CN106914882B - 一种啄取采样机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人领域，具体地说是一种啄取采样机器人，回转关节安装在车身内，转台的一端与回转关节连接，另一端安装有俯仰关节，颈部的一端与俯仰关节相连，另一端转动安装有头部；车身的两侧分别设有前、后车轮架，两侧的所述前车轮架均与车身转动连接，两侧的后车轮架均固接在所述车身上，前、后车轮架上均转动安装有车轮；头部、颈部、俯仰关节及回转台均通过回转关节带动转动，头部及颈部通过俯仰关节带动往复俯仰摆动，头部的一端为敲击端，另一端为啄击端，由颈部的舵机A通过传动机构A驱动转换。本发明采用基于啄木鸟的仿生采样机构，能够对岩石和沙土进行采样，外观独特，结构简单新颖，控制灵活，工作可靠性高。

Description

一种啄取采样机器人

技术领域

本发明属于机器人领域，具体地说是一种啄取采样机器人。

背景技术

在近几十年中，随着航天科技的发展，各国的航天活动日益频繁，深空探测已引起美国、欧洲和日本等国的极大关注，各国纷纷制定自己的发展规划。为了进一步了解地球发展，考察探索太阳系，人类需对深空进行探测。深空探测分为不同的阶段，从小到大主要有月球探测、行星探测、行星际探测和星际探测。通过深空探测，能帮助人类研究太阳系及宇宙的起源和发展，进一步了解地球环境的演变，认识地球自然***和空间现象之间的关联。然而，在深空探测的领域，我国与世界强国仍有很大差距，必须加快研究步伐。从现实和长远来看，对深空的探测和开发都具有十分重要的科学和经济意义。

为了进一步探测外太空，我国须借助采样技术从地外星体上取回样本，并在地面实验室对地外星体环境、地质构造、矿物成分等众多方面进行研究。采样研究是这些地外星体探测的重要一环，也是开展探测的主要目的之一。采样装置的研究设计是探测过程中不可缺少的重要环节，空间采样***要求采样机构空间尺寸紧凑、采样效率高，能够适应地外星体表面低重力、强辐射及昼夜温差大等特点；因此，研究新型的地外星体表层采样机构具有重要意义。

发明内容

为了满足研究新型地外星体表层取样的要求，本发明的目的在于提供一种啄取采样机器人。该啄取采样机器人采用基于啄木鸟的仿生采样机构，能够对岩石和沙土进行采样。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括头部、颈部、俯仰关节、回转台、回转关节、前车轮架、车轮、后车轮架及车身，其中回转关节安装在车身内，所述回转台的一端与该回转关节连接，另一端安装有所述俯仰关节，所述颈部的一端与俯仰关节相连，另一端转动安装有所述头部；所述车身的两侧分别设有前车轮架及后车轮架，两侧的所述前车轮架均与车身转动连接，两侧的所述后车轮架均固接在所述车身上，所述前车轮架及后车轮架上均转动安装有车轮；所述头部、颈部、俯仰关节及回转台均通过回转关节带动转动，所述头部及颈部通过俯仰关节带动往复俯仰摆动，所述头部的一端为敲击端，另一端为啄击端，由所述颈部的舵机A通过传动机构A驱动转换。

其中：所述头部一端的敲击端为用于敲击的圆柱平头，另一端的啄击端为用于啄击的四棱锥形状，该四棱锥的任一侧面上开有用于取样的凹槽；所述颈部包括颈部安装箱、舵机A及传动机构A，该颈部安装箱的一端与所述俯仰关节相连，另一端与所述头部转动连接，所述舵机A安装在颈部安装箱内，通过所述传动机构A与头部相连，通过该舵机A驱动所述头部在敲击端与啄击端之间转换；

所述俯仰关节包括舵机B、关节内壳、关节外壳及传动机构B，该关节内壳安装在所述回转台上，所述关节外壳位于关节内壳的***，一端与该关节内壳转动连接，另一端与所述回转台转动连接，且所述关节外壳的另一端与所述颈部的一端相连；所述舵机B安装在关节内壳内，输出轴通过所述传动机构B与关节外壳相连接，通过所述关节外壳带动颈部及头部往复俯仰摆动；所述传动机构B包括内齿轮A及外齿圈A，该内齿轮A与所述舵机B的输出轴相连，所述外齿圈A安装在所述关节外壳另一端的内表面，并与所述内齿轮A啮合传动；所述回转台包括底板及分别安装在该底板两侧的侧板A、侧板B，该底板安装在所述回转关节上，所述关节内壳固接在侧板B上，所述关节外壳的另一端与所述侧板A转动连接；

所述回转关节包括舵机C、关节内套、关节外套及传动机构C，该关节内套安装在所述车身上，所述关节外套位于关节内套的***，并与该关节内套转动连接，所述回转台的一端安装在该关节外套上；所述舵机C安装在关节内套内，输出轴通过所述传动机构C与关节外套相连接，通过所述关节外套带动回转台、俯仰关节、颈部及头部转动；所述传动机构C包括内齿轮B及外齿圈B，该内齿轮B与所述舵机C的输出轴相连，所述外齿圈B安装在所述关节外套的内表面，并与所述内齿轮B啮合传动；

所述车轮包括舵机D、轮体、轴承盖及输出轴，该舵机D安装在前车轮架或后车轮架的内侧，所述轮体转动安装在所述前车轮架或后车轮架的外侧，所述输出轴的一端与舵机D的输出轴相连，另一端通过轴承盖与所述轮体连接，所述轮体通过舵机D的驱动转动；所述前车轮架呈倒置的“V”字形，该“V”字形开口两端均安装有所述车轮，所述后车轮架的一端固接在车身上，另一端安装有所述车轮；所述轮体的外圆周表面为凹槽式履刺结构，即该轮体的外圆周表面均布有多个履刺，相邻履刺之间形成凹槽。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明采用基于啄木鸟的仿生采样机构，产生的冲击力大，可靠性强，能实现对高硬度岩石的开采。

2.本发明结构简单、新颖，整个机器人共有三个关节(回转关节、俯仰关节、颈部的舵机带动头部)，进行采样时仅需控制一个关节，采样精确度高。

3.本发明利用头部凹槽采样，方式简单，易于控制，采样效率高。

4.本发明的车轮表面采用凹槽式履刺，可限制沙土的侧向流动而使牵引效率提高，增加与接触面摩擦力，实现快速平稳移动。

5.本发明的前车轮架为随动***，可适应上坡、下坡、障碍物多种路况；后车轮架固定于车身上，使啄取时车体保持稳定。

6.本发明结构紧凑，外观小巧，重量轻，功耗小。

附图说明

图1为本发明的整体结构左视图；

图2为本发明车身内部的结构示意图；

图3为本发明的整体结构后视图；

图4为本发明的整体结构俯视图；

图5为本发明颈部的结构示意图；

图6为本发明俯仰关节及回转台的剖面图；

图7为本发明回转关节的剖面图；

图8为本发明车轮及后车轮架的剖面图；

其中：1为头部，2为颈部，3为俯仰关节，4为回转台，5为回转关节，6为前车轮架，7为车轮，8为后车架，9为车身，10为舵机，11带传动机构，12为舵机，13为轴承，14为关节外壳，15为关节内壳，16为外齿圈，17为内齿轮，18为轴承，19为侧板，20为底板，21为侧板，22为关节外套，23为外齿圈，24为轴承，25为关节内套，26为舵机，27为内齿轮，28为轮体，29为轴承盖，30为输出轴，31为轴承，32为舵机，33为卡簧，34为颈部安装箱，35为背板，36为车身侧板，37为后板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～4所示，本发明包括头部1、颈部2、俯仰关节3、回转台4、回转关节5、前车轮架6、车轮7、后车轮架8及车身9，其中回转关节5安装在车身9内，回转台4的一端与该回转关节5连接，另一端安装有俯仰关节3，颈部2的一端与俯仰关节3相连，另一端转动安装有头部1。车身9的两侧分别设有前车轮架6及后车轮架8，两侧的前车轮架6均与车身9转动连接，两侧的后车轮架8均固接在车身9上，前车轮架6及后车轮架8上均转动安装有车轮7。前车轮架6为随动***(即可相对车身9转动)，增加啄取采样机器人的爬坡和越障能力，后车轮架8固定在车身9上，使啄取采样机器人工作时更为稳定。本发明的车轮7共六个，车身9的两侧各有三个；前车轮架6呈倒置的“V”字形，该“V”字形开口两端均安装车轮7，后车轮架7的一端固接在车身9上，另一端安装车轮7。头部1、颈部2、俯仰关节3及回转台4均通过回转关节5带动转动，头部1及颈部2通过俯仰关节3带动往复俯仰摆动。头部1的一端为敲击端，该敲击端为圆柱平头，用来实现敲击功能，可在采样过程中对较坚硬岩石样本进行敲击；头部1的另一端为啄击端，该啄击端为四棱锥形状，并在四棱锥的任一侧面上开有凹槽，可利用锥尖对岩石表面进行啄击，也可***沙土进行挖掘采样。

回转关节5安装在车身9的一端，车身9的另一端(即车身9背部)利用后板37、两侧的车身侧板36及倾斜的背板35形成了承装样品的斗。

如图5所示，颈部2为中空的箱型结构，包括颈部安装箱34、舵机A10及传动机构A，该颈部安装箱34的一端与俯仰关节3相连，另一端与头部1转动连接，舵机A10安装在颈部安装箱34内，通过传动机构A与头部1相连。本实施例的传动机构A为带传动机构11，舵机A10的输出轴上连接有带轮A，颈部安装箱34的另一端设有带轮B，带轮A与带轮B通过皮带相连；带轮B的轮轴转动安装在颈部安装箱34的另一端，头部1与带轮B的轮轴连动，进而通过舵机A10驱动头部1转动、在敲击端与啄击端之间转换。

如图6所示，回转台4包括底板20及分别固定在底板20两侧的侧板A19、侧板B21，底板20固接在回转关节5上。

俯仰关节3包括舵机B12、关节内壳15、关节外壳14及传动机构B，该关节内壳15固接在侧板B21上，关节外壳14位于关节内壳15的***，一端通过轴承A13与关节内壳15转动连接，另一端通过轴承B18与侧板A19转动连接，且关节外壳14的另一端与颈部安装箱34的一端固连。关节内壳15和关节外壳14之间由轴承A13支撑，轴承A13内圈与关节内壳15配合，外圈与关节外壳14配合；关节外壳14与侧板A19之间由轴承B18支撑，轴承B18内圈与关节外壳14配合，外圈与侧板A19配合。这样使颈部2和回转台4由俯仰关节3连接形成转动副。舵机B12安装在关节内壳15内，输出轴通过传动机构B与关节外壳14相连接，通过关节外壳14带动颈部2及头部1往复俯仰摆动。本实施例的传动机构B包括内齿轮A17及外齿圈A16，该内齿轮A17与舵机B12的输出轴相连，外齿圈A16安装在关节外壳14另一端的内表面，并与内齿轮A17啮合传动，利用内齿轮17和外齿圈16的啮合将舵机B12的动力传递给关节外壳14，进而传递给颈部2。

如图7所示，回转关节5包括舵机C26、关节内套25、关节外套22及传动机构C，该关节内套25固接在车身9上，关节外套22位于关节内套25的***，并通过轴承C24与关节内套25转动连接，回转台4的一端固定在该关节外套22上。关节内套25和关节外套22之间由轴承C24支撑，这样使回转台4和车身9之间由回转关节5连接形成转动副。舵机C26安装在关节内套25内，输出轴通过传动机构C与关节外套22相连接，通过关节外套22带动回转台4、俯仰关节3、颈部2及头部1转动。本实施例的传动机构C包括内齿轮B27及外齿圈B23，该内齿轮B27与舵机C26的输出轴相连，外齿圈B23安装在关节外套25的内表面，并与内齿轮B27啮合传动，利用内齿轮27B和外齿圈B23的啮合将舵机C26的动力传递给回转台4。

如图8所示，车轮7包括舵机D32、轮体28、轴承盖29、输出轴30、轴承D31及卡簧33，该舵机D32通过机架固定在前车轮架6或后车轮架8的内侧，轮体28通过轴承D31转动安装在前车轮架6或后车轮架8的外侧；输出轴30的一端与舵机D32的输出轴固接，另一端与轴承盖29固接。轮体28与前车轮架6或后车轮架8之间由轴承D31支撑，轴承D31的内圈与前车轮架6或后车轮架8配合，外圈与轮体28配合。轮体28与轴承盖29固连，舵机D32输出的动力通过输出轴30传递给轴承盖29，进而传递给轮体28，给啄取采样机器人提供行进动力。轮体28的外圆周表面为凹槽式履刺结构，即该轮体28的外圆周表面均布有多个履刺，相邻履刺之间形成凹槽；凹槽式履刺结构的设计增加了与接触面的摩擦力，实现快速平稳移动。

车身9的内部布置有主电路板、电池及线路，电池通过线路与各个舵机电连接。

本发明的工作原理为：

由电池为车轮7上的舵机D32供电，并通过主电路板对舵机D32的转速加以控制，以实现啄取采样机器人的直行与转弯，到达采样地点后停止行走。由电池为回转关节4的舵机C26供电，使回转台4带动颈部2转动至待开采样本所在方向；为颈部2的舵机A10供电，使头部1四棱锥的尖端所指方向垂直于颈部2方向向前(或向后)，然后为俯仰关节3的舵机B12供电，使颈部2带动头部1对样品进行啄击(或敲击)。对于采集沙土样本，可利用颈部2的舵机A10和俯仰关节3的舵机B12配合转动，进行挖掘采样。而后利用颈部2的舵机A10和俯仰关节3的舵机B12配合转动，将采集的样品卸入车身9背部的斗中。

本发明通过按照不同的方案来驱动俯仰关节、回转关节及运动副实现直行、转向、啄取样本及收集样本的采样工作。

Claims (8)

1.一种啄取采样机器人，其特征在于：包括头部(1)、颈部(2)、俯仰关节(3)、回转台(4)、回转关节(5)、前车轮架(6)、车轮(7)、后车轮架(8)及车身(9)，其中回转关节(5)安装在车身(9)内，所述回转台(4)的一端与该回转关节(5)连接，另一端安装有所述俯仰关节(3)，所述颈部(2)的一端与俯仰关节(3)相连，另一端转动安装有所述头部(1)；所述车身(9)的两侧分别设有前车轮架(6)及后车轮架(8)，两侧的所述前车轮架(6)均与车身(9)转动连接，两侧的所述后车轮架(8)均固接在所述车身(9)上，所述前车轮架(6)及后车轮架(8)上均转动安装有车轮(7)；所述头部(1)、颈部(2)、俯仰关节(3)及回转台(4)均通过回转关节(5)带动转动，所述头部(1)及颈部(2)通过俯仰关节(3)带动往复俯仰摆动，所述头部(1)的一端为敲击端，另一端为啄击端，由所述颈部(2)的舵机A(10)通过传动机构A驱动转换；

所述头部(1)一端的敲击端为用于敲击的圆柱平头，另一端的啄击端为用于啄击的四棱锥形状，该四棱锥的任一侧面上开有用于取样的凹槽；

所述颈部(2)包括颈部安装箱(34)、舵机A(10)及传动机构A，该颈部安装箱(34)的一端与所述俯仰关节(3)相连，另一端与所述头部(1)转动连接，所述舵机A(10)安装在颈部安装箱(34)内，通过所述传动机构A与头部(1)相连，通过该舵机A(10)驱动所述头部(1)在敲击端与啄击端之间转换。

2.按权利要求1所述的啄取采样机器人，其特征在于：所述俯仰关节(3)包括舵机B(12)、关节内壳(15)、关节外壳(14)及传动机构B，该关节内壳(15)安装在所述回转台(4)上，所述关节外壳(14)位于关节内壳(15)的***，一端与该关节内壳(15)转动连接，另一端与所述回转台(4)转动连接，且所述关节外壳(14)的另一端与所述颈部(2)的一端相连；所述舵机B(12)安装在关节内壳(15)内，输出轴通过所述传动机构B与关节外壳(14)相连接，通过所述关节外壳(14)带动颈部(2)及头部(1)往复俯仰摆动。

3.按权利要求2所述的啄取采样机器人，其特征在于：所述传动机构B包括内齿轮A(17)及外齿圈A(16)，该内齿轮A(17)与所述舵机B(12)的输出轴相连，所述外齿圈A(16)安装在所述关节外壳(14)另一端的内表面，并与所述内齿轮A(17)啮合传动。

4.按权利要求2所述的啄取采样机器人，其特征在于：所述回转台(4)包括底板(20)及分别安装在该底板(20)两侧的侧板A(19)、侧板B(21)，该底板(20)安装在所述回转关节(5)上，所述关节内壳(15)固接在侧板B(21)上，所述关节外壳(14)的另一端与所述侧板A(19)转动连接。

5.按权利要求1所述的啄取采样机器人，其特征在于：所述回转关节(5)包括舵机C(26)、关节内套(25)、关节外套(22)及传动机构C，该关节内套(25)安装在所述车身(9)上，所述关节外套(22)位于关节内套(25)的***，并与该关节内套(25)转动连接，所述回转台(4)的一端安装在该关节外套(22)上；所述舵机C(26)安装在关节内套(25)内，输出轴通过所述传动机构C与关节外套(22)相连接，通过所述关节外套(22)带动回转台(4)、俯仰关节(3)、颈部(2)及头部(1)转动。

6.按权利要求5所述的啄取采样机器人，其特征在于：所述传动机构C包括内齿轮B(27)及外齿圈B(23)，该内齿轮B(27)与所述舵机C(26)的输出轴相连，所述外齿圈B(23)安装在所述关节外套(22)的内表面，并与所述内齿轮B(27)啮合传动。

7.按权利要求1所述的啄取采样机器人，其特征在于：所述车轮(7)包括舵机D(32)、轮体(28)、轴承盖(29)及输出轴(30)，该舵机D(32)安装在前车轮架(6)或后车轮架(8)的内侧，所述轮体(28)转动安装在所述前车轮架(6)或后车轮架(8)的外侧，所述输出轴(30)的一端与舵机D(32)的输出轴相连，另一端通过轴承盖(29)与所述轮体(28)连接，所述轮体(28)通过舵机D(32)的驱动转动。

8.按权利要求7所述的啄取采样机器人，其特征在于：所述前车轮架(6)呈倒置的“V”字形，该“V”字形开口两端均安装有所述车轮(7)，所述后车轮架(8)的一端固接在车身(9)上，另一端安装有所述车轮(7)；所述轮体(28)的外圆周表面为凹槽式履刺结构，即该轮体(28)的外圆周表面均布有多个履刺，相邻履刺之间形成凹槽。