CN109383659B - 一种可自由组装的多足模块式机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明属于移动机器人领域，尤其涉及一种可自由组装的多足模块式机器人。本发明提供了一种可自由组装的多足模块式机器人，包括：单节机器人模块；机器人行走机构；机器人左右转向装置；机器人上下转向装置；其中，所述单节机器人模块是指组成多节机器人的单节模块；所述机器人行走机构为履带、仿生行走足复合结构，采用履带带动行走足行进的方式实现机器人的前进后退；所述机器人左右转向装置是连接两节机器人间的连接部件，可左右摆动，以实现机器人左右方向的调整；所述机器人上下转向装置是连接两节机器人间的另一种连接部件，可上下摆动，以实现机器人上下方向的调整。
Description
技术领域
本发明属于移动机器人领域，尤其涉及一种可自由组装的多足模块式机器人。
背景技术
由于可代替人执行危险任务，进入危险现场，机器人目前正在灾害探测、特种作业等领域发挥着重大的作用。但在某些复杂环境下，如地震、火灾等搜救中地面障碍物成为妨碍机器人应用的主要原因之一。
在考虑到机器人越障能力的情况下，蛇形仿生机器人、蜘蛛仿生机器人等获得了关注。蛇形机器人一般以仿照蛇的移动方式，以机器人本体作为行走机构件，移动控制复杂且功耗较大，一般需要在电源附近或携带电线使用，多足仿生机器人则一般采用多足移动的方式，结构复杂、控制难度高、体积庞大。因此，目前都未进入实用阶段。
发明专利申请号CN201210533928.7公开了一种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，采用了摆臂式履带行走机构，加强了机器人的越障能力，但基于履带式行走机构的机器人仍需在较平整的地面上行进，在需要在障碍物上行进时，如杆状障碍物等，越障能力仍有不足。
发明专利申请号CN201210170155.0公开了一种多节式机器人，包括躯干和行走机构，躯干的前端和/或后端设有机械手，躯干包括若干个主体支架，相邻两个主体支架之间周向均匀设有三个原动件，行走机构包括沿躯干设置的若干个行走组件，行走组件包括行走支架和设在躯干两侧的行走足组，每个行走足组包括中足、前足和后足，行走支架上设有减速电机驱动的主动轴，主动轴的两端装有方向相反设置的曲柄，曲柄上设置有行走足铰接点，前足通过前足连杆与行走足铰接点铰接，后足通过后足连杆与行走足铰接点铰接，中足的中部直接与行走足铰接点铰接。采用多足行走机构的多节机器人对地面要求相对更低，但结构相对也较为复杂。
发明内容
本发明实施例公布的一种可自由组装的多足模块式机器人，可根据需要自由配置、自由组合，适用于各种复杂环境和复杂工作任务，可有效解决机器人越障能力和结构、体积、复杂度方面的矛盾。
本发明实施例公布的一种可自由组装的多足模块式机器人，包括：单节机器人模块；机器人行走机构；机器人左右转向装置；机器人上下转向装置；其中，所述单节机器人模块是指组成多节机器人的单节模块；所述机器人行走机构为履带、仿生行走足复合结构，采用履带带动行走足行进的方式实现机器人的前进后退；所述机器人左右转向装置是连接两节机器人间的连接部件，可左右摆动，以实现机器人左右方向的调整；所述机器人上下转向装置是连接两节机器人间的另一种连接部件，可上下摆动，以实现机器人上下方向的调整。
所述单节机器人模块根据其装载的设备可独立作为机器人使用，也可作为多节机器人整体中的某一功能模块。
所述机器人行走机构为履带、仿生行走足复合结构，安装在单节机器人模块上，采用履带带动行走足行进的方式实现机器人的前进后退，履带不直接接触地面，而是通过行走足抓紧地面及其他支撑物。
所述机器人左右转向装置可采用轴承等无动力单元，也可采用电机或其他动力机构控制的有动力单元，以实现机器人左右方向的调整。
所述机器人上下转向装置可采用轴承等无动力单元，也可采用电机或其他动力机构控制的有动力单元，以是实现机器人上下方向的调整，控制机器人抬头、低头，实现机器人的上下坡、爬杆等功能。
所述机器人行走足包含三个关节，关节间通过弹簧固定初始状态，通过连接机器人和末端关节的柔性绳进行控制，关节驱动装置可安装在行走足固定在履带上的部位，通过收、放柔性绳的方式控制行走足的姿态。
优选的，所述机器人模块可根据需要对各模块进行配置和组装：一般可配置行走机构动力单元、控制单元和其他功能单元；对于某些需要爬高的机器人，可适当将电池等重物配置在后面的模块降低机器人抬头难度；也可根据实际需要不配置行走机构动力单元、控制单元及其他单元。
优选的，所述机器人行走机构可为本发明实施例所采用的履带和行走足复合的行走机构，也可以采用轮式、履带式及其他形式的机器人行走机构。
优选的，所述机器人左右、上下转向装置可根据实际需求装备或不装备，或采用其他具有类似功能的装置。
优选的，所述机器人可采用有线或无线方式与控制终端连接。
优选的，所述机器人模块可根据机器人功能及在整体中所处的位置安装摄像头、电池及其他所需的装置。
优选的，所述行走足主要用于抓紧地面或其他支撑物，前后移动功能主要通过履带运动并更换着地行走足的方式实现，行走足本身可具备或不具备前后移动的能力。
本发明提供的一种可自由组装的多足模块式机器人，各模块可自由配置、模块间可自由组装，可根据需要单独或组装成多关节机器人执行行走任务。配合履带式多足行走机构，可适用于地形不平整、地面障碍物较多的场合执行探索、搜救、检测、灭火等等任务。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1示本发明实施例中一种可自由组装的多足模块式机器人的结构示意图。
图2示本发明实施例中一种可自由组装的多足模块式机器人的行走机构结构示意图。
其中，附图标记为，1为机器人行走机构，2为单节机器人模块，3为机器人左右转向装置，4为机器人上下转向装置，5为行走机构履带，6为关节驱动装置安装位置，7为仿生行走足，8为柔性驱动绳，9为弹簧位置示例。
具体实施方式
本发明提供了一种可自由组装的多足模块式机器人，用于解决现有技术中机器人环境适应能力有限，尤其是越障能力、进入狭小空间能力较弱的问题。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供了实施例一、实施例二、实施例三、实施例四，包括1为机器人行走机构，2为单节机器人模块，3为机器人左右转向装置，4为机器人上下转向装置，5为行走机构履带，6为关节驱动装置安装位置，7为仿生行走足，8为柔性驱动绳，9为弹簧位置示例。
现以附图1为例说明本发明的实施过程。
【实施例1】
机器人多模块组装实施例
1、本实施例以组装地震、火灾等灾后搜救机器人为例说明本发明机器人模块的组装模式；
2、灾后一般地形比较复杂、障碍物较多，且某些地方可能需要机器人钻洞进行检查，因此，行走机构采用附图1中提出的履带、仿生多足复合结构的行走机构，行走足可采用电机驱动，行走足各关节间辅以弹簧增加弹性；
3、考虑到爬坡、转弯甚至钻洞的需要，本实施例以4节为例组装机器人；
4、第一节：机器人头部，用于探寻、查找、检测，除行走机构动力单元和模块控制单元外，可选择配置摄像头、红外摄像头等传感器单元；
5、第二节：用于辅助第一节进行爬高、转弯等工作，除行走机构动力单元和模块控制单元外，可选择配置数据处理单元，声音传感单元，多关节间左右、上下转弯装置的控制器，多模块中央控制单元等，且可适当加强行走足驱动装置，增加行走足的抓紧力；
6、第三节：用于提供能源及稳定机器人，除行走机构动力单元和模块控制单元外，也可用于装载电池；
7、第四节：通讯、中央控制用，除行走机构动力单元和模块控制单元外，可装备无线或有线通讯设备；
8、尽量使得机器人关节间重量分布以头尾轻、中间重为主，以中间两节稳定机器人，以头尾两节机器人实现前进后退的方向控制。
【实施例2】
多关节机器人直行实施例
1、以实施例一中4节机器人为例，说明多关节机器人直行的过程；
2、机器人从左往右依次命名为第一节、第二节、第三节、第四节，假设机器人需以某一速度v直行前进；
3、实施例一所组装机器人为4节均具备自主移动能力，机器人整体以速度v直行前进时，具体到任一节机器人均表现为以速度v直行前进；
4、以第二节机器人为例，直行前机器人2对行走足着地、2对行走足悬空；
5、机器人直行时，履带带动着地行走足向前进方向相反的方向运动，因行走足与地面相对位置固定，机器人本体实现向所需前进方向前进；
6、当着地行走足在履带带动下移动至履带弯曲位置时，行走机构的关节驱动装置驱动行走足张开并脱离地面，变成悬空行走足，悬空后可将行走足收缩起来减小通过难度；
7、当悬空行走足随履带运动至前进方向履带弯曲处下方并进入履带与地面平行区域时，行走机构的关节驱动装置驱动行走足先张开后收紧，从而使行走足抓紧地面，变成着地行走足；
8、单节机器人的各行走足在悬空行走足和着地行走足两种状态间不断切换，机器人在着地行走足的作用下保持以速度v前进。
【实施例3】
多关节机器人转弯实施例
1、多关节机器人前进或后退过程中遇到障碍物时需转弯，本实施例用于说明转弯的过程；
2、以实施例一中4节机器人为例，从左往右依次命名为第一节、第二节、第三节、第四节；
3、机器人从右往左行走，需向右侧转弯；
4、转弯时，第一节机器人和第二节机器人关节间左右转向控制装置驱动，使得左侧第一节和第二节机器人的轴线之间存在夹角；
5、第一、二节机器人着地的行走足上端与机器人本体固定，下端与地面固定，由于行走足有弹性设计，在转向装置的作用下，行走足发生弹性变形以维持第一、二节机器人轴线间夹角；
6、由于第二、三节机器人重量均大于第一节机器人，第一节机器人和第二节存在夹角时，左侧第一节机器人当前着地的行走足形变更大，此时第一节机器人在第一、二节机器人间左右转向装置的作用下向右侧转向，第二、三、四节机器人方向不变，但行走足仍有使第一节机器人转回原方向的弹性力；
7、机器人继续前进，左侧第一节机器人悬空的行走足在履带的带动下依次落地，原着地的行走足依次悬空，新落地的行走足落地位置和第一节机器人前进方向一致，不再存在向原方向回弹的弹性力；
8、第一节机器人转向前着地的行走足全部达到悬空状态，转回原方向的弹力不再存在，第一节机器人转向完毕；
9、第二节机器人在第一、三节机器人的固定作用下，仿照第一节机器人完成转向；
10、第三节机器人在第二、四节机器人的固定作用下，仿照第二节机器人完成转向；
11、第四节机器人在第三节机器人的固定作用下，仿照第一节机器人完成转向，机器人整体转向完成。
【实施例4】
多关节机器人爬坡实施例
1、多关节机器人前进或后退是遇到障碍物可能需要爬坡甚至爬墙，本实施例用于说明机器人爬坡过程；
2、以实施例一中的4节机器人为例，从左往右依次命名为第一节、第二节、第三节、第四节；
3、机器人从左往右走，需爬坡；
4、第四节机器人松开地面，所有行走足进入悬空状态，利用其余三节机器人的自重和抓紧力稳定机器人整体，并通过第四节和第三节间的上下转向装置抬起第四节机器人，使第四节机器人右侧仰起，如附图1所示；
5、第一、二、三节机器人继续从左往右走前进，至第四节机器人接近所需要爬的坡面或者其他可抓紧的支撑物；
6、第四节机器人靠近支撑物一侧的行走足抓紧支撑物，从而附着在斜坡或其他支撑物上；
7、第三节机器人松开地面，以第一、二、四节机器人着地或抓紧支撑物继续前进，其中第四节机器人的前进即向上爬行；
8、同时调整第三节机器人和第二、四节机器人间的上下转向装置，使第三节机器人前端逐渐抬高最后达到第四节机器人爬坡的起始状态和位置（即步骤5完成时、步骤6开始前的状态和位置）；
9、第三节机器人抓紧支撑物，第二节机器人仿照第三节机器人开始爬坡，此时支撑整个机器人的是第一、三、四节；
10、第二节机器人完成爬坡后，第一节仿照第二、三、四节机器人步骤爬坡；
11、机器人整体在斜坡上正常爬行。
综上所述，本发明解决现有移动机器人越障能力与结构、体积、复杂度之间的矛盾，弥补了轮式、履带式机器人对地面平整度要求高，多足机器人结构复杂、控制难度大，均不适用于多障碍物、狭窄空间的检测、查探的技术缺陷。本发明公布了一种可自由组装的多节机器人模块，结合了履带和多足机器人运动的优点，可根据需要自由装配、组装形成多节移动机器人，解决了隧道、沟道、复杂地面、灾后环境的探测搜救等情况下的机器人移动难题。
Claims (8)
1.一种可自由组装的多足模块式机器人，其特征在于，包括：单节机器人模块；机器人行走机构；机器人左右转向装置；机器人上下转向装置；
其中，所述单节机器人模块是指组成多节机器人的单节模块；
所述机器人行走机构为履带、仿生行走足复合结构，采用履带带动行走足行进的方式实现机器人的前进后退，安装在单节机器人模块上，履带不直接接触地面，而是通过行走足抓紧地面及其他支撑物；
所述行走足包含三个关节，关节间通过弹簧固定初始状态，通过连接机器人和末端关节的柔性绳进行控制，关节驱动装置可安装在行走足固定在履带上的部位，通过收、放柔性绳的方式控制行走足的姿态；
所述行走足主要用于抓紧地面，前后移动功能通过履带运动并不断更换着地行走足的方式实现，行走足本身可具备或不具备前后移动的能力；
所述机器人左右转向装置是连接两节机器人间的连接部件，可左右摆动，以控制机器人的左右方向；
所述机器人上下转向装置是连接两节机器人间的另一种连接部件，可上下摆动，以控制机器人的上下方向。
2.根据权利要求1所述的一种可自由组装的多足模块式机器人，其特征在于：所述单节机器人模块根据其装载的设备可独立作为机器人使用，也可作为多节机器人整体中的某一功能模块。
3.根据权利要求1所述的一种可自由组装的多足模块式机器人，其特征在于：所述机器人左右转向装置可采用电机控制的有动力单元，以实现机器人左右方向的调整。
4.根据权利要求1所述的一种可自由组装的多足模块式机器人，其特征在于：所述机器人上下转向装置可采用电机控制的有动力单元，以实现机器人上下方向的调整，控制机器人抬头、低头，实现机器人的上下坡、爬杆功能。
5.根据权利要求1所述的一种可自由组装的多足模块式机器人，其特征在于，所述机器人可根据需要对各模块进行配置和组装：可配置行走机构动力单元、控制单元和其他功能单元；对于某些需要爬高的机器人，可适当将电池配置在后面的模块降低机器人抬头难度；也可根据实际需要不配置行走机构动力单元、控制单元及其他单元。
6.根据权利要求1所述的一种可自由组装的多足模块式机器人，其特征在于，所述机器人左右、上下转向装置可根据实际需求装备或不装备。
7.根据权利要求1所述的一种可自由组装的多足模块式机器人，其特征在于，所述机器人可采用有线或无线方式与控制终端连接。
8.根据权利要求1所述的一种可自由组装的多足模块式机器人，其特征在于，所述单节机器人模块可根据机器人功能及在整体中所处的位置安装摄像头、电池。
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