CN103273981A

CN103273981A - 具有多运动步态的变形搜救机器人

Info

Publication number: CN103273981A
Application number: CN2013102449222A
Authority: CN
Inventors: 李擎; 张承燕; 刘福朝; 付国栋
Original assignee: Beijing Information Science and Technology University
Current assignee: Beijing Information Science and Technology University
Priority date: 2013-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2013-09-04

Abstract

本发明公开了一种具有多运动步态的变形搜救机器人。该机器人包括头部、尾部、关节部、躯干部、伸缩腿部。其中，头部设置安装孔，可根据需要安装相应传感器、通信装置及控制系统等；关节部之间采用正交串联方式，安装数字舵机，可实现仿生蛇的蜿蜒、蠕动、翻滚等运动；躯干部与关节部相连，其内安装控制系统及电池等；伸缩腿部由双连杆组成，安装两个舵机，可实现伸缩变形及匍匐等运动；底部连杆安装有从动轮，用于蜿蜒等运动的辅助作用。该机器人可根据不同的需要选择不同的运动形式，运动形式可彼此独立也可相互结合，在复杂的地形环境中可有效的提升机器人的适应能力和运动效率。

Description

具有多运动步态的变形搜救机器人

技术领域

本发明涉及一种搜救机器人，特别是涉及一种具有多运动步态且能适应复杂地理环境的变形搜救机器人。

背景技术

近年来，地震、矿难、火灾、塌方，以及各类人为事故频繁发生，严重威胁着人类生命和财产的安全，引起了社会各界的广泛关注。然而由于复杂的灾难环境和二次灾难的影响，搜救人员很难及时进行救援。已有发明中，搜救机器人的设计如：专利号为201220061410.3提出了一种基于搜救功能的蚂蚁机器人，虽然可以实现爬行搜救，但是运动形式单一，搜救视野不开阔；专利号为02280911.2提出了一种模块化可变结构蛇形机器人，虽然通过模块的不同安装方式可实现仿生蛇的基本步态，但不具有爬虫的运动步态，运动效率较低；专利号为200910191180.5提出了一种叶片轮式机器人，该发明不能实现变形功能，搜救视野狭小，控制复杂，能耗相对较高；专利号为201010276176.1提出了一种六足万向行走的多功能月球探测机器人，该机器人只具有爬行和轮式滚动两种运动方式，虽然可以变形，但体积较大，低障碍通过性较差。本发明所设计的结构简单，加工容易，可实现三种以上运动步态，且可相互组合式运动，其轮腿结构优于六足机器人，低障碍的通过性较好，完全弥补了以上发明的不足之处，并扩展了其功能，具有新颖性和实质的创造性。

发明内容

本发明的目的是克服现有搜救机器人运动形式单一，不能模块化安装以及不能变形的问题，使其在复杂的搜救环境下，能够根据地形的需要采用适宜的运动模式进行搜救任务。既实现仿生蛇的基本运动形式，也实现爬虫类的运动形式。通过腿部的伸缩变形可扩展机器人的搜救视野，也可辅助通过狭小的管道等。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种具有多运动步态的变形搜救机器人，其特征在于：该机器人采用模块化设计方式，包括头部（1）、尾部（2）、躯干部（3）、关节部（4）、伸缩腿部（5）、从动轮（6），其中，头部（1）采用方锥形结构设计，内部安装电池、摄像头、通信装置及控制系统；躯干部（3）由左端盖(7)、右端盖(8)、圆骨架（9）和紧固螺钉（11）组成，其中圆骨架(9)上开有4个对称的弧形槽，其中一个弧形槽外侧开有舵机支架，圆骨架（9）外侧均匀分布8个骨架安装孔（10），其内部安装电池，控制系统，左端盖（7）与右端盖（8）内侧对称分布4个端盖安装孔（23），其中右端盖（8）的叉型支架上打有两个舵机安装孔（24）；关节部（4）由第一扭转舵机（12）和第二扭转舵机（13）构成；通过第一扭转舵机（12）控制机器人水平方向的运动，通过第二扭转舵机（13）控制机器人竖直方向的运动；伸缩腿部（5）由第三扭转舵机（14）、第四扭转舵机（15）、第一连杆（16）、第二连杆（17）、第三连杆（18）、第四连杆（19）、连接板（20）组成，其中第三连杆（18）、第四连杆（19）分别安装在第一连杆（16）、第二连杆（17）的外侧，从而增大了轮距及低障碍的通过性，第四扭转舵机（15）带动第三连杆（18）、第四连杆（19）旋转，连接板（20）固定在第三连杆（18）、第四连杆（19）上，使其同步旋转；从动轮（6）由轴销（21）和挡圈（22）分别固定在第三连杆（18）和第四连杆（19）上。

进一步的，所述头部（1）为方锥型，躯干部（3）为四弧面对称镂空结构，其壁厚为3mm，外径为80mm。

进一步的，所述躯干部（3）的左端盖（7）与右端盖（8）为圆形内嵌式结构，内嵌距离为10mm，端盖外侧为可交叉式舵机支架。

进一步的，所述第一扭转舵机（12）与第二扭转舵机（13）分别安装在两个相互垂直的左端盖（7）和右端盖（8）上，且输出轴线相互垂直。

进一步的，所述伸缩腿部（5）的第三扭转舵机（14）与第四扭转舵机（15）输出轴方向相反，能保证变形时的稳定性；第三连杆（18）和第四连杆（19）采用音叉式的结构，分别安装在第一连杆（16）和第二连杆（17）的外侧，从而增大了轮距，增强了低障碍的通过性。

本发明头尾部的设计，主要用于传感通信装置的安装、环境信息的采集以及控制系统的安装，躯干部和关节部则进行模块化的设计，可根据实际情况自由地选择需要的模块数目，关节部依托于舵机的旋转可以实现水平和竖直方向的运动，更接近于仿生蛇的蜿蜒、蠕动以及翻滚等运动。伸缩腿部的舵机可以旋转带动连杆，使整个机器人的重心发生变化，同时也可以调整机器人的搜救视野，还可以向前匍匐运动。每一组躯干、关节以及伸缩腿部分可以独立控制，也可相互协调控制，从而达到所需要的运动形式。另外，除了头尾、躯干部分可以配置皮肤之外，从动轮还可以根据地形情况更换不同的材质，提高其适应性。

本发明对搜救机器人进行了运动形式上的大胆探索和创新，具有以下优点：

1、该搜救机器人造型美观，经济实用，结构简单，安装方便，容易实现；

2、将仿生蛇与多足类爬虫的运动形式完美的结合，实现了搜救机器人的多运动步态；

3、腿部关节的伸缩变形大大增加了搜救机器人的搜救视野，同时腿部运动也提高了机器人的运动速度；

4、躯干部的模块化设计以及音叉式的安装方式，提高了搜救机器人的可移植性以及运动稳定性。

附图说明

图1为机器人整体结构示意图；

图2为躯干关节安装结构示意图；

图3为伸缩腿部安装结构示意图；

图4为左端盖结构示意图；

图5为右端盖结构示意图；

图6为圆骨架结构示意图；

其中1为头部，2为尾部，3为躯干部，4为关节部， 5为伸缩腿部，6为从动轮，7为左端盖，8为右端盖，9为圆骨架，10为圆骨架安装孔，11为紧固螺钉，12为第一扭转舵机，13为第二扭转舵机，14为第三扭转舵机，15为第四扭转舵机，16为第一连杆，,17为第二连杆，18为第三连杆，19为第四连杆，20为连接板，21为轴销，22为挡圈，23为端盖安装孔，24为舵机安装孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明由头部1、尾部2、躯干部3、关节部4、伸缩腿部5和从动轮6组成，其中头部主要用来安装环境信息采集的传感装置，例如摄像头、超声波雷达、激光测距仪、温湿度气敏传感器等；躯干部分别安装相应的控制器、电池等，独立控制，独立供电；关节部位安装舵机，并且相邻关节之间的舵机是相互垂直的，可实现两个自由度，主要实现仿生蛇的蠕动、蜿蜒等传统运动，从动轮可以实现轮式辅助蜿蜒和蠕动等传统蛇形运动；伸缩腿部的变形可扩展机器人的搜救视野。

如图2所示，躯干部主要由左端盖7、右端盖8、圆骨架9组成。其中分别有端盖安装孔23和骨架安装孔10，由紧固螺钉11固定，左端盖与右端盖垂直安装，这样就能保证关节舵机的垂直安装，实现两个自由度方向的运动，相邻的两个骨架的安装位置正好相反，从而使舵机的输出轴相反，保证运动的左右平衡性。

如图3所示，伸缩腿部的安装位置与骨架一侧的舵机支架对应，第三扭转舵机14的旋转带动第一连杆16和第二连杆17旋转，第二扭转舵机15的旋转带动第三连杆18和第四连杆19的旋转，通过两个舵机的协调旋转角度，达到所需要的腿部运动形式。腿部的从动轮可根据不同的工况更换不同的材质来适应其搜救环境。

图4--6展示了躯干部的组成部分：左端盖7、右端盖8及圆骨架9。从图中可是看出躯干部的安装具有随意性，可根据需要调整左端盖7与右端盖8的安装位置，但必须保证圆骨架9的舵机支架向下。如果左端盖7与右端盖8采用平行安装，只能实现一个自由度方向运动；如果采用正交安装，则可以实现水平和竖直两个方向的运动。当两个端盖处所安装的舵机同时运动时则可以实现翻滚等动作。

本发明除了头尾部设计结构独特外，躯干部、关节部以及伸缩腿部的结构都对应相同。

本发明实现了仿生蛇与多足类爬虫运动形式的结合，传统的蛇形运动与多足类爬虫的运动形式既可以独立控制，也可以协同控制。其各自的工作原理为：

第一种运动方式：传统的蛇形运动。当所有的相同位置的第一扭转舵机12按照相应的角度转动时，会带动相应的躯干和关节运动，同时保证扭转舵机的相位插值运动，使其成蛇形曲线，就可以实现蜿蜒运动；当机器人所有位置的第二扭转舵机13按照相应的角度转动时，使得同一个自由度竖直方向的关节扭转，按照关节舵机的相位插值运动，就可以实现蠕动；当机器人所有舵机根据相应的舵机转角以及相位插值进行运动时，则可实现机器人的翻滚等运动。

第二种运动方式：多足类爬虫匍匐爬行运动。伸缩腿部可根据需要适宜安装，不一定每个躯干下边都安装，通过舵机15的旋转带动第三连杆18和第三连杆19向上抬起，舵机14的旋转带动第一连杆16和第二连杆17向前运动，从而使整个腿关节的下部向前运动，同理每个伸缩腿部重复上述动作即可实现匍匐爬行运动。

第三种运动方式：蛇形运动与匍匐爬行相结合。当进行蜿蜒运动时，伸缩腿部处于回缩状态，使机器人的重心整体降低，腿部的从动轮有利于蜿蜒的辅助作用；当进行蠕动时，通过腿部关节的收缩和向前爬行，不仅可以扩展机器人的搜救视野，也可以提高机器人的蠕动速度。

本发明在结构设计时，主要设计了头尾部外形、躯干部结构、关节部结构、伸缩腿部结构，整体结构图中的机器人由头部模块、尾部模块、五个相同躯干部模块、六个相同关节部模块、五个相同伸缩腿部模块组成。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种具有多运动步态的变形搜救机器人，其特征在于：该机器人采用模块化设计方式，包括头部（1）、尾部（2）、躯干部（3）、关节部（4）、伸缩腿部（5）、从动轮（6），其中，头部（1）采用方锥形结构设计，内部安装电池、摄像头、通信装置及控制系统；躯干部（3）由左端盖(7)、右端盖(8)、圆骨架（9）和紧固螺钉（11）组成，其中圆骨架(9)上开有4个对称的弧形槽，其中一个弧形槽外侧开有舵机支架，圆骨架（9）外侧均匀分布8个骨架安装孔（10），其内部安装电池，控制系统，左端盖（7）与右端盖（8）内侧对称分布4个端盖安装孔（23），其中右端盖（8）的叉型支架上打有两个舵机安装孔（24）；关节部（4）由第一扭转舵机（12）和第二扭转舵机（13）构成；通过第一扭转舵机（12）控制机器人水平方向的运动，通过第二扭转舵机（13）控制机器人竖直方向的运动；伸缩腿部（5）由第三扭转舵机（14）、第四扭转舵机（15）、第一连杆（16）、第二连杆（17）、第三连杆（18）、第四连杆（19）、连接板（20）组成，其中第三连杆（18）、第四连杆（19）分别安装在第一连杆（16）、第二连杆（17）的外侧，从而增大了轮距及低障碍的通过性，第三扭转舵机（14）带动第一连杆（16）、第二连杆（17）旋转，第四扭转舵机（15）带动第三连杆（18）、第四连杆（19）旋转，连接板（20）固定在第三连杆（18）、第四连杆（19）上，使其同步旋转；从动轮（6）由轴销（21）和挡圈（22）分别固定在第三连杆（18）和第四连杆（19）上。

2.根据权利要求1所述的具有多运动步态的变形搜救机器人，其特征在于：所述头部（1）为方锥型，躯干部（3）为四弧面对称镂空结构，其壁厚为3mm，外径为80mm。

3.根据权利要求1所述的具有多运动步态的变形搜救机器人，其特征在于：所述躯干部（3）的左端盖（7）与右端盖（8）为圆形内嵌式结构，内嵌距离为10mm，端盖外侧为可交叉式舵机支架。

4.根据权利要求1所述的具有多运动步态的变形搜救机器人，其特征在于：所述第一扭转舵机（12）与第二扭转舵机（13）分别安装在两个相互垂直的左端盖（7）和右端盖（8）上，且输出轴线相互垂直。

5.根据权利要求1所述的具有多运动步态的变形搜救机器人，其特征在于：所述伸缩腿部（5）的第三扭转舵机（14）与第四扭转舵机（15）输出轴方向相反；第三连杆（18）和第四连杆（19）采用音叉式的结构，分别安装在第一连杆（16）和第二连杆（17）的外侧。