[發明專利]仿蛇搜救機器人關節機構

有效

• 申請號: 201610844729.6
• 申請日: 2016-09-22
• 公開（公告）號: CN106272542B
• 公開（公告）日: 2019-01-29
• 發明（設計）人: 曹政才;張東;李萌;肖清;趙利美
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: B25J17/02
• 分類號: B25J17/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

仿蛇搜救機器人關節機構，包括兩個全向輪、一個并聯關節組，其中并聯關節組包括固定平臺、動平臺、兩條UPS直線驅動器、一條PU直線驅動器。此關節具有四個自由度：伸縮、俯仰、偏航、全向輪圍繞仿蛇搜救機器人關節中軸線轉動。仿蛇搜救機器人關節機構能夠將仿蛇機器人與輪式機器人的優點有效的結合起來，使得仿蛇搜救機器人既具備傳統仿蛇搜救機器人多自由度、體積小、運動靈活、環境適應能力強的特點，又具備輪式機器人運動速度快、控制簡單的優點，大大的提升了仿蛇搜救機器人的運動能力，為仿蛇搜救機器人運動步態的拓展打下基礎，能夠有效的提高仿蛇搜救蛇形機器人在不同環境中的靈活性與適應性。

技術領域

本發明涉及機器人研究與工程領域，具體是指一種融合輪式機器人與蛇形機器人優點，能夠適應復雜地形的仿蛇搜救機器人關節機構。

技術背景

近年來，人類經濟與科技飛速發展，工業化進程逐步完善，生產規模日益增大，與此同時，化學品爆炸、礦井坍塌等生產事故發生的頻率也越來越高，造成巨大的人員傷亡與經濟損失。災后第一時間的現場救援至關重要，然而災害現場環境復雜，救援人員無法進入災害現場，給救援工作帶來巨大的挑戰。與此同時，全球政治格局復雜，爆發局部戰爭的可能性依然存在，恐怖主義威脅日益增長。在戰爭、反恐等特種作戰任務中，最快的潛入敵方陣地進行有效偵查往往能夠占領信息制高點，奪取主動權，為取得作戰的勝利起到至關重要的作用。而特種任務中地形復雜，給偵查任務帶來了巨大風險和難以預測的阻力。因此研究能夠代替人類執行災害救援、特種任務信息偵查的機器人具有巨大的現實意義。生物蛇沒有腿卻可以在各種地形中自由運動，展現出超強的環境適應能力，人類以生物蛇為靈感研制了仿蛇搜救機器人，仿蛇搜救機器人可以模仿生物蛇的運動方式在各種環境中運動，且運動過程中隱蔽性強，這些特性使得仿蛇搜救機器人能夠在軍事偵查、災害搜集、管線巡檢等領域展現出巨大的應用潛力。

目前仿蛇搜救機器人的驅動方式主要分為輪式驅動、履帶式驅動和舵機驅動，三種驅動方式各有優缺點。輪式驅動結構簡單、平滑地面行走速度快，然而在崎嶇地形和面臨障礙物時驅動效果無法滿足要求；履帶式驅動地面壓力小，地形適應能力強，能夠在平滑地面、松軟地面運動，但是其結構復雜、質量大，且機械磨損嚴重，驅動速度與輪式驅動差距較大；舵機驅動能夠適用于各種地形，且能夠進行多樣化運動形式擴展，但是控制復雜，計算量大，無法實現靈活運動。

一款能夠滿足人類需求的仿蛇搜救機器人關節應該在具備輪式驅動機器人的快速運動能力、履帶式驅動機器人的地面適應能力以及舵機驅動機器人多姿態運動特點的同時，實現模塊化機構設計與運動控制，然而目前尚未有充分滿足以上要求的仿蛇搜救機器人關節出現。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種仿蛇搜救機器人關節機構，解決目前輪式仿蛇搜救機器人環境適應能力不足、履帶蛇形機器人速度慢、舵機蛇形機器人靈活性差等問題。把多自由度并聯關節機構與正交主動全向輪結合起來，關節中全向輪既能整體作為正交主動輪，全向輪中的小輪又能作為仿蛇搜救機器人機體表面上的被動輪。當全向輪圍繞模塊中軸線轉動時，仿蛇搜救機器人能夠實現輪式運動；當關節中的并聯直線驅動器伸縮時，全向輪中的各個小被動輪與地面接觸產生各向異性摩擦力，使得仿蛇搜救機器人能夠模仿生物蛇各種運動步態。仿蛇搜救機器人關節機構除了能夠實現輪式機器人和傳統仿蛇搜救機器人的運動步態以外，通過多種改進姿態描述函數能夠實現快速攀爬、越障，使得仿蛇搜救機器人環境適應能力大幅度提升，適合執行地震、礦難搜救、管線檢巡、戰場情報偵查等任務。

本發明除了將并聯關節組與全向輪串聯起來以外，還進行模塊化設計。每個模塊由兩個全向輪和一個并聯關節組組成，組合方式為中間為并聯關節組，兩邊為全向輪，每個模塊裝配獨立的控制器與驅動裝置。模塊化設計能夠保證在部分模塊出現故障時迅速的替換，也可以根據任務的需求調整關節的數量。每個模塊中配備獨立的控制器和驅動器，而且并聯關節兩邊裝配全向輪，使得每個模塊都能獨立的作為一個輪式機器人，并能夠完成直線運動、零半徑轉彎和非零半徑轉彎運動。

本發明仿蛇搜救機器人關節機構，是采用以下技術方案實現的：