本发明涉及仿生机器人的一种拱地机器人，具体涉及一种多模块刚柔耦合的拱地机器人及其拱地方法。
背景技术：
1、近年来许多城市都在进行新城市的规划、旧城市的改建，需要埋设大量的地下管线，如电力线、通信线、自来水管线等等。如果用开挖铺管技术，则会导致影响交通和环境污染，还会使施工周期变长等缺点，若采用顶管法和水平钻井法，则整个系统成本很高，且其方向无法控制，并在穿越距离上受到极大的限制，也无法应用于管道的穿越施工。如果应用地下拱洞机器人进行非开挖铺管施工，不仅能克服上述缺点，而且还可在探索地下矿藏、实施井下救援等方面发挥其作用，可节省人力和物力。其次，它还可以用在战场上，在及其隐蔽的情况下代替人完成侦察、探测、爆破等任务。尤其是在未来战场上，军用机器人的应用将不可避免。因此研究和开发小型的、操作方便的地下可控钻孔机器人是很有必要的也是非常有意义的。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种多模块刚柔耦合的拱地机器人及其拱地方法。此多模块刚柔耦合的拱地机器人通过侧面摄像头观察行进道路上的工况，并通过视触传感器判断前方阻碍的材质决定挖掘与否，如果材质超过钻头强度，将另规划行进路线。当确定行进路线后，控制主板控制各电机开始运动，动力装置中牵绳装置开始工作，各体节开始收缩与舒张，通过支架与土壁的摩擦力开始蠕动，同时转向装置中的三自由度超声波关节电机工作，进行转向来决定整个机器人的行进方向，之后各体节之间的连接装置随着转向装置的方向开始偏转，拱地机构在三自由度超声波关节电机的带动下旋转进行拱地，为机器人破开前方阻碍，给机器人的通过开拓空间。本发明可以实现在地下的拱洞与挖地来代替人完成一些特殊环境下的某些工作任务，其中包括非开挖铺管施工、地下的探测、地震和煤矿救援以及未来军事上的侦查、探测等任务。
2、本发明的技术方案如下：
3、一、一种多模块刚柔耦合的拱地机器人
4、所述拱地机器人包括伸缩单元、拱地装置、探测装置、转向装置、连接装置和控制装置；多个伸缩单元依次相连，相邻的两个伸缩单元之间通过连接装置进行连接，最靠近拱地端的伸缩单元处安装有探测装置，探测装置与转向装置相连，转向装置与拱地装置相连，控制装置设置在探测装置内；控制装置与所有伸缩单元、探测装置、转向装置和拱地装置均相连。
5、所述伸缩单元包括铰链、连接板、中间支撑板、弹簧、伸缩杆、牵绳装置、绳和两个端部安装座；第一端部安装座、连接板和第二端部安装座依次间隔布置，伸缩杆的一端固定安装在第一端部安装座中，伸缩杆的另一端穿过连接板后与第二端部安装座相连，伸缩杆外套设有弹簧；第一端部安装座中还安装有牵绳装置，绳的一端固定安装在牵绳装置中，绳的另一端伸入伸缩杆后与第二端部安装座固定连接；第一端部安装座、连接板和第二端部安装座的外缘之间还通过多根铰链进行铰接；牵绳装置控制驱动绳的释放和张紧，带动第一端部安装座和第二端部安装座之间的远离和靠近，同时使得伸缩杆的伸长和缩短以及弹簧的压缩和伸长，实现伸缩单元的伸缩运动。
6、所述牵绳装置包括卷筒和第一电机；卷筒与第一电机的输出轴同轴固接，卷筒中固定安装有绳的一端。
7、所述连接装置包括仿人体球关节，所述仿人体球关节包括关节底座、活动球和活动连接杆，关节底座开设有安装腔，安装腔内放置有多个活动球，活动连接杆的一端部伸入安装腔内并且活动连接杆在安装腔内可旋转运动；关节底座和活动连接杆的另一端部分别与对应的伸缩单元连接。
8、所述拱地装置包括视触传感器、钻头夹具和清洁转盘，视触传感器与转向装置相连，视触传感器上安装有钻头夹具，钻头夹具和视触传感器之间套设安装有清洁转盘；钻头夹具中安装有钻头；钻头的安装端穿过清洁转盘后与视触传感器检测端接触。
9、所述探测装置包括安装壳和摄像组件，摄像组件安装在安装壳内，摄像组件用于采集环境图像。
10、所述转向装置包括三自由超声波关节电机。
11、所述控制装置包括蓄电池和控制主板；控制主板和蓄电池相连，控制主板分别与探测装置、拱地装置、所有伸缩单元、拱地装置相连。
12、二、一种多模块刚柔耦合的拱地机器人的拱地方法
13、所述拱地机器人放置于目标环境中，利用探测装置观察行进道路上的工况，以及利用视触传感器判断拱地机器人拱地端处前方的阻挡物硬度，如果超过预设硬度阈值，则控制拱地机器人的伸缩单元和转向装置，调整拱地机器人的形状和转向，直至阻挡物硬度在预设硬度阈内；在确定行进路线后，不断控制拱地机器人的伸缩单元和转向装置，实现拱地机器人沿着行进路线的向前行进以及探测。
14、本发明的有益效果如下：
15、1、本发明提出的一种拱地机器人可以代替人完成一些在特殊环境下的某些工作任务。
16、2、本发明提出的一种拱地机器人顺应陆上不开挖技术的发展趋势。
17、3、由于本发明提出的一种拱地机器人利用胀紧装置与土壁的摩擦力提供了前进力，因此无需工作墙或路面机构施加防后退阻力。
18、4、由于本发明提出的一种拱地机器人灵活多变的特点，可实现自动控制，便可省去调节位姿设备和控制显示装置。
19、5、相比于现有拱地机器人与壁面的接触，本发明提出的一种拱地机器人能实现与壁面更大面积的接触，能够使运动更加稳定。
1.一种多模块刚柔耦合的拱地机器人，其特征在于，包括伸缩单元(1)、拱地装置(2)、探测装置(3)、转向装置(4)、连接装置(5)和控制装置(7)；多个伸缩单元(1)依次相连，相邻的两个伸缩单元(1)之间通过连接装置(5)进行连接，最靠近拱地端的伸缩单元(1)处安装有探测装置(3)，探测装置(3)与转向装置(4)相连，转向装置(4)与拱地装置(2)相连，控制装置(7)设置在探测装置(3)内；控制装置(7)与所有伸缩单元(1)、探测装置(3)、转向装置(4)和拱地装置(2)均相连。
2.根据权利要求1所述的一种多模块刚柔耦合的拱地机器人，其特征在于，所述伸缩单元(1)包括铰链(13)、连接板(14)、中间支撑板(15)、弹簧(16)、伸缩杆(17)、牵绳装置(18)、绳(21)和两个端部安装座；第一端部安装座、连接板(14)和第二端部安装座依次间隔布置，伸缩杆(17)的一端固定安装在第一端部安装座中，伸缩杆(17)的另一端穿过连接板(14)后与第二端部安装座相连，伸缩杆(17)外套设有弹簧(16)；第一端部安装座中还安装有牵绳装置(18)，绳(21)的一端固定安装在牵绳装置(18)中，绳(21)的另一端伸入伸缩杆(17)后与第二端部安装座固定连接；第一端部安装座、连接板(14)和第二端部安装座的外缘之间还通过多根铰链(13)进行铰接；牵绳装置(18)控制驱动绳(21)的释放和张紧，带动第一端部安装座和第二端部安装座之间的远离和靠近，同时使得伸缩杆(17)的伸长和缩短以及弹簧(16)的压缩和伸长，实现伸缩单元(1)的伸缩运动。
3.根据权利要求2所述的一种多模块刚柔耦合的拱地机器人，其特征在于，所述牵绳装置(18)包括卷筒(19)和第一电机(20)；卷筒(19)与第一电机(20)的输出轴同轴固接，卷筒(19)中固定安装有绳(21)的一端。
4.根据权利要求1所述的一种多模块刚柔耦合的拱地机器人，其特征在于，所述连接装置(5)包括仿人体球关节(25)，所述仿人体球关节(25)包括关节底座、活动球和活动连接杆，关节底座开设有安装腔，安装腔内放置有多个活动球，活动连接杆的一端部伸入安装腔内并且活动连接杆在安装腔内可旋转运动；关节底座和活动连接杆的另一端部分别与对应的伸缩单元(1)连接。
5.根据权利要求1所述的一种多模块刚柔耦合的拱地机器人，其特征在于，所述拱地装置(2)包括视触传感器、钻头夹具(12)和清洁转盘(26)，视触传感器与转向装置(4)相连，视触传感器上安装有钻头夹具(12)，钻头夹具(12)和视触传感器之间套设安装有清洁转盘(26)；钻头夹具(12)中安装有钻头；钻头的安装端穿过清洁转盘(26)后与视触传感器检测端接触。
6.根据权利要求1所述的一种多模块刚柔耦合的拱地机器人，其特征在于，所述探测装置(3)包括安装壳和摄像组件(8)，摄像组件(8)安装在安装壳内，摄像组件(8)用于采集环境图像。
7.根据权利要求1所述的一种多模块刚柔耦合的拱地机器人，其特征在于，所述转向装置(4)包括三自由超声波关节电机(11)。
8.根据权利要求1所述的一种多模块刚柔耦合的拱地机器人，其特征在于，所述控制装置(7)包括蓄电池(10)和控制主板(9)；控制主板(9)和蓄电池(10)相连，控制主板(9)分别与探测装置(3)、拱地装置(2)、所有伸缩单元、拱地装置(2)相连。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种多模块刚柔耦合的拱地机器人的拱地方法，其特征在于，方法包括以下步骤：