CN115465025A - 轮-履-腿两栖移动救援机器人 - Google Patents

轮-履-腿两栖移动救援机器人 Download PDF

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CN115465025A CN202211127237.7A CN202211127237A CN115465025A CN 115465025 A CN115465025 A CN 115465025A CN 202211127237 A CN202211127237 A CN 202211127237A CN 115465025 A CN115465025 A CN 115465025A
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芮宏斌
段凯文
郭璇
厍龙林
彭家璇
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Xian University of Technology
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Abstract

本发明公开了轮‑履‑腿两栖移动救援机器人，包括机身，机身顶部依次设置有挖臂总成、驾驶舱、发动机舱，机身上靠近挖臂总成的侧壁两端分别设置有前支腿总成，机身上远离挖臂总成的侧壁两端分别设置有后支腿总成，机身位于挖臂总成两侧的侧壁上对称的设置有履带总成，机身的顶部且靠近发动机舱的一端转动连接有定位桩总成，机身上远离挖臂总成的侧壁上设置有推进器，机身上且位于履带总成上方设置有浮箱。本发明机器人解决了现有救援机器人在复杂两栖环境下移动能力弱且在水中最大作业深度低的问题。

Description

轮-履-腿两栖移动救援机器人
技术领域
本发明属于救援机器人技术领域，涉及轮-履-腿两栖移动救援机器人。
背景技术
两栖移动救援机器人是一种适用于陆地、沼泽软地面及浅水作业环境的多用途工程机械。行走装置采用多体船式浮箱结构及密封箱形履带板，能在淤泥及水面安全行走与作业。两栖移动救援机器人被广泛而高效地应用于地震、泥石流、滑坡等重特大自然灾害引发的堰塞湖、建筑物和隧道坍塌等事故中，另外，两栖移动救援机器人在部分水利工程、湿地沼泽与滩涂的资源开发和环境整治挖掘作业中仍可以发挥较大的作用。
应急救援移动机器人行走机构主要有轮式、腿式和履带式三种移动机构。这三种机构各有所长，也各有所短。轮式速度快，但地形适应能力差；腿式灵活机动，但速度慢且不易控制；履带式越障能力强，但能耗大且转向困难。虽然上述两栖救援机器人具有在湿地及浅水域行驶、作业的能力，但由于其行走装置结构大部分为履带浮箱，并通过浮箱等结构在水中漂浮作业，无水中定位装置，这导致机器人在地表起伏较大的复杂地形和水陆交界地带的移动能力较差，履带行走方式不能够支撑机器攀爬大坡度地形，不能够支持机器翻越垂直距离较高的垂直断面地形，不能够使机器跨越较大跨度的壕沟；并且在进行反铲作业等任务时，机身会因铲斗与水底接触产生的反支力发生位移，也会因挖臂回转导致的重心偏移产生倾斜，机器不能在较深的水域进行作业。
发明内容
本发明的目的是提供轮-履-腿两栖移动救援机器人，解决了现有救援机器人在复杂两栖环境下移动能力弱且在水中最大作业深度低的问题。
本发明所采用的技术方案是，轮-履-腿两栖移动救援机器人，包括机身，机身顶部依次设置有挖臂总成、驾驶舱、发动机舱，机身上靠近挖臂总成的侧壁两端分别设置有前支腿总成，机身上远离挖臂总成的侧壁两端分别设置有后支腿总成，机身位于挖臂总成两侧的侧壁上对称的设置有履带总成，机身的顶部且靠近发动机舱的一端转动连接有定位桩总成，机身上远离挖臂总成的侧壁上设置有推进器，机身上且位于履带总成上方设置有浮箱。
本发明的特征还在于，
挖臂总成包括设置于机身顶部的动臂耳座，动臂耳座顶部与动臂的一端铰接，动臂的另一端与斗杆的一端铰接，斗杆的另一端分别与伸臂连杆的一端、铲斗铰接，伸臂连杆的另一端与铲斗连杆的一端铰接，铲斗连杆的另一端与铲斗铰接，动臂耳座靠近前支腿总成的一端与动臂油缸的缸体铰接，动臂油缸的推杆与动臂铰接，斗杆靠近动臂的一端与斗杆油缸的推杆铰接，斗杆油缸的缸体和动臂铰接，铲斗油缸的推杆与铲斗连杆连接，铲斗油缸的缸体与斗杆铰接。
前支腿总成包括前转架，前转架与机身铰接，前转架的底端与支腿A的一端铰接，支腿A的另一端通过定位轴套A与轴A连接，轴A的两端分别设置有沼泽轮A，前转架的顶端与伸腿油缸A的缸体铰接，伸腿油缸A的推杆与支腿A铰接，前转架的侧壁与转腿油缸A的推杆铰接，转腿油缸A的缸体与机身铰接且位于机身靠近挖臂总成的端部。
后支腿总成包括后转架，后转架与机身铰接，后转架的底端与支腿B的一端铰接，支腿B的另一端通过定位轴套B与轴B连接，轴B的两端分别设置有沼泽轮B，后转架的顶端与伸腿油缸B的缸体铰接，伸腿油缸B的推杆与支腿B铰接，后转架的侧壁与转腿油缸B的推杆铰接，转腿油缸B的缸体与机身铰接且设置于机身位于挖臂总成两侧的侧壁上。
定位桩总成包括转轴，转轴与机身靠近发动机舱的一端连转动连接，转轴上固结有轴套连杆，轴套连杆与转轴油缸的推杆铰接，转轴油缸的缸体与设置于机身顶部的转轴油缸支架板铰接，转轴的两端分别固结有摇臂，摇臂内部设置有通槽，摇臂上依次设置有定位桩油缸安装底座、定位桩油缸支架，通槽内套设有定位桩，定位桩远离通槽的一端套设有定位套筒，定位套筒与定位桩油缸的推杆铰接，定位桩油缸的缸体穿过定位桩油缸支架与定位桩油缸安装底座连接。
定位桩上沿其轴向均匀的设置有若干螺纹孔，螺纹孔与定位套筒通过螺钉连接。
履带总成包括转动连接于机身侧壁上的主动链轮和被动链轮，主动链轮和被动链轮之间及主动链轮和被动链轮的下方均设置有若干过渡轮，过渡轮与机身转动连接，主动链轮、被动链轮及若干过渡轮上套设有履带，主动链轮通过联轴器与设置于机身内的减速器连接，减速器与液压马达的输出轴连接，液压马达与液压泵连接，液压泵分别与发动机和液压油箱连接。
本发明的有益效果是，本发明轮-履-腿两栖移动救援机器人，提高了救援机器人在复杂两栖环境下的移动能力，增大了在水中作业时的最大作业深度及提高了在水中作业时的稳定性与作业精度。
附图说明
图1是本发明轮-履-腿两栖移动救援机器人的结构示意图；
图2是本发明轮-履-腿两栖移动救援机器人中挖臂总成的结构示意图；
图3是本发明轮-履-腿两栖移动救援机器人中前支腿总成的结构示意图；
图4是本发明轮-履-腿两栖移动救援机器人中后支腿总成的结构示意图；
图5是本发明轮-履-腿两栖移动救援机器人中定位桩总成的结构示意图；
图6是本发明轮-履-腿两栖移动救援机器人中定位桩与定位套筒的结构示意图；
图7是本发明轮-履-腿两栖移动救援机器人中履带总成的结构示意图；
图8是本发明轮-履-腿两栖移动救援机器人仿海龟履带动力总成示意图；
图9是本发明轮-履-腿两栖移动救援机器人仿海龟爬行步态时序图；
图10是本发明轮-履-腿两栖移动救援机器人仿海龟爬行步态简图。
图中，1.挖臂总成，2.前支腿总成，3.机身，4.后支腿总成，5.推进器，6.定位桩总成，7.发动机舱，8.驾驶舱9.履带总成；
11.动臂耳座，12.动臂，13.动臂油缸，14.斗杆油缸，15.斗杆，16.铲斗油缸，17.伸臂连杆，18.铲斗连杆，19.铲斗；
21.沼泽轮A，22.定位轴套A，23.轴A，24.伸腿油缸A，25.转腿油缸A，26.前转架，27.支腿A；
41.后转架，42.沼泽轮B，43.支腿B，44.轴B，45.伸腿油缸B，46.转腿油缸B；
61.摇臂，62.定位桩油缸安装底座，63.定位桩油缸支架，64.定位桩油缸，65.定位桩，66.定位套筒，67.转轴油缸，68.轴套连杆，69.转轴，70.转轴油缸支架板，71.通槽，72.螺纹孔；
91.履带，92.过渡轮，93.主动链轮，94.承重轮，95.被动链轮，96.控制阀组，97.液压泵，98.发动机，99.液压油箱，100.液压马达，101.联轴器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种轮-履-腿两栖移动救援机器人，如图1所示，包括机身3，机身3为中空结构，能够减轻机器人整体重量，利于其浮于水面，机身3顶部依次设置有挖臂总成1、驾驶舱8、发动机舱7，驾驶舱8用于驾驶人员控制机器人的行走、姿态变换及挖臂总成作业，发动机舱7用于为机器人提供动力，发动机舱7内设置有液压油箱99、发动机98、液压泵97、控制阀组96，机身3上靠近挖臂总成1的侧壁两端分别设置有前支腿总成2，机身3上远离挖臂总成1的侧壁两端分别设置有后支腿总成4，机身3位于挖臂总成1两侧的侧壁上对称的设置有履带总成9，机身3的顶部且靠近发动机舱7的一端转动连接有定位桩总成6，机身3上远离挖臂总成1的侧壁上设置有推进器5，推进器5为两个且并列对称的设置于机身3侧壁上，用于实现机器人在水中的前进、后退和差速转向，机身3上且位于履带总成9上方设置有浮箱，浮箱能够是机器人浮于水面。本发明中机器人可实现在复杂地面环境下的越障爬行，适应从陆地到浅水域，再到深水域两栖环境，完成抢险救灾和清淤疏浚工作。
如图2所示，挖臂总成1包括设置于机身3顶部的动臂耳座11，动臂耳座11顶部与动臂12的一端铰接，动臂12的另一端与斗杆15的一端铰接，斗杆15的另一端分别与伸臂连杆17的一端、铲斗19铰接，伸臂连杆17的另一端与铲斗连杆18的一端铰接，铲斗连杆18的另一端与铲斗19铰接，动臂耳座11靠近前支腿总成2的一端与动臂油缸13的缸体铰接，动臂油缸13的推杆与动臂12铰接，动臂油缸13为两个，分别位于动臂12的两侧且对称设置，通过控制动臂油缸13的伸缩可以控制动臂12的高低位置与作业面的角度，斗杆15靠近动臂12的一端与斗杆油缸14的推杆铰接，斗杆油缸14的缸体和动臂12铰接，通过控制斗杆油缸14的伸缩可以控制斗杆15与动臂12之间的角度，铲斗油缸16的推杆与铲斗连杆18连接，铲斗油缸16的缸体与斗杆15铰接，通过控制铲斗油缸16的伸缩可以控制铲斗19的与斗杆15之间的角度，从而满足各角度的作业需求，图2中未反铲铲斗19，挖臂总成1可根据机器不同工作需求，更换前端的工装，方便快捷。
如图3所示，前支腿总成包括前转架26，前转架26与机身3铰接，前转架26的底端与支腿A27的一端铰接，支腿A27的另一端通过定位轴套A22与轴A23连接，轴A23的两端分别设置有沼泽轮A21，前转架26的顶端与伸腿油缸A24的缸体铰接，伸腿油缸A24的推杆与支腿A27铰接，通过控制伸腿油缸A24的伸缩可以控制支腿A27抬腿与放腿，前转架26的侧壁与转腿油缸A25的推杆铰接，转腿油缸A25的缸体与机身3铰接且位于机身3靠近挖臂总成1的端部，通过控制转腿油缸A25可以控制支腿A27的摆动，进行方向的调节，转腿油缸A25设置在机身3的两侧，以便给定位桩留出运动空间，防止支腿B与定位桩发生干涉。
如图4所示，后支腿总成4包括后转架41，后转架41与机身3铰接，后转架41的底端与支腿B47的一端铰接，支腿B43的另一端通过定位轴套B与轴B44连接，轴B44的两端分别设置有沼泽轮B42，后转架41的顶端与伸腿油缸B45的缸体铰接，伸腿油缸B45的推杆与支腿B43铰接，通过控制伸腿油缸B45的伸缩可以控制支腿B43抬腿与放腿，后转架41的侧壁与转腿油缸B46的推杆铰接，转腿油缸B46的缸体与机身3铰接且设置于机身3位于挖臂总成1两侧的侧壁上，通过控制转腿油缸B46可以控制支腿B43的摆动，进行方向的调节，支腿A25和后支腿B43都具有两个自由度，支腿A25和后支腿B43相互配合，机器人可实现仿海龟爬行，大大提高了两栖移动救援机器人在复杂地形中的移动能力。
如图5所示，定位桩总成6包括转轴69，转轴69与机身3靠近发动机舱7的一端连转动连接，转轴69上固结有轴套连杆68，轴套连杆68与转轴油缸67的推杆铰接，转轴油缸67的缸体与设置于机身3顶部的转轴油缸支架板70铰接，转轴69的两端分别固结有摇臂61，摇臂61内部设置有通槽71，摇臂61上依次设置有定位桩油缸安装底座62、定位桩油缸支架63，通槽71内套设有定位桩65，定位桩65远离通槽71的一端套设有定位套筒66，如图6所示，定位桩65上沿其轴向均匀的设置有若干螺纹孔72，螺纹孔72与定位套筒66通过螺钉连接，用于对定位桩65进行定位，定位套筒66与定位桩油缸64的推杆铰接，定位桩油缸64的缸体穿过定位桩油缸支架63与定位桩油缸安装底座62连接。
如图7所示，履带总成9包括转动连接于机身3侧壁上的主动链轮93和被动链轮95，主动链轮93和被动链轮95之间及主动链轮93和被动链轮95的下方均设置有若干过渡轮92，过渡轮92与机身3转动连接，主动链轮93、被动链轮95及若干过渡轮92上套设有履带91，驱动主动链轮93转动，带动履带91进行转动，被动链轮95、过渡轮92跟着转动，从而进行行走，履带总成9的存在大大增加了两栖移动救援机器人在陆地上的行驶速度。
如图8所示，履带动力总成包括布置于机身中部的液压油箱99，发动机98布置于液压油箱99后侧，液压泵97分置与发动机98后方两侧，液压泵97和发动机98通过皮带轮进行传动，将液压油箱99中的液压油泵入液压马达100，泵入油量及压力通过布置于机身3后部的控制阀组96进行控制，液压马达100输出轴连接减速器101，减速器101与履带主动链轮93通过联轴器联接，将动力输送至履带总成9，液压马达100、减速器101均设置于机身3内侧。
本发明一种轮-履-腿两栖移动救援机器人在陆地上行走时，定位桩油缸64伸出，转轴油缸67收回，即定位桩总成6呈收回状态平放在机身3上，可通过履带总成9进行行走，也可通过前支腿总成2和后支腿总成4进行爬行，即仿海龟爬行步态，如图9所示，机器人支腿A27、支腿B43的步态分为放腿、爬行、抬腿和摆腿四个过程，其中放腿表示支腿A27、支腿B43下压将机身3抬起；爬行表示沼泽轮A、沼泽轮B与地面相互作用的移动动作；抬腿表示将机身3落下支撑地面，直至沼泽轮A、沼泽轮B悬空这一过程；摆腿表示机身3支撑地面，支腿A27、支腿B43悬空水平摆动的动作。根据如上动作，规划了如图8所示的步态时序图，其中0、1分别表示机器人仿海龟四肢或身体的支撑相和摆动相；
如图10所示，是基于上述步态时序图，设计出的旋转步态、四腿爬行步态、两腿爬行步态和横向步态四种步态的简图。以四腿爬行步态为例，说明机器人的爬行过程：首先由机体支撑地面，四条支腿摆动到实线位置；四条支腿将机体撑起后，同时转动到点划线位置，表示机器人爬行一次；最后机体下落再次支撑地面，支腿悬空摆动到下一次爬行的初始位置(虚线)，重复这个过程机器人就可以连续向前爬行。在此过程中，旋转步态和四腿爬行步态需要四条支腿同时动作，对支腿的协调性有较高要求，机体可以获得更高的稳定性；两腿爬行步态和横向步态只有单侧腿爬行，另一侧腿只起到支撑作用，灵活性较高。合理的运用步态爬行，可以帮助机器人跨越坑洼路面和松散地形，并实现原地调头和横向移动。
本发明一种轮-履-腿两栖移动救援机器人在浅水域进行行走、作业时，若路面较为平坦，则使用履带总成或前支腿总成与后支腿总成进行移动，若路面障碍较大，可将转轴油缸67伸出，两侧摇臂61随转轴69旋转所需的角度，然后通过控制定位桩油缸64收回，则定位桩65与路面进行支撑，再结合挖臂总成1进行支撑，即可跨越较大障碍，或者当路面与水面存在较大坡度差时，可使机器人倒着行进，即挖臂总成1远离水面反向，可将转轴油缸67伸出，两侧摇臂61随转轴69旋转所需的角度，同样通过控制定位桩油缸64收回，则定位桩65与水面底部进行支撑，再结合挖臂总成1的支撑即可平稳进入水中，再将定位桩总成6反向操作，收回定位桩65；并且在浅水域或滩涂作业时，可控制四条支腿(支腿A25、支腿B43)处于放腿状态，从而可起到支撑锚定作用，增强了机器人在工作中的稳定性与作业精度。
本发明一种轮-履-腿两栖移动救援机器人在水中航行时，将伸腿油缸A24与伸腿油缸B45收回，使前支腿总成2和后支腿总成4处于抬腿状态，启动推进器5对机器人进行驱动，即可在水中航行，当到达目标位置后，停止航行，可将转轴油缸67伸出，两侧摇臂61随转轴69旋转90°角度，定位桩65呈竖直状态立于机身尾部，定位桩65打下，***水底土层中，两栖移动救援机器人在水中得以定位，定位桩65的长度为7450mm，定位桩油缸64行程约为2800mm，由于定位桩油缸64行程的限制，定位桩油缸64不足以驱动定位桩65一次性打入水中，因此，本发明在定位桩65上开有螺纹孔，通过螺钉固定定位套筒66的位置，增大定位桩的行程；当定位桩完全打下时，距机身底部约7m左右，因此安装有本发明所述的定位装置的水陆两栖工程机械的水中最大工作深度为7m，极大提高了水陆两栖工程机械的水中最大工作深度。

Claims (7)

1.轮-履-腿两栖移动救援机器人，其特征在于，包括机身(3)，所述机身(3)顶部依次设置有挖臂总成(1)、驾驶舱(8)、发动机舱(7)，所述机身(3)上靠近挖臂总成(1)的侧壁两端分别设置有前支腿总成(2)，所述机身(3)上远离挖臂总成(1)的侧壁两端分别设置有后支腿总成(4)，所述机身(3)位于挖臂总成(1)两侧的侧壁上对称的设置有履带总成(9)，所述机身(3)的顶部且靠近发动机舱(7)的一端转动连接有定位桩总成(6)，所述机身(3)上远离挖臂总成(1)的侧壁上设置有推进器(5)，所述机身(3)上且位于履带总成(9)上方设置有浮箱。
2.根据权利要求1所述的轮-履-腿两栖移动救援机器人，其特征在于，所述挖臂总成(1)包括设置于机身(3)顶部的动臂耳座(11)，所述动臂耳座(11)顶部与动臂(12)的一端铰接，所述动臂(12)的另一端与斗杆(15)的一端铰接，所述斗杆(15)的另一端分别与伸臂连杆(17)的一端、铲斗(19)铰接，所述伸臂连杆(17)的另一端与铲斗连杆(18)的一端铰接，所述铲斗连杆(18)的另一端与铲斗(19)铰接，所述动臂耳座(11)靠近前支腿总成(2)的一端与动臂油缸(13)的缸体铰接，所述动臂油缸(13)的推杆与动臂(12)铰接，所述斗杆(15)靠近动臂(12)的一端与斗杆油缸(14)的推杆铰接，所述斗杆油缸(14)的缸体和动臂(12)铰接，所述铲斗油缸(16)的推杆与铲斗连杆(18)连接，所述铲斗油缸(16)的缸体与斗杆(15)铰接。
3.根据权利要求1所述的轮-履-腿两栖移动救援机器人，其特征在于，所述前支腿总成包括前转架(26)，所述前转架(26)与机身(3)铰接，所述前转架(26)的底端与支腿A(27)的一端铰接，所述支腿A(27)的另一端通过定位轴套A(22)与轴A(23)连接，所述轴A(23)的两端分别设置有沼泽轮A(21)，所述前转架(26)的顶端与伸腿油缸A(24)的缸体铰接，所述伸腿油缸A(24)的推杆与支腿A(27)铰接，所述前转架(26)的侧壁与转腿油缸A(25)的推杆铰接，所述转腿油缸A(25)的缸体与机身(3)铰接且位于机身(3)靠近挖臂总成(1)的端部。
4.根据权利要求1所述的轮-履-腿两栖移动救援机器人，其特征在于，所述后支腿总成(4)包括后转架(41)，所述后转架(41)与机身(3)铰接，所述后转架(41)的底端与支腿B(47)的一端铰接，所述支腿B(43)的另一端通过定位轴套B与轴B(44)连接，所述轴B(44)的两端分别设置有沼泽轮B(42)，所述后转架(41)的顶端与伸腿油缸B(45)的缸体铰接，所述伸腿油缸B(45)的推杆与支腿B(43)铰接，所述后转架(41)的侧壁与转腿油缸B(46)的推杆铰接，所述转腿油缸B(46)的缸体与机身(3)铰接且设置于机身(3)位于挖臂总成(1)两侧的侧壁上。
5.根据权利要求1所述的轮-履-腿两栖移动救援机器人，其特征在于，所述定位桩总成(6)包括转轴(69)，所述转轴(69)与机身(3)靠近发动机舱(7)的一端连转动连接，所述转轴(69)上固结有轴套连杆(68)，所述轴套连杆(68)与转轴油缸(67)的推杆铰接，所述转轴油缸(67)的缸体与设置于机身(3)顶部的转轴油缸支架板(70)铰接，所述转轴(69)的两端分别固结有摇臂(61)，所述摇臂(61)内部设置有通槽(71)，所述摇臂(61)上依次设置有定位桩油缸安装底座(62)、定位桩油缸支架(63)，所述通槽(71)内套设有定位桩(65)，所述定位桩(65)远离通槽(71)的一端套设有定位套筒(66)，所述定位套筒(66)与定位桩油缸(64)的推杆铰接，所述定位桩油缸(64)的缸体穿过定位桩油缸支架(63)与定位桩油缸安装底座(62)连接。
6.根据权利要求5所述的轮-履-腿两栖移动救援机器人，其特征在于，所述定位桩(65)上沿其轴向均匀的设置有若干螺纹孔(72)，所述螺纹孔(72)与定位套筒(66)通过螺钉连接。
7.根据权利要求1所述的轮-履-腿两栖移动救援机器人，其特征在于，所述履带总成(9)包括转动连接于机身(3)侧壁上的主动链轮(93)和被动链轮(95)，所述主动链轮(93)和被动链轮(95)之间及主动链轮(93)和被动链轮(95)的下方均设置有若干过渡轮(92)，所述过渡轮(92)与机身(3)转动连接，所述主动链轮(93)、被动链轮(95)及若干过渡轮(92)上套设有履带(91)，所述主动链轮(93)通过联轴器与设置于机身(3)内的减速器(101)连接，所述减速器(101)与液压马达(100)的输出轴连接，所述液压马达(100)与液压泵(97)连接，所述液压泵(97)分别与发动机(98)和液压油箱(99)连接。
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