CN104925159A - 一种侦察型可越障机器蛇 - Google Patents
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Abstract
一种侦察型可越障机器蛇属于机器人领域。由于传统爬壁机器人无法跨越90度的墙面，使得它们在普遍为直角设计的现代建筑上，寸步难行。跨越障碍物能力弱，导致其也不能涉足危险场地执行搜寻和检测维护任务，致使其应用范围少。针对传统爬壁机器人的不足，与稳定性好、横截面小、高柔性的蛇形机器人相结合，设计出了此款爬壁机器蛇。该机器蛇可以模仿蛇的抬头和摆头动作。利用蛇的抬头运动，可使机器蛇在不同角度的壁面转换自如，迁移性强。以车轮作为行走方式，并在运动关节处加入了缓冲扭簧，保证转换角度的准确。在吸附方面，运用真空负压原理使其吸附在壁面上，并通过比较分析，设计了一种底座结构来使吸附更加牢靠。摄像头可360°转动。
Description
技术领域
本发明是一种侦察型可越障机器蛇设计，属于机器人结构设计领域。
背景技术
壁面移动机器人广泛应用于维护、检查、消防、救援、清洗、情报和国防等领域，各工业发达国家都投入大量人力物力，积极进行其理论和技术研究。由于传统爬壁机器人具有很多的不足之处，如对壁面的材料和形状适应性不强，跨越障碍物的能力弱，体积大，质量重等，特别是无法跨越90度的墙面，使得它们在普遍为直角设计的现代建筑上，寸步难行。跨越障碍物能力弱，导致其也不能涉足危险场地执行搜寻和检测维护任务，致使其应用范围少。因此未来爬壁机器人的结构应该向着实用化的方向发展。
针对传统爬壁机器人的不足，与稳定性好、横截面小、高柔性的蛇形机器人相结合，设计出了结构简单，便于维修，跨越障碍物的能力强，运动速度快，结构、控制简单，能够进入狭小空间执行任务的攀爬机器蛇。
机器蛇可适应于条件恶劣且要求高可靠性的战场、外层空间等环境，也可用于战场上的扫雷、爆破，通过能力很强的行星地表探测等。
发明内容
本发明采用多节的结构，并采用模块化的设计，连接关节采用万向节的结构，并配有扭簧缓冲机构，使机器人运动灵活准确，迁移性强，并改善结构，使吸附力增大，保证机器蛇与墙面吸附的安全性。
考虑到机器蛇要进行侦查和监控工作，故尺寸要尽量小，以防被敌方发现。由于爬壁机器人的应用也可拓宽到搜索领域，所以要尽量瘦长，保证其可以通过狭小的空间。同时，为了保证机器人的轻量化，蛇身采用PVC材料，运动方式采用车轮式，后轮驱动使其运动，前轮采用万向轮设计，便于转弯，并配有减震机构，使运动平稳。爬壁机器人的重点在于吸附方式的合理选择及如何增大吸附力，使其不会掉落。选用负压吸附，采用翼型向后风扇，配有弧线形设计的机架，能量损失小，整机效率高，运转时噪声小。并改善底盘的结构，底盘两侧加有柔性密封条，底部增加多个凸起，减少空气流出。进气口处采用弧线设计，并配有网状阻挡盘，使底部真空度高，吸附力增大，提高机器蛇吸附在壁面上的安全性。
1.一种侦察型可越障机器蛇，其特征在于包括：后轮(1)、转弯蜗杆(2)、吸附装置(3)、前轮(4)、底座(5)、红外探照灯(6)、3D摄像头(7)、摄像头挡片(8)、侦查摄像头(9)、前盖(10)、后轮减速箱(11)、连接关节(12)、抬头连接齿轮轴(13)、抬头减速箱(14)、中盖(15)、后盖(16)和尾部天线(17)；机器蛇至少包括一节首节、一节中节、一节尾节；机器蛇连接关节(12)包括连接支架(12.1)、水平中轴(12.2)、运动支架(12.3)、抬头齿轮(12.4)、齿轮处扭簧(12.5)、转弯蜗轮(12.6)、蜗轮处扭簧(12.7)、竖直中轴(12.8)，连接支架(12.1)和运动支架(12.3)通过竖直中轴(12.8)连接，转弯蜗轮(12.6)与竖直中轴(12.8)同轴，位于运动支架(12.3)下部第一凸台(12.3.2)处，蜗轮处扭簧(12.7)与竖直中轴(12.8)同轴，位于转弯蜗轮(12.6)下方第二凸台(12.6.1)内部，固定转弯蜗轮位置(12.6)；配有第三凸台(12.4.1)的抬头齿轮(12.4)与水平中轴(12.2)同轴，位于运动支架(12.3)左右两端第四凸台(12.3.1)处，与运动支架(12.3)的第四凸台(12.3.1)相配合；齿轮处扭簧(12.5)与水平中轴(12.2)同轴，位于抬头齿轮(12.4)与运动支架(12.3)中间处，固定抬头齿轮(12.4)位置；
两蛇节之间通过连接关节(12)连接，连接关节(12)中的竖直中轴(12.8)与蛇节底座后方第五凸台(5.3)同轴，构成转动副，实现转弯功能；连接关节(12)中的连接支架(12.1)与前一节通过四个固定螺栓(29)固定相对位置，底座(5)前方连接孔(5.4)与连接关节(12)内部的水平中轴(12.2)同轴，构成转动副，实现抬头功能；连接关节(12)中的运动支架(12.3)与后一节在底座(5)前方连接孔处(5.4)通过左右两个连接螺栓(28)连接；吸附装置位于底座(5)的正中央，与底座(5)通过螺栓连接；由风扇电机(3.1)、电机支座(3.2)、翼型后向风扇(3.3)、机壳(3.4)组成，由上到下放置顺序依次为风扇电机(3.1)、电机支座(3.2)、翼型后向风扇(3.3)，机壳(3.4)；机壳(3.4)下方采用弧线形设计，风扇电机(3.1)驱动翼型后向风扇(3.3)完成吸附；机器蛇上下抬头通过抬头连接齿轮轴(20)、抬头减速箱(14)、连接关节(12)实现；抬头减速箱(14)位于底座(5)中前方，抬头连接齿轮轴(20)上的大齿轮与抬头减速箱(14)内低速齿轮啮合，抬头连接齿轮轴(20)位于底座(5)前部上方，抬头齿轮(12.4)与抬头连接齿轮轴(20)的小齿轮啮合；通过电机驱动抬头减速箱(14)，带动抬头连接齿轮轴(20)转动，使与之啮合的抬头齿轮(12.4)转动，完成蛇节的抬头运动；机器蛇转弯通过转弯蜗杆(21)、连接关节(12)实现，转弯蜗杆(21)位于底座(5)中后方，与转弯蜗轮(12.6)啮合；通过驱动电机使转弯蜗杆(21)转动，带动与转弯蜗杆(21)啮合的转弯蜗轮(12.6)转动，完成蛇节的转弯运动。
进一步，后轮驱动装置由后轮减速箱(11)、后轮连接齿轮(18)、后轮连接杆(19)及后轮(1)组成，后轮减速箱(11)位于底座(5)中后方，后轮连接齿轮(18)与后轮减速箱(11)内低速齿轮啮合，后轮连接杆(19)与后轮连接齿轮(18)同轴，并与后轮(1)连接；前轮(4)为万向轮的结构，在前轮(4)处增加减震器(4.1)；运动时，由电机驱动后轮减速箱(11)，带动后轮连接齿轮(18)转动，驱动后轮(1)，由后轮(1)带动前轮(4)完成机器蛇的运动。
进一步，侦察摄像头位于首节的上方；侦察摄像头水平方向的转动，通过齿轮传动机构实现，其中包括摄像头固定支架(25)、小齿轮(24)、大齿轮(23)、摄像头机架(22)；摄像头固定支架(25)位于首节底座中前方，大齿轮(23)与摄像头机架(33)同轴，位于摄像头固定支架中部，小齿轮(24)与大齿轮(23)啮合，位于摄像头固定支架(25)环形凸起处；通过电机驱动小齿轮(24)转动，带动与大齿轮(23)连接的摄像头机架(22)转动；侦查摄像头竖直方向的转动，运用蜗轮蜗杆传动机构，通过电机驱动蜗杆(26)转动，从而带动与蜗轮(27)连接的摄像头镜筒转动。
进一步，通过蛇节的抬头运动，实现-90°～90°的墙壁转换。
进一步，底座(5)设有凸出方块(5.1)，用两侧的柔性密封条(5.2)加强气流的密封性；底部进气处采用流线型弧线设计，进气处并增加网状阻挡盘(28)，使吸附更加牢靠。
进一步，在连接关节的齿轮处扭簧(12.5)和蜗轮处扭簧(12.7)通过施加反向扭矩来限制抬头齿轮(12.4)及转弯蜗轮(12.6)的转动，使蛇节准确的转动预定角度。
本发明提供的疾速蝮蛇设计至少包括以下几个部分：
1.一种侦察型可越障机器蛇，其特征包括：后轮(1)、转弯蜗杆(2)、吸附装置(3)、前轮(4)、底座(5)、红外探照灯(6)、3D摄像头(7)、摄像头挡片(8)、侦查摄像头(9)、前盖(10)、后轮减速箱(11)、连接关节(12)、抬头连接齿轮轴(13)、抬头减速箱(14)、中盖(15)、后盖(16)、尾部天线(17)。
2.一种侦察型可越障机器蛇吸附方式的选择。选择翼型后向风扇(3.3)，能量损失小，整机效率高，运转时噪声小。机壳(3.4)的进气口采用弧线形设计，既可固定风扇，又不妨碍吸附腔内的空气甩出。风扇电机(3.1)、电机支座(3.2)、翼型后向风扇(3.3)、机壳(3.4)共同组成吸附装置。底座5的设计，在底座设有多个凸出小方块(5.1)，减少了空气的流出，用两侧的柔性密封条(5.2)加强了气流的密封性，使内外压力差加大，改善底部进气处的弧线并增加一个网状阻挡盘(28)，既可以使空气源源不断的进入机壳，又可以让进入机壳的空气减少，使吸附更加牢靠。
3.机器蛇运动方式。由于整体需要轻量化，采用选择车轮式作为机器蛇的行走方式。由于左右转弯的R副带有电机驱动，为了减少转弯时受到的阻力，前轮(4)设计成万向轮的结构，同时为了增大机器蛇与墙面间的摩擦力，在前后轮均增加花纹。运动时，由电机驱动后轮减速箱(11)，带动后轮连接齿轮(13)转动，驱动后轮(1)，由后轮(1)带动前轮(4)完成机器蛇的运动。为了保证机器蛇的运动平稳，在前轮(4)处增加了减震器(4.1)。
4.机器蛇连接关节处的设计。要求不妨碍机器蛇的抬头和转弯运动。利用垂直和水平方向正交的关节来拟合蛇类生物柔软的身体，采用两个R副组成一个连接关节(12)，具有两个方向的自由度。在连接关节的齿轮处扭簧(12.5)和蜗轮处扭簧(12.7)通过施加反向扭矩来限制抬头齿轮(12.4)及转弯蜗轮(12.6)的转动，使蛇节可以准确的转动预定角度。采用两个电机分别驱动R副来控制抬头运动和转弯运动。采用模块化设计，每个关节均可进行拆卸，可以根据不同任务的需要增减单元体的数量。
5.机器蛇转弯、抬头运动机构的设计。转弯的实现，通过驱动电机使转弯蜗杆(21)转动，带动与转弯蜗杆(21)啮合的转弯蜗轮(12.6)转动，完成蛇节的转弯运动。通过电机驱动抬头减速箱(14)，带动抬头连接齿轮轴(20)转动，使与之啮合的抬头齿轮(12.4)转动，完成蛇节的抬头运动。抬头关节处的左右两端各有一对齿轮啮合，使传动更精确。
6.摄像头的设计。摄像头在水平方向的转动，运用齿轮传动机构，通过电机驱动小齿轮(24)转动，带动与大齿轮(23)连接的摄像头机架(22)转动，运行平稳，减少了转动时的振动和不平稳。竖直方向的转动，运用蜗轮蜗杆传动机构，通过电机驱动蜗杆(26)转动，从而带动与摄像头镜筒连接的蜗轮(27)转动，传动平稳，噪音小。
一种侦察型可越障机器蛇设计有如下几个特点：
1.选择翼型后向风扇，能量损失小，整机效率高，运转时噪声小。
2.正交关节使蛇体具有向任何方向弯曲的能力。
3.采用模块化设计，每个关节均可进行拆卸，可以根据不同任务的需要增减单元体的数量。
4.在转动副处配有扭簧调节装置，使前一节可以准确的转动预定角度。
5.运用蛇的抬头运动实现机器蛇不同运动平面的转化，壁面迁移能力强。
6.采用负压原理并改善底盘设计，在底部增加阻挡盘和阻挡纸片来达到增加吸附力的目的。
7.上升空间大，此装置不仅可以用在战场上扫雷，爆破，矿井和废墟中探测营救，反恐、管道维修以及行星地表探测等恶劣条件，还可用于自然灾害发生时的及时通信，而且可以根据需求和不同的传感器，做出更多的功能。
8.摄像头可360°转动，全方位进行侦查。
9.机构可以长时间运行，可以完成较长时间的侦察任务。
10.体积较小，行动灵活，便于隐藏。
附图说明
图1为一种侦察型可越障机器蛇的结构示意图—正视图
图2为一种侦察型可越障机器蛇的结构示意图—轴测图
图3为吸附装置结构示意意图
图4为底座结构示意图，图4(a)为底座正面结构，图4(b)为底座正面结构
图5为后轮驱动结构示意图
图6为前轮结构示意图
图7为连接关节示意图，图7(a)为连接关节转弯主要机构，图7(b)为连接关节抬头主要机构
图8为抬头齿轮结构示意图
图9为转弯蜗轮结构示意图
图10为运动支架结构示意图
图11为转弯机构示意图
图12为抬头机构示意图
图13为摄像头示意图，图13(a)为周向转动机构，图13(b)为上下转动机构
图14为壁面迁移示意图，图14(a)外壁迁移，图14(b)内壁迁移
具体实施方法
一种侦察型可越障机器蛇，其特征包括：后轮(1)、转弯蜗杆(2)、吸附装置(3)、前轮(4)、底座(5)、红外探照灯(6)、3D摄像头(7)、摄像头挡片(8)、侦查摄像头(9)、前盖(10)、后轮减速箱(11)、连接关节(12)、抬头连接齿轮轴(13)、抬头减速箱(14)、中盖(15)、后盖(16)、尾部天线(17)。
吸附方式的选择。选择翼型后向风扇(3.3)，能量损失小，整机效率高，运转时噪声小。机壳(3.4)的进气口采用弧线形设计，既可固定风扇，又不妨碍吸附腔内的空气甩出。风扇电机(3.1)、电机支座(3.2)、翼型后向风扇(3.3)、机壳(3.4)共同组成吸附装置。底座5的设计，在底座设有多个凸出小方块(5.1)，减少了空气的流出，用两侧的柔性密封条(5.2)加强了气流的密封性，使内外压力差加大，改善底部进气处的弧线并增加一个网状阻挡盘(28)，既可以使空气源源不断的进入机壳，又可以让进入机壳的空气减少，使吸附更加牢靠。
机器蛇运动方式。由于整体需要轻量化，采用选择车轮式作为机器蛇的行走方式。由于左右转弯的R副带有电机驱动，为了减少转弯时受到的阻力，前轮(4)设计成万向轮的结构，同时为了增大机器蛇与墙面间的摩擦力，在前后轮均增加花纹。运动时，由电机驱动后轮减速箱(11)，带动后轮连接齿轮(13)转动，驱动后轮(1)，由后轮(1)带动前轮(4)完成机器蛇的运动。为了保证机器蛇的运动平稳，在前轮(4)处增加了减震器(4.1)。
机器蛇连接关节处的设计。要求不妨碍机器蛇的抬头和转弯运动。利用垂直和水平方向正交的关节来拟合蛇类生物柔软的身体，采用两个R副组成一个连接关节(12)，具有两个方向的自由度。在连接关节的齿轮处扭簧(12.5)和蜗轮处扭簧(12.7)通过施加反向扭矩来限制抬头齿轮(12.4)及转弯蜗轮(12.6)的转动，使蛇节可以准确的转动预定角度。采用两个电机分别驱动R副来控制抬头运动和转弯运动。采用模块化设计，每个关节均可进行拆卸，可以根据不同任务的需要增减单元体的数量。
机器蛇转弯、抬头运动机构的设计。转弯的实现，通过驱动电机使转弯蜗杆(21)转动，带动与转弯蜗杆(21)啮合的转弯蜗轮(12.6)转动，完成蛇节的转弯运动。通过电机驱动抬头减速箱(14)，带动抬头连接齿轮轴(20)转动，使与之啮合的抬头齿轮(12.4)转动，完成蛇节的抬头运动。抬头关节处的左右两端各有一对齿轮啮合，使传动更精确。
摄像头的设计。摄像头在水平方向的转动，运用齿轮传动机构，通过电机驱动小齿轮(24)转动，带动与大齿轮(23)连接的摄像头机架(22)转动，运行平稳，减少了转动时的振动和不平稳。竖直方向的转动，运用蜗轮蜗杆传动机构，通过电机驱动蜗杆(26)转动，从而带动与摄像头镜筒连接的蜗轮(27)转动，传动平稳，噪音小。
经过调研发现，大多数爬壁机器人迁移性攀爬的功能欠缺，对壁面的适应性较差，基本只能实现一个平面的移动。针对这个问题，设计了一个可实现从一个壁面到另一个壁面的迁移的结构，并且不仅仅局限于垂直平面的迁移，任何角度或弯曲的平面均可。以机器蛇在两个垂直墙面转换为例来讲解机器蛇的平面转换原理。机器蛇每节的最大抬头角度为60°，电机顺时针转，蛇节上抬，电机逆时针转，蛇节下抬。通过各节上下抬头的配合运动，结合蛇身的向前运动，实现机器蛇在内外壁面的迁移运动。在此期间不用担心由于转换时吸附力不够导致蛇节掉落，因为每一节蛇身都是独立系统，每一节都可通过电机的反转回到壁面上。考虑到机器蛇迁移运动的过程和关节旋转角为不大于±60°，采用至少六节的蛇形结构。
Claims (6)
1.一种侦察型可越障机器蛇，其特征在于包括：后轮(1)、转弯蜗杆(2)、吸附装置(3)、前轮(4)、底座(5)、红外探照灯(6)、3D摄像头(7)、摄像头挡片(8)、侦查摄像头(9)、前盖(10)、后轮减速箱(11)、连接关节(12)、抬头连接齿轮轴(13)、抬头减速箱(14)、中盖(15)、后盖(16)和尾部天线(17)；机器蛇至少包括一节首节、一节中节、一节尾节；机器蛇连接关节(12)包括连接支架(12.1)、水平中轴(12.2)、运动支架(12.3)、抬头齿轮(12.4)、齿轮处扭簧(12.5)、转弯蜗轮(12.6)、蜗轮处扭簧(12.7)、竖直中轴(12.8)，连接支架(12.1)和运动支架(12.3)通过竖直中轴(12.8)连接，转弯蜗轮(12.6)与竖直中轴(12.8)同轴，位于运动支架(12.3)下部第一凸台(12.3.2)处，蜗轮处扭簧(12.7)与竖直中轴(12.8)同轴，位于转弯蜗轮(12.6)下方第二凸台(12.6.1)内部，固定转弯蜗轮位置(12.6)；配有第三凸台(12.4.1)的抬头齿轮(12.4)与水平中轴(12.2)同轴，位于运动支架(12.3)左右两端第四凸台(12.3.1)处，与运动支架(12.3)的第四凸台(12.3.1)相配合；齿轮处扭簧(12.5)与水平中轴(12.2)同轴，位于抬头齿轮(12.4)与运动支架(12.3)中间处，固定抬头齿轮(12.4)位置；
两蛇节之间通过连接关节(12)连接，连接关节(12)中的竖直中轴(12.8)与蛇节底座后方第五凸台(5.3)同轴，构成转动副，实现转弯功能；连接关节(12)中的连接支架(12.1)与前一节通过四个固定螺栓(29)固定相对位置，底座(5)前方连接孔(5.4)与连接关节(12)内部的水平中轴(12.2)同轴，构成转动副，实现抬头功能；连接关节(12)中的运动支架(12.3)与后一节在底座(5)前方连接孔处(5.4)通过左右两个连接螺栓(28)连接；吸附装置位于底座(5)的正中央，与底座(5)通过螺栓连接；由风扇电机(3.1)、电机支座(3.2)、翼型后向风扇(3.3)、机壳(3.4)组成，由上到下放置顺序依次为风扇电机(3.1)、电机支座(3.2)、翼型后向风扇(3.3)，机壳(3.4)；机壳(3.4)下方采用弧线形设计，风扇电机(3.1)驱动翼型后向风扇(3.3)完成吸附；机器蛇上下抬头通过抬头连接齿轮轴(20)、抬头减速箱(14)、连接关节(12)实现；抬头减速箱(14)位于底座(5)中前方，抬头连接齿轮轴(20)上的大齿轮与抬头减速箱(14)内低速齿轮啮合，抬头连接齿轮轴(20)位于底座(5)前部上方，抬头齿轮(12.4)与抬头连接齿轮轴(20)的小齿轮啮合；通过电机驱动抬头减速箱(14)，带动抬头连接齿轮轴(20)转动，使与之啮合的抬头齿轮(12.4)转动，完成蛇节的抬头运动；机器蛇转弯通过转弯蜗杆(21)、连接关节(12)实现，转弯蜗杆(21)位于底座(5)中后方，与转弯蜗轮(12.6)啮合；通过驱动电机使转弯蜗杆(21)转动，带动与转弯蜗杆(21)啮合的转弯蜗轮(12.6)转动，完成蛇节的转弯运动。
2.根据权利要求1中所述的一种侦察型可越障机器蛇，其特征在于：后轮驱动装置由后轮减速箱(11)、后轮连接齿轮(18)、后轮连接杆(19)及后轮(1)组成，后轮减速箱(11)位于底座(5)中后方，后轮连接齿轮(18)与后轮减速箱(11)内低速齿轮啮合，后轮连接杆(19)与后轮连接齿轮(18)同轴，并与后轮(1)连接；前轮(4)为万向轮的结构，在前轮(4)处增加减震器(4.1)；运动时，由电机驱动后轮减速箱(11)，带动后轮连接齿轮(18)转动，驱动后轮(1)，由后轮(1)带动前轮(4)完成机器蛇的运动。
3.根据权利要求1中所述的一种侦察型可越障机器蛇，其特征在于：侦察摄像头位于首节的上方；侦察摄像头水平方向的转动，通过齿轮传动机构实现，其中包括摄像头固定支架(25)、小齿轮(24)、大齿轮(23)、摄像头机架(22)；摄像头固定支架(25)位于首节底座中前方，大齿轮(23)与摄像头机架(33)同轴，位于摄像头固定支架中部，小齿轮(24)与大齿轮(23)啮合，位于摄像头固定支架(25)环形凸起处；通过电机驱动小齿轮(24)转动，带动与大齿轮(23)连接的摄像头机架(22)转动；侦查摄像头竖直方向的转动，运用蜗轮蜗杆传动机构，通过电机驱动蜗杆(26)转动，从而带动与蜗轮(27)连接的摄像头镜筒转动。
4.根据权利要求1中所述的一种侦察型可越障机器蛇，其特征在于，通过蛇节的抬头运动，实现-90°～90°的墙壁转换。
5.根据权利要求1中所述的一种侦察型可越障机器蛇，其特征在于，底座(5)设有凸出方块(5.1)，用两侧的柔性密封条(5.2)加强气流的密封性；底部进气处采用流线型弧线设计，进气处并增加网状阻挡盘(28)，使吸附更加牢靠。
6.根据权利要求1中所述的一种侦察型可越障机器蛇，其特征在于，在连接关节的齿轮处扭簧(12.5)和蜗轮处扭簧(12.7)通过施加反向扭矩来限制抬头齿轮(12.4)及转弯蜗轮(12.6)的转动，使蛇节准确的转动预定角度。
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Correction item: Inventor Correct: Wang Jianhua|Shi Yejia|Ma Danyue|Lu Yuanshen|Liu Zhifeng False: Wang Jianhua|Shi Shuojia|Ma Danyue|Lu Yuanshen|Liu Zhifeng Number: 14 Page: The title page Volume: 33 |
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