CN106393128A - 一种可变形重构的球形救援机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种可变形重构的球形救援机器人：主要包括球轮互变机构，对接重构机构和重心调整机构；通过变形机构和对接重构机构可以实现球形态、双轮形态和多轮形态之间的相互变换，且在每种形态下都可以灵活运动；球形态下机器人电子元件全部封装在球壳内，具有良好的自我保护能力，在救援现场可以有效防止粉尘和有害气体的侵蚀；两个机器人在双轮形态下可以对接重构成一个多轮形态的机器人，使其驱动力和稳定性得到提高，增强了球形机器人在救援现场的越障能力和对不同地形的适应能力。
Description
技术领域
本发明涉及特种机器人领域，具体是属于一种可变形重构的救援机器人。
背景技术
目前，及时有效的灾后救援能力已日益得到世界各国的高度重视，越来越多引起人们的关注。城市爆炸恐怖事件引起的核原料泄露、化学辐射和生态污染，会造成社会恐慌，甚至危害人类健康。地震、火灾和水灾等自然灾害也会造成财产损失和人员伤亡。当突发的灾难发生，要对危害源进行定位处理，要对受伤人员和重要物资实施救援，为了使灾后的损失降到最小，这种有效的救援行动刻不容缓。然而灾后的环境十分复杂，潜藏着烟尘、毒气、坍塌和爆炸等未知的危险因素，灾后现场由于受到破坏而发生变化，其不确定性和复杂性会给救援工作带来巨大困难，严重威胁着搜救队员的生命安全，阻碍搜救工作的快速展开。因此，使用搜救机器人对灾后救援目标实施搜寻和救援，已经成为了当前机器人技术研究的一大热点问题，在民用、军用领域都有着广泛的应用前景。由此可见，发明一种可变形重构的球形救援机器人具有极其重要的意义。
随着研究的深入和广泛，小型救援机器人的种类也变得多种多样。最常见的救援机器人主要分为履带式救援机器人、轮式机器人和腿式机器人几种。其中履带机器人应用最为广泛，具有越障能力强和对地面压强小的特点，但是移动速度慢，运动效率不高。轮式救援机器人具有，运动效率高，运动速度快和结构简单的特点，但是越障能力较弱。腿式救援机器人具有越障能力强特点，但是机械结构设计和控制复杂，可靠性较低和稳定性差。因此，综合各种构型的救援机器人的优缺点，研究一种运动效率高，具有自我保护能力和越障能力强的可变形重构的球形救援机器人具有重要意义。
与现有的公开的救援机器人技术不同，本专利发明的这种可变形重构的球形救援机器人，在球形态下具有良好的自我保护能力，同时具有变形能力，可以从球形态变换成双轮形态，两个机器人又可以从双轮形态对接重构成一个多轮形态的机器人；本专利专门设计了带有双齿条的球轮互变机构和对接重构机构，这两个机构垂直布置，互不干涉，结构设计简单，灵活可靠。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种可变形重构的球形救援机器人。本发明的技术方案如下：
一种可变形重构的球形救援机器人，包括左半球壳和右半球壳，所述左半球壳和右半球壳可分离的对接在一起，其还包括球轮互变机构、对接重构机构和重心调整机构；所述球形救援机器人通过球轮互变机构、对接重构机构和重心调整机构的协调配合形成三种可变形态，即球形态、双轮形态和多轮形态，其中所述球轮互变机构用于球形态和双轮形态之前的切换，所述对接重构机构用于双轮形态和多轮形态之间的切换，重心调整机构可通过调整球形态的重心来改变机器人姿态。
进一步的，所述球轮互变机构包括变形电机、左变形齿条和右变形齿条，左变形齿条的左端作为左半球壳的转动轴，右变形齿条的右端作为右半球壳的转动轴，右半球壳电机固定在右变形齿条上驱动右半球壳转动，左半球壳电机固定在左变形齿条上驱动左半球壳转动；左变形齿条和右变形齿条安装在横向支架内，在变形电机的驱动下可以沿相反方向左右同步伸出和收回，实现机器人的球形态和双轮形态之间的互相变换。
进一步的，所述对接重构机构包括对接电机、前对接齿条、后对接齿条、纵向支架、复位弹簧、滑杆、对接手环和对接手爪；其中前对接齿条和后对接齿条安装在纵向支架内，前对接齿条和后对接齿条在对接电机驱动下沿相反方向前/后同步伸出和收回，对接手环固定在后对接齿条上，对接手爪固定在前对接齿条中；复位弹簧一端与前对接齿条连接，另一端与滑杆连接，在对接电机驱动下，滑杆和复位弹簧随同前对接齿条一同伸出，当滑杆行程到达受限位置时便不再滑动，前对接齿条继续伸出，开始压缩复位弹簧，这时对接手爪与前对接齿条存在相对滑动而迫使对接手爪闭合；当对接电机反转收回前对接齿条时，对接手爪先张开，然后随同前对接齿条一起收回。
进一步的，所述横向支架和纵向支架相互垂直布置。
进一步的，所述重心调整机构包括重摆和重摆电机，其中重摆套在纵向支架外部，重摆电机固定在纵向支架下面，重摆电机驱动重摆绕纵向支架转动。
进一步的，所述重摆和重摆电机均为两个，对称的分布在左半球壳和右半球壳内。
进一步的，所述重摆的剖面形状为下部扇形，上部长方形。
进一步的，所述左变形齿条和右变形齿条中心对称布置，并且可以相对滑动，所述所述左变形齿条和右变形齿条的下部均有一个长方形凹槽。
进一步的，当右半球壳电机和左半球壳电机同速转动时，机器人可在球形态、双轮形态和多轮形态下实现向前和向后直线运动；当右半球壳电机和左半球壳电机差速转动时，机器人可在双轮形态和多轮形态下实现向左和向右转弯运动；机器人的重摆电机驱动重摆绕纵向支架转动时，机器人可以在球形态下实现向左和向右直线运动。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明设计了一种运动灵活，自我保护性好的可变形重构的球形救援机器人。该新型机器人具有多种形态，能够适应灾后现场的复杂地形；在球形态下，机器人的重要元件被球壳保护，不受灾后的粉尘和毒气影响，具有良好的自我保护能力；机器人可以变换成在双轮形态，在双轮形态下，机器人可以伸出对接手环和对接手爪，两个机器人可以对接重构成多轮形态，具有更强的越障能力和运动稳定性。可将该种机器人作为灾后救援设备，搭载传感器和救援物资，在危险环境中执行侦察、搜寻和救援任务。
根据任务要求和灾后现场环境，机器人可进行球形态、双轮形态和多轮形态之间的相互变换；在每种形态下机器人都可以灵活运动；机器人的球轮互变机构和对接重构机构都带有双齿条，单个机构仅需一个电机就可以同步驱动两个齿条，变形过程和对接过程可保证对称平衡；球轮互变机构的纵向支架与对接重构机构的横向支架垂直布置，运动过程中互不影响。总之，所设计的可变形重构的球形救援机器人，具有自保护性好、运动灵活和灾后地形适应性强的优势。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例机器人外观示意图
图2为本发明的机器人装配示意图
图3为本发明的机器人内部结构俯视图
图4为本发明的机器人内部结构仰视图
图5为本发明的机器人内部结构后视图
图6为本发明的机器人纵向支架内部结构示意图
图7为本发明的机器人横向支架内部结构示意图
图中标号：1：右半球壳，2：右半球壳电机，3：横向支架，4：对接手爪，5：纵向支架，6：重摆，7：重摆电机，8：左半球壳电机，9：左变形齿条，10：对接手环，11：变形电机，12：右变形齿条，13：前对接齿条，14：后对接齿条，15：对接电机，16：复位弹簧，17：左半球壳，18：滑杆。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明的技术方案如下：
图1为发明的机器人外观示意图：从图中可以看到右球壳1和左半球壳12，对接在一起，可以很好的保护机器人内部元件，免受灾后环境中的粉尘和有害气体腐蚀。
图2为本发明的机器人装配示意图，图3为本发明的机器人内部结构俯视图，图4为本发明的机器人内部结构仰视图，图5为本发明的机器人内部结构仰视图：图中右半球壳电机2可驱动右半球壳1转动，左半球壳电机8可驱动左半球壳17转动；右半球壳电机2与右变形齿条12固定，左半球壳电机8与左变形齿条9固定，右变形齿条12和左变形齿条9安装在横向支架3内；变形电机11固定在横向支架3上面，可驱动右变形齿条12和左变形齿条9同时在横向支架3内滑动；对接手爪4与前对接齿条13固定，对接手环10与后对接齿条14固定，前对接齿条13和后对接齿条14安装在纵向支架5内；对接电机15固定在纵向支架5下面，可驱动前对接齿条13和后对接齿条14同时在纵向支架5内滑动；重摆6套在纵向支架5外部，重摆电机7固定在纵向支架5下面，可以驱动重摆6绕纵向支架5转动；横向支架3和纵向支架5相互垂直布置。
图6为本发明的机器人纵向支架内部结构示意图，图中图7为本发明的机器人横向支架内部结构示意图：图中复位弹簧16和滑杆18安装在前对接齿条13和后对接齿条14中间，复位弹簧16一端与滑杆18连接，另一端与前对接齿条13连接；左变形齿条9和右变形齿条12中心对称布置，并且可以相对滑动，下部被切除一个矩形，避免与对接重构机构干涉。
机器人球轮互变形机构运动过程：在变形电机11驱动下，右变形齿条12和左变形齿条9同时在横向支架3内滑动；当滑动伸出时，右半球壳1和左半球壳17分开，机器人变成双轮形态；当滑动收回时，右半球壳1和左半球壳17对接闭合，机器人变成球形态。
机器人对接重构机构运动过程：在对接电机15驱动下，前对接齿条13和后对接齿条14同时在纵向支架5内滑动；当滑动伸出时，对接手环10随同后对接齿条14一同向后伸出，滑杆18和复位弹簧16随同前对接齿条一同伸出，当滑杆18行程受限时便不再滑动，但前对接齿条13继续伸出，开始压缩复位弹簧16，这时滑杆18与前对接齿条13存在相对滑动而迫使对接手爪4闭合，抓住另一个机器人对接手环10，机器人变成多轮形态；当对接电机反转时，对接手爪4先张开，然后随同前对接齿条13一起收回，机器人变成双轮形态。
机器人的地面灵活运动过程：机器人的右半球壳电机2可驱动右半球壳1转动，左半球壳电机8可驱动左半球壳17转动，当右半球壳电机2和左半球壳电机8同速转动时，机器人可在球形态、双轮形态和多轮形态下实现向前和向后直线运动；当右半球壳电机2和左半球壳电机8差速转动时，机器人可在双轮形态和多轮形态下实现向左和向右转弯运动；机器人的重摆电机7驱动重摆6绕纵向支架5转动时，机器人可以在球形态下实现向左和向右直线运动。
综上所述：所发明的一种可变形重构的球形救援机器人，其突出特点是通过变形机构和对接重构机构可以实现球形态、双轮形态和多轮形态之间的相互变换，且在每种形态下都可以灵活运动；球形态下机器人电子元件全部封装在球壳内，具有良好的自我保护能力，在救援现场可以有效防止粉尘和有害气体的侵蚀；两个机器人在双轮形态下可以对接重构成一个多轮形态的机器人，使其驱动力和稳定性得到提高，增强了球形机器人在救援现场的越障能力和对不同地形的适应能力；机器人可以作为移动平台，搭载各种侦查和探测传感器进入到灾后现场。总之，所设计的可变形重构的球形救援机器人，在自我保护能力，运动灵活性和地形适应性等方面都有很大优势，适合辅助人类执行有危险的救援任务。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (9)
1.一种可变形重构的球形救援机器人，包括左半球壳(17)和(1)右半球壳，所述左半球壳(17)和右半球壳(1)可分离的对接在一起，其特征在于，还包括球轮互变机构、对接重构机构和重心调整机构；所述球形救援机器人通过球轮互变机构、对接重构机构和重心调整机构的协调配合形成三种可变形态，即球形态、双轮形态和多轮形态，其中所述球轮互变机构用于球形态和双轮形态之前的切换，所述对接重构机构用于双轮形态和多轮形态之间的切换，重心调整机构可通过调整球形态的重心来改变机器人姿态。
2.根据权利要求1所述的可变形重构的球形救援机器人，其特征在于，所述球轮互变机构包括变形电机(11)、左变形齿条(9)和右变形齿条(12)，左变形齿条(9)的左端作为左半球壳(17)的转动轴，右变形齿条(12)的右端作为右半球壳(1)的转动轴，右半球壳电机(2)固定在右变形齿条(12)上驱动右半球壳(1)转动，左半球壳电机(9)固定在左变形齿条(9)上驱动左半球壳(17)转动；左变形齿条(9)和右变形齿条(12)安装在横向支架(3)内，在变形电机(11)的驱动下可以沿相反方向左右同步伸出和收回，实现机器人的球形态和双轮形态之间的互相变换。
3.根据权利要求1所述的可变形重构的球形救援机器人，其特征在于，所述对接重构机构包括对接电机(15)、前对接齿条(13)、后对接齿条(14)、纵向支架(5)、复位弹簧(16)、滑杆(18)、对接手环(10)和对接手爪(4)；其中前对接齿条(13)和后对接齿条(14)安装在纵向支架(5)内，前对接齿条(13)和后对接齿条(14)在对接电机(15)驱动下沿相反方向前/后同步伸出和收回，对接手环(10)固定在后对接齿条(14)上，对接手爪(4)固定在前对接齿条(13)中；复位弹簧(16)一端与前对接齿条(13)连接，另一端与滑杆(18)连接，在对接电机(15)驱动下，滑杆(18)和复位弹簧(16)随同前对接齿条(13)一同伸出，当滑杆(18)行程到达受限位置时便不再滑动，前对接齿条(13)继续伸出，开始压缩复位弹簧(16)，这时对接手爪(4)与前对接齿条(13)存在相对滑动而迫使对接手爪(4)闭合；当对接电机(15)反转收回前对接齿条(13)时，对接手爪(4)先张开，然后随同前对接齿条(13)一起收回。
4.根据权利要求3所述的可变形重构的球形救援机器人，其特征在于，所述横向支架(3)和纵向支架(5)相互垂直布置。
5.根据权利要求2或3所述的可变形重构的球形救援机器人，其特征在于，所述重心调整机构包括重摆(6)和重摆电机(7)，其中重摆(6)套在纵向支架(5)外部，重摆电机(7)固定在纵向支架(5)下面，重摆电机(7)驱动重摆(6)绕纵向支架(5)转动。
6.根据权利要求5所述的可变形重构的球形救援机器人，其特征在于，所述重摆(6)和重摆电机(7)均为两个，对称的分布在左半球壳(17)和右半球壳(1)内。
7.根据权利要求6所述的可变形重构的球形救援机器人，其特征在于，所述重摆(6)的剖面形状为下部扇形，上部长方形。
8.根据权利要求2所述的可变形重构的球形救援机器人，其特征在于，所述左变形齿条(9)和右变形齿条(12)中心对称布置，并且可以相对滑动，所述左变形齿条(9)和右变形齿条(12)的下部均有一个长方形凹槽。
9.根据权利要求5所述的可变形重构的球形救援机器人，其特征在于，当右半球壳电机(2)和左半球壳电机(8)同速转动时，机器人可在球形态、双轮形态和多轮形态下实现向前和向后直线运动；当右半球壳电机(2)和左半球壳电机(8)差速转动时，机器人可在双轮形态和多轮形态下实现向左和向右转弯运动；机器人的重摆电机(7)驱动重摆(6)绕纵向支架(5)转动时，机器人可以在球形态下实现向左和向右直线运动。
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