專利名稱：一種適用于煤礦礦井搜索探測的履帶式多關(guān)節(jié)鉸接機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種搜索探測機(jī)器人，特別是一種方便適用于煤礦井下復(fù)雜地形的搜索探測機(jī)器人。
背景技術(shù)：
目前國內(nèi)外煤礦井下搜救工作的輔助設(shè)備中鮮有應(yīng)用救援機(jī)器人。美國DiscoverMiner公司開發(fā)的MinBot-XA和MOLE是目前國際上僅有的井下救援機(jī)器人的原型，但前者易傾覆；后者采用圓柱狀輪子，前后兩部分由縱向軸連接，機(jī)器人上下部分結(jié)構(gòu)對(duì)稱，不存在傾覆的問題，但單體機(jī)器人長度的限制決定了其有限的越障能力。

發(fā)明內(nèi)容
為解決煤礦井下復(fù)雜環(huán)境中環(huán)境監(jiān)測、人員搜索定位、遠(yuǎn)程通信的問題，針對(duì)現(xiàn)有機(jī)器人存在易傾覆、越障能力差的弊端，本發(fā)明提供了一種不但不易傾覆，而且具有極好的越障能力且可以非常容易地穿越狹小長縫的履帶式多關(guān)節(jié)機(jī)器人。
一種適用于煤礦礦井搜索探測的履帶式多關(guān)節(jié)鉸接機(jī)器人，它包括電源、控制傳感器和搭載體，將所述電源、控制傳感器和搭載體分別制成各自的單元模塊，形成電源單元模塊1、控制傳感單元模塊2和搭載單元模塊3，它還包括頭部單元模塊4、尾部單元模塊5和鉸驅(qū)動(dòng)單元模塊6，所述各單元模塊之間通過鉸鏈連接成為蛇形；在所述各單元模塊的外表面都設(shè)有履帶7，所述履帶7都通過各自單元模塊的電機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)。
本發(fā)明所述機(jī)器人能夠翻越相對(duì)機(jī)器人車體較高的障礙，穿越上下甚至左右都有障礙只有一個(gè)狹小的開放空間，跨越相對(duì)機(jī)器人車體較長的裂縫，從而進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域執(zhí)行搜救任務(wù)。因此，本發(fā)明所述機(jī)器人具有極其強(qiáng)大的移動(dòng)能力和可靠性，為豐富的感知功能提供了一個(gè)健壯的平臺(tái)，利于推廣應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明所述機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)彎曲時(shí)的狀態(tài)示意圖，圖2是本發(fā)明所述機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)呈直線形的狀態(tài)示意圖，圖3是具體實(shí)施方式
一所述頭模塊的主視圖，圖4是圖3的側(cè)視圖，圖5是圖3的俯視圖，圖6是具體實(shí)施方式
一所述頭模塊整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖7是具體實(shí)施方式
一所述體模塊的主視圖，圖8是圖7的側(cè)視圖，圖9是圖7的俯視圖，圖10是具體實(shí)施方式
一所述體模塊整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖11是體模塊上的側(cè)履帶附著地面助推時(shí)的狀態(tài)示意圖，圖12是體模塊上的側(cè)履帶附著側(cè)壁輔助轉(zhuǎn)彎時(shí)的狀態(tài)示意圖，圖13是具體實(shí)施方式
一所述搭載單元模塊的主視圖，圖14是圖13的側(cè)視圖，圖15是圖13的俯視圖，圖16是具體實(shí)施方式
一所述搭載單元模塊整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖17是主動(dòng)鉸的主視圖，圖18是圖17的側(cè)視圖，圖19是圖17的俯視圖，圖20是主動(dòng)鉸的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖21是被動(dòng)鉸鏈的結(jié)構(gòu)示意圖，圖22是本發(fā)明所述機(jī)器人四周履帶作用穿越狹小縫隙時(shí)的狀態(tài)示意圖，圖23是本發(fā)明所述機(jī)器人通過主動(dòng)鉸鏈抬舉翻越較高障礙時(shí)的狀態(tài)示意圖，圖24是本發(fā)明所述機(jī)器人通過鉸鏈作用跨越較大裂縫時(shí)的狀態(tài)示意圖，圖25是本發(fā)明所述機(jī)器人被動(dòng)鉸鏈結(jié)合主動(dòng)鉸鏈變被動(dòng)靈活適應(yīng)交錯(cuò)地形的狀態(tài)示意圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式是一種適用于煤礦礦井搜索探測的履帶式多關(guān)節(jié)鉸接機(jī)器人，所采用的技術(shù)方案是，將機(jī)器人所有組件分成幾個(gè)模塊，通過鉸鏈將各模塊連接形成細(xì)長結(jié)構(gòu)，使機(jī)器人體可以根據(jù)不規(guī)則的地形調(diào)整自身姿態(tài)，從而翻越大的陡坡或深溝，或者進(jìn)入狹窄區(qū)域執(zhí)行搜救任務(wù)。參照?qǐng)D1、圖2，它的具體結(jié)構(gòu)包括電源、控制傳感器和搭載體，將所述電源、控制傳感器和搭載體分別制成各自的單元模塊，形成電源單元模塊1、控制傳感單元模塊2和搭載單元模塊3，它還包括頭部單元模塊4、尾部單元模塊5和鉸驅(qū)動(dòng)單元模塊6，所述各單元模塊之間通過鉸鏈連接成為蛇形；在所述各單元模塊的外表面都設(shè)有履帶7，所述履帶7都通過各自單元模塊的電機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)，采用履帶式結(jié)構(gòu)，比輪式結(jié)構(gòu)能更好地貼合地面，利于產(chǎn)生摩擦驅(qū)動(dòng)前進(jìn)。
所述頭部單元模塊4和尾部單元模塊5分別設(shè)置在蛇形機(jī)器人的兩端(簡稱頭模塊)，頭模塊結(jié)構(gòu)見圖3、圖4、圖5和圖6，每個(gè)頭模塊的上表面和下表面分別設(shè)有一組履帶，上表面的履帶和下表面的履帶由單電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，本實(shí)施方式中，上層履帶和下層履帶各為兩只，即頭部單元模塊4和尾部單元模塊5分別具有左右雙層共四條履帶。由于單層履帶在推進(jìn)過程中會(huì)將前上方障礙物卷向履帶下方造成進(jìn)一步的阻礙，因而本實(shí)施方式采用雙層履帶，這樣可以將障礙物卷向后方，以“挖掘”的方式推進(jìn)。同時(shí)，由于雙層履帶之間的空間很小，所以可以防止大的石塊落入履帶中造成卡死。另外，兩層履帶最大的優(yōu)勢還在于它可以鉆過狹小空間。
所述電源單元模塊1、控制傳感單元模塊2和鉸驅(qū)動(dòng)單元模塊6統(tǒng)稱為體模塊，參照?qǐng)D7、圖8、圖9和圖10，體模塊的上表面、下表面以及兩個(gè)側(cè)面都分別設(shè)有一組履帶。本實(shí)施方式中，上層履帶為兩只，下層履帶為兩只，上層和下層的履帶分別由各自的電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)；左側(cè)履帶和右側(cè)履帶分別為四只，每側(cè)的履帶由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以便于轉(zhuǎn)向推進(jìn)。
側(cè)履帶的作用在于，在井下復(fù)雜彎曲巷道中，側(cè)履帶有利于助推和轉(zhuǎn)向。當(dāng)機(jī)器人車體發(fā)生大的傾斜，下履帶不能很好地附著地面時(shí)，側(cè)履帶與地面的接觸和相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以起到助推的作用，參照?qǐng)D11；當(dāng)有比較大的轉(zhuǎn)彎時(shí)，側(cè)履帶與墻壁的接觸不但避免了車體卡死，還能以較大的驅(qū)動(dòng)力輔助轉(zhuǎn)彎，參照?qǐng)D12。
所述搭載單元模塊3上的履帶繞過模塊的上下表面，參照?qǐng)D13、圖14、圖15和圖16，本實(shí)施方式所述履帶為兩只并分布在模塊的左側(cè)和右側(cè)，兩側(cè)的履帶分別由各自的電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)；在所述搭載單元模塊3上還設(shè)有搭載艙3-1，所述搭載艙3-1內(nèi)設(shè)置有若干個(gè)傳感通訊節(jié)點(diǎn)10，艙門放下可釋放出傳感通訊節(jié)點(diǎn)10。本發(fā)明的機(jī)器人采用特殊設(shè)計(jì)的多跳式通訊方式，履帶式多關(guān)節(jié)機(jī)器人的搭載單元模塊3中攜帶有數(shù)個(gè)傳感通訊節(jié)點(diǎn)10，由于地形復(fù)雜，很容易造成通訊死點(diǎn)，所以本發(fā)明的履帶式多關(guān)節(jié)機(jī)器人在行徑的過程中沿途會(huì)放置多個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)10，每個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)10實(shí)質(zhì)為小型機(jī)器人，具有簡單運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、兩套無線射頻收發(fā)器(含冗余)、傳感器等。本發(fā)明的履帶式多關(guān)節(jié)機(jī)器人通過沿途釋放的通訊節(jié)點(diǎn)構(gòu)成多跳網(wǎng)絡(luò)，能接收操作者的指令并將現(xiàn)場信息發(fā)送給操作者，保證操作者與履帶式多關(guān)節(jié)機(jī)器人之間的通訊暢通，避免通訊死點(diǎn)，從而輔助生產(chǎn)和救護(hù)人員進(jìn)行緊急決策或?qū)嵤┛焖?、有效的救助?br> 所述鉸驅(qū)動(dòng)單元模塊6為兩個(gè)，兩個(gè)鉸驅(qū)動(dòng)單元模塊6分別與頭部單元模塊4和尾部單元模塊5相連接；所述鉸驅(qū)動(dòng)單元模塊6與相鄰模塊之間通過具有兩自由度的鉸鏈8進(jìn)行連接，其他模塊之間通過具有三自由度的鉸鏈9進(jìn)行連接。
本實(shí)施方式中，具有兩自由度的鉸鏈8稱為主動(dòng)鉸鏈，它的具體結(jié)構(gòu)為，參照?qǐng)D17、圖18、圖19和圖20，相互垂直的一號(hào)軸8-1和二號(hào)軸8-2固定連接，一號(hào)軸8-1和二號(hào)軸8-2的端部再通過鉸鏈與相鄰模塊之間連接，所述二號(hào)軸8-2可通過電機(jī)8-3來帶動(dòng)。主動(dòng)鉸鏈可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其前部單元的抬舉和轉(zhuǎn)動(dòng)。具有三自由度的鉸鏈9稱為被動(dòng)鉸鏈，它的具體結(jié)構(gòu)為球形鉸結(jié)構(gòu)，參照?qǐng)D21，所述球形鉸的兩端分別與相鄰的模塊連接，被動(dòng)鉸鏈可以靈活適應(yīng)地形。主動(dòng)鉸鏈通過電機(jī)8-3控制可以轉(zhuǎn)變?yōu)楸粍?dòng)鉸鏈，適應(yīng)更廣泛的復(fù)雜環(huán)境。通過鉸鏈將各模塊連接形成細(xì)長的蛇形結(jié)構(gòu)，機(jī)器人體可以根據(jù)不規(guī)則地形調(diào)整自身姿態(tài)，使履帶有效覆蓋地面。
由四周履帶包覆的關(guān)節(jié)經(jīng)過主被動(dòng)鉸鏈連接后，具有極其強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)能力。四周履帶可以分別將障礙物卷向后方，以“挖掘”的方式推進(jìn)，鉆過較窄的縫隙，參照?qǐng)D22。通過主動(dòng)鉸鏈對(duì)關(guān)節(jié)體的抬舉，機(jī)器人可以翻越高達(dá)兩個(gè)關(guān)節(jié)長度的障礙(參照?qǐng)D23)，也可以跨越寬達(dá)兩個(gè)關(guān)節(jié)長度的裂縫，參照?qǐng)D24。本發(fā)明所述機(jī)器人的主動(dòng)鉸鏈切換為被動(dòng)后，和原有的被動(dòng)鉸鏈一起可以靈活適應(yīng)復(fù)雜的交錯(cuò)地形，參照?qǐng)D25。
使用時(shí)，可以在機(jī)器人頭部單元模塊和尾部單元模塊上裝攝像頭，攝像頭臂具有兩個(gè)自由度，末端配置具有彈性保護(hù)的CCD紅外攝像頭，可以被動(dòng)適應(yīng)深入狹縫中觀測的需要。攝像頭收回過程可以實(shí)現(xiàn)擦鏡頭的動(dòng)作，便于多粉塵條件下鏡頭保持清潔，這種自維護(hù)措施為機(jī)器人井下惡劣環(huán)境作業(yè)提供了保障。
另外，本發(fā)明所述機(jī)器人不限于所述的七個(gè)模塊，實(shí)際使用時(shí)也可以將不同的功能合成在某個(gè)模塊之上從而減少模塊的數(shù)量，也都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)；本發(fā)明所述機(jī)器人只要成為細(xì)長的蛇形即可，并不限定各模塊之間的前后位置關(guān)系，因此都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種適用于煤礦礦井搜索探測的履帶式多關(guān)節(jié)鉸接機(jī)器人，它包括電源、控制傳感器和搭載體，其特征在于將所述電源、控制傳感器和搭載體分別制成各自的單元模塊，形成電源單元模塊(1)、控制傳感單元模塊(2)和搭載單元模塊(3)，它還包括頭部單元模塊(4)、尾部單元模塊(5)和鉸驅(qū)動(dòng)單元模塊(6)，所述各單元模塊之間通過鉸鏈連接成為蛇形；在所述各單元模塊的外表面都設(shè)有履帶(7)，所述履帶(7)都通過各自單元模塊的電機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于煤礦礦井搜索探測的履帶式多關(guān)節(jié)鉸接機(jī)器人，其特征在于所述頭部單元模塊(4)和尾部單元模塊(5)分別設(shè)置在蛇形機(jī)器人的兩端，每個(gè)單元模塊的上表面和下表面分別設(shè)有一組履帶(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于煤礦礦井搜索探測的履帶式多關(guān)節(jié)鉸接機(jī)器人，其特征在于所述搭載單元模塊(3)上的履帶(7)繞過模塊的上下表面，在所述搭載單元模塊(3)上還設(shè)有搭載艙(3-1)，所述搭載艙(3-1)內(nèi)搭載有若干個(gè)傳感通訊節(jié)點(diǎn)(10)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于煤礦礦井搜索探測的履帶式多關(guān)節(jié)鉸接機(jī)器人，其特征在于所述電源單元模塊(1)、控制傳感單元模塊(2)和鉸驅(qū)動(dòng)單元模塊(6)的上表面、下表面以及兩個(gè)側(cè)面都分別設(shè)有一組履帶(7)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的一種適用于煤礦礦井搜索探測的履帶式多關(guān)節(jié)鉸接機(jī)器人，其特征在于所述鉸驅(qū)動(dòng)單元模塊(6)為兩個(gè)，兩個(gè)鉸驅(qū)動(dòng)單元模塊(6)分別與頭部單元模塊(4)和尾部單元模塊(5)相連接；所述鉸驅(qū)動(dòng)單元模塊(6)與相鄰模塊之間通過具有兩自由度的鉸鏈(8)進(jìn)行連接，其他模塊之間通過具有三自由度的鉸鏈(9)進(jìn)行連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種適用于煤礦礦井搜索探測的履帶式多關(guān)節(jié)鉸接機(jī)器人，其特征在于具有兩自由度的鉸鏈(8)的結(jié)構(gòu)為，相互垂直的兩軸(8-1)固定連接，每個(gè)軸(8-1)的端部再通過鉸鏈與相鄰模塊之間連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的一種適用于煤礦礦井搜索探測的履帶式多關(guān)節(jié)鉸接機(jī)器人，其特征在于具有三自由度的鉸鏈(9)的結(jié)構(gòu)為球形鉸結(jié)構(gòu)，所述球形鉸的兩端分別與相鄰的模塊連接。
全文摘要
一種適用于煤礦礦井搜索探測的履帶式多關(guān)節(jié)鉸接機(jī)器人，涉及一種機(jī)器人。針對(duì)現(xiàn)有機(jī)器人存在易傾覆、越障能力差的弊端，本發(fā)明提供了一種適用于煤礦礦井搜索探測的履帶式多關(guān)節(jié)鉸接機(jī)器人，將電源單元模塊(1)、控制傳感單元模塊(2)、搭載單元模塊(3)、頭部單元模塊(4)、尾部單元模塊(5)和鉸驅(qū)動(dòng)單元模塊(6)之間通過鉸鏈連接成為蛇形；在所述各單元模塊的外表面都設(shè)有履帶(7)，所述履帶(7)都通過各自單元模塊的電機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)。本發(fā)明所述機(jī)器人能夠翻越相對(duì)機(jī)器人車體較高的障礙，穿越上下甚至左右都有障礙的一個(gè)狹小開放空間，跨越相對(duì)機(jī)器人車體較長的裂縫，從而進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域執(zhí)行搜救任務(wù)；具有極其強(qiáng)大的移動(dòng)能力和可靠性，為豐富的感知功能提供了一個(gè)健壯的平臺(tái)。
文檔編號(hào)B62D55/07GK1931653SQ200610150840
公開日2007年3月21日 申請(qǐng)日期2006年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月28日
發(fā)明者趙杰, 朱延河, 臧希喆, 劉剛峰 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)