[發明專利]一種具有地下探測功能的螺旋鉆進機器人

有效

• 申請號: 201310132371.0
• 申請日: 2013-04-17
• 公開（公告）號: CN103216192A
• 公開（公告）日: 2013-07-24
• 發明（設計）人: 李曉華;徐曉翔;楊鵬春;王葉峰;其他發明人請求不公開姓名
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: E21B3/00
• 分類號: E21B3/00;E21B17/20;E21B44/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 張磊

技術領域

本發明屬于機器人探測技術領域，具體涉及一種具有地下探測功能的螺旋鉆進機器人。

背景技術

資源是興國安邦的重要條件，礦藏的勘探和開采已成為國家國土資源開發、規劃的重要依據。隨著煤礦資源的不斷開發，礦難事故屢屢發生。同時，地震、恐怖活動和各種突發事故等引發的災害也經常發生。在事故救援中，時間非常寶貴，然而由于技術水平落后，無法迅速獲得被困或遇難人員位置信息，而現場環境復雜，溫度、氧氣含量、CO等有害氣體含量等因素都會延誤救援人員工作的開展。但現有機器人大多采用輪式、履帶式、足式，不具備鉆掘功能，需要沿著建筑物廢墟空隙或地下巷道等非閉塞空間環境中行進，應用范圍受到限制。為解決這一問題，許多國家都開始鉆探機器人的研發。

例如我國哈爾濱工程大學設計了基于蠕動原理的沖擊拱泥機器人和西北工業大學設計的陸上仿蚯蚓拱泥機器人，都采用沖擊方式克服土壤阻力，并借助傳感器反饋機器人的位置和狀態，在地面進行調控。日本開發了一種用于地質勘探的小型鉆掘機器人“Digbot”，采用“雙重反轉鉆頭”的設計，但鉆進力有限，且不具備轉向功能。與此同時，現有的鉆進機器人大多通過地面設備進行探測。機器人搭載的超聲波距離傳感器、攝像頭等設備不能夠良好的識別機器人的周邊環境，不利于機器人自動化的實現。

因此研究和開發一種能耗低、控制方便，能夠在地下封閉環境中靈活移動，并對周圍環境及特定目標進行探測的機器人，有助于地下勘探、礦難搜救的進行，具有重要的現實意義。

發明內容

本發明的目的在于提供一種具有地下探測功能的螺旋鉆進機器人，能夠在泥土中鉆進和轉向，探測系統可以對機器人前方的環境進行檢測，并根據探測信息自動調整運動方向。機器人可用于地下勘探，地震、礦難搜救。一般鉆孔的直徑為100~600mm，鉆孔長度為20~100m，探測距離0.3~5m。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案是：

一種具有地下探測功能的螺旋鉆進機器人，所述機器人包括對土壤進行切削并提供前進動力的螺旋鉆進系統，調整鉆進方向的轉向系統，探測機器人周圍環境的探測系統，處理探測信息并對運動進行調控的控制系統；鉆進系統與轉向系統聯接，控制系統與探測系統、鉆進系統、轉向系統之間設置通訊聯接；其中：

所述對土壤進行切削并提供前進動力的螺旋鉆進系統位于機器人本體27內，包括圓錐形螺旋鉆頭1、圓柱形螺旋鉆體6和尾部端蓋止轉機構13，所述圓錐形螺旋鉆頭1頂部設有切削刀片2，圓錐形螺旋鉆頭1用于打碎土塊和向后輸送土壤；圓柱形螺旋鉆體6在旋轉時向后擠壓土壤，同時利用土壤的反作用力提供機器人前進的推進力；圓錐形螺旋鉆頭1通過銷釘21和鉆頭軸20一端連接，鉆頭軸20另一端通過萬向節19聯接轉軸17；轉軸17通過彈性聯軸器15與直流無刷電機11聯接；轉軸17通過行星齒輪組16將動力傳給圓柱形螺旋鉆體6，行星齒輪組16中的外齒輪通過螺釘和圓柱形螺旋鉆體6固定在一起；電機固定架10通過螺釘固定在圓柱形螺旋鉆體6上，尾部端蓋止轉機構13通過螺紋聯接和圓柱形螺旋鉆體6固定在一起，左擋板7和右擋板8通過螺釘固定在行星齒輪組16兩側，左擋板7和右擋板8內部置有深溝球軸承以支承轉軸17，左斜柱體3內置有一對背靠背安裝的雙列角接觸球軸承12用來限制鉆頭軸20的軸向移動，雙列角接觸球軸承12支承圓柱形螺旋鉆體6并承受鉆體所受軸向力；

所述調整鉆進方向的轉向系統包括左斜柱體3、右斜柱體4和圓轉板18；所述左斜柱體3、右斜柱體4之間通過滾動軸承23聯接，右斜柱體4通過軸承支撐圓轉板18，所述右斜柱體4和圓轉板18通過轉向齒輪組5與步進電機9聯接；圓錐形螺旋鉆頭1與圓柱形螺旋鉆體6通過波紋管聯接，防止土壤進入機器人內部；

所述探測機器人周圍環境的探測系統為脈沖雷達系統，所述脈沖雷達系統包括電源穩壓器、中央控制單元28、時序邏輯單元CPLD29、脈沖生成電路30、發射天線31、接收天線32和信號采集電路33，所述中央控制單元28是一具有多通道串口的主控制器，分別與時序邏輯單元CPLD29和信號采集電路33聯接，負責控制雷達的運行和通訊；所述時序邏輯元件CPLD29分別與中央控制單元28、脈沖生成電路30、信號采集電路33聯接，用以產生穩定時序間隔的邏輯脈沖；所述脈沖生成電路30聯接發射天線31和電源穩壓器，在CPLD邏輯信號的激勵下產生電壓脈沖信號；所述信號采集電路33聯接接收天線32，對回波信號進行接收采集；所述探測機器人周圍環境的探測系統安裝在尾部端蓋止轉機構13的內腔，所述中央控制單元28通過復合纜線24與計算機控制設備26聯接。