CN107139168A - 一种煤矿救援蛇形机器人及其煤矿救援方法 - Google Patents

一种煤矿救援蛇形机器人及其煤矿救援方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤矿救援蛇形机器人,包括机器人本体和机器人控制系统;机器人本体包括从前到后依次设置的第一单元模块、第二单元模块、第三单元模块、第四单元模块和第五单元模块;机器人控制系统包括主控制器和电源模块,以及与主控制器相接的USB‑RS232转换模块和通过通信模块与主控制器相接的上位计算机;主控制器的输入端接有避障模块和夜视摄像头,避障模块的输入端接有障碍物检测单元,障碍物检测单元包括第一超声波传感器、第二超声波传感器和红外传感器;本发明还公开了一种煤矿救援蛇形机器人的煤矿救援方法。本发明实现方便且成本低,煤矿救援蛇形机器人的体积小,避障和越障的功能强,对路面的适应能力强,便于推广应用。

Description

一种煤矿救援蛇形机器人及其煤矿救援方法
技术领域
本发明属于机器人技术领域,具体涉及一种煤矿救援蛇形机器人及其煤矿救援方法。
背景技术
1972年,日本东京大学的Hirose教授率领其科研团队研制出世界上第一台蛇形机器人ACM(Active Cord Mechanism),随着研究的深入,出现了一系列的蛇形机器人,如ACM-R3机器人、ACM-R5机器人;经过机器人防水处理后,ACM-R5又可实现水下的自由游动,其游动速度最低为0.9m/min。由美国密歇根大学研制的OmniTread机器人,该机器人总长度1270mm,总质量13.6kg,最高爬行速度可达到0.1m/s,最高可翻越457mm高障碍物、跨660mm壕沟,其最大侧翻角度为22°、最小转弯半径530mm。除此之外,德国国家信息技术研究中心先后研制出GMD-Snake和GMD-Snake2蛇形机器人,美国卡耐基梅隆大学研究了用于攀爬的模块化蛇形机器人,挪威科技大学研制了无轮式的蛇形机器人Aiko 和Kullo等等。
中国科学院沈阳自动化所于2001年研制出一种模块化可重构的蛇形机器人,随着研究的深入,该所研制出了三维蛇形机器人巡视者Ⅱ和探查者Ⅲ。巡视者Ⅱ全长约1.2m,组成巡视者Ⅱ的模块为模块化万向单元,具有俯仰、偏航和回转3自由度。回转自由度的增加使机器人具有更高的运动灵活性,探查者Ⅲ可实现水陆两栖复杂环境的运动。
综上所述,国内外蛇形机器人的研究取得了长足的进展,然而,目前的蛇形机器人还存在以下缺陷和不足:①大多采用单轴转动关节,只具有平面运动能力;②由三轴转动结构组成的蛇形机器人能实现三维运动,但对舵机的输出力矩要求很高,从而导致机器人的尺寸大、功耗大、造价昂贵;③由于蛇体结构尺寸大,导致运动效果不理想,要想达到理想的运动效果,就需要实现蛇形机器人小型化;④当机器人遇到低矮障碍时,或外界干扰引起身形发生大幅度变化时,很难顺利完成翻越运动。现有技术中还缺乏能够很好地满足煤矿救援需求的蛇形机器人。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种煤矿救援蛇形机器人,其结构简单,设计新颖合理,实现方便且成本低,煤矿救援蛇形机器人的体积小,避障和越障的功能强,对路面的适应能力强,实用性强,便于推广应用。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种煤矿救援蛇形机器人,其特征在于:包括机器人本体和机器人控制系统;所述机器人本体包括从前到后依次设置的第一单元模块、第二单元模块、第三单元模块、第四单元模块和第五单元模块,所述第一单元模块包括第一连接板以及分别设置在第一连接板左右两侧的第一叶片轮和第二叶片轮,所述第一连接板上左侧设置有用于带动第一叶片轮转动的第一电机,所述第一连接板上右侧设置有用于带动第二叶片轮转动的第二电机,所述第一连接板上后侧设置有第一垂直方向舵机,所述第一叶片轮与第一电机的输出轴连接,所述第二叶片轮与第二电机的输出轴连接;所述第二单元模块包括第二连接板以及分别设置在第二连接板左右两侧的第三叶片轮和第四叶片轮,所述第二连接板上左侧设置有用于带动第三叶片轮转动的第三电机,所述第二连接板上右侧设置有用于带动第四叶片轮转动的第四电机,所述第二连接板上前侧设置有第一水平方向舵机,所述第二连接板上后侧设置有第二垂直方向舵机,所述第三叶片轮与第三电机的输出轴连接,所述第四叶片轮与第四电机的输出轴连接;所述第三单元模块包括第三连接板以及分别设置在第三连接板左右两侧的第五叶片轮和第六叶片轮,所述第三连接板上左侧设置有用于带动第五叶片轮转动的第五电机,所述第三连接板上右侧设置有用于带动第六叶片轮转动的第六电机,所述第三连接板上前侧设置有第二水平方向舵机,所述第三连接板上后侧设置有第三垂直方向舵机,所述第五叶片轮与第五电机的输出轴连接,所述第六叶片轮与第六电机的输出轴连接;所述第四单元模块包括第四连接板以及分别设置在第四连接板左右两侧的第七叶片轮和第八叶片轮,所述第四连接板上左侧设置有用于带动第七叶片轮转动的第七电机,所述第四连接板上右侧设置有用于带动第八叶片轮转动的第八电机,所述第四连接板上前侧设置有第三水平方向舵机,所述第四连接板上后侧设置有第四垂直方向舵机,所述第七叶片轮与第七电机的输出轴连接,所述第八叶片轮与第八电机的输出轴连接;所述第五单元模块包括第五连接板以及分别设置在第五连接板左右两侧的第九叶片轮和第十叶片轮,所述第五连接板上左侧设置有用于带动第九叶片轮转动的第九电机,所述第五连接板上右侧设置有用于带动第十叶片轮转动的第十电机,所述第五连接板上前侧设置有第四水平方向舵机,所述第九叶片轮与第九电机的输出轴连接,所述第十叶片轮与第十电机的输出轴连接;所述第一连接板通过第一正交关节与第二连接板连接,所述第二连接板通过第二正交关节与第三连接板连接,所述第三连接板通过第三正交关节与第四连接板连接,所述第四连接板通过第四正交关节与第五连接板连接,所述第二垂直方向舵机和第二水平方向舵机之间连接有第一速度舵机,所述第三垂直方向舵机和第三水平方向舵机之间连接有第二速度舵机;
所述机器人控制系统包括主控制器和电源模块,以及与主控制器相接的 USB-RS232转换模块和通过通信模块与主控制器相接的上位计算机;所述主控制器的输入端接有避障模块和夜视摄像头,所述避障模块的输入端接有障碍物检测单元,所述障碍物检测单元包括第一超声波传感器、第二超声波传感器和红外传感器;所述避障模块、第一超声波传感器、第二超声波传感器和红外传感器,以及第一垂直方向舵机、第二垂直方向舵机、第三垂直方向舵机、第四垂直方向舵机、第一水平方向舵机、第二水平方向舵机、第三水平方向舵机、第四水平方向舵机、第一速度舵机和第二速度舵机的电源线均与电源模块的输出端连接;所述夜视摄像头安装在第一连接板的正前端,所述第一超声波传感器和第二超声波传感器安装在第一连接板的前端且分别位于夜视摄像头的左右两侧,所述红外传感器安装在第一连接板上前侧;所述第一速度舵机和第二速度舵机,第一垂直方向舵机、第二垂直方向舵机、第三垂直方向舵机和第四垂直方向舵机,以及第一水平方向舵机、第二水平方向舵机、第三水平方向舵机和第四水平方向舵机的电源线均与电源模块的输出端连接;所述第一速度舵机和第二速度舵机,第一垂直方向舵机、第二垂直方向舵机、第三垂直方向舵机和第四垂直方向舵机,以及第一水平方向舵机、第二水平方向舵机、第三水平方向舵机和第四水平方向舵机的信号线均与USB-RS232转换模块连接,所述第一电机、第三电机、第五电机、第七电机和第九电机的电源线均与第二速度舵机的电源线连接,第二电机、第四电机、第六电机、第八电机和第十电机的电源线均与第一速度舵机的电源线连接。
上述的一种煤矿救援蛇形机器人,其特征在于:所述第一电机、第二电机、第三电机、第四电机、第五电机、第六电机、第七电机、第八电机、第九电机和第十电机均为直流减速电机。
上述的一种煤矿救援蛇形机器人,其特征在于:所述第一正交关节包括用于安装第一垂直方向舵机的第一垂直方向舵机安装板和用于安装第一水平方向舵机的第一水平方向舵机安装板,所述第一垂直方向舵机安装板包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上倾斜凸起部分,所述第一垂直方向舵机安装板的横梁部分设置有四个第一垂直方向舵机安装板连接孔,所述第一垂直方向舵机安装板的左侧向上倾斜凸起部分设置有一个第一垂直方向舵机舵盘外露孔和四个第一垂直方向舵机左侧安装孔,四个第一垂直方向舵机左侧安装孔分布在一个第一垂直方向舵机舵盘外露孔周围,所述第一垂直方向舵机安装板的右侧向上倾斜凸起部分设置有一个第一垂直方向舵机右侧安装孔;所述第一水平方向舵机安装板包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上竖直凸起部分,所述第一水平方向舵机安装板的横梁部分设置有四个与第一垂直方向舵机安装板连接孔相配合的第一水平方向舵机安装板连接孔,所述第一水平方向舵机安装板的左侧向上竖直凸起部分设置有一个第一水平方向舵机舵盘外露孔和四个第一水平方向舵机左侧安装孔,四个第一水平方向舵机左侧安装孔分布在一个第一水平方向舵机舵盘外露孔周围,所述第一水平方向舵机安装板的右侧向上竖直凸起部分设置有一个第一水平方向舵机右侧安装孔;所述第一垂直方向舵机安装板的开口朝向第一连接板设置,所述第一垂直方向舵机安装板的左侧向上倾斜凸起部分位于所述机器人本体的左侧,所述第一水平方向舵机安装板的开口朝向第二连接板设置,所述第一水平方向舵机安装板的左侧向上竖直凸起部分位于所述机器人本体的底部,所述第一垂直方向舵机安装板的横梁部分和第一水平方向舵机安装板的横梁部分通过穿过第一垂直方向舵机安装板连接孔和第一水平方向舵机安装板连接孔的螺丝固定连接;
所述第二正交关节包括用于安装第二垂直方向舵机的第二垂直方向舵机安装板和用于安装第二水平方向舵机的第二水平方向舵机安装板,所述第二垂直方向舵机安装板包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上倾斜凸起部分,所述第二垂直方向舵机安装板的横梁部分设置有四个第二垂直方向舵机安装板连接孔,所述第二垂直方向舵机安装板的左侧向上倾斜凸起部分设置有一个第二垂直方向舵机舵盘外露孔和四个第二垂直方向舵机左侧安装孔,四个第二垂直方向舵机左侧安装孔分布在一个第二垂直方向舵机舵盘外露孔周围,所述第二垂直方向舵机安装板的右侧向上倾斜凸起部分设置有一个第二垂直方向舵机右侧安装孔;所述第二水平方向舵机安装板包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上竖直凸起部分,所述第二水平方向舵机安装板的横梁部分设置有四个与第二垂直方向舵机安装板连接孔相配合的第二水平方向舵机安装板连接孔,所述第二水平方向舵机安装板的左侧向上竖直凸起部分设置有一个第二水平方向舵机舵盘外露孔和四个第二水平方向舵机左侧安装孔,四个第二水平方向舵机左侧安装孔分布在一个第二水平方向舵机舵盘外露孔周围,所述第二水平方向舵机安装板的右侧向上竖直凸起部分设置有一个第二水平方向舵机右侧安装孔;所述第二垂直方向舵机安装板的开口朝向第二连接板设置,所述第二垂直方向舵机安装板的左侧向上倾斜凸起部分位于所述机器人本体的左侧,所述第二水平方向舵机安装板的开口朝向第三连接板设置,所述第二水平方向舵机安装板的左侧向上竖直凸起部分位于所述机器人本体的底部,所述第二垂直方向舵机安装板的横梁部分和第二水平方向舵机安装板的横梁部分通过穿过第二垂直方向舵机安装板连接孔和第二水平方向舵机安装板连接孔的螺丝固定连接;
所述第三正交关节包括用于安装第三垂直方向舵机的第三垂直方向舵机安装板和用于安装第三水平方向舵机的第三水平方向舵机安装板,所述第三垂直方向舵机安装板包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上倾斜凸起部分,所述第三垂直方向舵机安装板的横梁部分设置有四个第三垂直方向舵机安装板连接孔,所述第三垂直方向舵机安装板的左侧向上倾斜凸起部分设置有一个第三垂直方向舵机舵盘外露孔和四个第三垂直方向舵机左侧安装孔,四个第三垂直方向舵机左侧安装孔分布在一个第三垂直方向舵机舵盘外露孔周围,所述第三垂直方向舵机安装板的右侧向上倾斜凸起部分设置有一个第三垂直方向舵机右侧安装孔;所述第三水平方向舵机安装板包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上竖直凸起部分,所述第三水平方向舵机安装板的横梁部分设置有四个与第三垂直方向舵机安装板连接孔相配合的第三水平方向舵机安装板连接孔,所述第三水平方向舵机安装板的左侧向上竖直凸起部分设置有一个第三水平方向舵机舵盘外露孔和四个第三水平方向舵机左侧安装孔,四个第三水平方向舵机左侧安装孔分布在一个第三水平方向舵机舵盘外露孔周围,所述第三水平方向舵机安装板的右侧向上竖直凸起部分设置有一个第三水平方向舵机右侧安装孔;所述第三垂直方向舵机安装板的开口朝向第三连接板设置,所述第三垂直方向舵机安装板的左侧向上倾斜凸起部分位于所述机器人本体的左侧,所述第三水平方向舵机安装板的开口朝向第四连接板设置,所述第三水平方向舵机安装板的左侧向上竖直凸起部分位于所述机器人本体的底部,所述第三垂直方向舵机安装板的横梁部分和第三水平方向舵机安装板的横梁部分通过穿过第三垂直方向舵机安装板连接孔和第三水平方向舵机安装板连接孔的螺丝固定连接;
所述第四正交关节包括用于安装第四垂直方向舵机的第四垂直方向舵机安装板和用于安装第四水平方向舵机的第四水平方向舵机安装板,所述第四垂直方向舵机安装板包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上倾斜凸起部分,所述第四垂直方向舵机安装板的横梁部分设置有四个第四垂直方向舵机安装板连接孔,所述第四垂直方向舵机安装板的左侧向上倾斜凸起部分设置有一个第四垂直方向舵机舵盘外露孔和四个第四垂直方向舵机左侧安装孔,四个第四垂直方向舵机左侧安装孔分布在一个第四垂直方向舵机舵盘外露孔周围,所述第四垂直方向舵机安装板的右侧向上倾斜凸起部分设置有一个第四垂直方向舵机右侧安装孔;所述第四水平方向舵机安装板包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上竖直凸起部分,所述第四水平方向舵机安装板的横梁部分设置有四个与第四垂直方向舵机安装板连接孔相配合的第四水平方向舵机安装板连接孔,所述第四水平方向舵机安装板的左侧向上竖直凸起部分设置有一个第四水平方向舵机舵盘外露孔和四个第四水平方向舵机左侧安装孔,四个第四水平方向舵机左侧安装孔分布在一个第四水平方向舵机舵盘外露孔周围,所述第四水平方向舵机安装板的右侧向上竖直凸起部分设置有一个第四水平方向舵机右侧安装孔;所述第四垂直方向舵机安装板的开口朝向第四连接板设置,所述第四垂直方向舵机安装板的左侧向上倾斜凸起部分位于所述机器人本体的左侧,所述第四水平方向舵机安装板的开口朝向第五连接板设置,所述第四水平方向舵机安装板的左侧向上竖直凸起部分位于所述机器人本体的底部,所述第四垂直方向舵机安装板的横梁部分和第四水平方向舵机安装板的横梁部分通过穿过第四垂直方向舵机安装板连接孔和第四水平方向舵机安装板连接孔的螺丝固定连接。
上述的一种煤矿救援蛇形机器人,其特征在于:所述第一连接板包括八边形的第一连接底板和连接在第一连接底板后侧且用于连接第一垂直方向舵机的第一舵机连接板,所述第一连接板的左侧设置有两个用于连接第一电机的第一电机连接孔,所述第一连接板的右侧设置有两个用于连接第二电机的第二电机连接孔,所述第一连接底板的前端设置有用于连接夜视摄像头的夜视摄像头连接板,所述夜视摄像头连接板上设置有夜视摄像头连接孔,所述第一连接底板的前侧设置有红外传感器连接孔和两个分别位于红外传感器连接孔左右两侧且分别用于连接第一超声波传感器和第二超声波传感器的超声波传感器连接孔,所述第一连接底板的后侧设置有六个用于连接第一舵机连接板的第一舵机连接板连接孔;所述第一舵机连接板包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上凸起部分,所述第一舵机连接板的横梁部分设置有与第一舵机连接板连接孔相配合的第二舵机连接板连接孔,所述第一舵机连接板的两侧向上凸起部分各设置有两个用于连接第一垂直方向舵机的第一垂直方向舵机连接孔;
所述第二连接板包括八边形的第二连接底板和连接在第二连接底板后侧且用于连接第二垂直方向舵机的第二舵机连接板,所述第二连接底板的左侧设置有两个用于连接第三电机的第三电机连接孔,所述第二连接底板的右侧设置有两个用于连接第四电机的第四电机连接孔,所述第二连接底板的前侧设置有四个用于连接第一水平方向舵机的第一水平方向舵机连接孔,所述第二连接底板的后侧设置有六个用于连接第二舵机连接板的第三舵机连接板连接孔;所述第二舵机连接板包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上凸起部分,所述第二舵机连接板的横梁部分设置有与第三舵机连接板连接孔相配合的第四舵机连接板连接孔,所述第二舵机连接板的两侧向上凸起部分各设置有两个用于连接第二垂直方向舵机的第二垂直方向舵机连接孔;
所述第三连接板包括八边形的第三连接底板和连接在第三连接底板后侧且用于连接第三垂直方向舵机的第三舵机连接板,所述第三连接底板的左侧设置有两个用于连接第五电机的第五电机连接孔,所述第三连接底板的右侧设置有两个用于连接第六电机的第六电机连接孔,所述第三连接底板的前侧设置有四个用于连接第二水平方向舵机的第二水平方向舵机连接孔;所述第三连接底板的后侧设置有六个用于连接第三舵机连接板的第五舵机连接板连接孔;所述第三舵机连接板包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上凸起部分,所述第三舵机连接板的横梁部分设置有与第五舵机连接板连接孔相配合的第六舵机连接板连接孔,所述第三舵机连接板的两侧向上凸起部分各设置有两个用于连接第三垂直方向舵机的第三垂直方向舵机连接孔;
所述第四连接板包括八边形的第四连接底板和连接在第四连接底板后侧且用于连接第四垂直方向舵机的第四舵机连接板,所述第四连接底板的左侧设置有两个用于连接第七电机的第七电机连接孔,所述第四连接底板的右侧设置有两个用于连接第八电机的第八电机连接孔,所述第四连接底板的前侧设置有四个用于连接第三水平方向舵机的第三水平方向舵机连接孔;所述第四连接底板的后侧设置有六个用于连接第四舵机连接板的第七舵机连接板连接孔;所述第四舵机连接板包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上凸起部分,所述第四舵机连接板的横梁部分设置有与第七舵机连接板连接孔相配合的第八舵机连接板连接孔,所述第四舵机连接板的两侧向上凸起部分各设置有两个用于连接第四垂直方向舵机的第四垂直方向舵机连接孔;
所述第五连接板包括八边形的第五连接底板,所述第五连接底板的左侧设置有两个用于连接第九电机的第九电机连接孔,所述第五连接底板的右侧设置有两个用于连接第十电机的第十电机连接孔,所述第五连接底板的前侧设置有四个用于连接第四水平方向舵机的第三水平方向舵机连接孔。
上述的一种煤矿救援蛇形机器人,其特征在于:所述第一叶片轮、第二叶片轮、第三叶片轮、第四叶片轮、第五叶片轮、第六叶片轮、第七叶片轮、第八叶片轮、第九叶片轮和第十叶片轮的结构相同且均包括内圆箍和连接在内圆箍上且伸出内圆箍外部的三个弹簧叶片,所述内圆箍的中心位置处设置有轴孔,所述内圆箍的圆周上相互间隔120°设置有三个卡槽,三个弹簧叶片与内圆箍连接的一端分别卡合连接在三个卡槽内,所述弹簧叶片伸出内圆箍外部的一端端部为弧形弯曲部,三个弹簧叶片的弧形弯曲部的弯曲方向相同,所述内圆箍上径向设置有与轴孔相连通的结构缝。
上述的一种煤矿救援蛇形机器人,其特征在于:所述内圆箍的中心位置处设置有圆形凸起,所述轴孔设置在圆形凸起的中心位置处;所述内圆箍靠近外圆周的位置处设置有圆环形凸起,所述内圆箍上径向均匀设置有多个位于圆环形凸起的外圈外部的矩形凸起。
上述的一种煤矿救援蛇形机器人,其特征在于:所述弹簧叶片卡合连接在卡槽内后再通过胶与内圆箍粘接,所述内圆箍的直径为20mm,所述弹簧叶片的长度为40mm,宽度为8mm;所述轴孔的形状为D形,所述轴孔的圆弧边的直径为2.5mm;所述弹簧叶片的弧形弯曲部的弯曲角度为150°。
上述的一种煤矿救援蛇形机器人,其特征在于:所述主控制器为Vensmile迷你 PC机,所述USB-RS232转换模块的型号为Robotis USB2Dynamixel;所述避障模块的型号为Arduino Uno R3,所述通信模块为无线路由器,所述夜视摄像头为1080P广角红外夜视摄像头,所述夜视摄像头、USB-RS232转换模块和避障模块均与主控制器的 USB接口连接;所述电源模块包括12.6V的Li-PO充电电池和4.5V的无汞碱性电池,所述避障模块、第一超声波传感器、第二超声波传感器和红外传感器的电源线均与 4.5V的无汞碱性电池的输出端连接,所述第一垂直方向舵机、第二垂直方向舵机、第三垂直方向舵机、第四垂直方向舵机、第一水平方向舵机、第二水平方向舵机、第三水平方向舵机、第四水平方向舵机、第一速度舵机和第二速度舵机的电源线均与12.6V 的Li-PO充电电池的输出端连接。
本发明还提供了一种方法步骤简单,避障和越障效果好的煤矿救援蛇形机器人的煤矿救援方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤一、所述煤矿救援蛇形机器人从煤矿巷道的入口进入巷道;
步骤二、所述夜视摄像头实时拍摄煤矿巷道内的环境图像,并将拍摄到的煤矿巷道内环境图像传输给主控制器,主控制器再通过通信模块将其接收到的煤矿巷道内环境图像传输给上位计算机,上位计算机实时显示煤矿救援蛇形机器人所在位置的煤矿巷道内环境图像;同时,第一超声波传感器、第二超声波传感器和红外传感器对煤矿救援蛇形机器人行走前方的障碍物进行实时检测并将检测到的信号传输给避障模块,避障模块再将其接收到的信号实时传输给主控制器;
步骤三、所述主控制器对其接收到的避障模块输出的信号进行分析处理,判断出蛇形机器人行走前方是否有障碍物;当蛇形机器人行走前方没有障碍物时,所述主控制器不发出改变蛇形机器人位姿的控制信号,所述蛇形机器人继续行走;当蛇形机器人行走前方有障碍物时,所述主控制器调用Canny算法边缘检测模块对其接收到的蛇形机器人行走的环境图像进行边缘检测处理,得到蛇形机器人行走前方障碍物的高度,并根据预先制定并存储在主控制器内的越障及避障规则,输出对第一垂直方向舵机、第一水平方向舵机、第二垂直方向舵机、第二水平方向舵机、第三垂直方向舵机、第三水平方向舵机、第四垂直方向舵机、第四水平方向舵机、第一速度舵机和第二速度舵机的控制信号,使煤矿救援蛇形机器人进行越障或避障行驶,完成救援任务;
步骤四、所述煤矿救援蛇形机器人从煤矿巷道的出口离开巷道。
上述的方法,其特征在于:步骤三中预先制定并存储在主控制器内的越障及避障规则为:
当煤矿救援蛇形机器人行走前方的障碍物高度h的取值为h≦5cm时,主控制器输出控制信号给第一水平方向舵机、第二水平方向舵机、第三水平方向舵机和第四水平方向舵机,使煤矿救援蛇形机器人绕开障碍物前行。
当煤矿救援蛇形机器人行走前方的障碍物高度h的取值为5cm<h≦8cm时,主控制器输出控制信号,使第一垂直方向舵机抬头45°,第二垂直方向舵机抬头35°,并使第三垂直方向舵机和第四垂直方向舵机同步前行翻越障碍物;
当煤矿救援蛇形机器人行走前方的障碍物高度h的取值为8cm<h≦12cm时,主控制器输出控制信号,使第一垂直方向舵机抬头45°,第二垂直方向舵机抬头45°,第三垂直方向舵机抬头25°,并使第四垂直方向舵机同步前行翻越障碍物;
当煤矿救援蛇形机器人行走前方的障碍物高度h的取值为h≧12cm时,主控制器输出控制信号,使第一单元模块、第二单元模块、第三单元模块、第四单元模块和第五单元模块绕开障碍物前行。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
1、本发明煤矿救援蛇形机器人由四个正交关节连接五个单元模块,能够在各种崎岖的地面上行走,完成位姿的变换,具有避障和越障的功能。
2、本发明采用了有内圆箍无外圈的叶片轮作为移动机构,叶片轮结构更加简单,实现成本更低,能够降低煤矿救援蛇形机器人的实现成本,并能够简化煤矿救援蛇形机器人的结构,缩小了煤矿救援蛇形机器人的体积,实现了更好的运动效果。
3、本发明采用了有内圆箍无外圈的叶片轮作为煤矿救援蛇形机器人的移动机构,弹簧叶片伸出内圆箍外部,煤矿救援蛇形机器人行走时,弹簧叶片直接接触地面,能够使煤矿救援蛇形机器人具有更好的翻越和攀爬障碍物的能力,使煤矿救援蛇形机器人能够在各种崎岖的地面上行走,完成位姿的变换,提高了煤矿救援蛇形机器人对路面的适应能力。
4、本发明叶片轮将多个弹簧叶片的弧形弯曲部的弯曲方向设置为相同方向,一方面能够防止煤矿救援蛇形机器人前进时将杂物卷起卡住叶片轮,另一方面在煤矿救援蛇形机器人翻越障碍物时,弹簧叶片能够起到挂钩的作用,提高了煤矿救援蛇形机器人的越障能力。
5、本发明通过在内圆箍上设置结构缝,避免了由于热胀冷缩造成的电机的输出轴不易安装到叶片轮的轴孔中的现象发生。
6、本发明煤矿救援蛇形机器人的煤矿救援方法,主控制器采用预先制定并存储在主控制器内的越障及避障规则对第一单元模块、第二单元模块、第三单元模块、第四单元模块和第五单元模块进行控制,进而实现避障和越障的功能,方法步骤简单,避障和越障效果好。
7、本发明能够应用于煤矿救援中,实现机器人在煤矿灾后巷道中采集灾后现场信息的功能,能够为灾后煤矿巷道内裂纹、裂痕的定位奠定基础,能够为预测煤矿冒落灾害提供科学依据。
综上所述,本发明的设计新颖合理,实现方便且成本低,煤矿救援蛇形机器人的体积小,避障和越障的功能强,对路面的适应能力强,实用性强,便于推广应用。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明机器人本体的结构示意图。
图2为本发明机器人控制系统的电路原理框图。
图3为本发明第一垂直方向舵机安装板的结构示意图。
图4为图3的左视图。
图5位本发明第一水平方向舵机安装板的结构示意图。
图6为本发明第二垂直方向舵机安装板的结构示意图。
图7为图6的左视图。
图8位本发明第二水平方向舵机安装板的结构示意图。
图9为本发明第三垂直方向舵机安装板的结构示意图。
图10为图9的左视图。
图11位本发明第三水平方向舵机安装板的结构示意图。
图12为本发明第四垂直方向舵机安装板的结构示意图。
图13为图12的左视图。
图14位本发明第四水平方向舵机安装板的结构示意图。
图15为本发明第一连接底板的结构示意图。
图16为本发明第一舵机连接板的结构示意图。
图17为本发明第二连接底板的结构示意图。
图18为本发明第二舵机连接板的结构示意图。
图19为本发明第三连接底板的结构示意图。
图20为本发明第三舵机连接板的结构示意图。
图21为本发明第四连接底板的结构示意图。
图22为本发明第四舵机连接板的结构示意图。
图23为本发明第五连接底板的结构示意图。
图24为本发明第一叶片轮、第二叶片轮、第三叶片轮、第四叶片轮、第五叶片轮、第六叶片轮、第七叶片轮、第八叶片轮、第九叶片轮和第十叶片轮的结构示意图。
图25为本发明弹簧叶片的立体图。
附图标记说明:
1—第一单元模块; 2—第二单元模块; 3—第三单元模块;
4—第四单元模块; 5—第五单元模块; 6—第一垂直方向舵机;
7—第一水平方向舵机; 8—第二垂直方向舵机; 9—第二水平方向舵机;
10—第三垂直方向舵机; 11—第三水平方向舵机;
12—第四垂直方向舵机; 13—第四水平方向舵机;
14—第二速度舵机; 15—第一速度舵机; 16—第一超声波传感器;
17—第二超声波传感器; 18—红外传感器; 19—夜视摄像头;
20—第一电机; 21—第二电机; 22—第三电机;
23—第四电机; 24—第五电机; 25—第六电机;
26—第七电机; 27—第八电机; 28—第九电机;
29—第十电机; 30—第十电机; 31—电源模块;
32—USB-RS232转换模块; 33—避障模块; 34—第一叶片轮;
35—第二叶片轮; 36—第三叶片轮; 37—第四叶片轮;
38—第五叶片轮; 39—第六叶片轮; 40—第七叶片轮;
41—第八叶片轮; 42—第九叶片轮; 43—第十叶片轮;
44—第一连接板; 45—第二连接板; 46—第三连接板;
47—第四连接板; 48—第五连接板; 49—第一正交关节;
50—第二正交关节; 51—第三正交关节; 52—第四正交关节;
53—第四正交关节; 56—通信模块; 60—上位计算机;
61—内圆箍; 61-1—圆形凸起; 61-2—圆环形凸起;
61-3—矩形凸起; 62—弹簧叶片; 62-1—弧形弯曲部;
63—轴孔; 64—卡槽; 65—结构缝。
具体实施方式
如图1所示,本发明的煤矿救援蛇形机器人,包括机器人本体和机器人控制系统;所述机器人本体包括从前到后依次设置的第一单元模块1、第二单元模块2、第三单元模块3、第四单元模块4和第五单元模块5,所述第一单元模块1包括第一连接板 44以及分别设置在第一连接板44左右两侧的第一叶片轮34和第二叶片轮35,所述第一连接板44上左侧设置有用于带动第一叶片轮34转动的第一电机20,所述第一连接板44上右侧设置有用于带动第二叶片轮35转动的第二电机21,所述第一连接板 44上后侧设置有第一垂直方向舵机6,所述第一叶片轮34与第一电机20的输出轴连接,所述第二叶片轮35与第二电机21的输出轴连接;所述第二单元模块2包括第二连接板45以及分别设置在第二连接板45左右两侧的第三叶片轮36和第四叶片轮37,所述第二连接板45上左侧设置有用于带动第三叶片轮36转动的第三电机22,所述第二连接板45上右侧设置有用于带动第四叶片轮37转动的第四电机23,所述第二连接板45上前侧设置有第一水平方向舵机7,所述第二连接板45上后侧设置有第二垂直方向舵机8,所述第三叶片轮36与第三电机22的输出轴连接,所述第四叶片轮37与第四电机23的输出轴连接;所述第三单元模块3包括第三连接板46以及分别设置在第三连接板46左右两侧的第五叶片轮38和第六叶片轮39,所述第三连接板46上左侧设置有用于带动第五叶片轮38转动的第五电机24,所述第三连接板46上右侧设置有用于带动第六叶片轮39转动的第六电机25,所述第三连接板46上前侧设置有第二水平方向舵机9,所述第三连接板46上后侧设置有第三垂直方向舵机10,所述第五叶片轮38与第五电机24的输出轴连接,所述第六叶片轮39与第六电机25的输出轴连接;所述第四单元模块4包括第四连接板47以及分别设置在第四连接板47左右两侧的第七叶片轮40和第八叶片轮41,所述第四连接板47上左侧设置有用于带动第七叶片轮40转动的第七电机26,所述第四连接板47上右侧设置有用于带动第八叶片轮 41转动的第八电机27,所述第四连接板47上前侧设置有第三水平方向舵机11,所述第四连接板47上后侧设置有第四垂直方向舵机12,所述第七叶片轮40与第七电机 26的输出轴连接,所述第八叶片轮41与第八电机27的输出轴连接;所述第五单元模块5包括第五连接板48以及分别设置在第五连接板48左右两侧的第九叶片轮42和第十叶片轮43,所述第五连接板48上左侧设置有用于带动第九叶片轮42转动的第九电机28,所述第五连接板48上右侧设置有用于带动第十叶片轮43转动的第十电机 29,所述第五连接板48上前侧设置有第四水平方向舵机13,所述第九叶片轮42与第九电机28的输出轴连接,所述第十叶片轮43与第十电机29的输出轴连接;所述第一连接板44通过第一正交关节49与第二连接板45连接,所述第二连接板45通过第二正交关节50与第三连接板46连接,所述第三连接板46通过第三正交关节51与第四连接板47连接,所述第四连接板47通过第四正交关节52与第五连接板48连接,所述第二垂直方向舵机8和第二水平方向舵机9之间连接有第一速度舵机15,所述第三垂直方向舵机10和第三水平方向舵机11之间连接有第二速度舵机14;
具体实施时,所述第一速度舵机15可以安装在第二连接板45或第三连接板46 上,所述第二速度舵机14可以安装在第三连接板46或第四连接板47上;
如图2所示,所述机器人控制系统包括主控制器30和电源模块31,以及与主控制器30相接的USB-RS232转换模块32和通过通信模块56与主控制器30相接的上位计算机60;所述主控制器30的输入端接有避障模块33和夜视摄像头19,所述避障模块33的输入端接有障碍物检测单元,所述障碍物检测单元包括第一超声波传感器16、第二超声波传感器17和红外传感器18;所述避障模块33、第一超声波传感器16、第二超声波传感器17和红外传感器18,以及第一垂直方向舵机6、第二垂直方向舵机8、第三垂直方向舵机10、第四垂直方向舵机12、第一水平方向舵机7、第二水平方向舵机9、第三水平方向舵机11、第四水平方向舵机13、第一速度舵机15和第二速度舵机14的电源线均与电源模块31的输出端连接;所述夜视摄像头19安装在第一连接板44的正前端,所述第一超声波传感器16和第二超声波传感器17安装在第一连接板44的前端且分别位于夜视摄像头19的左右两侧,所述红外传感器18安装在第一连接板44上前侧;所述第一速度舵机15和第二速度舵机14,第一垂直方向舵机6、第二垂直方向舵机8、第三垂直方向舵机10和第四垂直方向舵机12,以及第一水平方向舵机7、第二水平方向舵机9、第三水平方向舵机11和第四水平方向舵机13的电源线均与电源模块31的输出端连接;所述第一速度舵机15和第二速度舵机14,第一垂直方向舵机6、第二垂直方向舵机8、第三垂直方向舵机10和第四垂直方向舵机 12,以及第一水平方向舵机7、第二水平方向舵机9、第三水平方向舵机11和第四水平方向舵机13的信号线均与USB-RS232转换模块32连接,所述第一电机20、第三电机22、第五电机24、第七电机26和第九电机28的电源线均与第二速度舵机14的电源线连接,第二电机21、第四电机23、第六电机25、第八电机27和第十电机29的电源线均与第一速度舵机15的电源线连接。
所述第二单元模块2、第三单元模块3和第四单元模块4的结构相同,均包括一个垂直方向舵机,一个水平方向舵机,两个电机和两个叶片轮。本发明中这样的单元模块是三个,具体实施时,还可以根据实际情况,添加这样的单元模块,构成机器人本体长度更长的煤矿救援蛇形机器人。通过USB-RS232转换模块32,实现了第一速度舵机15和第二速度舵机14,第一垂直方向舵机6、第二垂直方向舵机8、第三垂直方向舵机10和第四垂直方向舵机12,以及第一水平方向舵机7、第二水平方向舵机9、第三水平方向舵机11和第四水平方向舵机13与主控制器30的连接。
所述第二速度舵机14用来驱动机器人本体左侧的电机,进而控制机器人本体左侧的叶片轮转动;所述第一速度舵机15用来驱动机器人本体右侧的电机,进而控制机器人本体右侧的叶片轮转动。
具体实施时,夜视摄像头19可以设置为夜间模式和一般模式。
本实施例中,所述第一电机20、第二电机21、第三电机22、第四电机23、第五电机24、第六电机25、第七电机26、第八电机27、第九电机28和第十电机29均为直流减速电机。
本实施例中,所述第一正交关节49包括用于安装第一垂直方向舵机6的第一垂直方向舵机安装板49-1和用于安装第一水平方向舵机7的第一水平方向舵机安装板 49-2,如图3和图4所示,所述第一垂直方向舵机安装板49-1包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上倾斜凸起部分,所述第一垂直方向舵机安装板49-1的横梁部分设置有四个第一垂直方向舵机安装板连接孔49-11,所述第一垂直方向舵机安装板49-1的左侧向上倾斜凸起部分设置有一个第一垂直方向舵机舵盘外露孔49-12 和四个第一垂直方向舵机左侧安装孔49-13,四个第一垂直方向舵机左侧安装孔49-13 分布在一个第一垂直方向舵机舵盘外露孔49-12周围,所述第一垂直方向舵机安装板 49-1的右侧向上倾斜凸起部分设置有一个第一垂直方向舵机右侧安装孔49-14;如图 5所示,所述第一水平方向舵机安装板49-2包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上竖直凸起部分,所述第一水平方向舵机安装板49-2的横梁部分设置有四个与第一垂直方向舵机安装板连接孔49-11相配合的第一水平方向舵机安装板连接孔 49-21,所述第一水平方向舵机安装板49-2的左侧向上竖直凸起部分设置有一个第一水平方向舵机舵盘外露孔49-22和四个第一水平方向舵机左侧安装孔49-23,四个第一水平方向舵机左侧安装孔49-23分布在一个第一水平方向舵机舵盘外露孔49-22周围,所述第一水平方向舵机安装板49-2的右侧向上竖直凸起部分设置有一个第一水平方向舵机右侧安装孔49-24;所述第一垂直方向舵机安装板49-1的开口朝向第一连接板44设置,所述第一垂直方向舵机安装板49-1的左侧向上倾斜凸起部分位于所述机器人本体的左侧,所述第一水平方向舵机安装板49-2的开口朝向第二连接板45设置,所述第一水平方向舵机安装板49-2的左侧向上竖直凸起部分位于所述机器人本体的底部,所述第一垂直方向舵机安装板49-1的横梁部分和第一水平方向舵机安装板49-2的横梁部分通过穿过第一垂直方向舵机安装板连接孔49-11和第一水平方向舵机安装板连接孔49-21的螺丝固定连接;具体实施时,所述第一垂直方向舵机舵盘外露孔49-12和第一水平方向舵机舵盘外露孔49-22,以及第一垂直方向舵机右侧安装孔49-14和第一水平方向舵机右侧安装孔49-24的直径均为8mm,所述第一垂直方向舵机安装板连接孔49-11和第一垂直方向舵机左侧安装孔49-13,以及第一水平方向舵机安装板连接孔49-21和第一水平方向舵机左侧安装孔49-23的直径均为2.1mm;
所述第二正交关节50包括用于安装第二垂直方向舵机8的第二垂直方向舵机安装板50-1和用于安装第二水平方向舵机9的第二水平方向舵机安装板50-2,如图6 和图7所示,所述第二垂直方向舵机安装板50-1包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上倾斜凸起部分,所述第二垂直方向舵机安装板50-1的横梁部分设置有四个第二垂直方向舵机安装板连接孔50-11,所述第二垂直方向舵机安装板50-1的左侧向上倾斜凸起部分设置有一个第二垂直方向舵机舵盘外露孔50-12和四个第二垂直方向舵机左侧安装孔50-13,四个第二垂直方向舵机左侧安装孔50-13分布在一个第二垂直方向舵机舵盘外露孔50-12周围,所述第二垂直方向舵机安装板50-1的右侧向上倾斜凸起部分设置有一个第二垂直方向舵机右侧安装孔50-14;如图8所示,所述第二水平方向舵机安装板50-2包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上竖直凸起部分,所述第二水平方向舵机安装板50-2的横梁部分设置有四个与第二垂直方向舵机安装板连接孔50-11相配合的第二水平方向舵机安装板连接孔50-21,所述第二水平方向舵机安装板50-2的左侧向上竖直凸起部分设置有一个第二水平方向舵机舵盘外露孔50-22和四个第二水平方向舵机左侧安装孔50-23,四个第二水平方向舵机左侧安装孔50-23分布在一个第二水平方向舵机舵盘外露孔50-22周围,所述第二水平方向舵机安装板50-2的右侧向上竖直凸起部分设置有一个第二水平方向舵机右侧安装孔50-24;所述第二垂直方向舵机安装板50-1的开口朝向第二连接板45设置,所述第二垂直方向舵机安装板50-1的左侧向上倾斜凸起部分位于所述机器人本体的左侧,所述第二水平方向舵机安装板50-2的开口朝向第三连接板46设置,所述第二水平方向舵机安装板50-2的左侧向上竖直凸起部分位于所述机器人本体的底部,所述第二垂直方向舵机安装板50-1的横梁部分和第二水平方向舵机安装板50-2的横梁部分通过穿过第二垂直方向舵机安装板连接孔50-11和第二水平方向舵机安装板连接孔50-21的螺丝固定连接;具体实施时,所述第二垂直方向舵机舵盘外露孔50-12 和第二水平方向舵机舵盘外露孔50-22,以及第二垂直方向舵机右侧安装孔50-14和第二水平方向舵机右侧安装孔50-24的直径均为8mm,所述第二垂直方向舵机安装板连接孔50-11和第二垂直方向舵机左侧安装孔50-13,以及第二水平方向舵机安装板连接孔50-21和第二水平方向舵机左侧安装孔50-23的直径均为2.1mm;
所述第三正交关节51包括用于安装第三垂直方向舵机10的第三垂直方向舵机安装板51-1和用于安装第三水平方向舵机11的第三水平方向舵机安装板51-2,如图9 和图10所示,所述第三垂直方向舵机安装板51-1包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上倾斜凸起部分,所述第三垂直方向舵机安装板51-1的横梁部分设置有四个第三垂直方向舵机安装板连接孔51-11,所述第三垂直方向舵机安装板51-1的左侧向上倾斜凸起部分设置有一个第三垂直方向舵机舵盘外露孔51-12和四个第三垂直方向舵机左侧安装孔51-13,四个第三垂直方向舵机左侧安装孔51-13分布在一个第三垂直方向舵机舵盘外露孔51-12周围,所述第三垂直方向舵机安装板51-1的右侧向上倾斜凸起部分设置有一个第三垂直方向舵机右侧安装孔51-14;如图11所示,所述第三水平方向舵机安装板51-2包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上竖直凸起部分,所述第三水平方向舵机安装板51-2的横梁部分设置有四个与第三垂直方向舵机安装板连接孔51-11相配合的第三水平方向舵机安装板连接孔51-21,所述第三水平方向舵机安装板51-2的左侧向上竖直凸起部分设置有一个第三水平方向舵机舵盘外露孔51-22和四个第三水平方向舵机左侧安装孔51-23,四个第三水平方向舵机左侧安装孔51-23分布在一个第三水平方向舵机舵盘外露孔51-22周围,所述第三水平方向舵机安装板51-2的右侧向上竖直凸起部分设置有一个第三水平方向舵机右侧安装孔51-24;所述第三垂直方向舵机安装板51-1的开口朝向第三连接板46设置,所述第三垂直方向舵机安装板51-1的左侧向上倾斜凸起部分位于所述机器人本体的左侧,所述第三水平方向舵机安装板51-2的开口朝向第四连接板47设置,所述第三水平方向舵机安装板51-2的左侧向上竖直凸起部分位于所述机器人本体的底部,所述第三垂直方向舵机安装板51-1的横梁部分和第三水平方向舵机安装板51-2的横梁部分通过穿过第三垂直方向舵机安装板连接孔51-11和第三水平方向舵机安装板连接孔51-21的螺丝固定连接;具体实施时,所述第三垂直方向舵机舵盘外露孔51-12 和第三水平方向舵机舵盘外露孔51-22,以及第三垂直方向舵机右侧安装孔51-14和第三水平方向舵机右侧安装孔51-24的直径均为8mm,所述第三垂直方向舵机安装板连接孔51-11和第三垂直方向舵机左侧安装孔51-13,以及第三水平方向舵机安装板连接孔51-21和第三水平方向舵机左侧安装孔51-23的直径均为2.1mm;
所述第四正交关节52包括用于安装第四垂直方向舵机12的第四垂直方向舵机安装板52-1和用于安装第四水平方向舵机13的第四水平方向舵机安装板52-2,如图 12和图13所示,所述第四垂直方向舵机安装板52-1包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上倾斜凸起部分,所述第四垂直方向舵机安装板52-1的横梁部分设置有四个第四垂直方向舵机安装板连接孔52-11,所述第四垂直方向舵机安装板52-1的左侧向上倾斜凸起部分设置有一个第四垂直方向舵机舵盘外露孔52-12和四个第四垂直方向舵机左侧安装孔52-13,四个第四垂直方向舵机左侧安装孔52-13分布在一个第四垂直方向舵机舵盘外露孔52-12周围,所述第四垂直方向舵机安装板52-1的右侧向上倾斜凸起部分设置有一个第四垂直方向舵机右侧安装孔52-14;如图14所示,所述第四水平方向舵机安装板52-2包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上竖直凸起部分,所述第四水平方向舵机安装板52-2的横梁部分设置有四个与第四垂直方向舵机安装板连接孔52-11相配合的第四水平方向舵机安装板连接孔52-21,所述第四水平方向舵机安装板52-2的左侧向上竖直凸起部分设置有一个第四水平方向舵机舵盘外露孔52-22和四个第四水平方向舵机左侧安装孔52-23,四个第四水平方向舵机左侧安装孔52-23分布在一个第四水平方向舵机舵盘外露孔52-22周围,所述第四水平方向舵机安装板52-2的右侧向上竖直凸起部分设置有一个第四水平方向舵机右侧安装孔52-24;所述第四垂直方向舵机安装板52-1的开口朝向第四连接板47 设置,所述第四垂直方向舵机安装板52-1的左侧向上倾斜凸起部分位于所述机器人本体的左侧,所述第四水平方向舵机安装板52-2的开口朝向第五连接板48设置,所述第四水平方向舵机安装板52-2的左侧向上竖直凸起部分位于所述机器人本体的底部,所述第四垂直方向舵机安装板52-1的横梁部分和第四水平方向舵机安装板52-2 的横梁部分通过穿过第四垂直方向舵机安装板连接孔52-11和第四水平方向舵机安装板连接孔52-21的螺丝固定连接。具体实施时,所述第四垂直方向舵机舵盘外露孔 52-12和第四水平方向舵机舵盘外露孔52-22,以及第四垂直方向舵机右侧安装孔 52-14和第四水平方向舵机右侧安装孔52-24的直径均为8mm,所述第四垂直方向舵机安装板连接孔52-11和第四垂直方向舵机左侧安装孔52-13,以及第四水平方向舵机安装板连接孔52-21和第四水平方向舵机左侧安装孔52-23的直径均为2.1mm。
所述第一正交关节49、第二正交关节50、第三正交关节51和第四正交关节52 具有相同的结构,即通过一个垂直方向舵机安装板和一个水平方向舵机安装板将前一个单元模块后侧的垂直方向舵机与后一个单元模块前侧的水平方向舵机连接。垂直方向舵机安装板与垂直方向舵机连接,负责蛇形机器人抬头、躬身的越障变形姿态;水平方向舵机安装板与水平方向舵机连接,负责蛇形机器人转弯、蜿蜒的避障功能。
本实施例中,如图15和图16所示,所述第一连接板44包括八边形的第一连接底板44-1和连接在第一连接底板44-1后侧且用于连接第一垂直方向舵机6的第一舵机连接板44-2,所述第一连接板44的左侧设置有两个用于连接第一电机20的第一电机连接孔44-11,所述第一连接板44的右侧设置有两个用于连接第二电机21的第二电机连接孔44-12,所述第一连接底板44-1的前端设置有用于连接夜视摄像头19的夜视摄像头连接板44-14,所述夜视摄像头连接板44-14上设置有夜视摄像头连接孔 44-15,所述第一连接底板44-1的前侧设置有红外传感器连接孔44-16和两个分别位于红外传感器连接孔44-16左右两侧且分别用于连接第一超声波传感器16和第二超声波传感器17的超声波传感器连接孔44-17,所述第一连接底板44-1的后侧设置有六个用于连接第一舵机连接板44-2的第一舵机连接板连接孔44-13;所述第一舵机连接板44-2包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上凸起部分,所述第一舵机连接板44-2的横梁部分设置有与第一舵机连接板连接孔44-13相配合的第二舵机连接板连接孔44-21,所述第一舵机连接板44-2的两侧向上凸起部分各设置有两个用于连接第一垂直方向舵机6的第一垂直方向舵机连接孔44-22;具体实施时,所述第一连接底板44-1的上下两边长均为40mm,左右两边长均为38mm,其余四边长均为26.9mm;所述第一电机连接孔44-11和第二电机连接孔44-12的直径均为2.1mm,所述第一舵机连接板连接孔44-13、第二舵机连接板连接孔44-21、和第一垂直方向舵机连接孔44-22的直径均为2.1mm;
如图17和图18所示,所述第二连接板45包括八边形的第二连接底板45-1和连接在第二连接底板45-1后侧且用于连接第二垂直方向舵机8的第二舵机连接板45-2,所述第二连接底板45-1的左侧设置有两个用于连接第三电机22的第三电机连接孔 45-11,所述第二连接底板45-1的右侧设置有两个用于连接第四电机23的第四电机连接孔45-12,所述第二连接底板45-1的前侧设置有四个用于连接第一水平方向舵机 7的第一水平方向舵机连接孔45-14,所述第二连接底板45-1的后侧设置有六个用于连接第二舵机连接板45-2的第三舵机连接板连接孔45-13;所述第二舵机连接板45-2 包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上凸起部分,所述第二舵机连接板45-2 的横梁部分设置有与第三舵机连接板连接孔45-13相配合的第四舵机连接板连接孔 45-21,所述第二舵机连接板45-2的两侧向上凸起部分各设置有两个用于连接第二垂直方向舵机8的第二垂直方向舵机连接孔45-22;具体实施时,所述第二连接底板45-1 的上下两边长均为40mm,左右两边长均为38mm,其余四边长均为26.9mm;所述第三电机连接孔45-11和第四电机连接孔45-12的直径均为2.1mm,所述第三舵机连接板连接孔45-13、第四舵机连接板连接孔45-21、第一水平方向舵机连接孔45-14和第二垂直方向舵机连接孔45-22的直径均为2.1mm;
如图19和图20所示,所述第三连接板46包括八边形的第三连接底板46-1和连接在第三连接底板46-1后侧且用于连接第三垂直方向舵机10的第三舵机连接板 46-2,所述第三连接底板46-1的左侧设置有两个用于连接第五电机24的第五电机连接孔46-11,所述第三连接底板46-1的右侧设置有两个用于连接第六电机25的第六电机连接孔46-12,所述第三连接底板46-1的前侧设置有四个用于连接第二水平方向舵机9的第二水平方向舵机连接孔46-14;所述第三连接底板46-1的后侧设置有六个用于连接第三舵机连接板46-2的第五舵机连接板连接孔46-13;所述第三舵机连接板 46-2包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上凸起部分,所述第三舵机连接板 46-2的横梁部分设置有与第五舵机连接板连接孔46-13相配合的第六舵机连接板连接孔46-21,所述第三舵机连接板46-2的两侧向上凸起部分各设置有两个用于连接第三垂直方向舵机10的第三垂直方向舵机连接孔46-22;具体实施时,所述第三连接底板 46-1的上下两边长均为40mm,左右两边长均为38mm,其余四边长均为26.9mm;所述第五电机连接孔46-11和第六电机连接孔46-12的直径均为2.1mm,所述第五舵机连接板连接孔46-13、第六舵机连接板连接孔46-21、第二水平方向舵机连接孔46-14 和第三垂直方向舵机连接孔46-22的直径均为2.1mm;
如图21和图22所示,所述第四连接板47包括八边形的第四连接底板47-1和连接在第四连接底板47-1后侧且用于连接第四垂直方向舵机12的第四舵机连接板 47-2,所述第四连接底板47-1的左侧设置有两个用于连接第七电机26的第七电机连接孔47-11,所述第四连接底板47-1的右侧设置有两个用于连接第八电机27的第八电机连接孔47-12,所述第四连接底板47-1的前侧设置有四个用于连接第三水平方向舵机11的第三水平方向舵机连接孔47-14;所述第四连接底板47-1的后侧设置有六个用于连接第四舵机连接板47-2的第七舵机连接板连接孔47-13;所述第四舵机连接板47-2包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上凸起部分,所述第四舵机连接板47-2的横梁部分设置有与第七舵机连接板连接孔47-13相配合的第八舵机连接板连接孔47-21,所述第四舵机连接板47-2的两侧向上凸起部分各设置有两个用于连接第四垂直方向舵机12的第四垂直方向舵机连接孔47-22;具体实施时,所述第四连接底板47-1的上下两边长均为40mm,左右两边长均为38mm,其余四边长均为26.9mm;所述第七电机连接孔47-11和第八电机连接孔47-12的直径均为2.1mm,所述第七舵机连接板连接孔47-13、第八舵机连接板连接孔47-21、第三水平方向舵机连接孔47-14 和第四垂直方向舵机连接孔47-22的直径均为2.1mm;
如图23所示,所述第五连接板48包括八边形的第五连接底板48-1,所述第五连接底板48-1的左侧设置有两个用于连接第九电机28的第九电机连接孔48-11,所述第五连接底板48-1的右侧设置有两个用于连接第十电机29的第十电机连接孔48-12,所述第五连接底板48-1的前侧设置有四个用于连接第四水平方向舵机13的第三水平方向舵机连接孔48-13。具体实施时,所述第五连接底板48-1的上下两边长均为40mm,左右两边长均为38mm,其余四边长均为26.9mm;所述第九电机连接孔48-11和第十电机连接孔48-12的直径均为2.1mm,所述第三水平方向舵机连接孔48-13的直径均为2.1mm。
所述第二连接板45、第三连接板46和第四连接板47的结构相同。
具体实施时,所述第一速度舵机15可以安装在第二连接底板45-1的中间位置处或第三连接底板46-1的中间位置处,所述第二速度舵机14可以安装在第三连接底板 46-1的中间位置处或第四连接底板47-1的中间位置处。
本实施例中,如图24和图25所示,所述第一叶片轮34、第二叶片轮35、第三叶片轮36、第四叶片轮37、第五叶片轮38、第六叶片轮39、第七叶片轮40、第八叶片轮41、第九叶片轮42和第十叶片轮43的结构相同且均包括内圆箍61和连接在内圆箍61上且伸出内圆箍61外部的三个弹簧叶片62,所述内圆箍61的中心位置处设置有轴孔63,所述内圆箍61的圆周上相互间隔120°设置有三个卡槽64,三个弹簧叶片62与内圆箍61连接的一端分别卡合连接在三个卡槽64内,所述弹簧叶片62伸出内圆箍61外部的一端端部为弧形弯曲部62-1,三个弹簧叶片62的弧形弯曲部62-1 的弯曲方向相同,所述内圆箍61上径向设置有与轴孔63相连通的结构缝65。在内圆箍61上连接弹簧叶片62时,将多个弹簧叶片62的弧形弯曲部62-1的弯曲方向设置为相同方向,这样的叶片轮应用在蛇形机器人上后,一方面能够防止蛇形机器人前进时将杂物卷起卡住叶片轮,另一方面在蛇形机器人翻越障碍物时,弹簧叶片62能够起到挂钩的作用。通过设置结构缝65,避免了由于热胀冷缩造成的电机的输出轴不易安装到轴孔63中的现象发生。
具体实施时,所述第一电机20的输出轴连接在第一叶片轮34的轴孔63内,所述第二电机21的输出轴连接在第二叶片轮35的轴孔63内,所述第三电机22的输出轴连接在第三叶片轮36的轴孔63内,所述第四电机23的输出轴连接在第四叶片轮 37的轴孔63内,所述第五电机24的输出轴连接在第五叶片轮38的轴孔63内,所述第六电机25的输出轴连接在第六叶片轮39的轴孔63内,所述第七电机26的输出轴连接在第七叶片轮40的轴孔63内,所述第八电机27的输出轴连接在第八叶片轮41 的轴孔63内,所述第九电机28的输出轴连接在第九叶片轮42的轴孔63内,所述第十电机29的输出轴连接在第十叶片轮43的轴孔63内。
本实施例中,如图24所示,所述内圆箍61的中心位置处设置有圆形凸起61-1,所述轴孔63设置在圆形凸起61-1的中心位置处;所述内圆箍61靠近外圆周的位置处设置有圆环形凸起61-2,所述内圆箍61上径向均匀设置有多个位于圆环形凸起 61-2的外圈外部的矩形凸起61-3。
本实施例中,所述弹簧叶片62卡合连接在卡槽64内后再通过胶与内圆箍61粘接,所述内圆箍61的直径为20mm,所述弹簧叶片62的长度为40mm,宽度为8mm;所述轴孔63的形状为D形,所述轴孔63的圆弧边的直径为2.5mm;所述弹簧叶片62的弧形弯曲部62-1的弯曲角度为150°。将轴孔63设计为D形,是为了与电机的D形输出轴相配合。
本实施例中,所述主控制器30为Vensmi le迷你PC机,所述USB-RS232转换模块32的型号为Robot is USB2Dynamixel;所述避障模块33的型号为Arduino Uno R3,所述通信模块56为无线路由器,所述夜视摄像头19为1080P广角红外夜视摄像头,所述夜视摄像头19、USB-RS232转换模块32和避障模块33均与主控制器30的USB 接口连接;所述电源模块31包括12.6V的Li-PO充电电池和4.5V的无汞碱性电池,所述避障模块33、第一超声波传感器16、第二超声波传感器17和红外传感器18的电源线均与4.5V的无汞碱性电池的输出端连接,所述第一垂直方向舵机6、第二垂直方向舵机8、第三垂直方向舵机10、第四垂直方向舵机12、第一水平方向舵机7、第二水平方向舵机9、第三水平方向舵机11、第四水平方向舵机13、第一速度舵机15 和第二速度舵机14的电源线均与12.6V的Li-PO充电电池的输出端连接。
所述Vensmi le迷你PC机自带电源,所述夜视摄像头19和USB-RS232转换模块 32与主控制器30的USB接口连接后,通过USB接口供电;所述通信模块56通过220V 交流电供电。通过无线路由器组建局域网,利用局域网远程控制软件Ul traVNC能够完成上位计算机60与主控制器30之间的通信。
本发明的煤矿救援蛇形机器人的煤矿救援方法,包括以下步骤:
步骤一、所述煤矿救援蛇形机器人从煤矿巷道的入口进入巷道;
步骤二、所述夜视摄像头19实时拍摄煤矿巷道内的环境图像,并将拍摄到的煤矿巷道内环境图像传输给主控制器30,主控制器30再通过通信模块56将其接收到的煤矿巷道内环境图像传输给上位计算机60,上位计算机60实时显示煤矿救援蛇形机器人所在位置的煤矿巷道内环境图像;同时,第一超声波传感器16、第二超声波传感器17和红外传感器18对煤矿救援蛇形机器人行走前方的障碍物进行实时检测并将检测到的信号传输给避障模块33,避障模块33再将其接收到的信号实时传输给主控制器30;
步骤三、所述主控制器30对其接收到的避障模块33输出的信号进行分析处理,判断出蛇形机器人行走前方是否有障碍物;当蛇形机器人行走前方没有障碍物时,所述主控制器30不发出改变蛇形机器人位姿的控制信号,所述蛇形机器人继续行走;当蛇形机器人行走前方有障碍物时,所述主控制器30调用Canny算法边缘检测模块对其接收到的蛇形机器人行走的环境图像进行边缘检测处理,得到蛇形机器人行走前方障碍物的高度,并根据预先制定并存储在主控制器30内的越障及避障规则,输出对第一垂直方向舵机6、第一水平方向舵机7、第二垂直方向舵机8、第二水平方向舵机9、第三垂直方向舵机10、第三水平方向舵机11、第四垂直方向舵机12、第四水平方向舵机13、第一速度舵机15和第二速度舵机14的控制信号,使煤矿救援蛇形机器人进行越障或避障行驶,完成救援任务;
步骤四、所述煤矿救援蛇形机器人从煤矿巷道的出口离开巷道。
本实施例中,步骤三中预先制定并存储在主控制器30内的越障及避障规则为:
当煤矿救援蛇形机器人行走前方的障碍物高度h的取值为h≦5cm时,主控制器 30输出控制信号,使第一垂直方向舵机6抬头45°,第二垂直方向舵机8抬头15°,并使第三垂直方向舵机10和第四垂直方向舵机12同步前行翻越障碍物;
当煤矿救援蛇形机器人行走前方的障碍物高度h的取值为5cm<h≦8cm时,主控制器30输出控制信号,使第一垂直方向舵机6抬头45°,第二垂直方向舵机8抬头35°,并使第三垂直方向舵机10和第四垂直方向舵机12同步前行翻越障碍物;
当煤矿救援蛇形机器人行走前方的障碍物高度h的取值为8cm<h≦12cm时,主控制器30输出控制信号,使第一垂直方向舵机6抬头45°,第二垂直方向舵机8抬头45°,第三垂直方向舵机10抬头25°,并使第四垂直方向舵机12同步前行翻越障碍物;
当煤矿救援蛇形机器人行走前方的障碍物高度h的取值为h≧12cm时,主控制器30输出控制信号给第一水平方向舵机7、第二水平方向舵机9、第三水平方向舵机11 和第四水平方向舵机13,使煤矿救援蛇形机器人绕开障碍物前行。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何限制,凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化,均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种煤矿救援蛇形机器人,其特征在于:包括机器人本体和机器人控制系统;所述机器人本体包括从前到后依次设置的第一单元模块(1)、第二单元模块(2)、第三单元模块(3)、第四单元模块(4)和第五单元模块(5),所述第一单元模块(1)包括第一连接板(44)以及分别设置在第一连接板(44)左右两侧的第一叶片轮(34)和第二叶片轮(35),所述第一连接板(44)上左侧设置有用于带动第一叶片轮(34)转动的第一电机(20),所述第一连接板(44)上右侧设置有用于带动第二叶片轮(35)转动的第二电机(21),所述第一连接板(44)上后侧设置有第一垂直方向舵机(6),所述第一叶片轮(34)与第一电机(20)的输出轴连接,所述第二叶片轮(35)与第二电机(21)的输出轴连接;所述第二单元模块(2)包括第二连接板(45)以及分别设置在第二连接板(45)左右两侧的第三叶片轮(36)和第四叶片轮(37),所述第二连接板(45)上左侧设置有用于带动第三叶片轮(36)转动的第三电机(22),所述第二连接板(45)上右侧设置有用于带动第四叶片轮(37)转动的第四电机(23),所述第二连接板(45)上前侧设置有第一水平方向舵机(7),所述第二连接板(45)上后侧设置有第二垂直方向舵机(8),所述第三叶片轮(36)与第三电机(22)的输出轴连接,所述第四叶片轮(37)与第四电机(23)的输出轴连接;所述第三单元模块(3)包括第三连接板(46)以及分别设置在第三连接板(46)左右两侧的第五叶片轮(38)和第六叶片轮(39),所述第三连接板(46)上左侧设置有用于带动第五叶片轮(38)转动的第五电机(24),所述第三连接板(46)上右侧设置有用于带动第六叶片轮(39)转动的第六电机(25),所述第三连接板(46)上前侧设置有第二水平方向舵机(9),所述第三连接板(46)上后侧设置有第三垂直方向舵机(10),所述第五叶片轮(38)与第五电机(24)的输出轴连接,所述第六叶片轮(39)与第六电机(25)的输出轴连接;所述第四单元模块(4)包括第四连接板(47)以及分别设置在第四连接板(47)左右两侧的第七叶片轮(40)和第八叶片轮(41),所述第四连接板(47)上左侧设置有用于带动第七叶片轮(40)转动的第七电机(26),所述第四连接板(47)上右侧设置有用于带动第八叶片轮(41)转动的第八电机(27),所述第四连接板(47)上前侧设置有第三水平方向舵机(11),所述第四连接板(47)上后侧设置有第四垂直方向舵机(12),所述第七叶片轮(40)与第七电机(26)的输出轴连接,所述第八叶片轮(41)与第八电机(27)的输出轴连接;所述第五单元模块(5)包括第五连接板(48)以及分别设置在第五连接板(48)左右两侧的第九叶片轮(42)和第十叶片轮(43),所述第五连接板(48)上左侧设置有用于带动第九叶片轮(42)转动的第九电机(28),所述第五连接板(48)上右侧设置有用于带动第十叶片轮(43)转动的第十电机(29),所述第五连接板(48)上前侧设置有第四水平方向舵机(13),所述第九叶片轮(42)与第九电机(28)的输出轴连接,所述第十叶片轮(43)与第十电机(29)的输出轴连接;所述第一连接板(44)通过第一正交关节(49)与第二连接板(45)连接,所述第二连接板(45)通过第二正交关节(50)与第三连接板(46)连接,所述第三连接板(46)通过第三正交关节(51)与第四连接板(47)连接,所述第四连接板(47)通过第四正交关节(52)与第五连接板(48)连接,所述第二垂直方向舵机(8)和第二水平方向舵机(9)之间连接有第一速度舵机(15),所述第三垂直方向舵机(10)和第三水平方向舵机(11)之间连接有第二速度舵机(14);
所述机器人控制系统包括主控制器(30)和电源模块(31),以及与主控制器(30)相接的USB-RS232转换模块(32)和通过通信模块(56)与主控制器(30)相接的上位计算机(60);所述主控制器(30)的输入端接有避障模块(33)和夜视摄像头(19),所述避障模块(33)的输入端接有障碍物检测单元,所述障碍物检测单元包括第一超声波传感器(16)、第二超声波传感器(17)和红外传感器(18);所述避障模块(33)、第一超声波传感器(16)、第二超声波传感器(17)和红外传感器(18),以及第一垂直方向舵机(6)、第二垂直方向舵机(8)、第三垂直方向舵机(10)、第四垂直方向舵机(12)、第一水平方向舵机(7)、第二水平方向舵机(9)、第三水平方向舵机(11)、第四水平方向舵机(13)、第一速度舵机(15)和第二速度舵机(14)的电源线均与电源模块(31)的输出端连接;所述夜视摄像头(19)安装在第一连接板(44)的正前端,所述第一超声波传感器(16)和第二超声波传感器(17)安装在第一连接板(44)的前端且分别位于夜视摄像头(19)的左右两侧,所述红外传感器(18)安装在第一连接板(44)上前侧;所述第一速度舵机(15)和第二速度舵机(14),第一垂直方向舵机(6)、第二垂直方向舵机(8)、第三垂直方向舵机(10)和第四垂直方向舵机(12),以及第一水平方向舵机(7)、第二水平方向舵机(9)、第三水平方向舵机(11)和第四水平方向舵机(13)的电源线均与电源模块(31)的输出端连接;所述第一速度舵机(15)和第二速度舵机(14),第一垂直方向舵机(6)、第二垂直方向舵机(8)、第三垂直方向舵机(10)和第四垂直方向舵机(12),以及第一水平方向舵机(7)、第二水平方向舵机(9)、第三水平方向舵机(11)和第四水平方向舵机(13)的信号线均与USB-RS232转换模块(32)连接,所述第一电机(20)、第三电机(22)、第五电机(24)、第七电机(26)和第九电机(28)的电源线均与第二速度舵机(14)的电源线连接,第二电机(21)、第四电机(23)、第六电机(25)、第八电机(27)和第十电机(29)的电源线均与第一速度舵机(15)的电源线连接。
2.按照权利要求1所述的一种煤矿救援蛇形机器人,其特征在于:所述第一电机(20)、第二电机(21)、第三电机(22)、第四电机(23)、第五电机(24)、第六电机(25)、第七电机(26)、第八电机(27)、第九电机(28)和第十电机(29)均为直流减速电机。
3.按照权利要求1所述的一种煤矿救援蛇形机器人,其特征在于:所述第一正交关节(49)包括用于安装第一垂直方向舵机(6)的第一垂直方向舵机安装板(49-1)和用于安装第一水平方向舵机(7)的第一水平方向舵机安装板(49-2),所述第一垂直方向舵机安装板(49-1)包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上倾斜凸起部分,所述第一垂直方向舵机安装板(49-1)的横梁部分设置有四个第一垂直方向舵机安装板连接孔(49-11),所述第一垂直方向舵机安装板(49-1)的左侧向上倾斜凸起部分设置有一个第一垂直方向舵机舵盘外露孔(49-12)和四个第一垂直方向舵机左侧安装孔(49-13),四个第一垂直方向舵机左侧安装孔(49-13)分布在一个第一垂直方向舵机舵盘外露孔(49-12)周围,所述第一垂直方向舵机安装板(49-1)的右侧向上倾斜凸起部分设置有一个第一垂直方向舵机右侧安装孔(49-14);所述第一水平方向舵机安装板(49-2)包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上竖直凸起部分,所述第一水平方向舵机安装板(49-2)的横梁部分设置有四个与第一垂直方向舵机安装板连接孔(49-11)相配合的第一水平方向舵机安装板连接孔(49-21),所述第一水平方向舵机安装板(49-2)的左侧向上竖直凸起部分设置有一个第一水平方向舵机舵盘外露孔(49-22)和四个第一水平方向舵机左侧安装孔(49-23),四个第一水平方向舵机左侧安装孔(49-23)分布在一个第一水平方向舵机舵盘外露孔(49-22)周围,所述第一水平方向舵机安装板(49-2)的右侧向上竖直凸起部分设置有一个第一水平方向舵机右侧安装孔(49-24);所述第一垂直方向舵机安装板(49-1)的开口朝向第一连接板(44)设置,所述第一垂直方向舵机安装板(49-1)的左侧向上倾斜凸起部分位于所述机器人本体的左侧,所述第一水平方向舵机安装板(49-2)的开口朝向第二连接板(45)设置,所述第一水平方向舵机安装板(49-2)的左侧向上竖直凸起部分位于所述机器人本体的底部,所述第一垂直方向舵机安装板(49-1)的横梁部分和第一水平方向舵机安装板(49-2)的横梁部分通过穿过第一垂直方向舵机安装板连接孔(49-11)和第一水平方向舵机安装板连接孔(49-21)的螺丝固定连接;
所述第二正交关节(50)包括用于安装第二垂直方向舵机(8)的第二垂直方向舵机安装板(50-1)和用于安装第二水平方向舵机(9)的第二水平方向舵机安装板(50-2),所述第二垂直方向舵机安装板(50-1)包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上倾斜凸起部分,所述第二垂直方向舵机安装板(50-1)的横梁部分设置有四个第二垂直方向舵机安装板连接孔(50-11),所述第二垂直方向舵机安装板(50-1)的左侧向上倾斜凸起部分设置有一个第二垂直方向舵机舵盘外露孔(50-12)和四个第二垂直方向舵机左侧安装孔(50-13),四个第二垂直方向舵机左侧安装孔(50-13)分布在一个第二垂直方向舵机舵盘外露孔(50-12)周围,所述第二垂直方向舵机安装板(50-1)的右侧向上倾斜凸起部分设置有一个第二垂直方向舵机右侧安装孔(50-14);所述第二水平方向舵机安装板(50-2)包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上竖直凸起部分,所述第二水平方向舵机安装板(50-2)的横梁部分设置有四个与第二垂直方向舵机安装板连接孔(50-11)相配合的第二水平方向舵机安装板连接孔(50-21),所述第二水平方向舵机安装板(50-2)的左侧向上竖直凸起部分设置有一个第二水平方向舵机舵盘外露孔(50-22)和四个第二水平方向舵机左侧安装孔(50-23),四个第二水平方向舵机左侧安装孔(50-23)分布在一个第二水平方向舵机舵盘外露孔(50-22)周围,所述第二水平方向舵机安装板(50-2)的右侧向上竖直凸起部分设置有一个第二水平方向舵机右侧安装孔(50-24);所述第二垂直方向舵机安装板(50-1)的开口朝向第二连接板(45)设置,所述第二垂直方向舵机安装板(50-1)的左侧向上倾斜凸起部分位于所述机器人本体的左侧,所述第二水平方向舵机安装板(50-2)的开口朝向第三连接板(46)设置,所述第二水平方向舵机安装板(50-2)的左侧向上竖直凸起部分位于所述机器人本体的底部,所述第二垂直方向舵机安装板(50-1)的横梁部分和第二水平方向舵机安装板(50-2)的横梁部分通过穿过第二垂直方向舵机安装板连接孔(50-11)和第二水平方向舵机安装板连接孔(50-21)的螺丝固定连接;
所述第三正交关节(51)包括用于安装第三垂直方向舵机(10)的第三垂直方向舵机安装板(51-1)和用于安装第三水平方向舵机(11)的第三水平方向舵机安装板(51-2),所述第三垂直方向舵机安装板(51-1)包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上倾斜凸起部分,所述第三垂直方向舵机安装板(51-1)的横梁部分设置有四个第三垂直方向舵机安装板连接孔(51-11),所述第三垂直方向舵机安装板(51-1)的左侧向上倾斜凸起部分设置有一个第三垂直方向舵机舵盘外露孔(51-12)和四个第三垂直方向舵机左侧安装孔(51-13),四个第三垂直方向舵机左侧安装孔(51-13)分布在一个第三垂直方向舵机舵盘外露孔(51-12)周围,所述第三垂直方向舵机安装板(51-1)的右侧向上倾斜凸起部分设置有一个第三垂直方向舵机右侧安装孔(51-14);所述第三水平方向舵机安装板(51-2)包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上竖直凸起部分,所述第三水平方向舵机安装板(51-2)的横梁部分设置有四个与第三垂直方向舵机安装板连接孔(51-11)相配合的第三水平方向舵机安装板连接孔(51-21),所述第三水平方向舵机安装板(51-2)的左侧向上竖直凸起部分设置有一个第三水平方向舵机舵盘外露孔(51-22)和四个第三水平方向舵机左侧安装孔(51-23),四个第三水平方向舵机左侧安装孔(51-23)分布在一个第三水平方向舵机舵盘外露孔(51-22)周围,所述第三水平方向舵机安装板(51-2)的右侧向上竖直凸起部分设置有一个第三水平方向舵机右侧安装孔(51-24);所述第三垂直方向舵机安装板(51-1)的开口朝向第三连接板(46)设置,所述第三垂直方向舵机安装板(51-1)的左侧向上倾斜凸起部分位于所述机器人本体的左侧,所述第三水平方向舵机安装板(51-2)的开口朝向第四连接板(47)设置,所述第三水平方向舵机安装板(51-2)的左侧向上竖直凸起部分位于所述机器人本体的底部,所述第三垂直方向舵机安装板(51-1)的横梁部分和第三水平方向舵机安装板(51-2)的横梁部分通过穿过第三垂直方向舵机安装板连接孔(51-11)和第三水平方向舵机安装板连接孔(51-21)的螺丝固定连接;
所述第四正交关节(52)包括用于安装第四垂直方向舵机(12)的第四垂直方向舵机安装板(52-1)和用于安装第四水平方向舵机(13)的第四水平方向舵机安装板(52-2),所述第四垂直方向舵机安装板(52-1)包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上倾斜凸起部分,所述第四垂直方向舵机安装板(52-1)的横梁部分设置有四个第四垂直方向舵机安装板连接孔(52-11),所述第四垂直方向舵机安装板(52-1)的左侧向上倾斜凸起部分设置有一个第四垂直方向舵机舵盘外露孔(52-12)和四个第四垂直方向舵机左侧安装孔(52-13),四个第四垂直方向舵机左侧安装孔(52-13)分布在一个第四垂直方向舵机舵盘外露孔(52-12)周围,所述第四垂直方向舵机安装板(52-1)的右侧向上倾斜凸起部分设置有一个第四垂直方向舵机右侧安装孔(52-14);所述第四水平方向舵机安装板(52-2)包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上竖直凸起部分,所述第四水平方向舵机安装板(52-2)的横梁部分设置有四个与第四垂直方向舵机安装板连接孔(52-11)相配合的第四水平方向舵机安装板连接孔(52-21),所述第四水平方向舵机安装板(52-2)的左侧向上竖直凸起部分设置有一个第四水平方向舵机舵盘外露孔(52-22)和四个第四水平方向舵机左侧安装孔(52-23),四个第四水平方向舵机左侧安装孔(52-23)分布在一个第四水平方向舵机舵盘外露孔(52-22)周围,所述第四水平方向舵机安装板(52-2)的右侧向上竖直凸起部分设置有一个第四水平方向舵机右侧安装孔(52-24);所述第四垂直方向舵机安装板(52-1)的开口朝向第四连接板(47)设置,所述第四垂直方向舵机安装板(52-1)的左侧向上倾斜凸起部分位于所述机器人本体的左侧,所述第四水平方向舵机安装板(52-2)的开口朝向第五连接板(48)设置,所述第四水平方向舵机安装板(52-2)的左侧向上竖直凸起部分位于所述机器人本体的底部,所述第四垂直方向舵机安装板(52-1)的横梁部分和第四水平方向舵机安装板(52-2)的横梁部分通过穿过第四垂直方向舵机安装板连接孔(52-11)和第四水平方向舵机安装板连接孔(52-21)的螺丝固定连接。
4.按照权利要求1所述的一种煤矿救援蛇形机器人,其特征在于:所述第一连接板(44)包括八边形的第一连接底板(44-1)和连接在第一连接底板(44-1)后侧且用于连接第一垂直方向舵机(6)的第一舵机连接板(44-2),所述第一连接板(44)的左侧设置有两个用于连接第一电机(20)的第一电机连接孔(44-11),所述第一连接板(44)的右侧设置有两个用于连接第二电机(21)的第二电机连接孔(44-12),所述第一连接底板(44-1)的前端设置有用于连接夜视摄像头(19)的夜视摄像头连接板(44-14),所述夜视摄像头连接板(44-14)上设置有夜视摄像头连接孔(44-15),所述第一连接底板(44-1)的前侧设置有红外传感器连接孔(44-16)和两个分别位于红外传感器连接孔(44-16)左右两侧且分别用于连接第一超声波传感器(16)和第二超声波传感器(17)的超声波传感器连接孔(44-17),所述第一连接底板(44-1)的后侧设置有六个用于连接第一舵机连接板(44-2)的第一舵机连接板连接孔(44-13);所述第一舵机连接板(44-2)包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上凸起部分,所述第一舵机连接板(44-2)的横梁部分设置有与第一舵机连接板连接孔(44-13)相配合的第二舵机连接板连接孔(44-21),所述第一舵机连接板(44-2)的两侧向上凸起部分各设置有两个用于连接第一垂直方向舵机(6)的第一垂直方向舵机连接孔(44-22);
所述第二连接板(45)包括八边形的第二连接底板(45-1)和连接在第二连接底板(45-1)后侧且用于连接第二垂直方向舵机(8)的第二舵机连接板(45-2),所述第二连接底板(45-1)的左侧设置有两个用于连接第三电机(22)的第三电机连接孔(45-11),所述第二连接底板(45-1)的右侧设置有两个用于连接第四电机(23)的第四电机连接孔(45-12),所述第二连接底板(45-1)的前侧设置有四个用于连接第一水平方向舵机(7)的第一水平方向舵机连接孔(45-14),所述第二连接底板(45-1)的后侧设置有六个用于连接第二舵机连接板(45-2)的第三舵机连接板连接孔(45-13);所述第二舵机连接板(45-2)包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上凸起部分,所述第二舵机连接板(45-2)的横梁部分设置有与第三舵机连接板连接孔(45-13)相配合的第四舵机连接板连接孔(45-21),所述第二舵机连接板(45-2)的两侧向上凸起部分各设置有两个用于连接第二垂直方向舵机(8)的第二垂直方向舵机连接孔(45-22);
所述第三连接板(46)包括八边形的第三连接底板(46-1)和连接在第三连接底板(46-1)后侧且用于连接第三垂直方向舵机(10)的第三舵机连接板(46-2),所述第三连接底板(46-1)的左侧设置有两个用于连接第五电机(24)的第五电机连接孔(46-11),所述第三连接底板(46-1)的右侧设置有两个用于连接第六电机(25)的第六电机连接孔(46-12),所述第三连接底板(46-1)的前侧设置有四个用于连接第二水平方向舵机(9)的第二水平方向舵机连接孔(46-14);所述第三连接底板(46-1)的后侧设置有六个用于连接第三舵机连接板(46-2)的第五舵机连接板连接孔(46-13);所述第三舵机连接板(46-2)包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上凸起部分,所述第三舵机连接板(46-2)的横梁部分设置有与第五舵机连接板连接孔(46-13)相配合的第六舵机连接板连接孔(46-21),所述第三舵机连接板(46-2)的两侧向上凸起部分各设置有两个用于连接第三垂直方向舵机(10)的第三垂直方向舵机连接孔(46-22);
所述第四连接板(47)包括八边形的第四连接底板(47-1)和连接在第四连接底板(47-1)后侧且用于连接第四垂直方向舵机(12)的第四舵机连接板(47-2),所述第四连接底板(47-1)的左侧设置有两个用于连接第七电机(26)的第七电机连接孔(47-11),所述第四连接底板(47-1)的右侧设置有两个用于连接第八电机(27)的第八电机连接孔(47-12),所述第四连接底板(47-1)的前侧设置有四个用于连接第三水平方向舵机(11)的第三水平方向舵机连接孔(47-14);所述第四连接底板(47-1)的后侧设置有六个用于连接第四舵机连接板(47-2)的第七舵机连接板连接孔(47-13);所述第四舵机连接板(47-2)包括横梁部分和设置在横梁部分左右两侧的向上凸起部分,所述第四舵机连接板(47-2)的横梁部分设置有与第七舵机连接板连接孔(47-13)相配合的第八舵机连接板连接孔(47-21),所述第四舵机连接板(47-2)的两侧向上凸起部分各设置有两个用于连接第四垂直方向舵机(12)的第四垂直方向舵机连接孔(47-22);
所述第五连接板(48)包括八边形的第五连接底板(48-1),所述第五连接底板(48-1)的左侧设置有两个用于连接第九电机(28)的第九电机连接孔(48-11),所述第五连接底板(48-1)的右侧设置有两个用于连接第十电机(29)的第十电机连接孔(48-12),所述第五连接底板(48-1)的前侧设置有四个用于连接第四水平方向舵机(13)的第三水平方向舵机连接孔(48-13)。
5.按照权利要求1所述的一种煤矿救援蛇形机器人,其特征在于:所述第一叶片轮(34)、第二叶片轮(35)、第三叶片轮(36)、第四叶片轮(37)、第五叶片轮(38)、第六叶片轮(39)、第七叶片轮(40)、第八叶片轮(41)、第九叶片轮(42)和第十叶片轮(43)的结构相同且均包括内圆箍(61)和连接在内圆箍(61)上且伸出内圆箍(61)外部的三个弹簧叶片(62),所述内圆箍(61)的中心位置处设置有轴孔(63),所述内圆箍(61)的圆周上相互间隔120°设置有三个卡槽(64),三个弹簧叶片(62)与内圆箍(61)连接的一端分别卡合连接在三个卡槽(64)内,所述弹簧叶片(62)伸出内圆箍(61)外部的一端端部为弧形弯曲部(62-1),三个弹簧叶片(62)的弧形弯曲部(62-1)的弯曲方向相同,所述内圆箍(61)上径向设置有与轴孔(63)相连通的结构缝(65)。
6.按照权利要求5所述的一种煤矿救援蛇形机器人,其特征在于:所述内圆箍(61)的中心位置处设置有圆形凸起(61-1),所述轴孔(63)设置在圆形凸起(61-1)的中心位置处;所述内圆箍(61)靠近外圆周的位置处设置有圆环形凸起(61-2),所述内圆箍(61)上径向均匀设置有多个位于圆环形凸起(61-2)的外圈外部的矩形凸起(61-3)。
7.按照权利要求5所述的一种煤矿救援蛇形机器人,其特征在于:所述弹簧叶片(62)卡合连接在卡槽(64)内后再通过胶与内圆箍(61)粘接,所述内圆箍(61)的直径为20mm,所述弹簧叶片(62)的长度为40mm,宽度为8mm;所述轴孔(63)的形状为D形,所述轴孔(63)的圆弧边的直径为2.5mm;所述弹簧叶片(62)的弧形弯曲部(62-1)的弯曲角度为150°。
8.按照权利要求1所述的一种煤矿救援蛇形机器人,其特征在于:所述主控制器(30)为Vensmile迷你PC机,所述USB-RS232转换模块(32)的型号为Robotis USB2Dynamixel;所述避障模块(33)的型号为Arduino Uno R3,所述通信模块(56)为无线路由器,所述夜视摄像头(19)为1080P广角红外夜视摄像头,所述夜视摄像头(19)、USB-RS232转换模块(32)和避障模块(33)均与主控制器(30)的USB接口连接;所述电源模块(31)包括12.6V的Li-PO充电电池和4.5V的无汞碱性电池,所述避障模块(33)、第一超声波传感器(16)、第二超声波传感器(17)和红外传感器(18)的电源线均与4.5V的无汞碱性电池的输出端连接,所述第一垂直方向舵机(6)、第二垂直方向舵机(8)、第三垂直方向舵机(10)、第四垂直方向舵机(12)、第一水平方向舵机(7)、第二水平方向舵机(9)、第三水平方向舵机(11)、第四水平方向舵机(13)、第一速度舵机(15)和第二速度舵机(14)的电源线均与12.6V的Li-PO充电电池的输出端连接。
9.一种利用如权利要求1所述煤矿救援蛇形机器人进行煤矿救援的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤一、所述煤矿救援蛇形机器人从煤矿巷道的入口进入巷道;
步骤二、所述夜视摄像头(19)实时拍摄煤矿巷道内的环境图像,并将拍摄到的煤矿巷道内环境图像传输给主控制器(30),主控制器(30)再通过通信模块(56)将其接收到的煤矿巷道内环境图像传输给上位计算机(60),上位计算机(60)实时显示煤矿救援蛇形机器人所在位置的煤矿巷道内环境图像;同时,第一超声波传感器(16)、第二超声波传感器(17)和红外传感器(18)对煤矿救援蛇形机器人行走前方的障碍物进行实时检测并将检测到的信号传输给避障模块(33),避障模块(33)再将其接收到的信号实时传输给主控制器(30);
步骤三、所述主控制器(30)对其接收到的避障模块(33)输出的信号进行分析处理,判断出蛇形机器人行走前方是否有障碍物;当蛇形机器人行走前方没有障碍物时,所述主控制器(30)不发出改变蛇形机器人位姿的控制信号,所述蛇形机器人继续行走;当蛇形机器人行走前方有障碍物时,所述主控制器(30)调用Canny算法边缘检测模块对其接收到的蛇形机器人行走的环境图像进行边缘检测处理,得到蛇形机器人行走前方障碍物的高度,并根据预先制定并存储在主控制器(30)内的越障及避障规则,输出对第一垂直方向舵机(6)、第一水平方向舵机(7)、第二垂直方向舵机(8)、第二水平方向舵机(9)、第三垂直方向舵机(10)、第三水平方向舵机(11)、第四垂直方向舵机(12)、第四水平方向舵机(13)、第一速度舵机(15)和第二速度舵机(14)的控制信号,使煤矿救援蛇形机器人进行越障或避障行驶,完成救援任务;
步骤四、所述煤矿救援蛇形机器人从煤矿巷道的出口离开巷道。
10.按照权利要求9所述的方法,其特征在于:步骤三中预先制定并存储在主控制器(30)内的越障及避障规则为:
当煤矿救援蛇形机器人行走前方的障碍物高度h的取值为h≦5cm时,主控制器(30)输出控制信号,使第一垂直方向舵机(6)抬头45°,第二垂直方向舵机(8)抬头15°,并使第三垂直方向舵机(10)和第四垂直方向舵机(12)同步前行翻越障碍物;
当煤矿救援蛇形机器人行走前方的障碍物高度h的取值为5cm<h≦8cm时,主控制器(30)输出控制信号,使第一垂直方向舵机(6)抬头45°,第二垂直方向舵机(8)抬头35°,并使第三垂直方向舵机(10)和第四垂直方向舵机(12)同步前行翻越障碍物;
当煤矿救援蛇形机器人行走前方的障碍物高度h的取值为8cm<h≦12cm时,主控制器(30)输出控制信号,使第一垂直方向舵机(6)抬头45°,第二垂直方向舵机(8)抬头45°,第三垂直方向舵机(10)抬头25°,并使第四垂直方向舵机(12)同步前行翻越障碍物;
当煤矿救援蛇形机器人行走前方的障碍物高度h的取值为h≧12cm时,主控制器(30)输出控制信号给第一水平方向舵机(7)、第二水平方向舵机(9)、第三水平方向舵机(11)和第四水平方向舵机(13),使煤矿救援蛇形机器人绕开障碍物前行。
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