CN102699897B - 一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体，属于多自由度运动探测机器人技术领域，该机器人单体包括左右足和主机体，左右足均包括舵机A、舵机B、舵机支架A、舵机支架B和电磁体，且左右足的连接方式完全相同，装配时镜像对称。主机体包括前横梁和后横梁结构，前横梁和后横梁的横梁的外侧还分别加工有电池盒和主控机箱，主控机箱中设置有单片机。本发明的机器人单体具有双耦合4自由度的独创机械结构，结构简洁可靠性高；且该机器人单体具有丰富多样的运动方式，实现翻滚运动与双足运动快速切换，步态、步距高效调节，准确快速实现0～360°运动方向调节，实现全空间立体运动，达到越障、跨越沟壑、转弯与换向的多重目的。

Description

一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体

技术领域

本发明涉及一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体，属于多自由度运动探测机器人技术领域。

背景技术

现代生产生活中，存在大量的铁磁复杂环境，如轧钢厂、电视铁塔、发电塔、钢架桥、钢结构厂房等，在这些复杂的铁磁环境中，传统机器人工作效率低下，无法充分利用铁磁环境。电磁铁是铁磁环境中常用的元件，通以直流电后，能够产生较大的吸力，控制方便。舵机作为执行元件，其优点是控制简单，接线简洁，角度控制精确，但是作为机械元件，不可避免有一定的空程差，并且角度范围有限0～180°，极限位置不易到达并且容易出现抖动，因此使用舵机时，很少利用其极限位置进行运动，舵机在机器人中主要用于一些关节的搭接，运动角度为0～180°中间角度，以此保证运动的稳定性。

现代机器人运动方式一般有以下几种：

（1）轮式运动：直流电机带动车轮进行运动，控制较为方便，但是不能在角度较大的平面上运动，在运动空间受限的环境下也无法很好运动，致命缺陷在于当运动中遇到沟壑时，将使运动停滞。

（2）双足运动：双足运动的优点在于快速，模仿人的步态，通过步态的调整，具有一定的适应性，但是双足运动的难点在于对于机体的重心调整，由于重心调整难度大，因此在保证稳定性的同时很难兼顾速度。

（3）各类仿生运动：模仿生物界里各种生物的运动，环境适应力强，但是实现难度较大，往往为了实现某些特定的运动需要进行独立的机械设计，通用器件无法使用，成本很高。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种复杂铁磁环境下高效完成危险环境探测任务的微型机器人单体,即一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体，以其简洁优越的双耦合4自由度结构，充分利用铁磁环境，完成普通机器人难以完成的动作，并通过辅助面克服舵机转角仅为180°的缺陷，利用电磁吸力使舵机达到难以达到的极限转角（0°和180°）位置，完成翻滚运动与双足运动快速切换，实现全空间立体运动，四个舵机的使用使得图像拍摄角度范围更广，探测效果更好。

本发明提出的一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体以MEGA16单片机为主控核心，四路舵机为执行元件，通过舵机支架联接两个直流电磁铁，通过对舵机和电磁铁的控制，实现在铁磁环境复杂地域中的高速稳定运动。通过光电传感器反馈机器人单体在运动过程中执行机构与铁磁环境地表面的距离，对运动提供实时反馈，保证运动稳定性。机器人单体可携带多种传感器，例如无线摄像头，多机同时工作，能够将拍摄的图片传回PC机，在PC机上进行图像处理与融合，最终达到对复杂地域全景探测的目的。

本发明提出一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体，包括左右足双足和主机体，左右足均包括舵机A、舵机B、舵机支架A、舵机支架B和电磁体，且左右足的连接方式完全相同；所述的舵机支架A和舵机支架B均为L型支架结构，舵机A通过螺栓连接于舵机支架A的支架框体中，所述的舵机B通过螺栓连接于舵机支架B的支架框体中，舵机支架A的短支架底部通过螺栓连接有电磁铁，舵机支架B连接舵机B后，通过舵机支架B的长支架垂直置于舵机支架A和舵机A的顶部，使舵机支架A和舵机支架B的安装方向垂直，使舵机A和舵机B的转动轴相互垂直，且舵机A的舵齿耦合于舵机支架B的带内齿的凸台中。

所述的主机体包括前横梁和后横梁结构，前横梁的左右端为带有内齿的凸台，后横梁的左右端具有可嵌入法兰轴承的通孔；左右足镜像对称的连接于前横梁和后横梁左右端中，其中左右足的舵机B的舵齿连接于前横梁左右端带有内齿的凸台中，并通过螺栓活动连接前横梁和舵机B；左右足的舵机支架B的短支架通过法兰轴承与后横梁左右端相连接，并通过螺栓活动连接后横梁和舵机支架B。

所述的前横梁和后横梁的横梁外侧还分别加工有电池盒和主控机箱，电池和主控板分别置于电池盒、主控机箱中；左右足的舵机A、舵机B以及电磁铁均通过导线与主控板连接，进而通过主控板控制舵机A、舵机B的运动以及电磁铁的通断电；所述的主控板为单片机，通过单片机控制舵机A和舵机B的旋转，以及电磁铁的通断电。电池为左右足的舵机A、舵机B以及主控板供电。

本发明的优点和积极效果在于：

（1）本发明提出一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体，具有双耦合4自由度的独创机械结构，结构简洁可靠性高；

（2）本发明提出一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体，该机器人单体具有丰富多样的运动方式，实现翻滚运动与双足运动快速切换，步态、步距高效调节，准确快速的0-360°运动方向调节，实现全空间立体运动，使得机器人具有在复杂磁铁环境下的强适应性，达到越障、跨越沟壑、转弯与换向的多重目的，环境适应性强；

（3）本发明提出一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体，采用舵机极限位置控制方式，克服舵机长期使用空程逐渐增大、舵机自身抖动的传统缺点，利用电磁铁对舵机附加作用力强制其到达准确位置，大大提高了舵机的运动精度，增加了舵机使用寿命；

（4）本发明提出一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体，较传统的2自由度云台，本机器人单体可实现无盲区的全空间立体探测，即整个球形空间的0-360°信息采集，其探测范围远远大于普通2自由度云台的半球形空间探测范围；

（5）本发明提出一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体，由于特殊的铁磁吸附能力，使机器人单体可根据实际需要运动达到并吸附于作业空间中任何铁磁区域，实现动态而非固定的灵活空间监测功能，安装方便，安装位置选择余地大；

（6）本发明提出一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体，该机器人单体控制采用了利用铁磁环境补偿的高精度控制，较传统的开环控制方式精确度大大提高，同时降低了控制的难度；

附图说明

图1是本发明提出一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体的三维爆炸图；

图2是本发明提出一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体的各零件配合后的装配图；

图3是本发明提出一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体中左足中舵机支架B的结构示意图；

图4是本发明提出一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体中右足中舵机支架B的结构示意图；

图5是本发明提出一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体中右足中舵机支架A的结构示意图。

图6是本发明提出一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体中前横梁和电池盒的结构示意图；

图7是本发明提出一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体中后横梁和主控机箱的结构示意图；

图中：1-舵机A；    2-舵机B；    3-舵机支架A；    4-舵机支架B；

      5-电磁体；   6-前横梁；   7-后横梁；       8-电池盒；

      9-主控机箱； 10-箱盖。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体，如图1和图2所示，包括双足部分和主机体部分，双足部分包括左右足两部分，左右足均包括舵机A1、舵机B2、舵机支架A3、舵机支架B4和电磁体5，且左右足的连接方式完全相同，连接后左右足镜像对称，且左足和右足中的舵机支架B4结构为镜像对称，如图3-5。所述的舵机支架A3和舵机支架B4均为L型支架结构，舵机A1通过M3螺栓连接于舵机支架A3的支架框体中，所述的舵机B2通过M3螺栓连接于舵机支架B4的支架框体中，舵机支架A3的短支架底部通过螺栓连接有电磁铁5，舵机支架B4连接舵机B2后，通过舵机支架B4的长支架垂直置于舵机支架A3和舵机A1的顶部，使舵机支架A3和舵机支架B4的安装方向垂直，进而保证舵机A1和舵机B2的转动轴相互垂直，且舵机A1的舵齿耦合于舵机支架B3的带内齿的凸台中。

所述的主机体包括前横梁6和后横梁7结构，前横梁6的左右端为带有内齿的凸台，如图6所示，后横梁7的左右端具有可嵌入法兰轴承的通孔，如图7所示。左右足的连接关系完全相同，镜像对称的连接于前横梁6和后横梁7左右端中，其中左右足的舵机B2的舵齿连接于前横梁6左右端带有内齿的凸台中，并通过M3螺栓活动连接前横梁6和舵机B2。左右足的舵机支架B4的短支架通过法兰轴承与后横梁7左右端相连接，并通过M3螺栓活动连接后横梁7和舵机支架B4。

所述的前横梁6和后横梁7的横梁外侧还分别加工有电池盒8和主控机箱9，电池盒8、主控机箱9分别与前横梁6、后横梁7一体设计，加装箱盖10固定，使用时可将电池和主控板分别置于电池盒8、主控机箱9中，箱盖10盖上后通过M3的螺钉联接。左右足的舵机A1和舵机B2以及电磁铁5均通过导线与主控板连接，进而通过主控板控制舵机A1、舵机B2的运动以及电磁铁5的通断电。电池采用12V输出的锂电池，锂电池通过连接电源模块稳压，通过导线分别为左右足的4个舵机和主控板提供5V电压。

所述的主控板为单片机，优选为MEGA16单片机，通过单片机控制舵机A1和舵机B2的旋转，以及电磁铁5的通断电，完成各种运动。主控机箱9中还优选的设置有无线模块，机器人单体可以通过无线模块与上位机进行通讯，实现上位机的远程控制。

本发明中的机器人单体还优选的包含有光电传感器，在左右足的舵机支架A的长支架外侧安装有光电传感器，通过自动调节光电传感器的灵敏度，检测双足与铁磁环境地表面之间的距离，保证运动的稳定与准确。在左足或右足的舵机支架A3的长支架外侧优选的安装有无线摄像头，该无线摄像头采用普通的无线摄像头，通过机器人单体多自由度的稳定运动，使无线摄像头拍摄方位变广，到充分达采集图像的目的。

为了充分利用铁磁环境，本发明中的电磁铁采用易于电控的直流电磁铁，通过给电磁铁通电产生吸力，能够使得运动更灵活，更稳定，因为吸力的引入，还能完成复杂动作，如克服自身重力，在倒立面上的运动。电磁铁通过螺钉与左右足的舵机A1的转轴同轴连接。在机器人单体运动过程中，同一时刻内，保证左右足的电磁铁5至少有一个处于通电状态，当机器人单体在行进过程中，左右足的电磁铁5通过交替通断电实现机器人单体的行进。本发明中通过前横梁6和后横梁7的左右端的活动连接，可以实现机器人单体在极限位置的运动，例如当左足电磁铁5通电固定时，右足电磁铁5断电，在左足舵机B2的转轴旋转下，带动右足和主机体转过180°，然后通过右足舵机B2的转轴旋转，使舵机B2旋转180°，整个右足翻转360°，实现机器人单体的翻滚运动，该机器人单体运动高速，且步距大，在较窄的运动面上也能很好的实现运动，转向容易，效率高，并且可以完成爬壁运动与在倒立面上的运动，但是由于步距是恒定的，因此运动步长恒定。由于电磁铁5的安装，能够依靠电磁5吸力，克服极限位置抖动问题与难以到达的问题。可以根据铁磁环境的磁力合理选择电磁5吸力的电磁铁，搭配合理重量下的机器人单体大小，实现机器人单体的吸附运动。

本发明的一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体整机由4个舵机组成，分别用2个舵机构成一个关节，具有4个自由度，当地面磁力小于10公斤时，舵机A1和舵机B2选择MG995舵机，电磁铁选择直流吸盘式电磁铁ZYE1-P30/22,DC12/24V，其吸力可达10公斤，搭配适当的主机体，使整机重约为600G，舵机A和舵机B最大扭矩（电池输出通过稳压模块稳压后的5V供电情况下）13KG/CM，能够顺利完成翻滚运动与双足运动。

本发明提出的机器人单体可以简单的实现双足运动，从起始位置开始，在铁磁环境中加装电磁铁后，电磁吸力使得对于重心调整的难度大大减弱，通过对舵机转角的不断控制，实现不同步长、频率的双足运动，达到调整步距的目的，也能实现双足转弯、换向的目的。

不同平面间的转换：从起始位置开始，通过左右足的电磁铁5断电，舵机B2抬起一定角度α，同一足上的舵机A1转动，使电磁铁轴线与欲连接的平面垂直，可将机体牵引至另一平面。利用舵机A1和舵机B2的旋转及电磁铁的吸力可使机器人两电磁铁5吸在两不同的水平面，以达到机器人运动平面的转换。

本机器人基本运动为翻滚运动与双足运动，可以实现运动的不断切换，适应不同的铁磁环境，跨越沟壑、爬壁、转弯与换向，完成克服重力等高难度运动，运动形式多样，适应力极强。

Claims (5)

1.一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体，其特征在于：包括左右足双足和主机体，左右足均包括舵机A、舵机B、舵机支架A、舵机支架B和电磁铁，且左右足的连接方式完全相同；所述的舵机支架A和舵机支架B均为L型支架结构，舵机A通过螺栓连接于舵机支架A的支架框体中，所述的舵机B通过螺栓连接于舵机支架B的支架框体中，舵机支架A的短支架底部通过螺栓连接有电磁铁，舵机支架B连接舵机B后，通过舵机支架B的长支架垂直置于舵机支架A和舵机A的顶部，使舵机支架A和舵机支架B的安装方向垂直，使舵机A和舵机B的转动轴相互垂直，且舵机A的舵齿耦合于舵机支架B带内齿的凸台中；

所述的主机体包括前横梁和后横梁结构，前横梁的左右端为带有内齿的凸台，后横梁的左右端具有可嵌入法兰轴承的通孔；左右足镜像对称的连接于前横梁和后横梁左右端中，其中左右足的舵机B的舵齿连接于前横梁左右端带有内齿的凸台中，并通过螺栓活动连接前横梁和舵机B；左右足的舵机支架B的短支架通过法兰轴承与后横梁左右端相连接，并通过螺栓活动连接后横梁和舵机支架B；

所述的前横梁和后横梁的横梁外侧还分别加工有电池盒和主控机箱，电池和主控板分别置于电池盒、主控机箱中；左右足的舵机A、舵机B以及电磁铁均通过导线与主控板连接，进而通过主控板控制舵机A、舵机B的运动以及电磁铁的通断电；所述的主控板为单片机，通过单片机控制舵机A和舵机B的旋转，以及电磁铁的通断电，电池为左右足的舵机A、舵机B以及主控板供电。

2.根据权利要求1所述的一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体，其特征在于：所述的单片机为MEGA16单片机。

3.根据权利要求1所述的一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体，其特征在于：所述的主控机箱中设置有无线模块，机器人单体通过无线模块与上位机进行通讯，实现上位机的远程控制。

4.根据权利要求1所述的一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体，其特征在于：所述的左右足的舵机支架A的长支架外侧安装有光电传感器，通过自动调节光电传感器的灵敏度，检测双足与铁磁环境地表面之间的距离。

5.根据权利要求1所述的一种铁磁环境复杂地域全景探测机器人单体，其特征在于：所述的左右足之一的舵机支架A的长支架外侧安装有无线摄像头。