一种具有地下探测功能的螺旋钻进机器人制造技术

本发明专利技术涉及一种具有地下探测功能的螺旋钻进机器人，包括对土壤进行切削并提供前进动力的螺旋钻进系统，调整钻进方向的转向系统，探测机器人周围环境的探测系统，处理探测信息并对运动进行调控的控制系统；钻进系统与转向系统联接，控制系统与探测系统、钻进系统、转向系统之间设置通讯联接。机器人能够在地下自由钻进和转向，利用探测系统实时探测周围环境，从而调整运动方向。机器人通过复合电缆与地面设备相连，获取能量并反馈信息，便于地面工作人员实施远程实时监控。该机器人结构紧凑、运动灵活，能够在地下封闭环境中钻进，并对周围环境及特定目标进行探测，适用于地下勘探、矿难搜救等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机器人探测
，具体涉及一种具有地下探测功能的螺旋钻进机器人。
技术介绍
资源是兴国安邦的重要条件，矿藏的勘探和开采已成为国家国土资源开发、规划的重要依据。随着煤矿资源的不断开发，矿难事故屡屡发生。同时，地震、恐怖活动和各种突发事故等引发的灾害也经常发生。在事故救援中，时间非常宝贵，然而由于技术水平落后，无法迅速获得被困或遇难人员位置信息，而现场环境复杂，温度、氧气含量、CO等有害气体含量等因素都会延误救援人员工作的开展。但现有机器人大多采用轮式、履带式、足式，不具备钻掘功能，需要沿着建筑物废墟空隙或地下巷道等非闭塞空间环境中行进，应用范围受到限制。为解决这一问题，许多国家都开始钻探机器人的研发。例如我国哈尔滨工程大学设计了基于蠕动原理的冲击拱泥机器人和西北工业大学设计的陆上仿蚯蚓拱泥 机器人，都采用冲击方式克服土壤阻力，并借助传感器反馈机器人的位置和状态，在地面进行调控。日本开发了一种用于地质勘探的小型钻掘机器人“Digbot”，采用“双重反转钻头”的设计，但钻进力有限，且不具备转向功能。与此同时，现有的钻进机器人大多通过地面设备进行探测。机器人搭载的超声波距离传感器、摄像头等设备不能够良好的识别机器人的周边环境，不利于机器人自动化的实现。因此研究和开发一种能耗低、控制方便，能够在地下封闭环境中灵活移动，并对周围环境及特定目标进行探测的机器人，有助于地下勘探、矿难搜救的进行，具有重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有地下探测功能的螺旋钻进机器人，能够在泥土中钻进和转向，探测系统可以对机器人前方的环境进行检测，并根据探测信息自动调整运动方向。机器人可用于地下勘探，地震、矿难搜救。一般钻孔的直径为10(T600mm,钻孔长度为20 100m，探测距离0.3 5m。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是: 一种具有地下探测功能的螺旋钻进机器人，所述机器人包括对土壤进行切削并提供前进动力的螺旋钻进系统，调整钻进方向的转向系统，探测机器人周围环境的探测系统，处理探测信息并对运动进行调控的控制系统；钻进系统与转向系统联接，控制系统与探测系统、钻进系统、转向系统之间设置通讯联接；其中: 所述对土壤进行切削并提供前进动力的螺旋钻进系统位于机器人本体27内，包括圆锥形螺旋钻头1、圆柱形螺旋钻体6和尾部端盖止转机构13，所述圆锥形螺旋钻头I顶部设有切削刀片2，圆锥形螺旋钻头I用于打碎土块和向后输送土壤；圆柱形螺旋钻体6在旋转时向后挤压土壤，同时利用土壤的反作用力提供机器人前进的推进力；圆锥形螺旋钻头I通过销钉21和钻头轴20 —端连接，钻头轴20另一端通过万向节19联接转轴17 ;转轴17通过弹性联轴器15与直流无刷电机11联接；转轴17通过行星齿轮组16将动力传给圆柱形螺旋钻体6，行星齿轮组16中的外齿轮通过螺钉和圆柱形螺旋钻体6固定在一起；电机固定架10通过螺钉固定在圆柱形螺旋钻体6上，尾部端盖止转机构13通过螺纹联接和圆柱形螺旋钻体6固定在一起，左挡板7和右挡板8通过螺钉固定在行星齿轮组16两侧，左挡板7和右挡板8内部置有深沟球轴承以支承转轴17，左斜柱体3内置有一对背靠背安装的双列角接触球轴承12用来限制钻头轴20的轴向移动，双列角接触球轴承12支承圆柱形螺旋钻体6并承受钻体所受轴向力； 所述调整钻进方向的转向系统包括左斜柱体3、右斜柱体4和圆转板18;所述左斜柱体3、右斜柱体4之间通过滚动轴承23联接，右斜柱体4通过轴承支撑圆转板18，所述右斜柱体4和圆转板18通过转向齿轮组5与步进电机9联接；圆锥形螺旋钻头I与圆柱形螺旋钻体6通过波纹管联接，防止土壤进入机器人内部； 所述探测机器人周围环境的探测系统为脉冲雷达系统，所述脉冲雷达系统包括电源稳压器、中央控制单元28、时序逻辑单元CPLD29、脉冲生成电路30、发射天线31、接收天线32和信号采集电路33，所述中央控制单元28是一具有多通道串口的主控制器，分别与时序逻辑单元CPLD29和信号采集电路33联接，负责控制雷达的运行和通讯；所述时序逻辑元件CPLD29分别与中央控制单元28、脉冲生成电路30、信号采集电路33联接，用以产生稳定时序间隔的逻辑脉冲；所述脉冲生成电路30联接发射天线31和电源稳压器，在CPLD逻辑信号的激励下产生电压脉冲信号；所述信号采集电路33联接接收天线32，对回波信号进行接收采集；所述探测机器 人周围环境的探测系统安装在尾部端盖止转机构13的内腔，所述中央控制单元28通过复合缆线24与计算机控制设备26联接。本专利技术中，所述中央控制单元28为单片机AT89S52。本专利技术中，所述时序逻辑单元CPLD29为EPM240T100C5。本专利技术中，所述中央控制单元28和信号采集电路33之间设有RAM存储器34，RAM存储器34与所述中央控制单元28、时序逻辑元件CPLD29、信号采集电路33相连，用于缓存A/D转换后的数字信号。本专利技术中，所述脉冲生成电路30为4级雪崩三极管MARX电路，三极管型号为MMBT3904 ;供电电压56V，负载电阻R2-R3为51 Ω，电阻R4-R10为30K Ω，级间电容C2-C5为IOOpF,锐化电容C6-C7为5pF。本专利技术中，所述发射天线31与所述接收天线32为同一天线，为锥面等角螺旋天线；所述圆锥形螺旋钻头I顶部的切削刀片2为双螺旋结构。所述锥面等角螺旋天线安装在切削刀片的表面。本专利技术中，所述探测系统还可添加或更换为金属探测器、红外摄像头等探测装置。本专利技术中，:所述机器人尾部的复合缆线24通过尾部端盖止转机构13的通孔14联接供能设备25和计算机控制设备26。与现有技术相比，本专利技术的优点在于: 1、机器人具有钻进和转向装置，采用螺旋钻进提高了机器人钻进的推动力，转向装置使机器人的运动更加灵活、可以调整钻进方向、避开障碍。2、转向机构采用“双驱动万向节”的设计，利用一对相互旋转运动的斜面来改变钻头在空间内的方向，从而改变机器人运动方向。结构简单紧凑，提高了稳定性的同时也利于机器人的小型化。3、机器人搭载有雷达探测系统，穿透土壤对机器人前方环境、目标及障碍物进行检测。便于机器人及时对运动路径进行调整，也为地下钻进机器人行进的自动化提供了技术基础。4、雷达收发天线小型化，并与机器人外形结构一体化，避免了天线对机器人钻进过程的阻碍。5、机器人还可以搭载扩展其他功能模块，如金属探测装置、红外CXD摄像头、超声波探测器、生命探测装置等。附图说明图1为本专利技术实施例的机器人总体工作示意 图2为本专利技术实施例中机器人钻进部分示意 图3为本专利技术实施例中机器·人转向部分示意 图4为本专利技术实施例中脉冲雷达系统的结构示意 图5为本专利技术实施例中探测系统扩展金属探测器、红外CCD摄像头后的结构示意图； 图6为本专利技术实施例中脉冲生成电路的电路示意 图7为本专利技术实施例中雷达发射天线的结构示意图。图中标号:1、圆锥形螺旋钻头；2、切削刀片；3、左斜柱体；4、右斜柱体；5、转向齿轮组；6、圆柱形螺旋钻体；7、左挡板；8、右挡板；9、步进电机；10、电机固定架；11、直流无刷电机；12、双列角接触球轴承；13、尾部端盖止转机构；14、通孔；15、弹性联轴器；16、行星齿轮组；17本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有地下探测功能的螺旋钻进机器人，其特征在于：所述机器人包括对土壤进行切削并提供前进动力的螺旋钻进系统，调整钻进方向的转向系统，探测机器人周围环境的探测系统，处理探测信息并对运动进行调控的控制系统；钻进系统与转向系统联接，控制系统与探测系统、钻进系统、转向系统之间设置通讯联接；其中：所述对土壤进行切削并提供前进动力的螺旋钻进系统位于机器人本体(27)内，包括圆锥形螺旋钻头（1）、圆柱形螺旋钻体（6）和尾部端盖止转机构（13），所述圆锥形螺旋钻头（1）顶部设3有切削刀片（2），圆锥形螺旋钻头（1）用于打碎土块和向后输送土壤；圆柱形螺旋钻体（6）在旋转时向后挤压土壤，同时利用土壤的反作用力提供机器人前进的推进力；圆锥形螺旋钻头（1）通过销钉（21）和钻头轴（20）一端连接，钻头轴（20）另一端通过万向节（19）联接转轴（17）；转轴（17）通过弹性联轴器（15）与直流无刷电机（11）联接；转轴（17）通过行星齿轮组（16）将动力传给圆柱形螺旋钻体（6），行星齿轮组（16）中的外齿轮通过螺钉和圆柱形螺旋钻体（6）固定在一起；电机固定架（10）通过螺钉固定在圆柱形螺旋钻体（6）上，尾部端盖止转机构（13）通过螺纹联接和圆柱形螺旋钻体（6）固定在一起，左挡板（7）和右挡板（8）通过螺钉固定在行星齿轮组（16）两侧，左挡板（7）和右挡板（8）内部置有深沟球轴承以支承转轴（17），左斜柱体（3）内置有一对背靠背安装的双列角接触球轴承（12）用来限制钻头轴（20）的轴向移动，双列角接触球轴承（12）支承圆柱形螺旋钻体（6）并承受钻体所受轴向力；所述调整钻进方向的转向系统包括左斜柱体（3）、右斜柱体（4）和圆转板（18）；所述左斜柱体（3）、右斜柱体（4）之间通过滚动轴承（23）联接，右斜柱体（4）通过轴承支撑圆转板（18），所述右斜柱体（4）和圆转板（18）通过转向齿轮组（5）与步进电机（9）联接；圆锥形螺旋钻头（1）与圆柱形螺旋钻体（6）通过波纹管联接；所述探测机器人周围环境的探测系统为脉冲雷达系统，所述脉冲雷达系统包括电源稳压器、中央控制单元（28）、时序逻辑单元CPLD（29）、脉冲生成电路（30）、发射天线（31）、接收天线（32）和信号采集电路（33）；所述中央控制单元（28）是一具有多通道串口的主控制器，分别与时序逻辑单元CPLD（29）和信号采集电路（33）联接，负责控制雷达的运行和通讯；所述时序逻辑单元CPLD（29）分别中央控制单元（28）、脉冲生成电路（30）、信号采集电路（33）联接，用以产生稳定时序间隔的逻辑脉冲；所述脉冲生成电路（30）联接发射天线（31）和电源稳压器，在时序逻辑单元CPLD逻辑信号的激励下产生电压脉冲信号；所述信号采集电路（33）联接接收天线（32），对回波信号进行接收采集；所述探测机器人周围环境的探测系统安装在尾部端盖止转机构（13）的内腔，所述中央控制单元（28）通过复合缆线（24）与计算机控制设备（26）联接。...

【技术特征摘要】
1.一种具有地下探测功能的螺旋钻进机器人，其特征在于:所述机器人包括对土壤进行切削并提供前进动力的螺旋钻进系统，调整钻进方向的转向系统，探测机器人周围环境的探测系统，处理探测信息并对运动进行调控的控制系统；钻进系统与转向系统联接，控制系统与探测系统、钻进系统、转向系统之间设置通讯联接；其中: 所述对土壤进行切削并提供前进动力的螺旋钻进系统位于机器人本体(27)内，包括圆锥形螺旋钻头(1 )、圆柱形螺旋钻体(6)和尾部端盖止转机构(13)，所述圆锥形螺旋钻头(I)顶部设3有切削刀片(2)，圆锥形螺旋钻头(1)用于打碎土块和向后输送土壤；圆柱形螺旋钻体(6)在旋转时向后挤压土壤，同时利用土壤的反作用力提供机器人前进的推进力；圆锥形螺旋钻头(1)通过销钉(21)和钻头轴(20)—端连接，钻头轴(20)另一端通过万向节(19)联接转轴(17);转轴(17)通过弹性联轴器(15)与直流无刷电机(11)联接；转轴(17)通过行星齿轮组(16)将动力传给圆柱形螺旋钻体(6)，行星齿轮组(16)中的外齿轮通过螺钉和圆柱形螺旋钻体(6)固定在一起；电机固定架(10)通过螺钉固定在圆柱形螺旋钻体(6)上，尾部端盖止转机构(13)通过螺纹联接和圆柱形螺旋钻体(6)固定在一起，左挡板(7)和右挡板(8)通过螺钉固定在行星齿轮组(16)两侧，左挡板(7)和右挡板(8)内部置有深沟球轴承以支承转轴(17),左斜柱体(3)内置有一对背靠背安装的双列角接触球轴承(12 )用来限制钻头轴(20 )的轴向移动，双列角接触球轴承(12 )支承圆柱形螺旋钻体(6 )并承受钻体所受轴向力； 所述调整钻进方向的转向系统包括左斜柱体(3)、右斜柱体(4)和圆转板(18);所述左斜柱体(3)、右斜柱体(4)之间通过滚动轴承(23)联接，右斜柱体(4)通过轴承支撑圆转板(18),所述右斜柱体(4)和圆转板(18)通过转向齿轮组(5)与步进电机(9)联接；圆锥形螺旋钻头(I)与圆 柱形螺旋钻体(6)通过波纹管联接； 所述探测机器人周围环境的探测系统为脉冲雷达系统，所述脉冲雷达系统包括电源稳压器、中央控制单元(28)、时序逻辑单元CPLD (29)、脉冲生成电路(30)、发射天线(31)、接收天线(32)和信号采集电路(33);所述中央控制单元(28)是一具有多通道串口...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓华，徐晓翔，杨鹏春，王叶峰，其他发明人请求不公开姓名，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：