一種地下鑽進機器人的製作方法

2023-05-09 17:36:41

技術領域

本發明屬於地下鑽孔機器人領域。涉及在地下成孔前進，轉向靈活，驅動少，成孔乾淨，能源清潔的微型隧道機器人，具體涉及一種地下鑽進機器人。

背景技術：

隨著城市的發展，地下管道的建設與完善成為了迫切需要，尤其是微型隧道的挖掘，使得地下鑽進機器人的開發獲得了廣泛關注。微型隧道不同於大型隧道，其開挖要求機器人具有智能程度高，可操作性強，轉向靈活的特點。

地下鑽進機器人按工作方式可分為仿生式和非仿生式兩種。仿生式地下鑽進機器人參考地下拱洞動物的運動方式，具有轉向靈活的優點，但其驅動往往較多，控制難度高；非仿生式又可分為衝擊矛式，鑽土式兩種。衝擊矛式具有鑽進效率高的優點，但其功耗大，鑽進長度往往受限於驅動裝置，且轉向較難；鑽土式機器人不僅工作效率高，能耗低，且轉向靈活，極具研究價值。

目前比較有代表性的機器人有：美國航空航天局研製的一種自推進式地下鑽進機器人，由兩個體節構成，兩端各安裝一個鑽頭，能靈活轉向，在工作結束後能原路返回，但其工作步序多，控制要求高；日本宇宙科學研究所設計的螺旋式鑽進機器人，實現了地下的鑽孔前進，但轉向困難；西北工業大學開發的仿蚯蚓拱泥機器人，頭部為絞土鑽頭，連接三個體節，能實現軸向伸縮和徑向擴張，但行進速度較慢，效率較低。

技術實現要素：

為解決現有地下鑽進機器人存在的不足，通過總結已有各類地下鑽進機器人的結構，工作原理，提供了一種轉型靈活，控制簡單，可操作性強的地下鑽進機器人。

本發明採用的技術方案是：

一種地下鑽進機器人，其特徵在於：包括錐形螺旋擠擴鑽頭、主驅動電機、殼體、擺轉機構、周轉機構和推進機構。所述殼體為直圓筒形，殼體包括殼體筒、隔板和尾端板，隔板和尾端板分別固定設於殼體筒中部和尾部；所述錐形螺旋擠擴鑽頭設於殼體前端，錐形螺旋擠擴鑽頭與主驅動電機的軸相連，所述主驅動電機固定於擺轉機構上，通過擺轉機構錐形螺旋擠擴鑽頭在旋轉時可以有一定幅度擺動，所述擺轉機構的驅動部分固定設於周轉機構上，周轉機構的驅動部分固定於隔板上，通過周轉機構的帶動可實現擺轉機構相對於殼體筒的周向旋轉，所述推進機構設於殼體筒內尾端，用於推動整個裝置前進。

作為改進，所述擺轉機構包括擺筒和擺轉電機，所述主驅動電機固定於擺筒內底部，擺筒外底部設有半齒輪，所述擺轉電機的輸出軸上設有與半齒輪咬合的小齒輪，擺筒外側設有與周轉機構相配合的半圓鍵，通過半圓鍵，擺筒可相對於周轉機構擺動而不能相對其旋轉。

作為改進，所述周轉機構包括轉筒和周轉電機，所述轉筒可自由轉動的設於殼體筒內前端，轉筒內壁上設有與擺筒上的半圓鍵相配合的半圓鍵槽，轉筒內後端設有內齒圈，所述周轉電機固定設於隔板上，周轉電機的輸出軸端設有與內齒圈咬合的傳動齒輪，轉筒末端還設有棘輪，殼體筒內壁上設有與棘輪相配合的棘爪，通過棘輪和棘爪的配合使得轉筒相對於殼體筒只能單向旋轉。

作為改進，所述棘爪有3-5個，多個棘爪沿棘輪的周向均勻分布。

作為改進，所述推進機構包括推進電機、主動帶輪、從動帶輪、曲柄、連杆、滑塊和推桿，所述推進電機固定設於隔板上，曲柄通過支架固定在隔板另一側，所述主動帶輪和從動帶輪通過皮帶傳動且兩者分別與推進電機和曲柄的軸固定相連，所述曲柄為帶有三個曲柄杆的曲柄，所述三個曲柄杆以曲柄軸為中心呈120°夾角分布，每一個曲柄杆均通過一個連杆與相應的滑塊鉸接相連，該滑塊另一側與相應的推桿鉸接相連，所述滑塊可相對於殼體筒前後滑動，所述尾端板上設有三個角度不同且向外傾斜的推桿孔，所述推桿末端通過其中一個推桿孔向斜後方伸出殼體筒外，所述曲柄旋轉時，由於三個曲柄杆成120°角度分布，從而帶動三個滑塊以及與滑塊相連三個推桿以120°相位角差前後運動，為整個裝置向前運動提供動力。

作為改進，所述每一個推桿的末端均為向外側傾斜的尖角形。

本發明的有益效果在於：

1、轉向靈活。轉向機構由能實現360°轉動的轉筒和擺動角度達90°的擺筒構成，轉向過程為連續轉向，能覆蓋轉向範圍內所有角度。轉向時，周轉電機驅動轉筒轉動，至轉筒上半圓鍵槽與目標角度共面，周轉電機停止工作；再控制擺轉電機驅動擺筒擺動，直至目標角度。實現了轉向過程的連續，範圍內所有角度全覆蓋。

2、控制簡單。整個機器人由4個電機驅動，即周轉電機，擺轉電機，主驅動電機和推進電機。在不轉向時，主驅動電機和推進電機處於運行狀態。轉向時，主驅動電機和推進電機保持運行。先控制周轉電機，轉筒到達指定位置後，周轉電機停止工作，再控制擺轉電機驅動擺筒擺動至目標角度。周轉電機和擺轉電機的工作存在明確的先後順序，也不存在時間上，速度上的匹配關係，大大減小了控制難度。

3、單次工作行程長。機器人主驅動電機由外部供電，與機器人用線纜連接，單次工作行程取決於線纜長度。

附圖說明

圖1為地下鑽進機器人總體結構圖；

圖2為殼體結構示意圖；

圖3為周轉機構結構示意圖；

圖4為圖3中右視圖；

圖5為擺轉機構結構示意圖；

圖6為圖5中右視圖；

圖7為推進機構結構示意圖；

圖8為曲柄結構示意圖；

圖9為曲柄的安裝形式示意圖；

圖10為子推進機構結構示意圖；

1-錐形螺旋擠擴鑽頭，2-主驅動電機，3-殼體，4-擺轉機構，5-周轉機構，6-推進機構，7-殼體筒，8-隔板，9-尾端板，10-轉筒，11-內齒圈，12-棘爪，13-傳動齒輪，14-周轉電機，15-蓋板，16-擺筒，17-半齒輪，18-小齒輪，19-擺轉電機，20-墊塊，21-推進電機，22-主動帶輪，23-皮帶，24-支架，25-從動帶輪，26-子推進機構，27-曲柄，28-曲柄杆一，29-曲柄杆二，30-曲柄杆三，31-連杆，32-滑塊，33-推桿，34-棘輪，35-半圓鍵。

具體實施方式

圖1為本發明的總體結構圖，一種地下鑽進機器人，包括錐形螺旋擠擴鑽頭1，主驅動電機2，殼體3，擺轉機構4，周轉機構5，推進機構6六大部分。殼體3為直圓筒形，是各部分的機架；擺轉機構4，周轉機構5構成轉向機構，位於機體前端，錐形螺旋擠擴鑽頭1和主驅動電機2安裝在擺筒3上；推進機構6位於地下鑽進機器人後部，提供地下鑽進機器人前進的推力。

所述錐形螺旋擠擴鑽頭1通過軸承安裝在擺筒蓋板15的軸孔內，軸端連接主驅動電機2。主驅動電機2固裝在擺筒16內底部，提供錐形螺旋擠擴鑽頭1鑽削泥土需要的動力。錐形螺旋擠擴鑽頭1的作用是將前方泥土擠壓切削，將所經過處泥土壓實在孔壁上，形成與錐形螺旋擠擴鑽頭1外觀一致的孔。所成孔道密實，基本無散土後排現象

所述殼體3為直圓筒形，包括殼體筒7，隔板8，尾端板9。隔板8焊接於殼體筒7中部，作為周轉電機14和推進電機21的固定板，隔板8上開有長方形孔便於皮帶23穿過，使得推進電機21的動力能傳遞至曲柄27。尾端板9焊接於殼體筒7尾部，周向開有三個夾角為120°推桿孔，三組子推進機構的推桿33分別從三個推桿孔中穿過，向斜後方伸出殼體筒7。

所述擺轉機構4，周轉機構5構成轉向機構。轉向機構整體位於機體前端。如圖3和圖4所示，所述周轉機構5包括轉筒10、內齒圈11、傳動齒輪13、周轉電機14、棘輪34和棘爪12。轉筒10通過軸承安裝於殼體筒7內前端，在地下鑽進機器人提出轉向要求時能與殼體筒7產生相對轉動；轉筒10內壁對稱開有一對半圓鍵槽，與擺筒16上的半圓鍵35配合，在轉筒10轉動時，半圓鍵35側面為工作面，帶動擺筒16一起轉動，還能將錐形螺旋擠擴鑽頭1承受的壓力傳遞至轉筒10。轉筒10右端面設有棘輪34，殼體筒7內壁設有棘爪12，棘爪12鉸接於殼體筒7，棘爪12與轉筒10右端面上的棘輪34配合，用以傳遞轉筒10在錐形螺旋擠擴鑽頭1轉動時承受的扭矩，使得轉筒4隻能單向轉動。內齒圈11固裝於轉筒10內壁靠近棘輪34端；周轉電機14固裝於隔板8；傳動齒輪13安裝在周轉電機14輸出軸上，與內齒圈11形成齒輪對。地下鑽進機器人的錐形螺旋擠擴鑽頭1單向旋轉，棘爪12在棘輪槽內卡住，將錐形螺旋擠擴鑽頭1的旋轉傳遞到殼體筒7上，阻止轉筒10跟著錐形螺旋擠擴鑽頭1一起旋轉；為了防止棘爪12受力過大，在殼體筒7上設置了三組相同棘爪12。當地下鑽進機器人提出轉向要求時，周轉電機14通過傳動齒輪13將動力傳遞內齒圈11，帶動轉筒10在殼體筒7內沿錐形螺旋擠擴鑽頭1反向旋轉，此時棘爪12隨著轉筒10的轉動搭在棘輪34上，實現了轉筒10的轉動。轉筒10轉動至指定位置後，棘爪12卡在棘輪34卡槽裡，阻止轉筒10反向轉動。

如圖5和圖6所示，所述擺轉機構4包括蓋板15、擺筒16、半齒輪17、小齒輪18、擺轉電機19和墊塊20。蓋板15中間開有軸孔，蓋板15固連於擺筒16；擺筒16為圓筒形，兩側對稱固裝一對半圓鍵35；半齒輪17固裝於擺筒16外底部，與半圓鍵35共面（如圖6所示）；小齒輪18固定設於擺轉電機19的輸出軸上，且小齒輪18與半齒輪17相咬合，擺轉電機19可通過小齒輪18驅動與半齒輪17相連的擺筒16擺動，擺轉電機19安裝於墊塊20，墊塊20固連於轉筒10。在地下鑽進機器人提出轉向要求時，周轉機構5首先動作，周轉機構5轉動至指定位置後，被棘輪34卡住。擺轉電機19通過小齒輪18驅動半齒輪17作小角度擺動，帶動擺筒16擺動，從而驅動錐形螺旋擠擴鑽頭1轉向，在整個轉向過程中，主驅動電機2始終保持運行狀態。

如圖7、圖8、圖9和圖10所示，所述推進機構6包括推進電機21、主動帶輪22、從動帶輪25、皮帶23，支架24，子推進機構26。推進電機21固裝於隔板8；主動帶輪22安裝在推進電機21輸出軸上，主動帶輪22與從動帶輪25通過皮帶23相連，所述曲柄27為帶有三個曲柄杆的曲柄，三個曲柄杆分別為曲柄杆一28、曲柄杆二29和曲柄杆三30，曲柄27通過軸承安裝在支架24上，支架24固定在隔板8另一側，從動帶輪25固定安裝於曲柄27軸端。皮帶23從隔板8上的長方形孔穿過。子推進機構26有三組，分別與三個曲柄杆相連，其結構一樣，如圖10所示，以其中一組為例：子推進機構26包括連杆31，滑塊32，推桿33。連杆31左端與曲柄27的曲柄杆三30鉸接相連，連杆31右端與滑塊32鉸接相連，滑塊32相對於殼體筒7可前後滑動，滑塊32與殼體筒7組成移動副；所述推桿33一端與滑塊32的另一側鉸接相連，推桿33從設於尾端板9的推桿孔內向斜斜後方穿出殼體筒7外，推桿33伸出殼體筒7外端為自由端，為了防止推桿33在推進過程中打滑，可將推桿33自由端的末端設置成向外傾斜的尖角。所述曲柄27的三個曲柄杆以曲柄27的軸為中心呈120°角度分布，即任意兩個曲柄杆之間的夾角為120°。三個曲柄杆各自連接一組連杆，滑塊，推桿構成三個結構相同的子推進機構26，每個子推進機構26相位差為120°。錐形螺旋擠擴鑽頭1在整個機體前方形成孔穴，子推進機構26的推桿33在曲柄杆的帶動下向斜後方做往復運動，先伸出扎入泥孔壁，再縮回。推桿33向後推出時，泥土產生退讓壓縮，一定水平距離後，泥孔壁上的泥土不再退讓，此時推桿33抵在泥土壁上，泥土對其的反作用力使得機體整體前移。由於推桿33的動作為往復運動，回縮過程機體不能前進，而且由於缺乏支撐，錐形螺旋擠擴鑽頭1的轉動可能導致地下鑽進機器人發生甩動，也可能會出現堵轉現象。為了避免上述情況，保證地下鑽進機器人持續穩定地向前推進，本發明採用三組形式相同，相位差為120°的子推進機構26組實現對機體的推動。實現方法為：曲柄27由曲柄杆一28，曲柄二29，曲柄杆三30構成，三個曲柄杆任兩桿之間的夾角為120°。三個曲柄杆各自連接一組連杆，滑塊，擺杆，構成三個結構相同，相位差為120°的獨立子推進機構26。曲柄杆一28，曲柄二29，曲柄杆三30各自連接的子推進機構26工作方式完全一致，在任意時刻，始終保證有一根推桿33處於伸出狀態，從而保證了整個機體運動連續且平穩。