一种仿鼹鼠星壤掘进机器人

摘要

本发明涉及星壤掘进机器人的技术领域，更具体地，涉及一种仿鼹鼠星壤掘进机器人，包括躯体，所述躯体的一端的两侧设有用于掘土的前肢机构，所述躯体的另一端的两侧设有用于排土的后肢机构，还包括头部，所述头部包括上颚、下颚、装设于所述躯体的第一驱动组件和第二驱动组件，所述上颚的首端设有若干上门齿，所述下颚的首端设有若干下门齿，所述第一驱动组件与所述上颚的末端连接，所述第二驱动组件与所述下颚的末端连接，所述第一驱动组件和第二驱动组件可分别驱动所述上颚和下颚往复运动使所上门齿和下门齿咬合破土。本发明集挖掘与推进于一体，结合上颚和下颚的破土机理，可适应于不同硬度的星壤环境的定向掘进。

说明书

技术领域

本发明涉及星壤掘进机器人的技术领域，更具体地，涉及一种仿鼹鼠星壤掘进机器人。

背景技术

国内外研究人员对星壤掘进机器人已进行了多年研究，形成了一定的成果，相应机器人也已获得一定应用，但更多的是基于长期工程经验的积累，且经常因为设计考虑不充分而导致掘进效果不佳。随着我国深空探测的快速发展，深空科学探测对星壤掘进的需求加大，研究高性能的仿生星壤掘进机器人系统对于推动空间科学探测具有重要意义。鼹鼠的掘进生物行为给星壤掘进机器人提供了很好的仿效对象，但从目前已有的研究来看，仿鼹鼠星壤掘进机器人大部分尚处于实验室阶段，各个功能并不完善。

德国宇航局(DLR)提出的PLUTO系统中的“鼹鼠”机器人及“洞察号”火星探测车上的探测器HP3、美国宇航局(NASA)开发的MMUM仿鼹鼠地下掘进机器人都存在不定向掘进、可能会因摩擦不足而失效的问题；英国利兹大学提出的一种小型移动掘进机器人USAR只有前肢划动，没有进行过实验测试；韩国高等科学技术学院提出的一种采用钻头和前肢机构混合的仿鼹鼠掘进机器人系统Mole-Bot存在结构不紧凑、能耗高的问题；日本东京工业大学提出的一种“铲式运动”掘进机器人运动仅限于二维空间。

现有技术公开了一种仿鼹鼠挖掘机器人，包括躯体，安装在躯体前方的左前肢和右前肢，安装在躯体后方的左后肢和右后肢，左前肢和右前肢上分别安装有前肢爪趾，左后肢和右后肢上分别安装有后肢铲斗；该方案中，任一时刻，只有一个前肢工作于挖掘状态，其余三个肢体起支撑作用，机器人可用于水下攻打千斤洞和陆上非开挖施工，但无法满足高硬度的星壤环境的挖掘。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种仿鼹鼠星壤掘进机器人，可适应不同硬度的星壤的挖掘，实现机器人的掘进运动。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种仿鼹鼠星壤掘进机器人，包括躯体，所述躯体的一端的两侧设有用于掘土的前肢机构，所述躯体的另一端的两侧设有用于排土的后肢机构，还包括头部，所述头部包括上颚、下颚、装设于所述躯体的第一驱动组件和第二驱动组件，所述上颚的首端设有若干上门齿，所述下颚的首端设有若干下门齿，所述第一驱动组件与所述上颚的末端连接，所述第二驱动组件与所述下颚的末端连接，所述第一驱动组件和第二驱动组件可分别驱动所述上颚和下颚往复运动使所述上门齿和下门齿咬合破土。

本发明的仿鼹鼠星壤掘进机器人，包括躯体和头部，躯体设有前肢机构和后肢机构，在对星壤进行挖掘时，可利用第一驱动组件和第二驱动组件分别驱动上颚和下颚往复运动，进而使上门齿和下门齿咬合破土，可满足不同硬度的星壤的挖掘，与前肢机构和后肢机构配合实现机器人的定向掘进；且前肢机构可同时进行挖掘，后肢机构将挖掘出的碎土向后排出。本发明集挖掘与推进于一体，结合上颚和下颚的破土机理，可适应于不同硬度的星壤环境的定向掘进。

进一步地，所述第一驱动组件包括第一舵机、第一驱动轮、第一同步带、第一传动轮、第一上连杆和第一下连杆，所述第一舵机装设于所述躯体，所述第一舵机的输出轴与所述第一驱动轮连接，所述第一传动轮通过所述第一同步带与所述第一驱动轮连接，且所述第一传动轮与所述躯体转动连接，所述第一上连杆的一端与所述第一传动轮的外周铰接，所述第一上连杆的另一端与所述上颚末端的顶部铰接，所述第一下连杆的一端与开设于所述第一传动轮的内嵌槽配合，所述第一下连杆的另一端与所述上颚末端的底部铰接，所述上颚末端的两侧与所述躯体铰接。

进一步地，所述第二驱动组件包括第二舵机、第二驱动轮、第二同步带、第二传动轮、第二下连杆，所述第二舵机装设于所述躯体，所述第二舵机的输出轴与所述第二驱动轮连接，所述第二传动轮通过所述第二同步带与所述第二驱动轮连接，且所述第二传动轮与所述躯体转动连接，所述第二下连杆的一端与所述第二传动轮铰接，所述第二下连杆的另一端与所述下颚末端的底部铰接，所述下颚末端的两侧与所述躯体铰接。

进一步地，所述躯体装设有传动支撑杆，所述第一传动轮和第二传动轮分别与所述传动支撑杆转动连接，所述传动支撑杆设有用于将第一传动轮和第二传动轮间隔开的凸环。

进一步地，所述躯体包括胸部、臀部和用于随动转向的腰部，所述腰部连接于所述胸部与所述臀部之间，所述第一驱动组件和第二驱动组件装设于所述胸部内，所述前肢机构设于所述胸部的两侧，所述后肢机构设于所述臀部的两侧。

进一步地，所述前肢机构包括前肢摆转组件和前肢掘进组件，所述前肢摆转组件装设于所述胸部，所述前肢掘进组件与所述前肢摆转组件连接。

进一步地，所述臀部包括臀身和后盖，所述臀身的一端与所述腰部连接，所述臀身的另一端与所述后盖可拆卸连接，所述后肢机构设于所述臀身的两侧。

进一步地，所述后肢机构包括第五舵机、第二支撑杆、第二驱动杆、第一后连杆和第二后连杆，所述第五舵机和第二支撑杆设于所述臀身的两侧，所述第二驱动杆的一端与所述第五舵机的输出轴连接，所述第二驱动杆的另一端与所述第一后连杆铰接，所述第二后连杆的一端与所述第二支撑杆铰接，所述第二后连杆的另一端与所述第一后连杆的中部铰接，所述第一后连杆的另一端设有铲斗。

进一步地，所述臀身内部安装有电源和电路板，所述电源与所述电路板连接，所述电路板与所述第五舵机连接。

进一步地，所述腰部包括第一连接环、第二连接环、软管和若干双节万向节，所述第一连接环的一侧与所述胸部连接，所述第二连接环的一侧与所述臀部连接，所述软管连接于所述第一连接环的另一侧与所述第二连接环的另一侧之间，所述双节万向节的两端分别与所述第一连接环的另一侧和第二连接环的另一侧固定连接。

本发明的仿鼹鼠星壤掘进机器人与背景技术相比，产生的有益效果为：

可集挖掘与推进于一体，结合上颚和下颚的破土机理，可适应于不同硬度的星壤环境的定向掘进。

附图说明

图1为本发明实施例中仿鼹鼠星壤掘进机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例中头部的结构示意图；

图3为本发明实施例中第一传动轮的结构示意图；

图4为本发明实施例中第二传动轮的结构示意图；

图5为本发明实施例中头部与前肢摆转组件的安装示意图；

图6为本发明实施例中臀部的爆炸图；

图7为图1中局部A的放大图；

图8为本发明实施例中腰部的结构示意图。

附图中：1-头部；101-第一舵机；102-第一驱动轮；103-第一传动轮；1031-第一配合轮；1032-第一连接轮；1033-第一凸起；1034-内嵌槽；104-第一同步带；105-第一上连杆；106第一下连杆；107-上颚；108-上门齿；109-第二舵机；110-第二驱动轮；111-第二传动轮；1111-第二配合轮；1112-第二连接轮；1113-第二凸起；112-第二同步带；113-第二下连杆；114-下颚；115-下门齿；116-传动支撑杆；2-胸部；3-前肢机构；31-前肢摆转组件；301-第三舵机；302-驱动连杆；303-第一传动连杆；304-第二传动连杆；305-薄壁圆柱滚子轴承；306-前肢支架；32-前肢掘进组件；4-腰部；41-第一连接环；42-第二连接环；43-软管；44-双节万向节；5-臀部；51-臀身；511-电源；512-电路板；52-后盖；521-支撑柱；6-后肢机构；61-第五舵机；62-第二支撑杆；63-第二驱动杆；64-第一后连杆；65-第二后连杆；66-铲斗。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例一

如图1、图2和图5所示，一种仿鼹鼠星壤掘进机器人，包括躯体，躯体的一端的两侧设有用于掘土的前肢机构3，躯体的另一端的两侧设有用于排土的后肢机构6，还包括头部1，头部1包括上颚107、下颚114、装设于躯体的第一驱动组件和第二驱动组件，上颚107的首端设有若干上门齿108，下颚114的首端设有若干下门齿115，第一驱动组件与上颚107的末端连接，第二驱动组件与下颚114的末端连接，第一驱动组件和第二驱动组件可分别驱动上颚107和下颚114往复运动使上门齿108和下门齿115咬合破土。

上述的仿鼹鼠星壤掘进机器人，包括躯体和头部1，躯体设有前肢机构3和后肢机构6，在对星壤进行挖掘时，可利用第一驱动组件和第二驱动组件分别驱动上颚107和下颚114往复运动，进而使上门齿108和下门齿115咬合破土，可满足不同硬度的星壤的挖掘，与前肢机构3和后肢机构6配合实现机器人的定向掘进；且前肢机构3可同时进行挖掘，后肢机构6将挖掘出的碎土向后排出。本实施例可集挖掘与推进于一体，结合上颚107和下颚114的破土机理，可适应于不同硬度的星壤环境的定向掘进。

如图2至图5所示，第一驱动组件包括第一舵机101、第一驱动轮102、第一同步带104、第一传动轮103、第一上连杆105和第一下连杆106，第一舵机101装设于躯体，第一舵机101的输出轴与第一驱动轮102连接，第一传动轮103通过第一同步带104与第一驱动轮102连接，且第一传动轮103与躯体转动连接，第一上连杆105的一端与第一传动轮103铰接，第一上连杆105的另一端与上颚107末端的顶部铰接，第一下连杆106的一端与开设于第一传动轮103的内嵌槽1034配合，第一下连杆106的另一端与上颚107末端的底部铰接，上颚107末端的两侧与躯体铰接。具体地，如图3、图5所示，第一传动轮103包括同轴连接的第一配合轮1031和第一连接轮1032，第一配合轮1031和第一连接轮1032分别与躯体转动连接，第一配合轮1031与第一驱动轮102通过第一同步带104连接，第一连接轮1032的外周设有第一凸起1033，第一上连杆105的一端与第一凸起1033铰接，内嵌槽1034开设于第一连接轮1032，实施时，第一舵机101驱动第一驱动轮102转动，通过第一同步带104带动第一配合轮1031转动，进而带动第一连接轮1032转动，使第一上连杆105和第一下连杆106运动，带动上颚107绕着上颚107与躯体的铰接位置往复运动，实现上颚107的俯仰。

如图2至图5所示，第二驱动组件包括第二舵机109、第二驱动轮110、第二同步带112、第二传动轮111、第二下连杆113，第二舵机109装设于躯体，第二舵机109的输出轴与第二驱动轮110连接，第二传动轮111通过第二同步带112与第二驱动轮110连接，且第二传动轮111与躯体转动连接，第二下连杆113的一端与第二传动轮111铰接，第二下连杆113的另一端与下颚114末端的底部铰接，下颚114末端的两侧与躯体铰接。具体地，如图4、图5所示，第二传动轮111包括同轴设置的第二配合轮1111和第二连接轮1112，第二配合轮1111和第二连接轮1112分别于躯体转动连接，第二配合轮1111通过第二同步带112与第二驱动轮110连接，第二连接轮1112内设有第二凸起1113，第二下连杆113的一端与第二凸起1113铰接，实施时，第二舵机109驱动第二驱动轮110转动，通过第二同步带112带动第二配合轮1111转动，进而带动第二连接轮1112转动，使第二下连杆113运动，带动下颚114绕着下颚114与躯体的铰接位置往复运动，实现下颚114的俯仰。

如图2所示，躯体装设有传动支撑杆116，第一传动轮103和第二传动轮111分别与传动支撑杆116转动连接，传动支撑杆116设有凸环。安装时，凸环的一侧顺次安装有轴承、第一传动轮103、轴承、卡簧、躯体的一侧及卡簧，凸环的另一侧顺次安装有轴承、第二传动轮111、轴承、卡簧、躯体的另一侧及卡簧，凸环将第一传动轮103和第二传动轮111间隔开，防止第一传动轮103和第二传动轮111的运动发生干涉和摩擦。

实施例二

本实施例与实施例一类似，所不同之处在于，如图1所示，躯体包括胸部2、臀部5和用于随动转向的腰部4，腰部4连接于胸部2与臀部5之间，第一驱动组件和第二驱动组件装设于胸部2内，前肢机构3设于胸部2的两侧，后肢机构6设于臀部5的两侧。实施时，先利用头部1的上门齿108和下门齿115咬合对星壤进行破碎，并利用胸部2两侧的前肢机构3进一步挖掘星壤，再利用臀部5两侧的后肢机构6将挖掘出的星壤排出。

如图1、图5所示，前肢机构3包括前肢摆转组件31和前肢掘进组件32，前肢摆转组件31装设于胸部2，前肢掘进组件32与前肢摆转组件31连接。前肢掘进组件32用于实现掘土，前肢摆转组件31带动前肢掘进组件32摆动，可使前肢掘进组件32前进并将掘出的星壤向后排。

具体地，如图5所示，前肢摆转组件31包括第三舵机301、驱动连杆302、第一传动连杆303、第二传动连杆304和前肢支架306，第三舵机301装设于胸部2，驱动连杆302与第三舵机301的输出轴连接，第一传动连杆303的一端和第二传动连杆304的一端分别穿设于驱动连杆302的两侧，第一传动连杆303的另一端和第二传动连杆304的另一端分别穿设于有前肢支架306，两个前肢支架306分别通过薄壁圆柱滚子轴承305转动连接于胸部2两侧壁，前肢掘进组件32装设于前肢支架306。实施时，前肢掘进组件32对星壤进行挖掘；同时，第三舵机301带动驱动连杆302转动，第一传动连杆303和第二传动连杆304在随着驱动连杆302运动的过程中同时沿着驱动连杆302上下移动，使得第一传动连杆303和第二传动连杆304带动胸部2两侧的前肢支架306转动，进而带动前肢掘进组件32摆动，以将星壤向后排，并配合后肢机构6实现机器人前进。

实施例三

本实施例与实施例二类似，所不同之处在于，如图6所示，臀部5包括臀身51和后盖52，臀身51的一端与腰部4连接，臀身51的另一端与后盖52可拆卸连接，后肢机构6设于臀身51的两侧。

具体地，如图1、图6和图7所示，后肢机构6包括第五舵机61、第二支撑杆62、第二驱动杆63、第一后连杆64和第二后连杆65，第五舵机61和第二支撑杆62设于臀身51的两侧，第二驱动杆63的一端与第五舵机61的输出轴通过配件连接，以实现第二驱动杆63的摆动，第二驱动杆63的另一端与第一后连杆64铰接，第二后连杆65的一端与第二支撑杆62通过长螺栓铰接，第二后连杆65的另一端与第一后连杆64的中部铰接，第一后连杆64的另一端设有铲斗66。实施时，第五舵机61驱动第二驱动杆63转动，且第二后连杆65与第二支撑杆62铰接，第二后连杆65绕着其与第二支撑杆62的铰接位置转动，第一后连杆64及其上的铲斗66在第二驱动杆63和第二后连杆65的作用下运动，实现排土，同时，在前肢机构3的配合下，实现机器人的前进。

如图6所示，臀身51内部安装有电源511和电路板512，电源511与电路板512连接，电路板512与第五舵机61连接。具体地，臀身51的一端与腰部4可拆卸连接，臀身51的另一端设有内螺纹，后盖52的一端设有与所述内螺纹配合的外螺纹，后盖52内设有若干支撑柱521，电路板512可通过支撑柱521连接固定，然后通过旋紧臀身51与后盖52，将电路板512安装入臀身51内，电路板512还可与第一舵机101、第二舵机109和第三舵机301连接。机器人自带电源511，可利用自带的电源511对机器人的所有舵机供电，在无线通讯下实现机器人的掘进运动。

实施例四

本实施例与实施例三类似，所不同之处在于，如图1、图8所示，腰部4包括第一连接环41、第二连接环42、软管43和若干双节万向节44，第一连接环41的一侧与胸部2连接，第二连接环42的一侧与臀部5连接，软管43连接于第一连接环41的另一侧与第二连接环42的另一侧之间，双节万向节44的两端分别与第一连接环41的另一侧和第二连接环42的另一侧固定连接。

具体地，当掘进方向改变时，胸部2与臀部5之间需要形成一定角度，利用双节万向节44即可允许胸部2与臀部5之间形成一定角度，适应实现胸部2与臀部5之间的角度变化，软管43可为PU塑料软管，具有良好的抗拉伸性和耐磨性，可适应机器人在掘进过程中的转弯。

在上述具体实施方式的具体内容中，各技术特征可以进行任意不矛盾的组合，为使描述简洁，未对上述各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。