CN109911052B - 一种轮腿式多模式巡检搜救机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮腿式多模式巡检搜救机器人，包括多稳态机架、运动腿、带有驱动电机的全向轮、舵机线轮组件和外置传感器，所述多稳态机架包括四个基础单元，该四个基础单元构成一个多边形结构，且两两相邻的两个基础单元之间通过蓄能铰链相连接，每个基础单元由两个连接块及中间的弹簧铰链组成；所述运动腿有四个并分别彼此对称的安装在四个基础单元上；所述全向轮有四个，该四个全向轮分别安装在四个基础单元上；所述舵机线轮组件包括相互连接的线轮和驱动舵机，所述线轮上的钢丝绳将八个连接块串联，所述驱动舵机与任一连接块连接；所述外置传感器安装在多稳态机架上。本发明具有轻量化、灵活性强和可靠度高等特点。

Description

一种轮腿式多模式巡检搜救机器人

技术领域

本发明涉及机器人的技术领域，尤其是指一种轮腿式多模式巡检搜救机器人。

背景技术

可移动机器人是机器人领域研究热点，由于其具有自主感知环境，决策以及完成相应任务的特性，被广泛应用到各种复杂环境中。现对其研究主要针对机器人结构设计，状态感知等以使其能在最小成本之下既高效又准确地完成任务。

近些年来移动机器人的传感技术以及机构结构的优化技术不断发展，特别是同时地位与建图技术的成熟，让自主移动机器人在探索恶劣环境的任务中担任主力军，现已有利用自主移动机器人进行火星上环境探索并将火星形貌进行建图的相应成果。

近年来，我国各类灾难频发家。高危地区的巡检工作以及灾后地区的高效搜救工作具有相当重要的意义。高危地区(如化工厂、核电站等)本身就极具危险性并不适合人类监控巡检，其他灾后地区(如地震、泥石流、山地滑坡后的地区)也是环境恶劣，随时都有可能会发生二次伤害，所以也不适合人类盲目进入搜索，否则可能会产生更多的牺牲。其次，很多高危地区并没有为机器人预先建巡检通道普通巡检机器人难以自由穿越，灾后地区的地形相当复杂并且可能实时变化，仅凭人类的记忆能力永远无法对灾区进行全方位认识，从而人类的搜救并不利于全局的搜救。在这种情况下，最理想的办法便是巧妙将人与机器人相互结合，让巡检以及搜索工作由移动机器人来完成。使用移动机器人的成本相对要低很多：

1)一方面作为检机器人相比于重新规划建设适合普通巡检机器人工作的通道更加经济。由于其高效的兼顾了越障、攀爬和移动能力，可以较高频率的对高危环境进行巡检和监视。

2)另一方面即使在灾区搜救中受损也无伤大碍。大量的低成本机器人的引入并将其数据进行共享处理，更有利于我们对灾区的实时状况有更全面的把握(比如说能把灾区的大部分三维地图进行在线建立，将各地方的受困灾民情况进行汇总处理)，是我们对于救灾任务的取舍，大局的把控以及实时采取相对应的策略，根据机器人提供的信息，我们便可以安排救援人员高效地，有目的性地进行救援任务。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种轮腿式多模式巡检搜救机器人，具有轻量化、灵活性强和可靠度高等特点，轮腿模式的切换由多稳态机架完成，该机器人具备在平坦地面快速滑行、在复杂地形避障越障的能力，且轮腿模式之间的切换灵活快速，再加上多稳态机架上搭载的各类传感器，使得机器人能够在复杂的工况下完成各种复杂的任务，且机器人的多稳态机架具有势能极低的稳定平衡特性，不仅增加了多稳态机架的稳定性，还减少了由于多稳态机架的驱动不精确所带来的误差，保证了其上各种传感器的正常工作，有效解决了恶劣环境下灾区的搜救问题。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种轮腿式多模式巡检搜救机器人，包括多稳态机架、运动腿、带有驱动电机的全向轮、舵机线轮组件和外置传感器，所述多稳态机架包括四个基础单元，该四个基础单元构成一个多边形结构，两两相邻的两个基础单元之间通过蓄能铰链相连接，每个基础单元由两个连接块及中间的弹簧铰链组成；所述运动腿有四个并分别对称的安装在四个基础单元上，在机器人呈腿模式下展开分布于多稳态机架的四周，用于实现机器人的行走功能，在机器人呈轮模式下向上翻转并折叠至多稳态机架的中心处；所述全向轮有四个，该四个全向轮分别安装在四个基础单元上，每个全向轮配套有一个驱动电机，四个全向轮及其驱动电机在机器人呈腿模式时分别设于四个基础单元的内部，且与地面分离，并在机器人呈轮模式时往外翻转至多稳态机架的外侧，用于支撑机器人实现滚动功能；所述舵机线轮组件包括相互连接的线轮和驱动舵机，所述线轮上的钢丝绳将八个连接块串联，所述驱动舵机与任一连接块连接，所述驱动舵机驱动钢丝绳将连接块收紧使四个基础单元整体翻转90°，从而实现腿模式和轮模式的切换过程；所述外置传感器安装在多稳态机架上，用于为机器人的救援与搜索任务提供基础的感知功能。

进一步，所述运动腿包括关节舵机、中间连杆和足末端，所述关节舵机有两节，分别为水平摆动舵机和竖直摆动舵机，所述水平摆动舵机与连接块相铰接，所述竖直摆动舵机与水平摆动舵机相铰接，所述竖直摆动舵机与足末端通过中间连杆相铰接，所述中间连杆由主连杆和辅助连杆组成，且所述主连杆和辅助连杆相互平行，所述主连杆、辅助连杆和足末端构成一个平行四边形结构，实现机器人末端的姿态稳定及行走功能。

进一步，所述足末端的底部设有橡胶脚垫。

进一步，所述线轮上形成有双向的线槽，所述钢丝绳为封闭环形并缠绕于双向线槽上，双向线槽其中一个方向引出的钢丝绳将八个连接块的顶部串联形成顶部线路，其另一个方向引出的钢丝绳将八个连接块的底部串联形成底部线路；所述驱动舵机顺时针转动，带动顶部线路收紧使多稳态机架整体翻转90°，使位于多稳态机架内部的全向轮及其驱动电机翻转至多稳态机架的外侧，实现机器人的腿模式切换至轮模式；所述驱动舵机逆时针转动，带动底部线路收紧使多稳态机架整体翻转90°，折叠于多稳态机架中心处的运动腿翻转至多稳态机架的四周，实现机器人的轮模式切换至腿模式。

进一步，所述连接块上设有走线孔，在多稳态机架的稳态切换过程中为钢丝绳的驱动起导向作用。

进一步，所述外置传感器通过可调节云台安装在多稳态机架上，使外置传感器的朝向在机器人的腿模式和轮模式相互转换后始终保持不变，所述可调节云台由伺服电机驱动。

进一步，所述外置传感器包括视觉传感器和热像仪。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明利用了蓄能铰链的蓄能原理，使得多稳态机架在工作点处呈现出力学上势能极低的稳定平衡的特性，不仅增加了多稳态机架的稳定性，还大大减少了由于多稳态驱动不精确带来机器人自身运动学模型的误差，为在机器人上扩展传感器以及对机器人进行高精度的伺服控制打下基础。

2、本发明仅通过一个舵机驱动便完成了一个二自由度的多稳态机架的运动控制，属于欠驱动控制，相比于传统的具有复杂结构的轮腿式机器人，本设计所需要的驱动减少，机器人的重量下降，灵活度提高。

3、本发明仅通过一个驱动舵机就实现了改变多稳态机架拓扑构型的稳态切换过程，实现了腿模式以及轮模式的相互转换。轮腿切换过程简单使得切换驱动减少，从而减少了机器人身上的驱动数目，比起复杂的刚性多稳态机架，灵活度大大提升。

4、本发明灵活运用钢丝绳驱动改变了轮腿切换过程机器人的受力状态，使机器人的整体稳态切换过程受力均匀，平缓过渡，有利于机器人的稳定性。

附图说明

图1为本发明的机器人呈腿模式时的结构示意图。

图2为本发明的机器人呈轮模式时的结构示意图。

图3为本发明的机器人腿模式向轮模式切换过程(即顶部线路逐渐收紧)的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图3所示，本实施例所述的轮腿式多模式巡检搜救机器人，其运动形式主要分为两种，一种为腿模式，另一种为轮模式，分别提供复杂地形下具有强适应能力的四足运动以及平坦环境下高效率的轮式运动，两种运动形态之间通过其上的多稳态机架实现灵活切换，具有很强的灵活性以及稳定性。

所述机器人包括多稳态机架、运动腿2、带有驱动电机31的全向轮3、舵机线轮组件和外置传感器5，所述多稳态机架包括四个基础单元，该四个基础单元构成一个多边形结构，且两两相邻的两个基础单元之间通过蓄能铰链12相连接，每个基础单元由两个连接块111及中间的弹簧铰链112组成，所述蓄能铰链12在空间中呈现相互正交的布置，从而蓄能铰链12以及连接块111组成了一个空间二自由度机构，这样的结构在绕相邻铰链的公垂线的旋转运动上具有两个力学上势能极低的稳定平衡点，这样的稳定平衡点就是多稳态机架的主要工作位置，势能极低的特性使得多稳态机架在工作位置处具有稳定平衡的特性，即多稳态机架本身会倾向于向附近的平衡点处移动，从而减少了由于多稳态驱动不精确所带来的机构运动学上的误差；所述运动腿2有四个并分别彼此对称的安装在四个基础单元上，在机器人呈腿模式下展开分布于多稳态机架的四周，用于实现机器人的行走功能，在机器人呈轮模式下向上翻转并折叠至多稳态机架的中心处，不再支撑机器人的运动，但可以被用来执行诸如搬运，抓取等的复杂任务，其中，每个运动腿2包括关节舵机、中间连杆和底部设有橡胶脚垫26的足末端25，所述关节舵机有两节，分别为水平摆动舵机21和竖直摆动舵机22，所述水平摆动舵机21与连接块111相铰接，所述竖直摆动舵机22与水平摆动舵机21相铰接，所述竖直摆动舵机22与足末端25通过中间连杆相铰接，所述中间连杆由主连杆23和辅助连杆24组成，且所述主连杆23和辅助连杆24相互平行，所述主连杆23、辅助连杆24和足末端25构成一个平行四边形结构，实现机器人末端的姿态稳定及行走功能；所述全向轮3有四个，该四个全向轮3分别安装在四个基础单元上，每个全向轮3配套有一个驱动电机31，四个全向轮3及其驱动电机31在机器人呈腿模式时分别设于四个基础单元的内部，且与地面分离，并在机器人呈轮模式时往外翻转至多稳态机架的外侧，用于支撑机器人实现滚动功能；所述舵机线轮组件包括相互连接的线轮41和驱动舵机42，所述驱动舵机42与任一连接块111连接，所述线轮41上形成有双向的线槽，所述钢丝绳为封闭环形并缠绕于双向线槽上，双向线槽其中一个方向引出的钢丝绳将八个连接块111的顶部串联形成顶部线路61，其另一个方向引出的钢丝绳将八个连接块111的底部串联形成底部线路62，所述驱动舵机42顺时针转动，带动顶部线路61收紧使多稳态机架整体翻转90°，同时位于多稳态机架内部的全向轮3及其驱动电机31翻转至多稳态机架的外侧，实现机器人的腿模式切换至轮模式，所述驱动舵机42逆时针转动，带动底部线路62收紧使多稳态机架整体翻转90°，最终折叠于多稳态机架中心处的运动腿2翻转至多稳态机架的四周，实现机器人的轮模式切换至腿模式，所述连接块111上设有走线孔，在多稳态机架的稳态切换过程中为钢丝绳驱动多稳态机架稳态模式切换起导向作用；所述外置传感器5包括视觉传感器和热像仪，用于为机器人的救援与搜索任务提供基础的感知功能，该外置传感器5通过可调节云台51安装在多稳态机架上，使外置传感器5的朝向在机器人的腿模式和轮模式相互转换后始终保持不变，所述可调节云台51由伺服电机(图中未画出)驱动，保证了视觉传感器与机器人之间的运动学关系，所述视觉传感器能够向机器人传递二维图像信息以及深度信息，根据这些信息，机器人能够实时地对周围的三维环境进行感知，不仅为机器人的搜救任务中的自主导航提供基础，也能为外部搜救人员提供灾区内部的具体情况，以便人们对救援工作做出准确的判断，所述热像仪在机器人的搜救任务中发挥重要的作用，在机器人的自主导航以及探测灾区环境的过程中热像仪能够探测到生命信息，并将信息向外界传递，使得搜救工作能够有目的地以最大效率进行，不仅节省了救援人员的人力，还为救援工作减轻了不少难度，可调节云台51实现了在稳态切换前后传感器的朝向始终一致，让机器人在各种工作状态下都能正常地完成救援以及其他的任务，大大增加了机器人的稳定性，视觉传感器以及热像仪的朝向均可以随着可调节云台51的转动而改变，这不仅有利于机器人对外部三维环境的识别，也利于机器人在突发情况下做出正确的判断，还能为外部的搜救人员提供更清晰的灾区情况。

本发明的机器人从腿模式到轮模式的切换过程主要由以下步骤完成：

1)机器人运动到平坦路面。

2)机器人通过调整运动腿2使机器人多稳态机架触地。

3)通过驱动舵机42驱动多稳态机架上的钢丝绳，即顶部线路61收紧，钢丝绳带动多稳态机架运动，从而实现轮腿切换过程。

4)机器人调整运动腿2从而调整机器人的整体尺寸，以适应任务要求。

本发明的机器人从轮模式到腿模式的轮腿切换过程主要由以下步骤完成：

1)机器人运动到平坦路面。

2)机器人将运动腿2伸开。

3)通过驱动舵机42反向驱动多稳态机架上的钢丝绳，即底部线路62收紧，钢丝绳带动多稳态机架反向运动，从而实现反向轮腿切换过程。

4)机器人调整运动腿2从而调整机器人的高度以及姿态，以适应任务要求。

本发明多稳态机架的两个工作状态下多稳态机架绕相邻铰链旋转的90°，这90°的旋转改变了机器人的运动的拓扑结构实现了机器人四个运动腿2的展开或是折叠，带来了连接在多稳态机架上的运动腿2的轮模式与腿模式之间的相互切换，即利用一个驱动舵机42实现一个二自由度机构的正反切换过程，即由一个驱动舵机42驱动实现腿模式到轮模式的切换以及轮模式到腿模式的切换，实现了欠驱动，且主要的走线孔与模式切换时的转轴成对称关系，且走线孔连线与切换转轴呈135°，保证了腿模式和轮模式切换时候的正常运作。

本发明不仅能实现多稳态机架的拓扑结构之间的转换，还能实现多稳态机架整体外形尺寸的变化，这使得机器人不仅能够通过轮腿切换运动适应各种不一样的地形，还能通过运动腿2之间的相互作用改变机器人的整体外形尺寸，使机器人即可以通过类似于狭缝、小道等的地形，也能绕过或是跨过前方的障碍物，相比于固定外形尺寸的传统的刚性结构机器人，具有在地震过后等的复杂危险环境中更加灵活，更加快速移动的特点，特别适用于救援与搜索等的复杂任务中。

本发明克服了传统移动机器人诸如机构本身稳定性较差，运动不灵活等的特点，还能在地震灾后搜救等的复杂任务之中灵活穿梭，为外部搜救人员提供全面的，灵活的信息。因此，本发明相比于现有技术具有稳定，灵活，应用范围广等的特点，值得推广。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种轮腿式多模式巡检搜救机器人，其特征在于：包括多稳态机架、运动腿、带有驱动电机的全向轮、舵机线轮组件和外置传感器，所述多稳态机架包括四个基础单元，该四个基础单元构成一个多边形结构，两两相邻的两个基础单元之间通过蓄能铰链相连接，每个基础单元由两个连接块及中间的弹簧铰链组成；所述运动腿有四个并分别对称的安装在四个基础单元上，在机器人呈腿模式下展开分布于多稳态机架的四周，用于实现机器人的行走功能，在机器人呈轮模式下向上翻转并折叠至多稳态机架的中心处；所述全向轮有四个，该四个全向轮分别安装在四个基础单元上，每个全向轮配套有一个驱动电机，四个全向轮及其驱动电机在机器人呈腿模式时分别设于四个基础单元的内部，且与地面分离，并在机器人呈轮模式时往外翻转至多稳态机架的外侧，用于支撑机器人实现滚动功能；所述舵机线轮组件包括相互连接的线轮和驱动舵机，所述线轮上的钢丝绳将八个连接块串联，所述驱动舵机与任一连接块连接，所述驱动舵机驱动钢丝绳将连接块收紧使四个基础单元整体翻转90°，从而实现腿模式和轮模式的切换过程；所述外置传感器安装在多稳态机架上，用于为机器人的救援与搜索任务提供基础的感知功能。

2.根据权利要求1所述的一种轮腿式多模式巡检搜救机器人，其特征在于：所述运动腿包括关节舵机、中间连杆和足末端，所述关节舵机有两节，分别为水平摆动舵机和竖直摆动舵机，所述水平摆动舵机与连接块相铰接，所述竖直摆动舵机与水平摆动舵机相铰接，所述竖直摆动舵机与足末端通过中间连杆相铰接，所述中间连杆由主连杆和辅助连杆组成，且所述主连杆和辅助连杆相互平行，所述主连杆、辅助连杆和足末端构成一个平行四边形结构，实现机器人末端的姿态稳定及行走功能。

3.根据权利要求2所述的一种轮腿式多模式巡检搜救机器人，其特征在于：所述足末端的底部设有橡胶脚垫。

4.根据权利要求1所述的一种轮腿式多模式巡检搜救机器人，其特征在于：所述线轮上形成有双向的线槽，所述钢丝绳为封闭环形并缠绕于双向线槽上，双向线槽其中一个方向引出的钢丝绳将八个连接块的顶部串联形成顶部线路，其另一个方向引出的钢丝绳将八个连接块的底部串联形成底部线路；所述驱动舵机顺时针转动，带动顶部线路收紧使多稳态机架整体翻转90°，使位于多稳态机架内部的全向轮及其驱动电机翻转至多稳态机架的外侧，实现机器人的腿模式切换至轮模式；所述驱动舵机逆时针转动，带动底部线路收紧使多稳态机架整体翻转90°，折叠于多稳态机架中心处的运动腿翻转至多稳态机架的四周，实现机器人的轮模式切换至腿模式。

5.根据权利要求1所述的一种轮腿式多模式巡检搜救机器人，其特征在于：所述连接块上设有走线孔，在多稳态机架的稳态切换过程中为钢丝绳的驱动起导向作用。

6.根据权利要求1所述的一种轮腿式多模式巡检搜救机器人，其特征在于：所述外置传感器通过可调节云台安装在多稳态机架上，使外置传感器的朝向在机器人的腿模式和轮模式相互转换后始终保持不变，所述可调节云台由伺服电机驱动。

7.根据权利要求1所述的一种轮腿式多模式巡检搜救机器人，其特征在于：所述外置传感器包括视觉传感器和热像仪。