CN104972457A - 一种模块化可重构蛇形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械自动化工程领域，具体地说是一种模块化可重构蛇形机器人，包括可视模块、温度探测模块、湿度探测模块、气体探测模块和连接模块。其中可视模块、温度探测模块、湿度探测模块、气体探测模块的两端均设计有相同的快换接口，相互间可以通过连接模块相连；所述的可视模块由标准模块、可视摄像头、摄像头安装座等组成，可视摄像头通过摄像头安装座固定在标准模块的一端；标准模块的另一端与其它模块相连。本发明结构紧凑、重量轻，具有主、被动驱动能力，环境适应性较强，能够在根据不同情况组合不同的模块来获取古墓、地下墓葬的温、湿度、有害气体和布局等环境信息很好的完成地下墓穴的探测任务。

Description

一种模块化可重构蛇形机器人

技术领域

本发明属于机械自动化工程领域，具体地说是一种模块化可重构蛇形机器人，可应用在古墓、地下墓葬等环境。

背景技术

在我国考古界，长期以来对地下墓葬类封闭空间的探查，主要采用的是洛阳铲。这种探查方式，是用洛阳铲在探查区打出竖直的探洞，依据洛阳铲带出的泥土变化的特征，来判断地下遗存的状况。这种探查方法尽管简便，其判断依据却是间接地带有一定的随机性，并无法准确判断地下遗存的存在和分布。而且，当地下存在遗存时，洛阳铲难免正好打在文物上，存在一定损害文物的风险。

考古人员如果要身入墓室，也是风险重重。古代墓葬年代久远，尸体和其他物质的氧化腐败，耗尽了其中的氧气，同时也会生成一些有害的气体，比如二氧化碳、硫化氢、二氧化硫、甲烷，按照古人的埋葬文化可能还会存在汞蒸汽。此外，由于地下潮湿、阴暗，可能还会存在一些微生物。无氧和上述气体以及微生物的存在，对考古人员必然造成有害影响。

国外研究人员1993年首次在大金字塔内使用机器人进行探测。2002年9月，名为“金字塔漫游者”的机器人被用于埃及金字塔神秘石门考古探索任务，其长30cm，宽12cm，高度在11～28cm范围内可调，配备超声传感器用来测量石块厚度，并通过“透地雷达”装置探测金子塔内部。2013年4月，考古学家为了探明墨西哥羽蛇神庙中一条隧道的奥妙，使用了一个名为“Tlaloc II-TC”的机器人。这个机器人装备有红外线摄像装置和激光扫描仪，能够生成地下空间的3D图像。

中国国家博物馆于2008年研制出一种双履带式考古机器人，在西安庞留唐墓的抢救性发掘工作中，机器人成功从盗洞中进入墓穴内，将墓室内的图像、温度、湿度等信息传回控制台。该机器人也在西安延廉汉墓进行了测试试验。国内同类机器人如果从探洞进入，就不能在墓室内移动探测。如何让机器人既可从盗洞、探洞进入，又可以在进入墓室后进行移动探测，获取古代墓葬内的环境信息，已经成了制约地下墓葬考古发掘的一个瓶颈。

发明内容

为了解决现有古墓探测机器人存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种能够在古墓、地下墓葬等环境下工作的模块化可重构蛇形机器人。该蛇形机器人能够在根据不同情况组合不同的模块来获取古墓、地下墓葬的温、湿度、有害气体和布局等环境信息。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括通过连接模块依次连接的可视模块、温度探测模块、湿度探测模块及气体探测模块，其中可视模块、温度探测模块、湿度探测模块及气体探测模块均包括标准模块，所述标准模块包括框架、履带支架、履带、履带轮、履带轮轴及履带驱动机构，该框架周向均布有多个履带支架，相邻履带支架之间设有至少一条履带，所述履带上连接有多个履带轮，每个履带轮的履带轮轴转动安装在所述履带支架上；所述履带驱动机构安装在框架内，驱动每条履带中同一位置的履带轮旋转、进而带动履带；所述框架的两端分别为与所述连接模块相连接的快换接口板、连接模块接口；所述可视模块的标准模块上设有可视摄像头，所述温度探测模块的标准模块上分别安装有温度数据采集转换电路板及温度探测头，所述湿度探测模块的标准模块上分别安装有湿度数据采集转换电路板及湿度探测头，所述气体探测模块的标准模块上分别开有空气进口、空气出口，并在气体探测模块的标准模块内设有气体成分分析模块；

其中：所述履带支架端面呈“十”字形，其内侧下方设有固定架，每个固定架的两端分别与所述快换接口板及连接模块接口相连，形成所述框架；所述履带支架与固定架的长度相等，即为所述标准模块的轴向长度；所述标准模块为端面呈四边形的框架结构，履带支架及固定架各为四个，分别位于四边形的四个角，所述标准模块的每个面均设有两条相互平行的履带，每条履带上连接相同数量的履带轮，两条履带上相对应的履带轮套设在同一履带轮轴上；所述标准模块每个面上的两条履带靠近快换接口板一端的履带轮轴上均设有第一斜齿轮，每个面上第一斜齿轮位于各面两条履带之间，各面上的第一斜齿轮通过所述履带驱动机构同步驱动旋转，进而同步带动各面上的履带；

所述连接模块接口为圆环状结构件，其外圈沿圆周方向均布有四个沿径向向外延伸的延伸部，所述标准模块每个面上的两条履带靠近连接模块接口一端的履带轮轴分别与一个延伸部转动连接，每个面上的延伸部位于各面两条履带之间；所述延伸部沿标准模块轴向的长度小于所述标准模块；所述连接模块接口的内圈为圆柱形止口，端面沿圆周方向均布有多个用于连接的螺纹孔；

所述快换接口板为四边形板状结构件，中间开有圆孔，所述圆孔边缘沿轴向向外延伸形成接口；所述快换接口板的四角分别开有用于与所述固定架连接的螺纹孔；

所述履带驱动机构包括驱动电机、正交斜齿轮、斜齿轮轴及第二斜齿轮，该驱动电机安装在所述框架内，所述正交斜齿轮连接于驱动电机的输出轴，在该正交斜齿轮的圆周方向均布有数量与所述履带支架相同的第二斜齿轮，每个第二斜齿轮的斜齿轮轴均转动安装在所述框架上；每个所述第二斜齿轮与相邻两履带支架之间的履带上的履带轮传动，通过所述驱动电机的驱动进行带动履带；

所述温度探测模块的温度探测头安装在标准模块的履带支架上，位于所述框架的外面，探测外面环境温度；所述温度数据采集转换电路板安装在框架内部，并分别与外部线路和温度探测头相连，将温度探测头采集到的信息转换成数字信号上传到外部线路上；

所述湿度探测模块的温度探测头安装在标准模块的履带支架上，位于所述框架的外面，探测外面环境湿度；所述湿度数据采集转换电路板安装在框架内部，并分别与外部线路和湿度探测头相连，将湿度探测头采集到的信息转换成数字信号上传到外部线路上；

所述气体探测模块的空气进口、空气出口分别安装在标准模块的履带支架上，位于所述框架的外面，采集或排放空气；所述气体成分分析模块安装在框架内部，并分别与外部线路和空气进口、空气出口相连，将气体成分的分析信息转换成数字信号上传到外部线路上；

所述连接模块包括橡胶套外壳、支撑侧板、舵机、快换法兰、“L”形板、齿轮传动机构及具有弹性的橡胶套，该橡胶套外壳内壁上对称固定有两个支撑侧板，所述舵机为两个、均容置于所述橡胶套外壳内，并分别与所述支撑侧板相连；所述“L”形板的一端通过所述齿轮传动机构与两个舵机的输出轴连接，另一端连接有所述快换法兰上；所述橡胶套套在橡胶套外壳上，一端连接于橡胶套外壳上，另一端连接于所述快换法兰；所述橡胶套外壳露在橡胶套外部的部分与所述标准模块的连接模块接口相连接，所述快换法兰与所述标准模块的快换接口板相连接。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明基于可重构的模块化设计理念，针对不同的探测环境组装不同的勘测模块，通过探洞并进入墓室查探。机器人具有较强的越障能力，能够长时间、大范围的探查墓穴内的环境、布局以及葬品；机器人同时能够对墓室内的温度、湿度以及有毒有害气体进行检测，防止科考人员直接进入墓室造成古物及人员的伤害。

2.本发明的环境适应性较强，具有主、被动驱动能力，本发明模拟生物蛇的爬行动作除了能够适应地下墓室的平整土质地面外还能够适应水泥、理石和等路面，通过模仿蛇类运动靠地面摩擦力的推动实现模块化可重构蛇形机器人的被动前进、后退运动；通过模块化可重构蛇形机器人标准模块上的驱动电机则能够实现机器人的主动前进、后退运动，还具有越障能力。

3.本发明结构紧凑、重量轻，能够很好的完成地下墓穴的探测任务。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明可视模块的结构示意图；

图3为本发明标准模块的结构示意图；

图4为本发明标准模块中履带驱动机构的结构示意图；

图5为本发明温度探测模块的结构示意图；

图6为本发明湿度探测模块的结构示意图；

图7为本发明气体探测模块的结构示意图；

图8为本发明连接模块的结构示意图；

图9为本发明连接模块的内部结构示意图；

图10为本发明连接模块中齿轮传动机构的结构示意图；

图11为本发明履带支架与固定架的连接结构示意图；

其中：1为可视模块，2为连接模块，3为温度探测模块，4为湿度探测模块，5为气体探测模块，6为可视摄像头，7为摄像头安装座，8为标准模块，9为第二斜齿轮，10为正交斜齿轮，11为快换接口板，12为履带支架，13为固定架，14为斜齿轮轴，15为电机安装座，16为驱动电机，17为连接模块接口，18为温度数据采集转换电路板，19为温度探测头，20为湿度数据采集转换电路板，21为湿度探测头，22为履带，23为气体成分分析模块，24为空气进口，25为空气出口，26为橡胶套，27为橡胶套外壳，28为支撑侧板，29为舵机，30为快换法兰盘，31为“L”形板，32为T形轴，33为锥齿轮，34为直齿轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1所示，本发明包括通过连接模块2依次连接的可视模块1、温度探测模块3、湿度探测模块4及气体探测模块5，可视模块1、温度探测模块3、湿度探测模块4及气体探测模块5的两端均设计有相同的快换接口，相互间可以通过连接模块2相连。

如图2所示，可视模块1包括可视摄像头6、摄像头安装座7及标准模块8，可视摄像头6通过摄像头安装座7固定在标准模块8的一端；由于可视模块1中可视摄像头6的安装位置在标准模块8的一端，所以可视模块1只能够安装在模块化可重构蛇形机器人的前、后两端。

标准模块8包括框架、履带支架12、履带22、履带轮35、履带轮轴36及履带驱动机构，该框架周向均布有多个履带支架12，相邻履带支架12之间设有至少一条履带22，所述履带22上连接有多个履带轮35，每个履带轮35的履带轮轴36转动安装在所述履带支架12上；所述履带驱动机构安装在框架内，驱动每条履带22中同一位置的履带轮35旋转、进而带动履带22；所述框架的两端分别为与所述连接模块2相连接的快换接口板11、连接模块接口17。如图11所示，履带支架12端面呈“十”字形，其内侧下方设有固定架13，每个固定架13的两端分别与所述快换接口板11及连接模块接口17相连，形成所述框架。

本实施例的标准模块8如图3、图5所示，标准模块8为端面呈四边形的框架结构，履带支架12及固定架13各为四个，分别位于四边形的四个角，履带支架12与固定架13的长度相等，即为标准模块8的轴向长度；标准模块8的每个面均设有两条相互平行的履带22（共八条履带），每条履带22上连接相同数量（五个）的履带轮35；两条履带22上相对应的履带轮35套设在同一履带轮轴36的两端，每五个履带轮35连接一条履带22，标准模块8轴向呈四边形，每边两排履带轮35，对应两条履带22，每排5个履带轮35。标准模块8每个面上的两条履带22靠近快换接口板11一端的履带轮轴36上均设有第一斜齿轮，每个面上第一斜齿轮位于各面两条履带22之间，各面上的第一斜齿轮通过履带驱动机构同步驱动旋转，进而同步带动各面上的履带22。

连接模块接口17为圆环状结构件，其外圈沿圆周方向均布有四个沿径向向外延伸的延伸部，标准模块8每个面上的两条履带22靠近连接模块接口17一端的履带轮轴36分别与一个延伸部转动连接，每个面上的延伸部位于各面两条履带22之间；所述延伸部沿标准模块8轴向的长度小于所述标准模块8；连接模块接口17的内圈为圆柱形止口，端面沿圆周方向均布有多个用于与其它模块连接的螺纹孔。

快换接口板11为四边形板状结构件，中间开有圆孔，所述圆孔边缘沿轴向向外延伸形成接口；快换接口板11的四角分别开有用于与固定架13连接的螺纹孔。

如图3、图4所示，履带驱动机构位于框架内靠近快换接口板11的一端，包括驱动电机16、电机安装座15、正交斜齿轮10、四个斜齿轮轴14及四个第二斜齿轮9，该电机安装座15固定在标准模块8框架内部且电机安装座15的端面垂直于标准模块8的轴向中心线，驱动电机16固定在电机安装座15上，输出轴与正交斜齿轮10同轴固联；在正交斜齿轮10的圆周方向均布有数量与履带支架12相同的第二斜齿轮9（四个），每个第二斜齿轮9的斜齿轮轴14均转动安装在框架上；四个第二斜齿轮9又与外围四个第一斜齿轮一一对应，内外两层共八个斜齿轮，外层的四个第一斜齿轮分别固定在框架四面的履带轮轴36上，当标准模块8中履带驱动机构的驱动电机16旋转时，实现履带轮35的旋转输出，以能够同时驱动四面的八条履带22旋转，带动模块化可重构蛇形机器人进行主动前进、后退。

如图5所示，温度探测模块3包括标准模块8、温度探测头19及温度数据采集转换电路板18，标准模块8的结构与可视模块1中的完全相同；温度探测头19暴露在标准模块8框架的外面并安装在标准模块8的履带支架12上，以探测外面环境温度；温度数据采集转换电路板18安装在标准模块8框架内部并分别与外部线路和温度探测头19相连，将温度探测头19采集到的信息转换成数字信号上传到外部线路上。

如图6所示，湿度探测模块4包括标准模块8、湿度探测头21及湿度数据采集转换电路板20，标准模块8的结构与可视模块1中的完全相同；湿度探测头21暴露在标准模块8框架的外面并安装在标准模块8的履带支架12上，以探测外面环境湿度；湿度数据采集转换电路板20安装在标准模块8框架内部并分别与外部线路和湿度探测头21相连，将湿度探测头21采集到的信息转换成数字信号上传到外部线路上。

如图7所示，气体探测模块5包括标准模块8、空气进口24、空气出口25及气体成分分析模块23，标准模块8的结构与可视模块1中的完全相同；空气进口24、空气出口25暴露在标准模块8框架的外面并安装在标准模块8的履带支架12上，以利于空气的采集和排放；气体成分分析模块23安装在标准模块8框架内部并分别与外部线路和空气进口24、空气出口25相连，将气体成分的分析信息转换成数字信号上传到外部线路上。

如图8、9所示，连接模块2包括橡胶套外壳27、橡胶套26、快换法兰30、“L”形板31、两个舵机29、两个支撑侧板28以及齿轮传动机构，橡胶套外壳27为圆筒状结构，其内壁上对称固定有两个支撑侧板28，两个舵机29均容置于橡胶套外壳27内，并分别与支撑侧板28相连；所述“L”形板31的一端通过所述齿轮传动机构与两个舵机29的输出轴连接，另一端呈梅花形十字结构、连接有快换法兰30，保证“L”形板31与快换法兰盘30之间具有更加可靠的连接关系；橡胶套26具有弹性、套在橡胶套外壳27上，一端连接于橡胶套外壳27上，另一端连接有快换法兰30；橡胶套外壳27露在橡胶套26外部的部分与标准模块8的连接模块接口17相连接，快换法兰30与标准模块8的快换接口板11相连接，以实现模块间的快速拆卸与安装。

本发明的齿轮传动机构为现有技术，如图10所示，齿轮传动机构包括六个直齿传动齿轮34、一个T形轴32和三个锥齿轮33；齿轮传动机构关于连接模块2中间平面对称分布，连接模块2中舵机29输出轴上直接连接一个直齿传动齿轮34，该直齿传动齿轮34通过一个具有惰轮作用的直齿传动齿轮34与第三个直齿传动齿轮34相啮合，第三个直齿传动齿轮34以T形轴32横杆为齿轮轴；T形轴32的横杆两端依次对称安装有一个直齿传动齿轮34和一个锥齿轮33，相应的直齿传动齿轮34在外侧，锥齿轮33的锥面面向T形杆32中间的竖轴并且尾端与直齿传动齿轮34固定连接，横轴上两个对称的锥齿轮33与竖轴上的锥齿轮33相啮合，竖直轴上的锥齿轮33端面与“L”形板31的一端相连。通过两个舵机29的同时同向、反向转动实现模块间的仰俯和左右摆动。

本发明的工作原理为：

当连接模块2中的两个舵机29按相反方向输出旋转运动时，带动连接模块2中的齿轮传动机构中竖直轴上锥齿轮33左、右旋转，当竖直轴上锥齿轮33左、右旋转带动“L”形板31左、右转动，实现模块化可重构蛇形机器人各关节间的左右转动，实现机器人的仿蛇型运动。当连接模块2中的两个舵机29按相同方向输出旋转运动时，带动连接模块2中的齿轮传动机构中竖直轴上锥齿轮33绕T形杆32的横杆进行上、下摆动。当竖直轴上锥齿轮33绕T形杆32的横杆进行上、下摆动时带动“L”形板31上、下摆动，实现模块化可重构蛇形机器人各关节间的仰俯运动。以上的运动是机器人通过模仿蛇的蜿蜒运动，通过大地的摩擦力实现机器人的向前、后运动，属于模块化可重构蛇形机器人的被动前进运动形式。

当模块化可重构蛇形机器人的标准模块8中的驱动电机16动作时，带动标准模块8上四面的履带22旋转。此时，机器人将按照摆放的位置笔直的前进、后退，该运动形式属于模块化可重构蛇形机器人的主动前进运动形式。

Claims (10)

1.一种模块化可重构蛇形机器人，其特征在于：包括通过连接模块（2）依次连接的可视模块（1）、温度探测模块（3）、湿度探测模块（4）及气体探测模块（5），其中可视模块（1）、温度探测模块（3）、湿度探测模块（4）及气体探测模块（5）均包括标准模块（8），所述标准模块（8）包括框架、履带支架（12）、履带（22）、履带轮（35）、履带轮轴（36）及履带驱动机构，该框架周向均布有多个履带支架（12），相邻履带支架（12）之间设有至少一条履带（22），所述履带（22）上连接有多个履带轮（35），每个履带轮（35）的履带轮轴（36）转动安装在所述履带支架（12）上；所述履带驱动机构安装在框架内，驱动每条履带（22）中同一位置的履带轮（35）旋转、进而带动履带（22）；所述框架的两端分别为与所述连接模块（2）相连接的快换接口板（11）、连接模块接口（17）；所述可视模块（1）的标准模块（8）上设有可视摄像头（6），所述温度探测模块（3）的标准模块（8）上分别安装有温度数据采集转换电路板（18）及温度探测头（19），所述湿度探测模块（4）的标准模块（8）上分别安装有湿度数据采集转换电路板（20）及湿度探测头（21），所述气体探测模块（5）的标准模块（8）上分别开有空气进口（24）、空气出口（25），并在气体探测模块（5）的标准模块（8）内设有气体成分分析模块（23）。

2.按权利要求1所述的模块化可重构蛇形机器人，其特征在于：所述履带支架（12）端面呈“十”字形，其内侧下方设有固定架（13），每个固定架（13）的两端分别与所述快换接口板（11）及连接模块接口（17）相连，形成所述框架。

3.按权利要求2所述的模块化可重构蛇形机器人，其特征在于：所述履带支架（12）与固定架（13）的长度相等，即为所述标准模块（8）的轴向长度；所述标准模块（8）为端面呈四边形的框架结构，履带支架（12）及固定架（13）各为四个，分别位于四边形的四个角，所述标准模块（8）的每个面均设有两条相互平行的履带（22），每条履带（22）上连接相同数量的履带轮（35），两条履带（22）上相对应的履带轮（35）套设在同一履带轮轴（36）上；所述标准模块（8）每个面上的两条履带（22）靠近快换接口板（11）一端的履带轮轴（36）上均设有第一斜齿轮，每个面上第一斜齿轮位于各面两条履带（22）之间，各面上的第一斜齿轮通过所述履带驱动机构同步驱动旋转，进而同步带动各面上的履带（22）。

4.按权利要求3所述的模块化可重构蛇形机器人，其特征在于：所述连接模块接口（17）为圆环状结构件，其外圈沿圆周方向均布有四个沿径向向外延伸的延伸部，所述标准模块（8）每个面上的两条履带（22）靠近连接模块接口（17）一端的履带轮轴（36）分别与一个延伸部转动连接，每个面上的延伸部位于各面两条履带（22）之间；所述延伸部沿标准模块（8）轴向的长度小于所述标准模块（8）；所述连接模块接口（17）的内圈为圆柱形止口，端面沿圆周方向均布有多个用于连接的螺纹孔。

5.按权利要求3所述的模块化可重构蛇形机器人，其特征在于：所述快换接口板（11）为四边形板状结构件，中间开有圆孔，所述圆孔边缘沿轴向向外延伸形成接口；所述快换接口板（11）的四角分别开有用于与所述固定架（13）连接的螺纹孔。

6.按权利要求1所述的模块化可重构蛇形机器人，其特征在于：所述履带驱动机构包括驱动电机（16）、正交斜齿轮（10）、斜齿轮轴（14）及第二斜齿轮（9），该驱动电机（16）安装在所述框架内，所述正交斜齿轮（10）连接于驱动电机（16）的输出轴，在该正交斜齿轮（10）的圆周方向均布有数量与所述履带支架（12）相同的第二斜齿轮（9），每个第二斜齿轮（9）的斜齿轮轴（14）均转动安装在所述框架上；每个所述第二斜齿轮（9）与相邻两履带支架（12）之间的履带（22）上的履带轮（35）传动，通过所述驱动电机（16）的驱动进行带动履带（22）。

7.按权利要求1所述的模块化可重构蛇形机器人，其特征在于：所述温度探测模块（3）的温度探测头（19）安装在标准模块（8）的履带支架（12）上，位于所述框架的外面，探测外面环境温度；所述温度数据采集转换电路板（18）安装在框架内部，并分别与外部线路和温度探测头（19）相连，将温度探测头（19）采集到的信息转换成数字信号上传到外部线路上。

8.按权利要求1所述的模块化可重构蛇形机器人，其特征在于：所述湿度探测模块（4）的温度探测头（21）安装在标准模块（8）的履带支架（12）上，位于所述框架的外面，探测外面环境湿度；所述湿度数据采集转换电路板（20）安装在框架内部，并分别与外部线路和湿度探测头（21）相连，将湿度探测头（21）采集到的信息转换成数字信号上传到外部线路上。

9.按权利要求1所述的模块化可重构蛇形机器人，其特征在于：所述气体探测模块（5）的空气进口（24）、空气出口（25）分别安装在标准模块（8）的履带支架（12）上，位于所述框架的外面，采集或排放空气；所述气体成分分析模块（23）安装在框架内部，并分别与外部线路和空气进口（24）、空气出口（25）相连，将气体成分的分析信息转换成数字信号上传到外部线路上。

10.按权利要求1所述的模块化可重构蛇形机器人，其特征在于：所述连接模块（2）包括橡胶套外壳（27）、支撑侧板（28）、舵机（29）、快换法兰（30）、“L”形板（31）、齿轮传动机构及具有弹性的橡胶套（26），该橡胶套外壳（27）内壁上对称固定有两个支撑侧板（28），所述舵机（29）为两个、均容置于所述橡胶套外壳（27）内，并分别与所述支撑侧板（28）相连；所述“L”形板（31）的一端通过所述齿轮传动机构与两个舵机（29）的输出轴连接，另一端连接有所述快换法兰（30）上；所述橡胶套（26）套在橡胶套外壳（27）上，一端连接于橡胶套外壳（27）上，另一端连接于所述快换法兰（30）；所述橡胶套外壳（27）露在橡胶套（26）外部的部分与所述标准模块（8）的连接模块接口（17）相连接，所述快换法兰（30）与所述标准模块（8）的快换接口板（11）相连接。