CN101778756A - 具有连续履带的蛇形机器人履带车 - Google Patents

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Abstract

一种蛇形机器人履带车(10)，包括铰接体部(12)和连续履带(18)，该铰接体部(12)具有至少两个串联连接的体部分段，连续履带(18)沿铰接体部(12)的周面可操作地支承。蛇形机器人履带车(10)能够具有多种运动方式和姿势。

Description

具有连续履带的蛇形机器人履带车
相关申请
本申请要求享有于2007年7月10日提交的标题为“Serpentine RoboticCrawler Having A Continuous Track”(具有连续履带的蛇形机器人履带车)的美国临时专利申请No.60/959,089的权益，该专利申请的全文引用在此作为参考。
技术领域
本发明涉及机器人车辆。更具体地说，本发明涉及具有连续履带的蛇形机器人履带车。
背景技术
机器人学是活跃的研究领域，已研制出许多不同类型的机器人车辆用于各种任务。例如，无人驾驶的飞行器已非常成功地用于军事空中侦察。然而，无人驾驶的地面车辆获得较少成功，这部分地是由于在地面环境中运动显著地比在空中环境中运动困难。
无人驾驶地面车辆当试图实现机动性时会面临许多挑战。地形的变化很广泛，例如包括松散和易变的材料、障碍物、植被、有限宽度或高度的开口、台阶等。优化用于在一种环境中运行的车辆可能在另一种环境中运行不佳。
还有一些与车辆的尺寸有关的折衷方案。大型车辆可以更好地处理某些障碍物，例如台阶、落差、间隙等。另一方面，大型车辆不能容易地通过狭窄的通道或者在管道内部行进，且更容易被植物阻挡。大型车辆还往往更容易被看到，并因此不太希望用于独立的监视应用。相比之下，尽管小型车辆更独立，但越过障碍变成更大的行驶问题。
各种各样的机动性构造已经适合于通过困难的地形。这些选择方案包括腿、车轮和履带。有腿的机器人可能是灵活的，但采用复杂的控制机构来移动和达到稳定性。轮式车辆可以提供高度机动性，但提供有限的附着作用并需要宽度以便得到稳定性。
履带式车辆是已知的，且通常构造成坦克构型。尽管履带式车辆在某些环境中可以提供高度稳定性，但履带式车辆在车辆很小的情况下通常提供有限的可操纵性。此外，已知的履带式车辆不能适应在宽范围内变化的障碍，尤其是当地形狭窄并且道路弯曲时。
发明内容
本发明包括一种蛇形机器人履带车，该履带车有助于克服现有技术中固有的问题和不足。在一个实施例中，蛇形机器人履带车包括至少两个体部分段，该至少两个体部分段通过至少一个接头串联连接，以便能将履带车的体部铰接，并使履带车体部适合于穿过作业环境。连续履带沿着履带车体部的周面被支承，以在蛇形机器人履带车作业时围绕履带车体部。连续履带经由与作业环境的表面接触区(interface)而给蛇形机器人履带车提供推进力。
附图说明
从下文结合附图的描述和所附权利要求中可以更清楚地看到本发明。应当理解，这些附图仅描述了本发明的示例性实施例，它们不应当被认为是对本发明的范围的限制。可以容易地认识到，文中一般性地描述以及在附图中示出的本发明的部件可布置成或设计成各种不同的构造。但是下面将通过附图更加详细和具体地描述和解释本发明，其中：
图1示出根据本发明示例性实施例的蛇形机器人履带车的透视图；
图2示出根据本发明实施例的连续履带的一部分的俯视图；
图3示出根据本发明一个实施例的由体部分段可操作地支承的连续履带的侧剖图；
图4示出根据本发明另一实施例的由体部分段可操作地支承的连续履带的侧剖图；
图5示出根据本发明又一实施例的由体部分段可操作地支承的连续履带的侧剖图；
图6示出根据本发明实施例基本上沿直线移动的蛇形机器人车辆的侧视图；
图7示出根据本发明实施例沿弯曲路线移动的蛇形机器人车辆的俯视图；
图8示出根据本发明实施例沿蛇形路线移动的蛇形机器人车辆的俯视图；
图9示出根据本发明实施例的蛇形机器人车辆的侧视图，其中该蛇形机器人车辆为克服障碍物而抬升起前部；
图10示出根据本发明实施例悬伸在一间隙上的蛇形机器人车辆的侧视图；
图11示出根据本发明实施例在柱子外侧向上攀爬的蛇形机器人车辆的侧视图；
图12示出根据本发明实施例在管道内部爬行的蛇形机器人车辆的侧视图；
图13示出根据本发明实施例沿着支承面移动蛇形机器人履带车的方法的流程图；
图14示出根据本发明实施例处于列车构型的蛇形机器人履带车的侧视图。
具体实施方式
下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。因此，下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。从而，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。
下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。
参见图1，图1示出的是本发明第一示例性实施例的蛇形机器人履带车。具体而言，图1将履带车10示出为包括履带车体部12，该履带车体部12由至少两个体部分段14组成，所述至少两个体部分段14通过至少一个接头16串联连接。接头提供至少一个自由度，不过应该意识到，两个或三个自由度在履带车的运动中提供更大的灵活性。例如，接头可以提供绕履带车的纵向轴线的旋转和朝一个或多个与履带车的纵向轴线垂直的方向的弯曲。由于体部分段通过接头连接，所以履带车体部能铰接并适合于行进穿过作业环境。
连续履带18沿着履带车体部的周面20布置和可操作地支承，以围绕履带车体部。换句话说，连续履带顺应并环绕履带车体部。连续履带构造成在蛇形机器人履带车操作时顺应履带车体部的周面。连续履带能通过与作业环境的表面接触区22给蛇形机器人履带车提供推进力。例如，连续履带的一个或多个部分可在作业环境中与支承表面接触，并因而提供与支承表面的摩擦接触区，该摩擦接触区能用于推进。履带车能通过使连续履带绕履带车体部旋转而移动。根据连续履带的旋转方向，运动可以是一般向前或相反的方向。
蛇形机器人履带车10在运动时的转向能通过体部12的铰接来提供。例如，体部分段之间的接头16的弯曲能使履带车以蛇状方式弯曲或挠曲。在体部弯曲或挠曲时，连续履带18继续顺应体部。因此，能使机器人履带车以多种方式在环境中移动，这将在下面进一步详细说明。
可以使用连续履带的多种构型。在图2所示的一个实施例中，连续履带18’能包括通过多个力筋(tendon)32互联的多个履带板30。履带板能具有用于提供所需牵引作用的多种类型。例如，于2007年11月13日提交的标题为“Versatile Endless Track for Lightweight Mobile Robots”的共同拥有和共同处于审理中的美国专利申请No.11/985,346描述了一种具有可互换履带板的环形履带，该环形履带能用在本发明的实施例中，该专利申请引用在此作为参考。
用于卷绕和退绕力筋32以便保持连续履带18’内恒定张力的机构能设在履带板30内。例如，用于卷绕和退绕的机构能包括卷轴34。例如，履带在两个履带板之间的弯曲能通过减少一个力筋的长度而同时增加另一个力筋的长度来实施。换句话说，当调节履带板之间力筋的长度时，履带板不需要保持平行。这能提供履带的弯曲，以便保持履带顺应于体部。
由于力筋的挠性，所以朝其它方向弯曲也是可行的。例如，连续履带18’可以在三个自由度内弯曲：绕一垂直于图2中纸面的轴线的侧向弯曲(例如偏转)；绕一在图2中的纸面内并垂直于力筋的轴线的侧向弯曲(例如俯仰)；和绕一在图2中的纸面内并与力筋平行的轴线纵向弯曲或扭转(例如滚动)。
力筋32可以是高强度柔韧的纤维材料，包括例如超高分子量聚乙烯(例如，
Figure GPA00001029433100051
纤维)和聚芳酰胺型纤维(例如
Figure GPA00001029433100052
纤维)。
在另一个实施例中，连续履带能包括多个枢转接头。该接头能包括至少两个自由度。例如，连续履带内的接头能提供与体部分段之间的接头类似的弯曲能力。在另一个实施例中，连续履带可以是连续挠性带。例如，挠性带可以用聚合物或橡胶材料制成。
连续履带顺应履带车体部的周面。该周面可以是履带车体部的顶面、底面和两个端面。可以使用沿着履带车体部的周面保持连续履带的多种方法。例如，如图3所示，体部分段14可以包括突起40，以便互锁到连续履带18内的相应槽42中。可供选择地，如图4所示，体部分段可以包括槽44，以便与连续履带中相应的突起46互锁。作为另一个例子，如图5所示，体部分段可以包括侧向引导件48。对于图5中的示例，可以在连续履带内保持足够的张力，以便帮助使连续履带顺应于车体。
蛇形机器人履带车10可进行多种运动方式，这将在下面进行说明。例如，如图6中侧视图所示，通过将体部14铰接成总体为直线布置、并使连续履带18旋转以便在支承面64上前后移动蛇形机器人履带车，蛇形机器人履带车10可以沿总体直线路线62移动。对于不平的表面，体部可以铰接成使各部分向上或向下拱出，以保持与支承表面接触，从而有助于保持牵引。蛇形机器人履带车能通过使体部朝一般向左或向右的方向弯曲而转动，如图7的俯视图所示。
即使当蛇形机器人履带车绕障碍物铰接或穿过障碍物时，连续履带也能提供高牵引力。例如，如图8中俯视图所示，当履带车移动时，履带车可通过使体部18弯曲而绕障碍物66、68蜿蜒前进。因为履带板绕体部的周面旋转，所以当履带板向下旋转到体部的前部70时，履带板与支承面64接触。一旦履带板与支承面接触，它们就能相对于支承面保持在基本上固定的位置中。当蛇形机器人履带车向前移动时，体部铰转成使得体部分段在基本上一致的路线上相互跟随。这有助于使侧向力在履带板上的发展最小，该侧向力的发展可能引起滑动或牵引作用的失去。
另一种运行方式包括将体部的前部抬升至支承面上方。例如，如图9所示，体部14的前部70可以抬升，以使蛇行机器人履带车能进入一孔72。类似的运动可以用来帮助爬过凸起部或爬上楼梯。如图10所示，体部也可以悬伸在支承面中的间隙74、孔、或空心部之上。
除了如上所述在比较水平的表面上行进之外，蛇行机器人履带车也能攀爬多种结构。例如，如图11所示，蛇形机器人履带车能攀爬柱子或其它总体是凸形的支承面80。体部至少部分地卷绕支承面并收缩，以增加支承面和连续履带与支承面接触的部分之间的摩擦力。然后连续履带可以旋转，以便在凸形的支承面上上下移动，例如，在柱子或类似结构的外部上下盘旋。
作为另一个例子，如图12所示，蛇形机器人履带车也能在管道或其它总体是凹形的支承面82内部攀爬。体部至少部分地卷绕在凹形支承面内，并铰接成将体部向外压靠在支承面上，以增加支承面和连续履带与支承面接触的部分之间的摩擦力。连续履带可以旋转，以使履带车沿着凹形支承面上下移动，例如，在桩或类似结构内部上下盘旋。
其它运动方式也是可行的，所述这些运动方式不利用连续履带来提供推进力。例如，接头可以铰接以提供蛇形运动，如按蛇状方式滑行，以及通过双正交平移正弦分段致动(dual orthogonal translating sinusoidalsegment actuation)而做S形弧线运动。手风琴式运动能通过侧向弯曲、折叠、然后像蚯蚓一样伸展来实现。毛虫状运动能通过轴向起伏、摇摆等实现。也可以实现多种其它的运动方式。
下面结合图13说明沿着支承面移动蛇形机器人履带车的方法。方法90能包括提供蛇形机器人履带车的步骤92，所述蛇形机器人履带车具有铰接体部和连续履带，铰接体部由至少两个串联连接的分段组成，而连续履带沿铰接体部的周面可操作地支承。方法可包括步骤94，其中将一部分连续履带布置成与支承面接触。方法还能包括步骤96，其中使连续履带绕周面旋转，以给蛇形机器人履带车提供推进力。方法还能包括步骤98，其中改变铰接体部的姿势，以适应支承面的变化，同时保持连续履带沿周面可操作地支承。例如，在上文在图6-12中示出了多种姿势，蛇形机器人履带车能设置成上述姿势并在它们之间转换。
蛇形履带车的另一实施例能包括多个如上所述的履带车，各履带车通过铰接联接件连接在一起。例如，图14示出处于列车构型的蛇形机器人履带车100，该履带车具有多个履带车体部102，每个履带车体部都具有沿着该履带车体部被支承的连续履带104。履带车体部可以包括至少两个体部分段，该至少两个体部分段通过至少一个接头串联连接，例如如上所述。多个铰接联接件106将各履带车体部联接在一起。铰接联接件能包括接头和致动器。例如，铰接接头能包括如在于2007年11月13日提交的标题为“Serpentine Robotic Crawler”的共同拥有并共同处于审理中的美国专利申请No.11/985,323中所述的多个自由度的联接臂，该专利申请引用在此作为参考。
在某种程度上概括并重申，按照本发明的蛇形机器人履带车可以在各种应用和环境中使用。例如，但不作为限制，应用可以包括搜索和救援、军事活动和工业操作。可有助于避免需要将人暴露于危险的环境中。蛇形机器人履带车的灵活性允许该装置在机器人车辆通常难以进入的环境中行进。变化的运动模式允许适应多种环境。例如，蛇形机器人履带车可以穿越表面、进入小的开口、跨过间隙、在多种结构的内部或外部攀爬。
在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。
更具体地，尽管在此已经描述了本发明的示例性实施例，但是本发明并不局限于这些实施例，而是包括本领域技术人员根据前面的详细描述可认识到的经过修改、省略、(例如各个实施例之间的)组合、适应性改变和/或替换的任何和全部实施例。权利要求中的限定可根据权利要求中使用的语言而进行广泛的解释，且不限于在前述详细描述中或在实施该申请期间描述的示例，这些示例应被认为是非排他性的。例如，在本发明中，术语“优选地”不是排他性的，这里它的意思是“优选地，但是并不限于”。在任何方法或过程权利要求中列举的任何步骤可以以任何顺序执行并且不限于权利要求中提出的顺序。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求及其合法等同物来确定，而不是由上文给出的说明和示例来确定。装置加功能限制或步骤加功能限制都仅在特定的权利要求限制存在所有下列条件的地方应用：a)在该限制中明确说明了“用于...的装置”或“用于...的步骤”；b)在该限制中明确地说明了相应的功能；和c)在说明书中描述了支持该功能的结构、材料或行为。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书及其法定等效物确定，而不是由上面所提供的说明和例子确定。

Claims (19)

1.一种蛇形机器人履带车，包括：
履带车体部，该体部具有通过至少一个接头串联连接的至少两个体部分段，以使履带车体部铰接并适于行进穿过作业环境；以及
连续履带，该连续履带沿着履带车体部的周面可操作地支承，以在蛇形机器人履带车操作时围绕履带车体部，其中连续履带构造成经由与作业环境的表面接触区而给蛇形机器人履带车提供推进力。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，连续履带包括通过多个力筋互联的多个履带板，其中履带板包括用于卷绕和退绕力筋的装置，以在连续履带内保持恒定的张力。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，力筋包括纤维，该纤维选自超高分子量聚乙烯纤维和聚芳酰胺纤维。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，连续履带包括连续的挠性带。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，连续履带包括突起，该突起互锁到布置在履带车体部的周面中的相应槽中，以使连续履带顺应履带车体部。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，连续履带包括内部槽，该内部槽互锁到沿着履带车体部的周面布置的相应突起上，以使连续履带顺应履带车体部。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少一个接头具有至少两个自由度。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括：
具有第二连续履带的第二履带车体部，该第二连续履带沿着第二履带车体部可操作地支承；以及
铰接联接件，该铰接联接件将所述履带车体部联接到第二履带车体部。
9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括：
多个履带车体部，该多个履带车体部分别具有沿着相应的周面可操作地支承的连续履带；以及
多个铰接联接件，该多个铰接联接件将履带车体部联接成列车构型。
10.一种蛇形机器人履带车，包括：
铰接的履带车体部，该体部具有通过至少一个接头串联连接的至少两个体部分段，以形成铰接形状；以及
连续履带，该连续履带可操作地联接到并围绕铰接的履带车体部，其中连续履带具有多个枢转式接头，每个接头具有至少两个自由度，以使履带能顺应履带车体部的铰接形状。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述至少两个自由度中的一个提供绕铰接的履带车体部的纵向轴线的旋转。
12.如权利要求10所述的设备，其特征在于，连续履带包括通过多个力筋互联的多个履带板，其中，力筋在至少第一尺寸中提供挠曲，履带板包括用于在第二尺寸中卷绕和退绕力筋的装置，以使力筋在连续履带内保持基本上恒定的张力。
13.一种用于移动蛇形机器人履带车的方法，该履带车具有由沿支承面串联连接的至少两个分段组成的铰接体部，所述方法包括：
提供沿铰接体部的周面可操作地支承的连续履带；
将连续履带的一部分放置成与支承面接触；
使连续履带绕周面旋转，以给蛇形机器人履带车提供推进力；和
改变铰接体部的姿势，以顺应支承面的变化，同时保持连续履带沿所述周面可操作地支承。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，改变铰接体部的姿势还包括：
绕凸形支承面卷绕铰接体部的至少一部分；以及
靠着支承面收缩铰接体部，以增加支承面和连续履带与支承面接触的部分之间的摩擦力。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，改变铰接体部的姿势还包括：
在凹形支承面内卷绕铰接体部的至少一部分；以及
使敏接体部向外压靠支承面，以增加支承面和连续履带与支承面接触的部分之间的摩擦力。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，改变铰接体部的姿势还包括使铰接体部的一部分悬伸在支承面中的间隙上。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，改变铰接体部的姿势还包括致动铰接体部，使得当蛇形履带车移动时，铰接体部的分段在基本上一致的路线上相互跟随。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述路线是曲线。
19.如权利要求13所述的方法，其特征在于，改变铰接体部的姿势还包括将铰接体部的前部抬升至支承面上方。
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