CN111085980A - 一种可勾抓攀爬运输探测机器人 - Google Patents

Abstract

发明提供了一种可勾抓攀爬运输探测机器人，包括机械机身，用以定位零件与支撑整体设备；底轮驱动单元，用以实现机器人的行走功能；底轮抬升单元，可完成机器人的底轮升降动作；FPV第一人称视角实时遥控单元，用以实现实时探测的功能；前后攀爬爪，用以实现攀爬梯状物或其它障碍物时支撑机身、升降整体机器的功能。本发明能够利用前后攀爬爪攀爬或越过一定大小的障碍物，配合FPV第一人称视角实时遥控单元，实时传输动态画面给屏幕接收器，操作人员根据传回画面利用WIFI发出下一步指令，机器人接收并执行命令继续进行运输或探测工作。本发明提高救援人员对现场情况的了解程度，并降低不确定环境给救援人员所带来的危险性。

Description

一种可勾抓攀爬运输探测机器人

技术领域

本发明涉及救援机器人，具体涉及到一种可勾抓攀爬运输探测机器人。

背景技术

当代社会城区发展迅速，而山区的发展相对落后，且野外环境往往较为复杂，其网络信号覆盖差的特点给救援带来极大困难。并且现在大多采用人工救援，陌生又复杂的救援环境都无法保证救援人员的安全。现有探测设备机动性不高，导致难以深入攀爬、观测到这些复杂地质环境包括地震后的坍塌区和危房内人员的具体情况。同时地震中被困人员所在地通常较为狭窄，救援人员短时间内难以判断情况并展开救援。

针对上述问题，近年来在救援探测领域发明了不少具备探测能力的机器人，但是对复杂地形的适应能力还是比较欠缺。其中对越障能力最强的履带式机器人，如quince[1]Nagatani,Keiji&Kiribayashi,Seiga&Okada,Yoshito&Tadokoro,Satoshi&Nishimura,Takeshi&Yoshida,Tomoaki&Koyanagi,Eiji&Hada,Yasushi.(2011).Redesign of rescuemobile robot Quince.10.1109/SSRR.2011.6106794.，虽然对传统的履带结构进行了一定的改进，但是对于高度较高，坡度较陡的障碍物，其攀爬能力十分有限。对此，本发明将履带与钩爪结合，使机器人具备了一定的攀爬和越过陡峭障碍物的能力，拓展了机器人可以探测的地形区域。

发明内容

为了解决现有技术中存在的救援机器人难以攀爬或较陡峭障碍物，导致探测效率低甚至不能探测的技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种可勾抓攀爬运输探测机器人，所述可勾抓攀爬运输探测机器人设有：

机械机身，所述机械机身为箱体结构，在机械机身的底板上开设有横向的槽口；

底轮抬升单元，安装在机械机身内，包括横向铝板材、轴承座、升降连杆组件、抬升舵机，轴承座固定在横向铝板材上表面，升降连杆组件一端转动连接在轴承座上，另一端与抬升舵机相连，所述抬升舵机固定在机械机身的顶板下表面，所述底轮抬升单元用于带动所述横向铝板材进行升降，且所述横向铝板材可通过所述槽口外露于所述机械机身；

底轮驱动单元，安装在横向铝板材的下方，包括电机支架、两组第一驱动电机以及两个底轮，第一驱动电机固定在横向铝板材的下表面的左右两侧，两个底轮分别位于横向铝板材的两侧并与两组第一驱动电机的输出轴相连；

前攀爬爪单元，安装在所述机械机身前侧，包括前攀爬舵机以及至少一爪架，所述爪架的后端与所述前攀爬舵机的输出轴相连；

一对后攀爬爪单元，分别安装在所述机械机身的左右两侧，包括后第二驱动电机、履带轮、攀爬爪架，所述攀爬爪架固定在所述机械机身的左/右侧并设置有前后方向的第一限位槽，所述攀爬爪架上固定有履带，所述履带轮外缘与所述履带啮合，所述履带轮一侧轴心与固定在所述机械机身内的所述后第二驱动电机输出轴相连，另一侧轴心设有位于所述第一限位槽中的支撑轴；

FPV第一人称视角实时遥控单元，包括外露于机械机身顶部的摄像头、WIFI模块。

进一步的，升降连杆组件设与四根相互呈菱形的连杆：主动上连杆、从动上连杆、第一下连杆、第二下连杆，

主动上连杆的上端轴心与抬升舵机输出轴相连，且主动上连杆和从动上连杆的上端均设置有外齿并啮合；

第一下连杆、第二下连杆的上端分别与主动上连杆、从动上连杆的下端转动连接，且第一下连杆、第二下连杆的下端与轴承座转动连接。

进一步的，所述抬升舵机通过舵机支架固定在机械机身的顶板下表面。

进一步的，两组第一驱动电机的转速可调。

进一步的，前攀爬爪单元设置有一对分别位于前攀爬舵机两侧的爪架，该对爪架之间通过连杆相连，其中一爪架的后端与前攀爬舵机输出轴相连，另一爪架后端转动连接在前攀爬舵机的外壳上。

进一步的，爪架前端设置有向下的钩子。

进一步的，攀爬爪架上还设置有平行设置于第一限位槽下方的第二限位槽；

后攀爬爪单元还配置有角度调整装置，所述角度调整装置包括角度调整舵机、摇臂、摇臂轴，摇臂位于机械机身外，其中一端与设于所述机械机身内的角度调整舵机输出轴相连，另一端固定有所述摇臂轴，所述摇臂轴位于第二限位槽中。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)可实现实时画面传输，远程遥控探测功能。让救援人员能够及时了解救援环境情况，并根据需要远程遥控进一步深入探测。让救援人员清楚全面地了解情况，提高救援效率，降低危险系数。

(2)本发明将履带结构与钩爪结合，以及可以升降的轮组结构，使机器人具备了攀爬和越过陡峭障碍物，如石砖，的能力，大大拓展了机器人可以探测的地形区域，使机器人更加具有实用意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的机器人整体结构的三维示意图。

图2是本发明实施例的机器人机械机身的三维示意图。

图3是本发明实施例的机器人底轮抬升单元的三维示意图。

图4是本发明实施例的机器人前攀爬爪单元的三维示意图。

图5是本发明实施例的机器人后攀爬爪单元的三维示意图。

图6是本发明实施例中的FPV第一人称视角实时遥控单元。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

本发明提供的可爬梯状物的运输救援机器人其整体结构如附图1所示，包括机械机身1，底轮驱动单元2，底轮抬升单元3，前攀爬爪单元4，后攀爬爪单元5，FVP第一人称视角实时遥控单元6。

其一种具体工作实例为，安装在机械机身1上的FVP第一人称视角实时遥控单元6将实时画面传输给远程端的操作人员，操作人员根据实时画面向机器人发送指令，机器人根据指令驱动相应单元完成工作任务。各单元功能为：机械机身1用于将其余各单元装配为一体，同时其顶部有较大空余面积可以搭载其它探测设备或物资。底轮驱动单元2安装在底轮抬升单元3上，可以驱动两个底轮2-1以不同转速、不同转向旋转，以实现机器人整体的前进、后退和转向功能。底轮抬升单元3安装在机械机身1上，其菱形结构可以由舵机3-6驱动变形，实现底轮驱动单元2的抬起和下降功能。该结构在机器人攀爬过程中可以将底轮抬升单元2收回机械机身1内，避免与障碍物相撞。在平地时可以将机器人撑起一定高度，提高其探测范围和可攀爬障碍物高度。前攀爬爪4与后攀爬爪5配合完成机器人的攀爬动作，具体以攀爬梯子为例。后攀爬爪5调整角度和机械机身1的相对位置勾抓梯子第一阶，抓到后机械机身1在履带轮5-3的带动下相对于后攀爬爪5的支撑点向上攀爬，向上足够高度后前攀爬爪4调整角度勾抓梯子第二阶，抓到后以前攀爬爪4钩子为支撑，后攀爬爪5相对机械机身1向上运动脱离梯子第一阶，继续向上到比前攀爬爪1略高位置勾爪梯子第二阶，接着机械机身1再次以后攀爬爪为支点重复之前动作向上攀爬。

附图2为可爬梯子的运输救援机器人的机械机身1的结构图。机械机身1包括顶壳1-1、底板1-2两块。顶壳1-1为钣金件，具有顶版，背板及两个侧板。顶壳1-1侧板及背板的边沿有直角结构与分别与两块底板1-2通过螺栓连接。顶壳1-1侧板开有轴孔起支撑并限制第一驱动电机2-4轴以及攀爬舵机5-5轴的作用，顶壳1-1顶板与底板1-2开有安装孔用于安装各零部件。顶壳1-1顶部空余位置可以搭载其它探测设备或运送物资。两块底板1-2前后安装于顶壳1-1上，两者之间留有底轮抬升单元3抬升底轮驱动单元2所需空间。其中，在底板1-2上开设有横向的槽口1-3，用于底轮抬升单元3的升降，底轮抬升单元3穿过该槽口1-3与地面接触，以将机器人整体抬高。

附图3所示为底轮驱动单元2及底轮抬升单元3。底轮驱动单元2包括底轮2-1、第一驱动电机2-4、小联轴器2-2以及电机支架2-3。底轮2-1通过小联轴器2-2与第一驱动电机2-4轴刚性连接，第一驱动电机2-4由匹配的电机支架2-3通过螺栓连接与横向铝板材3-1刚性连接。横向铝板材3-1可以保证底轮中心在同一水平面上。底轮驱动单元2通过调控各底轮2-1的转速，利用差速原理实现设备的灵活行进。

附图3所示的底轮抬升单元3包括横向铝板材3-1、轴承座3-2、第一下连杆3-3、第二下连杆3-9、主动上连杆3-4、抬升舵机3-5、支架3-6、舵机支架3-7、从动上连杆3-8。横向铝板材3-1通过螺栓连接与轴承座3-2刚性连接。两个第一下连杆3-3、第二下连杆3-9一端与轴承座3-2铰接，另一端分别与主动上连杆3-4、从动上连杆3-8的非齿轮端铰接。主动上连杆3-4齿轮端与抬升舵机3-5轴用螺钉刚性连接，并且抬升舵机3-5轴穿过支架3-6的轴孔实现支撑定位作用。从动上连杆3-8齿轮端与支架3-6另一孔铰接，以实现支撑定位作用。支架3-6两孔在同一水平面上，并且距离正好可以使主动上连杆3-4与从动上连杆3-8齿轮端啮合。支架3-6水平面与顶壳1-1顶板用螺栓刚性连接，其竖直面与顶壳1-1背板平行。抬升舵机3-5由匹配的舵机支架3-7与顶壳1-1顶板用螺栓刚性连接。这样，底轮抬升单元3就悬挂在顶壳1-1顶板上了。通过调控抬升舵机3-5轴的旋转角度使主动上连杆3-4与从动上连杆3-8旋转，从而控制菱形连杆机构形状变化，使横向铝板材3-1与顶壳1-1顶板距离发生变化，实现底轮驱动单元2的抬升动作。

附图4所示的前攀爬爪单元4包括舵机舵盘4-1、两个爪架4-2和4-4、前攀爬舵机4-3、舵机架4-5。爪架4-2通过螺柱连接与爪架4-2刚性连接，组成一个具有足够宽度的前爪。爪架4-2通过螺栓连接与舵机舵盘4-1刚性连接，舵机舵盘4-1通过螺栓连接与前攀爬舵机4-3轴刚性连接，这样前攀爬舵机4-3轴转动就可以带动前爪转动。前攀爬舵机4-3由舵机架4-5通过螺栓连接与底板1-2刚性连接。前攀爬爪单元通过转动前攀爬舵机4-3轴到指定角度实现调控两个爪架4-2和4-4的角度，实现勾抓梯子或一定尺寸的障碍物的动作以及对整体机器的支撑动作。

附图5所示的的后攀爬爪单元5包括两个完全相同的攀爬爪机构对称分布在机械机身1-1两侧。攀爬爪机构包括：攀爬爪架5-1、支撑轴5-2，履带轮5-3、联轴器5-4，第二驱动电机5-5、角度调整舵机5-6、电机支架5-7、舵机支架5-8、摇臂5-9、摇臂轴5-10、槽轮5-11四个、履带5-12。其中履带轮5-3、第二驱动电机5-5，支撑轴5-2及其他安装零件组成攀爬爪单元5升降装置。角度调整舵机5-6，摇臂轴5-10，摇臂5-9及其他安装零件组成攀爬爪单元5角度调整装置。

攀爬爪单元5升降装置：履带5-12通过粘结剂与攀爬爪架5-1刚性连接。履带轮5-3通过紧定螺钉在支撑轴5-2上轴向定位，并与履带5-12配合。槽轮5-11共两个分别安装在支撑轴5-2两端用开口卡簧轴向定位。支撑轴5-2通过联轴器5-4与第二驱动电机5-5刚性连接，并穿过穿过攀爬爪架5-1侧面的第一限位槽5-13。支撑轴5-2上设有与第一限位槽5-13相配合的槽轮，以实现在支撑轴5-2上的轴向定位。第二驱动电机5-5由匹配的电机支架5-7通过螺栓连接与底板1-2刚性连接，同时第二驱动电机5-5轴穿过顶壳1-1侧板的轴孔，实现支撑和定位目的。

攀爬爪单元5角度调整装置：角度调整舵机5-6通过匹配的舵机支架5-8与底板1-2用螺栓连接，同时舵机轴保证与顶壳1-1侧板上开的圆孔同轴。摇臂5-9圆台部分穿过顶壳1-1侧板上圆孔，以达到支撑和定位作用，然后再与角度调整舵机5-6轴用螺钉连接。所述摇臂轴5-10通过开口卡簧与摇臂5-9实现轴向定位，摇臂5-9足够厚以保证摇臂轴5-10始终与摇臂5-9平面部分垂直。槽轮5-11共两个在摇臂轴5-10两端分别用开口卡簧在摇臂轴5-10上轴向定位。攀爬爪架5-1通过与槽轮5-11接触配合实现在摇臂轴5-10上的轴向定位。此外，在攀爬爪架5-1上还设置有平行设置于第一限位槽5-13下方的第二限位槽5-14，摇臂轴5-10滑动设置在第二限位槽5-14中。

后攀爬爪单元5通过第二驱动电机5-5实现履带轮5-3相对履带5-12前后运动，从而带动攀爬爪架5-1相对于机械机身1的上升下降。通过调控角度调整舵机5-6角度带动摇臂5-9及摇臂轴5-10摆动，从而带动攀爬爪架5-1相对于机械机身1的转动。以上两个动作配合可实现后攀爬爪单元5勾抓梯子或其他一定尺寸的障碍物，并带动机器人整体上升下降的功能。

附图6所示的FPV第一人称视角实时遥控单元,由高清摄像头6-1、大功率WIFI模块6-2、铝板架6-3，Arduino UNO控制板6-4及其外壳、可充电锂电池6-5，两块L286电机驱动板6-6构成。高清摄像头6-1及大功率WIFI模块6-2用螺栓刚性连接在铝板架6-3上，铝板架6-3用螺栓刚性连接在顶1-1壳顶板上，使高清摄像头6-1最前端与顶壳1-1顶板最前端平齐，使摄像头安全的情况下有最大视野。Arduino UNO控制板及其外壳6-4用螺栓刚性连接在顶壳1-1顶板上，数据端口与顶壳1-1顶板前端平齐方便修改程序。两块L286电机驱动板6-6用螺栓刚性连接在底板1-2上。高清摄像头6-1拍摄画面并将数据传输给大功率WI-FI模块6-2，大功率WIFI模块6-2实时传输动态画面给屏幕接收器，操作人员根据传回画面利用WIFI信号发出下一步指令，机器人通过大功率WIFI模块6-2接收命令，将命令传输给Arduino UNO控制板6-4，Arduino UNO控制板6-4分析并处理命令，控制L286电机驱动板6-6或舵机执行命令，实现与远程实时遥控探测功能。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种可勾抓攀爬运输探测机器人，其特征在于，所述可勾抓攀爬运输探测机器人设有：

机械机身(1)，所述机械机身(1)为箱体结构，在机械机身(1)的底板上开设有横向的槽口(1-3)；

底轮抬升单元(3)，安装在机械机身(1)内，包括横向铝板材(3-1)、轴承座(3-2)、升降连杆组件、抬升舵机(3-5)，轴承座(3-2)固定在横向铝板材(3-1)上表面，升降连杆组件一端转动连接在轴承座(3-2)上，另一端与抬升舵机(3-5)相连，所述抬升舵机(3-5)固定在机械机身(1)的顶板下表面，所述底轮抬升单元(3)用于带动所述横向铝板材(3-1)进行升降，且所述横向铝板材(3-1)可通过所述槽口外露于所述机械机身(1)；

底轮驱动单元(2)，安装在横向铝板材(3-1)的下方，包括电机支架(2-3)、两组第一驱动电机(2-4)以及两个底轮(2-1)，第一驱动电机(2-4)固定在横向铝板材(3-1)的下表面的左右两侧，两个底轮(2-1)分别位于横向铝板材(3-1)的两侧并与两组第一驱动电机(2-4)的输出轴相连；

前攀爬爪单元(4)，安装在所述机械机身(1)前侧，包括前攀爬舵机(4-3)以及至少一爪架，所述爪架的后端与所述前攀爬舵机(4-3)的输出轴相连；

一对后攀爬爪单元(5)，分别安装在所述机械机身(1)的左右两侧，包括后第二驱动电机(5-5)、履带轮(5-3)、攀爬爪架(5-1)，所述攀爬爪架(5-1)固定在所述机械机身(1)的左/右侧并设置有前后方向的第一限位槽(5-13)，所述攀爬爪架(5-1)上固定有履带(5-12)，所述履带轮(5-3)外缘与所述履带(5-12)啮合，所述履带轮(5-3)一侧轴心与固定在所述机械机身(1)内的所述后第二驱动电机(5-5)输出轴相连，另一侧轴心设有位于所述第一限位槽(5-13)中的支撑轴(5-2)；

FPV第一人称视角实时遥控单元，包括外露于机械机身(1)顶部的摄像头(6-1)、WIFI模块(6-2)。

2.如权利要求1所述的可勾抓攀爬运输探测机器人，其特征在于，升降连杆组件设与四根相互呈菱形的连杆：主动上连杆(3-4)、从动上连杆(3-8)、第一下连杆(3-3)、第二下连杆(3-9)，

主动上连杆(3-4)的上端轴心与抬升舵机(3-5)输出轴相连，且主动上连杆(3-4)和从动上连杆(3-8)的上端均设置有外齿并啮合；

第一下连杆(3-3)、第二下连杆(3-9)的上端分别与主动上连杆(3-4)、从动上连杆(3-8)的下端转动连接，且第一下连杆(3-3)、第二下连杆(3-9)的下端与轴承座(3-2)转动连接。

3.如权利要求1所述的可勾抓攀爬运输探测机器人，其特征在于，所述抬升舵机(3-5)通过舵机支架固定在机械机身(1)的顶板下表面。

4.如权利要求1所述的可勾抓攀爬运输探测机器人，其特征在于，两组第一驱动电机(2-4)的转速可调。

5.如权利要求1所述的可勾抓攀爬运输探测机器人，其特征在于，前攀爬爪单元(4)设置有一对分别位于前攀爬舵机(4-3)两侧的爪架，该对爪架之间通过连杆相连，其中一爪架(4-2)的后端与前攀爬舵机(4-3)输出轴相连，另一爪架(4-4)后端转动连接在前攀爬舵机(4-3)的外壳上。

6.如权利要求1或5所述的可勾抓攀爬运输探测机器人，其特征在于，爪架前端设置有向下的钩子。

7.如权利要求1所述的可勾抓攀爬运输探测机器人，其特征在于，攀爬爪架(5-1)上还设置有平行设置于第一限位槽(5-13)下方的第二限位槽(5-14)；

后攀爬爪单元(5)还配置有角度调整装置，所述角度调整装置包括角度调整舵机(5-6)、摇臂(5-9)、摇臂轴(5-10)，摇臂(5-9)位于机械机身(1)外，其中一端与设于所述机械机身(1)内的角度调整舵机(5-6)输出轴相连，另一端固定有所述摇臂轴(5-10)，所述摇臂轴(5-10)位于第二限位槽(5-14)中。

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