CN106703684B - 一种地下钻进机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地下钻进机器人，包括锥形螺旋挤扩钻头、主驱动电机、壳体、摆转机构、周转机构和推进机构，所述壳体为直圆筒形，包括壳体筒、隔板和尾端板，隔板和尾端板分别固定设于壳体筒中部和尾部；所述锥形螺旋挤扩钻头设于壳体前端，锥形螺旋挤扩钻头与主驱动电机的轴相连，所述主驱动电机固定于摆转机构上，通过摆转机构锥形螺旋挤扩钻头在旋转时可以有一定幅度摆动，所述摆转机构的驱动部分固定设于周转机构上，周转机构的驱动部分固定于隔板上，通过周转机构的带动可实现摆转机构相对于壳体筒的周向旋转，所述推进机构设于壳体筒内尾端，用于推动整个装置前进。本发明控制简单，转向灵活，设备稳定可靠，具备较大推广应用价值。
Description
技术领域
本发明属于地下钻孔机器人领域。涉及在地下成孔前进，转向灵活，驱动少，成孔干净，能源清洁的微型隧道机器人，具体涉及一种地下钻进机器人。
背景技术
随着城市的发展，地下管道的建设与完善成为了迫切需要，尤其是微型隧道的挖掘，使得地下钻进机器人的开发获得了广泛关注。微型隧道不同于大型隧道，其开挖要求机器人具有智能程度高，可操作性强，转向灵活的特点。
地下钻进机器人按工作方式可分为仿生式和非仿生式两种。仿生式地下钻进机器人参考地下拱洞动物的运动方式，具有转向灵活的优点，但其驱动往往较多，控制难度高；非仿生式又可分为冲击矛式，钻土式两种。冲击矛式具有钻进效率高的优点，但其功耗大，钻进长度往往受限于驱动装置，且转向较难；钻土式机器人不仅工作效率高，能耗低，且转向灵活，极具研究价值。
目前比较有代表性的机器人有：美国航空航天局研制的一种自推进式地下钻进机器人，由两个体节构成，两端各安装一个钻头，能灵活转向，在工作结束后能原路返回，但其工作步序多，控制要求高；日本宇宙科学研究所设计的螺旋式钻进机器人，实现了地下的钻孔前进，但转向困难；西北工业大学开发的仿蚯蚓拱泥机器人，头部为绞土钻头，连接三个体节，能实现轴向伸缩和径向扩张，但行进速度较慢，效率较低。
发明内容
为解决现有地下钻进机器人存在的不足，通过总结已有各类地下钻进机器人的结构，工作原理，提供了一种转型灵活，控制简单，可操作性强的地下钻进机器人。
本发明采用的技术方案是：
一种地下钻进机器人，其特征在于：包括锥形螺旋挤扩钻头、主驱动电机、壳体、摆转机构、周转机构和推进机构。所述壳体为直圆筒形，壳体包括壳体筒、隔板和尾端板，隔板和尾端板分别固定设于壳体筒中部和尾部；所述锥形螺旋挤扩钻头设于壳体前端，锥形螺旋挤扩钻头与主驱动电机的轴相连，所述主驱动电机固定于摆转机构上，通过摆转机构锥形螺旋挤扩钻头在旋转时可以有一定幅度摆动，所述摆转机构的驱动部分固定设于周转机构上，周转机构的驱动部分固定于隔板上，通过周转机构的带动可实现摆转机构相对于壳体筒的周向旋转，所述推进机构设于壳体筒内尾端，用于推动整个装置前进。
作为改进，所述摆转机构包括摆筒和摆转电机，所述主驱动电机固定于摆筒内底部，摆筒外底部设有半齿轮，所述摆转电机的输出轴上设有与半齿轮咬合的小齿轮，摆筒外侧设有与周转机构相配合的半圆键，通过半圆键，摆筒可相对于周转机构摆动而不能相对其旋转。
作为改进，所述周转机构包括转筒和周转电机，所述转筒可自由转动的设于壳体筒内前端，转筒内壁上设有与摆筒上的半圆键相配合的半圆键槽，转筒内后端设有内齿圈，所述周转电机固定设于隔板上，周转电机的输出轴端设有与内齿圈咬合的传动齿轮，转筒末端还设有棘轮，壳体筒内壁上设有与棘轮相配合的棘爪，通过棘轮和棘爪的配合使得转筒相对于壳体筒只能单向旋转。
作为改进，所述棘爪有3-5个，多个棘爪沿棘轮的周向均匀分布。
作为改进，所述推进机构包括推进电机、主动带轮、从动带轮、曲柄、连杆、滑块和推杆，所述推进电机固定设于隔板上，曲柄通过支架固定在隔板另一侧，所述主动带轮和从动带轮通过皮带传动且两者分别与推进电机和曲柄的轴固定相连，所述曲柄为带有三个曲柄杆的曲柄，所述三个曲柄杆以曲柄轴为中心呈120°夹角分布，每一个曲柄杆均通过一个连杆与相应的滑块铰接相连，该滑块另一侧与相应的推杆铰接相连，所述滑块可相对于壳体筒前后滑动，所述尾端板上设有三个角度不同且向外倾斜的推杆孔，所述推杆末端通过其中一个推杆孔向斜后方伸出壳体筒外，所述曲柄旋转时，由于三个曲柄杆成120°角度分布，从而带动三个滑块以及与滑块相连三个推杆以120°相位角差前后运动，为整个装置向前运动提供动力。
作为改进，所述每一个推杆的末端均为向外侧倾斜的尖角形。
本发明的有益效果在于：
1、转向灵活。转向机构由能实现360°转动的转筒和摆动角度达90°的摆筒构成，转向过程为连续转向，能覆盖转向范围内所有角度。转向时，周转电机驱动转筒转动，至转筒上半圆键槽与目标角度共面，周转电机停止工作；再控制摆转电机驱动摆筒摆动，直至目标角度。实现了转向过程的连续，范围内所有角度全覆盖。
2、控制简单。整个机器人由4个电机驱动，即周转电机，摆转电机，主驱动电机和推进电机。在不转向时，主驱动电机和推进电机处于运行状态。转向时，主驱动电机和推进电机保持运行。先控制周转电机，转筒到达指定位置后，周转电机停止工作，再控制摆转电机驱动摆筒摆动至目标角度。周转电机和摆转电机的工作存在明确的先后顺序，也不存在时间上，速度上的匹配关系，大大减小了控制难度。
3、单次工作行程长。机器人主驱动电机由外部供电，与机器人用线缆连接，单次工作行程取决于线缆长度。
附图说明
图1为地下钻进机器人总体结构图；
图2为壳体结构示意图；
图3为周转机构结构示意图；
图4为图3中右视图；
图5为摆转机构结构示意图；
图6为图5中右视图；
图7为推进机构结构示意图；
图8为曲柄结构示意图；
图9为曲柄的安装形式示意图；
图10为子推进机构结构示意图；
1-锥形螺旋挤扩钻头，2-主驱动电机，3-壳体，4-摆转机构，5-周转机构，6-推进机构，7-壳体筒，8-隔板，9-尾端板，10-转筒，11-内齿圈，12-棘爪，13-传动齿轮，14-周转电机，15-盖板，16-摆筒，17-半齿轮，18-小齿轮，19-摆转电机，20-垫块，21-推进电机，22-主动带轮，23-皮带，24-支架，25-从动带轮，26-子推进机构，27-曲柄，28-曲柄杆一，29-曲柄杆二，30-曲柄杆三，31-连杆，32-滑块，33-推杆，34-棘轮，35-半圆键。
具体实施方式
图1为本发明的总体结构图，一种地下钻进机器人，包括锥形螺旋挤扩钻头1，主驱动电机2，壳体3，摆转机构4，周转机构5，推进机构6六大部分。壳体3为直圆筒形，是各部分的机架；摆转机构4，周转机构5构成转向机构，位于机体前端，锥形螺旋挤扩钻头1和主驱动电机2安装在摆筒16上；推进机构6位于地下钻进机器人后部，提供地下钻进机器人前进的推力。
所述锥形螺旋挤扩钻头1通过轴承安装在摆筒盖板15的轴孔内，轴端连接主驱动电机2。主驱动电机2固装在摆筒16内底部，提供锥形螺旋挤扩钻头1钻削泥土需要的动力。锥形螺旋挤扩钻头1的作用是将前方泥土挤压切削，将所经过处泥土压实在孔壁上，形成与锥形螺旋挤扩钻头1外观一致的孔。所成孔道密实，基本无散土后排现象。
所述壳体3为直圆筒形，包括壳体筒7，隔板8，尾端板9。隔板8焊接于壳体筒7中部，作为周转电机14和推进电机21的固定板，隔板8上开有长方形孔便于皮带23穿过，使得推进电机21的动力能传递至曲柄27。尾端板9焊接于壳体筒7尾部，周向开有三个夹角为120°推杆孔，三组子推进机构的推杆33分别从三个推杆孔中穿过，向斜后方伸出壳体筒7。
所述摆转机构4，周转机构5构成转向机构。转向机构整***于机体前端。如图3和图4所示，所述周转机构5包括转筒10、内齿圈11、传动齿轮13、周转电机14、棘轮34和棘爪12。转筒10通过轴承安装于壳体筒7内前端，在地下钻进机器人提出转向要求时能与壳体筒7产生相对转动；转筒10内壁对称开有一对半圆键槽，与摆筒16上的半圆键35配合，在转筒10转动时，半圆键35侧面为工作面，带动摆筒16一起转动，还能将锥形螺旋挤扩钻头1承受的压力传递至转筒10。转筒10右端面设有棘轮34，壳体筒7内壁设有棘爪12，棘爪12铰接于壳体筒7，棘爪12与转筒10右端面上的棘轮34配合，用以传递转筒10在锥形螺旋挤扩钻头1转动时承受的扭矩，使得转筒10只能单向转动。内齿圈11固装于转筒10内壁靠近棘轮34端；周转电机14固装于隔板8；传动齿轮13安装在周转电机14输出轴上，与内齿圈11形成齿轮对。地下钻进机器人的锥形螺旋挤扩钻头1单向旋转，棘爪12在棘轮槽内卡住，将锥形螺旋挤扩钻头1的旋转传递到壳体筒7上，阻止转筒10跟着锥形螺旋挤扩钻头1一起旋转；为了防止棘爪12受力过大，在壳体筒7上设置了三组相同棘爪12。当地下钻进机器人提出转向要求时，周转电机14通过传动齿轮13将动力传递内齿圈11，带动转筒10在壳体筒7内沿锥形螺旋挤扩钻头1反向旋转，此时棘爪12随着转筒10的转动搭在棘轮34上，实现了转筒10的转动。转筒10转动至指定位置后，棘爪12卡在棘轮34卡槽里，阻止转筒10反向转动。
如图5和图6所示，所述摆转机构4包括盖板15、摆筒16、半齿轮17、小齿轮18、摆转电机19和垫块20。盖板15中间开有轴孔，盖板15固连于摆筒16；摆筒16为圆筒形，两侧对称固装一对半圆键35；半齿轮17固装于摆筒16外底部，与半圆键35共面（如图6所示）；小齿轮18固定设于摆转电机19的输出轴上，且小齿轮18与半齿轮17相咬合，摆转电机19可通过小齿轮18驱动与半齿轮17相连的摆筒16摆动，摆转电机19安装于垫块20，垫块20固连于转筒10。在地下钻进机器人提出转向要求时，周转机构5首先动作，周转机构5转动至指定位置后，被棘轮34卡住。摆转电机19通过小齿轮18驱动半齿轮17作小角度摆动，带动摆筒16摆动，从而驱动锥形螺旋挤扩钻头1转向，在整个转向过程中，主驱动电机2始终保持运行状态。
如图7、图8、图9和图10所示，所述推进机构6包括推进电机21、主动带轮22、从动带轮25、皮带23，支架24，子推进机构26。推进电机21固装于隔板8；主动带轮22安装在推进电机21输出轴上，主动带轮22与从动带轮25通过皮带23相连，所述曲柄27为带有三个曲柄杆的曲柄，三个曲柄杆分别为曲柄杆一28、曲柄杆二29和曲柄杆三30，曲柄27通过轴承安装在支架24上，支架24固定在隔板8另一侧，从动带轮25固定安装于曲柄27轴端。皮带23从隔板8上的长方形孔穿过。子推进机构26有三组，分别与三个曲柄杆相连，其结构一样，如图10所示，以其中一组为例：子推进机构26包括连杆31，滑块32，推杆33。连杆31左端与曲柄27的曲柄杆三30铰接相连，连杆31右端与滑块32铰接相连，滑块32相对于壳体筒7可前后滑动，滑块32与壳体筒7组成移动副；所述推杆33一端与滑块32的另一侧铰接相连，推杆33从设于尾端板9的推杆孔内向斜斜后方穿出壳体筒7外，推杆33伸出壳体筒7外端为自由端，为了防止推杆33在推进过程中打滑，可将推杆33自由端的末端设置成向外倾斜的尖角。所述曲柄27的三个曲柄杆以曲柄27的轴为中心呈120°角度分布，即任意两个曲柄杆之间的夹角为120°。三个曲柄杆各自连接一组连杆，滑块，推杆构成三个结构相同的子推进机构26，每个子推进机构26相位差为120°。锥形螺旋挤扩钻头1在整个机体前方形成孔穴，子推进机构26的推杆33在曲柄杆的带动下向斜后方做往复运动，先伸出扎入泥孔壁，再缩回。推杆33向后推出时，泥土产生退让压缩，一定水平距离后，泥孔壁上的泥土不再退让，此时推杆33抵在泥土壁上，泥土对其的反作用力使得机体整体前移。由于推杆33的动作为往复运动，回缩过程机体不能前进，而且由于缺乏支撑，锥形螺旋挤扩钻头1的转动可能导致地下钻进机器人发生甩动，也可能会出现堵转现象。为了避免上述情况，保证地下钻进机器人持续稳定地向前推进，本发明采用三组形式相同，相位差为120°的子推进机构26组实现对机体的推动。实现方法为：曲柄27由曲柄杆一28，曲柄二29，曲柄杆三30构成，三个曲柄杆任两杆之间的夹角为120°。三个曲柄杆各自连接一组连杆，滑块，摆杆，构成三个结构相同，相位差为120°的独立子推进机构26。曲柄杆一28，曲柄二29，曲柄杆三30各自连接的子推进机构26工作方式完全一致，在任意时刻，始终保证有一根推杆33处于伸出状态，从而保证了整个机体运动连续且平稳。
Claims (6)
1.一种地下钻进机器人，其特征在于：包括锥形螺旋挤扩钻头、主驱动电机、壳体、摆转机构、周转机构和推进机构，所述壳体为直圆筒形，壳体包括壳体筒、隔板和尾端板，隔板和尾端板分别固定设于壳体筒中部和尾部；所述锥形螺旋挤扩钻头设于壳体前端，锥形螺旋挤扩钻头与主驱动电机的轴相连，所述主驱动电机固定于摆转机构上，通过摆转机构锥形螺旋挤扩钻头在旋转时可以有一定幅度摆动，所述摆转机构的驱动部分固定设于周转机构上，周转机构的驱动部分固定于隔板上，通过周转机构的带动可实现摆转机构相对于壳体筒的周向旋转，所述推进机构设于壳体筒内尾端，用于推动整个装置前进。
2.根据权利要求1所述一种地下钻进机器人，其特征在于：所述摆转机构包括摆筒和摆转电机，所述主驱动电机固定于摆筒内底部，摆筒外底部设有半齿轮，所述摆转电机的输出轴上设有与半齿轮咬合的小齿轮，摆筒外侧设有与周转机构相配合的半圆键，通过半圆键，摆筒可相对于周转机构摆动而不能相对其旋转。
3.根据权利要求2所述一种地下钻进机器人，其特征在于：所述周转机构包括转筒和周转电机，所述转筒可自由转动的设于壳体筒内前端，转筒内壁上设有与摆筒上的半圆键相配合的半圆键槽，转筒内后端设有内齿圈，所述周转电机固定设于隔板上，周转电机的输出轴端设有与内齿圈咬合的传动齿轮，转筒末端还设有棘轮，壳体筒内壁上设有与棘轮相配合的棘爪，通过棘轮和棘爪的配合使得转筒相对于壳体筒只能单向旋转。
4.根据权利要求3所述一种地下钻进机器人，其特征在于：所述棘爪有3-5个，多个棘爪沿棘轮的周向均匀分布。
5.根据权利要求1所述一种地下钻进机器人，其特征在于：所述推进机构包括推进电机、主动带轮、从动带轮、曲柄、连杆、滑块和推杆，所述推进电机固定设于隔板上，曲柄通过支架固定在隔板另一侧，所述主动带轮和从动带轮通过皮带传动且两者分别与推进电机和曲柄的轴固定相连，所述曲柄为带有三个曲柄杆的曲柄，所述三个曲柄杆以曲柄轴为中心呈120°夹角分布，每一个曲柄杆均通过一个连杆与相应的滑块铰接相连，该滑块另一侧与相应的推杆铰接相连，所述滑块可相对于壳体筒前后滑动，所述尾端板上设有三个角度不同且向外倾斜的推杆孔，所述推杆末端通过其中一个推杆孔向斜后方伸出壳体筒外，所述曲柄旋转时，由于三个曲柄杆成120°角度分布，从而带动三个滑块以及与滑块相连三个推杆以120°相位角差前后运动，为整个装置向前运动提供动力。
6.根据权利要求5所述一种地下钻进机器人，其特征在于：所述每一个推杆的末端均为向外侧倾斜的尖角形。
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