CN102069490B - 可快速拆卸的组合搜救机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可快速拆卸的组合搜救机器人，其包括母机器人、子机器人，母机器人和子机器人上还分别设有相互配合的可分离式母子机连接机构。本发明的优点有：其可伸缩摆臂对灾难现场复杂环境的适应性较强，母子机分离结构增强了机器人的机动性能和越障性能。各组成模块功能丰富，相互依赖性小，且其对接装置简单、快速，占用空间小。

Description

可快速拆卸的组合搜救机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及多机器人组合分离方法等，是一种适应于多种障碍环境的复合机构机器人装置。

背景技术

国内外小型搜救机器人可分为单体机器人和组合式机器人，单体机器人移动装置可分为如下几类：单节履带式，双节履带式，多节履带式，轮履复合式以及自重式；组合式机器人可分为模块组合式和结构组合式(参见参考文献[1]，文献列表见背景技术最后部分，下同)。

单节履带式结构(参见图1(a)、图1(b)和参考文献[2])，该结构简单，驱动控制方便；但是由于机构总体相对较小，在越障爬梯中不能发挥较大的优势。国内外开发此种机器人较多，如美国福斯特-米勒公司和奎蒂克公司共同研制的“剑”移动机器人(参见图2)。

双节履带式结构(参见图3(a)、图3(b)和参考文献[3])，此种结构的机器人完全具备了单节履带式机器人的特性，由于其安装了摇臂机构，使得双履带式机器人的越障能力有了提高；但是此种机器人控制复杂，越障高度受到其摇臂尺寸的限制。此种机器人的应用也很成熟，如美国福斯特-米勒公司开发的“鹰爪”无人作战平台(参见图4)。

多节履带式结构(参见图5(a)和图5(b))，它比双节履带式结构多了一组摆臂，也使得他的越障能力增强，移动更加平稳；但是结构复杂，自重与动力要求更高，控制更加复杂。这种结构的机器人技术也比较成熟，应用较多。如我国自行生产的“灵蜥-B”型排爆机器人(参见图6)。

轮履复合式结构(参见图7和参考文献[4])，此结构由三节组成，中间为轮子，两端为履带，与多履带结构相似，但他即具有轮式结构的快速性，又具有履带式结构的平稳性。此机器人的应用也比较广泛，如美国Remotec公司的Mini-Andros II机器人(参见图8)。

自重式结构，此种结构机器人正在研制中，还没有得到应用。

组合式机器人(参见参考文献[5]～[7])，此种机器人由多个相类似的子机器人组成，这些子机器人可以自由连接，相互连接后，共同实现越障功能，分离后便可成为独立的个体，其结构如图9所示。此种机器人也仅仅在研究状态，还没有得到广泛应用。

小结：小型移动机器人结构除此之外，其他异性结构也处在广泛的研究中，变形式、行走式机器人都相应的取得了一些理论成果(参见参考文献[8]、[9])，但大多都没有得到实际应用。

由阅读与小型机器人相关文献可知，现有的单体或组合式机器人在搜救应用中存在各种问题。比如，单体机器人在爬楼梯、过沟渠、翻越障碍物等方面都要求其机器人主体尺寸大于被翻越障碍物尺寸，但是在进入小型管道或者狭小洞口等障碍时又要求机器人主体尺寸小，导致单体机器人对灾难现场复杂环境的适应性较差；现有的组合机器人以模块机器人为主，相互配合翻越障碍，各个模块功能单一，对接复杂，对接装置占用空间大，且各个模块间的依赖性较强等问题。

参考文献：

[1]陈淑艳.移动机器人履带行走装置的构型与机动性能研究[D].中国扬州：扬州大学，2008.51-80.

[2]汤亚锋.履带式移动机器人与地面相互作用特性研究[D].中国长沙：国防科学技术大学研究生院，2006.111-66.

[3]信建国，李小凡，王忠，等.履带腿式非结构环境移动机器人特性分析[J].机器人ROBOT，2004.1，26(1)：35-39.

[4]李智卿，马书根，李斌，王明辉.轮-履复合可变形机器人的移动机构参数分析[J].中国机械工程，2009.10，20(19)：2320-2325.

[5]Houxiang Zhang，Wei Wang&Zhicheng Deng.A Novel Reconfigurable Robot forUrban Search and Rescue [J].International Journal of Advanced Robotic Systems，Vol.3，No.4(2006)ISSN 1729-8806，pp.359-366.

[6]清华大学.可分解重构的多机器人移动系统的多种单元结构[P].CN 00103054.X2000-07-12.

[7]北京航空航天大学.一种可对接的履带式移动机器人[P].CN200610089313.42006-11-15.

[8]Robin R.Murphy.Marsupial and shape-shifting robots for urban search andrescue [J].IEEE INTELLIGENT SYSTES 2000.

[9]中国科学技术大学.一种适应于多种障碍环境的复合机构机器人装置[P].CN200510122925.4 2005-5-24.

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种可快速分离、结合的组合搜救机器人，其利用了可伸缩摆臂和母子机分离结构，对灾难现场复杂环境的适应性较强，各组成模块功能丰富，相互依赖性小，且其对接装置简单，占用空间小。

本发明所采用的技术方案是：可快速拆卸的组合搜救机器人包括母机器人、子机器人，母机器人和子机器人上还分别设有相互配合的可分离式母子机连接机构。

本发明的优点有：其可伸缩摆臂对灾难现场复杂环境的适应性较强，母子机分离结构增强了机器人的机动性能和越障性能。各组成模块功能丰富，相互依赖性小，且其对接装置简单、快速，占用空间小。

附图说明

图1(a)是单节履带式结构的主视图。

图1(b)是单节履带式结构的俯视图。

图2是“剑”移动机器人。

图3(a)是双节履带式结构的主视图。

图3(b)是双节履带式结构的俯视图。

图4是“鹰爪”无人作战平台。

图5(a)是多节履带式结构的主视图。

图5(b)是多节履带式结构的俯视图。

图6是“灵蜥-B”型排爆机器人。

图7(a)是轮履复合式结构的主视图。

图7(b)是轮履复合式结构的俯视图。

图8是Mini-Andros II机器人。

图9是组合式机器人结构。

图10是实验状态下的组合机器人。

图11是搜救机器人结构的等轴测图。

图12(a)是伸缩越障机构的示意图。

图12(b)是伸缩越障机构的等轴测剖视图。

图13(a)是可快速分离式母子机结构尚未固紧连接时的示意图。

图13(b)是可快速分离式母子机结构已固紧连接时的示意图。

图14(a)是连接装置剖面图。

图14(b)是链接装置的示意图。

图14(c)是槽轮机构示意图。

图15(a)～(d)是机器人越障过程示意图。

图中，1：伸缩越障机构；101：摆臂主体；102：导向键；103：伸长杆；104：摆臂轮；105：螺杆驱动机构；106：螺杆后螺母；107：螺杆后挡圈：108：螺杆；109：螺杆前挡圈：110：螺杆前螺母；111：螺杆驱动连接头；112：螺母；113：摆臂连接定位台；2：母机器人；3：可分离式母子机连接机构；301：接头端盖；302：大齿轮挡板；303：定位销；304：小齿轮；305：接头底座；306：锁销；307：锥形接头；308：连接螺纹孔；309：锁销固定销；310：母机器人配合接口；311：槽轮机构；4：子机器人。

具体实施方式

下面结合附图详述本发明的技术方案。

如图11所示，可快速拆卸的组合搜救机器人，包括母机器人2、子机器人4，母机器人2和子机器人4上还分别设有相互配合的可分离式母子机连接机构3。

在优选的实施方式中，如图11和图12(a)所示，母机器人2两侧还设有伸缩越障机构1，该结构包括相互连接的摆臂主体101和伸长杆103，摆臂主体101通过摆臂连接定位台113安装在母机器人2的机身上，伸长杆103可拉伸。伸长杆103的末端还设有摆臂轮104。

在优选的实施方式中，如图12(b)所示，摆臂主体101内安装有螺杆108和螺杆驱动机构105，伸长杆103与螺母112固联，摆臂主体101和伸长杆103之间还设有导向键102。螺杆108通过螺杆驱动连接头111与螺杆驱动机构105相连接，螺杆驱动连接头111位于螺杆驱动机构105的前端。螺杆108与螺母112相配合，螺杆108前端还设有防止伸长杆103脱落的螺杆前挡圈109，螺杆前挡圈109用螺杆前螺母110固定在螺杆108上。螺杆108后端用螺杆后螺母106将螺杆后挡圈107固定在螺杆108上，并利用螺杆后挡圈107与螺杆驱动机构105的相互作用将螺杆108固定在摆臂主体101内。导向键102对螺杆108和伸长杆103之间的相对运动起约束作用。螺杆后挡圈107设置在摆臂主体101内，螺杆前挡圈109设置在伸长杆103内。

在优选的实施方式中，子机器人4的外型尺寸小于母机器人2的二分之一。

在优选的实施方式中，如图14(a)和14(b)所示，可分离式母子机连接机构3包括设置在子机器人4前部的锥形接头307和母机器人2头部与锥形接头307相配合的母机器人配合接口310。

在优选的实施方式中，锥形接头307尾端打有连接螺纹孔308，锥形接头307通过连接螺纹孔308与子机器人4相固连。母机器人配合接口310内的接头底座305上设有大齿轮挡板302和小齿轮304，大齿轮挡板302与小齿轮304相啮合。母机器人配合接口310上盖有接头端盖301。

在优选的实施方式中，如图14(a)、14(b)和14(c)所示，可分离式母子机连接机构3上设置槽轮机构311，该机构包括大齿轮挡板302、定位销303、锥形接头307和锁销306。定位销303设置在母机器人配合接口310内的接头底座305上，定位销303对大齿轮挡板302的旋转起限定作用。锥形接头307上设有锁销306，锁销306通过锁销固定销309与锥形接头307固连。对接时，锥形接头307进入母机器人配合接口310内，由小齿轮304旋转带动大齿轮挡板302旋转，同时锁销306被大齿轮挡板302和接头底座305固定，实现子机器人4和母机器人的连接。

本发明的机器人具有通常的越障机器人的基本功能(参见图11)，分别由两种可独立移动的简单机器人主动单元(母体单元和子单元)和连接器组成。其中，母体单元包括母机器人2和用于越障的伸缩越障机构1两部分，在母机器人2内部和伸缩越障机构1上分别安装多个驱动电机；子机器人4是可实现独立控制前进后退、自由转向，并携带补给箱的独立机器人；在母、子机器人间安装有可快速拆卸的可分离式母子机连接机构3。

与现有的越障机器人相比较，本发明的母机器人2部分，带有用于越障的伸缩越障机构1，在平地移动时，伸缩越障机构1的摆臂机构收起，减少了机器人的总体尺寸空间；当机器人爬台阶、翻越障碍或者越过沟渠时，可以依据障碍物的尺寸自由伸长摆臂，实现翻越。此设计使得本发明机器人对障碍物环境的适应能力更强，能翻越更大尺寸的障碍。与组合式机器人相比较，母、子机器人间的对接装置(即可分离式母子机连接机构3)仅用一个电机控制，具有体积小、连接迅速、对接方便、连接可靠、可自由分离等优点，为组合机器人连接方式提出了新的解决方法。从整体而言，母机器人2主要负责翻越障碍，携带主要的搜救物质；子机器人4体积小巧，可随同母机器人2一同翻越障碍，到达孔洞等母机器人2无法穿越的障碍时，子机器人4与母机器人2脱离，实现搜索与救援。本发明机器人的母子组合方式，使得机器人能够更加适应不同的搜救环境，扩展了机器人搜救的能力。

下面描述本发明的具体工作原理。

图11为整个发明的结构简图，其主要由伸缩越障机构1、母机器人2、子机器人4、可分离式母子机连接机构3构成。

一.伸缩越障机构1的设计

为适应不同高度的障碍物，机器人用于攀爬的摆臂设计为多级可伸缩性。其所采用的步进电机及其减速机构能精确保证摆臂的伸缩达到所需的长度。多级伸缩长度可以让机器人在试探障碍物高度后，能够找到与障碍物相匹配的摆臂的伸缩长度。其结构简图如图12(a)和12(b)。

摆臂的伸缩主机构包括螺杆108与螺母112，利用螺杆108与螺母112的相对运动将旋转运动变为直线运动，其运动关系为：L＝Pφ/2π(L为摆臂的伸缩长度；P为螺杆的导程或螺距；φ为螺杆的角位移)。在螺杆108传动螺母112移动中，螺杆108为主动件，与螺母112固联的伸长杆103为从动件，同时在摆臂主体101与伸长杆103之间设有导向键102来限制伸长杆103的径向转动，以确保将螺杆108的旋转运动转化为螺母112的直线运动，从而实现了摆臂的伸缩运动。

在具体应用中，根据控制电路把螺杆108的步进电机转速设定为500r/min，螺杆108的螺距为P＝1mm，摆臂可伸缩位移为D＝50mm，故摆臂伸缩时间最长为T＝6s。电机与螺杆108间采用螺杆驱动连接头111(可采用六边形联轴器)链接，螺杆108底部设有螺杆后挡圈107用螺杆后螺母106固定，在螺杆顶端设有螺杆前挡圈109用螺杆前螺母110固定，起限位作用，保证伸长杆103不脱节。

二.采用母机器人2翻越，子机器人4穿越的组合越障结构

机器人整体尺寸大小一般很难变化，为了能穿越狭小空间，进行救护，此发明机器人分为两节，可合可分，子机器人4体积为母机器人2的八分之一大小，分离后能穿越更小的空间，因此扩大了机器人在灾难现场的活动范围。母子机身合体运动，可以前进后退，转弯爬高，直至移动到幸存者的身旁。当遇到狭小空间，机器人整体无法穿越以到达幸存者身边时，子机器人4从母体(即母机器人2)分离，独立运动进行搜救，母体可以给机器人多次供应急救物品。当机器人需要实现多种运动，子机器人4可以再次与母体接合。

三.可快速分离式母子机连接结构3设计

子机器人4前部分安装有锥型接头307，母机器人2头部装有与之配合的母机器人配合接口310。根据锥体结构的导向作用锥型接头307进入母机器人配合接口310，然后在母机器人2内部的结合部分，电机带动小齿轮304旋转，从而带动大齿轮挡板302旋转，由于大齿轮挡板302上设置槽轮机构311，当大齿轮挡板302旋转到90度，遇到定位销303停止转动，此时由于锥形接头307上的锁销306被大齿轮挡板302和接头底座305固定，从而达到前后部分的锁紧状态。

本发明着重于小型机器人发明，但也可以根据具体应用环境增大尺寸。按照小型化要求，已设计并开发出一款小型机器人，其主要性能指标为：

1)体积：300mm×158mm×98mm；

2)质量：2.2kg；

3)最高速度：＞3.6km/h；

4)越障高度：＜160mm；

5)跨越沟宽度：＜220mm；

6)可进最小空间：＞90mm×70mm×55mm；

7)控制方式：无线，遥控。

机器人越障过程如图15。

步骤1：如图(a)，机器人碰到障碍物时，通过感知障碍物高度，调节摆臂的身长，使母体摆臂轮104越过障碍物。

步骤2：如图(b)，摆臂转动，子机器人4后轮此时成为辅助驱动轮，保证整个机器人不向后移动，同时与摆臂一同驱动整个机器人前进。

步骤3：如图(c)，在子机器人4与摆臂的配合下使母体大轮越过障碍物，继续转动摆臂，使机器人整体重心前移，当整个机器人重心越过障碍物后，收起摆臂。

步骤4：如图(d)，由于此时重心已经跨越到障碍物上，机器人很容易爬过障碍物。

Claims (3)

1.可快速拆卸的组合搜救机器人，其特征在于：其包括母机器人（2）、子机器人（4），子机器人（4）外型尺寸小于母机器人（2）的二分之一；

母机器人（2）和子机器人（4）上还分别设有相互配合的可分离式母子机连接机构（3），所述可分离式母子机连接机构（3）包括设置在子机器人（4）前部的锥形接头（307）和母机器人（2）头部与锥形接头（307）相配合的母机器人配合接口（310）；

所述锥形接头（307）尾端打有连接螺纹孔（308），锥形接头（307）上设有锁销（306）；母机器人配合接口（310）内的接头底座（305）上设有大齿轮挡板（302）和小齿轮（304），大齿轮挡板（302）与小齿轮（304）相连接；

母机器人（2）两侧还设有伸缩越障机构（1），伸缩越障机构（1）包括相互连接的摆臂主体（101）和伸长杆（103），摆臂主体（101）通过摆臂连接定位台（113）安装在母机器人（2）的机身上，伸长杆（103）可拉伸。

2.根据权利要求1所述的组合搜救机器人，其特征在于：摆臂主体（101）内设有螺杆（108）和螺杆驱动机构（105），伸长杆（103）与螺母（112）固联，摆臂主体（101）和伸长杆（103）之间还设有导向键（102）。

3.根据权利要求1所述的组合搜救机器人，其特征在于：可分离式母子机连接机构（3）上设置槽轮机构（311），该机构包括大齿轮挡板（302）、定位销（303）、锥形接头（307）和锁销（306）。

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