專(zhuān)利名稱(chēng)：仿生螻蛄機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可在土中自行行走的仿生螻蛄機(jī)器人。
背景技術(shù)：
對(duì)于地下管線的鋪設(shè)，從20世紀(jì)70年代起，在西方發(fā)達(dá)國(guó)家中開(kāi)始推廣應(yīng)用非開(kāi)挖技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)可以在少量開(kāi)挖地表的條件下探測(cè)、檢查、修復(fù)、更新和鋪設(shè)管道、線纜等多種地下設(shè)施。與開(kāi)挖法地下管線施工相比，非開(kāi)挖法具有不影響交通、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，并且在許多情況下比開(kāi)挖法施工周期短、成本低。非開(kāi)挖技術(shù)包括定向鉆進(jìn)、沖擊矛、微型隧道、水平螺旋鉆、夯管錘等各種非開(kāi)挖鋪管技術(shù)以及各種各樣的非開(kāi)挖管道修復(fù)及探測(cè)技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外在小直徑管道的開(kāi)挖和鋪設(shè)的設(shè)備大多采用液壓或氣壓沖擊式驅(qū)動(dòng)。但液壓或氣動(dòng)沖擊機(jī)構(gòu)要求嚴(yán)格的動(dòng)密封，還需要體積較大的陸上空壓或液壓動(dòng)力源及供氣或供液管線，并且在曲線鉆進(jìn)時(shí)曲線的曲率半徑較大?？蓞㈤喢蠎c鑫等在2003年第三期哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)發(fā)表的《“穿地龍”機(jī)器人總體方案分析與研究》。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種可在土中自行行走的仿生螻蛄機(jī)器人。該機(jī)器人根據(jù)仿生原理設(shè)計(jì)，可以在一定深度的土層中，按預(yù)定設(shè)計(jì)的軌跡前進(jìn)，行進(jìn)中可以改變方向繞過(guò)障礙物，到達(dá)預(yù)定位置。它主要能夠?qū)崿F(xiàn)PE或PVC管、電纜、光纜等管線的地下非開(kāi)挖鋪設(shè)。
仿生螻蛄機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示帶動(dòng)前爪實(shí)現(xiàn)挖掘動(dòng)作的前爪曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(1)、實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)向的錐齒輪組(2)、三個(gè)直流電機(jī)(3)、帶動(dòng)后爪實(shí)現(xiàn)蹬土動(dòng)作的后爪曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(4)、向前挖掘的前爪(5)、為機(jī)器人提供推力和轉(zhuǎn)彎力的后爪(6)、與后基架一起完成支撐和固定功能的前基架(7)、后基架(8)、外殼(9)、控制部分(10)、防止機(jī)器人前進(jìn)過(guò)程中倒退的支撐體(11)、支撐外衣的膠皮(12)、由彈性布料制成起密封作用的外衣(13)、連接直流電機(jī)(3)的輸出軸與錐齒輪組(2)的聯(lián)軸器(14)、為錐齒輪提供轉(zhuǎn)軸的齒輪軸(15)、存放纜線的儲(chǔ)纜箱(16)；其中控制部分(10)與三個(gè)直流電機(jī)(3)之間為電連接，直流電機(jī)(3)輸出軸與聯(lián)軸器(14)之間使用銷(xiāo)連接，聯(lián)軸器(14)與錐齒輪組(2)之間使用鍵連接，齒輪軸(15)與錐齒輪組(2)之間使用卡簧限位連接，齒輪軸(15)與前基架(7)、后基架(8)之間是過(guò)盈固連，前后爪曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(1)和(4)的兩支點(diǎn)分別固連于前后基架(7)、(8)和錐齒輪組(2)上，前后爪曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(1)和(4)與前后爪(5)和(6)使用螺栓連接，前基架(7)、后基架(8)、控制部分(10)、和支撐體(11)分別固連于外殼(9)，膠皮(12)固連于前后爪(5)和(6)支撐外衣(13)，儲(chǔ)纜箱(16)固連于支撐體(11)內(nèi)部。
本發(fā)明根據(jù)仿生原理設(shè)計(jì)。主體由前基架(7)和后基架(8)連接的前后三個(gè)直流電機(jī)(3)及其分別驅(qū)動(dòng)的兩組前后爪曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(1)、(4)構(gòu)成，呈管狀結(jié)構(gòu)。前后爪(5)和(6)分別位于主體的前部和中部，這樣的布置有利于機(jī)器人整體的靈活運(yùn)動(dòng)。它們由前后爪曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(1)、(4)帶動(dòng)，由直流電機(jī)(3)驅(qū)動(dòng)作“D”字形軌跡運(yùn)動(dòng)。前爪曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(1)由同一直流電機(jī)(3)驅(qū)動(dòng)，主要完成向前挖土的功能。兩個(gè)后爪曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(4)分別由另兩個(gè)直流電機(jī)(3)驅(qū)動(dòng)，為機(jī)器人前進(jìn)提供驅(qū)動(dòng)力，并且可以通過(guò)左右兩個(gè)后爪曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(4)的轉(zhuǎn)速差提供轉(zhuǎn)向力。控制部分(10)嵌入于機(jī)器人的后部，主要用于控制其前后爪曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(1)、(4)的配合以及運(yùn)動(dòng)方向。密封采用膠皮(12)與彈性外衣(13)包住機(jī)身。
本發(fā)明體積較小，避免了挖掘過(guò)程中的不必要的破壞，挖掘效率較高；其管狀身體使阻力減小，利于在土中前進(jìn)；爪部用易于實(shí)現(xiàn)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)模仿螻蛄挖土的動(dòng)作特點(diǎn)“D”字形動(dòng)作軌跡，扒土?xí)r力最大，回程時(shí)速度快，這保證了掘進(jìn)的高效；爪式撥土將驅(qū)動(dòng)和挖掘統(tǒng)一起來(lái)，節(jié)省功耗；前后爪(5)和(6)的配合動(dòng)作使挖掘前進(jìn)更順利。


圖1仿生螻蛄機(jī)器人總體裝配俯視2仿生螻蛄機(jī)器人總體裝配側(cè)視3仿生螻蛄機(jī)器人直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理4仿生螻蛄機(jī)器人直流電機(jī)控制電路原理5仿生螻蛄機(jī)器人總體控制電路原理圖具體實(shí)施方式
下面給出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并結(jié)合附圖加以說(shuō)明。
仿生螻蛄機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖1，圖2所示由同一直流電機(jī)(3)帶動(dòng)的兩組比例為3.6∶8∶5∶10的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(1)、實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的輸出轉(zhuǎn)向的鋼制錐齒輪組(2)、輸出力矩50N/m，驅(qū)動(dòng)電壓24V的直流電機(jī)(3)、由兩個(gè)相同直流電機(jī)(3)分別驅(qū)動(dòng)兩組比例均為1.8∶5.7∶3.6∶6的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(4)、鋼制前爪(5)、鋼制后爪(6)、硬質(zhì)鋁前基架(7)、硬質(zhì)鋁后基架(8)、硬質(zhì)鋁合金外殼(9)、包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)控制、總體控制電路的控制部分(10)、由塑料制作的支撐體(11)、支撐外衣的膠皮(12)、由彈性布料制成起密封作用的外衣(13)、連接直流電機(jī)(3)輸出軸與錐齒輪組(2)的硬質(zhì)鋁聯(lián)軸器(14)、為兩個(gè)錐齒輪提供轉(zhuǎn)軸的鋼制齒輪軸(15)、存放纜線的儲(chǔ)纜箱(16)。仿生螻蛄機(jī)器人體長(zhǎng)545mm，最大直徑98mm，殼體直徑57mm，前端錐角50°。
本發(fā)明根據(jù)仿生原理，設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)符合螻蛄的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，既簡(jiǎn)單又高效。通過(guò)預(yù)設(shè)程序調(diào)整前后爪的配合，本機(jī)器人可在較軟土層中快速挖掘前進(jìn)；可根據(jù)土質(zhì)不同調(diào)節(jié)其挖掘速度，使其達(dá)到最好挖掘效果；本機(jī)器人還可攜帶有效載荷，到達(dá)預(yù)定位置，完成預(yù)定任務(wù)。
本發(fā)明的工作過(guò)程，首先要對(duì)挖掘的土質(zhì)及挖掘路線上的障礙情況進(jìn)行了解，估算機(jī)器人在該土層中的挖掘速度和轉(zhuǎn)彎最小曲率半徑，然后根據(jù)估算結(jié)果設(shè)計(jì)挖掘軌跡并以程序的形式輸入到仿生螻蛄機(jī)器人的控制部分(10)。在預(yù)定挖掘軌跡的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)用其它方法挖掘到仿生螻蛄機(jī)器人工作深度，將仿生螻蛄機(jī)器人放入起始點(diǎn)工作深度的土層中，并接入24V外部直流電源?？刂撇糠?10)按照預(yù)先編寫(xiě)的程序向三個(gè)直流電機(jī)(3)發(fā)出電壓信號(hào)，控制直流電機(jī)(3)通過(guò)聯(lián)軸器(14)帶動(dòng)錐齒輪組(2)轉(zhuǎn)動(dòng)，錐齒輪組(2)通過(guò)前后爪曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(1)和(4)帶動(dòng)前后爪(5)和(6)完成挖掘和推動(dòng)動(dòng)作。當(dāng)轉(zhuǎn)彎時(shí)，控制部分(10)控制后部的兩個(gè)直流電機(jī)(3)產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，使兩個(gè)后爪(6)產(chǎn)生不同的推進(jìn)力，使身體轉(zhuǎn)向。仿生螻蛄機(jī)器人便可以按照設(shè)定軌跡從終止點(diǎn)的同一深度鉆出。
仿生螻蛄機(jī)器人在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景地下電纜電線及管道鋪設(shè)、管道疏通等。本發(fā)明在城市建設(shè)和科學(xué)研究中扮演重要角色，其高效性與低破壞性都是現(xiàn)有的隧道挖掘機(jī)所不可比擬的。
權(quán)利要求
1.一種仿生螻蛄機(jī)器人，其特征在于其結(jié)構(gòu)包括前爪曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(1)、錐齒輪組(2)、直流電機(jī)(3)、后爪曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(4)、前爪(5)、后爪(6)、前基架(7)、后基架(8)、外殼(9)、控制部分(10)、支撐體(11)、膠皮(1 2)、外衣(13)、聯(lián)軸器(14)、齒輪軸(15)、儲(chǔ)纜箱(16)；其中控制部分(10)與三個(gè)直流電機(jī)(3)之間為電連接，直流電機(jī)(3)輸出軸與聯(lián)軸器(14)之間使用銷(xiāo)連接，聯(lián)軸器(14)與錐齒輪組(2)之間使用鍵連接，齒輪軸(15)與錐齒輪組(2)之間使用卡簧限位連接，齒輪軸(15)與前基架(7)、后基架(8)之間是過(guò)盈固連，前后爪曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(1)和(4)的兩支點(diǎn)分別固連于前后基架(7)、(8)和錐齒輪組(2)上，前后爪曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(1)和(4)與前后爪(5)和(6)使用螺栓連接，前基架(7)、后基架(8)、控制部分(10)、和支撐體(11)分別固連于外殼(9)，膠皮(12)固連于前后爪(5)和(6)并支撐外衣(13)，儲(chǔ)纜箱(16)固連于支撐體(11)內(nèi)部。
全文摘要
本發(fā)明提供一種仿生螻蛄機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)包括由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的仿生挖掘及其直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、操縱機(jī)器人行走的控制部分、密封部分及支撐部分。仿生螻蛄機(jī)器人可以在一定深度的土層中按預(yù)定軌跡自動(dòng)行走，繞過(guò)障礙物，到達(dá)預(yù)定位置。其優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)仿生原理設(shè)計(jì)、體積小、運(yùn)動(dòng)相對(duì)靈活、效率較高。可用于實(shí)現(xiàn)它主要能夠?qū)崿F(xiàn)PE或PVC管、電纜、光纜等管線的地下非開(kāi)挖鋪設(shè)和疏通。
文檔編號(hào)B25J13/00GK1743142SQ200510010008
公開(kāi)日2006年3月8日 申請(qǐng)日期2005年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月20日
發(fā)明者陳東良, 徐明道, 徐鵬, 趙有金, 姜輝 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)