CN113696981A - 一种全地形多功能救援机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于自动控制的技术领域，公开了一种全地形多功能救援机器人，包括机械臂，所述机械臂通过调整机构设置在履带式的行走机构上，所述调整机构用于控制机械臂绕Z轴方向的转动角度，以及在XOY平面的移动位置，所述行走机构采用平行四边形结构，包括平行间隔设置的两个四边形结构，它们结构相同，通过多个转轴连接在一起，其内部均设置有伸缩机构，所述伸缩机构用于控制四边形结构的变形调整，从而实现行走机构的越障。本发明的装置结构简单，操作方便，成本低廉，具有较高的经济价值。

Description

一种全地形多功能救援机器人

技术领域

本发明涉及自动控制的技术领域，尤其涉及一种全地形多功能救援机器人。

背景技术

近年来，随着世界范围内的突如其来的自然灾害和人为事故频繁发生，严重威胁着人们的生命财产安全，及时有效的灾后救援也逐渐引起社会的广泛关注。在灾后第一时间获取现场情况、探明丰存者所在位置，对于实施救援工作和减少人员伤亡具有重要的意义，然而对于地震、矿难等灾后地形较为复杂的救援场景，我国目前主要还是依靠人力和搜救犬等进入现场进行生命探测和数据采集，但是搜索速度慢，空间范围小，远远不能满足灾后废墟受困人员大范围快速搜救的需求，且易受到恶劣环境的影响，造成在救援工作中额外的救护人员伤亡。因此研发代替或部分代替救护人员的救援勘测机器人及时、快速深入复杂地形灾区进行环境探测和搜救工作具有极其重要的意义。

传统轮式移动机器人结构设计简单，灵活性强，移动效率最高，但其问题在于不适合在复杂地形上行驶，比如泥泞、碎石地等。传统轮式移动机器人在此类复杂地形上，容易发生驱动轮打滑、悬空等问题，并且由于驱动轮与地面摩擦力小，导致爬坡性能较差，当从高处掉落或受到较大冲击易造成传动轴断裂损坏，因此简单的传统轮式移动机器人难以实现复杂地形勘测。

履带式移动机器人相对复杂，适应复杂地形，移动效率适中，但灵活性低。目前实现复杂地形的移动机器人多为履带式移动平台，基于履带式的移动平台，能够实现在斜坡、废墟、泥泞路面的移动，然而其转向由机器人左右履带动力轮的差速来实现，履带与地面之间存在大面积硬摩擦，特别是在平坦的地面上，这种转向方式与地面的摩擦力大，且转向效率较低，不利于机动灵活的移动。

发明内容

本发明提供了一种全地形多功能救援机器人，解决了现有轮式机器人难以在复杂地形上行走，履带式机器人转向困难等问题。

本发明可通过以下技术方案实现：

一种全地形多功能救援机器人，包括机械臂，所述机械臂通过调整机构设置在履带式的行走机构上，所述调整机构用于控制机械臂绕Z轴方向的转动角度，以及在XOY平面的移动位置，

所述行走机构采用平行四边形结构，包括平行间隔设置的两个四边形结构，它们结构相同，通过多个转轴连接在一起，其内部均设置有伸缩机构，所述伸缩机构用于控制四边形结构的变形调整，从而实现行走机构的越障。

进一步，所述四边形结构包括两个上下平行设置的长臂，以及三个左右平行设置的短臂，三个所述短臂的端部均通过滚轮分别与长臂的一个端部、中央和另一个端部对应转动连接，其中四边形结构的一对相对的顶角处的滚轮设置为轮毂电机，这些轮毂电机和滚轮通过环形履带转动连接在一起，

两个所述四边形结构中相对的两个轮毂电机均通过转轴连接在一起。

进一步，所述伸缩机构设置为电动伸缩杆，所述电动伸缩杆的两端分别与一个长臂和一个短臂，所述一个长臂和一个短臂的连接处设置为轮毂电机，通过电动伸缩杆的伸长和收缩，调整所述一个长臂和一个短臂之间的角度，从而控制四边形结构的变形调整；

所述电动伸缩杆伸长，所述一个长臂和一个短臂之间的角度变大，使四边形结构的高度变大，直至超过障碍物的高度，再驱动轮毂电机带动行走机构向靠近障碍物的方向运动，然后，所述电动伸缩杆收缩，所述一个长臂和一个短臂之间的角度变小，同时驱动轮毂电机带动行走机构沿障碍物移动，直至与轮毂电机相邻的滚轮接触障碍物，电动伸缩杆停止收缩，完成越障。

进一步，所述长臂、短臂的端部均设置为U形开口部，两者嵌套配合后，通过转轴与轮毂电机转动连接在一起，所述长臂的中央设置有方形开口，所述方形开口与短臂的U形开口部嵌套配合，通过短轴与滚轮转动连接在一起。

进一步，所述调整机构包括设置在两个四边形结构之间的底座，所述底座的两侧分别与对应的四边结构转动连接，其顶面设置滑轨，在所述滑轨上设置有滑块，在所述滑块上设置有转盘，在所述转盘上设置有机械臂。

进一步，所述底座采用船式结构，其两侧分别均匀间隔设置有三个连接轴，它们分别与对应短臂上的通孔配合，实现转动连接。

本发明有益的技术效果在于：

通过履带式的行走机构可以满足在复杂地形的运动要求，扩大机器人的应用范围，同时，结合调整机构可以进一步扩大机械臂的旋转角度，弥补行走机构无法进行灵活转向的缺陷，更好地完成救援工作，保护了救援人员安全，提高了人们的工作效率。另外，本发明的装置结构简单，操作方便，成本低廉，具有较高的经济价值。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的行走机构的结构示意图；

图3为本发明的短臂的结构示意图；

图4为本发明的长臂的结构示意图；

图5为本发明的底座的结构示意图；

图6为本发明的滑块和转盘的组合结构示意图；

其中，1-机械臂，2-调整机构，21-底座，22-滑轨，23-滑块，24-转盘，3-行走机构，31-四边形结构，311-长臂，312-短臂，313-轮毂电机，32-转轴，33-伸缩机构，34-环形履带。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-6所示，本发明提供了一种全地形多功能救援机器人，包括机械臂1，该机械臂1通过调整机构2设置在履带式的行走机构3上，该调整机构2用于控制机械臂1绕Z轴方向的转动角度，以及在XOY平面的移动位置，该行走机构3采用平行四边形结构，包括平行间隔设置的两个四边形结构31，它们结构相同，通过多个转轴32连接在一起，其内部均设置有伸缩机构33，该伸缩机构33用于控制四边形结构31的变形调整，从而实现行走机构3的越障。这样，通过履带式的行走机构可以满足在复杂地形的运动要求，扩大机器人的应用范围，同时，结合调整机构可以进一步扩大机械臂的旋转角度，弥补行走机构无法进行灵活转向的缺陷，更好地完成救援工作，保护了救援人员安全，提高了人们的工作效率。另外，整个结构非常的简单，造价很低廉，使用简单，制造过程简易，利于在市场上推广应用。

具体地，每个四边形结构31均包括两个上下平行设置的长臂311，以及三个左右平行设置的短臂312，这三个短臂312的端部均通过滚轮分别与长臂311的一个端部、中央和另一个端部对应转动连接，其中四边形结构31的一对相对的顶角处的滚轮设置为轮毂电机313，这些轮毂电机313和滚轮通过环形履带转动连接在一起，同时，两个四边形结构31中相对的两个轮毂电机313均通过转轴32连接在一起。这样，以轮毂电机313作为动力源，利用环形履带的传递作用，将各个轮毂电机313和滚轮转动连接在一起，是它们同时转动，确保运动的同步性，同时，借助两个转轴32，使两个四边形结构31的轮毂电机313可以同步转动，进一步保障两个四边形结构31运动的同步性，从而确保整个行走机构3的运行稳定、顺畅。

为了简化结构，该长臂311、短臂312都可以采用扁平结构，其端部均设置为U形开口部，两者嵌套配合，如统一将短臂套312在长臂311外面，然后通过转轴32与轮毂电机313转动连接在一起，可以在U形开口部两侧对应各设置一个通孔，与转轴32配合在一起，完成对轮毂电机313的安装；在长臂311的中央设置有方形开口，该方形开口与短臂312的U形开口部嵌套配合，也是短臂312套在长臂311的外面，然后通过短轴与滚轮转动连接在一起，与轮毂电机的安装类似。这样，三个短臂312的首尾端部分别与上下平行设置的长臂311连接，组成平行四边形结构，然后在该平行四边形结构的周边套上环形履带34，使其包裹轮毂电机313和滚轮，便于它们同步运动，最后，再通过转轴32将两个四边形结构31相对的轮毂电机313连接在一起，确保两个四边形结构31中轮毂电机313的运动同步性，从而确保整个行走机构3的运动稳定性。

为了控制行走机构3的变形，方便越障作业，我们在与轮毂电机313相连的一个长臂311和一个短臂312之间设置伸缩机构33，由于平行四边形结构的对称性，可以仅设置一个伸缩机构，该伸缩机构33设置为电动伸缩杆，该电动伸缩杆的两端分别与这一个长臂311和一个短臂312，这样，通过控制电动伸缩杆的伸长和收缩，调整上述一个长臂和一个短臂之间的角度，从而控制四边形结构的变形调整；

该电动伸缩杆伸长，上述一个长臂和一个短臂之间的角度变大，使四边形结构的高度变大，直至超过障碍物的高度，再驱动轮毂电机带动行走机构向靠近障碍物的方向运动，然后，该电动伸缩杆收缩，上述一个长臂和一个短臂之间的角度变小，同时驱动轮毂电机带动行走机构沿障碍物移动，直至与轮毂电机相邻的滚轮接触障碍物，电动伸缩杆停止收缩，完成越障。其实在电动伸缩杆伸长的同时，就可以驱动轮毂电机带动行走机构运行，加快靠近障碍物的步伐，整个越障过程的控制非常简单可靠，与之配合的行走机构和伸缩机构的配合设计非常巧妙，在确保越障功能实现的同时，降低了结构的复杂度。

考虑到履带式机器人的转向不是很灵活，我们通过增设调整机构2，提高了机械臂1的调整灵活度，该调整机构1包括设置在两个四边形结构31之间的底座21，该底座21的两侧分别与对应的四边结构转动连接，由于四边形结构的侧面有三个短臂，因此可以在底座21的两侧各设置三个连接轴，三个短臂上各设置一个通孔，最好是中部，通过连接轴和通孔的配合，实现底座21和四边形结构的转动连接，在底座21的顶面设置有滑轨22，在滑轨22上设置有滑块23，在滑块23上设置有转盘24，在转盘24上设置有机械臂1，该转盘24能够绕Z轴转动，从而带动机械臂1绕Z轴转动，该滑轨22可以沿X轴和/或Y轴开设，当滑块在滑轨上运动时，即可以调整机械臂在XOY平面的移动位置，使机械臂1可以有更多的灵活度，同时该机械臂1具体六个自由度的运动，采用关节型结构实现，尾部设置有机械夹手，以及相机等图像采集模块，可以将现场的实际情况实时地反馈给控制系统，从而更好地完成救援工作。这样，借助转盘，可以很灵活地改变机械臂的朝向，不管行走机构周边的哪些地方出现险情，无需调整行走机构的走向，只要使机械臂朝向该方位转动，就可以实施救援；通过底座和四边形结构的转动连接，在行走机构变形的时候，底座能够做适用性调整，始终保持相对稳定的位置，确保其上机械臂的稳定工作。

为了适应行走机构的形状特征，该底座21采用船式结构，底面呈弧状，后端有一个斜面，顶面的前端也有一个斜面，该斜面与四边形结构的倾角一致，当行走机构变形时，底座也尽量被行走机构包裹，不会有太多的部分裸露在外，避免不必要的损坏，而顶面的其他部分为平面，方便安装机械臂。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (6)

1.一种全地形多功能救援机器人，其特征在于：包括机械臂，所述机械臂通过调整机构设置在履带式的行走机构上，所述调整机构用于控制机械臂绕Z轴方向的转动角度，以及在XOY平面的移动位置，

所述行走机构采用平行四边形结构，包括平行间隔设置的两个四边形结构，它们结构相同，通过多个转轴连接在一起，其内部均设置有伸缩机构，所述伸缩机构用于控制四边形结构的变形调整，从而实现行走机构的越障。

2.根据权利要求1所述的全地形多功能救援机器人，其特征在于：所述四边形结构包括两个上下平行设置的长臂，以及三个左右平行设置的短臂，三个所述短臂的端部均通过滚轮分别与长臂的一个端部、中央和另一个端部对应转动连接，其中四边形结构的一对相对的顶角处的滚轮设置为轮毂电机，这些轮毂电机和滚轮通过环形履带转动连接在一起，

两个所述四边形结构中相对的两个轮毂电机均通过转轴连接在一起。

3.根据权利要求2所述的全地形多功能救援机器人，其特征在于：所述伸缩机构设置为电动伸缩杆，所述电动伸缩杆的两端分别与一个长臂和一个短臂，所述一个长臂和一个短臂的连接处设置为轮毂电机，通过电动伸缩杆的伸长和收缩，调整所述一个长臂和一个短臂之间的角度，从而控制四边形结构的变形调整；

所述电动伸缩杆伸长，所述一个长臂和一个短臂之间的角度变大，使四边形结构的高度变大，直至超过障碍物的高度，再驱动轮毂电机带动行走机构向靠近障碍物的方向运动，然后，所述电动伸缩杆收缩，所述一个长臂和一个短臂之间的角度变小，同时驱动轮毂电机带动行走机构沿障碍物移动，直至与轮毂电机相邻的滚轮接触障碍物，电动伸缩杆停止收缩，完成越障。

4.根据权利要求2所述的全地形多功能救援机器人，其特征在于：所述长臂、短臂的端部均设置为U形开口部，两者嵌套配合后，通过转轴与轮毂电机转动连接在一起，所述长臂的中央设置有方形开口，所述方形开口与短臂的U形开口部嵌套配合，通过短轴与滚轮转动连接在一起。

5.根据权利要求4所述的全地形多功能救援机器人，其特征在于：所述调整机构包括设置在两个四边形结构之间的底座，所述底座的两侧分别与对应的四边结构转动连接，其顶面设置滑轨，在所述滑轨上设置有滑块，在所述滑块上设置有转盘，在所述转盘上设置有机械臂。

6.根据权利要求5所述的全地形多功能救援机器人，其特征在于：所述底座采用船式结构，其两侧分别均匀间隔设置有三个连接轴，它们分别与对应短臂上的通孔配合，实现转动连接。

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