自平衡多螺旋钻地机器人的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及地质资源与地质工程探测领域，尤其是涉及一种自平衡多螺旋钻地机器人。
【背景技术】
[0002]目前，地质勘探、矿难搜索救援等作业，往往在地面搭设大型开挖设备，往往具有费时、能耗大、成本高和受地面环境条件限制等缺点，因此实际应用效果并不理想。钻地机器人由于其体积小、功耗低、运动灵活等特点，很适合承担地下施工、救援等任务，已成为近年来国内外研宄的热点。
[0003]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，此类机器人动力源一般为液动或气动，结构上都采用往复冲击挤压泥土前进，具有能耗高、控制系统复杂等缺点。西北工业大学设计出一种土质环境下仿蚯蚓拱洞机器人，具有三个可轴向伸缩和径向胀缩的体节，模仿蚯蚓蠕动爬行方式钻进，然而这种机器人还处于理论研宄和虚拟模拟阶段，距离实用化还有较大差距。日本开发了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，用来消除钻进过程中泥土的阻力矩，机器人后部采用电磁螺线管提供机器人前进推力，但是这种方法提供的推力有限，而且不具备转向功能。美国研制出一种自推进深孔钻进设备“ IDDS”，分为前后两节，采用仿尺蠖运动方式前进，用于地外行星探测也可用于地球上进行地下钻进，但是该机器人结构复杂，制造成本昂贵，不适合大批量生产应用。虽然钻地机器人在国内外研宄多年，但由于地下土壤环境复杂，对机器人的性能要求高，很多钻地机器人还处于实验室研宄阶段。
[0004]中国专利CN2484155公开了一种水下自动攻泥机器人蠕动爬行机构，主要由前躯体、后躯体、倒戗片、油缸体、活塞杆组成，其中:后躯体与油缸体固连、活塞杆与前躯体固连，前躯体与油缸体滑动接触连接，在前、后躯体外表面分别设有倒戗片；所述活塞杆由工作油缸驱动。它能代替潜水员、工作效率高，但是其动力源采用液动，结构上采用往复冲击挤压泥土前进，存在能耗高、控制系统复杂等缺点。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种自平衡多螺旋钻地机器人，结构简单，能够实现在地下自推进和调整方向，为日后通过携带传感器深入土壤进行地质勘探、矿难搜索救援或采集土壤样本等任务提供了很好的平台。
[0006]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0007]一种自平衡多螺旋钻地机器人，包括固定支架杆件和多个螺旋机构，所述螺旋机构分为左旋螺旋机构和右旋螺旋机构，螺旋机构相互平行设置后固定于固定支架杆件上，多个螺旋机构之间通过左旋和右旋保持平衡转动，调整钻进方向时，改变相应螺旋机构的轴向力。
[0008]所述螺旋机构的数量至少为三个。
[0009]所述左旋螺旋机构和右旋螺旋机构的数量相差小于等于I。
[0010]所述螺旋机构包括电机转动装置、旋转壳体和螺旋叶片，所述电机转动装置设于旋转壳体内，并带动旋转壳体转动，所述螺旋叶片设于旋转壳体的外壁上，螺旋叶片分为左旋螺旋叶片和右旋螺旋叶片。
[0011]所述电机转动装置包括减速电机、电机安装壳、滚动轴承、联轴器、连接杆件和紧定销钉，所述电机安装壳设于旋转壳体内，电机安装壳的的外壁通过滚动轴承连接旋转壳体的内壁，所述减速电机设于电机安装壳内，减速电机的通过联轴器与连接杆件相连，所述连接杆件通过紧定销钉连接旋转壳体的端部。
[0012]所述螺旋机构的尾部设有储物腔，所述储物腔设有端盖。
[0013]所述固定支架杆件在钻进方向上设有呈锐角的棱边。
[0014]当钻地机器人需要钻进时，通过控制减速电机转向使得左旋螺旋机构和右旋螺旋机构反向旋转，此时两种螺旋机构分别受到的土壤阻力矩方向相反而抵消了部分力矩，进而减小了钻地机器人整体在钻进过程中的旋转力矩，而两种螺旋机构受到的轴向力方向一致，一同驱动钻地机器人向前运动。当钻地机器人需要转向时，通过改变指定减速电机的转向，进而改变相应螺旋机构所受到的轴向力的方向，此轴向力与其它螺旋机构所受到的轴向力方向相反，在空间上形成力矩，驱动钻地机器人发生转动。
[0015]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0016]I)本发明设计了左旋螺旋机构和右旋螺旋机构的组合，左旋螺旋机构和右旋螺旋机构各自受到的阻力矩相互抵消，大大降低了在钻进过程中钻地机器人整体所受到的偏转力矩，并通过控制指定螺旋机构的转向来调整钻地机器人的钻进方向，有效实现了在土壤中钻进和转向的功能，既利用了高效钻进的螺旋钻进机构，又解决了单个螺旋机构容易发生自转及难以设置转向机构的问题。
[0017]2)本发明结构简单、驱动效率高，也避免了钻地机器人通常遇到的体积狭小的空间下布线、密封等难题。
[0018]3)本发明设有储物腔，便于搭载探地雷达、通信装置等，适用于地质勘探、矿难搜索救援等，有较高的可靠性和实用性。
[0019]4)本发明中固定支架杆件在机器人钻进方向上呈一定锐角的棱边，有利于减小自身在土壤中钻进或后退过时的阻力。
【附图说明】
[0020]图1为本发明的结构立体图；
[0021]图2为本发明中左旋螺旋机构的剖视图。
[0022]图中:1、端盖，2、储物腔，3、电机安装壳，4、减速电机，5、左旋螺旋叶片，6、滚动轴承，7、旋转壳体，8、联轴器，9、连接杆件，10、紧定销钉，11、固定支架杆件，12、线缆接入口，13、右旋螺旋叶片。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0024]一种自平衡多螺旋钻地机器人包括固定支架杆件11和多个螺旋机构，螺旋机构中同时含有左旋螺旋机构和右旋螺旋机构，螺旋机构相互平行设置后固定于固定支架杆件11上，多个螺旋机构之间通过左旋和右旋保持平衡转动，调整钻进方向时，改变相应螺旋机构的轴向力。其中，螺旋机构的数量至少为三个，相比单个螺旋机构可以进行高效地钻进，左旋螺旋机构和右旋螺旋机构的数量相差不大于1，克服了单个螺旋机构容易发生自转及难以设置转向机构的问题。
[0025]如图1所示，本实施例中螺旋机构包括I个左旋螺旋结构和2个右旋螺旋机构，固定支架杆件11为构成三角形结构的支架杆件，三角形的三个角上分别与一个螺旋机构的尾部固定连接，同时固定支架杆件11在钻进方向上呈一定锐角的棱边，有利于减小自身在土壤中钻进或后退时的阻力。螺旋机构的尾部设有储物腔2，储物腔2设有端盖1，端盖I上设有线缆接入口 12，便于搭载探地雷达、通信装置等。
[0026]螺旋机构包括电机转动装置、旋转壳体7和螺旋叶片，电机转动装置包括减速电机4、电机安装壳3、滚动轴承6、联轴器8、连接杆件9和紧定销钉10，旋转壳体7分为中空的圆柱状壳体和圆锥状钻头，电机安装壳3设于旋转壳体7内，电机安装壳3的的外壁通过滚动轴承6连接旋转壳体7的内壁，减速电机4设于电机安装壳3内，减速电机4的通过联轴器8与连接杆件9相连，连接杆件9通过紧定销钉10连接旋转壳体7的端部，螺旋叶片设于旋转壳体7的外壁上，螺旋叶片分为左旋螺旋叶片5和右旋螺旋叶片13，旋转壳体7上焊接左旋螺旋叶片5为左旋螺旋机构，旋转壳体7上焊接右旋螺旋叶片13为右旋螺旋机构，左旋螺旋机构如图2所示。
[0027]当钻地机器人需要钻进时，通过控制减速电机4转向使得左旋螺旋机构和右旋螺旋机构反向旋转，此时两种螺旋机构分别受到的土壤阻力矩方向相反而抵消了部分力矩，进而减小了钻地机器人整体在钻进过程中的旋转力矩，而两种螺旋机构受到的轴向力方向一致，一同驱动钻地机器人向前运动。当钻地机器人需要转向时，通过改变指定减速电机4的转向，进而改变相应螺旋机构所受到的轴向力的方向，此轴向力与其它螺旋机构所受到的轴向力方向相反，在空间上形成力矩，驱动钻地机器人发生转动。
[0028]综上所述，通过多螺旋机构的组合，有效地解决了以往单个螺旋机构容易发生自转的问题，左螺旋机构和右螺旋机构各自受到的阻力矩相互抵消，大大降低了在钻进过程中钻地机器人整体所受到的偏转力矩，通过控制指定螺旋机构的转向来调整钻地机器人的钻进方向。因此，本发明结构简单，驱动效率高，控制方便，造价低廉，适用于松软土壤环境中执行地质勘探、矿难救援搜索等任务，具有广阔的应用前景。
【主权项】
1.一种自平衡多螺旋钻地机器人，其特征在于，包括固定支架杆件(11)和多个螺旋机构，所述螺旋机构分为左旋螺旋机构和右旋螺旋机构，螺旋机构相互平行设置后固定于固定支架杆件(11)上，多个螺旋机构之间通过左旋和右旋保持平衡转动，调整钻进方向时，改变相应螺旋机构的轴向力。
2.根据权利要求1所述的自平衡多螺旋钻地机器人，其特征在于，所述螺旋机构的数量至少为三个。
3.根据权利要求1所述的自平衡多螺旋钻地机器人，其特征在于，所述左旋螺旋机构和右旋螺旋机构的数量相差小于等于I。
4.根据权利要求1所述的自平衡多螺旋钻地机器人，其特征在于，所述螺旋机构包括电机转动装置、旋转壳体(7)和螺旋叶片，所述电机转动装置设于旋转壳体(7)内，并带动旋转壳体(7)转动，所述螺旋叶片设于旋转壳体(7)的外壁上，螺旋叶片分为左旋螺旋叶片(5)和右旋螺旋叶片(13)。
5.根据权利要求4所述的自平衡多螺旋钻地机器人，其特征在于，所述电机转动装置包括减速电机(4)、电机安装壳(3)、滚动轴承(6)、联轴器(8)、连接杆件(9)和紧定销钉(10)，所述电机安装壳(3)设于旋转壳体(7)内，电机安装壳(3)的外壁通过滚动轴承(6)连接旋转壳体(7)的内壁，所述减速电机(4)设于电机安装壳(3)内，减速电机(4)的通过联轴器(8)与连接杆件(9)相连，所述连接杆件(9)通过紧定销钉(10)连接旋转壳体(7)的端部。
6.根据权利要求1所述的自平衡多螺旋钻地机器人，其特征在于，所述螺旋机构的尾部设有储物腔(2)，所述储物腔(2)设有端盖(I)。
7.根据权利要求1所述的自平衡多螺旋钻地机器人，其特征在于，所述固定支架杆件(11)在钻进方向上设有呈锐角的棱边。
【专利摘要】本发明涉及一种自平衡多螺旋钻地机器人，包括固定支架杆件和多个螺旋机构，所述螺旋机构分为左旋螺旋机构和右旋螺旋机构，螺旋机构相互平行设置后固定于固定支架杆件上，多个螺旋机构之间通过左旋和右旋保持平衡转动，调整钻进方向时，改变相应螺旋机构的轴向力。与现有技术相比，本发明的机器人结构简单、驱动效率高，具有钻进和转向功能，适用于地质勘探、矿难搜索救援等，有较高的可靠性和实用性。
【IPC分类】E21B44-00, E21B17-22, E21B10-44
【公开号】CN104653111
【申请号】CN201510047341
【发明人】简小刚, 朱能炯, 蔡帅博, 陈军, 朱正宇
【申请人】同济大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年1月29日