一种仿生地下挖掘机器人 |
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| 申请号 | CN201610867824.8 | 申请日 | 2016-09-30 | 公开(公告)号 | CN106347508A | 公开(公告)日 | 2017-01-25 |
| 申请人 | 武汉科技大学; | 发明人 | 侯宇; 代陈超; 尹志朋; 代梦婉; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种仿生地下挖掘 机器人 。其技术方案是：升降机构(5)固定在 履带 行走装置(6)上部的中心 位置 处，升降机构(5)的上部与躯体地安装在躯体(3)前部的两侧，铲斗机构(2)对称地安装在躯体(3)中部的两侧， 挤压 机构(1)对称地安装在躯体(3)后部的两侧。本发明不仅能利用挖斗机构(4)和铲斗机构(2)进行城市地 下管 线铺设的前期挖土工作，还能利用挤压机构(1)有效地将土挤压到洞壁上，避免了挖掘产生的泥土的运走，挖掘效率高。本发明能够同时实现挖土、排土和挤土功能，具有工作 稳定性 好、挖掘效率高、行走灵活的特点。(3)上部中心位置处固定连接；挖斗机构(4)对称 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种仿生地下挖掘机器人，其特征在于所述仿生地下挖掘机器人由履带行走装置(6)、升降机构(5)、躯体(3)、两个挖斗机构(4)、两个铲斗机构(2)和两个挤压机构(1)组成； |
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| 说明书全文 | 一种仿生地下挖掘机器人技术领域背景技术[0002] 随着我国城市建设的飞速发展，城市地下工程特别是地下管网的建设迫在眉睫。在电力、电讯等地下管网的铺设过程中，沿用的施工方法往往是传统的地表开挖式埋管法，但这种方法不仅影响交通、干扰人们的正常生活，而且当管线必须在河流、铁路、地面建筑物地下穿越时，更只能望洋兴叹。 [0003] 近年来，仿生挖掘机器人的研究已引起技术人员的关注。如“仿生蝼蛄机器人”(CN 200510010008.7)专利技术，该技术所述机器人的前爪和后爪都采用曲柄摇杆机构来实现挖掘和排土，虽结构简单，但轨迹可控性差，机器人只能在水平面内运动；又如“仿鼹鼠挖掘机器人”(CN 201210487804.X)专利技术，该技术所述机器人前肢和后肢都采用双摇杆并联耦合机构，躯体分为前后两个部分，可相对转动，从而实现机器人在竖直平面的转弯运动。 上述专利技术中机器人的挖掘机构和行走机构共一个机构，每次挖掘或行走时，都只有一个肢体处于工作状态，挖掘和行走的效率较低，而且挖掘产生的泥土仍需其他设备运走。 发明内容[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述仿生地下挖掘机器人由履带行走装置、升降机构、躯体、两个挖斗机构、两个铲斗机构和两个挤压机构组成。设所述仿生地下挖掘机器人的前进方向为前方，面向前进方向的左侧为左方。升降机构固定在履带行走装置上部的中心位置处，升降机构的上部与躯体上部中心位置处固定连接。挖斗机构对称地安装在躯体前部的两侧，铲斗机构对称地安装在躯体中部的两侧，挤压机构对称地安装在躯体后部的两侧。 [0006] 升降机构由升降电机、丝杆、螺纹法兰、第一导杆、第二导杆、底座顶板、底座底板、底座前侧板和底座后侧板组成。底座顶板前端和底座底板前端通过螺栓与底座前侧板固定连接，底座顶板后端和底座底板后端通过螺栓与底座后侧板固定连接。 [0007] 升降电机安装在底座底板的中心位置处，丝杆下端与升降电机的输出轴轴连接，丝杆和螺纹法兰螺纹连接。第一导杆固定在底座顶板前半部分的中心位置处，第二导杆与第一导杆对称安装，第二导杆中心、丝杆中心和第一导杆中心的连线与底座顶板的长边平行。 [0008] 升降机构的底座底板固定安装在履带行走装置的中心位置处。 [0009] 躯体由躯体顶板、躯体底板、躯体左侧板和躯体右侧板组成。躯体顶板左侧和躯体底板左侧通过螺栓与躯体左侧板固定连接，躯体顶板右侧和躯体底板右侧通过螺栓与躯体右侧板固定连接。 [0010] 靠近躯体左侧板后侧的下部设有挤压滑动孔，躯体左侧板和躯体右侧板相同。 [0011] 在躯体顶板的中心位置处开有螺纹法兰安装孔，靠近螺纹法兰安装孔均匀地设有3~5个小孔，3~5个小孔位于同一圆周线。在螺纹法兰安装孔的左右两侧对称地开有第二齿轮轴孔、第一齿轮轴孔、第四齿轮轴孔和第三齿轮轴孔。第二齿轮轴孔、第一齿轮轴孔、第四齿轮轴孔和第三齿轮轴孔依次由前向后设置，第四齿轮轴孔和第三齿轮轴孔的中心连线与躯体顶板的左侧边平行，第二齿轮轴孔位于第四齿轮轴孔中心与第三齿轮轴孔中心的连线内侧。 [0012] 在躯体底板对应地设有与躯体顶板位置相同的第二齿轮轴孔、第一齿轮轴孔、第四齿轮轴孔、第三齿轮轴孔和螺纹法兰安装孔。在螺纹法兰安装孔的前侧还设有第一导杆孔，第一导杆孔与螺纹法兰安装孔的距离等于第一导杆与丝杆中心的距离，第二导杆孔与第一导杆孔对称设置，第一导杆孔、第二导杆孔和螺纹法兰安装孔的中心连线与躯体底板的左边平行。 [0013] 升降机构的第一导杆和第二导杆活动地穿过躯体底板对应的第一导杆孔和第二导杆孔，螺纹法兰穿过躯体底板和躯体顶板的螺纹法兰安装孔，螺纹法兰与躯体顶板通过螺栓固定连接。 [0014] 挖斗机构包括挖掘电机、第一从动齿轮、第二从动齿轮、主动齿轮和两个工作机构。 [0015] 挖掘电机安装在躯体底板前部的一侧，挖掘电机的输出轴与主动齿轮键连接，主动齿轮与第一从动齿轮和第二从动齿轮分别啮合。第一从动齿轮和第二从动齿轮通过各自的齿轮轴活动地安装在躯体顶板和躯体底板对应的第一齿轮轴孔和第二齿轮轴孔中。第一从动齿轮的轴的两端和第二从动齿轮的轴的两端分别穿出第一齿轮轴孔和第二齿轮轴孔。 [0016] 两个工作机构相同，均由第一曲柄、第一连杆、第二曲柄、第二连杆和挖斗组成。 [0017] 躯体顶板的上平面和躯体底板的下平面对称地装有工作机构，两个第一曲柄的一端与第一从动齿轮的轴的对应端固定连接，两个第一曲柄的另一端与两个第一连杆的一端对应铰接，两个第一连杆的另一端与挖斗背部的固定板固定连接。两个第二曲柄的一端与第二从动齿轮的轴的对应端固定连接，两个第二曲柄的另一端与两个第二连杆的一端对应铰接，两个第二连杆的另一端与对应的两个第一连杆铰接，第一连杆的铰接点靠近铲斗处。 [0018] 铲斗机构与挖斗机构的结构相同，铲斗机构的安装位置是：铲斗机构的第一从动齿轮和第二从动齿轮通过各自的齿轮轴活动地安装在躯体顶板和躯体底板对应的第三齿轮轴孔和第四齿轮轴孔中。 [0019] 挤压机构包括挤压电机、挤压曲柄、挤压连杆、挤压滑动杆和挤压板。 [0020] 挤压电机安装在躯体顶板后部的一侧，挤压曲柄的一端与挤压电机的输出轴固定连接，挤压曲柄的另一端和挤压连杆的一端铰接，挤压连杆的另一端和挤压滑动杆的一端铰接，挤压滑动杆的另一端活动地穿出挤压滑动孔，挤压滑动杆的另一端端部和挤压板背部的固定板固定连接。 [0021] 所述螺纹法兰呈空心“T”型状，螺纹法兰是由法兰和圆管组成的整体，螺纹法兰的中心通孔加工有内螺纹，法兰均匀地设有3~5个小孔，3~5个小孔位于同一圆周线。螺纹法兰的3~5个小孔与躯体顶板设有的3~5个小孔通过螺栓对应连接。 [0022] 由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：本发明的升降机构固定在履带行走装置上部的中心位置处，升降机构的上部与躯体上部中心位置处固定连接；挖斗机构对称地安装在躯体前部的两侧，铲斗机构对称地安装在躯体中部的两侧，挤压机构对称地安装在躯体后部的两侧。履带行走装置不仅作为行走机构机动灵活和转弯半径小，亦作为躯体的支撑件，故工作稳定性好。挖斗机构和铲斗机构由各自的挖掘电机驱动，主动齿轮与挖掘电机的输出轴轴连接，主动齿轮与第一从动齿轮和第二从动齿轮分别啮合；第一从动齿轮和第二从动齿轮通过各自的齿轮轴带动工作机构运动，从而实现仿生挖掘，挖掘效率高。 [0023] 本发明的工作过程包括主运动过程和进给运动过程：主运动过程由挖斗机构的挖掘运动、铲斗机构的铲土运动和挤压机构的挤压运动组成；进给运动过程包括仿生地下挖掘机器人的水平面或斜面行驶、转弯，竖直面的升降，故运动灵活。 [0024] 主运动过程的顺序为：当一侧的挖斗机构处于挖掘起始位置时，另一侧的挖斗机构处于挖掘终点位置，即两个挖斗机构避免运动干涉。当同侧的挖斗机构到达挖掘的终点位置时，同侧的铲斗机构即将到达铲土的起始位置；当同侧的铲斗机构到达铲土的终点位置时，同侧的挤压机构到达靠近铲斗机构的内侧位置。挤压机构应用机构急回特性，提高冲击速度，故能够有效地将土挤压到洞壁上，形成满足要求的孔洞直径，避免了挖掘产生的泥土的运走，挖掘效率高。 [0025] 进给运动过程中，履带行走装置能够实现仿生地下挖掘机器人的水平面或斜面行驶、转弯；当需要在竖直面内升降时，首先，驱动升降机构使躯体上升或者下降一定的高度，然后履带行走装置按照要求直线行驶或是水平面内转弯。 [0026] 通过主运动和进给运动的配合协调工作，挖掘运动能够连续的进行，挖掘出满足要求的孔洞。当需要后退时，先调整挖斗机构、铲斗机构和挤压机构，缩回到靠近躯体的位置，然后驱动履带行走装置使仿生地下挖掘机器人后退。 [0027] 本发明是一种能够实现前进、后退、转弯及竖直面内升降的仿生地下挖掘机器人，适用于城市地下管线铺设的前期挖土工作，特别是在不允许从地表进行开挖的地下管线铺设时的前期地下挖土工作具有重要的应用价值。 [0029] 图1是本发明的一种结构示意图；图2是图1的俯视示意图； 图3是图1和图2中升降机构5的一种结构示意图； 图4是图1和图2中躯体3的一种结构示意图； 图5是图4中躯体顶板17的俯视示意图； 图6是图4躯体底板18的俯视示意图； 图7是图1中挖斗机构4的一种结构示意图； 图8是图7的俯视示意图； 图9是图1和图2中挤压机构1的一种结构示意图。 具体实施方式[0030] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对其保护范围的限制。 [0031] 实施例1一种仿生地下挖掘机器人。如图1和图2所示，所述仿生地下挖掘机器人由履带行走装置6、升降机构5、躯体3、两个挖斗机构4、两个铲斗机构2和两个挤压机构1组成。为叙述分别起见，设所述仿生地下挖掘机器人的前进方向为前方，面向前进方向的左侧为左方。如图1和图2所示，升降机构5固定在履带行走装置6上部的中心位置处，升降机构5的上部与躯体3上部中心位置处固定连接。挖斗机构4对称地安装在躯体3前部的两侧，铲斗机构2对称地安装在躯体3中部的两侧，挤压机构1对称地安装在躯体3后部的两侧。 [0032] 如图3所示，升降机构5由升降电机14、丝杆7、螺纹法兰8、第一导杆9、第二导杆15、底座顶板10、底座底板12、底座前侧板11和底座后侧板13组成。底座顶板10前端和底座底板12前端通过螺栓与底座前侧板11固定连接，底座顶板10后端和底座底板12后端通过螺栓与底座后侧板13固定连接。 [0033] 升降电机14安装在底座底板12的中心位置处，丝杆7的下端与升降电机14的输出轴轴连接，丝杆7和螺纹法兰8螺纹连接。第一导杆9固定在底座顶板10前半部分的中心位置处，第二导杆15与第一导杆9对称安装，第二导杆15中心、丝杆7中心和第一导杆9中心的连线与底座顶板10的长边平行。 [0034] 如图1、图2和图3所示，升降机构5的底座底板12固定安装在履带行走装置6的中心位置处。 [0035] 如图4所示，躯体3由躯体顶板17、躯体底板18、躯体左侧板16和躯体右侧板19组成。躯体顶板17左侧和躯体底板18左侧通过螺栓与躯体左侧板16固定连接，躯体顶板17右侧和躯体底板18右侧通过螺栓与躯体右侧板19固定连接。 [0036] 靠近躯体左侧板16后侧的下部设有挤压滑动孔20，躯体左侧板16和躯体右侧板19相同。 [0037] 如图5和图6所示，在躯体顶板17的中心位置处开有螺纹法兰安装孔22，靠近螺纹法兰安装孔22均匀地设有4个小孔，4个小孔位于同一圆周线。在螺纹法兰安装孔22的左右两侧对称地开有第二齿轮轴孔25、第一齿轮轴孔24、第四齿轮轴孔23和第三齿轮轴孔21。第二齿轮轴孔25、第一齿轮轴孔24、第四齿轮轴孔23和第三齿轮轴孔21依次由前向后设置，第四齿轮轴孔23和第三齿轮轴孔21的中心连线与躯体顶板17的左侧边平行，第二齿轮轴孔25位于第四齿轮轴孔23中心与第三齿轮轴孔21中心的连线内侧。 [0038] 在躯体底板18对应地设有与躯体顶板17位置相同的第二齿轮轴孔25、第一齿轮轴孔24、第四齿轮轴孔23、第三齿轮轴孔21和螺纹法兰安装孔22。在螺纹法兰安装孔22的前侧还设有第一导杆孔27，第一导杆孔27与螺纹法兰安装孔22的距离等于第一导杆9与丝杆7中心的距离，第二导杆孔26与第一导杆孔27对称设置，第一导杆孔27、第二导杆孔26和螺纹法兰安装孔22的中心连线与躯体底板18的左边平行。 [0039] 升降机构的第一导杆9和第二导杆15活动地穿过躯体底板18对应的第一导杆孔27和第二导杆孔26，螺纹法兰8穿过躯体底板18和躯体顶板17的螺纹法兰安装孔22，螺纹法兰8与躯体顶板17通过螺栓固定连接。 [0040] 如图1、图2、图7和图8所示，挖斗机构4包括挖掘电机33、第一从动齿轮36、第二从动齿轮34、主动齿轮35和两个工作机构。 [0041] 挖掘电机33安装在躯体底板18前部的一侧，挖掘电机33的输出轴与主动齿轮35键连接，主动齿轮35与第一从动齿轮36和第二从动齿轮34分别啮合。第一从动齿轮36和第二从动齿轮34通过各自的齿轮轴活动地安装在躯体顶板17和躯体底板18对应的第一齿轮轴孔24和第二齿轮轴孔25中。第一从动齿轮36的轴的两端和第二从动齿轮34的轴的两端分别穿出第一齿轮轴孔24和第二齿轮轴孔25。 [0042] 两个工作机构相同，均由第一曲柄28、第一连杆30、第二曲柄29、第二连杆31和挖斗32组成。 [0043] 躯体顶板17的上平面和躯体底板18的下平面对称地装有工作机构，两个第一曲柄28的一端与第一从动齿轮36的轴的对应端固定连接，两个第一曲柄28的另一端与两个第一连杆30的一端对应铰接，两个第一连杆30的另一端与挖斗32背部的固定板固定连接。两个第二曲柄29的一端与第二从动齿轮34的轴的对应端固定连接，两个第二曲柄29的另一端与两个第二连杆31的一端对应铰接，两个第二连杆31的另一端与对应的两个第一连杆30铰接，第一连杆30的铰接点靠近铲斗处。 [0044] 铲斗机构2与挖斗机构4的结构相同，铲斗机构2的安装位置是：铲斗机构2的第一从动齿轮和第二从动齿轮通过各自的齿轮轴活动地安装在躯体顶板17和躯体底板18对应的第三齿轮轴孔21和第四齿轮轴孔23中。 [0045] 如图2和图9所示，挤压机构1包括挤压电机41、挤压曲柄40、挤压连杆39、挤压滑动杆38和挤压板37。 [0046] 挤压电机41安装在躯体顶板17后部的一侧，挤压曲柄40的一端与挤压电机41的输出轴固定连接，挤压曲柄40的另一端和挤压连杆39的一端铰接，挤压连杆39的另一端和挤压滑动杆38的一端铰接，挤压滑动杆38的另一端活动地穿出挤压滑动孔20，挤压滑动杆38的另一端端部和挤压板37背部的固定板固定连接。 [0047] 所述螺纹法兰8呈空心“T”型状，螺纹法兰8是由法兰和圆管组成的整体，螺纹法兰8的中心通孔加工有内螺纹，法兰均匀地设有4个小孔，4个小孔位于同一圆周线。螺纹法兰8的4个小孔与躯体顶板17设有的4个小孔通过螺栓对应连接。 [0048] 实施例2一种仿生地下挖掘机器人。除下述技术参数外，其余同实施例1： 靠近螺纹法兰安装孔22均匀地设有3个或5个小孔，3个或5个小孔位于同一圆周线； 法兰均匀地设有3个或5个小孔，3个或5个小孔位于同一圆周线。螺纹法兰8的3个或5个小孔与躯体顶板17设有的3个或5个小孔通过螺栓对应连接。 [0049]本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果： 本具体实施方式的升降机构固定在履带行走装置上部的中心位置处，升降机构的上部与躯体上部中心位置处固定连接；挖斗机构对称地安装在躯体前部的两侧，铲斗机构对称地安装在躯体中部的两侧，挤压机构对称地安装在躯体后部的两侧。履带行走装置不仅作为行走机构机动灵活和转弯半径小，亦作为躯体的支撑件，故工作稳定性好。挖斗机构和铲斗机构由各自的挖掘电机驱动，主动齿轮与挖掘电机的输出轴轴连接，主动齿轮与第一从动齿轮和第二从动齿轮分别啮合；第一从动齿轮和第二从动齿轮通过各自的齿轮轴带动工作机构运动，从而实现仿生挖掘，挖掘效率高。 [0050] 本具体实施方式的工作过程包括主运动过程和进给运动过程：主运动过程由挖斗机构的挖掘运动、铲斗机构的铲土运动和挤压机构的挤压运动组成；进给运动过程包括仿生地下挖掘机器人的水平面或斜面行驶、转弯，竖直面的升降，故运动灵活。 [0051] 主运动过程的顺序为：当一侧的挖斗机构处于挖掘起始位置时，另一侧的挖斗机构处于挖掘终点位置，即两个挖斗机构避免运动干涉。当同侧的挖斗机构到达挖掘的终点位置时，同侧的铲斗机构即将到达铲土的起始位置；当同侧的铲斗机构到达铲土的终点位置时，同侧的挤压机构到达靠近铲斗机构的内侧位置。挤压机构应用机构急回特性，提高冲击速度，故能够有效地将土挤压到洞壁上，形成满足要求的孔洞直径，避免了挖掘产生的泥土的运走，挖掘效率高。 [0052] 进给运动过程中，履带行走装置能够实现仿生地下挖掘机器人的水平面或斜面行驶、转弯；当需要在竖直面内升降时，首先，驱动升降机构使躯体上升或者下降一定的高度，然后履带行走装置按照要求直线行驶或是水平面内转弯。 [0053] 通过主运动和进给运动的配合协调工作，挖掘运动能够连续的进行，挖掘出满足要求的孔洞。当需要后退时，先调整挖斗机构、铲斗机构和挤压机构，缩回到靠近躯体的位置，然后驱动履带行走装置使仿生地下挖掘机器人后退。 [0054] 本具体实施方式是一种能够实现前进、后退、转弯及竖直面内升降的仿生地下挖掘机器人，适用于城市地下管线铺设的前期挖土工作，特别是在不允许从地表进行开挖的地下管线铺设时的前期地下挖土工作具有重要的应用价值。 [0055] 因此，本具体实施方式具有工作稳定性好、挖掘效率高、行走灵活和能有效地将土挤压到洞壁上的特点。 |
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