CN102582710B

CN102582710B - 主动轮串列式绳状机器人

Info

Publication number: CN102582710B
Application number: CN 201210061696
Authority: CN
Inventors: 曹政才; 刘天龙
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2032-03-09
Also published as: CN102582710A

Abstract

本发明公开了一种主动轮串列式绳状机器人，分为运动模块、环境感知模块和通信模块三大主要模块；其中运动模块由若干个主动轮串联而成，在内部机电装置驱动下具有绕轴向连续旋转能力；相邻主动轮之间通过主动的两自由度关节连接，可以绕两个方向相对偏转；主动轮外表覆盖带有倾斜条纹的柔性材料，相邻主动轮表面的条纹倾斜方向相反；主动轮两端采用防水轴承支撑，两自由度关节外覆盖防水橡胶模；本发明不仅能在陆地、水下以及泥石流中运行，还可以沿管道外壁攀爬或者在管道内部运动；环境感知模块带有激光雷达，可以通过旋转实现三维空间大角度探测；通信模块天线通过机械装置能在重力作用下自动恢复垂直姿态。

Description

主动轮串列式绳状机器人

技术领域

本发明涉及机器人研究和工程领域，具体是指一种融合了轮式移动机器人以及蛇形机器人优点，具备复杂地面快速通过能力以及两栖能力的绳状机器人。

技术背景

在移动机器人的驱动方式中，轮式驱动有结构简单、行走速度快等优点，然而面对崎岖或泥泞的地形，轮式驱动的效果不尽如人意，因此人们发明了履带式驱动方式，其优点在于地面单位压力小，适合在沙漠、沼泽、雪地等松软或者光滑地面运动，因此被广泛用于越野领域。然而履带本身结构复杂，质量大，机械磨损严重，使用寿命短，而且高速运动性能大多无法与轮式驱动相比。

机器人发明以后，人们赋予它越来越复杂的任务，这些任务对机器人运动能力提出更高要求，即不仅要在二维平面快速运动，而且要借助环境结构进行三维空间运动，甚至是两栖运动。人们以自然界蛇类动物为灵感研制了蛇形机器人，然而，阻碍蛇形机器人实用化的原因有如下几点：一是蛇形机器人虽然能够模拟生物蛇的各种运动样式，使蛇形机器人平均前进速度达到或接近生物蛇，但在机体结构上没能摆脱仿生学的限制，导致其运动速度难以和传统轮式或者履带式驱动的机器人相匹敌。二是蛇形机器人设计者往往在表面安装被动轮或履带等装置，以期用它们提高机器人运动性能，例如日本Hirose研制的ACMR5两栖机器蛇。然而，这些辅助装置在野外环境下极易受到泥沙和杂草的阻塞而失效。三是蛇形机器人技术成熟度远低于轮式或履带式机器人，表现在传感器配置和控制算法上；当前比较先进的蛇形机器人采用关节压力传感器、转角传感器进行位置伺服控制，通过碰撞传感器、超声波或红外测距仪来感应环境，例如沈阳自动化所研制的“具有环境适应能力的蛇形机器人”，只能对与机器人直接接触的环境，或者近处某一点进行探测，如此少量的环境信息获取使蛇形机器人难以在复杂环境中进行有效运动；蛇形机器人一般按照蜿蜒运动曲线、侧向运动、伸缩运动等位形描述函数进行控制，这些运动形式虽然各有优点，但都延续了蛇类移动相对缓慢的缺点，实际应用中灵活程度不高。

战场侦察、管线巡检以及灾害搜救等任务需要一种同时具备轮式机器人快速运动能力、履带式机器人松软地面通过能力以及蛇形机器人三维空间和两栖运动性能的先进机器人设备。目前尚未有能充分满足以上要求的机器人出现。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种主动轮串列式绳状机器人，解决传统轮式机器人越野能力不足、履带式机器人运行速度慢以及蛇形机器人的诸多固有缺陷，将轮式驱动与多自由度关节结合；借助运动单元外壁可以绕轴向连续旋转的特点，不仅能让机器人通过轮式驱动方式快速运动，还可以使激光雷达通过螺旋扫描方式探测环境的三维空间结构；具有特殊功能纹路的表面覆盖物，全身防水密封，以及自恢复式天线装置，通过多种姿态描述函数实现高速运动，环境适应能力强，适合战场复杂环境侦察、化工管线巡检、输电线路维护以及矿难、地震、泥石流等灾害的搜救工作。

本发明主动轮串列式绳状机器人，是采用以下技术手段实现的：

一种主动轮串列式绳状机器人，由头部传感器模块10、中部若干个运动单元模块30和尾部通信模块80组成；头部传感器模块10与运动单元模块30中规格相同的元件采用统一编号和名称；其中，头部传感器模块带有头部后端罩16，头部环形外壳15与头部后端罩16和头部前端罩14相连接，头部防护外壳1固定在头部前端罩14上；摄像机窗口11位于头部防护外壳1前端，激光雷达12位于头部防护外壳1中部，发光器件13分布于激光雷达12周围；摄像头71与激光雷达12固连；视觉处理电路板73与主连接杆46固连，激光雷达12与摄像头71通过柔软导线或导电滑环与视觉处理电路板73通信；导航模块7与视觉处理电路板73固连；视觉扫描驱动电机72与动作段后端盖47固连，车轮驱动外齿轮451在视觉扫描驱动电机72的带动下驱动车轮驱动内齿轮36旋转，后防水轴承35与车轮驱动内齿轮36通过垫片相固连；头部后端罩16与后防水轴承35的外径固连；前防水轴承34外径与头部前端罩14固连。

前述运动单元模块由若干个相同的运动单元串联而成，其中动作段前端罩3和动作段后端罩31与鳞片固定环61相固连；动作段前端罩3内侧与前防水轴承34外径相固连，动作段后端罩31与后防水轴承35外径固连；后防水轴承35的内径与动作段后端盖47固连；前防水轴承34的内径与动作段前端盖33固连；动作段后端盖47与动作段前端盖33通过主连接杆46相连接；关节驱动电机A44和关节驱动电机B43与动作段前端盖33连接；车轮驱动电机45与动作段后端盖47连接；差动轮支架38与动作段前端盖33固连；驱动伞齿轮A411与关节驱动电机A44的输出轴固连，驱动伞齿轮B41与关节驱动电机B43的输出轴固连；差动伞齿轮A39与差动伞齿轮B40通过差动轮中心轴482与差动轮支架38相连接；关节连接器483与中心伞齿轮48固连，同时与另一个运动单元的后端盖紧固片53相连接；后防水罩连接环37与后防水轴承35内径相连，前防水罩连接环32与前防水轴承34内径相连；中心轮支架481与差动轮中心轴482通过轴承相连，中心伞齿轮48与中心轮支架481通过轴承相连，并且与差动伞齿轮A39和差动伞齿轮B40啮合；驱动伞齿轮A411与差动伞齿轮A39啮合，驱动伞齿轮B41与差动伞齿轮B40啮合；轮系保护板49固定在差动轮支架38与前防水罩连接环32上；关节防水罩2固定在前后两个动作段的后防水罩连接环37和前防水罩连接环32上；倾斜鳞片6固定在鳞片固定环61上。

前述通信模块的天线支撑架83与一个运动单元的后端盖紧固片53通过天线倾斜轴84相连，天线支撑架83可绕运动单元轴线旋转；配重模块85与无线电天线81相连，并且通过天线俯仰轴87与天线支撑架83相连；尾部防水罩一端固定在后防水罩连接环37上，另一端固定在防水罩固定片82上。

动作段前端罩3、动作段后端罩31和鳞片固定环61组成车轮，在车轮驱动电机45的带动下可绕动作段中心轴线进行连续旋转，同时，由差动伞齿轮A39、差动伞齿轮B40和中心伞齿轮48在关节驱动电机A44和关节驱动电机B43的带动下实现两自由度偏转，因此本发明的绳状机器人可以弯曲成多种特殊形状，依靠与地面接触的运动单元车轮旋转实现前进，这种前进的速度可以很快，远远超过蛇形机器人采用的蜿蜒运动、伸缩运动、侧向运动等所能达到的运动速度；与此同时，当遇到复杂障碍物时，本发明也可以采用常规蛇形机器人的运动方式通过障碍区；本发明相邻运动单元所带的倾斜鳞片6的倾斜方向相反，在水下或狭窄管道中运动时，若相邻运动单元的车轮绕相反方向旋转，环境的反作用力使鳞片可以辅助提供前进或后退动力。

本发明主要采用激光雷达12探测周围环境，激光雷达12与头部前端罩固连，故可在视觉扫描驱动电机72的带动下绕头部模块轴向旋转，同时头部模块可以在与之相连的运动单元差动轮系驱动下上、下、左、右摆动，使激光雷达12可以对头部前方不完整球形空间进行三维扫描探测，利用本发明模块化的机械结构大大拓展了探测区域，使绳状机器人环境感知能力大幅度提高；同时头部带有摄像头71，在漆黑环境下可通过发光器件13发出的可见光或红外线照明，为操作人员提供机器人面对的环境的视频图像。

本发明尾部带有的无线电天线81能够绕天线俯仰轴87和天线倾斜轴84旋转，遇到外部障碍物阻碍时能自动倾斜，以便通过障碍物，在配重模块85提供的恢复力矩作用下，能自动恢复垂直状态，以便获得最好的通信效果。

本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

本发明每个运动单元的车轮两端通过前防水轴承34和后防水轴承35与由动作段前端盖33、动作段后端盖47以及主连接杆46组成的机身相连，差动轮系两自由度关节外面有关节防水罩2，其两端固定在前防水罩连接环32与后防水罩连接环37上，确保关节水密；尾部天线机构被尾部防水罩密封，整个绳状机器人周身水密，确保其能在水下持续运动，从而增强其环境适应能力，使之能胜任复杂环境下的多任务工作。

附图说明

图1是本发明的外形结构示意图；

图2是本发明的去除关节防水罩的局部示意图；

图3是本发明的运动单元内部结构图；

图4是本发明的运动单元俯视图；

图5是图2所示头部模块内部结构图；

图6是图1所示尾部通信模块内部结构图；

图7是本发明进行U型运动的示意图。

其中，1为头部防护外壳，2为关节防水罩，3为动作段前端罩，6为倾斜鳞片，7为导航模块，10为头部传感器模块，11为摄像机窗口，12为激光雷达，13为发光器件，14为头部前端罩，15为头部环形外壳，16为头部后端罩，17为头部防水罩连接环，30为运动单元模块，31为动作段后端罩，32为前防水罩连接环，33为动作段前端盖，34为前防水轴承，35为后防水轴承，36为车轮驱动内齿轮，37为后防水罩连接环，38为差动轮支架，A39为差动伞齿轮，B40为差动伞齿轮，B41为驱动伞齿轮，B43为关节驱动电机，A44为关节驱动该电机，45为车轮驱动电机，46为主连接杆，47为动作段后端盖，48为中心伞齿轮，49为轮系保护板，51为后端盖基板，52为后端盖柔性板，53为后端盖紧固片，61为鳞片固定环，71为摄像头，72为视觉扫描驱动电机，73为视觉处理电路板，80为尾部通信模块，81为无线电天线，82为防水罩固定片，83为天线支撑架，84为天线倾斜轴，85为配重模块，86为通信电路板，87为天线俯仰轴，A411为驱动伞齿轮，451为车轮驱动外齿轮，481为中心轮支架，482为差动轮中心轴，483为关节连接器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1，一种主动轮串列式绳状机器人，包括头部传感器模块10、中部运动单元模块30和尾部通信模块80组成；其中，头部传感器模块10带有头部防护外壳1，中部运动单元模块30的每两个运动单元之间都有关节防水罩2密封，每个运动单元带有动作段前端罩3和动作段后端罩31，两者之间带有鳞片固定环61，倾斜鳞片6固定在鳞片固定环61上，机器人尾部带有无线电天线81。

参见图2，头部与第一个运动单元之间的连接，头部防护外壳1上带有摄像机窗口11，激光雷达12位于头部防护外壳1中部，头部防护外壳1上分布有发光器件13，头部防护外壳1与头部前端罩14相连，头部前端罩14通过头部环形外壳15与头部后端罩16相连，头部和第一个运动单元之间通过关节连接器483相连。

参见图3，一个运动单元的内部结构图，动作段后端盖47和动作段前端盖33通过主连接杆46相连组成机身，后防水轴承35与前防水轴承34的内径分别与机身固连，车轮驱动内齿轮36通过垫片与后防水轴承35相连，后防水罩连接环37与后防水轴承35的内径相连，前防水罩连接环32与前防水轴承34的内径相连，关节驱动电机A44和关节驱动电机B43与动作段前端盖33相连，车轮驱动电机45与动作段后端盖47相连；后端盖紧固片53与后端盖柔性板52相连，后端盖柔性板52与后端盖基板51相连，中心伞齿轮48通过关节连接器483与后端盖紧固片53相连。

参见图4，运动单元俯视图，从端面看，众多倾斜鳞片6组成环形，中心伞齿轮48与差动伞齿轮A39和差动伞齿轮B40啮合，并在中心轮支架481的支撑下实现两自由度运动，驱动伞齿轮B41和驱动伞齿轮A411分别与差动伞齿轮B40和差动伞齿轮A39啮合，中心轮支架481铰接在差动轮中心轴482上，差动轮支架38固定在动作段前端盖33上，轮系保护板49固定在前防水罩连接环32和差动轮支架38上。

参见图5，头部模块内部结构图，摄像头71与激光雷达12固定在一起，激光雷达12与前防水轴承34外径固连，视觉处理电路板73通过主连接杆46与动作段前端盖33相连，车轮驱动外齿轮451在视觉扫描驱动电机带动下驱动车轮驱动内齿轮36旋转，同时通过图2所示的头部后端罩16、头部环形外壳15和头部前端罩14带动激光雷达12以及头部防护外壳1等部件旋转。

参见图6，尾部天线机构通过天线倾斜轴84连接在最后一个运动单元的后端盖紧固片53上，天线机构的主要部件为天线支撑架83，配重模块85通过天线俯仰轴87与天线支撑架83相连接，无线电天线81固定在配重模块85上，两者组成的共同体可绕天线俯仰轴87旋转，这样当天线受到外部障碍物阻力时能自动放倒，障碍物消失后能自动恢复直立状态。

参见图7，主动轮串列式绳状机器人采用U型运动构型运动时的姿态示意图，头部传感器模块抬离地面，并且指向机器人前进的方向，运动单元模块弯曲成U型，其中，位于U型弧形位置的运动单元向上翘起，抬离地面，位于U型直线位置的运动单元与地面接触，在内部车轮驱动电机45的驱动下，由动作段后端罩31、动作段前端罩3、鳞片固定环61和倾斜鳞片组成的车轮绕运动单元中心轴线旋转，产生机器人前进的动力。

主动轮串列式绳状机器人进行轮式运动时的姿态描述函数为：

改变以上函数参数可使机器人运动呈现不同构型，有如下几种构型：

U型运动姿态描述函数的特点是：n＝2，x₀、y₀和z₀，以及x₁、y₁和z₁分别代表U型的两个直线臂；M₀、N₀、P₀和M₁、N₁、P₁为这两条直线的方向向量；p＝0，a_i、b_i、c_i代表U型弧线位置的弧度变化规律，k＝0，A_m、B_m、C_m决定U型弧线位置翘起的角度，弧线与两条直线交于两点，两条直线方向向量平行。

S型运动姿态描述函数的特点是：根据机器人长度和运动单元数量，S型的弯折处不限于两个，如果只有一个弯折处，则S型与U型相似；其中位于弯曲部分的运动单元上翘脱离地面；前面n个直线方程代表S型运动构型的n条直线位置，其中，各条直线的方向向量平行；k＝n-1，k个平面方程决定S型运动构型两侧弯折部位上翘的角度，p＝n-1，p个空间椭球面方程决定S型运动构型弯折部位的曲率变化；每个弯折部位的空间椭圆曲线都与两条直线相交于两点，位于描述函数中直线位置的运动单元与地面接触，提供前进动力。

N型运动姿态描述函数的特点是：机器人运动单元模块中段弯曲拱起，脱离地面，弯曲处左右两侧为直线，并与地面接触，提供前进动力；n＝2，有两条平行直线段，k＝3，p＝3，有三条空间椭圆曲线，其中位于中间的椭圆曲线与两侧的过度曲线相交，过度曲线与两条直线相交。

W型运动姿态描述函数的特点是：机器人运动单元模块有三段直线位置，被两处弯曲拱起位置间隔，三条直线位置呈“品”字形布局，三条直线中位于两端的两条直线可以共线，三条直线也可以两两不共线；n＝3，k＝2，p＝2，两条空间椭圆曲线与三条直线分别交于4个点。

O型运动姿态描述函数的特点是：机器人运动单元模块有三段直线位置，两个弯曲上翘位置，n＝3，k＝2，p＝2，其中，一条直线段与两条空间椭圆曲线相交于两点，另外两条直线段分别与两条空间椭圆曲线相较于两点；O型运动姿态的特点是机器人首尾相邻，而且首部位于机器人运动整体的中线上，便于进行运动控制。

本发明运动单元内部带有电池，也可通过导线进行外部供电，头部摄像头采集的图像可以通过无线电方式或者电缆传递给操作者，运动单元内的电动机输出轴带有角度传感器，机器人可在操作人员遥控下进行运动，也可以利用传感器获取的信息和激光雷达探测到的环境信息进行自主运动控制。

按照以上方案实施就能达到本发明的目的。

以上仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，或将本发明的一部分内容用于其他产品上，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种主动轮串列式绳状机器人，以绳状轮式运动构型进行运动，包括：头部防护外壳（1）、头部传感器模块（10）、多个运动单元模块（30）和尾部通信模块（80）、差动轮支架（38）；其特征在于：所述的头部传感器模块（10）带有的激光雷达（12）绕轴向旋转；每两个运动单元模块（30）之间和运动单元模块（30）与头部传感器模块（10）之间通过基于两面伞齿轮的差动轮系相连；两个相邻模块中的一个模块可相对另一个模块进行上、下、左、右摆动，但相邻模块中的一个模块不能相对另一个绕轴向旋转；

所述的多个运动单元模块（30）位于外径位置的各个组成单元，在模块内部机械的驱动下绕轴心进行连续旋转，形成车轮，其轮轴与绳状机器人纵轴重合；

所述的尾部通信模块（80）设有无线电天线（81）；

所述的头部防护外壳（1）上带有摄像机窗口（11）和激光雷达（12），摄像头（71）与激光雷达（12）固连，头部防护外壳（1）与头部前端罩（14）相连，头部前端罩（14）通过头部环形外壳（15）与头部后端罩（16）相连，头部和第一个运动单元之间通过关节连接器（483）相连；视觉处理电路板（73）通过主连接杆（46）与动作段后端盖（47）相连接组成头部机身，视觉扫描驱动电机（72）带动车轮驱动内齿轮（36）旋转，与车轮驱动内齿轮（36）固连的后防水轴承（35）外径和头部后端罩（16）、头部环形外壳（15）、头部前端罩（14）以及前防水轴承（34）外径随之转动，带动头部防护外壳（1）、激光雷达（12）和摄像头（71）一同旋转；

所述的运动单元模块包含动作段后端盖（47）和动作段前端盖（33），两者通过主连接杆（46）连接，第一关节驱动电机（A44）和第二关节驱动电机（B43）与动作段前端盖（33）连接；车轮驱动电机（45）与动作段后端盖（47）连接；动作段前端罩（3）和动作段后端罩（31）与鳞片固定环（61）相固连；动作段前端罩（3）与前防水轴承（34）外径相固连，动作段后端罩（31）与后防水轴承（35）外径固连；后防水轴承（35）的内径与动作段后端盖（47）固连；前防水轴承（34）的内径与动作段前端盖（33）固连，倾斜鳞片（6）固定在鳞片固定环（61）上，并与运动单元模块（30）的端面呈大于0度的夹角，相邻两个运动单元的倾斜鳞片（6）倾斜方向相反；

差动轮支架（38）与动作段前端盖（33）固连；第一驱动伞齿轮（A411）与第一关节驱动电机（A44）的输出轴固连，第二驱动伞齿轮（B41）与第二关节驱动电机（B43）的输出轴固连；第一差动伞齿轮（A39）与第二差动伞齿轮（B40）通过差动轮中心轴（482）与差动轮支架（38）相连接；关节连接器（483）与中心伞齿轮（48）固连，同时与另一个运动单元的后端盖紧固片（53）相连接；后防水罩连接环（37）与后防水轴承（35）内径相连，前防水罩连接环（32）与前防水轴承（34）内径相连；中心轮支架（481）与差动轮中心轴（482）通过轴承相连，中心伞齿轮（48）与中心轮支架（481）通过轴承相连，并且与第一差动伞齿轮（A39）和第二差动伞齿轮（B40）啮合；第一驱动伞齿轮（A411）与第一差动伞齿轮（A39）啮合，第二驱动伞齿轮（B41）与第二差动伞齿轮（B40）啮合；轮系保护板（49）固定在差动轮支架（38）与前防水罩连接环（32）上；关节防水罩（2）固定在前后两个运动单元模块（30）的后防水罩连接环（37）和前防水罩连接环（32）上；

所述的尾部天线（81）通过天线倾斜轴（84）连接在最后一个运动单元的后端盖紧固片（53）上，配重模块（85）通过天线俯仰轴（87）与天线支撑架（83）相连接，无线电天线（81）固定在配重模块（85）上，两者组成的共同体可绕天线俯仰轴（87）旋转。

2.根据权利要求1所述的主动轮串列式绳状机器人，其特征在于：所述的绳状轮式运动构型进行运动的通用姿态描述函数为：

该姿态描述函数由若干条直线和若干条空间曲线组成，其中，x_n、y_n、z_n（n∈[0， m]）代表各条直线经过的点，M_n、N_n、P_n（n∈[0，m]）代表各条直线的方向向量；A_m+k、B_m+k、C_m+k（k∈[0，p]）为平面方向参数，x_m+k、y_m+k、z_m+k（k∈[0，p]）代表了各平面所经过的空间一点；a_i+p、b_i+p、c_i+p（p∈[0，+∞]）为各个空间椭球面参数，x_i+p、y_i+p、z_i+p（p∈[0，+∞]）代表空间椭球面中心偏移量；改变姿态描述函数的参数可以形成U型、S型、N型、W型、O型典型运动构型，或典型运动构型相互组合的形式，绳状机器人通过运动拟合方式去模拟姿态描述函数所呈现的形态。