CN102705632B

CN102705632B - 一种可伸缩避障的仿生机器人

Info

Publication number: CN102705632B
Application number: CN201210180125.8A
Authority: CN
Inventors: 张雷; 朱枫; 国树森
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT; Zhejiang Sci Tech University ZSTU; Zhejiang University of Science and Technology ZUST
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2032-05-30
Also published as: CN102705632A

Abstract

本发明涉及一种可伸缩避障的仿生机器人。目的是提供的机器人应能适应复杂的工作环境且具有结构简单的特点。技术方案是：一种可伸缩避障的仿生机器人，包括机体、行走避障机构、影像采集装置、电源及控制装置，其特征在于：行走避障机构包括两排机械足，每排机械足中包含至少三条机械足，每条机械足包括第一平行四边形机构、第二平行四边形机构，及可升降的支撑腿；第一平行四边形机构包括竖直侧板、第一连杆和第二连杆，及第三连杆；第二平行四边形机构包括第一关节、第四连杆、第五连杆，及第二关节；支撑腿安装在第二关节上，支撑腿还上安装着第一齿轮，第二关节上安装有第一齿条，第一齿轮与第一齿条配合以驱动第二关节上下运动。

Description

一种可伸缩避障的仿生机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，尤其是一种可伸缩避障的仿生机器人，主要用于实现管道维修过程中的侦查探测、获取样本等功能。

背景技术

管道是一种常见的物料输送和气体排放装置，广泛应用于化工、矿山、炼油、印染、中央空调等领域。管道系统在长期工作后会出现腐蚀、污垢、堵塞、损伤等问题；为了提高管道寿命、防止泄露等事故的发生，必须定期对管道进行有效地检测维护。但是这些管道往往空间狭窄，维护人员难以进入，维护难度很大；某些管道内会残留有毒有害物质，对人体亦有损害，因此通常的做法是使用越障机器人对管道内进行侦测工作。

越障机器人在管道内行走，通过视频采集装置侦测获得管道内的影像，并将侦测结果传送至控制中心的主机，维护人员根据侦测结果有针对性地对管道进行维护工作。对于管道内的障碍物，大多数越障机器人采用的越障方式为转弯绕过，或关节旋转以升高机体，这种越障方式的机体升高高度有限，而且比较浪费时间，此外，大多数越障机器人并无配备完成指定工作的执行器，只能单一完成越障和侦查工作，功能有待完善。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述背景技术的不足，提供一种可伸缩避障的仿生机器人，该机器人应能适应复杂的工作环境，可以灵活地避开障碍物，在侦查探测管道内环境的同时还可完成采样工作，并且具有结构简单，使用方便的特点。

本发明采用的技术方案是：

一种可伸缩避障的仿生机器人，包括机体、安装在机体底部的行走避障机构、安装在机体顶部的影像采集装置、电源以及控制装置，其特征在于：所述行走避障机构包括对称布置在机体左右两侧的两排机械足，每排机械足中包含至少三条机械足，每条机械足包括第一平行四边形机构、第二平行四边形机构，以及可升降的支撑腿；

所述第一平行四边形机构包括固定在机体底部的竖直侧板、铰接在该竖直侧板上且相互平行的第一连杆和第二连杆，以及与所述第一连杆第二连杆铰接的第三连杆，其中第一连杆由固定在竖直侧板上的第一电机驱动；

所述第二平行四边形机构包括上端固定在所述第三连杆上的第一关节、与第一关节中部铰接的第四连杆、与第一关节下端铰接的第五连杆，以及与所述第四连杆、第五连杆铰接的第二关节；其中第一关节、第二关节均竖直布置，第四连杆由固定在第一关节上的第二驱动电机驱动；

所述支撑腿通过沿竖直方向布置的导轨机构安装在所述第二关节上，支撑腿还上安装着由第三电机驱动的第一齿轮，第二关节上安装有沿竖直方向布置的第一齿条，所述第一齿轮与第一齿条配合以驱动第二关节上下运动。

所述机体包括一水平布置的腹板以及对称布置在腹板左右两侧的两个保护壳，每个保护壳底部的前侧和后侧分别固定有水平布置且沿左右方向伸展的第二齿条，所述腹板上安装有与第二齿条匹配且由第四电机驱动的第二齿轮，腹板的前侧和后侧分别固定有导向板，所述导向板上开设有与第二齿条匹配的第二滑槽。

所述腹板上安装有一操作手，该操作手包括一立柱、一端铰接在立柱顶部的操作臂，以及安装在操作臂顶部并可更换末端执行器的末端执行器安装座，所述操作臂由第五电机驱动，末端执行器安装座由第六电机驱动；腹板的中部固定有一矩形导轨框，该矩形框上安装有所述操作手的驱动机构，该驱动机构包括一个水平布置的座体、驱动所述立柱绕其竖直中心线旋转的第七电机，该第七电机安装在座体底部的中心位置；所述座体底部的前侧、后侧各安装有一组第三齿轮，每组第三齿轮中的两个齿轮相互啮合，并且其中一个齿轮由固定在座体上的第八电机驱动，所述矩形导轨框的内壁的左右两侧分别固定有沿前后方向伸展的第三齿条，每组第三齿轮的两个齿轮分别与两个第三齿条啮合以驱动所述底座前后运动；所述矩形导轨框左右两侧的外壁分别开有第三滑槽，所述座体底部的左右两侧分别固定有第三滑块，所述第三滑块与第三滑槽配合以对所述座体导向；所述腹板在矩形导轨框围拢的区域内制有开口，腹板的底部固定有一对准该开口的储物箱。

所述影像采集装置包括两个通过转轴安装在腹板上的摄像头，所述两个摄像头对称布置在腹板前部的左右两侧，另有两个第九电机分别通过齿轮驱动两摄像头摆动。

本发明的工作原理是：工作状态下，保护壳处于打开状态，影像采集装置收集管道内的环境情况，之后控制装置根据环境情况控制机械足行走；

功能1，行走，

机械足按方位排布前、中、后三对，行走时一边的前后足与另一边的中足共同行走或支撑，形成昆虫行走时的三角形步态，保证机器人的平稳行走，具体是第一电机驱动第一平行四边形机构工作，从而使第三连杆前后摆动，带动第二平行四边形机构以及支撑脚完成行走动作；上述行走过程中，机械足调整状态的操作是在脱离地面后完成的；

功能2，过低障，

当机器人遇到在上述功能1姿态下不能越过的障碍时，机械足的第三电机转动，通过啮合的第一齿轮和第一齿条升高第二关节的高度，从而越过障碍；

功能3，过高障，

当机器人遇到在上述功能2的姿态下仍不能跨越的较高障碍时，机械足的第二电机驱动第四连杆转动，增加第一关节和第二关节之间的垂直距离，从而再次升高机器人的高度，越过障碍；

功能4，过狭缝，

如功能3所述的机器人过较高障碍的姿态，减小了机器人的横向长度，当机器人遇到所述功能1和功能2姿态所不能穿过的狭缝时，可采用此姿态通过；

功能5，转弯，

当机器人遇到不需要或不能跨越的障碍时，可分开驱动机器人左右两边的机械足，使左侧的机械足与右侧的机械足具有相反的角速度，使机器人转弯避过障碍；

功能6，上台阶，

当机器人遇到所需的工作地面高于当前所处地面时，可分开驱动机器人前中后三对足，首先将中足、后足调整为功能2或3中的姿态，同时前足保持最低姿态不变，驱动机器人向前行走至机器人前足到达台阶面的上方，此时调整前足姿态，使前足支撑在台阶上，之后将中足调整到较低姿态，驱动前后足使机器人向前行走，之后再驱动后足使其到达台阶面，如此分开驱动前、中、后三对机械足直至机器人登上台阶；

功能7：钻孔

如前所述的操作手，可以在末端执行器安装座中配置钻头（自带电机），当钻头旋转到工作位置时，可以在物体上钻孔，钻头的高度可由操作手的操作臂控制；此外，通过立柱底部的第七电机可使操作手周向旋转。

功能8：取样

如前所述的操作手，可在末端执行器安装座中配置夹具（自带电机），当末端执行器安装座的夹具旋转到工作状态时，可以夹取所需的样本；

功能9，贮存样本，

如前所述的腹板上包括直径较大的开口，与腹板底部的储物箱连通，当操作手取到样本后，可将样本存放进储物箱；

功能10，保护操作手，

当遇到坠物或液体等可能导致操作手受损的伤害时，机器人的保护壳合拢，保护操作手，渡过危险后，操作手需要完成工作时，保护壳再打开。

功能11，侦测地形，定位，

如前所述的摄像头可通过齿轮啮合旋转，侦测较大范围的地形地貌。

本发明的有益效果是：与常规管道机器人相比，机体可以通过机械足升高两次，从而越过较高的障碍，并且通过收拢机械足，可以穿越较窄的狭缝，并在遇到危险时收拢保护壳，保护内部的操作手不受损坏；操作手可以采集管道内的样本，从而方便维护人员进行维护工作；另外，本发明的结构也比较简单，实施容易，成本相对比较低，具有较高的市场价值。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图之一。

图2是本发明的立体结构示意图之二。

图3是图2中A部的放大示意图。

图4是本发明中机体的立体结构示意图之一。

图5是本发明中机体的立体结构示意图之二。

图6是本发明中机体与机械足的连接结构示意图。

图7是本发明中操作手的驱动机构和机体的连接结构示意图。

图8是图7中操作手的驱动机构的立体结构示意图。

图9是本发明中储物箱的立体结构示意图。

图10是本发明中操作手的立体结构示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

本发明所述的一种可伸缩避障的仿生机器人（结构类似瓢虫），包括一个机体、安装在机体底部的行走避障机构、安装在机体顶部的影像采集装置、电源24以及控制装置26。所述控制装置通过影像采集装置采集环境影像，并控制行走避障装置工作，该控制装置同时还与控制中心的主机之间无线通信，将工作情况反馈给控制中心的维护人员。

上述行走避障机构包括对称布置在机体左右两侧的两排机械足，每排机械足中包含至少三条机械足，每条机械足包括第一平行四边形机构、第二平行四边形机构，以及可升降的支撑腿7。

上述第一平行四边形机构包括固定在机体底部的竖直侧板29（同侧的机械足共用一竖直侧板）、铰接在该竖直侧板上且相互平行的第一连杆2和第二连杆4，以及与所述第一连杆第二连杆铰接的第三连杆3。竖直侧板的内侧固定有第一电机30，第一电机的输出轴与第一连杆的铰接轴连接，第一连杆的铰接轴与第一连杆之间固定在一起，因此第一电机旋转时可带动第一连杆转动，该第一电机与所述控制装置连接。显然第一电机也可以选择驱动第二连杆转动，具体可以根据实际情况确定。

上述第二平行四边形机构包括上端固定在所述第三连杆上的第一关节11、与第一关节中部铰接的第四连杆14、与第一关节下端铰接的第五连杆13，以及与所述第四连杆、第五连杆铰接的第二关节5；第四连杆与第五连杆平行布置，第一关节和第二关节均竖直布置，为了加强稳定性，可以在第一关节的前后两侧分别设置一根第五连杆。第一关节与第四连杆的铰接处设有第二电机12，第二电机固定在第一关节上，其输出轴与第四连杆的铰接轴连接，第四连杆的铰接轴与第四连杆连成一体。

上述支撑腿通过沿竖直方向布置的导轨机构安装在所述第二关节上，支撑腿还上安装着由第三电机6驱动的第一齿轮8，第二关节上安装有沿竖直方向布置的第一齿条18，所述第一齿轮与第一齿条配合以驱动第二关节上下运动。上述支撑腿上开有通槽，通槽内安装着所述第一齿轮，第一齿轮的转轴与第三电机的输出轴连接在一起。所述第二关节与第一关节接触的一侧也制有开槽，该开槽内固定着所述第一齿条，通过第一齿轮与第一齿条的配合，改变支撑脚在第二关节上的位置，从而调整高度。上述导轨机构中，第二关节上制有沿竖直方向布置的第一滑槽，支撑腿上制有沿竖直方向布置的第一滑块7-1。

上述机体包括一水平布置的腹板15以及对称布置在腹板左右两侧的两个保护壳1，每个保护壳底部的前侧和后侧分别固定有水平布置且沿左右方向伸展的第二齿条19，所述腹板上安装有与第二齿条匹配且由第四电机21驱动的第二齿轮20，腹板的前侧和后侧分别固定有导向板25，所述导向板上开设有与第二齿条匹配的第二滑槽25-1。两个第二齿轮分别驱动相应的第二齿条运动，从而实现保护壳的打开和闭合，上述第二滑槽在此过程中对第二齿条导向，同时也防止保护壳脱出。上述两个保护壳可以制成类似瓢虫翅膀的形状，其底部设置加强筋等结构，在此不作详细描述。

为了能够在管道内采集样品，所述腹板上安装有一操作手，该操作手包括一立柱17、一端铰接在立柱顶部的操作臂16，以及安装在操作臂顶部的可更换末端执行器的末端执行器安装座38。所述立柱上固定有第五电机39，第五电机的输出轴与操作臂的铰接轴连接，而操作臂的铰接轴与操作臂固定在一起，因此第五电机可以带动操作臂摆动。所述末端执行器上可以安装钻头37、夹具36等多种末端执行器（均自带电机），为了自动更换末端执行器，所述末端执行器安装座由第六电机驱动35。

腹板的中部固定有一矩形导轨框27，该矩形框上安装有所述操作手的驱动机构。该驱动机构包括一个水平布置的座体32、驱动所述立柱绕其竖直中心线旋转的第七电机33（即周向旋转），该第七电机安装在座体底部的中心位置，座体的上部安装有三角块33，第七电机的输出与三角块的转轴连接，三角块与立柱底部的三角形通孔配合，从而第七电机可以驱动立柱转动。为了使座体前后移动，所述座体底部的前侧、后侧各安装有一组第三齿轮34，每组第三齿轮中的两个齿轮相互啮合，并且其中一个齿轮由固定在座体上的第八电机31驱动（第八电机固定在座体上表面），所述矩形导轨框的内壁的左右两侧分别固定有沿前后方向伸展的第三齿条28，每组第三齿轮的两个齿轮分别与两个第三齿条啮合以驱动所述底座前后运动；所述矩形导轨框左右两侧的外壁分别开有第三滑槽27-1，所述座体底部的左右两侧分别固定有第三滑块32，所述第三滑块与第三滑槽配合以对所述座体导向；所述腹板在矩形导轨框围拢的区域内制有开口，腹板的底部固定有一对准该开口的储物箱10。

所述影像采集装置包括两个通过转轴安装在腹板上的摄像头9，所述两个摄像头对称布置在腹板前部的左右两侧，另有两个第九电机23各通过两个相互啮合的第四齿轮22驱动两摄像头摆动，常规结构，不作详细介绍。

上述所有电机、末端执行器、摄像头以及控制装置均可外购获得，显然所有电机、摄像头、末端执行器与所述控制装置连接。

Claims

1.一种可伸缩避障的仿生机器人，包括机体、安装在机体底部的行走避障机构、安装在机体顶部的影像采集装置、电源（24）以及控制装置（26），其特征在于：所述行走避障机构包括对称布置在机体左右两侧的两排机械足，每排机械足中包含至少三条机械足，每条机械足包括第一平行四边形机构、第二平行四边形机构，以及可升降的支撑腿（7）；

所述第一平行四边形机构包括固定在机体底部的竖直侧板（29）、铰接在该竖直侧板上且相互平行的第一连杆（2）和第二连杆（4），以及与所述第一连杆第二连杆铰接的第三连杆（3），其中第一连杆由固定在竖直侧板上的第一电机（30）驱动；

所述第二平行四边形机构包括上端固定在所述第三连杆上的第一关节（11）、与第一关节中部铰接的第四连杆（14）、与第一关节下端铰接的第五连杆（13），以及与所述第四连杆、第五连杆铰接的第二关节（5）；其中第一关节、第二关节均竖直布置，第四连杆由固定在第一关节上的第二驱动电机（2）驱动；

所述支撑腿通过沿竖直方向布置的导轨机构安装在所述第二关节上，支撑腿还上安装着由第三电机（6）驱动的第一齿轮（8），第二关节上安装有沿竖直方向布置的第一齿条（18），所述第一齿轮与第一齿条配合以驱动第二关节上下运动。

2.根据权利要求1所述的一种可伸缩避障的仿生机器人，其特征在于：所述机体包括一水平布置的腹板（15）以及对称布置在腹板左右两侧的两个保护壳（1），每个保护壳底部的前侧和后侧分别固定有水平布置且沿左右方向伸展的第二齿条（19），所述腹板上安装有与第二齿条匹配且由第四电机（21）驱动的第二齿轮（20），腹板的前侧和后侧分别固定有导向板（25），所述导向板上开设有与第二齿条匹配的第二滑槽（25-1）。

3.根据权利要求2所述的一种可伸缩避障的仿生机器人，其特征在于：所述腹板上安装有一操作手，该操作手包括一立柱（17）、一端铰接在立柱顶部的操作臂（16），以及安装在操作臂顶部并可更换末端执行器的末端执行器安装座（38），所述操作臂由第五电机（39）驱动，末端执行器安装座由第六电机（35）驱动；腹板的中部固定有一矩形导轨框（27），该矩形框上安装有所述操作手的驱动机构，该驱动机构包括一个水平布置的座体（32）、驱动所述立柱绕其竖直中心线旋转的第七电机（33），该第七电机安装在座体底部的中心位置；所述座体底部的前侧、后侧各安装有一组第三齿轮（34），每组第三齿轮中的两个齿轮相互啮合，并且其中一个齿轮由固定在座体上的第八电机（31）驱动，所述矩形导轨框的内壁的左右两侧分别固定有沿前后方向伸展的第三齿条（28），每组第三齿轮的两个齿轮分别与两个第三齿条啮合以驱动所述座体前后运动；所述矩形导轨框左右两侧的外壁分别开有第三滑槽（27-1），所述座体底部的左右两侧分别固定有第三滑块（32），所述第三滑块与第三滑槽配合以对所述座体导向；所述腹板在矩形导轨框围拢的区域内制有开口，腹板的底部固定有一对准该开口的储物箱（10）。

4.根据权利要求2或3所述的一种可伸缩避障的仿生机器人，其特征在于：所述影像采集装置包括两个通过转轴安装在腹板上的摄像头（9），所述两个摄像头对称布置在腹板前部的左右两侧，另有两个第九电机（23）分别通过齿轮驱动两摄像头摆动。