CN108248707A - 适应狭小空间的模块化机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及移动机器人领域，具体地说是一种适应狭小空间的模块化机器人，包括摄像机云台、连接模块和移动模块，两个移动模块通过连接模块连接，摄像机云台安装在第一移动模块前端；所述移动模块包括壳体、移动履带单元、动力传动***和驱动电机，其中驱动电机和动力传动***设置于壳体前端，动力传动***包括输出传动机构、蜗杆、多个蜗轮和多个分动传动机构，蜗杆通过驱动电机驱动转动，驱动电机通过输出传动机构传递转矩，多个蜗轮沿着蜗杆的圆周方向均布，每个移动履带单元通过不同的蜗轮驱动，且该蜗轮通过任一分动传动机构传递转矩，摄像机云台的控制***设于第一移动模块的壳体内。本发明可在狭小空间内行走越障，并具有多种监测功能。
Description
技术领域
本发明涉及移动机器人领域，具体地说是一种适应狭小空间的模块化机器人。
背景技术
电缆沟是按设计要求开挖并砌筑，沟的侧壁焊接承力角钢架并按要求接地，上面盖以盖板的地下沟道，是敷设电缆的地下专用通道。电缆沟内潮湿闷热，存在垃圾与杂物堆积、积水与淤泥、废旧电缆未拆除等多种问题，加上电缆绝缘层老化可能引起火灾以及地下环境长期密封导致有害气体积累，人工巡检存在很大难度，这就要求应用于电缆沟内的巡检机器人除具备良好的移动性能外，还需要具有良好的地形适应能力、越障能力和满足标准要求的防尘防水性能，此外，还应具备反馈电缆沟内实时状况的视觉、温湿度、气体检测能力，而现有的巡检机器人由于自身尺寸条件的局限性并不能进入狭小空间进行巡检作业。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适应狭小空间的模块化机器人，能够在狭小空间内行走越障，具有监测图像、温湿度、气体等功能，机械结构防水防尘，可实现电网地下设施自动化定期巡检，及时发现故障隐患，降低电缆事故发生率。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种适应狭小空间的模块化机器人，包括摄像机云台、连接模块和两个移动模块，所述两个移动模块通过连接模块连接，所述摄像机云台安装在前侧的第一移动模块前端；所述移动模块包括壳体、移动履带单元、动力传动***和驱动电机，其中移动履带单元分设于壳体各侧，驱动电机和动力传动***均设置于壳体前端，所述动力传动***包括输出传动机构、蜗杆、多个蜗轮和多个分动传动机构，所述蜗杆通过所述驱动电机驱动转动，且所述驱动电机通过所述输出传动机构传递转矩，所述多个蜗轮沿着所述蜗杆的圆周方向均布，所述壳体每一侧的移动履带单元通过任一蜗轮驱动，且所述蜗轮通过任一分动传动机构传递转矩，所述摄像机云台的控制***设置于所述第一移动模块的壳体内，所述移动履带单元前端设有一段向内侧倾斜的倾斜段。
所述动力传动***中的输出传动机构包括两个啮合的传动齿轮，其中第一传动齿轮设置于所述驱动电机的电机输出轴上，第二传动齿轮设置于所述蜗杆的蜗杆轴。
所述分动传动机构为一个同步带传动机构，其中主动带轮设置于蜗轮的蜗轮轴上，所述移动履带单元前端设有履带驱动轮，所述主动带轮通过同步带与所述履带驱动轮相连。
所述移动履带单元包括第一履带、第二履带、履带轮轴和行驶轮，在所述壳体每个表面两侧均设有履带轮轴固定架，所述履带轮轴两端分别安装在两侧的履带轮轴固定架上，在所述履带轮轴上设有履带支撑轮，所述第一履带和第二履带通过各个履带轮轴上的履带支撑轮支撑，每个履带轮轴两端均设有行驶轮，所述移动履带单元最前端的履带轮轴上设有履带驱动轮。
在所述移动履带单元最前端的履带轮轴前侧设有一个履带诱导轮轴，在所述履带诱导轮轴上设有履带诱导轮，所述第一履带和第二履带的最前端向内侧倾斜并通过所述履带诱导轮轴上的履带诱导轮支撑。
在所述移动履带单元的折弯处设有一个履带张紧轮轴，在所述履带张紧轮轴上设有两个履带张紧轮，其中第一履带绕过第一履带张紧轮后向内侧倾斜，第二履带绕过第二履带张紧轮后向内侧倾斜。
所述两个移动模块前端均设有支杆，所述履带诱导轮轴和履带张紧轮轴两端分别固装在两侧的支杆上。
所述连接模块包括俯仰舵机、横摆舵机、第一舵机固定架、第二舵机固定架和十字连接架，所述第一舵机固定架和第二舵机固定架分别铰接于十字连接架上，且所述第一舵机固定架俯仰摆动，所述第二舵机固定架水平转动，俯仰舵机安装在所述第一舵机固定架上，横摆舵机安装在所述第二舵机固定架上。
本发明的优点与积极效果为：
1、本发明体积小巧、结构紧凑、重量轻，采用IP65防水防尘设计，能够进入空间狭小且环境复杂的地下电缆沟道空间，实现前进、后退、转向等功能。
2、本发明具有较强的地面适应能力和越障能力，其独有的四面“履带+行驶轮”结构能够避免机器人在行驶过程中壳体与地面或墙体的碰撞，并无视行驶过程中可能出现的侧翻问题，此外，机器人能够实现在电缆沟内跨越不同高度的电缆线等障碍物，并根据障碍物的大小自主选取越障形式，机器人移动模块之间的连接模块可以在主动控制和被动柔顺之间进行切换，更好地适应电缆沟内的路面环境；
3、本发明能够测量电缆沟内的温、湿度以及有害气体成分，发现故障隐患、降低电缆事故率，避免由于人工巡检可能遇到的各种危险因素。
4、本发明的各项功能指标如下：能穿过200mm以上的地下电缆沟；重量小于15kg；续航能力大于5h；最大行走速度大于0.9km/h；能翻越200mm高的障碍，直接越障能越过30mm高障碍物；极限爬坡角度为60°；负载能力大于2kg；最小转弯半径为587.5mm；机身防护等级可达IP65。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图，
图2为本发明的第一移动模块示意图，
图3为本发明移动模块上的移动履带单元示意图，
图4为本发明移动模块上的动力传动***示意图，
图5为本发明移动模块之间的连接模块示意图，
图6为本发明的直接越障流程图，
图7为本发明抬起第一移动模块并利用履带前段越障流程图，
图8为本发明抬起第一移动模块并利用履带后段越障流程图，
图9为本发明的越障极限位置示意图，
图10为本发明的铰接转向示意图，
图11为本发明的抬起移动模块转向流程示意图。
其中，1为摄像机云台，2为第一移动模块，3为连接模块，4为第二移动模块，5为动力传动***，6为前壳体盖板，7为壳体，8为移动履带单元，9为后壳体盖板，10为履带轮轴固定架，11为履带诱导轮，12为履带诱导轮轴，13为履带驱动轮，14为第一履带张紧轮，15为第一履带，16为履带张紧轮轴，17为第二履带张紧轮，18为行驶轮，19为履带支撑轮，20为履带轮轴，21为第二履带，22为驱动电机，23为同步带，24为主动带轮，25为蜗轮，26为蜗轮轴，27为蜗杆，28为第二传动齿轮，29为第一传动齿轮，30为电机输出轴，31为第二舵机固定架，32为横摆舵机，33为第一舵机固定架，34为十字连接架，35为俯仰舵机。
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所示，本发明包括摄像机云台1、第一移动模块2、第二移动模块4和连接模块3，所述两个移动模块通过连接模块3连接，所述摄像机云台1安装在前侧的第一移动模块2前端。
如图2～4所示，所述移动模块包括壳体7、履带组件、动力传动***5和驱动电机22，其中所述履带组件包括多个移动履带单元8，所述壳体7呈长方形，在所述壳体7上下侧和左右侧均设有一个移动履带单元8，驱动电机22和动力传动***5均设置于壳体7前端，如图4所示，所述动力传动***5包括输出传动机构、蜗杆27、多个蜗轮25和多个分动传动机构，所述蜗杆27通过所述驱动电机22驱动转动，所述驱动电机22通过所述输出传动机构传递转矩，所述多个蜗轮25沿着所述蜗杆27的圆周方向均布且每个蜗轮25对应一个移动履带单元8，所述蜗杆27转动即驱动所述多个蜗轮25同步转动，如图3所示，在所述壳体7每一侧的移动履带单元8前端均设有一个履带驱动轮13，所述多个蜗轮25分别通过一个分动传动机构与壳体7各侧的移动履带单元8上的履带驱动轮13相连，从而实现驱动各个移动履带单元8同步移动。
如图4所示，动力传动***5中的输出传动机构包括两个啮合的传动齿轮，其中第一传动齿轮29设置于所述驱动电机22的电机输出轴30上，第二传动齿轮28设置于所述蜗杆27的蜗杆轴，所述分动传动机构为一个同步带传动机构，其中主动带轮24设置于所述蜗轮25的蜗轮轴26上，所述主动带轮24通过同步带23与所述履带驱动轮13相连。
如图3所示，所述移动履带单元8包括第一履带15、第二履带21、履带轮轴20和行驶轮18，如图2所示，在所述壳体7每个表面两侧均设有横截面呈L型的履带轮轴固定架10，所述履带轮轴20两端分别安装在所述履带轮轴固定架10上，在所述履带轮轴20上设有履带支撑轮19，所述第一履带15和第二履带21通过各个履带轮轴20上的履带支撑轮19支撑，每个履带轮轴20两端均设有行驶轮18，这种“履带+行驶轮”的结构能够避免机器人在行驶的过程中侧向倾斜时可能出现的壳体7与地面或墙体碰撞现象，所述履带驱动轮13设置于移动履带单元8最前端的履带轮轴20上。在所述最前端的履带轮轴20前侧还设有一个履带诱导轮轴12，在移动模块前端设有支杆，所述履带诱导轮轴12长度短于所述履带轮轴20且两端分别固装在两侧支杆上，如图2所示，第一移动模块2前端的所述摄像机云台1通过所述支杆固定，在所述履带诱导轮轴12上设有履带诱导轮11，所述第一履带15和第二履带21向内侧倾斜的端部通过所述履带诱导轮轴12上的履带诱导轮11支撑，所述移动履带单元8前端的倾斜段可以辅助移动模块实现多种越障形式。
如图3所示，为了保证第一履带15和第二履带21张紧，在所述移动履带单元8的两个履带折弯处还设有一个履带张紧轮轴16，所述履带张紧轮轴16长度也短于所述履带轮轴20且两端分别固装在移动模块前端的支杆上，在所述履带张紧轮轴16上设有两个履带张紧轮，其中第一履带15绕过第一履带张紧轮14后向内侧倾斜，第二履带21绕过第二履带张紧轮17后向内侧倾斜。
如图5所示，所述连接模块3包括俯仰舵机35、横摆舵机32、第一舵机固定架33、第二舵机固定架31和十字连接架34，所述第一舵机固定架33和第二舵机固定架31分别铰接于十字连接架34上，且所述第一舵机固定架33俯仰摆动，所述第二舵机固定架31水平转动，俯仰舵机35安装在所述第一舵机固定架33上，横摆舵机32安装在所述第二舵机固定架31上，俯仰和水平摆动两个自由度均可以实现主动和被动的切换，当机器人行走时，所述连接模块3被动控制，以适应不规则的地面环境，当机器人需要越障或转弯时，所述连接模块3主动控制，可以实现对同构移动单元的俯仰和横摆偏角调整。所述俯仰舵机35和横摆舵机32为本领域公知技术。
如图2所示，在所述壳体7前端设有前壳体盖板6，在所述壳体7后端设有后壳体盖板9，控制***中的各种控制模块、传感器组以及无线传输模块均设置于所述壳体7中，所述壳体7为封闭结构，保证内部元件不受管道、电缆沟等阴暗潮湿环境影响。
本发明的工作原理为：
如图6～8所示，本发明有三种越障形式：
第一种为直接越障，电缆沟内环境复杂，机器人在巡检过程中需要克服砂石路面上各种大小不一的石子所形成的路面障碍，当障碍物的高度不大于所述移动履带单元8前端倾斜段端部的离地高度时，机器人可以不用改变任何姿态轻松越过，如图6所示。
第二种当机器人遇到横穿地面的电缆线或者其他尺寸较大的障碍物，无法直接越障时，可以通过抬起前端第一移动模块2并使所述第一移动模块2的移动履带单元8前端倾斜段置于障碍物上进行越障，如图7所示。
第三种为机器人在碰到障碍物之前即抬起前端的第一移动模块2，在碰到障碍物时，所述第一移动模块2的移动履带单元8主体平直段置于障碍物上进行越障，如图8所示。
另外如图9所示，本发明的越障极限位置为当机器人抬起前端第一移动模块2的质心高度超过障碍物的高度时，机器人才能平稳越过障碍，其中C1为机器人前端第一移动模块2的重心位置，l1为C1距连接模块3俯仰转动中心的距离，H为移动模块的高度，准备越障时，机器人后端的第二移动模块4保持紧贴地面，前端第一移动模块2抬起角度为关节俯仰转角θ，此时可以越过的障碍物高度h计算如下：
如图10所示，当机器人在平面上进行铰接转向时，可以看成是绕着平面内某一点的旋转运动，假设机器人逆时针方向进行转向，两个移动模块的重心均在移动模块的中心位置，分别为点C1和点C2，瞬时旋转中心为点O，r1和r2分别为两个模块的旋转半径，后端第二移动模块4与前端第一移动模块2的水平夹角为φ，关节模块旋转点P距离点C1和点C2的长度分别为l1和l2，则前端第一移动模块2的旋转半径r1计算公式为：
如图11所示，以机器人向左转向为例，当机器人通过轮流抬起前后两端的移动模块向左转向时，机器人由初始姿态按顺序执行以下操作：机器人连接模块俯仰舵机35旋转α角度，前端第一移动模块2抬起；机器人连接模块横摆舵机32旋转β角度，前端第一移动模块2悬空左转；机器人连接模块俯仰舵机旋转35-α角度，前端第一移动模块2着地；机器人连接模块俯仰舵机35旋转α角度，后端第二移动模块4抬起；机器人连接模块横摆舵机32旋转-β角度，后端第二移动模块4悬空左转；机器人连接模块俯仰舵机35旋转-α角度，后端第二移动模块4着地；至此为一个周期，此时，与初始状态相比，机器人姿态不变，整体向左旋转了β角度。当所需旋转角度较大时，机器人可以重复多个周期，以达到目标旋转角度。
Claims (8)
1.一种适应狭小空间的模块化机器人，其特征在于：包括摄像机云台(1)、连接模块(3)和两个移动模块，所述两个移动模块通过连接模块(3)连接，所述摄像机云台(1)安装在前侧的第一移动模块(2)前端；所述移动模块包括壳体(7)、移动履带单元(8)、动力传动***(5)和驱动电机(22)，其中移动履带单元(8)分设于壳体(7)各侧，驱动电机(22)和动力传动***(5)均设置于壳体(7)前端，所述动力传动***(5)包括输出传动机构、蜗杆(27)、多个蜗轮(25)和多个分动传动机构，所述蜗杆(27)通过所述驱动电机(22)驱动转动，且所述驱动电机(22)通过所述输出传动机构传递转矩，所述多个蜗轮(25)沿着所述蜗杆(27)的圆周方向均布，所述壳体(7)每一侧的移动履带单元(8)通过任一蜗轮(25)驱动，且所述蜗轮(25)通过任一分动传动机构传递转矩，所述摄像机云台(1)的控制***设置于所述第一移动模块(2)的壳体(7)内，所述移动履带单元(8)前端设有一段向内侧倾斜的倾斜段。
2.根据权利要求1所述的适应狭小空间的模块化机器人，其特征在于：所述动力传动***(5)中的输出传动机构包括两个啮合的传动齿轮，其中第一传动齿轮(29)设置于所述驱动电机(22)的电机输出轴(30)上，第二传动齿轮(28)设置于所述蜗杆(27)的蜗杆轴。
3.根据权利要求1所述的适应狭小空间的模块化机器人，其特征在于：所述分动传动机构为一个同步带传动机构，其中主动带轮(24)设置于蜗轮(25)的蜗轮轴(26)上，所述移动履带单元(8)前端设有履带驱动轮(13)，所述主动带轮(24)通过同步带(23)与所述履带驱动轮(13)相连。
4.根据权利要求1所述的适应狭小空间的模块化机器人，其特征在于：所述移动履带单元(8)包括第一履带(15)、第二履带(21)、履带轮轴(20)和行驶轮(18)，在所述壳体(7)每个表面两侧均设有履带轮轴固定架(10)，所述履带轮轴(20)两端分别安装在两侧的履带轮轴固定架(10)上，在所述履带轮轴(20)上设有履带支撑轮(19)，所述第一履带(15)和第二履带(21)通过各个履带轮轴(20)上的履带支撑轮(19)支撑，每个履带轮轴(20)两端均设有行驶轮(18)，所述移动履带单元(8)最前端的履带轮轴(20)上设有履带驱动轮(13)。
5.根据权利要求4所述的适应狭小空间的模块化机器人，其特征在于：在所述移动履带单元(8)最前端的履带轮轴(20)前侧设有一个履带诱导轮轴(12)，在所述履带诱导轮轴(12)上设有履带诱导轮(11)，所述第一履带(15)和第二履带(21)的最前端向内侧倾斜并通过所述履带诱导轮轴(12)上的履带诱导轮(11)支撑。
6.根据权利要求5所述的适应狭小空间的模块化机器人，其特征在于：在所述移动履带单元(8)的折弯处设有一个履带张紧轮轴(16)，在所述履带张紧轮轴(16)上设有两个履带张紧轮，其中第一履带(15)绕过第一履带张紧轮(14)后向内侧倾斜，第二履带(21)绕过第二履带张紧轮(17)后向内侧倾斜。
7.根据权利要求6所述的适应狭小空间的模块化机器人，其特征在于：所述两个移动模块前端均设有支杆，所述履带诱导轮轴(12)和履带张紧轮轴(16)两端分别固装在两侧的支杆上。
8.根据权利要求1所述的适应狭小空间的模块化机器人，其特征在于：所述连接模块(3)包括俯仰舵机(35)、横摆舵机(32)、第一舵机固定架(33)、第二舵机固定架(31)和十字连接架(34)，所述第一舵机固定架(33)和第二舵机固定架(31)分别铰接于十字连接架(34)上，且所述第一舵机固定架(33)俯仰摆动，所述第二舵机固定架(31)水平转动，俯仰舵机(35)安装在所述第一舵机固定架(33)上，横摆舵机(32)安装在所述第二舵机固定架(31)上。
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