CN102363065A - 一种全织物皮肤感知自主柔性变形搜救机器人及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全织物皮肤感知自主柔性变形搜救机器人及其操作方法。该搜救机器人由头部、躯干部、尾部三个部分组成，三部分通过连接机构连接到一起；头部具有生命探测装置、驱动装置、控制装置、电源装置、通信装置、摄像头和红外装置，躯干部和尾部具有驱动装置、控制装置、电源装置；每部分都由许多关节组成，变形机构是这些关节中起支撑作用的结构，关节之间通过驱动装置连接到一起，整个机器人外表覆盖一层柔性织物皮肤。本发明适用于地震、煤矿等灾难的废墟环境下执行生命体的探测任务，机器人通过自身的变形，还可以进入废墟内部狭小的空间里进行生命信息的探测，增大了机器人的搜救范围，提高了救援效率，为营救更多的生命赢得了宝贵的时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人，特别是涉及一种全织物皮肤感知自主柔性变形搜救机器人。
背景技术
近年来，地震、煤矿事故等灾难频繁发生，严重的威胁着人类的生命和财产安全，引起了社会各界的广泛关注和重视。然而由于灾难环境的复杂以及二次灾难的影响，废墟下搜救路径狭窄，救援人员难以及时进行救援。
然而目前出现的废墟环境下搜救机器人，多数不具有变形或者如履带式机器人，只是通过基本的结构重组来实现变形，不能进入废墟下狭窄的环境继续进行搜救工作。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有搜救机器人多数不具有变形或者如履带式机器人，只是通过基本的结构重组来实现变形，不能进入废墟下狭窄的环境继续进行搜救工作的不足，提出了一种可通过自身的变形进入狭窄的废墟环境继续进行搜救的机器人，即：全织物皮肤感知自主柔性变形搜救机器人。
实现上述发明目的所采用的技术方案是：一种自主柔性变形搜救机器人，其包括：头部、躯干部和尾部三部分，所述机器人三部分的长度相同，外形均为圆柱形结构，三部分均有电源装置、驱动装置以及控制装置，其特征在于：头部设置有生命探测装置、摄像头、红外装置和通信装置；所述机器人的头部、躯干部和尾部均由若干关节组成，变形机构在所述关节中起支撑作用；所述机器人头部和躯干部以及躯干部和尾部之间分别相连构成一个整体；所述机器人两端具有相同的球形外壳结构。
自主柔性变形搜救机器人的操作方法如下：
第一步，皮肤感知的环境信息、摄像头和红外装置探测到的路径信息以及生命探测装置探测到的生命信息一并传送到控制装置；
第二步、控制装置将当前的环境信息通过通信装置发给救援人员，救援人员根据当前的环境信息采取相应的救援措施；
第三步、控制装置再根据路径信息和生命探测的信息控制机器人选择最优路径，并决定是否通过变形来继续进行搜救；
第四步、所述机器人在三部分的控制装置的协调控制下进行运动，从而完成控制装置分配的任务。
采用上述技术方案，本发明的有益效果是：
1)本发明通过机器人外部覆盖的柔性织物皮肤中嵌入的传感器来进行环境信息的感知，可感知丰富的环境信息，将传感器嵌入到织物中一方面保护传感器使其不被损坏，另一方面又使其尽可能与空气接触，保证感知充分的环境信息。
2)本发明机器人底部覆盖的柔性织物皮肤具有摩擦系数可变的特性，通过这个特性使得机器人在运动时所受的切向摩擦力远小于法向摩擦力，为全织物皮肤感知柔性变形搜救机器人的运动提供了必要条件，区别于其它通过机械装置来实现这个条件的机器人，减轻了机器人本身的负担。
3)本发明通过机器人本身的变形机构，可以实现机器人顺利通过狭小的空间，继续在废墟等环境下对受困人员进行搜寻，增大了机器人的搜救范围。
4)本发明的机器人根据灾难现场的环境可自主选择搜救路径并且可根据需要进行变形以进入废墟内部继续执行搜救任务，提高了救援的效率，能够代替工作人员执行搜救任务，减少了救援人员的伤亡，为尽快营救更多的受困人员赢得了宝贵的时间。
附图说明
图1为本发明全织物皮肤感知自主柔性变形搜救机器人整体结构示意图；
图2为本发明全织物皮肤感知自主柔性变形搜救机器人变形结构示意图；
图3为全织物皮肤感知自主柔性变形搜救机器人总体控制框图；
图4为全织物皮肤感知自主柔性变形搜救机器人系统电气连接示意图；
图5为机器人关节连接处旋转机构的俯视图；
图6为机器人关节连接处旋转机构的主视图。
具体实施方式
下面结合附图1-6对本发明作进一步详细说明。
参见附图1，本发明全织物皮肤感知自主柔性变形搜救机器人由头部1、躯干部2、尾部3三部分通过连接机构6连接而成，并且机器人的外部覆盖有柔性织物皮肤5，机器人的头部前端和尾部末端都连接有球状外壳4。机器人头部1、躯干部2、尾部3的外形均为圆柱形结构。
本发明全织物皮肤感知自主柔性变形搜救机器人头部具有生命探测装置、驱动装置、控制装置以及电源装置，生命探测装置、驱动装置和控制装置均和电源装置相连，生命探测装置和驱动装置均和控制装置相连，头部前端和球状外壳相连接，头部和躯干部是通过连接机构相连接的。
本发明全织物皮肤感知自主柔性变形搜救机器人躯干部具有驱动装置、控制装置以及电源装置，驱动装置和控制装置均和电源装置相连，躯干部一端通过连接机构和头部相连，另一端通过连接机构与尾部相连。
本发明全织物皮肤感知自主柔性变形搜救机器人尾部具有驱动装置、控制装置以及电源装置，驱动装置和控制装置均和电源装置相连，尾部一端通过连接机构和躯干部相连，另一端与球状外壳相连。
参见附图4，本发明全织物皮肤感知自主柔性变形搜救机器人头部的生命探测装置、摄像头装置、红外装置、驱动装置、电源装置均和控制装置(MCU)相连，躯干部和尾部的驱动装置、电源装置均和控制装置(MCU)相连，当机器人头部的生命探测装置感测到生命信息时，以电信号的形式通过数据线传输到控制装置(MCU)，MCU通过此信息确定运动的方向和速度，并通过信号线传输到躯干部和尾部的MCU，头部、躯干部和尾部的MCU将控制相应部分的驱动装置来产生协调的运动步态；机器人头部的摄像头装置可以将其观测到的图像信息传输到控制装置，控制装置将图像信息传输到通信装置来实现与机器人以外通信装置的进行通信。
本发明全织物皮肤感知自主柔性变形搜救机器人的柔性织物皮肤是一种纺织纤维织物，通过在织物里面植入温度传感器和气体传感器来实现全织物皮肤感知自主柔性变形搜救机器人的环境信息感知。
本发明全织物皮肤感知自主柔性变形搜救机器人的驱动装置是整个机器人运动的动力来源，还起到连接机器人相邻两个关节的作用，驱动装置由驱动机构和旋转机构组成，机器人相邻两个关节通过旋转机构连接到一起，旋转机构的结构示意图如图5和图6所示，驱动机构由驱动电机和伞齿组成，驱动电机和相邻关节中的一个固定在一起，伞齿和另一个关节固定在一起，驱动电机通过驱动伞齿可以使两个关节产生水平方向的左右运动，机器人通过控制装置控制所有的驱动机构做有规律的运动，便产生了机器人有节奏的运动步态。
参见附图2，变形机构包括中心轴8，连接转轴9、11、14、16、18，连接杆7、10、12、13、17、19，滑块15；中心轴8的两端分别与连接杆7和连接杆19固定相连，连接杆7与连接杆10通过连接转轴9相连，连接杆10、连接杆12与连接杆13通过连接转轴11连接到一起，连接杆13通过连接转轴14与滑块15连接到一起，连接杆12与连接杆17通过连接转轴16连接到一起，连接杆19与连接杆17通过连接转轴18相连，整个变形机构沿中心轴8成对称结构，连接方式与相对应的对称部分一致。滑块15可在中心轴8上滑动，但须通过滑块里面的驱动机构进行驱动，驱动机构里面有驱动电机，驱动电机通过齿轮驱动旋转机构产生旋转运动，通过电机的正反转便有了滑块的左右运动，进而控制变形机构产生形变。
变形机构的变形过程描述如下：滑块里面的驱动机构产生沿中心轴8向右的拉力，在拉力的作用下拉动连接杆13，连接杆13又通过连接转轴与连接杆10和连接杆12相连，因此，连接杆10与连接杆12也相应的向右移动，连接杆12与连接杆17又通过连接转轴16相连，也会相应运动，最终，通过滑块向右的拉力使变形机构变成如图2中虚线所示的位置，变形机构的变形程度可根据实际需要通过滑块在中心轴上滑动来控制。
本发明的头部、躯干部、尾部连接在一起组成一个外形为圆柱形、细长的机器人，机器人的所有运动都是通过控制装置来进行控制的。
参加附图3，工作时，皮肤感知的环境信息、摄像头和红外装置探测到的路径信息以及生命探测装置探测到的生命信息一并传送到控制装置，控制装置将当前的环境信息通过通信装置发给救援人员，救援人员根据当前的环境信息采取相应的救援措施；控制装置再根据路径信息和生命探测的信息控制机器人选择最优路径，并决定是否通过变形来继续进行搜救，之后，全织物皮肤感知自主柔性变形搜救机器人在三部分的控制装置的协调控制下进行运动，本发明全织物皮肤感知自主柔性变形搜救机器人通过控制装置控制各个驱动装置，使它们产生有规律的水平左右摆动，使机器人走出仿蛇的S形曲线，即蜿蜒运动曲线；机器人还可以通过部分的收缩和舒张来实现水平伸缩运动，通过这些运动步态可以使机器人适应复杂的搜救路径的要求，更好的完成搜救任务。
总之，本发明通过其独特的变形结构设计，使得机器人适应于狭窄的废墟环境搜救工作，提高了救援效率，能够代替工作人员执行搜救任务，减少了救援人员的伤亡，为尽快营救更多的受困人员赢得了宝贵的时间。同时，本发明通过皮肤感知的环境信息，可以感知灾难现场是否具有有害气体，以及有害气体的浓度等，并将这些信息定时反馈给救援人员，救援人员将根据这些信息做相应的准备工作，以避免由于有毒气体影响救援人员的健康，造成不必要的损失，耽误救援工作。
Claims (3)
1.一种全织物皮肤感知自主柔性变形搜救机器人，其包括：头部、躯干部和尾部三部分，所述机器人三部分的长度相同，外形均为圆柱形结构，三部分均有电源装置、驱动装置以及控制装置，其特征在于：头部设置有生命探测装置、摄像头、红外装置和通信装置；所述机器人的头部、躯干部和尾部均由若干关节组成，变形机构在所述关节中起支撑作用；所述机器人头部和躯干部以及躯干部和尾部之间分别相连构成一个整体；所述机器人两端具有相同的球形外壳结构。
2.根据权利要求1所述的全织物皮肤感知自主柔性变形搜救机器人，其中，变形机构包括中心轴(8)，连接转轴(9、11、14、16、18)，第一连接杆(7)、第二连接杆(10)、第三连接杆(12)、第四连接杆(13)、第五连接杆(17)、第六连接杆(19)，滑块15；中心轴8的两端分别与第一连接杆(7)和第六连接杆(19)固定相连，连接杆(7)与连接杆(10)通过连接转轴(9)相连，第二连接杆(10)、第三连接杆(12)与第四连接杆(13)通过连接转轴(11)连接到一起，第四连接杆(13)通过连接转轴(14)与滑块(15)连接到一起，第三连接杆(12)与第五连接杆(17)通过连接转轴(16)连接到一起，第六连接杆(19)与第五连接杆(17)通过连接转轴(18)相连，整个变形机构沿中心轴(8)成对称结构，连接方式与相对应的对称部分一致；滑块(15)通过驱动机构驱动在中心轴(8)上滑动，，驱动机构里面有驱动电机，驱动电机通过齿轮驱动旋转机构产生旋转运动，通过电机的正反转使得滑块的前后运动，进而控制变形机构产生形变。
3.一种如权利要求1所述全织物皮肤感知自主柔性变形搜救机器人的操作方法，其特征在于，
第一步，皮肤感知的环境信息、摄像头和红外装置探测到的路径信息以及生命探测装置探测到的生命信息一并传送到控制装置；
第二步、控制装置将当前的环境信息通过通信装置发给救援人员，救援人员根据当前的环境信息采取相应的救援措施；
第三步、控制装置再根据路径信息和生命探测的信息控制机器人选择最优路径，并决定是否通过变形来继续进行搜救；
第四步、所述机器人在三部分的控制装置的协调控制下进行运动，从而完成控制装置分配的任务。
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