一种仿蛇形机器人及基于仿蛇形机器人的洞穴探测方法

1.本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种仿蛇形机器人及基于仿蛇形机器人的洞穴探测方法。


背景技术：

2.机器人在各个场合中的需求日益增长,如在地震区域的残骸中搜寻幸存者，在各工业工厂的管道中检查危险气体的泄漏，在隧道内的火灾现场完成救火以及深部地下空间的探测分析等。传统的机器人受限于自身的构型，无法在复杂环境中进行探索任务。相较于传统的机器人，蛇形机器人是一种多自由度连续体机器人，具有更加细长的机体及更高的自由度，蛇形机器人是根据生物身体结构和运动特点，汲取自然界生物例如蛇，章鱼触须等生物的优点设计出的机器人。因其具有自然界生物蛇的脊椎结构，拥有很强的机器人构型维持能力、抵抗外界扰动能力，同时机器人可以进行较多形式的运动，故具有较为灵活的运动能力和较强的环境适应能力。这种结构性能使得其能够在高度受限的空间或多障碍物环境中得到很好的应用，比如在仅仅可通过钻探勘察井中进行深部地下空间探测。
3.然而，高冗余自由度为蛇形机器人带来较高的灵巧性和方便性(比如灵活地在洞穴里进行多角度转向探测分析)的同时，也使蛇形机器人的运动控制和定位问题变得非常复杂。此外，由于洞穴/地下空间高温高压环境的复杂性、未知性和不可见性，导致蛇形机器人在进入套管下井指定位置区域后，根本无法进行自身的定位和稳定高效地开展周界环境探测分析的任务。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种仿蛇形机器人，解决现有技术中在复杂的管套、下井或洞穴环境中，机器人难以进入并进行自身定位以及稳定高效开展周边环境探测任务的技术问题。
5.为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：
6.第一方面，本发明提供了一种仿蛇形机器人，包括：多个主体装置、多个转向装置、动力驱动装置和远程控制装置；其中：
7.所述多个主体装置与多个转向装置交错分布，且每一所述转向装置的首尾两端均可转动的连接一个所述主体装置，构成机器人的蛇形主体；
8.所述动力驱动装置，与所述远程控制装置通信连接，用于接收所述远程控制装置发送的运动指令，并根据所述运动指令控制所述蛇形主体运动；
9.所述远程控制装置，与所述蛇形主体通信连接，用于发送数据采集指令至所述蛇形主体，控制所述蛇形主体进行环境探测，并接收所述蛇形主体返回的环境探测数据。
10.在一些实施例中，还包括通信控制装置，所述通信控制装置用于所述蛇形主体与所述远程控制装置之间建立通信连接；
11.所述通信控制装置包括实时通信控制模块、通信数据备份模块和光纤；
12.所述光纤沿所述蛇形主体的长度方向分布且与多个所述主体装置连接；
13.所述实时通信控制模块，用于通过所述光纤获取所述多个主体装置发送的环境探测数据；
14.所述通信数据备份模块，与所述实时通信控制模块通信连接，用于存储所述环境探测数据。
15.在一些实施例中，所述动力驱动装置包括气源辅助模块、游动控制模块和气管；
16.所述气源辅助模块，与所述远程控制装置通信连接，用于基于所述远程控制装置发送的运动指令提供气动力源；
17.所述游动控制模块，用于根据所述运动指令控制所述气管的喷气量和喷气方向；
18.所述气管包括主管路和多个气管支管，所述多个气管支管沿着所述主管路的长度方向分布且与所述主管路连通，所述主管路的一端与所述气源辅助模块连通，所述主管路沿所述蛇形主体的长度方向分布，且各所述气管支管与对应的主体装置连通。
19.在一些实施例中，所述游动控制模块包括第一高压出气口、第二高压出气口、第三高压出气口、姿态调整控制单元和制动单元；
20.所述第一高压出气口、所述第二高压出气口和第三高压出气口的出气方向呈环状分布，所述第一高压出气口、所述第二高压出气口和所述第三高压出气口均通过对应的所述气管支管与所述主管路连通；
21.所述姿态调整控制单元，用于基于所述运动指令控制所述第一高压出气口、第二高压出气口和第三高压出气口的出气量；
22.所述制动单元，用于基于所述运动指令控制所述气管的启闭。
23.在一些实施例中，所述仿蛇形机器人还包括尾部数据转存装置、声波探测定位装置、声呐探测装置和声波成像探测装置，所述尾部数据转存装置、声波探测定位装置、声呐探测装置和声波成像探测装置依次通信连接且均与所述光纤连接；
24.所述尾部数据转存装置与所述远程控制装置通信连接，用于基于所述数据采集指令对所述探测数据进行滤波、降噪以及将所述探测数据由电信号转换为数字信号并保存；
25.所述声波探测定位装置，用于基于所述数据采集指令探测洞穴周围环境的声波数据；
26.所述声呐探测装置，用于基于所述数据采集指令探测洞穴周围环境的声呐数据；
27.所述声波成像探测装置，用于基于所述数据采集指令通过声波成像探头获得探测洞穴周围环境图像。
28.在一些实施例中，所述通信控制装置、尾部数据转存装置、声波探测定位装置、声波成像探测装置、声呐探测装置和游动控制模块分别搭载于不同的主体装置。
29.在一些实施例中，所述尾部数据转存装置包括供电模块、通信控制与信号处理模块和光电转化模块，所述供电模块、通信控制与信号处理模块和光电转化模块均与所述光纤连接；
30.所述供电模块与所述远程控制装置和通信控制与信号处理模块通信连接，用于基于所述数据采集指令对所述通信控制与信号处理模块提供电能；
31.所述通信控制与信号处理模块与所述远程控制装置连接，用于基于所述数据采集指令对所述探测数据进行滤波和降噪；
32.所述光电转换模块连接与所述远程控制装置，用于基于所述数据采集指令将所述探测数据由电信号转换为数字信号。
33.在一些实施例中，所述声波探测定位装置包括至少三个声波传感器和声波探测控制模块，所述至少三个声波传感器均与所述声波探测控制模块通信连接，所述至少三个声波传感器绕其搭载的所述主体装置的周向分布，所述声波探测控制模块与所述远程控制装置连接用于基于所述数据采集指令控制所述声波传感器的启闭。
34.在一些实施例中，所述声波成像探测装置包括探头、声波成像探测控制模块和图像数据处理模块；
35.所述探头安装于对应的所述主体装置的端部并与所述声波成像探测控制模块通信连接，用于采集图像信息并将采集的图像信息传输至所述声波成像探测控制模块；
36.所述声波成像探测控制模块与所述远程控制装置通信连接，用于基于所述数据采集指令控制所述探头的工作状态；
37.所述图像数据处理模块与所述声波成像探测控制模块通信连接，用于对所述图像信息进行滤波和放大处理并将处理后的结果通过所述光纤传输至所述通信控制装置。
38.第二方面，本发明还提供了一种基于仿蛇形机器人的洞穴探测方法，应用于上述任一项所述的仿蛇形机器人，所述方法包括：
39.基于所述光纤和所述气管的牵引，将所述仿蛇形机器人下放至待检测的洞穴；
40.采用所述声波探测定位装置获取洞穴周围环境的声波数据，并根据所述通信控制装置和所述尾部数据转存装置对所述声波数据进行滤波、放大和数电转换，获得所述仿蛇形机器人自身的定位信息、所述光纤的长度信息和所述气管的长度信息；
41.基于所述定位信息，采用声波成像探测装置获取周围环境图像；
42.通过远程控制装置控制所述动力驱动装置驱动所述仿蛇形机器人运动；
43.根据所述周围环境图像、所述光纤长度信息和所述气管长度信息，通过所述声呐探测装置对周围环境进行探测，获得周围环境信息；
44.根据所述周围环境信息，获得洞穴的腔体形状和岩穴腔体库容。
45.与现有技术相比，本发明提供的一种仿蛇形机器人及基于仿蛇形机器人的洞穴探测方法，通过多个转向装置将主体装置连接而构成蛇形机器人的主体结构，转向装置与主体装置交错分布能够满足蛇形机器人在复杂的洞穴环境的运动条件，同时采用远程控制装置与动力驱动装置通信连接驱动蛇形主体在洞穴中运动并探测洞穴周围环境获得探测数据，并将蛇形主体采集的探测数据传输至远程控制装置进行分析和处理获得洞穴的内部环境，实现了利用蛇形机器人对洞穴环境进行探测的任务。
附图说明
46.图1是本发明提供的仿蛇形机器人的一实施例的结构图；
47.图2是本发明提供的仿蛇形机器人中，通信控制装置一实施例的示意图；
48.图3是本发明提供的仿蛇形机器人中，动力驱动装置的一实施例的示意图；
49.图4是本发明提供的仿蛇形机器人中，气源辅助模块一实施例的示意图；
50.图5是本发明提供的仿蛇形机器人中，游动控制模块一实施例的示意图；
51.图6是本发明提供的仿蛇形机器人中，高压出气口立体分布和平面分布的一实施
例的示意图；
52.图7是本发明提供的仿蛇形机器人中，尾部数据转存装置一实施例的示意图；
53.图8是本发明提供的基于仿蛇形机器人的洞穴探测方法的一实施例的流程图。
具体实施方式
54.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
55.针对难度最大的洞穴复杂探测环境，结合现有技术的局限性，采用气电联合制动的蛇形机器人，并结合仿生学和人工智能等相关技术，提出一种洞穴探测蛇形仿生机器人。蛇形仿生机器人地下部分整体采用多节虫结构和仿生蛇外形，并采用仿生学和机器学习模型来实现地下多个主体装置的制动。由于该机器人首要面对的是深部复杂且未知的地下洞穴，并且是通过钻井套管进出，故该机器人进去空间受限。因此，在钻机和井筒套管的牵引下下井到指定区域，通过气管与光纤组成的复合软管进行连接制动和探测分析。气管用来提供蛇形机器人的前进推动力、基础定位动力、姿态调整动力和其他辅助动力；光纤通过各自的光电转化装置来实现地面、地下的实时通讯、信号控制和探测数据的快速转存；并通过自身携带的蓄电池来调控多个气管出口和每个节体模组的控制中心进行姿态调整和传感器探测分析。在与多个探测传感器探测数据的交换过程中，不断实现蛇形机器人本身的姿态调整和探测数据的保存与上传至地面显示存储。洞穴蛇形仿生机器人利用相对成熟的多个基础性声光电小模块，在较低成本的情况下，实现了洞穴周界环境的探索感知和边界信号的探测分析与存储，为高温高压复杂地下空间环境下的洞穴探测提供了一种良好的探测感知途径。
56.本发明实施例提供一种仿蛇形机器人，请参阅图1，包括：多个主体装置1、多个转向装置2、动力驱动装置3和远程控制装置4；其中：
57.所述多个主体装置1与多个转向装置2交错分布，且每一所述转向装置2的首尾两端均可转动的连接一个所述主体装置1，构成机器人的蛇形主体；
58.所述动力驱动装置3，与所述远程控制装置4通信连接，用于接收所述远程控制装置4发送的运动指令，并根据所述运动指令控制所述蛇形主体运动；
59.所述远程控制装置4，与所述蛇形主体通信连接，用于发送数据采集指令至所述蛇形主体，控制所述蛇形主体进行环境探测，并接收所述蛇形主体返回的环境探测数据。
60.在本实施例中，通过多个转向装置将主体装置连接而构成蛇形机器人的主体结构，转向装置与主体装置交错分布能够满足蛇形机器人在复杂的洞穴环境的运动条件，同时采用远程控制装置与动力驱动装置通信连接驱动蛇形主体在洞穴中运动并探测洞穴周围环境获得探测数据，并将蛇形主体采集的探测数据传输至远程控制装置进行分析和处理获得洞穴的内部环境，实现了利用蛇形机器人对洞穴环境进行探测的任务。
61.需要说明的是，转向装置2为可实现连接于其两端的主体装置1的相对位置发生改变，具体的，转向装置2可为球铰结构、万向轮结构、万向联轴器和万向卡轮，其中于本实施例中，转向装置2为万向卡轮结构，万向卡轮的两端分别连接于相邻的两个主体装置1。
62.需要说明的是，蛇形机器人由多个主体装置1组成，每个都相对独立控制，并且可
拆卸可替换，互相不影响。可根据实际探测工程的需要，蛇形机器人的每个主体装置1可增加，也可减少。整体结构相对简单，控制方便，并且成本相对较低。如果整个蛇形机器人成本不高，每次深部洞穴探测可以考虑将地下多个主体装置1设计为一次性的，即使用过后即可废弃。主体装置1的形状和尺寸决定了仿蛇形机器人的外形和尺寸，其中于本实施例中，主体装置1的为圆柱状，其直径大小可根据实际钻井勘探工程的需要进而适当调整，调整的依据是为了方便仿蛇形机器人进出深部地下洞穴或钻井套管及其深部空间进行探测分析。在一个具体的实施例中，为了方便蛇形机器人进出钻孔直径120mm左右的井筒套管，单个主体装置1近似为圆柱体后的柱面直径大小不超过110mm；由于单个主体装置1越长其运动控制越不灵活，为了方便仿蛇形机器人的运动控制，单个主体装置1的外观长度/高度尽量控制在300mm以内。
63.进一步的，单个主体装置1内部密封的控制电路单元以及外围覆盖着防水防腐胶。
64.在一些实施例中，请参阅图2，还包括通信控制装置5，所述通信控制装置5用于所述蛇形主体a与所述远程控制装置4之间建立通信连接；
65.所述通信控制装置5包括实时通信控制模块51、通信数据备份模块52和光纤53；
66.所述光纤53沿所述蛇形主体a的长度方向分布且与多个所述主体装置1连接；
67.所述实时通信控制模块51，用于通过所述光纤53获取所述多个主体装置1发送的环境探测数据；
68.所述通信数据备份模块52，与所述实时通信控制模块51通信连接，用于存储所述环境探测数据。
69.在本实施例中，通信控制装置5用于整个系统的数据传输和信号传递，通信控制装置5还携带有备用蓄电池，备用蓄电池与实时通信控制模块51和通信数据备份模块52电连接，实时通信控制模块51用于控制光纤53所传递的信号的提取或发布，从而将有效的探测数据传递至远程控制装置4。
70.需要说明的是，光纤作为信号传递的载体，在深部洞穴中具备传输稳定性，同时在仿蛇形机器人深入至洞穴时能起到牵引的作用。光纤串联着远程控制装置4、动力驱动装置3以及多个主体装置1。
71.在一些实施例中，请参阅图3和图4，所述动力驱动装置3包括气源辅助模块31、游动控制模块32和气管33；
72.所述气源辅助模块31，与所述远程控制装置4通信连接，用于基于所述远程控制装置4发送的运动指令提供气动力源；
73.所述游动控制模块32，用于根据所述运动指令控制所述气管33的喷气量和喷气方向；
74.所述气管33包括主管路和多个气管支管，所述多个气管支管沿着所述主管路的长度方向分布且与所述主管路连通，所述主管路的一端与所述气源辅助模块31连通，所述主管路沿所述蛇形主体a的长度方向分布，且各所述气管支管与对应的主体装置1连通。
75.在本实施例中，气源辅助模块31包含高压气瓶或气站导气管道、减压阀、稳压电源及其控制开关。加压阀的作用主要是控制高压气瓶出来的气压或气站导气管道出来的气压，便于高压气体压力及其流量的控制。具体的，远程控制装置4通过控制其控制开关的启闭。
76.需要说明的是，高压气源可以用高压水压代替，即气管变成高压水管/水枪、高压气瓶等变成对应的高压水柱装置。
77.具体的，通过设置游动控制模块32控制蛇形主体a的运动方向和速度，能够进一步提高蛇形主体在深部洞穴中的运动能力和运动稳定性。
78.进一步的，气管33和光纤53与蛇形主体即可通过卡槽或卡扣等形式固定连接，也可将气管33和光纤53位于蛇形主体两端的部位与蛇形主体固体，其它部位则根据蛇形主体搭载的模块数量和模块的位置决定其固定方式，如图1所示，气管33和光纤53两端与蛇形主体固接。更进一步的，气管33和光纤53成缆设置，图1中仅示出成缆后的光纤和气管整体结构及气管支管的结构。在一些实施例中，请参阅图5和图6，所述游动控制模块32包括第一高压出气口32a、第二高压出气口32b、第三高压出气口32c、姿态调整控制单元32d和制动单元32e；
79.所述第一高压出气口、所述第二高压出气口和第三高压出气口的出气方向呈环状分布，所述第一高压出气口、所述第二高压出气口和所述第三高压出气口均通过对应的所述气管支管与所述主管路连通；
80.所述姿态调整控制单元，用于基于所述运动指令控制所述第一高压出气口、第二高压出气口和第三高压出气口的出气量；
81.所述制动单元，用于基于所述运动指令控制所述气管的启闭。
82.在本实施例中，通过在主体装置的周向设置三个高压出气口，首先通过制动单元接收基于远程控制装置发送的运动指令控制三个高压出气口的启闭，并且通过姿态调整控制单元接收的基于远程控制装置发送的运动指令控制高压出气口的出气量和出气方向，当三个方向的出气量不同时，游动控制模块的头部方向会发生偏转从而带动其搭载的主体装置的方向发生偏转，从而使得蛇形主体a的运动方向发生变化，以适应洞穴中的实际环境；当三个方向的出气方向不同时，蛇形主体能够根据喷气方向的改变前进或后退。
83.需要说明的是，高压出气口的数目及其对应的出气方向可根据实际需求设定，于本实施例中，三个高压出气口与圆柱状主体装置的周向分布且三个出气口均相互间隔120
°
分布。
84.在一些实施例中，请参阅图1，所述仿蛇形机器人还包括尾部数据转存装6、声波探测定位装置7、声呐探测装置8和声波成像探测装置9，所述尾部数据转存装置6、声波探测定位装置7、声呐探测装置8和声波成像探测装置9依次通信连接且均与所述光纤连接；
85.所述尾部数据转存装置6与所述远程控制装置4通信连接，用于基于所述数据采集指令对所述探测数据进行滤波、降噪以及将所述探测数据由电信号转换为数字信号并保存；
86.所述声波探测定位装置7，用于基于所述数据采集指令探测洞穴周围环境的声波数据；
87.所述声呐探测装置8，用于基于所述数据采集指令探测洞穴周围环境的声呐数据；
88.所述声波成像探测装置9，用于基于所述数据采集指令通过声波成像探头获得探测洞穴周围环境图像。
89.在本实施例中，蛇形主体对洞穴进行数据探测时，首先通过声波探测定位装置对仿蛇形主体的位置进行限定及其定位，随后利用声呐探测装置8获取洞穴的声呐信号以及
通过声波成像探测装置9获取洞穴的图像从而获取实时场景信息，最后通过尾部数据转存对探测到的数据进行滤波、降噪以及将所述探测数据由电信号转换为数字信号并保存后将处理后的信号发送至远程控制装置4进行分析和处理，得到实时的洞穴环境分析结果。
90.需要说明的是，各个电性单元之间的连线通过包覆层包裹成缆缠绕分布于蛇形主体的外表面，如图1所示的蛇形主体外表面螺旋分布的即为成缆的电性单元连线。
91.在一些实施例中，所述通信控制装置、尾部数据转存装置、声波探测定位装置、声波成像探测装置、声呐探测装置和游动控制模块分别搭载于不同的主体装置。
92.在本实施例中，为了避免多个电性检测装置集中分布导致仿蛇形主体结构臃肿，以及为了便于光纤和气管的布设，则将通信控制装置、尾部数据转存装置、声波探测定位装置、声波成像探测装置、声呐探测装置和游动控制模块分别搭载于不同的主体装置。
93.在一些实施例中，请参阅图7，所述尾部数据转存装置6包括供电模块61、通信控制与信号处理模块62和光电转化模块63，所述供电模块61、通信控制与信号处理模块62和光电转化模块63均与所述光纤53连接；
94.所述供电模块与所述远程控制装置和通信控制与信号处理模块通信连接，用于基于所述数据采集指令对所述通信控制与信号处理模块提供电能；
95.所述通信控制与信号处理模块与所述远程控制装置连接，用于基于所述数据采集指令对所述探测数据进行滤波和降噪；
96.所述光电转换模块连接与所述远程控制装置，用于基于所述数据采集指令将所述探测数据由电信号转换为数字信号。
97.在本实施例中，尾部数据转存装置还包括尾部卡扣密封固定部件，其主要是用来解决“气管与光纤复合软管”与“尾部数据转存单元”之间密封连接和蛇形主体与复合软管之间的固定问题。蓄电池供电模块的作用是为整个地下多个节体模组供电的。通讯控制与信号处理模块主要是负责该控制单元的控制、分析和数据处理与调配。
98.在一些实施例中，所述声波探测定位装置包括至少三个声波传感和声波探测控制模块，所述至少三个声波传感器均与所述声波探测控制模块通信连接，所述至少三个声波传感器绕其搭载的所述主体装置的周向分布，所述声波探测控制模块与所述远程控制装置连接用于基于所述数据采集指令控制所述声波传感器的启闭。
99.在本实施例中，声波探测定位装置用于获取蛇形主体在洞穴中的位置并对蛇形主体进行定位，一方面能指导蛇形主体到达指定位置开始工作，另一方面通过对蛇形主体进行实时的定位更新，便于将蛇形主体在运动过程中采集的数据与洞穴的具体位置对应。
100.需要说明的是，通过将三个声波传感器环向分布在主体装置的周向，能够覆盖采集蛇形主体周向的信号，从而获得完整的洞穴信息。
101.在一些实施例中，所述声波成像探测装置包括探头、声波成像探测控制模块和图像数据处理模块；
102.所述探头安装于对应的所述主体装置的端部并与所述声波成像探测控制模块通信连接，用于采集图像信息并将采集的图像信息传输至所述声波成像探测控制模块；
103.所述声波成像探测控制模块与所述远程控制装置通信连接，用于基于所述数据采集指令控制所述探头的工作状态；
104.所述图像数据处理模块与所述声波成像探测控制模块通信连接，用于对所述图像
信息进行滤波和放大处理并将处理后的结果通过所述光纤传输至所述通信控制装置。
105.在本实施例中，通过前向声波成像探测的探头的前向探测和图像数据处理模块的可视化分析，为地下机器人提供前进方向的“眼睛”，进而实现高效率的避障和前向游走。声波成像探测装置主要是负责多频声波的成像探测与可视化数据分析的控制与资源调配。在无水或者清水中，前向声波成像探测探头可更换为高清摄像头等其他可视化探测模块。
106.需要说明的是，在已探明的深部洞穴中，声波成像探测装置可以不是必选单元；在未知无水或清水的洞穴中，前向声波成像探测探头可更换为效率更高的高清摄像头和光源模块。
107.基于上述仿蛇形机器人，本发明实施例还提供一种仿蛇形机器人的洞穴探测方法，请参阅图8，方法包括：
108.s801、基于所述光纤和所述气管的牵引，将所述仿蛇形机器人下放至待检测的洞穴；
109.s802、采用所述声波探测定位装置获取洞穴周围环境的声波数据，并根据所述通信控制装置和所述尾部数据转存装置对所述声波数据进行滤波、放大和数电转换，获得所述仿蛇形机器人自身的定位信息、所述光纤的长度信息和所述气管的长度信息；
110.s803、基于所述定位信息，采用声波成像探测装置获取周围环境图像；
111.s804、通过远程控制装置控制所述动力驱动装置驱动所述仿蛇形机器人运动；
112.s805、根据所述周围环境图像、所述光纤长度信息和所述气管长度信息，通过所述声呐探测装置对周围环境进行探测，获得周围环境信息；
113.s806、根据所述周围环境信息，获得洞穴的腔体形状和岩穴腔体库容。
114.在本实施例中，仿蛇形机器人的工作包括高温高压复杂环境下的盐穴造腔井，或两个临近造腔井之间的贯通区域(对接井)、或深部浑浊水域或地下空间，或深部油气井及其水平井，或可以通过某个相对宽松的隧道或洞口进入，内部存在无法通行区域或充满地下水的深部硐室或地下空间，并且深部洞穴内部结构复杂也存在很多受限的风险区域，或勘探人员尚未涉足的深部水域或存在一定风险系数的深渊深潭，内部结构复杂并且存在很多受限区域，或在地质勘察领域及多个核工业、航空航天工业、医疗急救，侦查搜救、海洋探索、行星探测、设备维修等相关领域中的非结构化复杂环境中的高低风险区域，以及在高度受限的空间或多障碍物环境中。
115.通过基于所述光纤和所述气管的牵引，将所述仿蛇形机器人下放至待检测的洞穴；随后采用所述声波探测定位装置获取洞穴周围环境的声波数据，并根据所述通信控制装置和所述尾部数据转存装置对所述声波数据进行滤波、放大和数电转换，获得所述仿蛇形机器人自身的定位信息、所述光纤的长度信息和所述气管的长度信息；随后基于所述定位信息，采用声波成像探测装置获取周围环境图像；并且通过远程控制装置控制所述动力驱动装置驱动所述仿蛇形机器人运动；随后根据所述周围环境图像、所述光纤长度信息和所述气管长度信息，通过所述声呐探测装置对周围环境进行探测，获得周围环境信息；最后根据所述周围环境信息，获得洞穴的腔体形状、岩穴腔体库容、对地下空间未知区域的初步探测与形态分析以及完成深部水域地质勘察和边界探测。
116.当然，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关硬件(如处理器，控制器等)来完成，所述的程序可存储
于一计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程。其中所述的存储介质可为存储器、磁碟、光盘等。
117.以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

技术特征：
1.一种仿蛇形机器人，其特征在于，包括：多个主体装置、多个转向装置、动力驱动装置和远程控制装置；其中：所述多个主体装置与多个转向装置交错分布，且每一所述转向装置的首尾两端均可转动的连接一个所述主体装置，构成机器人的蛇形主体；所述动力驱动装置，与所述远程控制装置通信连接，用于接收所述远程控制装置发送的运动指令，并根据所述运动指令控制所述蛇形主体运动；所述远程控制装置，与所述蛇形主体通信连接，用于发送数据采集指令至所述蛇形主体，控制所述蛇形主体进行环境探测，并接收所述蛇形主体返回的环境探测数据。2.根据权利要求1所述的仿蛇形机器人，其特征在于，还包括通信控制装置，所述通信控制装置用于所述蛇形主体与所述远程控制装置之间建立通信连接；所述通信控制装置包括实时通信控制模块、通信数据备份模块和光纤；所述光纤沿所述蛇形主体的长度方向分布且与多个所述主体装置连接；所述实时通信控制模块，用于通过所述光纤获取所述多个主体装置发送的环境探测数据；所述通信数据备份模块，与所述实时通信控制模块通信连接，用于存储所述环境探测数据。3.根据权利要求2所述的仿蛇形机器人，其特征在于，所述动力驱动装置包括气源辅助模块、游动控制模块和气管；所述气源辅助模块，与所述远程控制装置通信连接，用于基于所述远程控制装置发送的运动指令提供气动力源；所述游动控制模块，用于根据所述运动指令控制所述气管的喷气量和喷气方向；所述气管包括主管路和多个气管支管，所述多个气管支管沿着所述主管路的长度方向分布且与所述主管路连通，所述主管路的一端与所述气源辅助模块连通，所述主管路沿所述蛇形主体的长度方向分布，且各所述气管支管与对应的主体装置连通。4.根据权利要求3所述的仿蛇形机器人，其特征在于，所述游动控制模块包括第一高压出气口、第二高压出气口、第三高压出气口、姿态调整控制单元和制动单元；所述第一高压出气口、所述第二高压出气口和第三高压出气口的出气方向呈环状分布，所述第一高压出气口、所述第二高压出气口和所述第三高压出气口均通过对应的所述气管支管与所述主管路连通；所述姿态调整控制单元，用于基于所述运动指令控制所述第一高压出气口、第二高压出气口和第三高压出气口的出气量；所述制动单元，用于基于所述运动指令控制所述气管的启闭。5.根据权利要求4所述的仿蛇形机器人，其特征在于，所述仿蛇形机器人还包括尾部数据转存装置、声波探测定位装置、声呐探测装置和声波成像探测装置，所述尾部数据转存装置、声波探测定位装置、声呐探测装置和声波成像探测装置依次通信连接且均与所述光纤连接；所述尾部数据转存装置与所述远程控制装置通信连接，用于基于所述数据采集指令对所述探测数据进行滤波、降噪以及将所述探测数据由电信号转换为数字信号并保存；所述声波探测定位装置，用于基于所述数据采集指令探测洞穴周围环境的声波数据；
所述声呐探测装置，用于基于所述数据采集指令探测洞穴周围环境的声呐数据；所述声波成像探测装置，用于基于所述数据采集指令通过声波成像探头获得探测洞穴周围环境图像。6.根据权利要求5所述的仿蛇形机器人，其特征在于，所述通信控制装置、尾部数据转存装置、声波探测定位装置、声波成像探测装置、声呐探测装置和游动控制模块分别搭载于不同的主体装置。7.根据权利要求6所述的仿蛇形机器人，其特征在于，所述尾部数据转存装置包括供电模块、通信控制与信号处理模块和光电转化模块，所述供电模块、通信控制与信号处理模块和光电转化模块均与所述光纤连接；所述供电模块与所述远程控制装置和通信控制与信号处理模块通信连接，用于基于所述数据采集指令对所述通信控制与信号处理模块提供电能；所述通信控制与信号处理模块与所述远程控制装置连接，用于基于所述数据采集指令对所述探测数据进行滤波和降噪；所述光电转换模块连接与所述远程控制装置，用于基于所述数据采集指令将所述探测数据由电信号转换为数字信号。8.根据权利要求6所述的仿蛇形机器人，其特征在于，所述声波探测定位装置包括至少三个声波传感器和声波探测控制模块，所述至少三个声波传感器均与所述声波探测控制模块通信连接，所述至少三个声波传感器绕其搭载的所述主体装置的周向分布，所述声波探测控制模块与所述远程控制装置连接用于基于所述数据采集指令控制所述声波传感器的启闭。9.根据权利要求6所述的仿蛇形机器人，其特征在于，所述声波成像探测装置包括探头、声波成像探测控制模块和图像数据处理模块；所述探头安装于对应的所述主体装置的端部并与所述声波成像探测控制模块通信连接，用于采集图像信息并将采集的图像信息传输至所述声波成像探测控制模块；所述声波成像探测控制模块与所述远程控制装置通信连接，用于基于所述数据采集指令控制所述探头的工作状态；所述图像数据处理模块与所述声波成像探测控制模块通信连接，用于对所述图像信息进行滤波和放大处理并将处理后的结果通过所述光纤传输至所述通信控制装置。10.一种基于仿蛇形机器人的洞穴探测方法，应用于权利要求1-9任一项所述的仿蛇形机器人，其特征在于，所述方法包括：基于所述光纤和所述气管的牵引，将所述仿蛇形机器人下放至待检测的洞穴；采用所述声波探测定位装置获取洞穴周围环境的声波数据，并根据所述通信控制装置和所述尾部数据转存装置对所述声波数据进行滤波、放大和数电转换，获得所述仿蛇形机器人自身的定位信息、所述光纤的长度信息和所述气管的长度信息；基于所述定位信息，采用声波成像探测装置获取周围环境图像；通过远程控制装置控制所述动力驱动装置驱动所述仿蛇形机器人运动；根据所述周围环境图像、所述光纤长度信息和所述气管长度信息，通过所述声呐探测装置对周围环境进行探测，获得周围环境信息；根据所述周围环境信息，获得洞穴的腔体形状和岩穴腔体库容。

技术总结
本发明公开了一种仿蛇形机器人及基于仿蛇形机器人的洞穴探测方法，仿蛇形机器人包括：多个主体装置、多个转向装置、动力驱动装置和远程控制装置；多个主体装置与多个转向装置交错分布，且每一转向装置的首尾两端均可转动的连接一个主体装置，构成机器人的蛇形主体；动力驱动装置，与远程控制装置通信连接，用于接收远程控制装置发送的运动指令，并根据运动指令控制蛇形主体运动；远程控制装置，与蛇形主体通信连接，用于发送数据采集指令至蛇形主体，控制蛇形主体进行环境探测，并接收蛇形主体返回的环境探测数据。本发明解决了现有技术中在复杂的洞穴环境中，机器人难以进入并进行自身定位以及稳定高效开展周边环境探测任务的技术问题。的技术问题。的技术问题。


技术研发人员：邹先坚 杨春和 王同涛 陈锋
受保护的技术使用者：中国科学院武汉岩土力学研究所
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/8/23