CN102087528A

CN102087528A - 基于风滚草仿生的被动驱动型探测机器人

Info

Publication number: CN102087528A
Application number: CN2010102463029A
Authority: CN
Inventors: 张秀丽; 姚燕安; 张丽君; 刘增元; 张泽楠; 路天玙
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2010-08-05
Filing date: 2010-08-05
Publication date: 2011-06-08

Abstract

本发明提供了一种新型的基于风滚草仿生的被动驱动型探测机器人。该探测机器人采用多气囊球形骨架结构，通过控制气囊的充气状态调整迎风面，进而改变探测机器人的运动轨迹，实现加速、减速以及转向，提高了风滚草机器人的探测能力。

Description

基于风滚草仿生的被动驱动型探测机器人

技术领域

本发明属于自动探测装置技术领域，尤其涉及一种基于风滚草仿生的被动驱动型探测机器人。

背景技术

21世纪能源与资源日趋紧张，促使各国积极探索太空以及地球的未开发领域，星球探索、极地勘探、大洋监测被每一个国家置于高技术战略高度。鉴于星球、极地的极端环境，由人执行探测任务成本太高，机器人成为承担这一战略任务的重要工具。

轮式机器人，如“勇气号”和“机遇号”，或足式机器人，如“Titan”，机械本体结构复杂，相对比较笨重，执行任务时存在能源供给的问题，且轮式和足式运动速度较低、漫游范围有限。相对于轮式和足式机器人，滚动机器人具有更大的机动性和稳定性，且结构简单、能耗低，在极端环境中的活动范围和行动空间很大，更适合环境探测任务，因此近年逐步受到关注。

1996年，Halme研制出第一个球形滚动机器人，该机构的运动原理是通过内部驱动单元(Inside Drive Unit，IDU)的运动来打破球体的平衡，IDU是一个与电机固联的驱动轮，通过轮的转动控制运动方向的改变；随后，Bicchi将一个运动的小车放置在球体的内部做为驱动源，Javadi采用四面体结构做为轮辐，上面携带砝码，研制出一种全方位球形运动机器人；Kim J利用橡胶材质制作了弹性外壳的球形机器人，内部采用摆锤驱动；等等。然而，上述以自身重力作为驱动源的球形滚动机器人不适合应用在星球探测中，必须寻求重力以外的驱动力及能源，实现机器人的滚动。

目前，关于被动驱动的机器人的研究较少，美国航天局(NASA)研制出了“Tumbleweed Rover”极地探测机器人，该风滚草机器人为结构固定的球体，在自然风力的驱动下，机器人随风而走，但其运行路线完全听从风的摆布，很难控制其运动速度和方向。因此，解决运动控制问题，实现对机器人运动速度和方向的调节，进一步实现机器人越障、爬坡功能，是提高风滚草机器人探测能力的必要前提。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种新型的基于风滚草仿生的被动驱动型探测机器人。

所述探测机器人整体外观为球形，其主体采用骨架结构，所述骨架结构包括中轴、经向龙骨以及纬向龙骨；所述经向龙骨均为半圆环状，其两端分别固定在所述中轴的两端；所述纬向龙骨均为圆环状，并分别与所述各经向龙骨在其靠球心的一侧相接。

在所述骨架结构内设置载物平台，用于放置控制系统、电池、气泵以及探测设备，所述载物平台由支撑架、一个矩形固定板和一个环形固定板组成；其中，所述矩形固定板位于载物平台的中部，并且位于所述环形固定板的包围之内，中轴穿过矩形固定板并与其垂直；所述矩形固定板和环形固定板均固定于所述支撑架之上，所述支撑架包含四根支撑轴，分别与中轴垂直固定连接，所述四根支撑轴均位于同一平面，且相邻的两根支撑轴互相垂直。

所述环形固定板的外圈直径小于所述探测机器人最外层的球形骨架的直径，在环形固定板和球形骨架之间设置若干气囊。气囊呈梭状，固定于相应的一根经向龙骨之上，当所有气囊充满气时，其整体外观呈球状。

所述载物平台上设置气泵、电磁阀、控制电路板以及电池，其中矩形固定板用于固定气泵、控制电路板以及电池，环形固定板用于固定电磁阀；两个固定板都分为上下两层，其中，矩形固定板的上下两层分别固定等数量的气泵，而环形固定板的上下两层则分别固定等数量的电磁阀；气泵用弹簧卡子固定在矩形固定板上。环形固定板和矩形固定板中间留有空隙，可以让管路和电线通过。

所述气泵通过电磁阀与气囊相连，由电磁阀控制气路通断。每个气泵连接两个电磁阀，每个电磁阀连接两个气囊。气泵和电磁阀之间以及电磁阀与气囊之间用密封管相连。每一个气囊都有两个气孔，其中一个气孔通过电磁阀与气泵的充气口相连用于充气，另一个气孔则通过电磁阀与气泵的放气口相连用于放气。

相对于以往的风滚草仿生机器人，本发明采用多气囊结构，可以通过对气囊的单独控制，调整探测机器人迎风面的大小和方位，实现在风力驱动下的探测机器人运动的速度大小和方向的改变。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明：

图1为根据本发明实施例的探测机器人的主视图；

图2为根据本发明实施例的探测机器人的载物平台结构图；

图3为根据本发明实施例的探测机器人在拆除气囊、管路后的部件装配俯视图；

图4为根据本发明实施例的探测机器人的管路连接示意图；

图5a-c为根据本发明实施例的探测机器人运动中的转向控制。

附图标记

1-电磁阀、2-弹簧卡子、3-经向龙骨、4-环形固定板、5-螺栓、6-矩形固定板、7-气泵、8-控制电路板、9-中轴、10-气囊、11-支撑轴、12-固定孔、13-管路、14-外界。

具体实施方式

本发明的一个实施例探测机器人，其球形骨架的直径为1m，外观主视图如图1所示。十二根长度约为1.57米、直径是5毫米的轻质高强度金属丝弯曲成半圆的经向龙骨，并且两头焊接在中轴的两端形成球形骨架，经向龙骨均匀分布，中轴由长为1米的空心金属管制成。每一根经向龙骨3上附着一个梭形气囊10，如图1中，通过间隔使用灰色和白色区分相邻的气囊。探测机器人还包含三根纬向龙骨，三根纬向龙骨所在平面与中轴的三个交点将中轴四等分。

载物平台的构造如图2所示，在中轴9的中部设置载物平台，载物平台由支撑架、一个矩形固定板6和一个环形固定板4组成；其中，矩形固定板6位于载物平台的中部，并且位于环形固定板4的包围之内，中轴9穿过矩形固定板6并与其垂直；矩形固定板6和环形固定板4均固定于所述支撑架之上，所述支撑架包含四根支撑轴11，分别与中轴垂直固定连接，所述四根支撑轴11均位于同一平面，且相邻的两根支撑轴互相垂直。矩形固定板6上设有固定孔12。

载物平台用于放置控制系统、电池、气泵及探测设备等，拆除气囊、管路后部件装配的俯视图如图3所示，本实施例的探测机器人包含六个气泵、十二个电磁阀；其中矩形固定板6用于固定气泵7、控制电路板8以及电池，环形固定板4用于固定电磁阀1。矩形固定板6的上下两层分别固定三个气泵，而环形固定板的上下两层则分别六个电磁阀；气泵7用弹簧卡子2、螺栓5固定在矩形固定板6上。如此设计的目的在于使探测机器人的重心与球体的球心相重合，从而达到减少滚动时的阻力并且防止侧偏的目的。

气泵通过电磁阀与气囊相连，由电磁阀控制气路通断。每个气泵连接两个电磁阀，每个电磁阀连接两个气囊。气泵和电磁阀之间以及电磁阀与气囊之间用密封管相连，控制电路板控制气泵以及电磁阀的开闭，从而改变和控制气囊的充气状态。气泵工作电压是12V，工作电流是1.8A，有两个孔与外界流通，一个吸气孔，一个放气孔。电磁阀是一进三出的阀，直径20mm的粗口和气泵相连，直径8mm的细口中的2个与气囊连接，另外一个细口与外界连通，三个细口的通断可单独控制。每1个气囊都有2个气孔，其中一个通过电磁阀与气泵的充气口相连用于充气，另外则通过电磁阀与气泵的放气口相连用于放气。充放气连接关系如图4所示，图中画出了一组气囊、气泵和电磁阀的连接。12伏的锂电池用于气泵、电磁阀和控制电路板的电能供应。

工作原理如下：如果给图4中的第一气囊10-1、第二气囊10-2充气时，打开气泵7和第一电磁阀1-1的A1口、C1口以及第二电磁阀1-2的B2口，关闭B1口、A2口、C2口，气泵工作时通过B2口从外界吸收气体，通过A1口、C1口分别向第一气囊10-1、第二气囊10-2充气。再通过控制充气时间得到气囊的不同充气状态，放气的原理与此类似。分析可知，如图所示的连接可以实现两个气囊的单独充放气或者同时充放气。气囊可以采用如下两种方式进行分组：

分组方案一：

将气囊按照两个一组分组，方案如下，一个气泵给间隔四个气囊的两个气囊充气，分组方案如图6所示其中1和6，2和7，3和8，4和9，5和10，11和12分别为一组，这样连接到同一个气泵的气囊在球体的各个运动模式中同时充放气的概率最小，也就是减小了一个气泵同时给2个气囊充气或者放弃的概率，从而保证充放气的效率高。

分组方案二：

将全部十二个气囊以1～4、5～8、9～12的编号分为三组，依次命名为第一组、第二组和第三组。第一组中编号为2和3的气囊共用一个气泵，编号为1和4的气囊共用一个气泵，同理在另外两组中，编号为5和6、4和7、10和11、9和12的气囊分别共用一个气泵。

本实施例的探测机器人工作时：打开气泵和电磁阀的充气口，给所有的气囊充满气，构成完整的球面作为迎风面，即达到了探测机器人在风力驱动下的全速行进的状态。

探测机器人行进过程中，需要其停止时，通过气泵给所有的气囊放气，使整个球体的迎风面最小，驱动力近似为零，在阻力的作用下，探测机器人速度迅速减小至零。

调速：打开气泵，控制电磁阀的不同口的电路通断，将所有的气囊都放掉一部分气体，减少整个探测机器人的迎风面积，球体受到的驱动力改变，从而实现了探测机器人减速，同理可以加大迎风面积，实现加速。

转向：通过控制电磁阀的部分通断，可以实现某侧的气囊充满气体，另一侧的气囊不充气，构成一定角度的迎风面，运动中动态调节迎风面，以类似于风帆控制的原理实现探测机器人转向功能，如图5所示。

越障：探测机器人的运行环境是外星球，其地面环境复杂，理论上，探测机器人能越过小于自身半径的障碍物，另外，由于气流能够沿坡面上行，所以，这种基于风力驱动的探测机器人能够爬上一定角度的坡面，有利于适应极端环境。

Claims

1.一种基于风滚草仿生的被动驱动型探测机器人，其特征在于，所述探测机器人整体外观为球形，其主体采用骨架结构，所述骨架结构包括中轴、经向龙骨以及纬向龙骨；

在所述骨架结构内设置载物平台，载物平台上的设备包括控制电路板、气泵以及电磁阀；

在所述载物平台和球形骨架之间设置若干气囊，所述气泵通过电磁阀与气囊相连，由电磁阀控制气路通断对气囊进行充气或放气。

2.如权利要求1所述的探测机器人，其特征在于，所述经向龙骨均为半圆环状，其两端分别固定在所述中轴的两端。

3.如权利要求1所述的探测机器人，其特征在于，所述纬向龙骨均为圆环状，并分别与所述各经向龙骨在其靠球心的一侧相接。

4.如权利要求1所述的探测机器人，其特征在于，所述载物平台由支撑架、一个矩形固定板和一个环形固定板组成；其中，所述矩形固定板位于载物平台的中部，并位于所述环形固定板的包围之内；中轴穿过所述矩形固定板并与其垂直；所述矩形固定板和环形固定板均固定于所述支撑架之上，所述支撑架包含四根支撑轴，分别与中轴垂直固定连接，所述四根支撑轴均位于同一平面，且相邻的两根支撑轴互相垂直。

5.如权利要求1所述的探测机器人，其特征在于，所述矩形固定板用于固定气泵、控制电路板以及电池，环形固定板用于固定电磁阀；两个固定板都分为上下两层，其中，矩形固定板的上下两层分别固定等数量的气泵，而环形固定板的上下两层则分别固定等数量的电磁阀；环形固定板和矩形固定板中间留有空隙，用于让管路和电线通过。

6.如权利要求1所述的探测机器人，其特征在于，所述气囊呈梭状，固定于相应的一根经向龙骨之上，当所有气囊充满气时，其整体外观呈球状。

7.如权利要求1或6所述的探测机器人，其特征在于，所述每一个气囊都有两个气孔，其中一个气孔通过电磁阀与气泵的充气口相连用于充气，另一个气孔则通过电磁阀与气泵的放气口相连用于放气。

8.如权利要求1所述的探测机器人，其特征在于，所述每个气泵连接两个电磁阀，每个电磁阀连接两个气囊；气泵和电磁阀之间以及电磁阀与气囊之间用密封管相连。