CN112643692A - 高环境适应的刚柔耦合移动机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高环境适应的刚柔耦合移动机器人，包括一个或多个子机器人；所述子机器人包括端部驱动模块、柔性脊柱模块和柔性运动部件；所述端部驱动模块包括支撑部件、设置于所述支撑部件上的一对或多对辊子和用于驱动所述辊子转动的驱动电机；所述柔性脊柱模块连接于两所述端部驱动模块之间，其包括柔性棒、沿所述柔性棒轴向均匀分布的多个支撑件和固定于所述柔性棒一端的安装板；每一所述支撑件沿周向均匀设置多个线绳连接臂，且周向位置相同的所述线绳连接臂之间通过线绳进行连接；所述安装板上设有与所述线绳一一对应的用于拉动线绳的线绳驱动电机。本发明的机器人具有控制简单、方便携带、高地形通过力的优点。
Description
技术领域
本发明涉及机器人研究领域尤其是移动机器人领域，涉及一种可用于侦察、灾难救援等特种环境的刚柔耦合、驱动简单、易于控制、多地形适应的移动机器人。
背景技术
移动机器人在侦察、灾难救援等特种环境中发挥着重要的作用。现有柔性移动机器人大多为流体驱动软体材料实现，其刚度小、承载差，并且常需携带气泵，很不方便。所以大多数移动机器人通常仍由刚性结构组成，其驱动方式各异，主要类型有：1)轮式移动机器人，速度快、效率高、运动灵活，但越障能力差；2)履带式移动机器人，通过履带与地面的摩擦实现机器人的前行运动，但其结构复杂、体积重量大；3)腿式移动机器人，具有较好的复杂环境适应能力，越障能力较强，但多关节腿结构复杂，驱动较多导致控制难度大。不同类型的刚性移动机器人各有其不同的优缺点，但由于它们的全刚性部件，使得其环境友好性较差，其可能与环境发生刚性碰撞，损坏机器人本体或周围环境。另一方面，面对沟壑地形，无论是柔性还是刚性移动机器人，都是很难通过的地形环境。
发明内容
本发明的目的是设计一种刚柔耦合结构，充分利用填充气体的柔性构件的刚度增强特性，借鉴履带运动方式，发明控制简单、方便携带、高地形通过力的可根据环境被动变刚度的刚柔耦合移动机器人。
本发明的高环境适应的刚柔耦合移动机器人包括一个或多个子机器人；所述子机器人包括端部驱动模块、柔性脊柱模块和柔性运动部件；
所述端部驱动模块包括支撑部件、设置于所述支撑部件上的一对或多对辊子和用于驱动所述辊子转动的驱动电机；
所述柔性脊柱模块连接于两所述端部驱动模块之间，其包括柔性棒、沿所述柔性棒轴向均匀分布的多个支撑件和固定于所述柔性棒一端的安装板；每一所述支撑件沿周向均匀设置多个线绳连接臂，且周向位置相同的所述线绳连接臂之间通过线绳进行连接；所述安装板上设有与所述线绳一一对应的用于拉动线绳的线绳驱动电机；
所述柔性运动部件包括由柔性材料制作的环形行走带，所述环形行走带连接于两个端部驱动模块上对应的两对辊子之间，并穿过每对辊子之间的缝隙。
进一步，所述辊子为纺锤型辊子；所述驱动电机通过带传动机构和齿轮传动机构分别驱动每对辊子中的两个辊子同速反向转动。
进一步，每一所述支撑部件上的辊子为三对，并呈等边三角形分布。
进一步，所述柔性脊柱模块的每一支撑件设有三个沿周向均布的所述线绳连接臂；设置于所述安装板上的三个所述线绳驱动电机通过三根线绳分别拉动三排所述线绳连接臂。
进一步，所述环形行走带为密封环形充气袋。
本发明的有益效果：
1.本发明采用模块化可易拆装设计，机器人可以通过释放或填充柔性运动部件的气体和模块化结构的简易拆装实现机器人的方便性携带与应用。
2.本发明的柔性运动部件采用填充气体的柔性结构设计，具有刚度适应环境变化的能力以及更好的保护功能。
3.本发明采用刚柔结构耦合及类履带式运动结构，使机器人可以通过较大沟壑地形。
4.由于本发明设计的简易性，可实现不同需求对机器人大小的订制生产。。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的子机器人的结构示意图；
图3为本发明的柔性脊柱模块和端部驱动模块的连接示意图；
图4为本发明的端部驱动模块的结构示意图；
图5为本发明的柔性脊柱模块的局部放大图；
图6为本发明跨越沟壑的过程示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例的高环境适应的刚柔耦合移动机器人包括三个子机器人1和连接于相邻两子机器人1之间的连接器2；每一个子机器人1都有完整的控制和运动系统，故也可单独工作而无需多个连接。
如图2和3所示，所述子机器人1包括端部驱动模块3、柔性脊柱模块4和柔性运动部件5；所述柔性脊柱模块4连接于两所述端部驱动模块3之间，如图4所示，所述端部驱动模块3包括三角形的支撑部件3-5、设置于所述支撑部件3-5上的三对呈等边三角形分布的辊子3-1和用于驱动所述辊子3-1转动的驱动电机3-4；所述辊子3-1为纺锤型辊子；所述驱动电机3-4通过带传动机构3-2和齿轮传动机构3-3分别驱动每对辊子3-1中的两个辊子3-1同速反向转动；如图所示，每一对纺锤型辊子3-1中的大辊一端设有从动带轮，小辊一端设有从动齿轮；所述驱动电机3-4的转轴上同轴固定有主动带轮和主动齿轮；主动带轮通过皮带与从动带轮配合，而主动齿轮直接与从动齿轮啮合，带传动机构3-2和齿轮传动机构3-3的传动比相同，确保每对辊子3-1中的两个辊子3-1同速反向转动；因此通过单片机控制驱动电机3-4运动可以控制纺锤形辊子3-1的转动速度和方向。
如图3和5所示，所述柔性脊柱模块4包括柔性棒4-6、沿所述柔性棒4-6轴向均匀分布的十个支撑件4-1和固定于所述柔性棒4-6一端的三角形安装板4-4；每一所述支撑件4-1包括中心环和沿中心环周向均匀设置三个线绳连接臂；柔性棒4-6沿轴向均匀分布有与中心环配合的环槽；周向位置相同的所述线绳连接臂之间通过线绳4-2进行连接；所述安装板4-4上设有与三根所述线绳4-2一一对应的用于拉动线绳4-2的线绳驱动电机4-5；所述线绳驱动电机4-5通过设置于安装板4-4的绕线带轮机构4-3拉动线绳4-2。当机器人遇到障碍需要转向时，通过柔性脊柱模块4上的线绳驱动电机4-5运动带动线绳4-2收紧运动，通过三个线绳驱动电机4-5与三条线绳的配合可以控制机器人的弯曲方向，实现弯曲之后，控制柔性运动部件5滑动而推动机器人前进，从而实现避障。
所述柔性运动部件5包括由延展性较好的塑料薄膜(可采用聚乙烯等)支撑的密封环形充气袋，所述密封环形充气袋连接于两个端部驱动模块3上对应的两对辊子3-1之间，并穿过每对辊子3-1之间的缝隙(缝隙大小由柔性运动部件5的厚度进行调试选配)；充气之后的柔性运动部件5具有柔性与刚性并济的特性，可以有效保护机器人免受外界撞击而造成损坏。在柔性运动部件5充气膨胀后，其与穿过的一对纺锤形辊子3-1之间形成挤压，纺锤形辊子3-1表面与柔性运动部件5表面有一定的摩擦力，因此纺锤形辊子3-1在驱动电机3-4带动下最终将驱动电机3-4的转动转化为柔性运动部件5的类履带式滑动。柔性运动部件5作为机器人的外部结构，与环境接触，和地面或者管道等环境之间产生摩擦力，从而推动机器人前进或后退。
机器人不工作时，可通过简易拆卸以及将柔性运动部件5内的填充气体释放来实现机器人体积的减小，以方便携带。机器人轴向由三部分组成，周向上均有运动机构，可以适应除了平地以外的其他复杂环境，如管道等。
如图6所示，遇到沟壑时，机器人本身的一定刚度可以保证机器人一半以下身长悬空在沟壑上方，当机器人前端碰到沟壑另一侧时，机器人可以起到类似与桥梁的作用，横跨沟壑，最终跨越沟壑。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种高环境适应的刚柔耦合移动机器人，其特征在于：包括一个或多个子机器人；所述子机器人包括端部驱动模块、柔性脊柱模块和柔性运动部件；
所述端部驱动模块包括支撑部件、设置于所述支撑部件上的一对或多对辊子和用于驱动所述辊子转动的驱动电机；
所述柔性脊柱模块连接于两所述端部驱动模块之间，其包括柔性棒、沿所述柔性棒轴向均匀分布的多个支撑件和固定于所述柔性棒一端的安装板；每一所述支撑件沿周向均匀设置多个线绳连接臂，且周向位置相同的所述线绳连接臂之间通过线绳进行连接；所述安装板上设有与所述线绳一一对应的用于拉动线绳的线绳驱动电机；
所述柔性运动部件包括由柔性材料制作的环形行走带，所述环形行走带连接于两个端部驱动模块上对应的两对辊子之间，并穿过每对辊子之间的缝隙。
2.根据权利要求1所述的高环境适应的刚柔耦合移动机器人，其特征在于：所述辊子为纺锤型辊子；所述驱动电机通过带传动机构和齿轮传动机构分别驱动每对辊子中的两个辊子同速反向转动。
3.根据权利要求1所述的高环境适应的刚柔耦合移动机器人，其特征在于：每一所述支撑部件上的辊子为三对，并呈等边三角形分布。
4.根据权利要求3所述的高环境适应的刚柔耦合移动机器人，其特征在于：所述柔性脊柱模块的每一支撑件设有三个沿周向均布的所述线绳连接臂；设置于所述安装板上的三个所述线绳驱动电机通过三根线绳分别拉动三排所述线绳连接臂。
5.根据权利要求1所述的高环境适应的刚柔耦合移动机器人，其特征在于：所述环形行走带为密封环形充气袋。
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| CN202011545516.6A CN112643692B (zh) | 2020-12-23 | 高环境适应的刚柔耦合移动机器人 |
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| CN113650695A (zh) * | 2021-09-25 | 2021-11-16 | 重庆大学 | 一种刚柔耦合的攀爬机器人 |
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