本发明专利技术公开了一种主动轮串列式绳状机器人，分为运动模块、环境感知模块和通信模块三大主要模块；其中运动模块由若干个主动轮串联而成，在内部机电装置驱动下具有绕轴向连续旋转能力；相邻主动轮之间通过主动的两自由度关节连接，可以绕两个方向相对偏转；主动轮外表覆盖带有倾斜条纹的柔性材料，相邻主动轮表面的条纹倾斜方向相反；主动轮两端采用防水轴承支撑，两自由度关节外覆盖防水橡胶模；本发明专利技术不仅能在陆地、水下以及泥石流中运行，还可以沿管道外壁攀爬或者在管道内部运动；环境感知模块带有激光雷达，可以通过旋转实现三维空间大角度探测；通信模块天线通过机械装置能在重力作用下自动恢复垂直姿态。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机器人研究和工程领域，具体是指一种融合了轮式移动机器人以及蛇形机器人优点，具备复杂地面快速通过能力以及两栖能力的绳状机器人。
技术介绍
在移动机器人的驱动方式中，轮式驱动有结构简单、行走速度快等优点，然而面对崎岖或泥泞的地形，轮式驱动的效果不尽如人意，因此人们专利技术了履带式驱动方式，其优点在于地面单位压力小，适合在沙漠、沼泽、雪地等松软或者光滑地面运动，因此被广泛用于越野领域。然而履带本身结构复杂，质量大，机械磨损严重，使用寿命短，而且高速运动性能大多无法与轮式驱动相比。机器人专利技术以后，人们赋予它越来越复杂的任务，这些任务对机器人运动能力提出更高要求，即不仅要在二维平面快速运动，而且要借助环境结构进行三维空间运动，甚至是两栖运动。人们以自然界蛇类动物为灵感研制了蛇形机器人，然而，阻碍蛇形机器人实用化的原因有如下几点一是蛇形机器人虽然能够模拟生物蛇的各种运动样式，使蛇形机器人平均前进速度达到或接近生物蛇，但在机体结构上没能摆脱仿生学的限制，导致其运动速度难以和传统轮式或者履带式驱动的机器人相匹敌。二是蛇形机器人设计者往往在表面安装被动轮或履带等装置，以期用它们提高机器人运动性能，例如日本Hirose研制的 ACMR5两栖机器蛇。然而，这些辅助装置在野外环境下极易受到泥沙和杂草的阻塞而失效。 三是蛇形机器人技术成熟度远低于轮式或履带式机器人，表现在传感器配置和控制算法上；当前比较先进的蛇形机器人采用关节压力传感器、转角传感器进行位置伺服控制，通过碰撞传感器、超声波或红外测距仪来感应环境，例如沈阳自动化所研制的“具有环境适应能力的蛇形机器人”，只能对与机器人直接接触的环境，或者近处某一点进行探测，如此少量的环境信息获取使蛇形机器人难以在复杂环境中进行有效运动；蛇形机器人一般按照蜿蜒运动曲线、侧向运动、伸缩运动等位形描述函数进行控制，这些运动形式虽然各有优点，但都延续了蛇类移动相对缓慢的缺点，实际应用中灵活程度不高。战场侦察、管线巡检以及灾害搜救等任务需要一种同时具备轮式机器人快速运动能力、履带式机器人松软地面通过能力以及蛇形机器人三维空间和两栖运动性能的先进机器人设备。目前尚未有能充分满足以上要求的机器人出现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种主动轮串列式绳状机器人，解决传统轮式机器人越野能力不足、履带式机器人运行速度慢以及蛇形机器人的诸多固有缺陷，将轮式驱动与多自由度关节结合；借助运动单元外壁可以绕轴向连续旋转的特点，不仅能让机器人通过轮式驱动方式快速运动，还可以使激光雷达通过螺旋扫描方式探测环境的三维空间结构；具有特殊功能纹路的表面覆盖物，全身防水密封，以及自恢复式天线装置，通过多种姿态描述函数实现高速运动，环境适应能力强，适合战场复杂环境侦察、化工管线巡检、输电线路维护以及矿难、地震、泥石流等灾害的搜救工作。本专利技术主动轮串列式绳状机器人，是采用以下技术手段实现的一种主动轮串列式绳状机器人，由头部传感器模块10、中部若干个运动单元模块 30和尾部通信模块80组成；头部传感器模块10与运动单元模块30中规格相同的元件采用统一编号和名称；其中，头部传感器模块带有头部后端罩16，头部环形外壳15与头部后端罩16和头部如端罩14相连接，头部防护外壳I固定在头部如端罩14上；摄像机窗口 11 位于头部防护外壳I前端，激光雷达12位于头部防护外壳I中部，发光器件13分布于激光雷达12周围；摄像头71与激光雷达12固连；视觉处理电路板73与主连接杆46固连，激光雷达12与摄像头71通过柔软导线或导电滑环与视觉处理电路板73通信；导航模块7与视觉处理电路板73固连；视觉扫描驱动电机72与动作段后端盖47固连，车轮驱动外齿轮 451在视觉扫描驱动电机72的带动下驱动车轮驱动内齿轮36旋转，后防水轴承35与车轮驱动内齿轮36通过垫片相固连；头部后端罩16与后防水轴承35的外径固连；前防水轴承 34外径与头部前端罩14固连。前述运动单元模块由若干个相同的运动单元串联而成，其中动作段前端罩3和动作段后端罩31与鳞片固定环61相固连；动作段前端罩3内侧与前防水轴承34外径相固连，动作段后端罩31与后防水轴承35外径固连；后防水轴承35的内径与动作段后端盖47 固连；前防水轴承34的内径与动作段前端盖33固连；动作段后端盖47与动作段前端盖33 通过主连接杆46相连接；关节驱动电机A44和关节驱动电机B43与动作段前端盖33连接； 车轮驱动电机45与动作段后端盖47连接；差动轮支架38与动作段前端盖33固连；驱动伞齿轮A411与关节驱动电机A44的输出轴固连，驱动伞齿轮B41与关节驱动电机B43的输出轴固连；差动伞齿轮A39与差动伞齿轮B40通过差动轮中心轴482与差动轮支架38相连接；关节连接器483与中心伞齿轮48固连，同时与另一个运动单元的后端盖紧固片53相连接；后防水罩连接环37与后防水轴承35内径相连，前防水罩连接环32与前防水轴承34内径相连；中心轮支架481与差动轮中心轴482通过轴承相连，中心伞齿轮48与中心轮支架 481通过轴承相连，并且与差动伞齿轮A39和差动伞齿轮B40啮合；驱动伞齿轮A411与差动伞齿轮A39啮合，驱动伞齿轮B41与差动伞齿轮B40啮合；轮系保护板49固定在差动轮支架38与前防水罩连接环32上；关节防水罩2固定在前后两个动作段的后防水罩连接环 37和前防水罩连接环32上；倾斜鳞片6固定在鳞片固定环61上。前述通信模块的天线支撑架83与一个运动单元的后端盖紧固片53通过天线倾斜轴84相连，天线支撑架83可绕运动单元轴线旋转；配重模块85与无线电天线81相连， 并且通过天线俯仰轴87与天线支撑架83相连；尾部防水罩一端固定在后防水罩连接环37 上，另一端固定在防水罩固定片82上。动作段前端罩3、动作段后端罩31和鳞片固定环61组成车轮，在车轮驱动电机45 的带动下可绕动作段中心轴线进行连续旋转，同时，由差动伞齿轮A39、差动伞齿轮MO和中心伞齿轮48在关节驱动电机A44和关节驱动电机B43的带动下实现两自由度偏转，因此本专利技术的绳状机器人可以弯曲成多种特殊形状，依靠与地面接触的运动单元车轮旋转实现前进，这种前进的速度可以很快，远远超过蛇形机器人采用的蜿蜒运动、伸缩运动、侧向运动等所能达到的运动速度；与此同时，当遇到复杂障碍物时，本专利技术也可以采用常规蛇形机器人的运动方式通过障碍区；本专利技术相邻运动单元所带的倾斜鳞片6的倾斜方向相反，在水下或狭窄管道中运动时，若相邻运动单元的车轮绕相反方向旋转，环境的反作用力使鳞片可以辅助提供前进或后退动力。本专利技术主要采用激光雷达12探测周围环境，激光雷达12与头部前端罩固连，故可在视觉扫描驱动电机72的带动下绕头部模块轴向旋转，同时头部模块可以在与之相连的运动单元差动轮系驱动下上、下、左、右摆动，使激光雷达12可以对头部前方不完整球形空间进行三维扫描探测，利用本专利技术模块化的机械结构大大拓展了探测区域，使绳状机器人环境感知能力大幅度提高；同时头部带有摄像头71，在漆黑环境下可通过发光器件13发出的可见光或红外线照明，为操作人员提供机器人面对的环境的视频图像。本专利技术尾部带有的无线电天线81能够绕天线俯仰轴87和天线倾斜轴84旋转， 遇到外部障碍本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：曹政才，刘天龙，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：
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