專利名稱：可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人及由其構(gòu)成的搜救機(jī)器人系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人領(lǐng)域，特別涉及一種可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人及由其構(gòu)成的搜救機(jī)器 人系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來全球地震災(zāi)害頻發(fā)，如何在坍塌的建筑物內(nèi)快速安全地開展搜救工作是搜索與救 援工作中的迫切需要解決難題。現(xiàn)實(shí)的困難和危險(xiǎn)使得救援人員無法進(jìn)入其中搜集信息或冒 險(xiǎn)救人，也無法安全的在廢墟上布設(shè)探測(cè)裝置搜尋幸存者，這主要是因?yàn)橐韵聝深愊拗婆c困 難(1)倒塌建筑物生存空間非常狹小使搜救人員無法進(jìn)入，對(duì)塌的建筑結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，救援人 員進(jìn)入其中可能對(duì)其本身造成傷害，同時(shí)救援人員在不穩(wěn)定的廢墟上行動(dòng)(如布設(shè)探測(cè)裝置等)可能引發(fā)進(jìn)一步的坍塌，造成進(jìn)一步的傷亡；(2)缺乏對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、空間狀況和環(huán)境信 息(如可見度、粉塵、有害氣體等)充分了解，救援人員入內(nèi)搜索不僅效率低，還會(huì)對(duì)救援 人員造成身體傷害。因而，搜索人員在搜救現(xiàn)場(chǎng)采集幸存者和建筑廢墟的信息非常困難。長(zhǎng)期以來，影響搜救機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力的核心問題是機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)。搜救機(jī)器人需要 在結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜的環(huán)境中作業(yè)，能夠穿越坑洼不平，布滿裂縫及各種損壞斷裂的建筑材料的 地面和越過/繞過水泥碎塊等障礙，而且搜救機(jī)器人物理結(jié)構(gòu)還必須足夠小才能在狹小空間內(nèi) 作業(yè)。由于蛇形機(jī)器人具有穩(wěn)定性好、截面小、柔性等特點(diǎn)，且能在狹小空間內(nèi)開展搜救工 作。由于廢墟搜救的作業(yè)環(huán)境極端復(fù)雜，目前搜救機(jī)器人還難以完全自主作業(yè)，還需要救援 人員介入。搜救機(jī)器人探測(cè)的生命信息和采集的環(huán)境數(shù)據(jù)還需要傳送給外界救援人員。這就 需要與救援人員或操作人員通信。此外，還可能需要多個(gè)搜救機(jī)器人之間的通信。這些通信 有無線和有線兩種方式。在美國(guó)"9.11"搜救作業(yè)的機(jī)器人釆用了各種通訊方式，如射頻、 無線以太網(wǎng)和電纜。在坍塌的建筑物內(nèi)無線接入是非常困難的。如前所說，坍塌建筑物內(nèi)極 度的干擾使無線機(jī)器人與控制單元的通訊有25 %的時(shí)間被中斷，此外由于無線通訊帶寬的限 制失去了聯(lián)系而丟失了一臺(tái)搜救機(jī)器人。釆用電纜通訊的方式在一定距離之后會(huì)限制機(jī)器人 的運(yùn)動(dòng)范圍或者因電纜纏繞而限制機(jī)器人移動(dòng)。然而電纜通訊可以同時(shí)提供電源，而且可以 在機(jī)器人和控制平臺(tái)之間快速傳遞視頻信息、控制命令和環(huán)境數(shù)據(jù)，便于人機(jī)交互?？紤]到機(jī)器人的感知能力、作業(yè)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)能力等技術(shù)難題幾乎都與機(jī)器人電源有直接或間接的關(guān) 系。如果能夠使用足夠長(zhǎng)的特種電纜(質(zhì)量輕、防水、耐高溫等特性)并且能防止纏繞，采 用電纜通訊和供能的搜救機(jī)器人將能夠發(fā)揮更多的作用，這也是搜救機(jī)器人的急待研究解決 的關(guān)鍵問題。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的技術(shù)存在的缺陷，提供一種避免拖拉、損傷過長(zhǎng)的線纜，具 有高自治能力和長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)能力的可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人及由其構(gòu)成的搜救機(jī)器人系統(tǒng)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人，包括蛇頭和相連的本體，所 述本體包括若干個(gè)依次串接的單體，其中每個(gè)所述單體包括支架、機(jī)頭和機(jī)尾、行進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝 置、線纜回轉(zhuǎn)裝置以及控制器，所述行進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置包括第一行進(jìn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和第二行進(jìn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，所述第一行進(jìn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá) 及第二行進(jìn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)安裝在所述支架上，分別位于所述水平面轉(zhuǎn)動(dòng)副的左右兩側(cè)，其驅(qū)動(dòng)軸 分別通過球鉸與所述機(jī)尾相連接；所述機(jī)頭通過垂直面轉(zhuǎn)動(dòng)副與所述支架相連接，所述機(jī)尾 通過所述水平面轉(zhuǎn)動(dòng)副與與所述支架相連接，所述支架底部安裝有滾輪；所述第一行進(jìn)驅(qū)動(dòng)馬 達(dá)和第二行進(jìn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)與所述控制器電相連；所述蛇頭包括含有支架的機(jī)尾、蛇頭底座和安裝在所述蛇頭底座上的另一驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、動(dòng) 齒輪、定齒輪和支撐輪，所述動(dòng)齒輪安裝在另一驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)軸上，所述動(dòng)齒輪與所述定齒 輪相嚙合，所述定齒輪的齒輪軸支撐安裝在所述蛇頭底座和所述支架上；所述蛇頭底座上還安 裝有用于與主測(cè)控臺(tái)進(jìn)行通訊的生命探測(cè)儀、攝像機(jī)和導(dǎo)航定位系統(tǒng)；所述支架上分別安裝有測(cè)控和信息傳輸單元及線纜，所述單體設(shè)有導(dǎo)航定位系統(tǒng)、信息系 統(tǒng)和控制器，所述線纜纏繞在所述線纜回轉(zhuǎn)裝置上，各所述單體的線纜依次相互串連在一起；所述測(cè)控和信息傳輸單元包括電源和一微控制器以及與所述微控制器相連的環(huán)境監(jiān)測(cè)傳 感器、碼盤傳感器、位置傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、定位電磁鐵驅(qū)動(dòng)單元、運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)單元和無 線通訊單元，所述環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器、碼盤傳感器和位置傳感器的探測(cè)信號(hào)接至所述微控制器， 其中所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元用于驅(qū)動(dòng)所述行進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置和線纜回轉(zhuǎn)裝置；所述定位電磁鐵驅(qū)動(dòng)單 元用于驅(qū)動(dòng)所述單體的定位電磁鐵；所述運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)單元用于控制所述控制器；所述無線通訊 單元用于與主測(cè)控臺(tái)進(jìn)行通訊。本發(fā)明可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人，其中所述機(jī)尾裝有第一定位電磁鐵、第二定位電磁鐵、 定位套、第一位置傳感器，機(jī)頭裝有第二位置傳感器及直線馬達(dá)；所述定位套安裝在所述機(jī)尾上，所述第一定位電磁鐵安裝在所述定位套的外側(cè)，所述第二定位電磁鐵安裝在所述機(jī)尾 的后端面上，所述定位套設(shè)有導(dǎo)向孔，所述導(dǎo)向孔內(nèi)插裝有卡銷，所述卡銷與所述第一定位電 磁鐵的導(dǎo)向孔相配合，所述第一位置傳感器安裝在所述定位套的內(nèi)孔中；所述直線馬達(dá)和所 述第二位置傳感器安裝在所述機(jī)頭上，所述直線馬達(dá)的軸可伸入到所述定位套中，所述機(jī)頭 的前端面設(shè)有與所述第二定位電磁鐵相配合的銷孔；所述第一定位電磁鐵、第二定位電磁鐵、 第一位置傳感器、第二位置傳感器和直線馬達(dá)與所述控制器電相連。本發(fā)明可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人，其中所述線纜回轉(zhuǎn)裝置包括巻筒及其驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和線纜 回轉(zhuǎn)接頭，所述巻筒及其驅(qū)動(dòng)馬達(dá)安裝在所述支架上面，所述線纜回轉(zhuǎn)接頭設(shè)有軸孔并裝有軸 承，所述巻筒設(shè)有與所述軸承相配合的巻筒軸；所述巻筒設(shè)有內(nèi)孔和與其相通的多個(gè)通孔，插頭安裝在內(nèi)孔的端口處，在所述巻筒與線纜 回轉(zhuǎn)接頭相對(duì)的端面上設(shè)有多個(gè)同心的銅滑環(huán),所述通孔一端與所述孔相通，另一端開口在所 述巻筒的端面上，所述孔和所述通孔的外口處分別裝有所述插頭和銅滑環(huán)，所述插頭和銅滑環(huán) 通過導(dǎo)線相連；所述線纜回轉(zhuǎn)接頭設(shè)有與所述銅滑環(huán)對(duì)應(yīng)的觸頭及其觸頭座、轉(zhuǎn)換插頭和插頭蓋，所述觸 頭座與所述轉(zhuǎn)換插頭通過導(dǎo)線相連，所述插頭蓋安裝在所述轉(zhuǎn)換插頭外側(cè)；所述驅(qū)動(dòng)馬達(dá)與 所述控制器電相連。本發(fā)明可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人，其中所述通孔、銅滑環(huán)、觸頭及其觸頭座為4-10個(gè)。 本發(fā)明可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人，其中所述單體為5 10個(gè)。為達(dá)到前述目的，本發(fā)明提供的采用可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人構(gòu)成的搜救機(jī)器人系統(tǒng)， 還包括一個(gè)控制機(jī)器人作業(yè)的操作器和一個(gè)置于地面安全區(qū)位的主測(cè)控臺(tái)，所述主測(cè)控臺(tái)包 括電源、微處理器、路徑規(guī)劃單元、環(huán)境信息探測(cè)單元、傳感器/圖像處理單元、生命探測(cè)單 元、導(dǎo)航定位單元、收/放線控制單元、運(yùn)動(dòng)控制單元和通訊單元以及顯示器和操作平臺(tái)面板， 所述環(huán)境信息探測(cè)單元、傳感器/圖像處理單元、生命探測(cè)單元、導(dǎo)航定位單元、收/放線控 制單元的信息輸送至所述微處理器，所述微處理器的控制信息輸送至所述路徑規(guī)劃單元和運(yùn) 動(dòng)控制單元，所述導(dǎo)航定位單元與所述收/放線控制單元相連,其中，所述路徑規(guī)劃單元用于控制蛇頭和本體的行進(jìn)路徑；所述環(huán)境信息探測(cè)單元用于控制所述單體上的信息系統(tǒng)；所述傳感器/圖像處理單元用于控制所述單體上的各傳感器和蛇頭上的攝像機(jī)； 所述生命探測(cè)單元用于控制所述蛇頭上的生命探測(cè)儀；所述導(dǎo)航定位單元用于控制所述蛇頭上的導(dǎo)航定位系統(tǒng)； 所述收/放線控制單元用于控制所述單體上的線纜回轉(zhuǎn)裝置； 所述運(yùn)動(dòng)控制單元用于控制所述單體上的行進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置； 所述通訊單元用于人機(jī)交互；所述主測(cè)控臺(tái)通過線纜與所述可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人本體相連，所述操作器設(shè)有操作 者可手持的操作面板和無線控制裝置。本發(fā)明可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)在于解決了搜救機(jī)器人的通訊和能量供應(yīng)的技 術(shù)難題。整個(gè)機(jī)器人在進(jìn)入廢墟執(zhí)行檢測(cè)和搜索的過程中逐步分解為相互有線鏈接的單體來 完成環(huán)境和空間數(shù)據(jù)采集和通訊任務(wù)；又可以由相互鏈接的單體重構(gòu)后靈活地從作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)退 出。在分解和重構(gòu)的過程中，機(jī)器人單體主動(dòng)收/放線纜,就像蠶吐絲那樣，從而避免了對(duì)線 纜的拖拉、纏結(jié)、夾卡和損傷。采用柔性好、質(zhì)量輕、截面積小的特種電纜，便不會(huì)限制搜 救機(jī)器人的工作范圍和作業(yè)功能，解決了搜救機(jī)器人采用有線供電和有線通訊的不足，使得 機(jī)器人具有更高的自治能力以及長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)的能力。本發(fā)明運(yùn)用仿生機(jī)器人等技術(shù)為搜救機(jī) 器人的運(yùn)動(dòng)、感知、通訊、導(dǎo)航和生命探測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)研究提出了實(shí)用的解決方案，對(duì)城市 安全與救援具有重要意義。下面結(jié)合實(shí)施例參照附圖進(jìn)行詳細(xì)說明，以求對(duì)本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)得到更深入 的理解。


圖1為本發(fā)明采用可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人構(gòu)成的搜救機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人中機(jī)頭和機(jī)尾的局部結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人中單體的局部結(jié)構(gòu)主視圖；圖4為圖3的俯視圖；圖5為圖4的局部放大視圖；圖6為本發(fā)明可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人中單體連接時(shí)的結(jié)構(gòu)圖；圖7為本發(fā)明可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人中蛇頭的結(jié)構(gòu)圖；圖8為本發(fā)明可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人中主測(cè)控臺(tái)控制系統(tǒng)的方框圖；圖9為本發(fā)明可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人中單體的控制器的方框圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人實(shí)施例的技術(shù)方案，參見圖1，蠶-蛇形機(jī)器人由蛇頭100和相連的本體108構(gòu)成，本體108由8個(gè)相同或相似的單體106相串連而成。參見圖3和圖4，單體106包括支架307、機(jī)頭212和機(jī)尾211，支架307上裝有第一行 進(jìn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)306和第二行進(jìn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)312，機(jī)頭212通過垂直面轉(zhuǎn)動(dòng)副303與支架307相連 接，機(jī)尾211通過水平面轉(zhuǎn)動(dòng)副313與支架307相連接。第一行進(jìn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)306和第二行進(jìn) 驅(qū)動(dòng)馬達(dá)312分別位于水平面轉(zhuǎn)動(dòng)副313的左右兩側(cè)，其驅(qū)動(dòng)軸分別通過球鉸302與機(jī)尾211 相連接。第一行進(jìn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)306和第二行進(jìn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)312與控制器308電相連。線纜回轉(zhuǎn)裝 置301安裝在支架307上，支架307底部安裝有滾輪310。參見圖2和圖6，機(jī)尾211裝有第一定位電磁鐵201、第二定位電磁鐵205、卡銷202、 定位套203、第一位置傳感器204，機(jī)頭212裝有第二位置傳感器208、軸206、直線馬達(dá)207。 定位套203安裝在機(jī)尾211上，第一定位電磁鐵201安裝在定位套203的外側(cè)，第二定位電 磁鐵205安裝在機(jī)尾211的后端面上。定位套203設(shè)有導(dǎo)向孔，導(dǎo)向孔內(nèi)插裝有卡銷202，卡 銷202與第一定位電磁鐵201相連，第一位置傳感器204安裝在定位套203的內(nèi)孔中。直線 馬達(dá)207和第二位置傳感器208安裝在機(jī)頭212上，直線馬達(dá)207的軸206插裝在定位套203 中，其上有與卡銷202相配合的卡槽210。機(jī)頭212的前端面設(shè)有與第二定位電磁鐵205相 配合的銷孔209。第一定位電磁鐵201、第二定位電磁鐵205、第一位置傳感器204、第二位 置傳感器208和直線馬達(dá)207與控制器308電相連。參見圖4和圖5，線纜回轉(zhuǎn)裝置301包括巻筒401及其驅(qū)動(dòng)馬達(dá)309和線纜回轉(zhuǎn)接頭314， 巻筒401及其驅(qū)動(dòng)馬達(dá)309安裝在支架307上方的托板上，線纜回轉(zhuǎn)接頭314設(shè)有軸孔并裝有 軸承410，巻筒401設(shè)有與軸承410相配合的巻筒軸412。巻筒401設(shè)有內(nèi)孔413和與其相通的4個(gè)通孔414。插頭安裝在內(nèi)孔的端口處,在所述巻 筒與線纜回轉(zhuǎn)接頭相對(duì)的端面上設(shè)有4個(gè)同心的銅滑環(huán)404,通孔414 一端與孔413相通，另 一端開口在巻筒401的端面上，孔413和通孔414的外口處分別裝有插頭403和4個(gè)銅滑環(huán) 404，插頭403和銅滑環(huán)404通過導(dǎo)線相連。線纜回轉(zhuǎn)接頭314設(shè)有與銅滑環(huán)404對(duì)應(yīng)的觸頭406及其觸頭座407、轉(zhuǎn)換插頭408和 插頭蓋411，觸頭座407與轉(zhuǎn)換插頭408通過導(dǎo)線相連，插頭蓋411安裝在轉(zhuǎn)換插頭408外側(cè)； 驅(qū)動(dòng)馬達(dá)309與控制器308電相連。參見圖7，蛇頭100包括含有支架307的單體106的后半部、蛇頭底座504和安裝在蛇 頭底座504上的另一驅(qū)動(dòng)馬達(dá)503、動(dòng)齒輪502、定齒輪501和機(jī)尾211，動(dòng)齒輪502安裝在 另一驅(qū)動(dòng)馬達(dá)503的驅(qū)動(dòng)軸上,動(dòng)齒輪502與定齒輪501相嚙合，定齒輪501的齒輪軸508支 撐安裝在蛇頭底座504和支架307上。底座504安裝有2個(gè)支撐輪505。蛇頭100中的機(jī)尾211與下一單體106的機(jī)頭212相連接。蛇頭底座504上還安裝有用于與主測(cè)控臺(tái)103進(jìn)行 通訊的生命探測(cè)儀506、攝像機(jī)507和導(dǎo)航定位系統(tǒng)304。參見圖2至圖4， 8個(gè)單體106上分別設(shè)有測(cè)控和信息傳輸單元及線纜110、導(dǎo)航定位系 統(tǒng)304、信息系統(tǒng)305、行進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置、線纜回轉(zhuǎn)裝置301和控制器308，導(dǎo)航定位系統(tǒng)304、 信息系統(tǒng)305、行進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置、線纜回轉(zhuǎn)裝置301和控制器308安裝在支架307上，線纜110 纏繞在線纜回轉(zhuǎn)裝置301上，線纜回轉(zhuǎn)裝置301與控制器308電相連。參見圖6，各單體106 的線纜110依次相互串連在一起。本發(fā)明可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人,在與蛇頭100相連的單體106上安裝的第一行進(jìn)驅(qū)動(dòng) 馬達(dá)306和第二行進(jìn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)312為伺服馬達(dá)，用于調(diào)節(jié)單體的行程和步調(diào)。單體106設(shè)有控制器308，控制器308安裝在支架307上，并與各位置傳感器、定位電 磁鐵和馬達(dá)電相連。當(dāng)兩相鄰單體需要脫離和組合時(shí)，在測(cè)控系統(tǒng)作用下，機(jī)頭212和機(jī)尾 211可依自主或主從結(jié)合兩種模式完成動(dòng)作，每節(jié)單體可以是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立工作單元。參見圖9，測(cè)控和信息傳輸單元包括電源和一微控制器10以及與微控制器10相連的環(huán) 境監(jiān)測(cè)傳感器ll、碼盤傳感器12、位置傳感器13、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元14、定位電磁鐵驅(qū)動(dòng)單元 15、運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)單元17和無線通訊單元16,環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器11、碼盤傳感器12和位置傳感器 13的探測(cè)信號(hào)接至所述微控制器10。其中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元14用于驅(qū)動(dòng)行進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置和線纜 回轉(zhuǎn)裝置301;定位電磁鐵驅(qū)動(dòng)單元15用于驅(qū)動(dòng)單體108的第一定位電磁鐵201和第二定位 電磁鐵205;運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)單元17用于控制控制器308;無線通訊單元16用于與主測(cè)控臺(tái)103進(jìn) 行通訊。參見圖1和圖8，本發(fā)明可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人構(gòu)成的搜救機(jī)器人系統(tǒng)，包括一個(gè)控 制機(jī)器人作業(yè)的操作器101、 一個(gè)置于地面安全區(qū)位的主測(cè)控臺(tái)103和可重組蠶-蛇混合形機(jī) 器人的蛇頭100和本體108。主測(cè)控臺(tái)103包括電源、微處理器l、路徑規(guī)劃單元2、環(huán)境信息探測(cè)單元3、傳感器/ 圖像處理單元4、生命探測(cè)單元5、導(dǎo)航定位單元6、收/放線控制單元7、運(yùn)動(dòng)控制單元8和 通訊單元9以及顯示器102和操作平臺(tái)面板，環(huán)境信息探測(cè)單元3、傳感器/圖像處理單元4、 生命探測(cè)單元5、導(dǎo)航定位單元6、收/放線控制單元7的信息輸送至微處理器l，微處理器l 的控制信息輸送至路徑規(guī)劃單元2和運(yùn)動(dòng)控制單元8，導(dǎo)航定位單元6與收/放線控制單元7 相連。路徑規(guī)劃單元2用于控制蛇頭100和本體108的行進(jìn)路徑104;環(huán)境信息探測(cè)單元3 用于控制單體106上的信息系統(tǒng)305;傳感器/圖像處理單元4用于控制單體106上的各傳感 器ll、 12、 13和蛇頭100上的攝像機(jī)507;生命探測(cè)單元5用于控制所述100上的生命探測(cè)儀506;導(dǎo)航定位單元6用于控制蛇頭100上的導(dǎo)航定位系統(tǒng)304。收/放線控制單元7用于 控制所述單體106上的線纜回轉(zhuǎn)裝置301;運(yùn)動(dòng)控制單元8用于控制單體106上的行進(jìn)驅(qū)動(dòng) 裝置；通訊單元9用于人機(jī)交互；主測(cè)控臺(tái)103通過線纜110與可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人本 體108相連，操作器101設(shè)有操作者可手持的操作面板和無線控制裝置。當(dāng)機(jī)器人在主從結(jié)合的模式下運(yùn)行時(shí)，操作者一面手持操作器101遙控機(jī)器人進(jìn)入廢墟 現(xiàn)場(chǎng)， 一面根據(jù)監(jiān)控中心立體呈現(xiàn)的廢墟內(nèi)動(dòng)態(tài)信息，隨時(shí)給機(jī)器人發(fā)出指令，使機(jī)器人執(zhí) 行前進(jìn)/后退、收/放線纜、單體分離/聯(lián)結(jié)、轉(zhuǎn)彎、抬頭、調(diào)整姿態(tài)、改變行進(jìn)方式等動(dòng)作， 也可以自主完成多種動(dòng)作，逐步走近搜救目標(biāo)，使用是非常方便的?？芍貥?gòu)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)重復(fù)，除蛇頭單體稍有不同以外，其余單體的硬件結(jié)構(gòu)是相同的。 控制系統(tǒng)采用集中——分布式控制方式，蛇頭單體的控制單元不僅負(fù)責(zé)控制自身的感知和執(zhí) 行功能，還是整個(gè)系統(tǒng)的主控單元。蛇頭單體確定行進(jìn)路線、運(yùn)動(dòng)方向，并將相應(yīng)信息傳遞 給各單體，每個(gè)單體根據(jù)命令和自身的狀態(tài)和位置，處理它攜帶的感知器和執(zhí)行器，在機(jī)器 人整體行進(jìn)運(yùn)動(dòng)的過程中各單體之間相互通訊，相互協(xié)調(diào)，在不同姿態(tài)狀態(tài)下同步完成運(yùn)動(dòng)。 此外，機(jī)器人接受人機(jī)交互發(fā)來的控制命令，機(jī)器人系統(tǒng)通過判別命令的優(yōu)先級(jí)和當(dāng)前工作 狀態(tài)，來執(zhí)行命令，確?？刂频姆€(wěn)定性。各單體感知環(huán)境，判斷是否需要主控單元干預(yù)。各 相互銜接的單體實(shí)時(shí)通訊，收到系統(tǒng)指令來決定蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步法、運(yùn)動(dòng)方向以及到達(dá) 目標(biāo)位置。這在現(xiàn)有控制技術(shù)中已經(jīng)越來越成熟，在此不做詳述。下面對(duì)本發(fā)明可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人及構(gòu)成的搜救機(jī)器人系統(tǒng)的工作過程說明如下當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入廢墟后，末節(jié)單體便開始"吐絲"布線，當(dāng)這節(jié)單體接受到控制命令或"無 絲可吐"(即本節(jié)線纜布完)，這節(jié)單體便與機(jī)器人主體分離作為有線網(wǎng)絡(luò)的第1個(gè)節(jié)點(diǎn)。由 此可知，機(jī)器人在兩種條件下都可釋放某一節(jié)單體， 一種是單體"無絲可吐"時(shí)自動(dòng)釋放單 體，另一種是救援中心可以強(qiáng)制命令機(jī)器人釋放某單體，即使此單體還"有絲可吐"。因此在 釋放單體時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)的環(huán)境和空間信息，在人機(jī)交互幫助下，機(jī)器人可以在一相對(duì)比較平 坦的地方釋放單體。經(jīng)人機(jī)對(duì)話，當(dāng)機(jī)器人主體108運(yùn)行到一定位置釋放一節(jié)單體106時(shí)，首先，機(jī)器人暫 停其他作業(yè)，通過控制器308控制第一定位電磁鐵201作用，使卡銷202退出限位位置；然 后，直線馬達(dá)207啟動(dòng)，連接軸206由定位套203中縮回，同時(shí)，第二定位電磁鐵205縮回。機(jī)器人完成任務(wù)原路返回時(shí)，在監(jiān)視系統(tǒng)和人機(jī)對(duì)話的控制下，機(jī)器人主體108末端趨 近被釋放的單體端面，同時(shí)機(jī)器人主體108微調(diào)姿態(tài)，在第一位置傳感器204發(fā)出信息時(shí)停 止，直線馬達(dá)207啟動(dòng)，連接軸206伸入到定位套203內(nèi)，在第一位置傳感器204發(fā)出報(bào)警時(shí)停止，同時(shí)，第一定位電磁鐵201作用，卡銷202伸出，第二定位電磁鐵205作用，鐵心 定位；然后，啟動(dòng)直線馬達(dá)207反轉(zhuǎn)，使單體106貼近主體108，直至第二位置傳感器報(bào)警。 聯(lián)結(jié)完成后機(jī)器人繼續(xù)收線、撤退，到達(dá)下一個(gè)被釋放的單體106時(shí)，重復(fù)前述動(dòng)作過程。在上述動(dòng)作過程中，每節(jié)單體都由第一行進(jìn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)306和第二行進(jìn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)312驅(qū)動(dòng)， 使水平面轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)313和/或垂直面方向的轉(zhuǎn)動(dòng)副302帶動(dòng)單體動(dòng)作，在單體腹部下方的滾 輪310輔助行進(jìn)。單體接口在蛇頭兩節(jié)安裝伺服馬達(dá)，調(diào)節(jié)兩馬達(dá)直線行程，可改變機(jī)器人 步幅；調(diào)節(jié)馬達(dá)步調(diào)，可改變機(jī)器人行進(jìn)方式。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式是自第一節(jié)單體起，第一 行進(jìn)馬達(dá)306 (或第二行進(jìn)馬達(dá)312)推進(jìn)，第二行進(jìn)馬達(dá)312 (或第一行進(jìn)馬達(dá)306)保持 不動(dòng)，依靠后面單體的附著力，第一節(jié)單體便產(chǎn)生側(cè)前運(yùn)動(dòng)(側(cè)前擺動(dòng))，在第一行進(jìn)馬達(dá)推 進(jìn)過程中(即第一節(jié)單體擺動(dòng)一定角度)，第二節(jié)也同時(shí)做同樣動(dòng)作，第三第四節(jié)單體依次做 同樣動(dòng)作，這樣隨著第二第三節(jié)的擺動(dòng)，第一節(jié)單體偏離機(jī)器人軸向方向達(dá)到設(shè)定角度時(shí)(或 在其后某節(jié)單體開始擺動(dòng)時(shí))，憑借滾輪310的側(cè)向力，第一節(jié)單體開始做反方向擺動(dòng)，即第 二行進(jìn)馬達(dá)312 (或第一行進(jìn)馬達(dá)306)推進(jìn)，第一行進(jìn)馬達(dá)306 (或第二行進(jìn)馬達(dá)312)保 持不動(dòng)。重復(fù)動(dòng)作，機(jī)器人便能夠蜿蜒行進(jìn)了。在爬坡或下坡時(shí)，蛇頭100根據(jù)傳感器的探 測(cè)，附加完成蛇頭100俯/仰的動(dòng)作，便完成了爬坡或下坡的運(yùn)動(dòng)。在上述動(dòng)作過程中，每節(jié)單體根據(jù)指令，同時(shí)完成釋放或收攏線纜的動(dòng)作。每節(jié)單體只 攜帶一定長(zhǎng)度的線纜，進(jìn)入廢墟作業(yè)時(shí)， 一邊行進(jìn)一邊"吐絲"布線，馬達(dá)布線速率與機(jī)器 人行進(jìn)速率一致。由單體聯(lián)結(jié)而成的蠶-蛇混合形機(jī)器人具有很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)能力，包括碎石上行 走、穿越罅縫、翻越障礙。這種機(jī)器人的物理結(jié)構(gòu)很小，重心很低，翻越或跨越障礙物或罅 縫時(shí)不會(huì)失去牽引力。這種結(jié)構(gòu)重復(fù)的蛇形機(jī)器人具有很強(qiáng)的自穩(wěn)能力，當(dāng)各節(jié)單體的姿態(tài) 不同時(shí)，各單體也可以協(xié)同工作。因而，在適當(dāng)"外衣"保護(hù)它部件和傳感器不致?lián)p傷，它 就具有非常好的抗翻滾能力?？芍貥?gòu)蠶-蛇混合形機(jī)器人通過解構(gòu)與重構(gòu)過程，形成一個(gè)有線鏈接的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也 到達(dá)了幸存者所在位置，在其解構(gòu)行進(jìn)的過程中，便將自縫隙入口至幸存者所在位置沿途空 間信息和環(huán)境數(shù)據(jù)傳送給救援中心，而且能夠不斷更新信息；在重構(gòu)過程中，可以接收救援 人員的控制命令，在某一中間節(jié)點(diǎn)改變探索方向，執(zhí)行新作業(yè)，搜索不同位置的幸存者?？?重構(gòu)的模塊化蠶-蛇混合形機(jī)器人在建構(gòu)狀態(tài)是一個(gè)蛇形機(jī)器人，具有俯身、抬頭、蠕動(dòng)、蜿 蜒、避障、爬坡、感知和探測(cè)能力，稱為"蠶一蛇"建構(gòu)；當(dāng)它在解構(gòu)狀態(tài)，每節(jié)單體變成 "吐絲蠶"形機(jī)器人，具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)能力，稱為"蛇一蠶"解構(gòu)。本發(fā)明適宜于搜救機(jī)器 人應(yīng)用的生命探測(cè)技術(shù)與微型裝置和適宜于在廢墟內(nèi)非結(jié)構(gòu)環(huán)境作業(yè)且不受能量和通訊制約的仿生可重構(gòu)模塊化機(jī)器人系統(tǒng)。以上所述的實(shí)施例，僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn) 行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通工程技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案 做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人，包括蛇頭(100)和相連的本體(108)，其特征在于所述本體(108)包括若干個(gè)依次接的單體(106)，其中每個(gè)所述單體(106)包括支架(307)、機(jī)頭(212)和機(jī)尾(211)、行進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置、線纜回轉(zhuǎn)裝置(301)以及控制器(308)，所述行進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置包括第一行進(jìn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)(306)和第二行進(jìn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)(312)，所述第一行進(jìn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)(306)及第二行進(jìn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)(312)安裝在所述支架(307)上，分別位于所述水平面轉(zhuǎn)動(dòng)副(313)的左右兩側(cè)，其驅(qū)動(dòng)軸分別通過球鉸(302)與所述機(jī)尾(211)相連接；所述機(jī)頭(212)通過垂直面轉(zhuǎn)動(dòng)副(303)與所述支架(307)相連接，所述機(jī)尾(211)通過所述水平面轉(zhuǎn)動(dòng)副(313)與所述支架(307)相連接，所述支架(307)底部安裝有滾輪(310)；所述第一行進(jìn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)(306)和第二行進(jìn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)(312)與所述控制器(308)電相連；所述蛇頭(100)包括含有支架(307)的機(jī)尾(211)、蛇頭底座(504)和安裝在所述蛇頭底座(504)上的另一驅(qū)動(dòng)馬達(dá)(503)、動(dòng)齒輪(502)、定齒輪(501)和支撐輪(505)，所述動(dòng)齒輪(502)安裝在另一驅(qū)動(dòng)馬達(dá)(503)的驅(qū)動(dòng)軸上，所述動(dòng)齒輪(502)與所述定齒輪(501)相嚙合，所述定齒輪(501)的齒輪軸(508)支撐安裝在所述蛇頭底座(504)和所述支架(307)上；所述蛇頭底座(504)上還安裝有用于與主測(cè)控臺(tái)(103)進(jìn)行通訊的生命探測(cè)儀(506)、攝像機(jī)(507)和導(dǎo)航定位系統(tǒng)(304)；所述支架(307)上分別安裝有測(cè)控和信息傳輸單元及線纜(110)，所述單體(106)設(shè)有導(dǎo)航定位系統(tǒng)(304)、信息系統(tǒng)(305)和控制器(308)，所述線纜(110)纏繞在所述線纜回轉(zhuǎn)裝置哈，各所述單體(106)通過所述線纜(110)依次相互串連在一起；所述測(cè)控和信息傳輸單元包括電源和一微控制器(10)以及與所述微控制器(10)相連的環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器(11)、碼盤傳感器(12)、位置傳感器(13)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元(14)、定位電磁鐵驅(qū)動(dòng)單元(15)、運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)單元(17)和無線通訊單元(16)，所述環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器(11)、碼盤傳感器(12)和位置傳感器(13)的探測(cè)信號(hào)接至所述微控制器(10)，其中所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元(14)用于驅(qū)動(dòng)所述行進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置和線纜回轉(zhuǎn)裝置(301)；所述定位電磁鐵驅(qū)動(dòng)單元(15)用于驅(qū)動(dòng)所述單體(108)的定位電磁鐵；所述運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)單元(17)用于控制所述控制器(308)；所述無線通訊單元(16)用于與主測(cè)控臺(tái)進(jìn)行通訊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人，其特征在于其中所述機(jī)尾(211)裝有第一定位電磁鐵(201)、第二定位電磁鐵(205)、定位套(203)、第一位置 傳感器(204)，機(jī)頭(212)裝有第二位置傳感器(208)及直線馬達(dá)(207);所述定位套(203)安裝在所述機(jī)尾(211)上，所述第一定位電磁鐵(201)安裝在所述定位套(203) 的外側(cè)，所述第二定位電磁鐵(205)安裝在所述機(jī)尾(211)的后端面上，所述定位套(203) 設(shè)有導(dǎo)向孔，所述導(dǎo)向孔內(nèi)插裝有卡銷(202),所述卡銷(202)與所述第一定位電磁鐵(201)的導(dǎo)向孔相配合，所述第一位置傳感器(204)安裝在所述定位套(203)的內(nèi)孔 中；所述直線馬達(dá)(207)和所述第二位置傳感器(208)安裝在所述機(jī)頭(212)上，所 述直線馬達(dá)(207)的軸(206)可伸入到所述定位套(203)中，所述機(jī)頭(212)的前端 面設(shè)有與所述第二定位電磁鐵(205)相配合的銷孔(209);第一定位電磁鐵(201)、第 二定位電磁鐵(205)、第一位置傳感器(204)、第二位置傳感器(208)和直線馬達(dá)(207) 與所述控制器(308)電相連。在所述巻筒(401)與所述線纜回轉(zhuǎn)接頭(314)相對(duì)的端 面上，
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人，其特征在于其中所述線纜回 轉(zhuǎn)裝置(301)包括巻筒(401)及其驅(qū)動(dòng)馬達(dá)(309)和線纜回轉(zhuǎn)接頭(314)，所述巻筒(401)及其驅(qū)動(dòng)馬達(dá)(309)安裝在所述支架(307)上面，所述線纜回轉(zhuǎn)接頭(314)設(shè) 有軸孔并裝有軸承(410)，所述巻筒(401)設(shè)有與所述軸承(410)相配合的巻筒軸(412);所述巻筒(401)設(shè)有內(nèi)孔(413)和與其相通的多個(gè)通孔(414)，插頭(403)安裝 在內(nèi)孔(413)的端口處，在所述巻筒(401)與線纜回轉(zhuǎn)接頭(314)相對(duì)的端面上設(shè)有多 個(gè)同心的銅滑環(huán)(404),所述通孔(414) 一端與所述孔(413)相通，另一端開口在所述 巻筒(401)的端面上,所述孔(413)和所述通孔(414)的外口處分別裝有所述插頭(403) 和銅滑環(huán)(404)，所述插頭(403)和銅滑環(huán)(404)通過導(dǎo)線相連；所述線纜回轉(zhuǎn)接頭(314)設(shè)有與所述銅滑環(huán)(404)對(duì)應(yīng)的觸頭(406)及其觸頭座(407)、轉(zhuǎn)換插頭(408)和插頭蓋(411)，所述觸頭座(407)與所述轉(zhuǎn)換插頭(408) 通過導(dǎo)線相連，所述插頭蓋(411)安裝在所述轉(zhuǎn)換插頭(408)外側(cè)；所述驅(qū)動(dòng)馬達(dá)(309) 與所述控制器(308)電相連。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人，其特征在于其中所述通孔 (414)、銅滑環(huán)(404)、觸頭(406)及其觸頭座(407)為4-IO個(gè)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人，其特征在于其中所述單體 (106)為5 10個(gè)。
6. —種采用權(quán)利要求1-5中任一所述的可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人構(gòu)成的搜救機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于還包括一個(gè)控制機(jī)器人作業(yè)的操作器(101)和一個(gè)置于地面安全區(qū) 位的主測(cè)控臺(tái)(103)，所述主測(cè)控臺(tái)(103)包括電源、微處理器(1)、路徑規(guī)劃單元(2)、 環(huán)境信息探測(cè)單元(3)、傳感器/圖像處理單元(4)、生命探測(cè)單元(5)、導(dǎo)航定位單元 (6)、收/放線控制單元(7)、運(yùn)動(dòng)控制單元(8)和通訊單元(9)以及顯示器(102)和 操作平臺(tái)面板，所述環(huán)境信息探測(cè)單元(3)、傳感器/圖像處理單元(4)、生命探測(cè)單元 (5)、導(dǎo)航定位單元(6)、收/放線控制單元(7)的信息輸送至所述微處理器(1)，所述 微處理器(1)的控制信息輸送至所述路徑規(guī)劃單元(2)和運(yùn)動(dòng)控制單元(8)，所述導(dǎo)航 定位單元(6)與所述收/放線控制單元(7)相連,其中，所述路徑規(guī)劃單元(2)用于控制蛇頭(100)和本體(108)的行進(jìn)路徑(104);所述環(huán)境信息探測(cè)單元(3)用于控制所述單體(106)上的信息系統(tǒng)(305);所述傳感器/圖像處理單元(4)用于控制所述單體(106)上的各傳感器和蛇頭(100) 上的攝像機(jī)(507);所述生命探測(cè)單元(5)用于控制所述蛇頭(100)上的生命探測(cè)儀(506);所述導(dǎo)航定位單元(6)用于控制所述蛇頭(100)上的導(dǎo)航定位系統(tǒng)(304);所述收/放線控制單元(7)用于控制所述單體(106)上的線纜回轉(zhuǎn)裝置(301);所述運(yùn)動(dòng)控制單元(8)用于控制所述單體(106)上的行進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置；所述通訊單元(9)用于人機(jī)交互；所述主測(cè)控臺(tái)(103)通過線纜(110)與所述可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人蛇頭(100) 和本體(108)相連，所述操作器(101)設(shè)有操作者可手持的操作面板和無線控制裝置。
全文摘要
本發(fā)明可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人，包括蛇頭和本體，本體的每個(gè)單體上安裝有測(cè)控和信息傳輸單元及線纜，單體設(shè)有導(dǎo)航定位系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、行進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置、線纜回轉(zhuǎn)裝置、控制器和單體接口，各單體通過線纜和單體接口依次相互串聯(lián)在一起；由其構(gòu)成的搜救機(jī)器人系統(tǒng)，還包括控制作業(yè)的操作器和置于安全區(qū)位的主測(cè)控臺(tái)，主測(cè)控臺(tái)通過線纜與機(jī)器人蛇頭和本體相連，操作器設(shè)有手持操作面板和無線控制裝置。本發(fā)明可重組蠶-蛇混合形機(jī)器人及由其構(gòu)成的搜救機(jī)器人系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于其線纜連接解決了機(jī)器人能量供應(yīng)問題，機(jī)器人單體主動(dòng)收/放線纜，具有高自治能力，避免了線纜的拖拉、纏結(jié)、夾卡和損傷，故具有高度靈活運(yùn)動(dòng)能力和長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)能力。
文檔編號(hào)B62D57/02GK101279620SQ20081011289
公開日2008年10月8日 申請(qǐng)日期2008年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月26日
發(fā)明者劉小峰, 張志獻(xiàn), 楊俊卿, 槐瑞托, 蘇學(xué)成 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)