CN112849299A - 具有滚-跃功能的球形救援机器人及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明具有滚‑跃功能的球形救援机器人及控制方法属于救援机器人技术领域，涉及一种用于灾害搜救、具有滚动和跳跃功能的球形机器人及控制方法。该机器人由左、右半球体、中心控制仓以及多个相同的磁流变推力机构组成。磁流变推力机构由复原弹簧、推力机构壳体、磁流变材料、电磁线圈、连接螺栓、螺母、磁流变材料‑水隔膜、水、密封圈、撑地杆构成。控制方法是由中心控制仓控制，IMU传感器测量当前球形机器人位姿以及加速度数据，控制各个电磁线圈的通电状态以及通电时间，控制内部撑地杆弹出撞击地面，为球形机器人提供动力。该球形机器人结构紧凑、环境适应能力强、运动能耗低，有效解决了球形机器人小尺寸空间内的多组协同滚‑跃驱动问题。

Description

具有滚-跃功能的球形救援机器人及控制方法

技术领域

本发明属于救援机器人技术领域，涉及一种可应用于灾害搜救、具有滚动和跳跃运动能力的球形机器人及控制方法。

背景技术

灾难救援机器人是在发生地震、矿难、火灾等灾难后，可进入灾难现场进行搜寻、救助作业的一类特种机器人。绝大多数情况下，灾难现场搜救环境非常复杂，包括崎岖不平的地形、台阶、沟壑、不规则障碍物等等。因此，代替人或辅助人来进行救援工作的机器人，必须具备较强的运动能力，以适应多地形、多场景，从而更好地展开灾难救援工作。作为移动机器人分支之一，滚动运动的球形机器人具有较好的防护外壳(在灾难现场拥有良好的防火抗腐蚀能力)和较紧凑的尺寸结构，在多地形、火源、水源等复杂因素救援场景下具有很好的应用前景。因此，开发具有更强运动能力的球形救援机器人具有重要意义。

近年来也有学者针对球形机器人越障能力差的问题提出了解决方案。2013年北京工业大学在专利CN103407512A中公开了“多态球形跳跃机器人”。该球形机器人依靠气缸活塞撞击地面获得的反作用力实现跳跃运动。但由于该机器人配备电磁换向阀、气缸、气源、电机等元器件，整体尺寸偏大，略显笨重。2017年深圳源创智能机器人有限公司在专利201710109017.4中公开了“一种球形-六足变形机器人”。该球形机器人通过在六足-球形两种形态中变形切换，兼具球形机器人快速运动和多足机器人高避障能力的特点。但该机器人若在灾难现场遭遇需要反复通过楼梯-平地-楼梯的环境时，需要多次重复变形动作或长时间采用六足形态，无法快速穿越复杂环境。

发明内容

本发明的目的是针对球形机器人难以灵巧顺利完成爬楼梯等任务的问题，发明一种具有滚-跃功能的球形救援机器人及控制方法，球形救援机器人由左、右半球体、磁流变推力装置及中心控制仓组成。工作时，该球形机器人控制方法采用IMU传感器判断当前姿态，由电控单元控制各个磁流变推力机构中电磁线圈的通电状态以及通电时间，控制内部撑地杆弹出撞击地面，为球形机器人提供动力，实现由磁流变液驱动的撑地-反弹-滚跃运动功能，快速穿越复杂环境。对于搜救环境复杂，崎岖不平的地形、台阶、沟壑、不规则障碍物的灾难现场完成救援任务。

本发明所采取的技术方案是一种具有滚-跃功能的球形救援机器人，其特征是，球形救援机器人由左半球体1、右半球体2、12个磁流变推力装置3及中心控制仓4组成；

左半球体1由左橡胶层101、左基体层102构成，在左基体层102上与右基体层202相接的环面加工有一环形凸台102A；右半球体2由右橡胶层201、右基体层202构成，在右基体层202上与左基体层102相接的环面加工有一环形槽202A；在左、右橡胶层和左、右基体层上分别加工有12个尺寸相同均布的螺纹孔0，并一一对应；

每个磁流变推力装置3由复原弹簧301、推力机构壳体302、磁流变材料303、电磁线圈304、连接螺栓305、磁流变材料-水隔膜306、水307、密封圈308、撑地杆309、螺母310构成；其中，推力机构壳体302形状为“凸”字形，其上部外轮廓上加工有外螺纹302D，其与球体上的一个螺纹孔0连接，将磁流变推力机构3固定在球体上；推力机构壳体302上部内部加工有导向孔302C和弹簧安装台302A；复原弹簧301安装在弹簧安装台302A上，装有密封圈308的撑地杆309安装在导向孔302C中复原弹簧301上面；推力机构壳体大直径端302B上外部缠有电磁线圈304；连接螺栓305和螺母310安装在推力机构壳体302的底部；磁流变材料303装在推力机构壳体302下部空腔中，其上装有磁流变材料-水隔膜306，水307装在磁流变材料-水隔膜306上；

所述中心控制仓4由控制仓左半球壳401、控制仓右半球壳402、IMU传感器403、控制单元404、电池405、阶梯安装轴406、弹簧卡圈407组成；其中，控制仓左半球壳401与控制仓右半球壳402组成空心球状控制仓壳体，控制仓壳体上加工有12个尺寸相同的导线通道400A和12个尺寸相同的控制仓安装孔400B，控制仓安装孔400B位置与各个磁流变推力机构3底部的连接螺栓305位置一一对应；控制仓右半球壳402顶部开有一安装轴通孔402A，IMU传感器403、控制单元404、电源405依次安装在阶梯安装轴406上，由弹簧卡圈407轴向固定，阶梯安装轴406的一端焊接在控制仓左半球壳401内壁上；中心控制仓壳体的位置通过穿过控制仓安装孔400B的各推力机构壳体302底部的连接螺栓305分别用螺母310锁紧固定；电磁线圈304与穿过导线通道400A的连接导线404A相连；

救援机器人球体内部结构装配完成后，将控制仓左半球壳401内的阶梯安装轴406端部插入控制仓右半球壳402顶部的安装轴通孔402A中，合上控制仓左半球壳401和控制仓右半球壳402；再将环形凸台102A插入环形槽202A中，用3个沿开口圆周均匀分布的定位销203分别将左基体层102与右基体层202定位，并与橡胶层连接在一起固定；再用粘胶将左橡胶层101与右橡胶层201相接处封合，使左右半球体成为一个整体。

一种具有滚-跃功能的球形救援机器人，其特征是，该机器人采用由中心控制仓控制的方法，使磁流变推力机构仅需离散序列的短时通电驱动，就可完成相应的动作；首先，采用磁流变推力机构3为球形机器人滚动、跳跃等运动提供动力；磁流变推力机构3在常态下，电磁线圈304中电流大小为零，磁流变材料303呈液态，此时磁流变液-水隔膜306未发生形变，撑地杆309在复原弹簧301拉力与自身摩擦力的作用下未发生位移。当球形机器人需要某一个磁流变推力机构3提供动力时，控制单元404控制该推力机构的电磁线圈304通电，磁流变材料303发生相变，固化后形成的峰状物挤压磁流变材料-水隔膜306使其发生形变，进而推动水流挤压撑地杆309使其在导向孔302C方向上克服弹簧拉力与摩擦力发生位移，与地面发生碰撞产生反作用力。借助地面提供的反弹力，球形机器人进行跳跃运动。随后电磁线圈304瞬间失电，磁流变材料303恢复到液相状态，磁流变液-水隔膜306恢复到常态，撑地杆309在复原弹簧301作用下回到位置。

由中心控制仓4控制，采用IMU传感器测量当前球形机器人位姿以及加速度数据并将数据传递给控制单元404；控制单元404根据传感器数据选择滚/跃运动形式，并选择何处磁流变推力机构3进行动作；电源405为该处磁流变推力机构3的电磁线圈304通电，磁场强度会根据电磁线圈304的变化而变化。由于磁场的变化，磁流变材料303的黏度也随之发生变化。磁流变材料303以毫秒级的速度固化成峰状物，从而挤压磁流变材料-水隔膜306发生变形，进一步以水307作为中间介质，推动撑地杆309克服复原弹簧301拉力与摩擦力沿导向孔302C方向瞬间运动，完成球形机器人撑地-反弹-滚跳运动功能，实现复杂环境，崎岖不平的地形、台阶、沟壑、不规则障碍物的灾难现场的救援任务；

所述中心控制仓4还可根据不同任务需求，增添其他传感器等工作设备。

本发明的有益效果是充分利用了磁流变液在电磁场下快速可逆相变的力学特性，解决了球形机器人小尺寸空间内的多组协同滚-跃驱动问题；提出了球形机器人撑地-反弹-滚跳运动模式，在保证球形机器人运动速度的前提下，提升了球形机器人在崎岖地面、障碍物环境下的运动能力，增强了在救援环境下的适应能力；提出的磁流变液驱动器仅需离散序列的短时通电驱动，有利于降低球形机器人的运动能耗。该球形机器人结构紧凑、环境适应能力强、运动能耗低，有效解决了球形机器人小尺寸空间内的多组协同滚-跃驱动问题。

附图说明

附图1-本发明球形机器人稳定状态示意图，其中，0-螺纹孔，1-左半球体，2-右半球体，309-撑地杆。

附图2-球形机器人结构剖视图，其中，0-螺纹孔，101-左橡胶层，102-左基体层，102A-环形凸台，201-右橡胶层，202-右基体层，202A-环形槽，203-定位销，3-磁流变推力机构，4-中心控制仓，401-控制仓左半球壳，402-控制仓右半球壳，404A-连接导线。

附图3-本发明磁流变推力机构剖视图，其中，0-螺纹孔，3-磁流变推力机构，301-复原弹簧，302-推力机构壳体，302A-弹簧安装台，302B-推力机构壳体大径端，302C-导向孔，302D-外螺纹，303-磁流变材料，304-电磁线圈，305-连接螺栓，306-磁流变材料-水隔膜，307-水，308-密封圈，309-撑地杆，310-螺母，4-中心控制仓，d1-大直径，d2-小直径。

附图4-本发明中心控制仓结构简图，其中，400A-导线通道，400B-控制仓安装孔，401-控制仓左半球壳，402-控制仓右半球壳，402A-安装轴通孔，403-IMU传感器，404-控制单元，404A-连接导线，405-电池，406-阶梯安装轴，407-弹簧卡圈。

附图5-本发明球形机器人在楼梯场景工作示意图。其中，I-1号磁流变推力机构。

附图6-本发明球形机器人在崎岖路面场景工作示意图。其中，II-2号磁流变推力机构，III-3号磁流变推力机构，IV-4号磁流变推力机构。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式。

图1为本发明球形机器人的稳定状态示意图，图2为本发明球形机器人的结构剖视图。一种具有滚-跃运动能力的球形救援机器人由左半球体1和右半球体2，磁流变推力机构3、中心控制仓4组成。其中，左半球体1由左橡胶层101与左基体层102构成，右半球体2由右橡胶层201与右基体层202构成。左基体层102上与右基体层202相接的环面加工有一环形凸台102A，右基体层202上与左基体层102相接的环面加工有一环形槽202A。为保证球形机器人便于穿行复杂环境，并保证轻质化，球形机器人直径为350mm；橡胶层材料选用兼具耐磨、耐高温、耐腐蚀能力的SBR橡胶材料；为了保证球形机器人轻质化的同时兼具足够的机械性能，左右半球基体材料选用PA66树脂材料；左右球体共有12个螺纹孔0，螺纹孔0分别与12个磁流变推力机构3上的外螺纹303D配合，将磁流变推力机构3固定在左右球体上。

如图3所示，磁流变推力机构3由复原弹簧301、推力机构壳体302、磁流变材料303、电磁线圈304、连接螺栓305、磁流变材料-水隔膜306、水307、密封圈308、撑地杆309、螺母310组成。其中，推力机构壳体302具有用于安装复原弹簧301的弹簧安装台302A，容纳磁流变材料303的推力机构壳体大直径端302B，用于固定磁流变推力机构3与中心控制仓4相对位置的连接螺栓305和螺母310。用于固定磁流变推力机构3与左右球体相对位置的外螺纹302D、容纳撑地杆309的导向孔302C；推力机构壳体大径端302B外部缠有电磁线圈304；所述电磁线圈304与穿过导线通道400A的连接导线404A相连，连接导线404A另一端与控制单元404相接；磁流变材料303被磁流变材料-水隔膜306限制在推力机构壳体大径端302B；推力机构壳体302选用PA66树脂材料制成；推力机构大径端302B内腔大直径d1为100mm，导向孔302C内部小直径d2为10mm，按此尺寸可将水307推动撑地杆309行程放大100倍；复原弹簧301一端固定在弹簧安装台302A，另一端抵住撑地杆309，复原弹簧301在常态下与摩擦力配合可克服撑地杆309与水307的重力作用；通过改变电磁线圈304电流大小即可控制磁流变材料303进行固液相转变；磁流变材料303固化后形成的峰状物通过磁流变材料-水隔膜306挤压水307，利用水307作为中间介质克服复原弹簧301的拉力与撑地杆309的摩擦力推动撑地杆309沿导向孔302C运动，撑地杆最大行程为80mm。

如图4所示，中心控制仓4由控制仓左半球壳401、控制仓右半球壳402、IMU传感器403、控制单元404、电池405、阶梯安装轴406，弹簧卡圈407组成。控制仓左半球壳401与控制仓右半球壳402构成控制仓壳体，控制仓壳体上均布有12个尺寸相同的导线通道400A和12个尺寸相同的控制仓安装孔400B。控制仓壳体通过各推力机构壳体302底部的连接螺栓302C与螺母305固定位置；阶梯安装轴406一端与控制仓左半球壳401内壁焊接固定，IMU传感器403、控制单元404、电磁线圈供电的电池405被依次安装在阶梯安装轴406上，再由弹簧卡圈407轴向定位。当控制仓左、右半球壳401、402合上时，阶梯安装轴406另一端插入到控制仓右半球壳402顶部的安装轴通孔402A中，合上控制仓左半球壳401和控制仓右半球壳402；再将环形凸台102A插入环形槽202A中，用3个沿开口圆周均匀分布的定位销203分别将左基体层102与右基体层202定位，并与橡胶层连接在一起固定；再用粘胶将左橡胶层101与右橡胶层201相接处封合，使左右半球体成为一个整体。

IMU传感器403用于检测球形机器人当前位姿、加速度，用于检测当前环境是否需要进行跳跃运动以及作为控制单元控制各个电磁线圈304通电状态与时间的依据；控制单元404读取IMU传感器数据，根据传感器中前进方向加速度的变化判断球形机器人是否需要进行跳跃运动，根据传感器中球形机器人位姿信号控制各个电磁线圈304的通电状态以及通电时间，即控制单元404选择合适的磁流变推力机构3碰撞地面提供动力；所述中心控制仓4可根据不同任务需求，增添其他传感器等工作设备。

本发明的救援机器人工作控制过程如下：首先由IMU传感器测量当前球形机器人位姿以及加速度数据并将数据传递给控制单元404；控制单元404根据传感器数据选择滚/跃运动形式并选择何处磁流变推力机构3进行动作；电源405为该处磁流变推力机构3的电磁线圈304通电，磁场强度会根据电磁线圈304的变化而变化。由于磁场的变化，磁流变材料303的黏度也随之发生变化。磁流变材料303以毫秒级的速度固化成峰状物，从而挤压磁流变材料-水隔膜306发生变形，进一步以水307作为中间介质，推动撑地杆309克服复原弹簧302拉力与摩擦力沿导向孔302C方向瞬间运动。

参照图5更为具体地讲解本发明爬上台阶的过程。当球形机器人运动到图示台阶位置后，中心控制仓4根据当前球形机器人姿态选择图示中Ⅰ时，要为跳跃运动提供动力，为两组推力机构的电磁线圈304同时通电使磁流变材料303进行相变。撑地杆309底部受到水307推力，克服复原弹簧301的弹力与自身摩擦力沿导向孔302C瞬间推出，在这期间撑地杆309底部起导向作用。两组撑地杆309同时弹出并碰撞地面，为球形机器人提供跳跃所需动力。球形机器人完全离开地面后，两组电磁线圈304失电，磁流变材料303液化，磁流变材料-水隔膜306回复原状，撑地杆309在复原弹簧301的作用下回复到原位置，至此完成一次跳跃运动。

本发明通行平坦或崎岖地面的过程与上述过程类似。如图6所示，通过IMU传感器403与控制单元404先后选择并依次控制图示中Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ号磁流变推力机构3先后通电，分别在相应图示位置瞬间弹出撑地杆309并复原，为球形机器人提供向前滚动的动力。磁流变推力机构3的通电选择与通电时间可视具体环境进行变化。

当球形机器人需要进行空气检测、图像采集等工作时，球形机器人可如图1所示保持稳定状态，控制球形机器人下方三组磁流变推力机构3伸出撑地杆309支撑住机器人主体，球形机器人即可开展相关工作。

本发明的具有滚动-跳跃越障能力的灾害搜救球形机器人解决了球形机器人在崎岖路面或带有楼梯的环境中行动不便的问题，具有结构简单、环境适应能力强、能源消耗量少等特点。

Claims (2)

1.一种具有滚-跃功能的球形救援机器人，其特征是，该机器人由左半球体(1)、右半球体(2)、中心控制仓(4)以及12个结构相同均布的磁流变推力机构(3)组成；

所述左半球体(1)由左橡胶层(101)与左基体层(102)构成，右半球体(2)由右橡胶层(201)与右基体层(202)构成；在左基体层(102)上与右基体层(202)相接的环面加工有一环形凸台(102A)；在右基体层(202)与左基体层(102)相接的环面上加工有一环形槽(202A)；在左、右橡胶层和左、右基体层上分别加工有12个尺寸相同均布的螺纹孔(0)，并一一对应；

每个磁流变推力机构(3)由复原弹簧(301)、推力机构壳体(302)、磁流变材料(303)、电磁线圈(304)、连接螺栓(305)、磁流变材料-水隔膜(306)、水(307)、密封圈(308)、撑地杆(309)、螺母(310)构成；其中，推力机构壳体(302)形状为“凸”字形，其上部外轮廓上加工有外螺纹(302D)，其与球体上的一个螺纹孔(0)连接，将磁流变推力机构(3)固定；推力机构壳体(302)上部内部加工有导向孔(302C)和弹簧安装台(302A)；复原弹簧(301)安装在弹簧安装台(302A)上，装有密封圈(308)的撑地杆(309)安装在导向孔(302C)中，在复原弹簧(301)上；推力机构壳体大直径端(302B)上外部缠有电磁线圈(304)；连接螺栓(305)和螺母(310)安装在推力机构壳体(302)的底部；磁流变材料(303)装在推力机构壳体(302)下部空腔中，其上装有磁流变材料-水隔膜(306)，水(307)装在磁流变材料-水隔膜(306)上；

所述中心控制仓(4)由控制仓左半球壳(401)、控制仓右半球壳(402)、IMU传感器(403)、控制单元(404)、电池(405)、阶梯安装轴(406)、弹簧卡圈(407)组成；其中，控制仓左半球壳(401)与控制仓右半球壳(402)组成空心球状控制仓壳体，控制仓壳体上加工有12个尺寸相同的导线通道(400A)和12个尺寸相同的控制仓安装孔(400B)，控制仓安装孔(400B)位置与各个磁流变推力机构(3)底部的连接螺栓(305)位置一一对应；控制仓右半球壳(402)顶部开有一安装轴通孔(402A)；IMU传感器(403)、控制单元(404)、电源(405)依次安装在阶梯安装轴(406)上，由弹簧卡圈(407)轴向固定，阶梯安装轴(406)的一端焊接在控制仓左半球壳(401)内壁上；中心控制仓壳体的位置通过穿过控制仓安装孔(400B)的各推力机构壳体(302)底部的连接螺栓(305)分别用螺母(310)锁紧固定；电磁线圈(304)与穿过导线通道(400A)的连接导线(404A)相连；

救援机器人球体内部结构装配完成后，将控制仓左半球壳(401)内的阶梯安装轴(406)端部插入控制仓右半球壳(402)顶部的安装轴通孔(402A)中，合上控制仓左半球壳(401)和控制仓右半球壳(402)；再将环形凸台(102A)插入环形槽(202A)中，用3个沿开口圆周均匀分布的定位销(203)分别将左基体层(102)与右基体层(202)定位，并与橡胶层连接在一起固定；再用粘胶将左橡胶层(101)与右橡胶层(201)相接处封合，使左右半球体成为一个整体。

2.依据权利要求1所述的一种具有滚-跃功能的球形救援机器人，其特征是，该机器人采用由中心控制仓控制的方法，使磁流变推力机构仅需离散序列的短时通电驱动，就可完成相应的动作；首先采用磁流变推力机构(3)为球形机器人滚动、跳跃等运动提供动力；磁流变推力机构(3)在常态下，电磁线圈(304)中电流大小为零，磁流变材料(303)呈液态，此时磁流变液-水隔膜(306)未发生形变，撑地杆(309)在复原弹簧(301)拉力与自身摩擦力的作用下未发生位移；当球形机器人需要某一个磁流变推力机构(3)提供动力时，控制单元(404)控制该推力机构的电磁线圈(304)通电，磁流变材料(303)发生相变，固化后形成的峰状物挤压磁流变材料-水隔膜(306)使其发生形变，进而推动水流挤压撑地杆(309)使其在导向孔(302C)方向上克服弹簧拉力与摩擦力发生位移，与地面发生碰撞产生反作用力；借助地面提供的反弹力，球形机器人进行跳跃运动；随后电磁线圈(304)瞬间失电，磁流变材料(303)恢复到液相状态，磁流变液-水隔膜(306)恢复到常态，撑地杆(309)在复原弹簧(301)作用下回到位置；

中心控制仓(4)进行控制，由IMU传感器(403)测量当前球形机器人位姿以及加速度数据，检测当前环境是否需要进行跳跃运动，以及作为控制单元控制各个电磁线圈(304)通电状态与时间的依据，并将数据传递给控制单元(404)；控制单元(404)读取IMU传感器数据，根据传感器中前进方向加速度的变化判断球形机器人是否需要进行跳跃运动，根据传感器中球形机器人位姿信号控制各个电磁线圈(304)的通电状态以及通电时间，即控制单元(404)选择合适的磁流变推力机构(3)碰撞地面提供动力；电源(405)为该处磁流变推力机构(3)的电磁线圈(304)通电，磁场强度会根据电磁线圈(304)的变化而变化；由于磁场的变化，磁流变材料(303)的黏度也随之发生变化；磁流变材料(303)以毫秒级的速度固化成峰状物，从而挤压磁流变材料-水隔膜(306)发生变形，进一步以水(307)作为中间介质，推动撑地杆(309)克服复原弹簧(301)拉力与摩擦力沿导向孔(302C)方向瞬间运动，撑地杆(309)弹出并与地面发生碰撞，机器人借助地面提供的反弹力，完成球形机器人撑地-反弹-滚跳运动功能，实现复杂环境，崎岖不平的地形、台阶、沟壑、不规则障碍物的灾难现场的救援任务；

所述中心控制仓(4)还可根据不同任务需求，增添其他传感器等工作设备。

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