一种适应复杂地形的气动机器人系统
技术领域
本发明涉及机器人技术领域,涉及一种适应复杂地形的气动机器人系统。
背景技术
面对复杂的地形,如平整的地形、泥泞的路况以及存在障碍物的路况,如何使得机器人能够适应各种地形是机器人必备的能力之一。中国专利201510564857.0、201621087423.2、201621206018.8、201710858066.8先后提出履带式越障机器人,但是仅仅依靠履带运动的速度较慢,同时越障能力也有限。中国专利201510084953.5、201610888246.6分别设计前后均具有履带机器人与机械臂配合的越障机器人装置,单个机械臂仅可以实现简单的东西,无法协调实现复杂动作,同时其履带式越障结构仍然难以适应各种的地形,并且越障高度受履带长度的影响。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足,提供了一种适应复杂地形的气动机器人系统,本发明具有结构紧凑,多种运动模式自由切换、适应复杂地形运动等特点。
为了实现上述目的,本发明采取的技术方案是:一种适应复杂地形的气动机器人系统系统,它包括:第一越障支腿、第一轮子支腿、第二轮子支腿、底板、第一机械臂、第二越障支腿、第二机械臂、第三越障支腿、第三轮子支腿、第四轮子支腿、第五旋转气缸、第四越障支腿;所述第一越障支腿、第二越障支腿、第三越障支腿、第四越障支腿、第一轮子支腿、第二轮子支腿、第三轮子支腿、第四轮子支腿、第一机械臂、第二机械臂均与底板相连接。
进一步地,所述第一轮子支腿、第二轮子支腿、第三轮子支腿、第四轮子支腿结构完全一致;均包括:第一旋转气缸、第一结构件、第一轮子、第二旋转气缸;所述第一旋转气缸的缸体与底板固定连接,第一旋转气缸的转动轴、第二旋转气缸的缸体均与第一结构件固定连接,第二旋转气缸的转动轴与第一轮子固定连接。
进一步地,所述第一越障支腿、第二越障支腿、第三越障支腿、第四越障支腿结构完全一致;均包括:第三旋转气缸、第二结构件、第四旋转气缸、第一蜗杆、第一蜗轮、履带、第二轮子、第一连接件、第五旋转气缸、第二蜗杆、第二蜗轮、第三轮子;第三旋转气缸的缸体与底板固定连接,第三旋转气缸的转动轴、第四旋转气缸的缸体均与第二结构件固定连接,第一蜗杆与第四旋转气缸的转动轴固定连接,第一蜗轮与第二结构件可转动连接,第一蜗杆与第一蜗轮相啮合,第一蜗轮、第二结构件之间的可转动连接轴同时与第一连接件、第二轮子固定连接。第五旋转气缸的缸体与第一连接件固定连接,第二蜗杆与第五旋转气缸的转动轴固定连接;第二蜗轮与第一连接件可转动连接,且与第三轮子固定连接。第二轮子、第三轮子均与履带相啮合。
进一步地,所述第一机械臂和第二机械臂结构完全一致,均包括:第二连接件、第三结构件、直线气缸、第六旋转气缸、第三连接件、第七旋转气缸。第二连接件与底板固定连接,直线气缸两端分别与第二连接件、第三结构件可转动连接,第六旋转气缸的缸体与第三结构件固定连接,第六旋转气缸的转动轴通过第三连接件与第七旋转气缸固定连接。
本发明的有益效果是:
1.本发明利用轮式与多足履带式混合动力运动,可以实现轮式、履带以及多足履带的运动模式自由切换;
2.本发明利用旋转气缸与蜗轮蜗杆传动相配合,既保证了系统的柔顺性,又保证关节具有自锁、传输力大的优点;
3.本发明同时采用轮式和多足、履带能够实现多种工况切换以及适应各种复杂地形运动,同时机械臂可以完成其他任务,本发明可用于越障、排爆、救援等领域。
附图说明
图1是适应复杂地形的气动机器人系统总体机械结构图;
图2是适应复杂地形的气动机器人系统机械臂机械结构图;
图3是多足履带机器人工作模式示意图;
图4是履带机器人工作模式示意图;
图5是本发明越障过程示意图;
图6是本发明越障过程示意图;
图7是本发明越障过程示意图;
图8是本发明越障过程示意图;
图9是履带机器人气动系统原理示意图;
图中:第一越障支腿1、第一轮子支腿2、第二轮子支腿3、底板4、第一机械臂5、第二越障支腿6、第二机械臂7、第三越障支腿8、第一旋转气缸9、第三轮子支腿10、第一结构件11、第一轮子12、第二旋转气缸13、第四轮子支腿14、第三旋转气缸15、第二结构件16、第四旋转气缸17、第一蜗杆18、第一蜗轮19、履带20、第二轮子21、第一连接件22、第五旋转气缸23、第二蜗杆24、第二蜗轮25、第三轮子26、第四越障支腿27、第二连接件28、第三结构件29、直线气缸30、第六旋转气缸31、第三连接件32、第七旋转气缸33、台阶34、气动三联体35、第一气罐36、第八旋转气缸37、第一气动比例压力阀38、第二气动比例压力阀39、第三气动比例压力阀40、第四气动比例压力阀41、第五气动比例压力阀42、第六气动比例压力阀43、第七气动比例压力阀44、第八气动比例压力阀45、第九气动比例压力阀46、第十气动比例压力阀47、第十一气动比例压力阀48、第十二气动比例压力阀49、第十三气动比例压力阀50、第十四气动比例压力阀51、数据采集卡52、计算机53、第九旋转气缸54、第十五气动比例压力阀55、第十六气动比例压力阀56、第二气罐57、消声器58。
具体实施方式
如图1所示,本发明适应复杂地形的气动机器人系统,包括:第一越障支腿1、第一轮子支腿2、第二轮子支腿3、底板4、第一机械臂5、第二越障支腿6、第二机械臂7、第三越障支腿8、第四轮子支腿14、第四越障支腿27。其中,第一越障支腿1、第二越障支腿6、第三越障支腿8、第四越障支腿27结构完全一致,用于越障;第一轮子支腿2、第二轮子支腿3、第三轮子支腿10、第四轮子支腿14结构完全一致,用于常态的运动;第一机械臂5、第二机械臂7结构完全一致,主要用于执行任务;第一越障支腿1、第二越障支腿6、第三越障支腿8、第四越障支腿27、第一轮子支腿2、第二轮子支腿3、第三轮子支腿10、第四轮子支腿14、第一机械臂5、第二机械臂7均与底板4相连接。
如图1所示,以第三轮子支腿10为例,说明第一轮子支腿2、第二轮子支腿3、第三轮子支腿10、第四轮子支腿14的结构。它包括:第一旋转气缸9、第一结构件11、第一轮子12、第二旋转气缸13;所述第一旋转气缸9的缸体与底板4固定连接,第一旋转气缸9的转动轴、第二旋转气缸13的缸体均与第一结构件11固定连接,第二旋转气缸13的转动轴与第一轮子12固定连接。
如图1所示,以第四越障支腿27为例,说明第一越障支腿1、第二越障支腿6、第三越障支腿8、第四越障支腿27的结构。它包括:第三旋转气缸15、第二结构件16、第四旋转气缸17、第一蜗杆18、第一蜗轮19、履带20、第二轮子21、第一连接件22、第五旋转气缸23、第二蜗杆24、第二蜗轮25、第三轮子26;第三旋转气缸15的缸体与底板4固定连接,第三旋转气缸15的转动轴、第四旋转气缸17的缸体均与第二结构件16固定连接,第一蜗杆18与第四旋转气缸17的转动轴固定连接,第一蜗轮19与第二结构件16可转动连接,第一蜗杆18与第一蜗轮19相啮合,第一蜗轮19、第二结构件16之间的可转动连接轴同时与第一连接件22、第二轮子21固定连接。第五旋转气缸23的缸体与第一连接件22固定连接,第二蜗杆24与第五旋转气缸23的转动轴固定连接;第二蜗轮25与第一连接件22可转动连接,且与第三轮子26固定连接。第二轮子21、第三轮子26均与履带20相啮合。第三旋转气缸15的作用主要是带动第二结构件16、第四旋转气缸17、第一蜗杆18、第一蜗轮19、履带20、第二轮子21、第一连接件22、第五旋转气缸23、第二蜗杆24、第二蜗轮25、第三轮子26摆动;第四旋转气缸17通过第一蜗杆18、第一蜗轮19带动履带20、第二轮子21、第一连接件22、第五旋转气缸23、第二蜗杆24、第二蜗轮25、第三轮子26摆动;第五旋转气缸23通过第二蜗杆24、第二蜗轮25带动第三轮子26、第二轮子21、履带20转动前向运动。
如图2所示,以第二机械臂7为例,说明第一机械臂5、第二机械臂7的结构。它包括:第二连接件28、第三结构件29、直线气缸30、第六旋转气缸31、第三连接件32、第七旋转气缸33。第二连接件28与底板4固定连接,直线气缸30两端分别与第二连接件28、第三结构件29可转动连接,第六旋转气缸31的缸体与第三结构件29固定连接,第六旋转气缸31的转动轴通过第三连接件32与第七旋转气缸33固定连接。直线气缸30驱动第三结构件29、第六旋转气缸31、第三连接件32、第七旋转气缸33绕X轴转动,第六旋转气缸31带动第三连接件32、第七旋转气缸33绕X轴转动,第七旋转气缸33可以实现绕Y轴旋转以及X轴或者Z轴夹持。
图9为机器人气动系统原理示意图,气动三联体35的进气口连接气源,出气口连接用于保障恒定供气气压的第一气罐36的进气口,第一气罐36的出气口接第一气动比例压力阀38、第二气动比例压力阀39、第三气动比例压力阀40、第四气动比例压力阀41、第五气动比例压力阀42、第六气动比例压力阀43、第七气动比例压力阀44、第八气动比例压力阀45、第九气动比例压力阀46、第十气动比例压力阀47、第十一气动比例压力阀48、第十二气动比例压力阀49、第十三气动比例压力阀50、第十四气动比例压力阀51、第十五气动比例压力阀55、第十六气动比例压力阀56的进气口,第一气动比例压力阀38、第二气动比例压力阀39、第三气动比例压力阀40、第四气动比例压力阀41、第五气动比例压力阀42、第六气动比例压力阀43、第七气动比例压力阀44、第八气动比例压力阀45、第九气动比例压力阀46、第十气动比例压力阀47、第十一气动比例压力阀48、第十二气动比例压力阀49、第十三气动比例压力阀50、第十四气动比例压力阀51、第十五气动比例压力阀55、第十六气动比例压力阀56的出气口均与第二气罐57的进气口相连,第二气罐57的出气口与消声器58相连,消声器58可以降低排气的噪声;第五旋转气缸23、第四旋转气缸17、第三旋转气缸15、第八旋转气缸37、直线气缸30、第六旋转气缸31、第七旋转气缸33、第九旋转气缸54则分别由第一气动比例压力阀38、第二气动比例压力阀39、第三气动比例压力阀40、第四气动比例压力阀41、第五气动比例压力阀42、第六气动比例压力阀43、第七气动比例压力阀44、第八气动比例压力阀45、第九气动比例压力阀46、第十气动比例压力阀47、第十一气动比例压力阀48、第十二气动比例压力阀49、第十三气动比例压力阀50、第十四气动比例压力阀51、第十五气动比例压力阀55、第十六气动比例压力阀56组合控制。各气动比例压力阀由计算机53发出指令通过数据采集卡52进行控制。结合图3、图4说明各气缸控制逻辑关系:图3通过第五气动比例压力阀42、第六气动比例压力阀43、第三气动比例压力阀40、第四气动比例压力阀41控制第四旋转气缸17、第三旋转气缸15;图4通过第一气动比例压力阀38、第二气动比例压力阀39、第五气动比例压力阀42、第六气动比例压力阀43控制第五旋转气缸23、第三旋转气缸15。
地面较为平整速度要求较高时,如图1所示采用第一轮子支腿2、第二轮子支腿3、第三轮子支腿10、第四轮子支腿14带动气动机器人运动,第一越障支腿1、第二越障支腿6、第三越障支腿8、第四越障支腿27不工作。
多个越障支腿的多足履带机器人工作状态如图3所示,第一越障支腿1、第二越障支腿6、第三越障支腿8、第四越障支腿27带动气动机器人运动,第一轮子支腿2、第二轮子支腿3、第三轮子支腿10、第四轮子支腿14不工作。多个越障支腿的履带机器人工作状态如图4所示。
多个轮子支腿和多个第一越障支腿起协调越障,初始状态如图5所示;首先控制第二越障支腿6、第三越障支腿8摆动于台阶34,第二轮子支腿3、第三轮子支腿10也摆动一定角度如图6所示;然后第一越障支腿1、第四越障支腿27起到支撑作用如图7所示,第一轮子支腿2、第四轮子支腿14与第二轮子支腿3、第三轮子支腿10同样摆动,实现越障台阶34,之后第一轮子支腿2、第四轮子支腿14、第二轮子支腿3、第三轮子支腿10反向摆动如图7所示;第一越障支腿1、第四越障支腿27摆动回原始状态如图8所示。
本发明,通过控制各关节的旋转气缸和直线气缸,可以实现机器人关节和整体位姿的控制,可以实现复杂地形的运动、越障排爆等工作,并且可以实现精确的轨迹控制,本发明拥有其他气动轮式和多足履带式关节机器人无法比拟的优势。
以上所述的实施例,只是本发明较优选的具体实施方式中的一种,本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。