一种能适应各种极端环境的地下探测机器人技术领域
本发明涉及一种机器人技术，特别是一种能适应各种极端环境的地下探测机器
人。
背景技术
现有的挖掘设备根本无法适应极端环境，当遇到重大危险情况时，人们往往束手
无策。而且现有的挖掘设备能耗大、能源利用率低、大部分都需要人工操作，智能化程度低，
无法对地下层所含成分，尤其是有害物质进行检测，无法作到精确挖掘。
对于地下探测机器人而言目前在国际上尚处于研究阶段，国内对于其课题的研究
也是刚刚起步。中国专利CN1328017C公开了一种仿生蝼蛄机器人，该发明采用曲柄摇杆机
构实现挖掘，可以在一定深度的土层中按预定的轨迹自动行走。但该发明不具备智能检测
功能，如检测所挖地下层中无机物、有机物、特别是重金属的成分及含量。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供了一种能适应各种极端环境的地下探测机器
人,该机器人具有能源利用率高、工作效率高、智能化程度高、能够作到精确挖掘等优点。
实现本发明的技术方案是：
一种能适应各种极端环境的地下探测机器人，包括依次相连接的机械部分、检测系统、
控制部分和智能处理系统，机械部分还与控制部分连接，智能处理系统与检测系统连接。
所述机械部分包括躯体、设置在躯体前端的头部、设置躯体前端两侧的前腿、设置
在躯体中部两侧中腿和设置在躯体后部两侧的后腿、翅膀、尾巴，翅膀设置在整个躯体两
侧。其中：
躯体的作用是支撑其他部件；
中腿、后腿、翅膀及其他模块，在控制部分、智能处理系统的控制下可以实现行走和飞
行等功能；
前腿和头部相配合可以达到多种挖掘效果；前腿能够进行铲斗式挖掘、头部能够进行
钻式挖掘，可以针对不同工况进行不同的挖掘作业。
尾巴其到平衡作用，无论是行走中还是飞行中平衡是最关键的，尾巴中其关键作
用的是陀螺仪式平衡装置，可以达到在行走及飞行中侧倾不超过1度。
机械部分采用钴基高温合金材质制成。该种材料具有高强度、耐高温、良好的抗腐
蚀性和抗氧化性等优点，适用于各种人类无法进入的极端环境。同时机械部分还担负着采
集污染物样品及将样品传给无人机等输送设备的作用，最终将样品及时送回外围控制中
心。
所述控制部分由主控模块和副控模块组成，主控模块与无线收发端I连接，通过无
线收发端I收发指令等，副控模块与无线收发端II连接，通过无线收发端II收发语音、视频
指令，副控模块具有摄像功能，可以对机器人所处环境进行时时摄影，并通过无线收发端II
传送给外围控制中心，外围控制中心发出的指令通过无线传输设备传输给智能处理系统的
无线收发端II，智能处理系统的处理模块作出相应的处理，再传递给机械部分，机械部分作
出相应动作完成命令的执行。
所述检测系统由土壤硬度仪、无机质谱仪、有机质谱仪、重金属检测仪组成，检测
系统通过土壤硬度仪、无机质谱仪、有机质谱仪和重金属检测仪分别检测机器人所处位置
中地下层的土壤硬度、无机物、有机物、重金属的成分及含量，并将所检测出的成分及含量
与检测系统中的设定值对比，当发现地下层的土壤硬度、无机物含量、有机物含量及重金属
含量有明显变化时立刻将变化情况传至外围控制中心，同时将变化情况传给智能处理系统
的处理模块、处理模块经过处理做出对应的策略，控制机械部分执行命令处理有害物质。
所述智能处理系统由处理模块、3D识别模块、无线收发端I、无线收发端II构成。3D
识别模块可以时时显示所挖区域的3维动态，并通过处理模块与目标形状对比，以便于时时
校正，达到精确挖掘的目的。处理模块可以处理指令、语音、视频等。无线收发端I可以收发
指令等。无线收发端II可以收发语音、视频等。
本发明的优点是：该机器人采用钴基高温合金材质制成，可以适应各种极端环境；
且具有飞行功能，在飞行中利用尾巴中陀螺仪式平衡装置起到平衡的作用，可以快速移动，
准确快速定位大范围内地下污染所在范围，随后对污染区域进行挖掘、处理并及时将污染
物样品送至外围控制中心；具有越障功能，根据检测到的障碍物大小，可以在行走模式和飞
行模式间自由切换。智能检测地下层的硬度、地下层中所含的各种无机物、有机物、尤其是
重金属的成分及含量，并及时将污染物样品送至外围控制中心，对于多数污染可以现场处
理，使其达到合格标准。在不同的工况下，自动切换成多种不同的挖掘模式来挖掘，使能源
得到充分利用，具有能源利用率高、工作效率高、智能化程度高、能够作到精确挖掘等优点。
附图说明
图1为一种能适应各种极端环境的地下探测机器人的连接框图。
图中：1.机械部分1-1.头部1-2.躯体1-3.中腿1-4.后腿1-5.前腿1-
6.翅膀1-7.尾巴2.智能处理系统2-1.处理模块2-2.3D识别模块2-3.无线收发
端I2-4.无线收发端II3.控制部分3-1.主控模块3-2.副控模块4.检测系统4-
1.土壤硬度仪4-2.无机质谱仪4-3.有机质谱仪4-4重金属检测仪
图2为地下探测机器人越障碍物的工作流程图。
图中：S100.初始状态S200.行走模式S300.有障碍物S400.飞行模式
S500.无障碍物。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案作进一步详细说明。
参照图1，一种能适应各种极端环境的地下探测机器人，由相互连接的机械部分1、
智能处理系统2、控制部分3和检测系统4构成。其中：
机械部分1包括头部1-1、躯体1-2、中腿1-3、后腿1-4、前腿1-5、翅膀1-6、尾巴1-7组成。
头部1-1装配在躯体1-2前端。前腿1-5装配在躯体1-2前端的两侧。中腿1-3装配在躯体1-2
中部两侧。后腿1-4装配在躯体1-2后部两侧。翅膀1-6装配在整个躯体1-2两侧，延伸出尾巴
1-7。尾巴1-7装配在躯体1-2尾部。其作用分别是：
躯体1-2用于支撑其他部件用；
中腿1-3、后腿1-4、翅膀1-6配合其他模块，在控制部分3、智能处理系统2的控制下可以
实现行走和飞行等功能；
尾巴1-7其到平衡作用，无论是行走中还是飞行中平衡是最关键的。尾巴1-7中其关键
作用的是陀螺仪式平衡装置，可以达到在行走及飞行中侧倾不超过1度；
整个机械部分1采用钴基高温合金材质制成，该种材料具有一定的高强度、耐高温、良
好的抗腐蚀性和抗氧化性等优点。适用于各种人类无法进入的极端环境，同时机械部分1还
担负着采集污染物样品，以及将样品传给无人机等输送设备，以便将样品及时传给外围控
制中心。
控制部分3由主控模块3-1和副控模块3-2组成，主控模块3-1和无线收发端I2-3
连接；可以通过无线收发端I2-3无线收发指令等；副控模块3-2和无线收发端II2-4连接，
可以通过无线收发端II2-4无线收发语音、视频指令，副控模块3-2具有摄像功能，可以对
机器人所处环境进行时时摄影，并通过无线收发端II2-4传送给外围控制中心，外围控制
中心发出的指令通过无线传输设备传输给智能处理系统2的无线收发端II2-4，智能处理系
统2的处理模块2-1作出相应的处理，再传递给机械部分1，机械部分1作出响应动作，完成命
令的执行。
检测系统4由土壤硬度仪4-1、无机质谱仪4-2、有机质谱仪4-3、重金属检测仪4-4
组成，其中：
土壤硬度仪4-1即土壤硬度计，主要用于测量土壤的紧实度，利用压力计之理论值Kg/
Cm2,直接测量出土壤的硬度值，其测定方法一般是将测量仪尖端部分全部插入土壤中，垂
直顺向拔出测量仪，从指示表上读取硬度指示值，读取完毕后旋转从动针旋钮，使指示表归
零。
无机质谱仪4-2是以电感耦合高频放电（ICP）或其他的方式使被测物质离子化，用
于无机元素微量分析和同位素分析等方面。
有机质谱仪4-3是以电子轰击或其他的方式使被测土壤离子化，形成各种质荷比
（m/e）的离子，然后利用电磁学原理使离子按不同的质荷比分离并测量各种离子的强度，从
而确定被测土壤的分子量和结构，主要用于有机化合物的结构鉴定，提供化合物的分子量、
元素组成以及官能团等结构信息。
重金属检测仪4-4用于测试土壤中重金属（总铬（Cr）、六价铬(Cr6+)、铅(Pb)、汞
(Hg)、镉(Cd)、三价砷(As3+)、铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)）等含量。
检测系统4通过土壤硬度仪4-1、无机质谱仪4-2、有机质谱仪4-3、重金属检测仪4-
4分别检测机器人所处位置中地下层的土壤硬度、无机物含量、有机物含量及重金属含量，
并将所检测出的成分及含量与检测系统4中的设定值对比，当发现地下层的土壤硬度、无机
物含量、有机物含量及重金属含量有明显变化时立刻将变化情况传至外围控制中心，同时
将变化情况传给智能处理系统2的处理模块2-1、处理模块2-1经过处理做出对应的策略，控
制机械部分1执行命令处理有害物质。
若检测系统4的土壤硬度仪4-1检测到所挖地下层的硬度小于设定范围或挖掘所
需功率低于额定范围时，则可以采用铲斗式挖掘，快速作业，提高作业效率。
若检测系统4的土壤硬度仪4-1检测到所挖地下层的硬度大于设定范围或挖掘所
需功率超过额定范围时，则可以采用钻式挖掘，不易损坏铲斗，又可以快速得到高硬度物质
的样品。
若检测系统4的土壤硬度仪4-1检测到所挖地下层的硬度属于设定范围且挖掘所
需功率属于额定范围时，则可以采用钻式挖掘和铲斗式挖掘同时进行，可以大大提高工作
效率。
若检测系统4的无机质谱仪4-2检测到所处地下层的无机物含量小于设定值时，则
继续探测。
若检测系统4的无机质谱仪4-2检测到所处地下层的无机物含量大于设定值时，采
用天然微生物降解法，即通过人工驯化的对应微生物将无机污染物降解为氮气或其他无害
物质而去除，使土壤中的无机物污染物含量恢复到了标准水平。
若检测系统4的有机质谱仪4-3检测到所处地下层的有机物含量小于设定值时，则
继续探测。
若检测系统4的有机质谱仪4-3检测到所处地下层的有机物含量大于设定值时，则
通过物理挖掘通风和微生物修复结合的方法去除污染物，即通过人工培育的相应微生物将
土壤中有机污染物作为碳源和能源，将其分解为CO2和H2O或其他无害物质。
若检测系统4的重金属检测仪4-4检测到所处地下层的重金属含量小于设定值时，
则继续探测。
若检测系统4的重金属检测仪4-4检测到所处地下层的重金属含量大于设定值时，
利用微生物降解法对其处理。微生物降解法是利用微生物—运用基因工程等生物技术培育
出的对重金属有降解能力—对重金属具有吸收、沉淀、氧化和还原等作用，减少土壤中重金
属的浓度或使其形态发生改变，从而使土壤中重金属的含量达到标准水平。
利用微生物治理地下层土壤中的重金属污染物、无机污染物、有机污染物是一个
纯生态过程，具有效果好、投资少、速度快、能耗低、效率高且无二次污染等优点。
智能处理系统2由处理模块2-1、3D识别模块2-2、无线收发端I2-3、无线收发端II
2-4构成。3D识别模块2-2可以时时显示所挖区域的3维动态，并通过处理模块2-1与目标形
状对比，以便于时时校正。处理模块2-1可以处理指令、语音、视频等。无线收发端I2-3可以
收发指令等、无线收发端II2-4可以收发语音、视频等。
以越障碍物为例，本发明机器人的工作过程是：
地下探测机器人由初始状态S100开始工作，首先采用行走模式S200前进，检测系统4通
过红外线遥感技术实时检测前进中的障碍物,当检测到一定大的障碍物（障碍物体积大于
设定值）时，检测系统将检测状态传给控制部分3的主控模块3-1，主控模块3经过处理作出
判断，判断其有障碍物S300，启用飞行模式时S400前进，由控制部分3发出指令，机械部分1
执行飞行命令，否则继续采用行走模式S200前进。当系统再次检测并判断为无障碍物S500
时，切换至行走模式S200。