黃超雄 黃嘉銳 楊文杰 黃春龍 劉 鋒

（韶關(guān)學(xué)院智能工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005）

0 引言

我國礦產(chǎn)資源、石質(zhì)文物類型眾多，目前一般采用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)探測(cè)古墓，運(yùn)用淺層地震法探測(cè)石窟巖體發(fā)育狀況以及開展窟前考古工作[1]。在土質(zhì)勘測(cè)和取樣的過程中會(huì)遇到復(fù)雜多變的情況，例如空間狹小、未知有毒的環(huán)境等，大型的鉆探設(shè)備會(huì)破壞地質(zhì)結(jié)構(gòu)，不利于資源的二次開發(fā)。如何在盡量減小對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)損害的前提下完成探測(cè)及取樣工作非常重要，因此，研究用于探測(cè)及取樣的微型機(jī)器人具有重要意義[2]。

在國外，日本開發(fā)了一種用于地質(zhì)勘測(cè)的小型鉆掘機(jī)器人——Digbot，該機(jī)器人采用雙重反轉(zhuǎn)鉆頭的設(shè)計(jì)，可以消除鉆土過程中的阻力矩，機(jī)器人后部采用電磁螺線管提供前進(jìn)推力，但是不具備轉(zhuǎn)向功能。加利福尼亞大學(xué)研發(fā)了一種可以挖洞的軟體機(jī)器人，該機(jī)器人帶有尖端延伸噴氣裝置，可以在地下控制機(jī)器人與介質(zhì)間的相互作用力，從而實(shí)現(xiàn)快速、可控的三維挖掘功能[3]。在國內(nèi)，周晨陽[4]針對(duì)地外天體采樣設(shè)計(jì)了一種集鉆探、采樣和儲(chǔ)樣功能于一體的可開閉、蠕動(dòng)進(jìn)給的仿生鉆采機(jī)構(gòu)。中科院沈陽自動(dòng)化研究所研制了一種“水下自動(dòng)攻泥機(jī)”[5]。哈爾濱工程大學(xué)將地下穿孔機(jī)的沖擊原理與蚯蚓的蠕動(dòng)機(jī)理相結(jié)合，研制了一種頭部沖擊式拱泥機(jī)器人[6]。

螺旋類鉆探機(jī)器人轉(zhuǎn)向困難且掘進(jìn)時(shí)不能及時(shí)排土，易造成泥土堵塞，從而降低掘進(jìn)效率[7]。該文基于對(duì)蚯蚓外形特征、運(yùn)動(dòng)機(jī)理的分析研究，設(shè)計(jì)了一種能像蚯蚓一樣在土質(zhì)中掘進(jìn)前進(jìn)的機(jī)器人，將鉆土、排土以及存土3 個(gè)功能相結(jié)合，可以在狹小空間、未知有毒環(huán)境中完成勘探、探測(cè)以及取樣工作。

1 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

仿蚯蚓可攜樣探測(cè)機(jī)器人共由5 個(gè)部分組成，分別是掘進(jìn)裝置、轉(zhuǎn)向裝置、排土裝置、存土裝置和行走裝置，如圖1 所示。

1.1 掘進(jìn)裝置

掘進(jìn)裝置采用正反雙旋鉆頭，主要由切削擠壓鉆頭和切削擴(kuò)孔鉆頭組成，如圖2 所示。圓周均布10 個(gè)電機(jī)，帶動(dòng)圓柱齒輪三旋轉(zhuǎn)，圓柱齒輪一、三與圓柱齒輪二外嚙合，圓柱齒輪一可以將動(dòng)力傳送到減速箱，減速箱通過同步帶傳送到切削擠壓鉆頭，前后鉆頭就可以朝相反的方向旋轉(zhuǎn)，大致抵消它們各自轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的反向力矩，從而使機(jī)器在進(jìn)行破土運(yùn)動(dòng)的過程中保持平穩(wěn)，進(jìn)而提高破土效率。切削擴(kuò)孔鉆頭能在破土的過程中將一部分泥土擠壓擴(kuò)散到鉆頭的周圍，另一部分落入鉆頭內(nèi)部，由前面的切削擠壓鉆頭中螺旋葉片將泥土帶入機(jī)器的排土裝置中，以完成后續(xù)的排土工作和存土工作。

圖2 正反雙旋鉆頭結(jié)構(gòu)組成

將正反雙旋鉆頭看作圓錐體，截成上、下2 個(gè)部分進(jìn)行受力分析，由于切削擠壓鉆頭和切削擴(kuò)孔鉆頭錐角相等，因此當(dāng)圓錐體旋轉(zhuǎn)時(shí)，圓錐面上任意點(diǎn)與土壤接觸受到的摩擦力即為錐面任意點(diǎn)上切向力Fτ。為了使正、反雙旋鉆頭受到的力矩大致抵消，圓錐體上、下部分所受力矩關(guān)系應(yīng)滿足公式（1）。

式中：r1為切削擠壓鉆頭的最大半徑；r2為切削擴(kuò)孔鉆頭的最大半徑；r為半徑變量。

通過計(jì)算得出r1與r2的關(guān)系為。

1.2 轉(zhuǎn)向裝置

該文基于三軸承旋轉(zhuǎn)噴管結(jié)構(gòu)[8]設(shè)計(jì)了全方位轉(zhuǎn)向裝置，采用內(nèi)齒輪嚙合的傳動(dòng)方式，用3 個(gè)動(dòng)力源控制其角度，通過3 個(gè)動(dòng)力源旋轉(zhuǎn)配合，從而達(dá)到控制3 個(gè)自由度轉(zhuǎn)向的目的，實(shí)現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)向，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。內(nèi)齒輪一與轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)一為一體，舵機(jī)一與轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)二固定，當(dāng)舵機(jī)一轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)圓柱齒輪一轉(zhuǎn)動(dòng)，通過內(nèi)齒輪使轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)一轉(zhuǎn)動(dòng)；內(nèi)齒輪二與轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)三為一體，舵機(jī)二與轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)三固定，當(dāng)舵機(jī)二轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)圓柱齒輪二轉(zhuǎn)動(dòng)，通過內(nèi)齒輪嚙合使轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)二轉(zhuǎn)動(dòng)；內(nèi)齒輪三與轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)三為一體，舵機(jī)三與轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)四固定，當(dāng)舵機(jī)三轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)圓柱齒輪三轉(zhuǎn)動(dòng)，通過內(nèi)齒輪嚙合使轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)三轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)組成

如圖4（a）所示，從左往右看，以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，當(dāng)舵機(jī)輸出動(dòng)力使轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)速度比為轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)一∶轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)二∶轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)三 = 2 ∶-2 ∶1 時(shí)，機(jī)身向上彎曲（如圖4（b）所示），通過控制舵機(jī)輸出動(dòng)力的時(shí)間控制轉(zhuǎn)彎角度，最大轉(zhuǎn)彎角度為90°。同理，當(dāng)舵機(jī)輸出動(dòng)力使轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)速度比為轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)一∶轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)二∶轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)三= -2∶2∶-1時(shí)，機(jī)身向下彎曲（如圖4（c）所示），最大轉(zhuǎn)彎角度為90°。在初始狀態(tài)，轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)三轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，再結(jié)合向上彎曲狀態(tài)或向下彎曲狀態(tài)，就可以朝任意方向轉(zhuǎn)彎。例如當(dāng)轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)三轉(zhuǎn)動(dòng)45°再結(jié)合向下彎曲狀態(tài)時(shí)，舵機(jī)輸出動(dòng)力使轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)速度比為轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)一∶轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)二∶轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)三 =-2 ∶2 ∶-1，向左下方狀態(tài)如圖4（d）所示。

1.3 排土裝置

排土裝置由柔性螺旋片和軟管組成，這2 個(gè)零件都是由柔性材料制成的，這樣的設(shè)計(jì)可以使機(jī)器在轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行正常的排土工作，而外套軟管是為了防止泥土與機(jī)器內(nèi)部其他的零件發(fā)生接觸。通過管道進(jìn)行螺旋式傳送，使泥土由前往后排出。

1.4 存土裝置

存土裝置可以存儲(chǔ)8 種不同種類的土樣，使其在復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)靈活取樣和攜樣的功能。

存土裝置如圖5 所示，齒輪三與方孔套筒四為一體，齒圈四與方孔套筒八為一體。圖6（a）為初始狀態(tài)，該裝置中使方孔套筒一固定，方孔套筒四與方孔套筒八的轉(zhuǎn)速比為1 ∶2，霍爾編碼電機(jī)可控制方孔套筒八每次旋轉(zhuǎn)22.5°即可將土存到方格中，如圖6（b）所示。再次旋轉(zhuǎn)22.5°即可關(guān)閉，如圖6（c）所示。

圖5 存土裝置爆炸圖

圖 6 存土裝置不同工作狀態(tài)

1.5 行走裝置

行走裝置采用四列均布履帶式結(jié)構(gòu)，每條履帶的寬度為20 mm，用4 條履帶平均分布在中間的圓柱體零件中，使機(jī)器與地面的摩擦力增大，只要裝上合適力矩的電機(jī)就能帶動(dòng)整機(jī)前進(jìn)。

2 控制系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)彎的功能，需要對(duì)轉(zhuǎn)向裝置中轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速率進(jìn)行控制，選擇360°舵機(jī)作為轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)。通信模塊給STM32主控板發(fā)送指令，STM32接受指令執(zhí)行后給驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送信號(hào)，以控制掘進(jìn)裝置電機(jī)和行走裝置電機(jī)。運(yùn)用STM32 主控板對(duì)360°電機(jī)進(jìn)行輸出脈寬控制，以控制3 個(gè)舵機(jī)相互配合的轉(zhuǎn)速比為2 ∶-2：1 或-2 ∶2 ∶-1，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎控制的功能。而存土裝置運(yùn)用帶編碼器的電機(jī)，通過編碼器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)反饋給STM32 主控板處理，通過輸出PWM給電調(diào)模塊控制方孔套筒八旋轉(zhuǎn)的角度。控制原理如圖7 所示。

圖7 控制原理圖

3 結(jié)語

該文基于蚯蚓的形態(tài)和特征研制了一種仿蚯蚓可攜樣探測(cè)機(jī)器人。通過正反雙旋鉆頭掘進(jìn)裝置掘土，解決了機(jī)器人掘進(jìn)時(shí)機(jī)身受反扭矩的影響，提高了掘進(jìn)效率。該機(jī)器人設(shè)有轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)，能在轉(zhuǎn)彎的同時(shí)通過柔性的螺旋排土裝置將泥土從機(jī)器人前端向后端排出，解決了土壤堆積、 前進(jìn)阻力大和轉(zhuǎn)向的問題。該機(jī)器人還設(shè)有存土裝置，可以在不同采樣位置取存8 種土樣，結(jié)合行走裝置能有效實(shí)現(xiàn)在土壤中勘測(cè)、取樣的功能。