CN104828167B - 一种自适应地形的多自由度救援机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应地形的多自由度救援机器人，包括机器人本体以及设置在下方用于驱动机器人本体运动的驱动装置，所述驱动装置包括设置在机器人本体下方的驱动轮和设置在机器人本体一侧的爬坡轮，所述爬坡轮与驱动轮联动连接，且还通过一摆臂连接。本发明的自适应地形的多自由度救援机器人，通过驱动轮的设置就可以使得机器人能够快速有效的运动，通过爬坡轮的设置就可以有效的增强机器人的地形适应能力。

Description

一种自适应地形的多自由度救援机器人

技术领域

本发明涉及一种矿用机械设备，更具体的说是涉及一种自适应地形的多自由度救援机器人。

背景技术

煤矿的安全问题不但影响煤炭行业的高效生产，而且制约着整个国民经济的发展。世界各国对煤炭安全生产、预防事故及灾后搜索救援非常重视。然而目前国内外矿下搜救工作还是以人工搜救为主，由于发生灾难时矿下的情况复杂，比如瓦斯浓度、灾难现场是否发生火灾以及起火点位置、现场温度、氧气、一氧化碳等有害气体的含量、现场倒塌等状况难以确定等问题，若贸然派遣搜救人员进入搜救可能会产生新的安全事故。

有公告号为CN 203780637U的专利公开了一种矿用救援机器人，其特征在于：包括机体(1)和用于驱动机体(1)运动的主履带(2)，机体(1)的上部设置有观察杆(9)，观察探头(10)以可360°转动的方式设置在观察杆(9)的顶部，在机体(1)的前方设置有机械手(11)，机体(1)的后部设置有爬坡履带(6)，爬坡履带(6)通过一向上翘起的过渡履带(4)与主履带(2)构成完整的履带传动***，爬坡履带(6)的履带轮由支架(5)支撑，支架(5)的一端铰接在过渡履带(4)的支架上，并由设置在机体(1)上的液压油缸(7)的活塞杆控制支架(5)带动爬坡履带(6)绕铰接点转动，以调节爬坡履带(6)的倾斜角度；所述机体(1)的下方还设置有可升降橡胶轮(3)；所述机体(1)内设置有控制器(8)，控制器(8)接收观察探头(10)检测到的信号，并控制机械手(11)、液压油缸(7)和可升降橡胶轮(3)运动，该机器人通过爬坡履带、主履带以及过渡履带的设置，使得该机器人具有较强的地形适应能力，但是在发生煤矿事故的之后煤矿，其内部都会充满许多可燃的且有毒的气体，因而营救的时间就显得十分的重要，然而上述的机器人由于采用履带式驱动，因而其速度较慢，同时为避免履带断裂，其履带的材质一般为金属材质，而金属材质在与煤矿矿洞表面摩擦的时候，容易产生热量，这样就容易出现在机器人行进的过程中引燃了煤矿内的可燃气体，导致二次事故的发生，然而现有的轮式机器人虽然拥有较快的移动速度，同时也不容易导致二次事故，但是在倒塌后的煤矿内地形较为复杂，所以现有的轮式机器人也不适用于煤矿的救援。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种移动速度快且能够适用多种地形的多自由度救援机器人。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种自适应地形的多自由度救援机器人，包括机器人本体以及设置在下方用于驱动机器人本体运动的驱动装置，所述驱动装置包括设置在机器人本体下方的驱动轮和设置在机器人本体一侧的爬坡轮，所述爬坡轮与驱动轮联动连接，且还通过一摆臂连接，所述机器人本体内设有驱动电机，所述驱动电机与驱动轮通过第一联动机构联动，所述机器人本体内还设有驱动电机驱动电路，所述驱动电机驱动电路与驱动电机耦接，所述驱动电机驱动电路包括：

第一主控芯片，为AT89C51单片机，该单片机的P10口耦接一电阻后耦接一三极管的基极，且该三极管的集电极耦接一电感后接电源，其中该电感还并联有一二极管，该单片机的P11口耦接一电阻后耦接一三极管的基极，且该三极管的集电极耦接一电感后接电源，其中该电感还并联有一二极管，且该单片机的P3.2口耦接一电阻后接一三极管基极，且该三极管的集电极耦接一电感后接电源，其中该电感还并联有一二极管，该单片机的P3.3口耦接一电阻后耦接一三极管的基极，且该三极管的集电极耦接一电感后接电源，其中该电感还并联有一二极管。

第一开关电路，包括四个单刀双掷开关，其中每两个开关为一组，每组内的两个开关的一端均与一个驱动电机电连接，另一端均电连接至电源，同时还耦接有一二极管，该二极管的阴极与单刀双掷开关耦接，阳极耦接有两个相互并联的开关管，两个开关管的栅极相互连接后与两个三极管耦接，其中一个三极管的发射极与另一个三极管的集电极耦接后与开关管栅极耦接，两个三极管的基极相互连接后耦接一电阻后接电源，同时还耦接一个三极管的集电极，该三极管的发射极接地，基极耦接至上述51单片机的I/O口，所述机器人本体内设有摆动电机，所述摆动电机与摆臂通过第二联动机构联动，所述机器人本体内还设有摆动电机驱动电路，所述摆动电机驱动电路与摆动电机耦接，所述摆动电机驱动电路包括：

第二主控芯片，为AT89C51单片机，该单片机的P10口耦接一电阻后耦接一三极管的基极，且该三极管的集电极耦接一电感后接电源，其中该电感还并联有一二极管，该单片机的P11口耦接一电阻后耦接一三极管的基极，且该三极管的集电极耦接一电感后接电源，其中该电感还并联有一二极管，该单片机的P3.2和P3.3口均耦接有一编码器；

第二开关电路，包括两个单刀双掷开关，其一端均与摆动电机电连接，另一端均电连接至电源，同时还耦接有一二极管，该二极管的阴极与单刀双掷开关耦接，阳极耦接有开关管，开关管的栅极与两个三极管耦接，其中一个三极管的发射极与另一个三极管的集电极耦接后与开关管栅极耦接，两个三极管的基极相互连接后耦接一电阻后接电源，同时还耦接一个三极管的集电极，该三极管的发射极接地，基极耦接至上述AT89C51单片机的P2.0口；

所述第一联动机构包括行星减速器、与行星减速器输入轴同轴固定的传动大齿轮、套接在驱动电机转轴上的传动小齿轮以及用于与驱动轮链条传动的链轮，所述传动大齿轮与传动小齿轮相啮合；

所述第二联动机构包括传动轴、与传动轴同轴固定的链轮以及套设在传动轴上的轴承，所述摆臂与轴承的轴承套固定连接，所述轴承的轴承套上同轴固定有大齿轮，所述大齿轮上啮合有小齿轮，且小齿轮与摆动电机转轴同轴固定。

通过采用上述技术方案，通过驱动轮的设置，在机器人行进的过程中可以通过摆臂的转动，将爬坡轮收起，这样机器人就可以通过驱动轮在煤矿内快速运动了，有效的避免了履带式机器人在救援的过程中出现的行动过慢的问题，同时通过爬坡轮和摆臂的设置，在遇到不规则地形时，就可以通过摆臂来调整爬坡轮与驱动轮之间的角度，即爬坡轮与地面之间的角度，这样就可以使得机器人有效的适应不规则地形了，使得机器人在煤矿救援过程中更加的高效，而通过驱动电机和第一联动机构的设置，就可以驱动驱动轮快速转动，这样就可以有效的驱动机器人在煤矿救援的过程中能够快速的移动，有效地避免了履带式机器人出现的移动速度慢的问题，通过驱动电机驱动电路的设置，就能够更好的驱动驱动电机动作，使得机器人在救援工作中能够更好更快的移动，第一主控芯片的设置就可以有效的控制第一开关电路内的四个单刀双掷开关，供给两个驱动电机的电源是正向的还是反向的，以控制机器人是否前进、后退或者转弯，通过摆动电机的设置，就可以有效的驱动摆臂上下摆动，就可以不断的调整摆臂与水平面之间的夹角，这样在出现上坡的时候，就可以通过摆动电机驱动第二联动机构来带动摆臂向上摆动，将爬坡轮放置到坡的高处，然后通过爬坡轮将机器人带到坡的高处，机器人就可以有效的完成一个爬坡的过程，这样就能够使得机器人适应多种地形，同时不需要气源和液压源，大大的减少了机器人的体积，摆动电机驱动电路的设置就可以有效的驱动摆动电机的旋转，对摆动电机的旋转达到一个控制的作用，通过第二主控芯片的设置就可以有效的控制第二开关电路内的两个单刀双掷开关，供给两个驱动电机的电源是正向的还是反向的，以控制机器人的摆臂是否向上或是向下摆动，由于电机在旋转的过程中是十分快速的，若是直接将电机的转轴与驱动轮同轴固定，会导致驱动轮旋转过快的问题，因而在这里采用了行星减速器以及大小齿轮的设置，就可以有效的对电机传输到驱动轮上的旋转速度进行一个减速的作用，使得驱动轮拥有合适的转速，同时通过链轮的设置，就可以设置多个同时旋转的驱动轮，进一步增强机器人的地形适应能力，通过传动轴和轴承的设置，就可以有效的将驱动轮的转动与摆臂的转动独立开来，使得两者之间的转动互不影响，这样就可以有效的驱动摆臂上下摆动了。

本发明进一步设置为：所述爬坡轮和驱动轮均为充气轮胎。

通过采用上述技术方案，充气轮胎与地面的接触部分为橡胶，因而机器人在行进的过程中不容易打滑，同时还不会出现履带式机器人在行进的过程中产生较大热量，造成二次事故的问题。

附图说明

图1为本发明的一种自适应地形的多自由度救援机器人的整体结构图；

图2为图1中第一联动机构的整体结构图；

图3为图1中第二联动机构的整体结构图；

图4为图1中驱动电机驱动电路的电路图；

图5为图1中摆动电机驱动电路的电路图；

图6为本发明的一种自适应地形的多自由度救援机器人的地形适应示意图。

图中：1、机器人本体；2、驱动装置；21、驱动轮；22、爬坡轮；23、摆臂；3、驱动电机；4、第一联动机构；41、行星减速器；42、传动大齿轮；43、传动小齿轮；44、链轮；5、摆动电机；6、第二联动机构；61、传动轴；62、轴承；63、大齿轮；64、小齿轮；7、驱动电机驱动电路；71、第一主控芯片；72、第一开关电路；8、摆动电机驱动电路；81、第二主控芯片；82、第二开关电路。

具体实施方式

参照图1所示，本实施例的一种自适应地形的多自由度救援机器人，包括机器人本体1以及设置在下方用于驱动机器人本体1运动的驱动装置2，所述驱动装置2包括设置在机器人本体1下方的驱动轮21和设置在机器人本体1一侧的爬坡轮22，所述爬坡轮22与驱动轮21联动连接，且还通过一摆臂23连接。

通过采用上述技术方案，在救援机器人进行救援的过程中，在平坦的路面时，摆臂23带动爬坡轮22向上翘起，不予地面接触，这时驱动轮21快速转动，驱动机器人在煤矿内的地面上快速移动，这样就可以有效的避免背景技术中履带式机器人移动速度过慢的问题，当遇到上坡或是阶梯时，摆臂23摆动，将爬坡轮22放置到上坡的高处或者是机器人所在阶梯的更高一阶梯，之后爬坡轮22转动，将机器人带到坡的高处或是更高一阶梯，这样就可以有效的完成爬坡或是爬阶梯的动作，相比于现有的轮式机器人，通过摆臂23和爬坡轮22的设置就可以有效适应多种地形，因而本实施例的救援机器人比现有的履带式和轮式机器人更能够适用于煤矿的救援工作。

参照图4所示，本实施例所采用的第一主控芯片71为AT89C51单片机，由于驱动轮21是开环控制的，因而只采用一个51单片机控制两边的驱动轮21，如图所示，第一开关电路72中的主控元件为单刀双掷开关，其余元件为辅助元件，本实施例中的驱动电机3设有2个，分别相对设置在机器人的两侧，同时每一驱动电机3配套设置两个单刀双掷开关作为控制元件，其中的一个单刀双掷开关控制供给驱动电机3的正向电流，另一个单刀双掷开关控制供给驱动电机3的反向电流，因而本实施例所采用的驱动电机3为无刷电机，这样在需要驱动机器人前进的时候，第一主控芯片71输出信号到单刀双掷开关(本实施例所采用的单刀双掷开关为磁保持继电器，其线圈耦接至如图中所示的P10；P11；P3.2；P3.3，通过单片机的这四个引脚来控制磁保持继电器的通断，一个引脚控制两个磁保持继电器线圈)处，信号从51单片机发出，经过如图所示的由3个三极管组成的多级放大电路将这个信号进行放大，在信号放大之后输入到IGBT单管进行PWM调制，然后再与单刀双掷开关相配合来驱动驱动电机3，若是此时四个线圈同时控制单刀双掷开关接通电机的正向电路，那么就会出现同时提供给两个驱动电机3正转的PWM波，那么两个驱动电机3就会同时正转，这样机器人就会前进移动，当机器人需要后退的时候，第一主控芯片71输出信号到单刀双掷开关处，同时提供给两个驱动电机3反转的PWM波，这时两个驱动电机3就会同时反转，这样机器人就会倒退，当主控芯片输出信号到单刀双掷开关处，提供一个驱动电机3正转PWM波，提供另一个驱动电机3反转PWM波，这样机器人就会转弯，这样通过驱动电机3驱动电路的设置，就可以有效的驱动机器人前进、后退和转弯了。

当上述驱动电机3转动之后，第一联动机构4就会动作，在本实施例中，第一联动机构4设有两个，分别相对设置在机器人的相对两侧，对应联动对应侧的驱动轮21，如图2所示，在驱动电机3转动的时候，驱动电机3就会带动传动小齿轮43转动，传动小齿轮43进一步带动传动大齿轮42转动，之后传动大齿轮42带动行星齿轮减速器的输入轴转动，行星齿轮减速器将这个转动减速后从输出轴输出，由于本实施例中链轮44是同轴固定在行星减速器41输出轴上的，所以链轮44就会转动，同时由于每个驱动轮21和爬坡轮22上都设有链轮44，且各个链轮44之间通过链条连接，所以在行星减速器41输出轴上的链轮44转动的时候，就会带动驱动轮21以及爬坡轮22转动，这样就可以有效的驱动机器人前进、后退以及转弯了。

参照图5所示，本实施例的摆动电机驱动电路8包括第二主控芯片81和第二开关电路82，本实施例中，鉴于煤矿防爆要求，摆动电机5仅设置一个，同时根据摆臂23的角度需要，该电机同样为无刷电机，其正转；反转以及调速的原理与驱动电机3驱动电路相同，因而不再赘述，不同之处在于，如图所示，将单片机的P3.2；P3.3和P3.4均连接至一轴角编码器，作为轴角编码器的A；B；C三相电流，因为A相连接外中断P3.2引脚INTO，所以摆臂转动引起的每一个电压脉冲都会触发单片机的外部中断。通过编制INTO中断子函数(此处采用INTO的上升沿中断)，就可以实现对轴角编码器输出脉冲个数的准确计算，经换算后即得转动轴转过的精确角位移。

轴角编码器与机器人的摆臂同轴安装，因此，通过对轴角编码器所输出的相位差90度的两路电压脉冲信号A和B进行鉴相，就能够判别摆臂正转或反转。正转时，A信号的相位超前B信号90度，A信号上升沿时，B信号为低电平。反转时，A信号的相位延后B信号90度，A信号上升沿时，B信号为高电平。因此，通过中INTO中断子函数中读取B信号的电压高低，就可以判别轴角编码器的转向，亦即摆臂的转向，正转时脉冲计数加1，反转时脉冲计数减1。

I相连接外中断INT1，所以摆臂转动经过零点时，会触发单片机的外部中断INT1。通过编制INT1中断子函数(此处采用INT1的上升沿中断)，可以实现对摆臂零度点的校正，以修正角位移的偏差。

摆臂角位移计算公式为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\θ}=\frac{2\mathrm{\π}{D}_{\mathrm{count}}}{N}\\ =\frac{\mathrm{\π}}{180}{D}_{\mathrm{count}}\end{array}$

其中，θ为摆臂的角位移，D_count为脉冲计数值，N为轴角编码器旋转一周输出的脉冲数，此处N＝360。

根据一定时间内轴角编码器转动的角位移，就可求得转动轴的角速率。设ω为T时间内的平均角速率，由于计算角速率所需的时间段足够小，所以可将平均角速率近似为实时角速率。

摆臂角速率计算公式为：

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\θ}\left(n\right)-\mathrm{\θ}(n-1)}{T}$

其中，ω为T时间内的平均角速率，θ(n)为nT时刻摆臂的角位移，这样机器人就可以精确的根据坡的高度来调整摆臂所需要爬升或是下降的距离，这样就可以有效的将爬坡轮22准确有效的放置到坡的高处或是低处，然后通过爬坡轮22的带动进行爬坡的效果，相比背景技术中的现有的轮式机器人拥有更强的地形适应能力。

当上述的摆动电机5旋转之后，第二联动机构66就会动作，如图3所示，当摆动电机5转动之后，其就会带动小齿轮64转动，接着小齿轮64带动大齿轮63转动，大齿轮63就会带动轴承62的轴承套转动，轴承套就会带动摆臂23旋转，这样就可以有效的达到摆动电机5带动摆臂23绕驱动轮21中心转动的效果，而且由于摆臂23和大齿轮63均是通过轴承62与传动轴61连接的，所以摆臂23和大齿轮63之间的转动与传动轴61之间的转动是相互独立的，因而在链轮44带动传动轴61转动，进而带动驱动轮21转动的过程中，摆臂23是不会随之运动的，这样就可以有效的保证了机器人在行进的过程中摆臂23不会出现被带着运动的问题。

并且本实施例中的驱动轮21和爬坡轮22均采用金属轮毂和橡胶轮胎，这样在机器人在煤矿中行进的过程中，是橡胶轮胎与煤矿的地面接触，这样就不会出现背景技术中的履带式机器人由于金属制履带与地面接触导致热量升高，出现二次事故的问题。

在图6中对于煤矿中的不规则地形进行了举例，表示出了本实施例的救援机器人地形适应示例。

综上所述，本实施例的救援机器人，通过驱动轮21、爬坡轮22和摆臂23的设置，不仅能够在平地时快速的运动，同时还很够适应于多种非平地形，同时还不会出现运动过程中产生过多热量，导致二次事故发生的问题。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种自适应地形的多自由度救援机器人，包括机器人本体(1)以及设置在下方用于驱动机器人本体(1)运动的驱动装置(2)，其特征在于：所述驱动装置(2)包括设置在机器人本体(1)下方的驱动轮(21)和设置在机器人本体(1)一侧的爬坡轮(22)，所述爬坡轮(22)与驱动轮(21)联动连接，且还通过一摆臂(23)连接，所述机器人本体(1)内设有驱动电机(3)，所述驱动电机(3)与驱动轮(21)通过第一联动机构(4)联动，所述机器人本体(1)内还设有驱动电机驱动电路(7)，所述驱动电机驱动电路(7)与驱动电机(3)耦接，所述驱动电机驱动电路(7)包括：

第一主控芯片(71)，为AT89C51单片机，该单片机的P10口耦接一电阻后耦接一三极管的基极，且该三极管的集电极耦接一电感后接电源，其中该电感还并联有一二极管，该单片机的P11口耦接一电阻后耦接一三极管的基极，且该三极管的集电极耦接一电感后接电源，其中该电感还并联有一二极管，且该单片机的P3.2口耦接一电阻后接一三极管基极，且该三极管的集电极耦接一电感后接电源，其中该电感还并联有一二极管，该单片机的P3.3口耦接一电阻后耦接一三极管的基极，且该三极管的集电极耦接一电感后接电源，其中该电感还并联有一二极管；

第一开关电路(72)，包括四个单刀双掷开关，其中每两个开关为一组，每组内的两个开关的一端均与一个驱动电机(3)电连接，另一端均电连接至电源，同时还耦接有一二极管，该二极管的阴极与单刀双掷开关耦接，阳极耦接有两个相互并联的开关管，两个开关管的栅极相互连接后与两个三极管耦接，其中一个三极管的发射极与另一个三极管的集电极耦接后与开关管栅极耦接，两个三极管的基极相互连接后耦接一电阻后接电源，同时还耦接一个三极管的集电极，该三极管的发射极接地，基极耦接至上述AT89C51单片机的I/O口；

所述机器人本体(1)内设有摆动电机(5)，所述摆动电机(5)与摆臂(23)通过第二联动机构(6)联动，所述机器人本体(1)内还设有摆动电机驱动电路(8)，所述摆动电机驱动电路(8)与摆动电机(5)耦接，所述摆动电机驱动电路(8)包括：

第二主控芯片(81)，为AT89C51单片机，该单片机的P10口耦接一电阻后耦接一三极管的基极，且该三极管的集电极耦接一电感后接电源，其中该电感还并联有一二极管，该单片机的P11口耦接一电阻后耦接一三极管的基极，且该三极管的集电极耦接一电感后接电源，其中该电感还并联有一二极管，该单片机的P3.2和P3.3口均耦接有一编码器；

第二开关电路(82)，包括两个单刀双掷开关，其一端均与摆动电机(5)电连接，另一端均电连接至电源，同时还耦接有一二极管，该二极管的阴极与单刀双掷开关耦接，阳极耦接有开关管，开关管的栅极与两个三极管耦接，其中一个三极管的发射极与另一个三极管的集电极耦接后与开关管栅极耦接，两个三极管的基极相互连接后耦接一电阻后接电源，同时还耦接一个三极管的集电极，该三极管的发射极接地，基极耦接至上述AT89C51单片机的P2.0口；

所述第一联动机构(4)包括行星减速器(41)、与行星减速器(41)输入轴同轴固定的传动大齿轮(42)、套接在驱动电机(3)转轴上的传动小齿轮(43)以及用于与驱动轮(21)链条传动的链轮(44)，所述传动大齿轮(42)与传动小齿轮(43)相啮合；

所述第二联动机构(6)包括传动轴(61)、与传动轴(61)同轴固定的链轮(44)以及套设在传动轴(61)上的轴承(62)，所述摆臂(23)与轴承(62)的轴承套固定连接，所述轴承(62)的轴承套上同轴固定有大齿轮(63)，所述大齿轮(63)上啮合有小齿轮(64)，且小齿轮(64)与摆动电机(5)转轴同轴固定。

2.根据权利要求1所述的自适应地形的多自由度救援机器人，其特征在于：所述爬坡轮(22)和驱动轮(21)均为充气轮胎。