CN102355985A - 具有增强攀爬特征的两轮机器人 - Google Patents

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CN102355985A CN2009801542014A CN200980154201A CN102355985A CN 102355985 A CN102355985 A CN 102355985A CN 2009801542014 A CN2009801542014 A CN 2009801542014A CN 200980154201 A CN200980154201 A CN 200980154201A CN 102355985 A CN102355985 A CN 102355985A
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亚历克斯·J·科塞特
扬·T·伯特
卡塞伊·R·卡尔森
安德鲁·德伦纳
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Abstract

一种机器人，其具有嵌入到设置在两个车轮之间的底盘内的电子监视系统。车轮包括主体部和多个胎面。胎面通常围绕主体部径向地设置并且从主体部的外部分远端向地延伸。主体部通常限定有多个压缩单元并且可以具有大致锥台形的外表面。

Description

具有增强攀爬特征的两轮机器人
相关申请的交叉引用
本申请要求于2008年12月9日提交的美国临时申请No.61/121,141的权益，该申请的全部内容在此通过引用的方式并入。
技术领域
本发明涉及机器人车辆。更具体地，本发明涉及用于监视活动中的具有改进的攀爬能力及轮式移动性的遥控机器人。
背景技术
电子侦察、监视、以及安全监控活动(下文统称为“电子监视”)已经成为用于军事和民间组织等的必需的调查工具。虽然绝非完整的列表，但诸如人质解救、恐怖分子响应、毒品搜查、建筑物搜查、设施监控及现场污染调查等的任务都可以受益于由监视系统所提供的信息。
这种电子监视可以是安装好的摄像机或者可以由便携式移动机器人提供。这些机器人可以移动到被视为不安全的或其它对人不利的区域内，并且典型地通过如在美国专利No.6,548,982(“982专利”)中公开的无线设备将信息转送至远程的人员，该专利的内容在此通过引用的方式并入。
多种现有的监视机器人将车轮结合成它们的机动性及地面牵引的主要模式。但是，这种车轮的主要缺点在于有限的攀爬能力。具体地，机器人的车轮的大小通常决定了机器人能够攀爬的目标的大小。但是，成本及功能性相关的限制通常不允许使用半径大于一定大小的车轮。例如，过大的车轮将增加重量、可见度及投掷的难度，所有这些都将减损机器人的总体效率。因此，车轮的大小不能无限地增加以作为改进监视机器人的攀爬能力的方式。
多种现有的监视机器人使用防止机器人爬越高度小至0.5英寸的目标的车轮。期望的是具有能够爬越高度为1.5英寸至2英寸或更高的障碍物而基本不增加车轮的半径的两轮机器人。
如前述，监视机器人经常用于恶劣的环境中。因此，机器人由使用者从一安全的地点投掷一定的距离到另一可能危险的地点。由机器人撞击诸如墙壁或地面之类的目标而引起的冲击可能潜在地损坏电子部件。因此，存在以减少对机器人的潜在损害的方式来改进对冲击相关的力的吸收的需求。
存有进一步的需求以改进重量的平衡和稳定性、提供用于利用监视机器人来拖运另外的目标的附接点、以及减少与机器人相关的噪音和摩擦。
发明内容
根据本发明的一实施方式的监视机器人基本满足上述的工业需求。监视机器人包括两个联接至本体部的相对端部的车轮。这些车轮通过增强监视机器人的攀爬能力来提供改进的移动性。在一实施方式中，每个车轮都包括带有轮翼的主体部分，这些轮翼从主体部分向外延伸。这些轮翼包括定向成从轮胎的主体部分径向向外的稳定器以及定向成相对于该稳定器成前方位角的接触垫。
本发明的某些实施方式的特征和优点在于当轮翼处于一表面上并在该表面上行驶时，轮翼径向向内地偏转，而在攀爬时，钩形状可以径向向外地延伸至较直的姿态，该较直的姿态提供了对该机器人正在爬越的目标的延伸的抓紧动作。
本发明的某些实施方式的特征和优点在于当车辆向前行驶时，轮翼的径向向内的偏转使壳体的行驶平稳并因此使正在传输的视频流畅。
本发明的某些实施方式的特征和优点在于轮翼提供了超出正常的轮胎和轮胎面所能提供的增强的攀爬能力。此外，弧形轮翼提供了更好更流畅的视频采集和传输性能。
附图说明
图1是现有技术的带有视频功能的监视机器人的立体图；
图2是根据本发明的一实施方式的监视机器人的立体图；
图3A是根据本发明的一实施方式的监视机器人的车轮的侧视图；
图3B是根据本发明的一实施方式的监视机器人的车轮的主视图；
图3C是根据本发明的一实施方式的监视机器人的车轮的立体图；
图4A是根据本发明的一实施方式的监视机器人的车轮的侧视图；
图4B是根据本发明的一实施方式的监视机器人的车轮的主视图；
图4C是根据本发明的一实施方式的监视机器人的车轮的立体图；
图5A是根据本发明的一实施方式的监视机器人的车轮的侧视图；
图5B是根据本发明的一实施方式的监视机器人的车轮的主视图；
图5C是根据本发明的一实施方式的监视机器人的车轮的立体图；
图6是根据本发明的一实施方式的监视机器人的立体图；
图7是根据本发明的一实施方式的监视机器人的前视立体图，其尾部的一部分以剖视图的方式示出；
图8是根据本发明的一实施方式的监视机器人的前视立体图，其尾部的一部分以剖视图的方式示出；
图9是根据本发明的一实施方式的监视机器人的前视立体图，其尾部的一部分以剖视图的方式示出；
图10是根据本发明的一实施方式的监视机器人的仰视图，其摄像头安装件以及尾部的一部分以剖视图的方式示出；
图11是根据本发明的一实施方式的监视机器人的俯视图，其摄像头安装件以及尾部的一部分以剖视图的方式示出；
图12是根据本发明的一实施方式的监视机器人的侧视图，其尾部的一部分以剖视图的方式示出；
图13是根据本发明的一实施方式的监视机器人的侧视图，其尾部的一部分以剖视图的方式示出；
图14是根据本发明的一实施方式的监视机器人的主视图；
图15是根据本发明的一实施方式的监视机器人的后视图，其尾部的一部分以剖视图的方式示出；
图16是根据本发明的一实施方式的监视机器人的尾部的一部分的剖视立体图；
图17是根据本发明的一实施方式的监视机器人的尾部的一部分的剖视立体图；
图18A是根据本发明的一实施方式的监视机器人的车轮的侧视图；
图18B是根据本发明的一实施方式的监视机器人的车轮的侧视图；
图19A是根据本发明的一实施方式的监视机器人的轮胎安装件的侧视图；
图19B是根据本发明的一实施方式的监视机器人的轮胎安装件的主视图；
图20是根据本发明的一实施方式的监视机器人的立体图；
图21是根据本发明的一实施方式的监视机器人的侧视图；
图22是根据本发明的一实施方式的监视机器人的后视图；
图23是根据本发明的一实施方式的监视机器人的主视图；
图24是根据本发明的一实施方式的监视机器人的仰视图；以及
图25是根据本发明的一实施方式的监视机器人的俯视图。
虽然本发明能够修正为多种变型及替代形式，但是其细节已经借助于附图中的示例示出并将被详细描述。然而，应当理解，这并非意在将本发明限制于所描述的具体实施方式。相反，其意在覆盖落入本发明的精神及范围内的所有变型、等同及替代实施方式。
具体实施方式
图1中总体地示出了根据现有技术的机器人。图2中总体地示出了根据一实施方式的以附图标记100表示的监视机器人。与图1的现有技术的机器人类似，监视机器人100通常包括车轮102、本体部104、尾部106、摄像头108及天线109。本体部104设置在多个车轮102的中间并且容置监视机器人的大多数的电子部件及机械部件。摄像头108通常设置在本体部104内并且面向前方、或面向背离尾部106的方向。尾部106通常向后延伸，以便在能够相对于本体部104旋转地驱动车轮102时防止本体部104旋转。天线109通常从本体部104延伸并且连接至用于控制运动并向远程控制器发送图像的收发器电路。
在一实施方式中，车轮102包括轮胎110和轮胎安装件112。轮胎安装件112通常联接至本体部104的相对端部。每个轮胎112通常联接至轮胎安装件112并由此附接至本体部104。能够以多种方式、例如利用螺母或其它相似的紧固构件将车轮102紧固至本体部104。
参照图3A-图3C、图4A-图4C、及图5A-图5C，其示出了轮胎112的多种实施方式。轮胎112具有主体部分、或毂116及轮翼118。每个轮翼118通常包括稳定器部分120、过渡部分121和接触垫122。接触垫122具有尖端124。
可替代地，轮翼118可以被描述成或被称为齿、切片、抓具、刀片、叶片和轮胎面。轮翼118设置于轮胎的主体部分116并且通常从轮胎112的中心向外延伸。在一实施方式中，轮翼118可以是三角状齿，正如图3A-图3C所示。在另一实施方式中，轮翼118也可以是瓣状叶片，正如图4A-图4C所示。在又一实施方式中，轮翼118包括一对限定有楔形间隙的隔开瓣，正如图5A-图5C所示。
在前述及其它的实施方式中，轮翼118在轮胎112的主体部分116的外表面上周向地间隔开。轮翼118以各个轮翼118之间成角度地且间隔开地向外延伸。在一实施方式中，轮翼118在主体部分116或轮胎的外圆周上以介于大约三十度与六十度之间的相等增量间隔开。在另一实施方式中，轮翼118在主体部分116或轮胎的外圆周上以大约四十五度的相等增量间隔开。当前部定位的轮翼118具有位于车轮102的轴线的正上方的面向下的接触垫122时，位于车轮102的轴线的正下方的轮翼118朝向该轴线偏移。这允许旋转的前部定位的轮翼118接合高度大于轮胎半径的障碍物的顶表面并且通过车轮102的旋转进一步向上驱动监视机器人100并越过该障碍物。
轮翼118通常能够偏转。当监视机器人100沿地形前进时，接触垫124和过渡部分121可以朝轮胎的本体部116的外表面弯曲。稳定器部分120也可以朝轮胎的本体部116的外表面弯曲。这样，监视机器人100能够实现高水平的行驶。当不同的轮翼118接合地面时，监视机器人能够以较直线的方式行进而非沿下降-上升的循环行进。参照图18B，在操作中，轮翼118在接合地面时偏转，并在它们旋转离开地面时回到它们各自的静止位置。这能够改进由装置所记录和/或传递的图像的稳定性并由此改进监视活动的效率。
在多个实施方式中，轮胎112的端部轮廓基本为锯齿形，正如图3A所示。呈齿状的轮翼118定向成沿向前转动的方向倾斜。这为前部定位的齿提供了在轮胎转动时的障碍物抓紧表面、或尖端126。齿角设计成使得齿的抓角、或水平接触垫124从延伸穿过轮胎112的中心或轴线的水平线竖直地向上偏移，并在该旋转位置比位于轮胎112的中心或轴线下方的齿靠前定位。该齿于是能够抓紧高度比轮胎112的半径大的障碍物的顶表面，而位于轮胎112下方的齿通过抵接障碍物的面对侧而不会妨碍抓紧。
参照图18A，其总体地示出了根据本发明的一实施方式的轮胎112的几何形状。轮胎112具有中心点c(t)和半径r(t)。轮胎112的主体部分116与轮胎112共用共同的中心点c(t)且具有半径r(mp)。轮翼118具有介于稳定器部分120与接触垫122之间的曲率半径r(c)。轮翼118具有位于轮胎112的主体部分116的外表面与轮翼118上的点p(p)之间的稳定长度l(s)，稳定器部分120在点p(p)处过渡至接触垫122内。轮翼118具有介于轮胎112的主体部分116的外表面与尖端126之间的径向长度l(r)。
轮翼118通常逐渐变细以使其厚度朝尖端126的方向减小。在一实施方式中，轮翼在点p(p)处的厚度介于大约0.05英寸与大约0.15英寸之间。在另一实施方式中，轮翼在点p(p)处的厚度大约为0.10英寸。在一实施方式中，轮翼118在靠近接触垫124的尖端126处的厚度介于大约0.02英寸与大约0.08英寸之间。在另一实施方式中，轮翼118在靠近接触垫124的尖端126处的厚度大约为0.05英寸。
在一实施方式中，轮翼118具有介于大约0.50英寸与大约1.0英寸之间的径向长度l(r)。在另一实施方式中，轮翼118具有大约0.26英寸的径向长度l(r)。在一实施方式中，轮翼118具有介于大约0.25英寸与大约0.75英寸之间的稳定长度l(s)。在另一实施方式中，轮翼118具有大约0.48英寸的稳定长度l(s)。在一实施方式中，轮翼118在靠近轮胎112的主体部分116的外表面的宽度介于大约0.30英寸与0.90英寸之间。在另一实施方式中，轮翼118在靠近轮胎112的主体部分116的外表面的宽度大约为0.60英寸，并且与主体部分116的外表面的宽度基本相同。
在一实施方式中，稳定器部分120定向成相对于轮胎112的主体部分116的切线成介于大约45度与大约115度之间的角度。在另一实施方式中，稳定器部分120定向成相对于轮胎112的主体部分116的切线成大约90度的角度。在一实施方式中，接触垫124定向成相对于稳定器部分120成介于大约45度与大约115度之间的角度。在另一实施方式中，接触垫124定向成相对于稳定器部分120成大约90度的角度。在一实施方式中，过渡部分121具有介于大约0.15英寸与大约0.45英寸之间的曲率半径。在一实施方式中，过渡部分121具有大约0.30英寸的曲率半径。
在一实施方式中，轮胎112具有介于大约1.5英寸与大约3.1英寸之间的半径r(t)。在另一实施方式中，轮胎112具有大约2.3英寸的半径r(t)。在一实施方式中，轮胎116的主体部分116具有介于大约1.0英寸与大约2.0英寸之间的半径r(mp)。在另一实施方式中，轮胎116的主体部分116具有大约1.5英寸的半径r(mp)。在一实施方式中，车轮的锥台形状由介于大约1.5英寸与大约4.1英寸之间的圆半径限定。在另一实施方式中，车轮的锥台形状由大约3.3英寸的圆半径限定。
在一实施方式中，轮翼的径向长度l(r)与轮胎112的半径r(t)之间的比率介于大约1∶1与大约1∶4之间。在另一实施方式中，轮翼的径向长度l(r)与轮胎112的半径r(t)之间的比率大约为1∶2。在一实施方式中，稳定器部分118的稳定器高度h(t)与轮翼的径向长度l(r)之间的比率介于大约1∶3与大约1∶1之间。在另一实施方式中，稳定器部分118的稳定器高度h(t)与轮翼的径向长度l(r)之间的比率大约为2∶3。
在一实施方式中，轮翼118由具有在邵氏A硬度计上的介于大约60与100之间的邵氏硬度的材料制成。在另一实施方式中，轮翼118由具有在邵氏A硬度计上的大约80的邵氏硬度的材料制成。该相对硬度与轮翼118的几何形状一起允许轮胎112以介于大约10％与大约45％之间的偏转来支承监视机器人100的重量。在另一实施方式中，相对硬度与轮翼118的几何形状一起允许轮胎112以大约20％的偏转来支承监视机器人100的重量。
轮胎可以还具有与各个轮胎的本体部相对地轴向定位的中心吸震部分。例如当机器人被投掷并以一端或另一端着地时，该轴向延伸部分提供吸震的能力。所述中心吸震部分可以是圆顶状的、锥台状的或圆顶锥台状的。在优选的实施方式中，齿型将延伸并成为中心吸震部分的一部分，或者吸震部分另外地具有空隙、切除部分、间隙。这样可以提供增强的震动吸收，同时使轮胎的重量最小化。
轮胎可以对不同的部分采用不同的复合物，以提供优化的性能。例如，弯曲的齿的内侧能够比车轮的外侧地面接合部分软，并具有更大的抓紧能力。
尾部106具有主体部分130、近端部132和远端部134。参照图6-图17，尾部106通常从监视机器人相对于摄像头108向后延伸。尾部108的主体部分130基本是刚性的。主体部分130在相对于尾部108的长度的上下方向上通常是足够刚性的，以便在车轮102旋转并攀爬障碍物时防止本体部104旋转。通过在车轮102爬越目标时提供用于监视机器人100的支架并重新分配监视机器人100的重量，尾部108的主体部分130的刚度也增强了监视机器人100的攀爬能力。
在一实施方式中，尾部108的主体部分130沿横向方向是柔性的。为此目的，“横向方向”意指平行于车轮102的轴线或旋转的方向。该柔性通常允许尾部108能够形成可弹性以用于存储和/或由用户投掷的目的，同时保持刚性以用于攀爬的目的。尾部108可以由多种材料制成。
尾部108可以由多种材料制成。在一实施方式中，尾部108可以是硬钢丝绳、金属结构或其它合适的结构，该结构是刚硬到足以在一个/多个车轮攀爬障碍物时保持本体部免于随该一个/多个车轮一起旋转。在一实施方式中，尾部108主要由诸如聚氨酯之类的热塑性弹性体制成。尾部108的整体形状可以也有助于尾部108的刚性和柔性的结合。例如，尾部108的主体部分130可以基本上或某种程度上定形状成类似I型梁。由此，尾部108在垂直于I型梁几何形状的“水平”部分的方向上是基本刚性的，而在基本垂直于I型梁几何形状的“竖直”部分的方向上是基本柔性的(术语“水平”和“竖直”是相对于字母“I”使用的)。
在一实施方式中，尾部108的近端132联接至本体部104。在另一实施方式中，尾部108的远端部134是大致球状的，正如图16至图17所示。尾部112的远端部134的球状部分被软化以使得在监视机器人100的运动期间所产生的噪音最小化。在一实施方式中，尾部的远端部134由软材料制成，该材料在监视机器人100被推进而在较硬的表面上拖动时是基本无声的。
在一实施方式中，尾部108的远端部134限定有孔140，并且包括加重本体部142。孔140可以用于将物体、例如绳索系至监视机器人100。由此，使用者可以利用在孔140处联接至尾部108的远端部134的系绳以有利于收回监视机器人100。使用者也可以利用在孔140处联接至尾部108的远端部134的系绳以将多种类别的物体远程地传输至某一地点。
加重本体部142通常嵌有尾部108的远端部134。以该方式来加重尾部能够改进稳定性，并且增大尾部108与监视机器人100移动于其上的地表或地面之间所产生的摩擦力。该增大的摩擦力通过减少尾部108的滑移的可能性而改进监视机器人爬越目标的能力。在一实施方式中，加重本体部142由金属、例如钢或铅制成。在一实施方式中，加重本体部142的重量介于尾部108的总重量的大约15％与75％之间。在另一实施方式中，加重本体部是尾部108的总重量的大约40％。
参照图7-图15，轮胎112包括多个压缩单元150、152、154、156、158。在受到冲击时，压缩单元用作压碎带。这增强了对监视机器人100的内部电子部件及机械部件的保护，同时也改变了监视机器人100的偏转特征。结果，能够改进监视机器人的耐用性、以及从表面反弹或偏转的可预见性。在一实施方式中，监视机器人100能够承受从大约30英尺高度的下落和/或大约37.5尺磅的能量。
本发明的实施方式包括操作者界面，该界面具有：用于传送指令的发射器，该指令比如用于控制运动、包括机器人的方向和速度；用于接收例如视频信号的接收器；用于控制方向和速度的控制器；以及用于显示来自远程机器人的视频信号的显示器。用于本主题装置的合适的驱动部件和其它功能部件在本领域中是已知的并且公开在例如美国专利No.6,548,982和6,502,657中，这两个专利的内容在此通过引用的方式并入。

Claims (19)

1.一种监视机器人，所述监视机器人包括：
一对轴向对准的驱动轮，所述驱动轮具有最大化的半径；
壳体，所述壳体延伸在所述驱动轮之间，所述壳体具有比所述驱动轮的所述最大化的半径小的半径，并且包括发射器、接收器、电源、包括至少一个连接至所述驱动轮的驱动电机的驱动系统、以及连接至所述发射器的摄像机；
其中，每个所述驱动轮都具有弹性体毂部分和多个弹性体轮翼，所述弹性体毂部分具有直径，所述多个弹性体轮翼从所述毂部分延伸，每个所述毂部分的半径比每个所述驱动轮的所述最大化的半径的65％小。
2.如权利要求1所述的监视机器人，其中，至少一个所述轮翼包括远端部和近端部，所述远端部设置成相对于所述近端部成角度。
3.如权利要求2所述的监视机器人，其中，所述角度介于大约45度与115度之间。
4.如权利要求3所述的监视机器人，其中，所述角度大约为90度。
5.如权利要求1所述的监视机器人，其中，所述轮翼适于弹性地弯曲以便在接合表面时偏转。
6.如权利要求2所述的监视机器人，其中，所述轮翼还包括过渡部分，所述过渡部分居于所述近端部与所述远端部的中间，所述过渡部分具有曲率半径。
7.如权利要求1所述的监视机器人，其中，所述弹性体毂部分限定有圆周，每个所述轮翼沿所述圆周以大约45度的间隔设置于所述弹性体毂部分的外表面。
8.如权利要求1所述的监视机器人，还包括尾部，所述尾部联接至居于所述驱动轮的中间的所述壳体，所述尾部在第一方向上基本是刚性的，而在垂直于所述第一方向的第二方向上基本是柔性的。
9.如权利要求8所述的监视机器人，其中，所述尾部具有尾部长度和尾部重量，并且包括主体部分和远端部分，所述远端部分具有比所述尾部长度的15％小的长度以及至少为所述尾部重量的30％的重量。
10.一种监视机器人，所述监视机器人包括：
一对轴向对准的驱动轮，每个所述驱动轮都具有最大化的半径；
壳体，所述壳体延伸在所述驱动轮之间，所述壳体具有比所述驱动轮的所述最大化的半径小的半径；所述壳体包括发送器和接收器、电源、包括至少一个连接至所述驱动轮的驱动电机的驱动系统、以及连接至所述发射器的摄像机；以及
刚性后尾部，所述刚性后尾部从所述壳体延伸，所述尾部包括由弹性体材料形成的地面接合端部分；
其中，每个所述驱动轮都具有弹性体毂部分和多个弹性体轮翼，所述弹性体毂部分具有直径，所述多个弹性体轮翼从所述毂延伸，每个所述毂的半径比每个所述驱动轮的所述最大化的半径的65％小。
11.如权利要求10所述的监视机器人，还包括系绳附接部分，所述系绳附接部分定位在所述尾部上并且具有贯穿所述系绳附接部分的孔。
12.如权利要求10所述的监视机器人，其中，每个所述驱动轮都具有弹性体毂部分和多个弹性体轮翼，所述弹性体毂部分具有直径，所述多个弹性体轮翼从所述毂延伸，每个所述毂的半径比每个所述驱动轮的所述最大化的半径的65％小。
13.如权利要求10所述的监视机器人，其中，所述刚性后尾部限定有孔，所述孔构造成接收系绳。
14.一种监视机器人，所述监视机器人包括：
一对轴向对准的驱动轮，每个所述驱动轮都具有最大化的半径和多个从所述驱动轮径向向外延伸的弧形尖状物；
壳体，所述壳体延伸在所述驱动轮之间，所述壳体具有比所述驱动轮的所述最大化的半径小的半径；所述壳体包括发送器和接收器、电源、包括至少一个连接至所述驱动轮的驱动电机的驱动系统、以及连接至所述发射器的摄像机；以及
刚性后尾部，所述刚性后尾部从所述壳体延伸，所述尾部包括由弹性体材料形成的地面接合端部分和附接有系绳的孔。
15.如权利要求14所述的监视机器人，其中，每个所述驱动轮都具有弹性体毂部分和多个弹性体轮翼，所述弹性体毂部分具有直径，所述多个弹性体轮翼从所述毂延伸，每个所述毂的半径比每个所述驱动轮的所述最大化的半径的65％小。
16.一种用于两轮监视机器人的轮胎，所述两轮监视机器人具有设置在所述一对轮胎的中间的壳体，所述轮胎包括：
毂，所述毂具有外圆周表面、内部轴向表面及外部轴向表面、并且限定有毂半径，所述外表面具有大致的锥台形状；以及
多个弹性体轮翼，所述多个弹性体轮翼设置于所述毂的所述外圆周表面，每个所述弹性轮翼从所述外圆周表面径向地延伸至少等于所述毂半径的40％的距离。
17.如权利要求16所述的轮胎，其中，所述轮胎还包括用于吸收冲击力的设备。
18.如权利要求16所述的轮胎，其中，所述两轮监视机器人包括加重尾部，所述外部轴向表面的形状和所述加重尾部基本上防止了所述两轮监视机器人免于静态地停留在所述轮胎的所述外部轴向表面上。
19.如权利要求8所述的监视机器人，所述尾部的远端部分限定有孔，所述孔构造成接收系绳。
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