（机械设计及理论专业论文）穿地龙机器人系列化关键技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 穿地龙机器人是一种可在土中挤压穿孔前进的装置。它由计算机控制， 在地表的一端进入土中，按预定设计的轨迹前进，前进中可以随时改变方向 绕过障碍物或修正偏差，最后，从地表的另一端指定位置穿出。它主要能够 实现p e 或p v c 管、电缆、光缆等管线的地下铺设。穿地龙机器人属特种作 业机器人，在利用非开挖技术进行地下管线铺设方面具有广阔的应用前景。 本论文“穿地龙机器人系列化关键技术研究”是结合黑龙江省科学技术 计划( 攻关) 项目m 穿地龙机器人样机研制”开展的。在前期研究的基 础上，针对穿地龙机器人系列化研制的关键技术问题，主要进行了穿地龙机 器人系列化的设计方案、冲击机构的系列化设计、本体机构的密封、转向机 构、姿态测量等相关问题的研究工作。 论文介绍了国内外气动冲击矛技术和钻孔导向仪的发展现状，并分析了 轨迹可控的气动冲击矛的检测装置的发展现状。 在前期研制的基础上，对穿地龙机器人系列化的设计方案进行了研究， 包括穿地龙机器人总体构成、穿孔作业的特点、检测与控制方案、气压传动 系统的设计等内容，依据压力损失进行了穿地龙机器人穿孔长度的确定，并 对气动冲击机构的充气时间进行了分析，确定出了穿地龙机器人冲击机构系 列的管道直径与冲击机构的内腔直径，为穿地龙机器人系列化的研究提供了 一定的数据。 对穿地龙机器人气动冲击机构的系列化设计进行了研究，通过对穿地龙 机器人气动冲击机构的结构及原理的分析与设计，讨论了冲击机构的配气面 积函数，建立了冲击机构无量纲动力方程，进行了气动冲击机构的相似设计， 得出了穿地龙机器人系列冲击机构主要设计参数，同时进行了穿地龙机器人 转向机构的设计，实现了穿地龙机器人士中穿孔作业的转向，达到了穿地龙 i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 机器人穿孔作业的冲击、转向一体化。 对穿地龙机器人冲击机构的密封进行了研究，分析了o 形圈密封结构与 性能，进行了密封尺寸的确定，深入研究了气动冲击机构的动密封，采用迷 宫式和活塞式密封方式进行了它的动密封设计，有效地阻止了气体的泄漏， 能够使冲击机构在较小的气压( o 4m p a ) 任意的起动并形成稳定的振动， 并保证了活塞稳定振动所需的气量。 最后，以数字罗盘进行穿地龙机器人本体位姿检测的研究，并对穿地龙 机器人样机进行了空载运动、本体位姿测量、转向机构转动、室外实土穿孔 实验，进行了理论的验证。 关键词：非开挖技术；穿地龙机器人；系列化；气体密封；位姿检测 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t d r a g o no fp u n c t u r i n gm u dr o b o ti sak i n do fd e v i c et h a tc a ng oa h e a da n d e x t r u d eh o l ei nt h em u d i ti sc o n t r o l l e db yt h ec o m p u t e rf o l l o w i n gt h es c h e d u l e d l r a c kt oe n t e ri n t ot h em u d ，c h a n g e st h ed i r e c t i o nt oa v o i dt h eo b s t a c l e s ，c o r r e c t s t h ee r r o r sa n dc o m e so u to ft h em u df r o mt h ed e s t i n e ds p o tf i n a l 虹s ou n d e rt h e m u di tc a nm a i n l yu s e dt op a v ep eo rp v cp i p e ，c a b l ea n do p t i c a lf i b e rc a b l e , e t c a so n eo f s p e c i a lt y p ew o r kr o b o t s ，t h ed r a g o no fp u n c t u r i n gm u dr o b o th a sa g r e a tf u t u r ei nt h ea s p e c t so fp a v i n gu n d e r g r o u n dp i p ea d o p t i n gt h en o - d r i l l t e c h n o l o g y t h er e s e a r c hw o r k s 挪s u p p o r t e db y r e s e a r c h0 1 1k e yt e c h n o l o g yo n s e r i e so fd r a g o no fp u n c t u r i n gm u dr o b o t o ft h eh e i l o n g j i a n gs c i e n c e t e c h n o l o g yp r o j e c t - - p r o t o t y p ed e v e l o p m e n to fd r a g o no fp u n c t u r i n gm u d r o b o t i nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h eb a s eo fp r o p h a s er e s e a r c h , t h ep a p e r s t u d i e st h ek e yt e c h n o l o g i e s0 1 1s e r i e sd e v e l o po fd r a g o no fp u n c t u r i n gm u d r o b o t ，i n c l u d i n gt h es c h e m eo fs e r i e sd e s i g no fi t , t h es e r i e sd e s i g no fi m p a c t m a c h i n e , t h ea i r p r o o f o f r e a l i t ym a c h i n e ，t u r n i n gm a c h i n e ，t h ep o s ed e t e c t i n ge r e t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h ed o m e s t i ca n df o r e i g nd e v e l o p i n gs i t u a t i o no f g a s s e si m p a c tm o l e sa n dd r i l l i n gb o r er a d i o - d e t e c t i o n , a n a l y s e st h ed e t e c t i n g d e v i c e sd e v e l o p i n gs i t u a t i o no ft h eg a s s e si m p a c tm o l e sw h o s et a c ec a nb e m n t r o l l e d b yt h eb a s eo fp r o p h a s cr 黜a r c h , t h es c h e m eo fs e r i 髂d e s i g no fd r a g o no f j u n c t u r i n gm u dr o b o ti s s t u d i e d i ti n c l u d e si t sc o l l e c t i v i t yc o n s t i t u t e s ，t h e ：h a r a e t e r i s t i c so fi t sp e r f o r a t i o n , t h es c h e m eo fi t si n s p e c t i n ga n dc o n t r o l ，t h e l e s i g no fa i rp r e s s u r et r a n s m i s s i o ns y s t e me t c t h el e n g t ho fp e r f o r a t i o nf o rt h e i i i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d r a g o no fp u n c t u r i n gm u d r o b o tw a sc a l c u l a t e db yt h el o s so fp r e s s u r e t h e c h a r g e t i m ef o rt h eg a si m p a c tm a c h i n ew l i sa n a l y z e da n dt h ed i a m e t e ro f p i p e l i n ea n di t sl u m e n 璐a s c e r t a i n e d , a n ds o r e d a t af o ri t ss e r i e sw a l tp r o v i d e d t h er e s e a r c hf o rs e r i e sd e s i g no f d r a g o no f p u n c t u r i n gm u d r o b o tw a s p u tu p t h eg a sd i s t r i b u t i o na c r e a g ef u n c t i o no fi m p a c tm a c h i n ew a sd i s c u s s e da n dt h e d i m e n s i o u l e s se q , , 蝌t i o l xo fd r a g o no fp t m e t u r i n gm u dr o b o tg a s e si m p a c t i n g m e c h a n i s mi sd e d u c e dt h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dd e s i g no fi t sm a c h i n e r ya n d p r i n c i p l e t h em o s t l yd e s i g np a r a m e t e ro f i 乜s e r i e si m p a c t i n gm e e h a r t i s mw e f c e d u c e da c c o r d i n gt oi t ss i m i l a r i t yd e s i g n t h et u r n i n gm a c h i n ew f l sd e s i g n e da n d i tc o u l dc a r r yo u ti t st u r n i n gw h e nd r a g o no fp t m e t u r i n gm u d - r o b o tw e r e p e r f o r a t i n ga n dm a k e t h ei m p a c t t u m i n gw o r ka t 伽et i m e t h es e a lo f d r a g o no f p u n e t u r i n gm u dr o b o ti m p a c tm a c h i n ew a ss t u d i e da n d t h ec o n f i g u r a t i o na n dc a p a b i l i t yo f o r i n gs e a lw e r ea n a l y z e d t h ec o m p o s i n go f m o v e m e n ts e a lf o rg a si m p a c tm a c h i n ew a sw o r k e do v e f d e s i g no f i t st r a p e z i u m g r o o v el a b y r i n t hs e a la n dp i s t o nr i n gs e a lw e r ec a r r i e dt h r o u g h a f t e rt h ep r a c t i c e t e s t t h es e a lc 觚p r e v e n tg a sl e a ka v a i l a b l ya n ( 1i m p a c tm a c h i n ei ss t a r t e da n d l i b r a t e ds t e a d i l ya tl o w e rg a sp r e s s u r e ( 0 4m p a ) a n d o f f e r e dt h eg a sf o ri t s v i b r a t i o n a tl a s t , t h ep o s ei n s p e c to fd r a g o no fp u n c t u r i n gm u dr o b o t 啊鹳r e s e a r c h e d b yt h ew e o f n u m e r a lab o xa n dn e e d l e t h ee x p e r i m e n t so f i t sm o v - c m c l l tw i t h o u t l o a d ，t h eb o d yp o s ed e t e c t i n g , t u r n i n gm a c h i n er u n n i n g , p e r f o r a t i o no u t s i d et h e r o o mw md o n ea n dt h et h e o r yw a sv a l i d a t e d i ( e y l m r d s ：n o n - d r i l lt e c h n o l o g y , d r a g o no fp u n c t u r i n gm u dr o b o t , s e r i e s ，g a s s e a l ，p o s ed e t e c t i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确的方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：沙彰年，月f 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源、目的和意义 本课题来源于黑龙江省科技重点攻关项目穿地龙机器人样机研制。 机器人技术是遥控操作( r e m o t em a n i p u l a t i o n ) 技术和机床数控 ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 技术相结合而发展起来的。随着原子能的利用、深海勘探 和航天技术的需要，发展了遥控作业机械手。1 9 4 8 年，美国橡树岭和阿尔贡 国家实验室研制出用于搬运放射性材料的主从型遥控式机械手，它标志着现 代工业机器人研究的开始【1 - 5 1 。 从二十世纪4 0 年代后期到现在，机器人的发展经历了三个阶段，目前已 经进入了智能机器人的发展阶段。其应用范围从工业生产扩展到社会生活的 各个领域，如海洋石油开发、航天、军事、农业生产、建筑、采矿、医疗福 利、服务业等等。其中极限作业机器人是现代机器人研究的一个主要方向【6 嵋】。 机器人代替人类工作，最能发挥作用的场所是对人类有危险的环境，如 有放射性的地方和被污染的环境等。煤矿、深海和太空等极限( 恶劣) 环境 将成为机器人活跃的场所，如用在高层建筑或油田进行灭火救灾的机器人、 用于核反应堆探测和检查的机器人都属于极限作业机器人。1 9 8 2 年日本推出 并执行了极限作业机器人计划( a 瑚队) ，其目的是研制能够在原子能工业、 海洋开发和防险救灾等极限环境作业的机器人。这项计划至1 9 9 0 年1 2 月止， 耗资2 0 0 亿日元，共1 8 个公司、2 个财团法人、两个国立研究机构参加。目 前许多国家都把极限作业机器人的研究列入国家和国际合作计划，并给予强 有力的组织和技术支持，因此极限作业机器人的研究和开发具有重要的战略 意义 6 - 8 。 目前，随着城市的迅速发展，对于地下管线的铺设，从2 0 世纪7 0 年代 哈尔滨工程大学硕士学位论文 起，在西方发达国家中开始推广应用非开挖技术。这项技术可以在少量开挖 地表的条件下探测、检查、修复，更新和铺设管道、线缆等多种地下设施。 与开挖法地下管线施工相比，非开挖法具有不影响交通、不污染环境等优点， 并且在许多情况下比开挖法施工周期短、成本低。因此，它被看作是地下管 线工程施工的一次技术革命，受到了各国政府的重视，非开挖法正以越来越 快的速度，在越来越多的场合取代开挖法地下管线施工。目前，非开挖技术 施工量已占全部管线施工量的1 0 ，个别地区高达4 0 ，已经成为衡量一个 国家地下管线施工科技含量高低的重要标志之一睁”】。 非开挖技术包括定向钻进、冲击矛、微型隧道、水平螺旋钻、夯管锤等 各种非开挖铺管技术以及各种各样的非开挖管道修复及探测技术。在水平定 向钻进技术中，以美国、英国、瑞士、德国等国家为代表，近年来不断开发 了新型钻机，钻孔直径可从 5 0 m m 一1 2 0 0 m m ，铺管长度可达1 5 0 0 m - 2 0 0 0 m 。 在冲击矛技术中，以德国、美国为代表，其中，德国研制的定向气动矛是世 界上第一台能够实现定向钻进的冲击设备。而我国在这方面的发展与世界水 平有一定的差距，以中国地质科学院勘探技术研究所和同济大学为代表，目 前，对于轨迹可控的地下钻孔冲击设备还没有成型产品【1 6 - 2 9 。 为了缩短与世界发达国家技术水平的差距，赶上非开挖先进技术的发展 趋势，研究和开发具有自主知识产权的非开挖技术是非常紧迫和必要的，因 此，进行穿地龙机器人技术基础研究，解决其在土中的运动轨迹与系列化设 计的关键技术是非常必要的，该内容的研究具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 国内外相关领域研究现状综述 对于目前的中、小直径管线的非开挖铺设，主要有水平定向钻进、冲击 矛、水平螺旋钻、夯管锤等技术，其中，水平定向钻机的优点是钻孔精度高， 但结构复杂、安装繁琐、设备价格高；而冲击矛具有价格低，结构简单、安 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 装容易、操作方便等特点，特别适合小直径( 妒3 0 一妒6 0 0 ) m m 、中距离( 4 0 - - 8 0 ) m 的管线施工。因此，本文提出的穿地龙机器人，它的前进采用冲击方式， 转向是通过陆上操作人员发出控制指令信号使得机器人转向机构转过给定的 角度，带动头部转到预定的位置来实现的，这样就使得穿地龙机器人能实现 在土中的穿洞运动，按设计的钻孔轨迹完成穿孔施工作业 3 0 3 。 1 2 1 国内外气动冲击矛研究发展现状 冲击矛是由缸体与冲击活塞等部件组成的装置，依靠冲击活塞的往复运 动输出冲击功实现在土中的穿孔作业，因其外观象矛，故因此得名。它的发 展已有几十年的历史，早在6 0 年代，俄罗斯人就发明了无阀式气动冲击矛， 之后德国的t r a c r o - t e c h n i k 、美国的v e r m e e r 、c a s e 等公司相继开发了类似 产品，在8 0 年代迅速得到发展。 i 2 1 i 国外气动冲击矛发展现状 1 ) 德国t r a c r o - t e c h n i k 公司冲击矛系列 德国t r a c r o - t e c l m i k 公司有1 5 种规格( # 4 5m m 庐1 8 0m m ) 冲击矛， 并可以有效用于非水平孔和直孔作业，如图1 1 所示，它采用气动冲击形式， 可铺设p e 管、p v c 管、钢管及其它管线，管直径从巾3 0 咖由1 5 0i n l l l ， 钻孔长度从2 0 m 7 0 m 。主要性能参数见表1 i 1 3 2 1 。 图1 1 德国t t 公司直径6 5 m i l l 与7 5 m 气动矛 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表1 1 德国t t 公司气动矛系列主要性能参数 钻孔直径适合管径 长度重量 耗气量冲击频率 ( n m )( n u n )( n u n ) ( k g ) ( m 3 m i n )( 次j m i n ) 4 53 89 7 98o 55 7 0 5 54 51 1 0 31 3 5o 65 1 0 + 6 55 01 3 2 3 1 0 2 92 5 1 70 74 7 0 6 4 0 7 56 01 4 4 3 ，1 2 4 33 4 2 8l4 2 0 ，5 2 0 8 57 0 1 5 4 0 1 3 5 04 6 1 4 0 1 13 9 0 4 6 0 9 58 01 7 3 2 1 5 3 26 4 5 71 23 1 5 3 8 0 1 1 09 01 6 8 59 61 62 8 0 2 ) 美国v e r m e e r 公司气动矛系列 美国v e r m e e r 公司有2 1 种型号遁地冲击矛，如图1 2 所示，它采用气动 冲击，其机体坚固、内部设计巧妙且结构简单，冲击力强而无后坐力，同时， 安装、操作和维修非常简单。它的尾部安装快速反向装置，可以控制机器自 动前进或后退。其尺寸大小由直径4 , 4 5m m 面, 5 8 0m m ，可以安装的管线范 围是驴1 3m m 4 , 6 0 0m m ，分别可用于铺设p v c 管、h d p e ( m n p e ) 管、 铸铁管或钢管等不同材质的管线。主要性能指标见表1 2 1 3 3 1 。 图1 2 美国v e r m e e r 公司冲击矛系列 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表1 2 美国桩跚公司冲击矛主要性能指标 钻孔直径长度重量耗气量工作压力冲击频率 ( n a n )( n n n )( k g ) ( m 3 m i n ) ( m p a ) ( ； x r a i n ) 4 58 8 98o 5o 75 4 5 5 01 1 2 2 1 1o 60 75 2 0 6 51 2 0 72 30 90 73 8 5 7 51 3 9 13 10 9 o 74 8 0 1 0 01 5 4 36 2l - 9o 73 7 0 1 4 5 1 8 0 91 3 8 3 7o 73 0 0 1 8 01 9 5 62 3 26 7o 72 9 5 3 0 02 3 1 47 1 11 70 72 5 6 5 8 0 3 3 5 3 4 2 3 7 4 8 o 71 7 7 3 ) 美国c a s e 公司冲击矛系列 美国c a s e 公司冲击矛系列，规格从直径, , 5 4 m m b 2 6 7n l l n ，见图1 3 ， 特点是外壳整体式后扩孔设计，依靠气动矛尾端固有的锥型扩孔体，通过成 孔直径的逐渐增大，用较小质量的设备一次形成一个较大的孔洞。它无需另 外配备专门的扩孔器，节省配置，减少施工布置，提高工作效率，主要性能 指标见表l 。3 p 4 l 。 图1 , 3 美国c a s e 公司气动矛 4 ) 美国s u l l a i r 公司制造的气动工具系列，如s k l 0 风镐、l v l g 2 1 9 气 动混凝土破碎锤、a m 系列气动混凝土振捣器等可有效完成坚硬表面的钻孔、 切割、捣固等工作。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表1 3 美国c a s e 公司气动矛主要性能参数 直径 长度重量工作压力耗气量气管直径冲击频率 ( 1 m n ) ( n u n ) ( k g )( m p a ) ( m 3 m i n )( r n m ) ( s r a i n ) 5 4 1 0 1 01 2 70 6o 61 2 75 3 5 7 61 3 6 03 3o 61 12 04 0 0 9 81 5 7 05 7o 61 72 54 0 0 1 0 31 5 7 06 30 6 1 72 5 4 0 0 1 2 71 5 7 0 6 5o 61 72 54 0 0 1 3 0 1 4 4 08 8o 64 02 53 7 0 1 5 21 7 3 01 4 1o 66 83 84 0 0 1 7 81 4 4 01 1 2o 64 o2 53 7 5 2 0 31 7 3 01 5 5o 66 。8 3 84 0 0 1 2 1 2 国内气动冲击矛发展现状 我国是在7 0 年代末左右开始进行气动冲击矛的研制工作的，主要有北京 科技大学、同济大学、东北大学、吉林大学、地质科学院勘探技术研究所等 科研机构，主要研究成果如下。 1 ) 中国地质科学院勘探技术研究所生产的m 系列冲击矛 如图i 4 ( a ) 所示，气动矛俗称地老鼠或地下火箭，其结构非常简单， 由钢质外套( 矛体) 、活塞和配气装置组成。气动矛在压缩空气作用下，矛体 内的活塞作往复运动，不断冲击矛头，矛头在土层中挤压周围土体，形成钻 孔并带动矛体前进。特点是设备简单，操作方便，投资少；可铺设p e 管、 f v c 管和钢管，- 图1 4 ( b ) 为m 系列冲击矛施工照片。 图1 , 4m 系列气动矛动矛 6 ( b ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 特点是形成孔洞后可以直接将待铺管线拉入，适用于短距离( 3 0 m 以内) 、 小直径管线的穿越铺设，适合在狭小空间内施工，但缺点是方向不可控。 2 ) 中国地质科学院勘探技术研究所生产的h 系列夯管锤 1 9 9 4 年在国内率先研制并推出h 系列夯管锤( 直径妒1 1 0 哪 4 2 0 咖， 共6 种规格) 。它机构紧凑、工作效率高、操作简便，该技术产品于1 9 9 9 年 获得国家知识产权局授予的专利权( 专利号为z l 9 8 2 0 3 7 7 4 0 ) ，如图l5 所示。 图1 5 h 系列气动夯管锤 特点是夯管锤铺管管径范围较大，直径 2 0 0 2 0 0 0 m m 均可，视地层和 夯管锤的不同，一次性铺管长度达1 0 8 0 m 。夯管锤铺管对地层适应性较强， 可在任何土层中使用，无论是含砾石土层，还是含水土层均能顺利地夯入管 道，而且铺管速度较快，一般夯速为6 8 m h ，快时可达1 5 2 0 m h ，施工 成本低，设备简单，投资少，操作、维护方便。不足是：夯管锤铺管只能用 于铺设钢管，钢管间的联接由现场焊接来完成，一般是夯入一段，焊接一段。 3 ) 同济大学研制的d h 系列气动穿孔机可实现地下水平孔的穿越，适用于 铺设直径4 5 1 5 0 0 嘲、距离2 0 8 0m 的管线。它采用气动矛冲击形式， 在穿孔过程中不能自动修正前进轨迹，只能完成直线施工，施工时靠目标坑 的标杆与工作坑的瞄准器实现初始冲击定位。具体性能参数如表1 4 所示【l 9 3 6 1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表1 4d h 型气动矛性能参数 直径重量长度冲击功冲击频率耗气量使用压力 型号 ( n m ) ( k g ) ( i i i m )( n m )( 次枷n )( m 3 m i l l )( m p a ) d h 6 0 6 0 1 81 1 3 45 04 6 0 5 0 0o 3 旬4 0 6 - - 0 7 d h 7 07 02 71 2 8 06 83 5 0 - 4 5 0o 70 6 旬7 d h 9 59 56 11 5 8 01 5 03 5 m 4 5 0o 90 6 - - 0 7 d h 3 6 03 6 01 4 6 52 7 5 0 4 5 0 0 1 8 0 1 9 0 2 5 0 ，6 n 7 d h 5 1 05 1 03 3 9 53 3 0 01 1 0 0 0 1 5 0 1 9 0 2 9 3 30 6 - - 0 7 d h 6 0 06 0 05 9 0 04 0 0 02 0 0 0 0 1 4 0 - - 1 8 04 5 5 0 0 6 - 0 7 1 2 1 3 国内外轨迹可控定向冲击矛发展与研究现状 1 ) 瑞士t e r r a 公司新近推出的直径大于4 , 8 0 i b m 的冲击矛，如图1 4 所 示t e r r a 一 a 删职气动矛在起始架里，它准备穿越到目标坑里，同时将p e 管拉过去。由气压推动的t e r r a - h a m m e r 气动矛可以穿越公路，铁路和花园等。 操作快捷准确，可铺设煤气、自来水、下水道、电力及电缆等管道，铺设直 径为妒4 5 2 4 5 m m 。特点是：矛头内可放置能示踪的发射装置( t u 0 8 0 p l f i s s 型) ，可以实现冲击矛方向可控。 图1 4 瑞士t e r r a - h a m m e r 2 ) 德国t t 公司于2 0 0 0 年推出了直径庐7 5n i l 3 1 的定向气动矛，它的转 向工作原理如图1 5 所示，借助于标准的导向仪引导定向矛的方向，传感器 置于气动矛前腔室内，给显示器提供其倾角及转动信息，而地面上的手动定 位装置可精确跟踪气动矛的倾角和深度位置，通过操作人员转动地面上的导 向管来实现定向钻进。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 5t t 公司毋7 51 1 1 1 1 1 定向气动矛转向工作原理 1 空压机与控制柜2 导向管支架3 导向管4 进土可调支架 5 冲击本体6 测试碳棒7 转向机构8 锥形头部 3 ) 德国制造厂商e s s 噜公司推出了一种可控导向冲击矛，为c m 9 8 z 型， 适用于孔距2 0 到5 0 m 。冲击矛后端装有一探测器，用来连续不断地发出倾斜 角、滚动角和孔深的数据。在钻具前端有一斜面锤砧，可使钻进方向按需要 改正。有两种类型：人工操纵型和机械操纵型。人工操纵型以转动钻杆来安 置斜面锤砧，钻杆拧入冲击矛后端，是操作装置的一个部分。机构操纵型有 一连接钻杆螺纹接头的液压式推动回转装置，也是用来转动冲击矛改正方 向的 4 ) 近年来，同济大学又在进行s d h 轨迹可控气动穿孔机的研究，目的是 要达到自行修正前进轨迹完成管线的曲线施工，它通过对土的力学特性分析， 得出了穿孔轨迹与地层、钻头的关系，设计了特殊机构的双稳头钻头，依靠 挠性杆的旋转使得双稳头处于非对称斜面位置，造成双稳头在垂直于运动方 向的平面上受到不平衡阻力，使其作曲线运动；同时，设计了导向控制系统， 在机体内安置传感器，通过传感器的几个角度参数的测定，可以在地面时刻 掌握穿孔机在地下的方位和姿态位置。目前处于理论研究与实验阶段嘶饕1 。 5 ) 吉林大学的殷琨等人对可控冲击矛的可控机构与轨迹变化进行了研 究，通过改变冲击矛钻头的方向，使钻头轴线与冲击器轴线存在一定夹角实 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 现钻进方向可控，他们通过模拟试验，获得了大量数据，利用计算机采用最 d - - 乘法对各数据点进行拟合处理，得出了以下冲击矛钻进轨迹和轨迹偏移 的规律3 7 删。 6 ) 东北大学的戚靖翔等通过对无量纲运动微分方程的分析，得出了冲击 配气机构的相似设计准则，指出对于不同规格的配气机构，只要它们的系统 物理参数使所确定的无量纲数值不变，并有相同的配气长度比的所有系统都 是动力相似系统，另外，对单质体气动自激振动系统平衡状态的稳定性进行 了研究，建立了单质体气动自激振动系统的运动微分方程式，建立了单质体 气动自激振动系统的运动微分方程式，用首次近似稳定性理论研究系统平衡 状态的稳定性，得到了稳定参数条件及参数稳定域油圳。 。 1 2 2 国内外钻孔导向仪发展状况 随着非开挖技术的发展，非开挖施工中钻头轨迹的检测技术也在不断提 高。钻孔导向仪就是地下管线非开挖铺设而进行钻孔控制的一种完整的信息 系统，它包括一个智能型的探头和手提定位仪以及可选的远距离监视设备。 该设备主要应用在水平定向钻机进行非开挖施工中。 国外从事钻孔导向仪的专业生产厂家主要包括英国的雷迪公司( r a d i o d e t e c t i o n ) 、美国的威猛公司( v 萌f i 砷和沟神公司( d i t c h w i t c h ) 等。 1 ) 英国雷迪公司的r d 3 8 5 定向钻进导向仪 r d 3 8 5 定向钻进导向仪是非开挖行业的一套完备的信息系统。在钻进之 前，其管线探测功能可以对各种地下设施进行定位，从而可以规划一条安全 的钻进轨迹。在钻进过程中，r d 3 8 5 可以提供钻头的位置、方向和深度等数 据，从而保证钻进沿着预定的轨迹顺利进行。r d 3 8 5 系统可以为操作者提供 连续的钻头转角和倾角指示。r d 3 8 5 定向钻进导向仪主要包括接收机、数据 监视器和数据探头等，如图1 6 所示“叮。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 5r d 3 8 5 定向钻进导向仪基本组件 接收机：手持式接收机能接受到来自数据探头的各种信息，包括探头 的转角、倾角、深度、位置、电池状况以及温度等，它也可以作为管线定位 仪使用。 数据显示器：能接受来自接收机的转角、倾角和深度等各种信息。该 监视器安装在钻机处，为钻机的操纵提供信息。 数据探头：其安装在钻头的前端，其中包括测量倾角、转角、探头温 度以及电池状况的传感器。 r d 3 8 5 定向钻进导向仪工作过程如图1 6 ，主要技术参数如下： 深度范围：长距离数据探头1 6 m + 5 ；短距离数据探头4 m 5 ； 定位精度：深度的5 ： 工作温度：一2 0 。c 5 0 。c ； 电池：l r 6 ( a a ) 碱性电池，寿命3 0 小时； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 6 r d 3 8 5 守向钻讲导向仪工作过秤筒图 2 ) 美国的威猛公司和沟神公司的定向钻进导向仪 美国的威猛公司和沟神公司生产的定向钻进导向仪性能与英国雷迪公司 的r d 3 8 5 定向钻进导向仪基本相同，沟神公司的定向钻进导向仪还包括钻孔 资料处理系统，如图1 7 所示嗍。 圈1 7 钻孔谘料奄卜弹秉统 钻孔资料处理系统的主要功能包括：快速显示各类钻杆弯曲半径的数据 以备参考；记录下每次加接钻杆时的钻头位置及相关数据，包括钻杆根数、 深度位置、左右偏角、钻头转向角、倾角、探头温度：电池状态、日期和时 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 闻；并可在此基础上进行钻孔轨迹设计。 国外的定向钻进导向仪价格很高，而且技术保密；为了在国内开发和推 广非开挖铺设地下管线新技术，国内的一些研究所和高校也在从事导向仪的 开发和研究工作。 河北地矿局在1 9 9 5 年立项，进行g t - i 型导向孔无线导向仪的研究，该 仪器主要包括孔内仪器、地面探测仪和钻场监视器3 部分组成，其主要功能 包括探测钻孔的深度、监测钻头的倾角和向钻场监视器发送测量数据等功能； 其工作原理是通过孔内仪器发射电磁波，根据电磁场的空间分布和衰减规律， 由地面探测仪进行探测。但其缺点是孔内仪器( 也称为数据探头) 不能工作 在冲击钻孔设备中。同济大学也进行了导向仪的相关科研工作，但没有相关 产品的报道。 1 3 论文研究的主要内容 穿地龙机器人是极限作业机器人领域的新生事物，是特种作业机器人的 新成员，本文在黑龙江省科学技术计划( 攻关) 的资助下，将穿地龙机器人 系列化与其密封、检测技术作为一个复杂的系统进行深入研究，力图在穿地 龙机器人所涉及的技术方面有所突破。 本文的主要研究内容包括以下四个方面： 1 在前期研制的基础上，对穿地龙机器人系列化的设计方案进行研究， 包括穿地龙机器人总体构成、穿孔作业的特点、检测与控制方案、气压传动 系统的设计，同时，进行穿地龙机器人穿孔长度的确定，分析气动冲击机构 的充气时间的影响，并根据充气时间确定穿地龙机器人冲击机构系列的管道 直径与冲击机构的内腔直径。 2 对穿地龙机器人气动冲击机构的结构及原理进行分析与设计，讨论冲 击机构的配气面积函数，研究冲击机构无量纲动力方程，进行气动冲击机构 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的相似设计，确定出穿地龙机器人系列冲击机构主要设计参数，并进行穿地 龙机器人转向机构的设计； 3 对穿地龙机器人的冲击机构密封进行研究，分析0 形圈密封结构与 性能，进行穿地龙机器人的冲击机构静密封尺寸的确定，设计出气动冲击机 构的动密封，达到有效地阻止气体的泄漏，保证活塞稳定振动所需气量的目 的： 4 采用数字罗盘进行穿地龙机器人本体位姿检测的研究，并对穿地龙机 器人样机进行相关的实验进行理论的验证与修正。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章穿地龙机器人系列化设计方案研究 2 1 引言 穿地龙机器人是一种依靠气动冲击做功，克服土壤变形能在土中前进挤 压成孔的装置。它的穿孔作业过程是：由计算机控制，在地表的一端进入土 中，按预定设计的轨迹前进，前进中可以随时改变方向绕过障碍物或修正偏 差，最后，从地表的另一端指定位置穿出，主要能够实现p e 或p v c 管、电 缆、光缆等小直径管线( 直径一 2 5 0 m m ) 的地下非开挖铺设。穿地龙机器人 穿出孔洞的大小等于或略大于其本体外径，所铺设的管线也与其本体外径相 对应，因而，当铺设不同直径的管线时，就需要不同外径的穿地龙机器人。 2 2 穿地龙机器人系列化设计方案m 剐 穿地龙机器人本体系列化的规格及主要设计技术指标为： 穿地龙机器人本体外径系列尺寸：4 , 4 5 、毋6 0 、4 , 7 5 、西9 5 、妒1 1 0 、 q b l 3 0 、4 , 1 5 0 、妒2 5 0 m m ； 地下穿管线直径：4 , 2 5 0m m 以内； 地下穿管线长度： 9 5 r a m 自动调节) ，使得本 体回退，将土中的钻头退出，处于空载状态；之后，由控制系统控制转向 机构产生旋转运动，使得锥形钻头在空载状态下转动，获得不同的转角， 这样，机器人将沿着锥形钻头偏转的方向前进，也就实现了曲线运动： 测试部件测试穿地龙机器人本体姿态数据，反馈给控制系统，根据 实际运行轨迹与规划轨迹的偏差，调整机器人锥形钻头的转角，修正前进 路径； 当从地表的另一端出土后，拆下穿地龙机器人本体，换上欲铺设的 管线，反拉或正拉管线，完成一条管线的铺设。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 l 雕形钻头2 转向机构3 测试部件4 冲击机构5 供气管与电缆6 入土 支架7 气动组件8 空压机9 微机操作控制系统 图2 1 穿地龙机器人总体构成 2 2 2 穿地龙机器人穿孔作业的特点 采用气动方式进行驱动。穿孔前进原理是冲击活塞以一定的速度和 频率撞击缸体头部，活塞的动能转换成冲击能，形成较大的冲击力，此力可 以克服土壤的阻力，这样，冲击头部可在土层中挤压周围土层形成孔洞并带 动冲击机构前进；穿孔转向原理通过换向阀向气缸供气，推动缸内活塞往复 动作，通过离合器的咬合与分离产生旋转运动，使得锥形钻头具有不同的旋 转角，此时，机器人将沿钻头偏转的方向前进。 穿地龙机器人前进的冲击力与转动力均产生于机器人的本体上，实 现了机器人在土壤中的自行穿孔运动，当本体直径 9 5 r a m 以上的样机，配 气机构为自动控制，提高了运动的灵活性 穿地龙机器人的转动由转向机构实现，将扭矩的产生移至穿地龙机 器人本体上，省去了现国内外普遍采用的需将扭矩由地上传递至钻头的钻 杆，导气管或挠性杆，因而，结构简单，操作方便。 穿孔过程采用计算机控制，测试系统采用有线串口通讯方式，通过 机器人在土中的前进距离、姿态等传感器实时解算出机器人在土中的位姿。 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 与国内外现装置比，机器人仅带动供气管、电缆，故拖动负载小， 而且配套机具少、安装运输方便、施工成本低。 2 2 3 穿地龙机器人检测与控制方案 穿地龙机器人的控制系统采用两级结构：上位机采用p c 机，下位机采 用8 0 ( 2 5 1 单片机。上、下位机均放在陆地上，直径 9 5 m m 以上的机器人本 体，其驱动器、电磁阀等部件可放置在本体中，减少拖动载荷。上位机负责 向下位机发布控制命令，采集机器人的位置、姿态和冲击过程数据，通过人 机交互接口实时显示机器人的状态数据和修改控制命令。下位机系统负责采 集来自数据探头、光电码盘和压力、温度传感器的信号，将这些信号进行处 理后发送给上位机，并接收来自上位机的控制命令，通过电磁阀来控制机器 入完成相应的动作。检测及控制框图如图2 2 所示。 为了保证穿