CN112550505A - 一种适用于狭小空间操作的模块化机器人 - Google Patents

Abstract

一种适用于狭小空间操作的模块化机器人，包括末端模块单元、立方体关节模块单元以及基座；三个立方体关节模块单元形成一组关节单元，一组关节单元中三个立方体关节模块单元的转轴依次与x轴(横滚)、y轴(航向)及z轴(俯仰)平行；模块化机器人由若干组关节单元依相同的排布连接而成。位于根部的立方体关节模块单元安装在基座上，位于最远端的立方体关节模块单元前端安装末端模块单元；基座与机械臂或其他运动机构末端法兰相连接，控制模块化机器人进入或退出狭小空间；末端模块单元辅助模块化机器人实现狭缝内避障运动，同时用于在狭小空间中执行观察探测和/或其他任务操作。本发明可以实现狭小空间内非接触式运动、多次灵活转弯等功能。

Description

一种适用于狭小空间操作的模块化机器人

技术领域

本发明属于智能机器人领域，涉及一种适用于狭小空间操作的模块化机器人。

背景技术

在抢险救灾、厂房设施巡检等应用场景中，都涉及到对建筑物或设备等之间的狭缝内部进行探测、检查、操作的工作任务。目前工业用的机械臂臂杆尺寸相对较大，难以深入细小狭缝中进行操作，也难以在形态复杂的狭缝空间中灵活运动。

目前可用于狭小空间探测与操作的机器人主要有两类，一类是无基座的蛇形机器人，一类是带有基座的柔性脊柱式蛇形操作臂。无基座蛇形机器人由多个关节连接而成，依靠接触面摩擦，通过蜿蜒等步态移动；带有基座的柔性脊柱式蛇形操作臂侧面具有若干条可牵拉的绳索，通过在基座牵拉绳索可以使蛇形操作臂向不同方向弯曲，实现操作臂在狭缝中弯曲运动功能。

现有用于狭小空间操作的机器人中，蛇形机器人需要利用接触摩擦移动，需要接触表面具有一定粗糙度，且存在划伤狭缝表面的可能，因此不适用于狭缝表面光滑的应用场合，也不适用于为避免表面划伤而进行非接触式探测的场合。柔性脊柱式蛇形操作臂虽然可以依托基座实现狭缝非接触式探测与操作，但通过绳索牵拉的方式难以实现蛇形操作臂在狭缝内部的多次反复弯折，其操作灵活性受限，无法适用于内部结构复杂的狭缝环境。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种适用于狭小空间操作的模块化机器人，可以实现狭小空间内非接触式运动、多次灵活转弯等运动功能，能够完成狭小空间内部观察探测或执行相关操作等任务。

本发明的技术解决方案是：

一种适用于狭小空间操作的模块化机器人，包括末端模块单元、立方体关节模块单元以及基座；

若干个立方体关节模块单元连接起来，形成一个序列，能够实现任意方向的转向，位于根部的立方体关节模块单元安装在基座上，位于最远端的立方体关节模块单元前端安装末端模块单元；

基座与机械臂或其他运动机构末端法兰相连接，通过机械臂或其他运动机构的运动，控制模块化机器人进入或退出狭小空间；

末端模块单元表面安装接近传感器，用于感知末端模块单元附近的障碍物，辅助模块化机器人实现狭缝内避障运动；内部安装探测和/或操作执行装置，用于在狭小空间中运动到位后执行观察探测和/或其他任务操作。

三个立方体关节模块单元连接，形成一组关节单元，一组关节单元中三个立方体关节模块单元的转轴依次与x轴、y轴及z轴平行；

模块化机器人由若干组关节单元依相同的排布连接而成。

每个立方体关节模块单元的转轴连接其两个相对表面中心，具有1个转动自由度。

每个立方体关节模块单元内部均包括定子和转子、定子内部设置驱动电机、角度传感器和控制器；

驱动电机输出轴与转子相连，根据控制器的控制指令转动，进而驱动转子绕转轴旋转；

角度传感器实时采集立方体关节模块单元的转角，并反馈给控制器；

接近传感器用于感知立方体关节模块单元周围的障碍物，并反馈给控制器；

控制器根据周围障碍物情况和当前转角，确定立方体关节模块单元的旋转角度，据此向驱动电机发送控制指令。

立方体关节模块单元的转子能够绕定子上的转轴相对定子进行旋转，旋转角度范围不小于-90°～90°。

立方体关节模块单元侧面具有标准化机电接口。

所述模块化机器人的转动时序如下：

从与末端模块单元相连接的第1个立方体关节模块单元开始，每3个立方体关节模块单元为一组，首先由与末端模块单元连接的第1组3个立方体关节模块单元同时旋转，使末端模块单元对准预定空间指向方向；

当第1组3个立方体关节模块单元全部旋转完成后，第2组3个立方体关节模块单元同时开始旋转，重复第1组3个立方体关节模块单元的旋转运动，同时第1组3个立方体关节模块单元按照与第2组3个立方体关节模块单元大小相同、方向相反的角速度反向旋转，转动角度与第2组3个立方体关节模块单元相同；

当第2组3个立方体关节模块单元转动完成后，第3组3个立方体关节模块单元同时开始旋转，重复第2组3个立方体关节模块单元的旋转运动，同时第2组3个立方体关节模块单元按照与第3组3个立方体关节模块单元大小相同、方向相反的角速度反向旋转，转动角度与第3组3个立方体关节模块单元相同；

以此类推，直到该模块化机器人全部立方体关节模块单元完成转向为止。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明与传统蛇形机器人相比，可以实现狭小空间内部非接触式探测与任务执行，不会对狭缝表面造成划伤破坏。

(2)与传统柔性脊柱式蛇形操作臂相比，本发明能够在狭缝内部多次反复弯折，能够适应更为复杂的狭缝环境。

(3)本发明采用标准化立方体关节模块单元，通过增加或减少关节模块单元数量的方式，实现结构及功能的扩展与变更，同时提高维修维护便利性。

附图说明

图1是本发明的一种适用于狭小空间操作的模块化机器人结构示意图；

图2是本发明所述立方体关节模块单元结构示意图；

图3是本发明所述立方体关节模块单元转轴相对位置关系示意图；

图4是本发明所述模块化机器人转向示意图；

附图标记：1-末端模块单元，2-立方体关节模块单元，3-基座，21-定子，22-转子，311、312-转轴平行于x轴方向的立方体关节模块单元，321、322-转轴平行于y轴方向的立方体关节模块单元，331、332-转轴平行于z轴方向的立方体关节模块单元。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明一种适用于狭小空间操作的模块化机器人包括末端模块单元1、若干立方体关节模块单元2以及基座3。

若干个立方体关节模块单元2连接起来，形成一个序列，能够实现任意方向的转向，位于根部的立方体关节模块单元2安装在基座上，位于最远端的立方体关节模块单元2前端安装末端模块单元1。

基座3与机械臂或其他运动机构末端法兰相连接，通过机械臂或其他运动机构的运动，控制模块化机器人进入或退出狭小空间。

末端模块单元1可以根据需要，在内部安装相机、手爪等执行装置，用于在狭小空间中运动到位后执行观察探测以及其他任务操作。末端模块单元1为立方体结构，正面及四个侧面均安装接近传感器，在机器人狭缝行进过程中可以探测狭缝壁及狭缝内部的障碍物，并引导机器人规避。末端模块单元1背面安装在最远端的立方体关节模块单元2前端。

每个立方体关节模块单元2的转轴连接其两个相对表面中心，具有1个转动自由度。立方体关节模块单元2的转轴垂直于立方体关节模块单元2相对的两侧面。

立方体关节模块单元2包括定子21与转子22，如图2所示。定子21内置驱动电机、角度传感器及控制器，外侧面安装接近传感器。关节模块单元2内的驱动电机输出轴与转子22相连，驱动转子22可以绕转轴旋转，使关节模块单元2具备1个转动自由度。关节模块单元2内的驱动电机与角度传感器组合使关节模块单元2转角可控。接近传感器用于感知关节模块单元2周围的障碍物。驱动电机、角度传感器及接近传感器均通过内置于定子21中的控制器进行控制。

具体地，驱动电机输出轴与转子22相连，根据控制器的控制指令转动，进而驱动转子22绕转轴旋转。角度传感器实时采集立方体关节模块单元2的转角，并反馈给控制器。接近传感器用于感知立方体关节模块单元2周围的障碍物，并反馈给控制器。控制器根据周围障碍物情况和当前转角，确定立方体关节模块单元2的旋转角度，据此向驱动电机发送控制指令。转子可相对定子在不小于-90°～90°范围内旋转。

立方体关节模块单元侧面具有标准化机电接口，用于连接其他立方体关节模块单元。

基座3可以与机械臂或其他运动机构末端法兰相连接，通过机械臂或其他运动机构的运动，可控制模块化机器人进入或退出狭缝。

三个立方体关节模块单元2连接，形成一组关节单元，一组关节单元中三个立方体关节模块单元的转轴两两垂直，依次与x轴(横滚)、y轴(航向)及z轴(俯仰)平行，如图3所示。立方体关节模块单元2可以按照图3的方式连接，形成一个关节单元，并将若干按图3方式连接的关节单元组合连接起来，即可构成如图1所示的模块化机器人整体构型。

图3中，为了表示立方体关节模块单元转轴方向不同，将转轴平行于x轴方向的立方体关节模块单元记为311、312，将转轴平行于y轴方向的立方体关节模块单元记为321、322，将转轴平行于z轴方向的立方体关节模块单元记为331、332。

311、321、331、312、322、332均为立方体关节模块单元，311、321、331为一组关节单元，312、322、332为一组关节单元。模块化机器人由若干组关节单元依相同的排布连接而成。立方体关节模块单元321与331的合成旋转运动为向任意方向的旋转运动，此时若固定立方体关节模块单元311不动，则立方体关节模块单元331与321的合成旋转运动可以使末端模块单元1可达范围为半球面，可以满足三维狭缝空间内的运动和使用要求。当立方体模块单元321与331通过合成旋转使末端模块单元1面向预定方向后，控制立方体模块单元311绕x轴旋转，可以使末端模块单元1转动至预定姿态角度。

本发明所述模块化机器人，在狭缝中运动时具备根据狭缝形状向不同方向转弯，并保证全部立方体关节模块单元均可通过狭缝内部转弯位置。如图4所示，利用关节模块单元321与331的合成旋转运动，模块化机器人在狭缝内可以向任意方向转弯。如在图4中，直角坐标系x轴与末端模块单元1右侧面垂直且过右侧面中心位置，y轴、z轴分别与末端模块单元1右侧面棱边平行，设模块化机器人向与直线OA平行的方向转向，直线OA与平面xOy夹角为θ，A点在平面xOy的投影A′与点O连线OA′与x轴夹角为α，则立方体关节模块单元321、331转角(α′,θ′)应满足如下几何关系：

本发明所述模块化机器人，为了保证模块化机器人各关节模块单元均能依次通过狭缝内部转弯处完成转弯，在转弯过程中，如图3所示，关节单元311、321及331同时开始旋转，全部旋转到位后，关节单元312、322及332应当重复前一关节单元311、321及331的运动，同时关节单元311、321及331应当以与关节单元312、322及332大小相同、方向相反的旋转角速度旋转，直到关节单元312、322及332完成转弯运动为止。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种适用于狭小空间操作的模块化机器人，其特征在于：包括末端模块单元(1)、立方体关节模块单元(2)以及基座(3)；

若干个立方体关节模块单元(2)连接起来，形成一个序列，能够实现任意方向的转向，位于根部的立方体关节模块单元(2)安装在基座上，位于最远端的立方体关节模块单元(2)前端安装末端模块单元(1)；

基座(3)与机械臂或其他运动机构末端法兰相连接，通过机械臂或其他运动机构的运动，控制模块化机器人进入或退出狭小空间；

末端模块单元(1)表面安装接近传感器，用于感知末端模块单元(1)附近的障碍物，辅助模块化机器人实现狭缝内避障运动；内部安装探测和/或操作执行装置，用于在狭小空间中运动到位后执行观察探测和/或其他任务操作。

2.根据权利要求1所述的一种适用于狭小空间操作的模块化机器人，其特征在于：三个立方体关节模块单元(2)连接，形成一组关节单元，一组关节单元中三个立方体关节模块单元的转轴依次与x轴、y轴及z轴平行；

模块化机器人由若干组关节单元依相同的排布连接而成。

3.根据权利要求2所述的一种适用于狭小空间操作的模块化机器人，其特征在于：每个立方体关节模块单元(2)的转轴连接其两个相对表面中心，具有1个转动自由度。

4.根据权利要求2所述的一种适用于狭小空间操作的模块化机器人，其特征在于：每个立方体关节模块单元(2)内部均包括定子(21)和转子(22)、定子内部设置驱动电机、角度传感器和控制器；

驱动电机输出轴与转子(22)相连，根据控制器的控制指令转动，进而驱动转子(22)绕转轴旋转；

角度传感器实时采集立方体关节模块单元(2)的转角，并反馈给控制器；

接近传感器用于感知立方体关节模块单元(2)周围的障碍物，并反馈给控制器；

控制器根据周围障碍物情况和当前转角，确定立方体关节模块单元(2)的旋转角度，据此向驱动电机发送控制指令。

5.根据权利要求4所述的一种适用于狭小空间操作的模块化机器人，其特征在于：立方体关节模块单元(2)的转子能够绕定子上的转轴相对定子进行旋转，旋转角度范围不小于-90°～90°。

6.根据权利要求4所述的一种适用于狭小空间操作的模块化机器人，其特征在于：立方体关节模块单元(2)侧面具有标准化机电接口。

7.根据权利要求2所述的一种适用于狭小空间操作的模块化机器人，其特征在于：所述模块化机器人的转动时序如下：

从与末端模块单元(1)相连接的第1个立方体关节模块单元(2)开始，每3个立方体关节模块单元(2)为一组，首先由与末端模块单元(1)连接的第1组3个立方体关节模块单元(2)同时旋转，使末端模块单元(1)对准预定空间指向方向；

当第1组3个立方体关节模块单元(2)全部旋转完成后，第2组3个立方体关节模块单元(2)同时开始旋转，重复第1组3个立方体关节模块单元(2)的旋转运动，同时第1组3个立方体关节模块单元(2)按照与第2组3个立方体关节模块单元(2)大小相同、方向相反的角速度反向旋转，转动角度与第2组3个立方体关节模块单元(2)相同；

当第2组3个立方体关节模块单元(2)转动完成后，第3组3个立方体关节模块单元(2)同时开始旋转，重复第2组3个立方体关节模块单元(2)的旋转运动，同时第2组3个立方体关节模块单元(2)按照与第3组3个立方体关节模块单元(2)大小相同、方向相反的角速度反向旋转，转动角度与第3组3个立方体关节模块单元(2)相同；

以此类推，直到该模块化机器人全部立方体关节模块单元(2)完成转向为止。

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