CN113492935B - 适用于复杂地形的搜救机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机器人相关技术领域，其公开了一种适用于复杂地形的搜救机器人，包括箱体、两组前行星轮组以及两组后行星轮组，其中：两组前行星轮组对称设于箱体前部的左右两侧，两组后行星轮组对称设于箱体后部的左右两侧，前行星轮组和后行星轮组均包括驱动电机、齿轮箱和行星轮，齿轮箱为等边三角形箱体结构，三个角各连接一行星轮，齿轮箱内部设有齿轮，行星轮的转轴与齿轮啮合，驱动电机的输出轴与齿轮箱的输入轴连接；后行星轮组还包括转向电机、主动齿轮和从动齿轮，从动齿轮固定于后行星轮组的齿轮箱上，主动齿轮设于后行星轮组的转向电机的输出轴上，主动齿轮与从动齿轮啮合。该机器人具有更高的越障能力，非常有利于复杂地形的应用。

Description

适用于复杂地形的搜救机器人
技术领域
本发明属于机器人相关技术领域，更具体地，涉及一种适用于复杂地形的搜救机器人。
背景技术
在地震、火灾等事故的救援工作中，搜救现场的复杂性与危险性往往较高，救援人员直接进入危险环境开展救援工作，往往需要面临非常高的风险，使得搜救机器人代替救援人员进入危险现场进行情况勘察与伤员搜救等工作，可有效降低救援人员的危险性，近年来得到广泛研究。
灾害现场地形条件往往比较复杂，要求搜救机器人具有较高的越障能力，并在不同地形条件下具有较高的稳定性。目前的搜救机器人以轮式、履带式、足式以及仿生式为主。履带式越障机器人支撑面积大、下陷度小、地形适应能力强，但其结构复杂质量大，能量利用率低；足式越障机器人运动灵活，地形适应能力强，但其负重比较低，结构和控制都很复杂，其步态控制算法难以满足复杂地形条件下的运动要求；仿生机器人，如蛇形机器人，目前仅被应用于特定任务或特定地形条件，通用性不强。轮式机器人结构简单，控制方便，负重比高，能量效率高，在平坦路面负载行进时较其他种类机器人具有绝对优势，但在崎岖地形下其越障性能较差，该种机器人也是研究最多的机器人。
中国专利CN109911052A提出了一种轮腿复合式机器人，通过轮腿模式的切换兼顾了平坦地面的快速滑行和复杂环境下的避障能力，但是模式的切换需要人工进行，腿式机器人的步态控制算法目前也并不成熟。中国专利CN105035204A提出了另一种轮腿复合式移动机器人，其腿部只有一个自由度，可以通过摆动进行越障，但是其轮径较大，腿重量较重，摆动的话需要较大的电机功率，但其仍然需要人的遥控操作，无法根据地形条件下自身运动做出自主判断。中国专利CN101890986A提出了一种六轮式机构，其中四轮固定，另外两轮摆动，类似于履带式机器人的摆臂，具有较好的地形适应性，但是，该专利同样面临无法自主控制的问题，越障过程中需要人的主动参与，无法对地形做出自主的适应性运动。中国专利CN106892014B提出了一种行星轮式越障机器人，全部采用四组行星轮结构，可针对各种地形做出自适应运动，然而，在跨越较高的单级台阶或多级台阶时，后行星轮驱动电机的转动全部转换为小轮的转动，前行星轮又难以提供足够的拉力使得后行星轮的行星架转动，其结果是此类结构往往只有前行星轮能够爬上台阶，后行星轮无法爬上台阶。中国专利CN205632713U提出了一种主动式行星轮系越障机器人底盘，传动机构采用轴套轴结构实现了行星轮的主动翻转，具有更高的越障能力，但其传动机构中使用了大量的锥齿轮传动机构，传动机构过于复杂，使用稳定性难以保证。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于复杂地形的搜救机器人，该机器人具有更高的越障能力，非常有利于复杂地形的应用。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于复杂地形的搜救机器人，所述机器人包括箱体、两组前行星轮组以及两组后行星轮组，其中：两组前行星轮组对称设于所述箱体前部的左右两侧，两组后行星轮组对称设于所述箱体后部的左右两侧，所述前行星轮组和后行星轮组均包括驱动电机、齿轮箱和行星轮，所述齿轮箱为等边三角形箱体结构，三个角各连接一行星轮，所述齿轮箱内部设有齿轮，所述行星轮的转轴与所述齿轮啮合，所述驱动电机的输出轴与所述齿轮箱的输入轴连接，用于带动所述齿轮转动进而带动所述行星轮转动；所述后行星轮组还包括转向电机、主动齿轮和从动齿轮，所述从动齿轮固定于所述后行星轮组的齿轮箱上，所述主动齿轮设于所述后行星轮组的转向电机的输出轴上，所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合，进而实现所述后行星轮组的齿轮箱的转动。
优选地，所述齿轮箱内部包括一主齿轮和三个副齿轮，所述三个副齿轮均布于所述主齿轮***并与所述主齿轮啮合，所述行星轮的转轴与所述副齿轮啮合，所述主齿轮的转轴与所述驱动电机的输出轴连接。
优选地，所述副齿轮的转动轴与主齿轮的转动轴之间设有离合结构，当所述副齿轮啮合的行星轮离开地面时，所述副齿轮与所述主齿轮处于离合状态。
优选地，所述离合结构为弹簧，所述弹簧的弹力根据所述箱体的重力确定，以使得在所述箱体的重力下弹簧被压缩，对应的接地的行星轮啮合的副齿轮与主齿轮啮合。
优选地，所述箱体包括前箱体和后箱体，所述前箱体与后箱体之间刚性连接，所述前行星轮组设于所述前箱体上，所述后行星轮组设于所述后箱体上。
优选地，所述机器人还包括控制单元，用于控制所述后行星轮组中驱动电机和转向电机的工作。
优选地，所述机器人还包括位移监测单元，所述位移监测单元与所述控制单元连接，所述位移监测单元用于实时监测所述箱体的位移，当监测到所述箱体的位移为零时，则实现所述启动转向电机工作。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的适用于复杂地形的搜救机器人具有如下有益效果：
1.本申请中机器人的转轮均采用行星轮，行星轮组的整体转动可以跨越小障碍物，当遇到大障碍物时，行星轮组会出现打滑的现象，本申请设置了转动电机以为行星轮的转动提供大的助力推动整个机器人跨越大的障碍物；
2.本申请的齿轮箱内的主齿轮和副齿轮之间设有离合结构，使得不接触地面的行星轮处于离合状态，不会出现行星轮的空转，节约能源，同时降低由于悬空行星轮的转动对周围物体的伤害；
3.本申请的离合结构优选为弹簧，结构简单也不会额外增加机器人的重量，易于实现；
4.本申请中的控制单元和位移监测单元可以精准的控制的驱动单元和转动单元的运动，使得两者交替运动，可以对机器人的工作模式进行精准控制。
附图说明
图1是本实施例中适用于复杂地形的搜救机器人的结构示意图；
图2是本实施例中前行星轮组的结构示意图；
图3是本实施例中右侧的后行星轮组的结构示意图；
图4是本实施例中左侧的后行星轮组的结构示意图；
图5A是本实施例中前行星轮组接触到第一级台阶时的状态示意图；
图5B是本实施例中前行星轮组翻越到第一级台阶时的状态示意图；
图5C是本实施例中前行星轮组接触到第二级台阶时的状态示意图；
图5D是本实施例中前行星轮组翻越到第二级台阶时的状态示意图
图5E是本实施例中适用于复杂地形的搜救机器人成功翻越第一级台阶时的状态示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
100-箱体；110-前箱体；120-后箱体；200-前行星轮组；300-后行星轮组；210，310-驱动电机；220，320-齿轮箱；230，330-行星轮；340-转向电机；350-主动齿轮；360-从动齿轮。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明提供了一种适用于复杂地形的搜救机器人，所述机器人包括箱体100、两组前行星轮组200以及两组后行星轮组300。
两组前行星轮组200对称设于所述箱体100前部的左右两侧，两组后行星轮组300对称设于所述箱体100后部的左右两侧。如图2～图4所示，所述前行星轮组200和后行星轮组300均包括驱动电机210，310、齿轮箱220，320和行星轮230，330，所述齿轮箱220，320为等边三角形箱体结构，三个角各连接一行星轮230，330，所述齿轮箱220，320内部设有齿轮，所述行星轮230，330的转轴与所述齿轮啮合，所述驱动电机210，310的输出轴与所述齿轮箱220，320的输入轴连接，用于带动所述齿轮转动进而带动所述行星轮230，330转动。
所述齿轮箱220，320内部包括一主齿轮和三个副齿轮，所述三个副齿轮均布于所述主齿轮***并与所述主齿轮啮合，所述行星轮的转轴与所述副齿轮啮合，所述主齿轮的转轴与所述驱动电机210，310的输出轴连接。在遇到小的障碍物时，与障碍物直接接触的行星轮230，330会被卡住不再转动，对应的会使得主齿轮的转动受阻进而使得驱动电机210，310的转动转化为对应的齿轮箱220，320的转动。
所述副齿轮的转动轴与主齿轮的转动轴之间设有离合结构，当所述副齿轮啮合的行星轮离开地面时，所述副齿轮与所述主齿轮处于离合状态。
进一步优选的，所述离合结构为弹簧，所述弹簧的弹力根据所述箱体的重力确定，以使得在所述箱体的重力下弹簧被压缩，对应的接地的行星轮啮合的副齿轮与主齿轮啮合。
所述箱体100还可以分段设计，例如包括前箱体110和后箱体120，所述前箱体110与后箱体120之间刚性连接以使得后箱体120可以向前箱体110输出力，所述前行星轮组200设于所述前箱体110上，所述后行星轮组300设于所述后箱体120上。
所述后行星轮组300还包括转向电机340、主动齿轮350和从动齿轮360，所述从动齿轮360固定于所述后行星轮组300的齿轮箱320上，所述主动齿轮350设于所述后行星轮组300的转向电机340的输出轴上，所述主动齿轮350与所述从动齿轮360啮合，进而实现所述后行星轮组300的齿轮箱320的转动。
所述机器人还包括控制单元，用于控制所述后行星轮组300中驱动电机310和转向电机340的工作。
所述机器人还包括位移监测单元，所述位移监测单元与所述控制单元连接，所述位移监测单元用于实时监测所述箱体100的位移，当监测到所述箱体100的位移为零时，则说明此事机器人出现了打滑现象，此时则启动转向电机340工作。
后行星轮组组300可以实现两种运动模式，即被动模式和主动模式。被动模式下，驱动电机310转动，转向电机340不转动。驱动电机310的转动通过齿轮箱320传递给行星轮330。在遇到小障碍物时，行星轮330的运动受阻，驱动电机310的转动转化为齿轮箱320的整体转动。在主动模式下，驱动电机310不转动，转向电机340转动，转向电机340的转动通过主动齿轮350、从动齿轮360传递到齿轮箱320，直接带动齿轮箱320的整体旋转，由于齿轮箱320的尺寸远远大于行星轮330的尺寸，因此可以通过更高的障碍物。
本申请中的机器人尤其适用于多台阶路况中，如图5A所示，第一阶段，前行星轮组200接触到第一级台阶，台阶的高度大于行星轮230的直径，无法自行越过，此时后行星轮组300在被动模式下提供驱动力，辅助前行星轮组200翻越第一级台阶，如图5B所示。继续前行过程中，前行星轮组200接触到第二级台阶，如图5C所示，同样的后行星轮组300在被动模式下提供驱动力，辅助前行星轮组200翻越第二级台阶，此时后行星轮组300接触到第一级台阶，在主动模式下自行翻过第一级台阶，如图5D所示，同时驱动前行星轮组200翻越第二级台阶，此时机器人已成功爬上第一级台阶如图5E所示，重复以上步骤即可实现多级台阶的越障操作。
综上所述，本申请采用四行星轮的结构形式，前行星轮组采用单电机控制方式，行根据地形条件与机器人当前运动状况被动运动。后行星轮组采用双电机控制方式，可以根据地形条件与机器人当前运动状况被动运动也可以主动翻转，使得机器人可以兼顾较高的地形通过性，本机器人结构简单，灵活性高，非常适用于商业应用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适用于复杂地形的搜救机器人，其特征在于，所述机器人包括箱体、两组前行星轮组以及两组后行星轮组，其中：
两组前行星轮组对称设于所述箱体前部的左右两侧，两组后行星轮组对称设于所述箱体后部的左右两侧，所述前行星轮组和后行星轮组均包括驱动电机、齿轮箱和行星轮，所述齿轮箱为等边三角形箱体结构，三个角各连接一行星轮，所述齿轮箱内部设有齿轮，所述行星轮的转轴与所述齿轮啮合，所述驱动电机的输出轴与所述齿轮箱的输入轴连接，用于带动所述齿轮转动进而带动所述行星轮转动；
所述后行星轮组还包括转向电机、主动齿轮和从动齿轮，所述从动齿轮固定于所述后行星轮组的齿轮箱上，所述主动齿轮设于所述后行星轮组的转向电机的输出轴上，所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合，进而实现所述后行星轮组的齿轮箱的转动；
所述齿轮箱内部包括一主齿轮和三个副齿轮，所述三个副齿轮均布于所述主齿轮***并与所述主齿轮啮合，所述行星轮的转轴与所述副齿轮啮合，所述主齿轮的转轴与所述驱动电机的输出轴连接；所述副齿轮的转动轴与主齿轮的转动轴之间设有离合结构，当所述副齿轮啮合的行星轮离开地面时，所述副齿轮与所述主齿轮自动切换成离合状态；所述离合结构为弹簧，所述弹簧的弹力根据所述箱体的重力确定，当所述副齿轮啮合的行星轮接触地面时，以使得在所述箱体的重力下弹簧被压缩，对应的接地的行星轮啮合的副齿轮与主齿轮啮合。
2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述箱体包括前箱体和后箱体，所述前箱体与后箱体之间刚性连接，所述前行星轮组设于所述前箱体上，所述后行星轮组设于所述后箱体上。
3.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述机器人还包括控制单元，用于控制所述后行星轮组中驱动电机和转向电机的工作。
4.根据权利要求3所述的机器人，其特征在于，所述机器人还包括位移监测单元，所述位移监测单元与所述控制单元连接，所述位移监测单元用于实时监测所述箱体的位移，当监测到所述箱体的位移为零时，则启动转向电机工作。
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