CN102193558B - 可缩放的基于风滚草仿生的被动驱动型探测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可缩放的基于风滚草仿生的被动驱动型探测机器人，属于自动探测装置技术领域，尤其涉及一种可缩放基于风滚草仿生的被动驱动型球形探测机器人。解决了探测机器人的体积较大，不利于运载和发射的问题。该探测机器人中轴包括：第一杆(9-1)、电动推杆(15)和第二杆(9-2)；电动推杆(15)的推杆部分的上端和电动推杆(15)的下端分别与第一杆(9-1)和第二杆(9-2)套结，并经过孔以及螺栓和螺母连接；第一杆(9-1)的另一端与外围骨架的上顶点焊接，第二杆(9-2)的另一端与外围骨架的下顶点焊接。第一、二杆和电动推杆连接成可伸缩的中轴，电动推杆带动实现机器人骨架收缩，从而体积减小，便于运载和发射，更好的实现星球探测。

Description

可缩放的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球形探测机器人。

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。

2010年8月9日申请，专利申请号为201010246302.9，发明名称为“基于风滚草仿生的被动驱动型探测机器人”由高强度钢丝制作的球形骨架和附着于骨架上的多组可充气气囊组成。气囊由气泵充气，利用电磁阀控制充放气过程。依靠风力驱动，通过调节气囊充气程度实现调速，初步实现了滚动、调速、爬坡等功能。但是此机器人没有考虑星球探测这种应用环境对机器人的特殊要求，体积较大，不利于运载和发射。

发明内容

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

本发明解决其技术问题的技术方案：

一种可缩放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和经向龙骨；所述经向龙骨均为半圆环状，两端分别与中轴固定连接。

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。

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；中轴的长度为1米时，中轴的中心处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。

在所述载物平台和球形骨架之间设置十二个气囊，每个气囊附着在径向骨架上，气泵通过电磁阀与气囊相连，由电磁阀控制气路的通断对气囊进行充气或放气。

所述的中轴包括：第一杆、电动推杆和第二杆。

电动推杆的推杆部分的上端和电动推杆的下端分别与第一杆的一端和第二杆的一端套结，并经过孔以及螺栓和螺母连接；

第一杆的另一端与外围骨架的上顶点焊接，第二杆的另一端与外围骨架的下顶点焊接。

所述的中轴的长度范围是1米到1.3米；电动推杆的长度是0.3米到0.6米；第一杆的长度是0.1米，第二杆的长度是0.6米。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果：

由于本发明的中轴由第一、二杆和电动推杆连接成可伸缩的中轴，实现了机器人骨架收缩，使得体积减小，便于运载和发射，更好的实现星球探测。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明：

图1为可缩放的基于风滚草仿生的被动驱动型探测机器人的主视图；

图2为载物平台结构图；

图3为探测机器人在拆除气囊、管路后的部件装配俯视图；

图4为探测机器人的管路连接示意图；

图5a为机器人正常状态下的骨架图；

图5b为机器人收缩后的骨架图；

图6a为第一和第一杆与电动推杆的连接主视图；

图6b为图6a的a处的放大图；

图6c为第一和第一杆与电动推杆的连接左视图；

图6d为图6c的b处的放大图；

图7a为电动推杆未伸长时的图；

图7b为电动推杆伸长时的图；

图8a-c为探测机器人运动中的转向控制。

附图中：

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、14-外界、15-电动推杆。

具体实施方式

一种可缩放的基于风滚草仿生的被动驱动型探测机器人，本发明的外观主视图如图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3，并且两头焊接在中轴的两端形成球形骨架，经向龙骨3均匀分布，每一根经向龙骨3上附着一个梭形气囊10。

载物平台的构造如图2所示，在中轴长度为1米时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，环形固定板和矩形固定板中间留有空隙，让管路和电线通过，中轴穿过矩形固定板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，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固定六个电磁阀；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。

所述的中轴包括：第一杆9-1、电动推杆15和第二杆9-2。

电动推杆15的推杆部分15-1的上端和与第一杆9-1的一端套结，并经过孔15-2和第一杆9-1的孔以及螺栓和螺母连接；电动推杆15的下端与第二杆9-2的一端套结，并经过孔15-4和第二杆9-2的孔以及螺栓和螺母连接。

第一杆9-1的另一端与外围骨架的上顶点焊接，第二杆9-2的另一端与外围骨架的下顶点焊接，如图6所示。

所述的中轴的长度范围是1米到1.3米；电动推杆15的长度是0.3米到0.6米；第一杆9-1的长度是0.1米，第二杆9-2的长度是0.6米。

六个气泵7分别通过十二个电磁阀1和十二个气囊10相连，如图3所示，由电磁阀控制气路的通断对气囊进行充气或放气。每个气泵连接两个电磁阀，每两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放气状态。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的细口中的二个与气囊连接，另外一个细口与外界连通，三个细口的通断可单独控制。每一个气囊都有二个气孔，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。12V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：如图4所示，给第一气囊10-1、第二气囊10-2充气时，打开气泵7-1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14吸收气体，经过充气口7-2再通过第一电磁阀1-1的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。

给第一气囊10-1、第二气囊10-2放气时，打开气泵7-1和第二电磁阀1-2的A2口、C2口以及第一电磁阀1-1的B1口，关闭B2口、A1口和C1口，气泵工作时通过放气口7-3以及第二电磁阀1-2的A2口和C2口从第一气囊10-1、第二气囊10-2吸收气体，经过气泵再通过第一电磁阀1-1的B1口将空气释放到外界14。再通过控制放气时间得到气囊的不同的充气状态。

以上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，每组的两个气囊之间都间隔四个气囊。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两个气囊充气或者放气的概率，从而保证充放气的效率。

分组方案二：

将全部十二个气囊以相邻的四个分为三组。气泵给一组中间的两个气囊或者两边的充放气。

本实施例的探测机器人在发射运载阶段，可以控制电动推杆伸长，使中轴的长度逐渐增加，由于经向龙骨与中轴的两端焊接在一起，所以中轴的伸长带动经向龙骨的弧度减小，沿着中轴收缩，同时气囊完全放气，使得整个机器人从球体收缩成椭球形，实现机器人收缩。当中轴的长度由1米变为1.3米时，经过三维建模计算体积收缩率可以达到20％以上，便于运载和发射。

本探测机器人到达目的地时可以展开：电动推杆收缩，中轴的长度由1.3米变为1米，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8a所示为风向一定时，机器人直线行进时的气囊充气状态，其中阴影部分表示充气的气囊，白色部分表示未充气的气囊；如图8b所示为风向一定时，机器人向右下方行进时的气囊充气状态，其中阴影部分表示充气的气囊，白色部分表示未充气的气囊；如图8c所示为风向一定时，机器人向右上方行进时的气囊充气状态，其中阴影部分表示充气的气囊，白色部分表示未充气的气囊。

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 (2)

1.一种可缩放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和经向龙骨；所述经向龙骨均为半圆环状，两端分别与中轴固定连接；

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；

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；中轴的长度为1米时，中轴的中心处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；

在所述载物平台和球形骨架之间设置12个气囊，气泵通过电磁阀与气囊相连，由电磁阀控制气路的通断对气囊进行充气或放气；

其特征在于，中轴包括：第一杆(9-1)、电动推杆(15)和第二杆(9-2)；

电动推杆(15)的推杆部分的上端和电动推杆(15)的下端分别与第一杆(9-1)的一端和第二杆(9-2)的一端套结，并经过孔以及螺栓和螺母连接；

第一杆(9-1)的另一端与外围骨架的上顶点焊接，第二杆(9-2)的另一端与外围骨架的下顶点焊接。

2.如权利要求1所述的探测机器人，其特征在于，所述的中轴的长度范围是1米到1.3米；

电动推杆(15)的长度是0.3米到0.6米；

第一杆(9-1)的长度是0.1米，第二杆(9-2)的长度是0.6米。

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