CN109899061B - 一种用于原位海底地层实时测量的钻推式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术，旨在提供一种用于原位海底地层实时测量的钻推式机器人。包括中空圆筒状机身和钻头，钻头电机固定在机身内；在机身筒壳中部沿圆周方向等间距设有多个推板；推板的中部通过铰链或轴安装在筒壳上，其两端分别位于筒壳内外两侧；传动齿轮、连杆和滑动推板构成曲柄滑块机构，能在推板电机作用下使滑动推板作直线往复运动，并同时带动推板进行往复摆动。本发明提供了一种新的实现原位海底底层实时测量的解决方案，该机器人可以在控制模块的控制下自行实现前行和转向，能够钻埋入泥沙层中长期测量，减少铺设难度，节约人力成本，且便于改变观测网布局和回收。

Description

一种用于原位海底地层实时测量的钻推式机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术，特别涉及用于原位海底地层实时测量的钻推式机器人。

背景技术

海底深部地层实时测量机器人是十分重要的一类机器人。挪威Badger ExplorerASA公司曾提出一种獾式钻探技术，针对岩石型地质设计，用于油气资源开采。其成本极高，且下钻速度非常缓慢，不适用于大范围的原位测量。目前实现原位海底地层(主要在泥沙环境下)实时测量的方式多为铺设水下接驳盒，其铺设难度大，成本高，且一经铺设后不能移动，灵活性差。针对此类应用场景的机器人研究甚少，且尚无相关技术报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种用于原位海底地层实时测量的钻推式机器人。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种用于原位海底地层实时测量的钻推式机器人，包括设于后端的机身和设于前端的钻头；钻头电机固定在机身内，并通过联轴器连接钻头；

所述机身呈中空圆筒状，在其筒壳中部沿圆周方向等间距设有多个推板；推板的中部通过铰链或轴安装在筒壳上，其两端分别位于筒壳内外两侧，并能够围绕铰链或者轴转动；

在机身筒壳内沿圆周方向等间距固定安装多个推板电机，推板电机的输出轴设齿轮并与传动齿轮啮合，在传动齿轮表面设第一转动轴；在机身筒壳的中部内侧布置平行于机身轴线的滑动推板，其数量与推板相同；滑动推板的两端活动安装在设于机身筒壳上的支撑架中，其一端设第二转动轴；滑动推板的中部设推板孔，推板的内侧端部活动安装在推板孔中；连杆的两端分别套设在第一转动轴和第二转动轴上，传动齿轮、连杆和滑动推板构成曲柄滑块机构，能在推板电机的驱动下使滑动推板作直线往复运动，并同时带动推板进行往复摆动。

本发明中，在筒壳后端的外侧，沿圆周方向等间距布置至少4个尾翼。

本发明中，所述推板电机位于机身筒壳尾部，其数量至少有4个。

本发明中，在推板电机的输出轴两侧相对设置两组曲柄滑块机构，用于同时驱动两套滑动推板和推板；电机输出轴两侧的传动齿轮转动方向相反，使两个推板的往复摆动异步。

本发明中，所述推板垂直于机身轴线方向；推板为弧形板，其內弧面朝向机身筒壳的尾部。

本发明中，所述端部夹层板和滑动推板均为弧形板，其弧度与机身筒壳相同或相近。

本发明中，所述机身中固定设置密封舱，在密封舱内装有控制模块和传感器模块；缆线通过机身尾部接至控制模块，控制模块通过缆线分别连接传感器模块、推板电机和钻头电机；所述缆线中包括电源线和信号线。

本发明中，所述机身筒壳包括前部筒壳、中部筒壳和后部筒壳；中部筒壳由沿圆周方向间隔布置的固定板组和滑动推板组构成，固定板组通过螺栓或卡扣方式固定安装在前部筒壳和后部筒壳之间；每个滑动推板组均包括一个端部夹层板和一个推板，端部夹层板的两端具有夹层结构且分别夹持安装在前部筒壳和后部筒壳上，推板的中部通过铰链或轴安装在端部夹层板中部。

本发明中，所述机身筒壳包括前部筒壳、中部筒壳和后部筒壳；中部筒壳的主体为环状固定板，滑动推板组沿圆周方向等间距布置在固定板上；每个滑动推板组均包括一个端部夹层板和一个推板，夹层板的两端具有夹层结构且分别夹持安装在前部筒壳和后部筒壳上，推板的中部通过铰链或轴安装在夹层板中部。

本发明中，所述端部夹层板两端的夹层结构与前部筒壳和后部筒壳之间为间隙配合；在端部夹层板两端的内侧分别设置一个垂直支架，在滑动推板上对应设置两个支架孔，垂直支架的端部活动安装在支架孔中；当滑动推板作直线往复运动时，同时带动推板摆动和端部夹层板相对于筒壳位移。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种新的实现原位海底底层实时测量的解决方案，该机器人可以在控制模块的控制下自行实现前行和转向，能够钻埋入泥沙层中长期测量，减少铺设难度，节约人力成本，且便于改变观测网布局和回收。

附图说明

图1为机器人轴向剖视图(沿尾部电机位置剖开)。

图2为A-A截面的旋转剖视图。

图3为曲柄滑块机构的结构示意图。

图4为机器人运动周期示意。

图中：1钻头，2前部筒壳，3螺栓，4端部夹层板，5推板，6后部筒壳，7传动齿轮，8推板电机，9电机支撑架，10缆线，11第一转动轴，12连杆，13第二转动轴，14滑动推板，15支撑架，16控制模块，17传感器模块，18钻头电机，19连接支撑件，20联轴器，21连接支撑件，22尾翼，23固定板组，24电机齿轮，25支架孔，26推板孔，27支架孔。

具体实施方式

本发明中，用于原位海底地层实时测量的钻推式机器人包括设于后端的机身和设于前端的钻头1；钻头电机18固定在机身内，并通过联轴器20连接钻头1；机身呈中空圆筒状，在其筒壳中部沿圆周方向等间距设有多个推板5；推板5的中部通过铰链或轴安装在筒壳上，其两端分别位于筒壳内外两侧，并能够围绕铰链或者轴转动；

在机身筒壳内沿圆周方向等间距固定安装多个推板电机8，推板电机8的输出轴设齿轮并与传动齿轮7啮合，在传动齿轮7表面设第一转动轴11；在机身筒壳的中部内侧布置平行于机身轴线的滑动推板14，其数量与推板5相同；滑动推板14的两端活动安装在设于机身筒壳上的支撑架15中，其一端设第二转动轴13；滑动推板14的中部设推板孔26，推板5的内侧端部活动安装在推板孔26中；连杆12的两端分别套设在第一转动轴11和第二转动轴13上，传动齿轮7、连杆12和滑动推板14构成曲柄滑块机构，能在推板电机8的驱动下使滑动推板14作直线往复运动，并同时带动推板5进行往复摆动。

为实现控制，在机身中固定设置密封舱，在密封舱内装有控制模块16和传感器模块17；缆线10通过机身尾部接至控制模块16，控制模块16通过缆线分别连接传感器模块17、推板电机8和钻头电机18；缆线10中包括电源线和信号线，分别用于提供电源和传递信号。

为保持运行稳定，在筒壳后端的外侧，沿圆周方向等间距布置至少4个尾翼22。推板电机8可设于机身筒壳尾部，其数量至少有4个。在推板电机8的输出轴两侧可以相对设置两组曲柄滑块机构，用于同时驱动两套滑动推板14和推板5；电机输出轴两侧的传动齿轮7的转动方向相反，使两个推板5的往复摆动异步。推板5应垂直于机身轴线方向。推板5可选为弧形板，其內弧面朝向机身筒壳的尾部。端部夹层板4和滑动推板14可均可选择为弧形板，其弧度与机身筒壳相同或相近。

为了运输方便，可以将机身筒壳拆分制作为前部筒壳、中部筒壳和后部筒壳；中部筒壳有多种实现方式。

例如：由沿圆周方向间隔布置的固定板组23和滑动推板组构成，固定板组23通过螺栓或卡扣方式固定安装在前部筒壳和后部筒壳之间；每个滑动推板组均包括一个端部夹层板4和一个推板5，端部夹层板4的两端具有夹层结构且分别夹持安装在前部筒壳和后部筒壳上，推板5的中部通过铰链或轴安装在端部夹层板4的中部。

或者，中部筒壳的主体为环状固定板，滑动推板组沿圆周方向等间距布置在固定板上；每个滑动推板组均包括一个端部夹层板4和一个推板5，端部夹层板4的两端具有夹层结构且分别夹持安装在前部筒壳和后部筒壳上，推板5的中部通过铰链或轴安装在端部夹层板4的中部。

端部夹层板4两端的夹层结构与前部筒壳和后部筒壳之间可以是固定安装，也可以是间隙配合的活动式安装。如果是活动式安装，端部夹层板4与前后筒壳之间是可以相对滑动的。运动时推板5因为朝向的关系会先被推起，之后就可以由端部夹层板4提供推力(复位时同理)。可以在端部夹层板4两端的内侧分别设置一个垂直支架，在滑动推板14上对应设置两个支架孔25、27，垂直支架的端部活动安装在支架孔25、27中；通过这样的结构设计，当滑动推板14作直线往复运动时，能够同时带动推板5往复摆动和端部夹层板5相对于筒壳进行往复位移。这样设计的目的是让推板5和端部夹层板5一起发生位移，避免推板5成为唯一对外受力机构，延长其使用寿命。

控制模块16属于常用的现有技术，可以包含MCU、相关驱动板；传感器模块17可以包括自我调节所需的深度传感器、方向传感器等。控制模块16在连接各个传感器和简单处理传感器组收集到信息的同时，还用于对推板电机8和钻头电机18进行调速和控制。推板电机8应该是分别独立控制的，这样当机器人垂直下钻时四个电机保持相近转速，并根据方向传感器的数据微调。到达指定位置需要转向时，控制模块16根据方向传感器的数据判断出当前姿态(即根据重力方向判断出头部朝向)，并由此调节上方和下方各推板电机8的转速，从而调节上侧下侧各个推板5的推沙功率，使机器人在前进时实现缓慢转向，逐步到达所需位置。

使用方法说明：

推板电机8通过轴端的齿轮带动传动齿轮7转动。传动齿轮7带动连杆12和滑动推板14，将齿轮的旋转运动变为滑动推板14的直线往复运动。滑动推板14活动安装在支撑架上，并通过推板孔26作用于推板5。

在一个运动周期中，滑动推板14在连杆12带动下向后运动，先带动推板5转动，由贴合筒壁位置到达垂直筒壁位置，此时为张板过程。滑动推板14继续运动，带动推板5向后运动，此时为推板过程。滑动推板14运动到底，转而向前部运动，带动推板5旋转至贴合筒壁的位置，此时为收板过程。滑动推板14继续运动，带动收好的推板5前进，此时为复位过程。同一个电机齿轮带动的两个传动齿轮7转动方向相反，从而相邻的两个推板过程异步，在其中一个推板5处于复位过程时，另一个正处于推板过程以抵消复位过程向后的摩擦力。为减小力矩作用，设置4组，共8个滑动推板机构，以使机器人可以较平稳的向下钻进。尾部设置8个尾翼，进一步增强稳定性防止方向偏移。

在垂直下钻时，尾部的四个推板电机8保持相近转速，并根据方向传感器的数据微调。在推板5的一个运动周期的四个过程中，主要由推板过程提供前进所需的推力，收板过程也可提供较小推力，而张板过程和复位过程会产生向后的力。因此，同一个电机齿轮带动的两个传动齿轮转动方向相反，从而相邻的两个推板过程异步，在其中一个推板处于复位过程时，另一个正处于推板过程以抵消复位过程向后的摩擦力。为减小力矩作用，设置4组，共8个这样的滑动推板机构，以使机器人可以较平稳的向下钻进。尾部设置8个尾翼，进一步增强稳定性防止方向偏移。

Claims (11)

1.一种用于原位海底地层实时测量的钻推式机器人，包括设于后端的机身和设于前端的钻头；钻头电机固定在机身内，并通过联轴器连接钻头；其特征在于，

所述机身呈中空圆筒状，在其筒壳中部沿圆周方向等间距设有多个推板；推板的中部通过铰链或轴安装在筒壳上，其两端分别位于筒壳内外两侧，并能够围绕铰链或者轴转动；

在机身筒壳内沿圆周方向等间距固定安装多个推板电机，推板电机的输出轴设齿轮并与传动齿轮啮合，在传动齿轮表面设第一转动轴；在机身筒壳的中部内侧布置平行于机身轴线的滑动推板，其数量与推板相同；滑动推板的两端活动安装在设于机身筒壳上的支撑架中，其一端设第二转动轴；滑动推板的中部设推板孔，推板的内侧端部活动安装在推板孔中；连杆的两端分别套设在第一转动轴和第二转动轴上，传动齿轮、连杆和滑动推板构成曲柄滑块机构，能在推板电机的驱动下使滑动推板作直线往复运动，并同时带动推板进行往复摆动。

2.根据权利要求1所述的钻推式机器人，其特征在于，在筒壳后端的外侧，沿圆周方向等间距布置至少4个尾翼。

3.根据权利要求1所述的钻推式机器人，其特征在于，所述推板电机位于机身筒壳尾部，其数量至少有4个。

4.根据权利要求1所述的钻推式机器人，其特征在于，在推板电机的输出轴两侧相对设置两组曲柄滑块机构，用于同时驱动两套滑动推板和推板；电机输出轴两侧的传动齿轮转动方向相反，使两个推板的往复摆动异步。

5.根据权利要求1所述的钻推式机器人，其特征在于，所述推板垂直于机身轴线方向；推板为弧形板，其內弧面朝向机身筒壳的尾部。

6.根据权利要求1所述的钻推式机器人，其特征在于，所述端部夹层板和滑动推板均为弧形板，其弧度与机身筒壳相同或相近。

7.根据权利要求1所述的钻推式机器人，其特征在于，所述机身中固定设置密封舱，在密封舱内装有控制模块和传感器模块；缆线通过机身尾部接至控制模块，控制模块通过缆线分别连接传感器模块、推板电机和钻头电机；所述缆线中包括电源线和信号线。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的钻推式机器人，其特征在于，所述机身筒壳包括前部筒壳、中部筒壳和后部筒壳；中部筒壳由沿圆周方向间隔布置的固定板组和滑动推板组构成，固定板组通过螺栓或卡扣方式固定安装在前部筒壳和后部筒壳之间；每个滑动推板组均包括一个端部夹层板和一个推板，端部夹层板的两端具有夹层结构且分别夹持安装在前部筒壳和后部筒壳上，推板的中部通过铰链或轴安装在端部夹层板中部。

9.根据权利要求8所述的钻推式机器人，其特征在于，所述端部夹层板两端的夹层结构与前部筒壳和后部筒壳之间为间隙配合；在端部夹层板两端的内侧分别设置一个垂直支架，在滑动推板上对应设置两个支架孔，垂直支架的端部活动安装在支架孔中；当滑动推板作直线往复运动时，同时带动推板摆动和端部夹层板相对于筒壳位移。

10.根据权利要求1至7任意一项所述的钻推式机器人，其特征在于，所述机身筒壳包括前部筒壳、中部筒壳和后部筒壳；中部筒壳的主体为环状固定板，滑动推板组沿圆周方向等间距布置在固定板上；每个滑动推板组均包括一个端部夹层板和一个推板，夹层板的两端具有夹层结构且分别夹持安装在前部筒壳和后部筒壳上，推板的中部通过铰链或轴安装在夹层板中部。

11.根据权利要求10所述的钻推式机器人，其特征在于，所述端部夹层板两端的夹层结构与前部筒壳和后部筒壳之间为间隙配合；在端部夹层板两端的内侧分别设置一个垂直支架，在滑动推板上对应设置两个支架孔，垂直支架的端部活动安装在支架孔中；当滑动推板作直线往复运动时，同时带动推板摆动和端部夹层板相对于筒壳位移。

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