仿蚯蚓可携样探测机器人的设计

黄超雄 黄嘉锐 杨文杰 黄春龙 刘 锋

（韶关学院智能工程学院，广东 韶关 512005）

0 引言

我国矿产资源、石质文物类型众多，目前一般采用地质雷达技术探测古墓，运用浅层地震法探测石窟岩体发育状况以及开展窟前考古工作[1]。在土质勘测和取样的过程中会遇到复杂多变的情况，例如空间狭小、未知有毒的环境等，大型的钻探设备会破坏地质结构，不利于资源的二次开发。如何在尽量减小对地质结构损害的前提下完成探测及取样工作非常重要，因此，研究用于探测及取样的微型机器人具有重要意义[2]。

在国外，日本开发了一种用于地质勘测的小型钻掘机器人——Digbot，该机器人采用双重反转钻头的设计，可以消除钻土过程中的阻力矩，机器人后部采用电磁螺线管提供前进推力，但是不具备转向功能。加利福尼亚大学研发了一种可以挖洞的软体机器人，该机器人带有尖端延伸喷气装置，可以在地下控制机器人与介质间的相互作用力，从而实现快速、可控的三维挖掘功能[3]。在国内，周晨阳[4]针对地外天体采样设计了一种集钻探、采样和储样功能于一体的可开闭、蠕动进给的仿生钻采机构。中科院沈阳自动化研究所研制了一种“水下自动攻泥机”[5]。哈尔滨工程大学将地下穿孔机的冲击原理与蚯蚓的蠕动机理相结合，研制了一种头部冲击式拱泥机器人[6]。

螺旋类钻探机器人转向困难且掘进时不能及时排土，易造成泥土堵塞，从而降低掘进效率[7]。该文基于对蚯蚓外形特征、运动机理的分析研究，设计了一种能像蚯蚓一样在土质中掘进前进的机器人，将钻土、排土以及存土3 个功能相结合，可以在狭小空间、未知有毒环境中完成勘探、探测以及取样工作。

1 主要结构设计及工作原理

仿蚯蚓可携样探测机器人共由5 个部分组成，分别是掘进装置、转向装置、排土装置、存土装置和行走装置，如图1 所示。

1.1 掘进装置

掘进装置采用正反双旋钻头，主要由切削挤压钻头和切削扩孔钻头组成，如图2 所示。圆周均布10 个电机，带动圆柱齿轮三旋转，圆柱齿轮一、三与圆柱齿轮二外啮合，圆柱齿轮一可以将动力传送到减速箱，减速箱通过同步带传送到切削挤压钻头，前后钻头就可以朝相反的方向旋转，大致抵消它们各自转动产生的反向力矩，从而使机器在进行破土运动的过程中保持平稳，进而提高破土效率。切削扩孔钻头能在破土的过程中将一部分泥土挤压扩散到钻头的周围，另一部分落入钻头内部，由前面的切削挤压钻头中螺旋叶片将泥土带入机器的排土装置中，以完成后续的排土工作和存土工作。

图2 正反双旋钻头结构组成

将正反双旋钻头看作圆锥体，截成上、下2 个部分进行受力分析，由于切削挤压钻头和切削扩孔钻头锥角相等，因此当圆锥体旋转时，圆锥面上任意点与土壤接触受到的摩擦力即为锥面任意点上切向力Fτ。为了使正、反双旋钻头受到的力矩大致抵消，圆锥体上、下部分所受力矩关系应满足公式（1）。

式中：r1为切削挤压钻头的最大半径；r2为切削扩孔钻头的最大半径；r为半径变量。

通过计算得出r1与r2的关系为。

1.2 转向装置

该文基于三轴承旋转喷管结构[8]设计了全方位转向装置，采用内齿轮啮合的传动方式，用3 个动力源控制其角度，通过3 个动力源旋转配合，从而达到控制3 个自由度转向的目的，实现灵活转向，其结构如图3 所示。内齿轮一与转弯机构一为一体，舵机一与转弯机构二固定，当舵机一转动时，带动圆柱齿轮一转动，通过内齿轮使转动转弯机构一转动；内齿轮二与转弯机构三为一体，舵机二与转弯机构三固定，当舵机二转动时，带动圆柱齿轮二转动，通过内齿轮啮合使转弯机构二转动；内齿轮三与转弯机构三为一体，舵机三与转弯机构四固定，当舵机三转动时，带动圆柱齿轮三转动，通过内齿轮啮合使转弯机构三转动。

图3 转向装置结构组成

如图4（a）所示，从左往右看，以顺时针旋转为正，当舵机输出动力使转弯机构旋转速度比为转弯机构一∶转弯机构二∶转弯机构三 = 2 ∶-2 ∶1 时，机身向上弯曲（如图4（b）所示），通过控制舵机输出动力的时间控制转弯角度，最大转弯角度为90°。同理，当舵机输出动力使转弯机构旋转速度比为转弯机构一∶转弯机构二∶转弯机构三= -2∶2∶-1时，机身向下弯曲（如图4（c）所示），最大转弯角度为90°。在初始状态，转弯机构三转动一定角度，再结合向上弯曲状态或向下弯曲状态，就可以朝任意方向转弯。例如当转弯机构三转动45°再结合向下弯曲状态时，舵机输出动力使转弯机构旋转速度比为转弯机构一∶转弯机构二∶转弯机构三 =-2 ∶2 ∶-1，向左下方状态如图4（d）所示。

1.3 排土装置

排土装置由柔性螺旋片和软管组成，这2 个零件都是由柔性材料制成的，这样的设计可以使机器在转向运动的同时进行正常的排土工作，而外套软管是为了防止泥土与机器内部其他的零件发生接触。通过管道进行螺旋式传送，使泥土由前往后排出。

1.4 存土装置

存土装置可以存储8 种不同种类的土样，使其在复杂环境下实现灵活取样和携样的功能。

存土装置如图5 所示，齿轮三与方孔套筒四为一体，齿圈四与方孔套筒八为一体。图6（a）为初始状态，该装置中使方孔套筒一固定，方孔套筒四与方孔套筒八的转速比为1 ∶2，霍尔编码电机可控制方孔套筒八每次旋转22.5°即可将土存到方格中，如图6（b）所示。再次旋转22.5°即可关闭，如图6（c）所示。

图5 存土装置爆炸图

图 6 存土装置不同工作状态

1.5 行走装置

行走装置采用四列均布履带式结构，每条履带的宽度为20 mm，用4 条履带平均分布在中间的圆柱体零件中，使机器与地面的摩擦力增大，只要装上合适力矩的电机就能带动整机前进。

2 控制系统

为了实现灵活转弯的功能，需要对转向装置中转弯机构的旋转速率进行控制，选择360°舵机作为转弯机构的动力机构。通信模块给STM32主控板发送指令，STM32接受指令执行后给驱动模块发送信号，以控制掘进装置电机和行走装置电机。运用STM32 主控板对360°电机进行输出脉宽控制，以控制3 个舵机相互配合的转速比为2 ∶-2：1 或-2 ∶2 ∶-1，从而实现转弯控制的功能。而存土装置运用带编码器的电机，通过编码器产生的脉冲信号反馈给STM32 主控板处理，通过输出PWM给电调模块控制方孔套筒八旋转的角度。控制原理如图7 所示。

图7 控制原理图

3 结语

该文基于蚯蚓的形态和特征研制了一种仿蚯蚓可携样探测机器人。通过正反双旋钻头掘进装置掘土，解决了机器人掘进时机身受反扭矩的影响，提高了掘进效率。该机器人设有转弯机构，能在转弯的同时通过柔性的螺旋排土装置将泥土从机器人前端向后端排出，解决了土壤堆积、 前进阻力大和转向的问题。该机器人还设有存土装置，可以在不同采样位置取存8 种土样，结合行走装置能有效实现在土壤中勘测、取样的功能。