专利名称：一种仿蚯蚓钻地机器人的制作方法
一种仿蚯蚓钻地机器人技术领域
本发明属于仿生机器人领域，涉及一种能够在泥土中爬行的钻地机器人。
技术背景
矿产预测、矿产普查、地质调查等是国土开发、整治、规划的重要依据。目前，上述工作主要是通过搭建大型钻塔进行钻探来完成，这种做法需要大型设备，地质调查成本高。 另一方面，我国是多地震国家，尤其是近年来，多次遭受强烈地震，对我们的生命、财产造成了巨大损失。目前的地震搜救主要依靠声波(振动)、雷达微波生命探测器、搜救犬等，但是搜救的效果不是很理想。再者，我国矿难事故时有发生。过去我们抢救井下事故是通过坑口向出事地点沿着巷道平行推进救援，现在我们采用“垂直钻井救援”技术，但这种做法同样需要大型设备，救援成本高。综上所述，客观上需要一种简便易行的新方法来完成上述任务。
机器人作为信息技术和先进制造技术的典型代表，已成为世界各国竞相发展的技术领域，而地下钻探机器人更是近年来国内外研究的热点。此前国内已经研制出用于地下铺管的非开挖“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，此类机器人一般用液动或气动的方式驱动拱泥头做往复式冲击运动，将前方泥土冲出一定长度的孔洞， 但能耗高、控制系统复杂。日本开发出一种用于地质勘测的小型钻掘机器人“Digbot”，该机器人采用“双重反转钻头”的设计，可以消除钻土过程中的阻力矩，机器人后部采用电磁螺线管提供前进推力，但该方法提供的推力有限，且不具备转向功能。美国发明了一种自推进深孔钻进设备，分为前、后两节，模仿尺蠖钻掘爬行，主要用于地外行星的表面探测，但该机器人结构复杂，制造成本高，不适合大批量生产应用。地下土壤环境复杂，对机器人的性能要求高，因此，尽管国内外研究钻地机器人多年，大多数仍处于实验室研究阶段。发明内容
本发明的目的在于提供一种仿蚯蚓钻地机器人，不仅能在泥土中前进，还能自由转向，实现矿藏探索，地质勘探和地震、矿难救援。一般钻孔的直径可为100 600mm，钻孔深度可达20 100m。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为一种在泥土中爬行的仿蚯蚓钻地机器人，由头部、前体节、后体节、螺旋杆四部分组成，包括钻、排土，驱动，探测、控制三大模块。钻、排土模块实现土壤的切削和输送；驱动模块实现机体的运动，包括前进、转向两个动作；探测、控制模块实现机器人周围环境的探测并控制驱动模块，从而实现理想的运动方式。
所述钻、排土模块包括圆锥形钻头、电机、螺旋杆三部分。所述电机具有双输出轴， 通过联接销分别连接圆锥形钻头和螺旋杆。电机外部焊有辐板，所述辐板与前体节左端板螺栓联接。所述螺旋杆由一对吊轴承固定，所述吊轴承通过螺栓固定在前、后体节内壳体端部的平台上。
所述驱动模块包括前、后体节两部分，体节之间通过轴向伸缩机构相连。所述前体节由内、外壳体两部分组成，所述外壳体周向均布径向胀缩机构，所述内壳体右半部分周向均布导轨，左半部分端部焊有平台，所述平台设有螺纹孔。所述外壳体与内壳体通过左、右端板固联，所述左端板设有螺纹孔，所述右端板设有通孔。同理，后体节也由内、外两壳体组成。所述外壳体周向均布3个径向胀缩机构，所述内壳体周向均布3个凹槽，与导轨相配合， 内壳体端部焊有平台，所述平台设有螺纹孔。所述外壳体与内壳体通过左、右端板固联，所述左端板设有螺纹孔。
所述探测、控制模块包括陀螺仪、电路板、探测装置三部分。所述陀螺仪和电路板安装在后体节右端板内侧，所述探测装置安装在前体节左端板内侧。
所述圆锥形钻头采用中空的特殊设计，将切削得到的土屑通过螺旋杆排出体外。 考虑到土壤中石砾的存在，钻头后方可添加破碎机构，以限制颗粒直径。所述螺旋杆的排土形式为内排土。
所述径向胀缩机构由支撑足、丝杠、电机三部分组成。所述支撑足与丝杠螺纹联接，所述丝杠与电机销联接，所述电机与内壳体表面螺栓联接。所述轴向伸缩机构由一对丝杠螺母机构组成，所述丝杠螺母机构包括丝杠和电机两部分，所述丝杠与电机销联接，所述电机与右端板内壁螺栓联接。
所述径向胀缩机构可采用曲柄滑块机构或支撑气囊的形式。所述支撑足侧面有小凸块，外壳体壁上有对应凹槽，利于支撑足的径向伸缩。所述支撑足周围和前、后体节之间均附有防尘罩。
此外，机器人尾部拖有缆线，所述缆线通过卷筒不断释放，并与地表的电源、计算机控制系统相连，实现机器人的持续钻进和实时控制。
与现有技术相比，本发明的优点在于
1、利用仿生学原理，采用双体节设计，通过前、后体节的运动配合，使其能够像蚯蚓一样在泥土中蠕动爬行，实现前进、自由转向。
2、可安装传感器、微型CCD摄像机等探测装置，实现对周围环境的探测，预先规划路径。
3、采用螺旋钻进的形式，内置用于排土的螺旋杆。
4、内置缆线释放装置，可使缆线从内部缓慢释放，消除因拖拽缆线造成的摩擦阻力。
5、总体机构简单，实施成本低，适用于矿藏探索、地质勘探和地震、矿难救援。
图1为本发明机器人实施例的结构示意图(未画出防尘罩)；
图2为图1所示实施例的A-A剖面视图3为图1所示实施例头部的结构示意图4为图1所示实施例前体节的结构示意图5为图1所示实施例后体节的结构示意图6为图1所示实施例支撑足的结构示意图7为图2中所示的B-B剖面视图；4
图为本发明机器人实现前进的原理示意图9为本发明机器人实现转向的原理示意图。
图中各标号为1、圆锥形钻头；2、电机；3、辐板；4、前体节；5、吊轴承；6、前支撑足；7、丝杠；8、螺旋杆；9、丝杠；10、后体节；11、后支撑足；12、陀螺仪；13、缆线；14、电源； 15、计算机控制系统；16、卷筒；17、电路板；18、电机；19、防尘罩；20、轴套；21、电机；22、探测装置；23、左端板；24、螺纹孔；25、凹槽；26、外壳体；27、右端板；28、内壳体；29、导轨； 30、通孔；31、平台；32、螺纹孔；33、左端板；34、凹槽；35、外壳体；36、平台；37、右端板；38、 内壳体；39、螺纹孔；40、凸块。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例对本发明进一步加以说明。
请参阅图1 9，本发明中仿蚯蚓钻地机器人呈轴对称结构，由均布在前、后体节 4、10上的支撑足6、11定位。
上述仿蚯蚓钻地机器人由头部(图幻、前体节4、后体节10、螺旋杆8四部分组成， 包括钻、排土，驱动，探测、控制三大模块。钻、排土模块实现土壤的切削和输送；驱动模块实现机体的运动，包括前进、转向两个动作；探测、控制模块实现机器人周围环境的探测并控制驱动模块，从而实现理想的运动方式。
钻、排土模块包括圆锥形钻头1、电机2、螺旋杆8三部分。圆锥形钻头1采用特殊设计，其顶部1/3为螺旋钻头，尾部仿照盾构机的刀片设计，其间中空，切削形成的土屑由此进入螺旋杆8，并最终从机体尾部排出，考虑到土壤中石砾的存在，钻头1后方可添加破碎机构，以限制颗粒直径。电机2具有双输出轴，可添加减速器来输出不同的转速，双输出轴通过联接销分别连接圆锥形钻头1和螺旋杆8，使圆锥形钻头1和螺旋杆8同时转动。电机2外部焊有辐板3，辐板3与前体节4左端板23螺栓联接。螺旋杆8由一对吊轴承5固定在机身中心轴线上，吊轴承5通过螺栓固定在内壳体观、38端部的平台31、36上。螺旋杆8的排土形式为内排土，通过优化螺距、外径、芯杆直径、长度、转速等结构参数，采用正、 反转的形式，可提高排土效率，防止“卡死”。
驱动模块包括前体节4 (图4)、后体节10 (图幻两部分，体节之间通过轴向伸缩机构相连。前体节4由外壳体26、内壳体观两部分组成，外壳体26周向均布3个径向胀缩机构(图7)，内壳体观右半部分(图4中内壳体观的实线部分)周向均布3条导轨四，左半部分(图4中内壳体观的虚线部分)端部焊有平台31，平台31设有螺纹孔32，用于螺栓联接。外壳体26与内壳体28通过左、右端板23、27固联，左端板23设有螺纹孔M，用于螺栓联接；右端板27设有通孔30，用于安装轴套20。同理，后体节10也由内、外两壳体 38,35组成。外壳体35周向均布3个径向胀缩机构，内壳体38周向均布3个凹槽34，与内壳体观的导轨四相配合，内壳体38端部焊有平台36，平台36设有螺纹孔32，用于螺栓联接。外壳体35与内壳体38通过左、右端板33、37固联，左端板33设有螺纹孔39，充当丝杠螺母机构的“螺母”。
上述径向胀缩机构由支撑足6、11 (图6)、丝杠7、电机18三部分组成，这三者以丝杠螺母机构的形式运动。支撑足6、11与丝杠7螺纹联接，丝杠7与电机18销联接，电机18 与内壳体28表面螺栓联接。支撑足6、11侧面有小凸块40，外壳体沈、35壁上有对应凹槽25，利于支撑足6、11的径向伸缩。除了丝杠螺母机构，径向胀缩机构还可以采用曲柄滑块机构或支撑气囊的形式。轴向伸缩机构由一对丝杠螺母机构组成，丝杠螺母机构包括丝杠 9和电机21两部分，丝杠9与电机21销联接，电机21与右端板27内壁螺栓联接。通过径向胀缩机构和轴向伸缩机构的相互配合，可模仿蚯蚓蠕动爬行。
探测、控制模块包括陀螺仪12、电路板17、探测装置22三部分。陀螺仪12和电路板17安装在后体节10右端板37内侧，分别用于位姿检测和运动控制。探测装置22安装在前体节4左端板23内侧，用于周围环境的探测。
除此之外，支撑足6、11周围和前、后体节4、10之间均附有防尘罩19。机器人尾部拖有缆线13，所述缆线13通过卷筒16不断释放，并与地表的电源14、计算机控制系统15 相连，实现机器人的持续钻进和实时控制。
工作原理本发明的仿蚯蚓钻地机器人由三组直流电机驱动，其中两组通过丝杠螺母机构将转动转化为平动。圆锥形钻头1切削得到土屑，由螺旋杆8排出体外。通过驱动丝杠螺母机构，实现支撑足6、11的径向胀缩和体节4、10的轴向伸缩。按一定的顺序控制三组电机的正、反转，就可以实现蠕动式前进和转向。在机器人钻进的过程中，内部的探测装置22实时探测周围的环境，并通过尾部的缆线13将数据传输给地表的计算机控制系统15，使工作人员能够掌握机器人的最新动态。当发现前方有石头、孔洞等异物时，工作人员根据机体内置陀螺仪12提供的位姿信息，将命令传输给电路板17，指挥机器人躲避；当发现目标物体时，可以将目标物体的位置信息传递给计算机控制系统15，有利于后续的挖掘工作。
以下具体说明本发明的仿蚯蚓钻地机器人的基本运动步骤。
请参阅图8，一个前进的运动周期可以分为6个步骤。
步骤一，如图fe所示，机器人处于初始状态，支撑足6、11收缩在各自体节内，丝杠 9所在的丝杠螺母机构处于收缩状态。电机2驱动圆锥形钻头1和螺旋杆8旋转，机器人一方面切削土壤，形成孔洞，另一方面把泥土从尾部排出。
步骤二，如图8b所示，电机18驱动丝杠7转动，使后支撑足11伸出后体节10，并撑紧由圆锥形钻头1钻削形成的孔壁。
步骤三，如图8c所示，电机21驱动丝杠9所在的丝杠螺母机构伸长，使前体节4、 钻头1和螺旋杆8前进距离h。
步骤四，如图8d所示，电机18驱动丝杠7转动，使前支撑足6伸出前体节4，并撑紧孔壁，而后支撑足11缩回后体节10内部。
步骤五，如图Se所示，电机21驱动丝杠9所在的丝杠螺母机构收缩，使后体节10 跟进距离h。
步骤六，如图8f所示，电机18驱动丝杠7转动，使前支撑足6缩回前体节4内部， 机器人回到初始状态，即回到步骤一。
至此，完成一个周期的运动，机器人整体向前移动了一个步距h，如此反复，可实现机器人的不断直线前进。
请参阅图9，当前、后体节4、10对角线上的一对支撑足收缩或伸长，而其余支撑足伸长或收缩时，由于力矩的不平衡，机身发生相应偏转，从而实现转向运动。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种钻地机器人，其特征在于其包括实现土壤切削和输送的钻、排土模块，实现机体运动的驱动模块，以及实现机器人周围环境探测并控制驱动模块的探测、控制模块，所述三个模块相互联接配合构成钻地机器人整体。
2.根据权利要求1所述的钻地机器人，其特征在于所述钻、排土模块包括圆锥形钻头 (1)、电机O)、螺旋杆(8)三部分，所述电机( 具有双输出轴，通过联接销分别连接圆锥形钻头⑴和螺旋杆⑶；电机⑵外部设置有辐板⑶，所述辐板(3)与前体节⑷左端板03)螺栓联接；所述螺旋杆⑶由一对吊轴承(5)固定，所述吊轴承(5)通过螺栓固定在内壳体(28,38)端部的平台(31,36)上。
3.根据权利要求1所述的钻地机器人，其特征在于所述驱动模块包括前体节、后体节(10)两部分，体节之间通过轴向伸缩机构相连；所述前体节(4)由外壳体06)、内壳体08)两部分组成，所述外壳体06)周向均布径向胀缩机构，所述内壳体08)右半部分周向均布导轨( )，左半部分端部设置有平台(31)，所述平台(31)设有螺纹孔(3 ；所述外壳体06)与内壳体08)通过左、右端板03、27)固联，所述左端板设有螺纹孔 (M)，所述右端板(27)设有通孔(30)；后体节(10)由内、外两壳体(38,35)组成；所述外壳体(3 周向均布径向胀缩机构，所述内壳体(3 周向均布凹槽(34)，与内壳体08)的导轨09)相配合，内壳体(38)端部设置有平台(36)，所述平台(36)上设有螺纹孔(32)， 所述外壳体(3 与内壳体(38)通过左、右端板(33、37)固联，所述左端板(3 上设有螺纹孔(39)。
4.根据权利要求1所述的钻地机器人，其特征在于所述探测、控制模块包括陀螺仪 (12)、电路板(17)、探测装置(22)，所述陀螺仪(12)和电路板(17)安装在后体节(10)右端板(37)内侧，所述探测装置0 安装在前体节(4)左端板内侧。
5.根据权利要求2所述的钻地机器人，其特征在于所述圆锥形钻头(1)采用中空的结构以将切削得到的土屑通过螺旋杆(8)排出体外；优选的，钻头(1)后方再添加破碎机构以限制颗粒直径。
6.根据权利要求3所述的钻地机器人，其特征在于所述径向胀缩机构包括支撑足(6、 11)、丝杠(7)、电机(18)，所述支撑足(6、11)与丝杠(7)螺纹联接，所述丝杠(7)与电机 (18)销联接，所述电机(18)与内壳体(观、38)表面螺栓联接；所述轴向伸缩机构由一对丝杠螺母机构组成，所述丝杠螺母机构包括丝杠(9)和电机两部分，所述丝杠(9)与电机销联接，所述电机与右端板m内壁螺栓联接。
7.根据权利要求6所述的钻地机器人，其特征在于所述径向胀缩机构可采用曲柄滑块机构或支撑气囊的形式。
8.根据权利要求6所述的钻地机器人，其特征在于支撑足(6、11)侧面有小凸块 (40)，外壳体(26,35)壁上有对应凹槽(25)，利于支撑足(6,11)的径向伸缩。
9.根据权利要求1所述的钻地机器人，其特征在于机器人尾部拖有缆线(13)，所述缆线(13)绕于卷筒(16)上并与地表的电源(14)、计算机控制系统(15)相连以实现机器人的持续钻进和实时控制。
10.根据权利要求6或8所述的钻地机器人，其特征在于支撑足(6、11)周围和前、后体节(4,10)之间均设置有防尘罩(19)。
全文摘要
本发明提供了一种能够在泥土中爬行的仿蚯蚓钻地机器人，其结构包括钻削土壤的头部，可行进、转向的前、后两节体节，以及用于内排土的螺旋杆。其中，所述体节周向各均布3个支撑足，体节之间通过一对丝杠螺母机构连接。在电机的驱动下，所述支撑足和丝杠螺母机构相互配合，可使机器人模仿蚯蚓蠕动爬行。此外，机器人自带探测装置、陀螺仪和电路板，使用组合缆线传递动力和信息，利于工作人员的远程实时控制。本发明的优点在于该机器人采用仿生学理论进行设计，模仿蚯蚓钻掘爬行，具有钻土效率高、结构简单、实施成本低等优势，可实现前进和自由转向，适用于地下矿藏探索，地质勘探和地震、矿难救援等。
文档编号E21B7/00GK102493763SQ20111039744
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月2日 优先权日2011年12月2日
发明者李晓华, 杨鹏春, 王叶锋, 简小刚, 黄江昕 申请人:同济大学