CN103863430B - 多节摆臂履带式矿难探测机器人 - Google Patents

Abstract

多节摆臂履带式矿难探测机器人由三节车体、履带式行走机构、前后摆臂单元、关节模块和动力装置组成。每节车体具有独立的履带式行走机构，对称的分置于车体两侧；首末两个车体分别带有两个履带式摆臂，摆臂用电机控制可绕车体本身旋转，同时摆臂履带通过车体履带的从动轮传动，实现车体履带和摆臂履带的同步转动；车体之问通过关节装置连接，该装置可实现各节车体的俯仰和偏航；首末两节车体分别装有动力装置，两节车体均可牵引或推动整个机器人。本发明整体构造简单；履带式行走机构具有良好的爬坡和越障性能；前后摆臂提高了机器人穿越垂直障碍和较长沟壑的能力；前后两套动力装置解决了机器人特殊地形下动力不足的问题；多节式构造使整个机器人的平衡性、稳定性大大增强。总之，该发明实现了一种构造简单，安全性高，越障能力强的探测救援机器人。

Description

多节摆臂履带式矿难探测机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，尤其是非结构地形环境下的探测救援机器人。

背景技术

现今我国煤炭生产和消耗巨大，但由于我国煤矿的地质特点和企业管理水平的因素，矿难频发，因此在矿难发生后如何组织高效安全的救援工作就至关重要。灾后，矿井下的危险气体和复杂地形使救援人员不能直接进入，这就需要高性能的探测救援机器人先行进入矿井下，采集各种井下环境信息提供给救援指挥部门，以最大限度的减少二次事故的发生。

由于灾后井下环境复杂，各种非结构地形环境对探测救援机器人的移动和越障性能要求很高，但传统的机器人都有其不可克服的缺点，如轮式的越障、攀爬、适应松软土地和泥洼环境的能力明显不足；单节机器人跨越连续障碍性能不高、高坡度下的动力不足；无摆臂式机器人对翻爬垂直障碍高度太低等。因此，为满足井下复杂地形的探测要求，越来越需要一种复合型机器人克服这些缺点。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种能够在非结构地形环境中工作的矿难探测机器人。

本发明的技术方案：该机器人由三节车体通过关节模块(3)相连接而成，每节车体具有独立的履带式行走机构(2)，首末两节车体的行走机构由主动轮(6)，从动轮(701)、履带和挡板(8)组成，主动轮和动力装置相连，为机器人提供行走动力，中间车体不含动力装置，其行走机构中不含主动轮，首末两节车体的主动轮位置不同，首节车体的主动轮为后轮，末节车体的主动轮为前轮，挡板(8)位于履带式行走机构两侧，防止杂物等将履带卡死。首末两节车体各包含两个摆臂，摆臂履带的传动轮(702)和车体履带从动轮(701)是辅助轮的(7)左右两部分，左右两个摆臂的传动轮(702)安装在横穿车体的圆柱形连接轴(10)上，通过主履带带动从动轮(701)传动给摆臂履带传动轮(702)，使传动轮绕连接轴转动，连接轴的两端为六棱柱(12)，分别插入两边支撑臂的六边形孔中，并用固定装置(13)与左右两个支撑臂(11)固定，从动辅轮(9)安装在支撑臂前端的横轴(14)上，并绕横轴转动，通过步进电机控制连接轴转动使支撑臂摆动，从而实现摆臂绕车体的转动。首节车体包含3个步进电机，分别提供履带式行走机构(2)的两侧履带动力和控制摆臂绕车体本身旋转，末节车体与首节车体电机配置相同，因此首末两节车体均可牵引或者推动整个机器人。六个电机独立工作，控制左右履带差速以实现转向，前后摆臂分别根据需要进行控制以实现摆臂摆动。车体之间的关节模块(3)由衔接块(31)、衔接杆(32)和支撑架(33)构成，部件一(311)、部件二(312)、部件三(313)组合构成衔接块，衔接杆插入衔接块中的横向圆柱槽(315)和纵向圆柱槽(316)，横向插入的衔接杆转动时控制车体的俯仰，纵向插入的衔接杆转动时控制车体的偏航。衔接杆中间部分(323)直径较小，与圆柱槽直径相等，该构造可将衔接块卡在衔接杆的中央，避免衔接块在衔接杆上来回滑动。衔接杆在转动时阻挡杆(322)同时在衔接块中的扇形槽(317)转动，每个扇形槽的设计均可控制阻挡杆转动角度，从而控制车体的俯仰和偏航角度，防止转动角度过大，两节车体出现卡死状况。该关节模块构造简单安全，拆卸组装方便。

该机器人车体上还携带摄像头、温度传感器、气体传感器等环境信息采集模块。

该发明具有以下特点和优势：

◆机器人构造简单，便于组装。以履带式机器人为基体，特殊的关节构造可以增加和减少机器人车体数量。

◆履带式行走机构使之具有很强越障、攀爬、跨沟壑能力，且能在松软泥泞的地形运动。

◆多节式构造可使整个机器人的平衡性和稳定性大大增强，多节式机器人在通过连续障碍时性能优良，尤其可适应灾后井下可能出现的具有连续较大障碍的地形。

◆前后摆臂的设计提高了机器人在攀爬垂直障碍和跨越较长沟壑时的能力。

◆首末两节车体分别装有独立的动力装置，单独工作时，节省机器人在简单环境下的动力；共同工作时，牵引力和推进力的共同作用可以使机器人克服复杂地形下动力不足的问题。

◆特殊关节模块的设计简单实用。可以轻巧方便的实现车体的俯仰和偏航，同时扇形槽和阻挡杆的设计又可以防止车体因转动角度过大而出现卡死状况。

总之，该发明对可能出现在井下的非结构化地形环境具有十分良好的适应性。

附图说明

图1是该机器人整体的三维示意图；

图2是该机器人摆臂单元结构示意图；

图3是该机器人关节模块中衔接块结构示意图；

图4是该机器人关节模块中衔接杆和支撑架结构示意图；

其中：1为车体，2为履带式行走机构，3为关节模块，4为前摆臂，5为后摆臂，6为主履带主动轮，7为辅助轮，8为主履带挡板，9为摆臂单元从动轮，10为连接轴，11为支撑臂，12为六边形轴，13为固定接口，14为支撑臂横轴，31为衔接块，32为衔接杆，33为支撑架，311为衔接块部件一，312为衔接块部件二，313为衔接块部件三，314为螺丝孔，315为横向圆柱槽，316为纵向圆柱槽，317为扇形槽，321为旋转杆，322为阻挡杆，323为旋转杆嵌入衔接块部分，701为主履带从动轮，702为摆臂履带传动轮。

具体实施方式

下面结合图1、图2、图3、图4对本发明的具体实施方案详细说明。

从图1可以看出该多节摆臂履带式矿难探测机器人的整体结构。该机器人由三个车体1通过特殊关节模块3相连接而成，采用履带式行走机构2，首末两节车体分别装有履带式摆臂单元。三节车体拥有独立的履带行走机构，首末两节车体的履带式行走机构的主动轮6位置不同，首节车体的主动轮为后轮，末节车体的主动轮为前轮，首末两节车体两侧的履带可单独控制，用差速实现车体转向，同时首末两节车体的动力装置独立控制。前后摆臂单元每均由左右两个履带式摆臂和连接轴10组成，左右两个摆臂的传动轮702安装在连接轴上10，左右摆臂同步工作，每个摆臂拥有两个自由度，即自身履带转动和绕车体旋转。关节模块使用衔接块31、衔接杆32和支撑架33共同组成，衔接杆和支撑架固定，并一起固定在车体上，通过衔接杆在衔接块中的横向和纵向旋转实现车体的俯仰和偏航。

如图2所示摆臂单元结构图。每个摆臂单元由传动轮702、从动轮9、摆臂履带、支撑臂11和连接轴10组成。连接轴中间为圆柱形，两端为六棱柱，横穿车体，辅助轮7安装在连接轴的圆柱形末端，连接轴两端的六棱柱12分别插入左右支撑臂11末端六边形孔中并用固定装置13与支撑臂11固定，从动辅轮9安装在支撑臂前端的横轴14上。摆臂工作原理为：主履带的转动带动主履带从动轮701，因为主履带从动轮和摆臂履带传轮动702为辅助轮7左右两部分，从而主履带从动轮带动摆臂履带传动轮转动，并带动摆臂履带与从动辅轮9转动，进而使摆臂履带与主履带同步工作；车体内电机控制连接轴10转动，从而带动固定在连接轴末端的两个支撑臂11摆动，支撑臂摆动使整个摆臂可以绕车体转动，即单一电机可控制两摆臂任意角度同步转动。

如图3和图4所示构成关节模块。衔接块由部件一311、部件二312和部件三313构成，三个部件通过四个螺丝孔314用螺丝紧固。衔接杆整体为圆柱形，纵向为旋转杆321，横向为阻挡杆322，旋转杆中间部分323直径小于两边，和组成后的衔接块圆柱槽直径相等，衔接杆固定在两个支撑架33的半椭圆面之间。安装过程：将一个衔接杆32和两个支撑架33固定，如图4，固定后的装置中衔接杆中心的阻挡杆322垂直于支撑架两直线边组成的平面，然后将该装置垂直于地面的固定在前一节车体中间，将另一组成好的装置水平于地面的固定在后一节车体中间，两支撑架的直线边分别与车体紧密固定，下面用衔接块三个部件依次包裹两个衔接杆，使旋转杆321中间部分323嵌入衔接块的横向圆柱槽315和纵向圆柱槽316，并使阻挡杆322位于组成后的扇形槽317的中间位置，最后通过三个部件四周的螺丝孔314用螺丝紧固。

该机器人整体工作原理：首末两节车体电机独立控制机器人行走，平稳地形时首节车体动力装置单独工作以节省电力，特殊地形时首末车体的动力装置同时工作使机器人克服动力不足问题。关节模块可组装可拆除，车体数量可根据需要方便的进行增加或减少。前后摆臂履带分别和首末车体的主履带同步运行，用电机控制摆臂绕车体本身摆动，收缩时节省空间，展开时增加履带机构长度。通过松软泥泞地面时，履带式行走机构发挥自身优点，展开摆臂可进一步提高其性能。在攀爬垂直障碍或长沟壑时，调整前摆臂姿态以提高越障性能。在攀爬连续障碍时，依靠多节车体的长度保持稳定，并依靠双动力推进车体前进。总之，该机器人具有十分优良的通过非结构化地形的能力。

Claims (3)

1.多节摆臂履带式矿难探测机器人，包括：三节车体(1)、履带式行走机构(2)、关节模块(3)、前摆臂单元(4)、后摆臂单元(5)，其特征在于：所述的每个摆臂包含传动轮(702)、从动辅轮(9)、支撑臂(11)和履带，从动轮(701)和传动轮(702)是辅助轮(7)的左右两部分，辅助轮的宽度是从动轮和传动轮宽度之和，主动轮(6)和从动轮(701)带动主履带转动，传动轮(702)和从动辅轮(9)带动摆臂履带转动。

2.如权利要求1所述的多节摆臂履带式矿难探测机器人，其特征在于：前后两个摆臂的传动轮通过横穿车体的圆柱形连接轴(10)相连，但并不与连接轴固定，传动轮可绕连接轴转动，连接轴的两端(12)为六棱柱，分别插入两边支撑臂的六边形孔中，并用固定装置(13)与左右两个支撑臂(11)固定，从动辅轮(9)安装在支撑臂(11)前端的横轴(14)上，并绕横轴转动，通过步进电机控制连接轴(10)转动使支撑臂摆动，从而实现摆臂绕车体的转动。

3.如权利要求1所述的多节摆臂履带式矿难探测机器人，其特征在于：所述的关节模块由衔接块(31)、衔接杆(32)和支撑架(33)组装而成，衔接块(31)由部件一(311)、部件二(312)和部件三(313)构成，三个部件通过四个螺丝孔(314)用螺丝紧固，组成后的衔接块包括横向圆柱槽(315)、纵向圆柱槽(316)和扇形槽(317)，衔接杆(32)整体为十字形，纵向为旋转杆(321)，横向为阻挡杆(322)，旋转杆的长度和直径均大于阻挡杆，旋转杆的中间部分(323)直径小于两头，和组成后的衔接块圆柱槽直径相等，支撑架(33)为半椭圆形，衔接杆的两头固定在支撑架(33)的半椭圆面之间。