CN1931652A - 变结构腿轮式机器虫 - Google Patents
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Abstract
变结构腿轮式机器虫，属于探测机器人领域，采用可变形的十字交叉连杆结构的车身，通过电机驱动可使车身变宽或变窄；采用腿轮变换的行驶机构，4条腿可以全部伸展开，也可以按照一定的方式折叠，分别成为足式步行探测机器人，和变形为轮式探测车。将车身变形、高低变化以及腿和轮结构的转化结合，可具有多种不同的变形形式，车身安装有机械臂及夹持器，满足探测作业需要。本发明结合可变形及可调节高低的车身、足式步行机构、轮式行驶机构的优点，对复杂特殊环境具有着比以往各种机器人更为优异、良好的适应性。
Description
技术领域
本发明属于探测机器人领域，涉及到一种探测机器人，具体涉及一种根据需要可通过机构自由度(关节)的变化，实现结构和功能变化的变结构腿轮式机器虫机器人。
背景技术
随着探测领域的不断扩展，要求高性能的探测车，以适应复杂探测环境的需要。探测车必须对复杂地形要有很好的适应性，还要具有稳定高速的行驶能力。现在世界上已经研制出来的探测车，其车身的形状在行进的过程中不会根据实际的地形地貌改变车体结构和行驶形式，因此在某些地形地貌条件下(如狭窄的环境)，探测车就不能通过，因而降低了对复杂特殊环境的适应性。目前已经开发的探测车的行驶机构主要有轮式、足式和履带式。其中大多数的探测车采用轮式结构，如勇气号火星探测车，防爆探测车等，轮式探测车具有机械结构简单、运动速度快和控制容易等优点，但对复杂地貌的适应能力差；足式步行探测机器人具有很强的地面适应性，非常适合凸凹岩石环境，机动性较好，但是运动速度慢，控制比较复杂；履带式探测车对凹凸不平地面、沙滩、草地等有很好的适应性，但由于容易被地表的颗粒物磨损而使机体损坏，所以比较少应用。
发明内容
本发明需要解决的具体技术问题，是针对已有技术中，探测车在运行过程中，因车体结构不变，而降低了对复杂环境适应性，为了克服现有的轮式探测车对复杂地貌适应能力差、现有的足式步行探测机器人运动速度慢、控制比较复杂等不足之处，就需要进行重新设计。本发明的目的是提供一种变结构腿轮式探测机器人，该探测机器人可根据实际的地形地貌改变自身结构适应复杂的特殊环境，结合了可变形的车身、足式步行机构、轮式行驶机构的优点，实现优势互补。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种变结构腿轮式探测机器人，包括车身及行驶机构、夹持机构，其特征在于，所述的车身包括左、右车体及与车体相连的若干根杆件，这些杆件两两组成十字交叉结构，每根连杆的一端通过活动铰链固接在左车体(或右车体)，另一端可在右车体(或左车体)上滑动，将左、右车体连接在一起，十字交叉结构中间为活动连接，两杆的夹角可自由调节，使车身随其变宽或变窄；并在左右车身之间有一对用以提高车身的强度与刚性的对接支撑连杆；所述的行驶机构安装在车身上，该行驶机构为轮腿式的混合行驶机构，包括若干相互独立的、其腿部具有独立结构的腿轮，通过腿部折叠机构的伸展或折叠进行腿式和轮式的转变，实现变结构。所述车身装有机械臂及夹持器，所述的机械臂链式结构的各连杆的交点处，各装有一个电机，驱动其改变连接各连杆之间夹角，实现机械臂的伸缩。以满足探测需要。
所述的车身包括左右车体及若干十字交叉连杆，组成可以变形的底边平行的对接三角形结构，并在左右车体之间安装一对支撑的二杆结构。
车身的左右车体上，装有4个相同且相互独立的腿轮式的混合的行驶机构，该4条腿各具有3个关节，自上而下分别为包括纵摆和横摆两个自由度的胯关节、接着是各有一个自由度的膝关节和踝转向关节。
所述的腿部折叠机构可为每条腿随与车身连接的胯关节的转动，使腿与车身平行并由锁定机构锁定在车身上。
当4条腿均伸展开来，按指定的步态，实现爬行或攀高，成为四足步行探测机器人，也即本主题名称所称的机器虫；当4条腿折叠并锁定在车身上时，每条腿的足为电机驱动的轮子或履带，实现行驶，则成为轮式探测车。
还可在车身上安装CCD摄象机、及其他传感器等附属设施，进行复杂危险的特殊环境下的操作。
本发明的有益效果是：
1、可通过改变车身的形状和车身的高低来适应复杂特殊环境
在探测车行进过程中，会遇到各种复杂特殊的地形地貌，如遇有类似于狭缝的地形时，现有的不可变形的探测车无法通过。而本发明的车身为可变形的底边平行的对接全等三角形结构，可以根据地形地貌的需要将车身变宽或变窄，使之能通过狭缝。本发明对复杂特殊地形地貌环境有很好的适应性和通过性。本发明的车身的高低也可通过腿的折叠或伸展进行调节，当腿全部伸展时，既可作为步行探测机器人，也可在障碍很小或地面稍有不平时，仍然作为轮式探测车，用轮子行驶，使之高速行进。
2、便于运输和储存
由于运载或储存探测车的工具受到有效载荷舱几何尺寸的限制，因此应该尽量在运输过程中减少探测车的几何尺寸。本发明在运输探测车的过程中可以将探测车车身变窄，前后的四条腿分别向前、向后展开，大腿和小腿相折叠，使之成为瘦长形，减少体积，便于运输和存储。
3、当整个车身展开时，重心到各地面接触点的距离变大，增加了探测车行驶和行走的稳定性。
4、本发明兼有足式步行机构和轮式行驶机构的优点，实现了优势互补。
当在比较平坦的地面上行进时，将胯关节转动，使腿折叠并锁定在车身上，使之作为轮式探测车快速行驶，具有稳定高速的行驶能力。当腿轮结构全部伸展开，就成为足式步行探测机器人，具有比较好的视野，行进过程中，可更好地观察周围环境，还可以爬楼梯和攀高，适于穿越崎岖复杂的区域，机动性较好，在行驶过程中，四条腿之间不会发生行走交叉干涉，而且不会因为车身的变形引起整个探测车的行驶状态的改变。
5、通过车身的宽窄变化、车身高低的变化以及腿和轮结构的变换，可以有很多变形方式，获得不同变形构态。
通过车身的伸展、收缩或不变，结合腿向不同方向的折叠，改变自身的构态，以适应实际应用情况。
6、通过安装各种附加装置，进行特殊环境下的灵活可靠的操作
本发明可在车身上安装各种附加装置，以在特殊危险的环境下进行灵活可靠的的操作，完成探测任务。
附图说明
图1A、1B是本发明变结构腿轮式机器虫的实体装配草图。
图2A 是本发明机器虫车身和腿全部伸展开的变形图(最大车身状态)。
图2B是本发明机器虫车身全收拢的变形图(最小车身状态)
图3A 是本发明机器虫车身不变，腿全部向外侧折叠的变形图
图3B是本发明机器虫车身不变，腿全部向同方向折叠的变形图
图3C是本发明机器虫车身不变，腿全部向内侧折叠的变形图
图3D是本发明机器虫车身不变，机械臂收拢至车身上的变形图
图4是本发明机器虫车身收缩，大腿腿全部沿车身方向展开、小腿折叠的变形图
图中，1.左车体2.右车体3.杆4.杆5.辅助杆6.辅助杆7.机械臂8.关节9.关节10.胯关节(纵摆)11.胯关节(横摆)12.大腿13.膝关节14.小腿15.踝关节16.轮17.关节18.导轨19.夹持器
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
参照图1A、1B所示，为本发明变结构腿轮式探测机器人的一个实施例，该机器虫包括车身及行驶机构，本实施例中，车身为一可以变形的底边平行的对接全等三角形结构，由左右车体及四根杆组成，其中杆3与杆4组成十字交叉结构，中间通过铰链实现活动连接；杆5与杆6(辅助支撑，增加车体的刚性与强度)与左右车体顺次通过铰链连接，实现活动连接。其中杆3和与杆4长度相等，杆5与杆6长度相等。通过安装在关节9处的电机驱动改变关节处的角度值，来改变对接全等三角形对应平行底边的距离，以实现车体宽窄的变化。
本实施例的行驶机构是在车身2上装有4条结构基本相同且相互独立的腿轮式的混合行驶机构，通过腿部各关节的伸展或折叠，进行腿式和轮式的转换，实现变结构。每条腿的结构基本相同，都是自上而下由大腿12、小腿14、轮16组成。每条腿各具有三个关节，自上而下分别为车身与大腿12之间的胯关节(包括11横摆与12纵摆)、大腿12与小腿14之间的膝关节13和小腿14与轮16之间的踝转向关节15。
当所述机器虫的4条腿的腿部结构全部伸展开如图1所示，就成为四足步行机器虫，可按指定步态实现爬行或攀高；当通过腿部的折叠机构，即每条腿随与车身连接的胯关节10(纵摆)的转动，将大腿12折叠起，和车身所在平面平行，由锁定机构锁定在车身上，小腿14保持和车身所在平面垂直，每条腿的足为电机驱动的轮子或履带，实现行驶，成为轮式探测车，可以在平坦的地面上快速行驶。
本发明机器虫，也即探测机器人，通过车身的宽窄变化、车身高低的变化以及腿和轮结构的变换，可以有很多的变形方式，获得不同的变形姿态。参照图2A，所示的车身和腿全部伸展开，图2B，所示的车身收拢至最小状态，图3A，所示的车身不变，腿全部向外侧折叠，图3B，所示的车身不变，腿全部向同方向折叠，图3C，所示的车身不变，腿全部向内侧折叠，参照图4，所示的车身收拢，大腿沿车身方向展开，小腿折叠，主要用于被运输和储存。
本发明探测机器人通过机械臂的伸缩，实现物体的夹持和拾取，从而满足探测需求。
Claims (9)
1、一种变结构腿轮式机器虫，包括车身和行驶机构、夹持机构，其特征在于：所述的车身包括左、右车体及与车体相连的若干根杆件，这些杆件两两组成十字交叉结构，每根杆件的一端通过活动铰链固接在左车体或右车体，另一端可在右车体或左车体上滑动，将左右车体连接在一起，十字交叉结构中间为活动连接，两杆件的夹角可自由调节，使车身随其变宽或变窄；所述的行驶机构安装在车身上，该行驶机构为腿轮式的混合行驶机构，包括若干相互独立的、其腿部具有折叠机构的腿轮，通过腿部折叠机构的伸展或折叠进行腿式和轮式的转变，实现收放和运动形式的改变；所述的夹持机构包括机械臂及夹持器。
2、根据权利要求1所述的变结构腿轮式机器虫，其特征在于，所述机械臂包括若干根杆件，由这些杆件依次顺序连接组成，相邻各杆之间均为活动连接，形成使机械臂可以自由伸缩链式结构。
3、根据权利要求1所述的变结构腿轮式机器虫，其特征在于：所述十字交叉连杆组成可以变形的、底边平行的对接三角形机构，在左、右车体之间装有一对用于支撑的二杆机构，以保持车身刚度与稳定。
4、根据权利要求2所述的变结构腿轮式探测机器人，其特征在于：在所述的底边平行的对接三角形结构实现变形的相对应的十字交叉连杆的交点处，各装有一个用于驱动改变各连接杆之间夹角的电机。
5、根据权利要求1所述的变结构腿轮式机器虫，其特征在于：在车身上装有4个相同且相互独立的腿轮式的混合行驶机构，该4条腿各具有3个关节，自上而下分别为包括纵摆和横摆两个自由度的胯关节、接着是膝关节和踝转向关节。
6、根据权利要求1所述的变结构腿轮式机器虫，其特征在于：所述机械臂可收缩、伸展，收缩后可折叠于车身之上。
7、根据权利要求1或5所述的变结构腿轮式机器虫，其特征在于：所述的腿部折叠机构为每条腿随所述胯关节的转动，使腿与车身平行并由锁定机构锁定在车身上。
8、根据权利要求1所述的变结构腿轮式机器虫，其特征在于：所述的机械臂链式结构的各连杆的交点处，各装有一个电机，驱动其改变连接各连杆之间夹角，实现机械臂的伸缩。
9、根据权利要求1所述的变结构腿轮式机器虫，其特征在于：所述的左、右车体可收拢在一起；形成机器虫的最小占空，便于存储和运输。
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