中心轴的下端铰接；电机、减速箱和转向齿轮箱固定在躯体内；肢体中心轴安装在躯体上； 所述右前肢、左后肢和右后肢的结构均与所述左前肢相同； 所述前肢爪趾的两端与末端中心轴的两端铰接，前肢爪趾的中间与滑道或滑块固连。
2.根据权利要求I所述的仿鼹鼠挖掘机器人，其特征是所述扭转机构包括扭转后套、扭转前套、扭转轴和扭转驱动电机，前后两个部分躯体内分别固定有扭转前侧板与扭转后侧板，扭转前套固定在扭转前侧板上，扭转后套固定在扭转后侧板上，扭转轴穿在扭转后套和扭转前套中并通过联轴器与扭转驱动电机相连，扭转驱动电机固定在躯体内。
3.根据权利要求2所述的仿鼹鼠挖掘机器人，其特征是躯体内设置扭转电机安装板，扭转驱动电机通过扭转电机安装板固定在躯体内。
4.根据权利要求2或3所述的仿鼹鼠挖掘机器人，其特征是扭转前套内部安装有深沟球轴承。
5.根据权利要求1、2或3所述的仿鼹鼠挖掘机器人，其特征是躯体内设置后下电机安装板、后上电机安装板、前上电机安装板、前下电机安装板，电机固定在相应的电机安装板上。
6.根据权利要求4所述的仿鼹鼠挖掘机器人，其特征是躯体内设置后下电机安装板、后上电机安装板、前上电机安装板、前下电机安装板，电机固定在相应的电机安装板上。
全文摘要
本发明提供的是一种仿鼹鼠挖掘机器人。包括躯体，安装在躯体前方的左前肢和右前肢，安装在躯体后方的左后肢和右后肢，左前肢和右前肢上安装有前肢爪趾，左后肢和右后肢上安装有后肢铲斗。四个肢体均为两自由度机构，四个肢体独立运动，可按照预定轨迹循环运动，且轨迹半径可变。左前肢和右前肢主要完成挖掘运动，左后肢和右后肢主要完成排土运动，通过四个肢体的配合协调运动，可实现前进运动和水平面内的转弯运动。躯体分为前后两个部分，通过扭转轴连接在一起，可相对转动一定角度，从而实现机器人挖掘轨迹在竖直平面内转弯。前肢爪趾和后肢铲斗通过辅助滑块固定在肢体末端，可随肢体的转动而转动，随肢体的伸缩而伸缩，实现挖土与排土功能。
文档编号B25J9/00GK102975195SQ20121048780
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月27日 优先权日2012年11月27日
发明者王茁, 李艳杰, 张波, 刘风坤, 张毅治, 田忠锋, 张真, 郭石宇 申请人:哈尔滨工程大学