基于風滾草仿生的被動驅動型探測機器人制造技術

本發明專利技術提供了一種新型的基于風滾草仿生的被動驅動型探測機器人。該探測機器人采用多氣囊球形骨架結構，通過控制氣囊的充氣狀態調整迎風面，進而改變探測機器人的運動軌跡，實現加速、減速以及轉向，提高了風滾草機器人的探測能力。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于自動探測裝置
，尤其涉及一種基于風滾草仿生的被動驅動型 探測機器人。
技術介紹
21世紀能源與資源日趨緊張，促使各國積極探索太空以及地球的未開發領域，星 球探索、極地勘探、大洋監測被每一個國家置于高技術戰略高度。鑒于星球、極地的極端環 境，由人執行探測任務成本太高，機器人成為承擔這一戰略任務的重要工具。輪式機器人，如“勇氣號”和“機遇號”，或足式機器人，如“Titan”，機械本體結構復 雜，相對比較笨重，執行任務時存在能源供給的問題，且輪式和足式運動速度較低、漫游范 圍有限。相對于輪式和足式機器人，滾動機器人具有更大的機動性和穩定性，且結構簡單、 能耗低，在極端環境中的活動范圍和行動空間很大，更適合環境探測任務，因此近年逐步受 到關注。1996年，Halme研制出第一個球形滾動機器人，該機構的運動原理是通過內部驅 動單元(Inside Drive Unit, IDU)的運動來打破球體的平衡，IDU是一個與電機固聯的驅 動輪，通過輪的轉動控制運動方向的改變；隨后，Bicchi將一個運動的小車放置在球體的 內部做為驅動源，Javadi采用四面體結構做為輪輻，上面攜帶砝碼，研制出一種全方位球 形運動機器人；Kim J利用橡膠材質制作了彈性外殼的球形機器人，內部采用擺錘驅動；等 等。然而，上述以自身重力作為驅動源的球形滾動機器人不適合應用在星球探測中，必須尋 求重力以外的驅動力及能源，實現機器人的滾動。目前，關于被動驅動的機器人的研究較少，美國航天局(NASA)研制出了 "Tumbleweed Rover"極地探測機器人，該風滾草機器人為結構固定的球體，在自然風力的 驅動下，機器人隨風而走，但其運行路線完全聽從風的擺布，很難控制其運動速度和方向。 因此，解決運動控制問題，實現對機器人運動速度和方向的調節，進一步實現機器人越障、 爬坡功能，是提高風滾草機器人探測能力的必要前提。
技術實現思路
為解決上述技術問題，本專利技術提供了一種新型的基于風滾草仿生的被動驅動型探 測機器人。所述探測機器人整體外觀為球形，其主體采用骨架結構，所述骨架結構包括中軸、 經向龍骨以及緯向龍骨；所述經向龍骨均為半圓環狀，其兩端分別固定在所述中軸的兩端； 所述緯向龍骨均為圓環狀，并分別與所述各經向龍骨在其靠球心的一側相接。在所述骨架結構內設置載物平臺，用于放置控制系統、電池、氣泵以及探測設備， 所述載物平臺由支撐架、一個矩形固定板和一個環形固定板組成；其中，所述矩形固定板位 于載物平臺的中部，并且位于所述環形固定板的包圍之內，中軸穿過矩形固定板并與其垂 直；所述矩形固定板和環形固定板均固定于所述支撐架之上，所述支撐架包含四根支撐軸，分別與中軸垂直固定連接，所述四根支撐軸均位于同一平面，且相鄰的兩根支撐軸互相垂直。所述環形固定板的外圈直徑小于所述探測機器人最外層的球形骨架的直徑，在環 形固定板和球形骨架之間設置若干氣囊。氣囊呈梭狀，固定于相應的一根經向龍骨之上，當 所有氣囊充滿氣時，其整體外觀呈球狀。所述載物平臺上設置氣泵、電磁閥、控制電路板以及電池，其中矩形固定板用于固 定氣泵、控制電路板以及電池，環形固定板用于固定電磁閥；兩個固定板都分為上下兩層， 其中，矩形固定板的上下兩層分別固定等數量的氣泵，而環形固定板的上下兩層則分別固 定等數量的電磁閥；氣泵用彈簧卡子固定在矩形固定板上。環形固定板和矩形固定板中間 留有空隙，可以讓管路和電線通過。所述氣泵通過電磁閥與氣囊相連，由電磁閥控制氣路通斷。每個氣泵連接兩個電 磁閥，每個電磁閥連接兩個氣囊。氣泵和電磁閥之間以及電磁閥與氣囊之間用密封管相連。 每一個氣囊都有兩個氣孔，其中一個氣孔通過電磁閥與氣泵的充氣口相連用于充氣，另一 個氣孔則通過電磁閥與氣泵的放氣口相連用于放氣。相對于以往的風滾草仿生機器人，本專利技術采用多氣囊結構，可以通過對氣囊的單 獨控制，調整探測機器人迎風面的大小和方位，實現在風力驅動下的探測機器人運動的速 度大小和方向的改變。附圖說明下面結合附圖對本專利技術作詳細說明圖1為根據本專利技術實施例的探測機器人的主視圖；圖2為根據本專利技術實施例的探測機器人的載物平臺結構圖；圖3為根據本專利技術實施例的探測機器人在拆除氣囊、管路后的部件裝配俯視圖；圖4為根據本專利技術實施例的探測機器人的管路連接示意圖；圖fe-c為根據本專利技術實施例的探測機器人運動中的轉向控制。附圖標記1-電磁閥、2-彈簧卡子、3-經向龍骨、4-環形固定板、5-螺栓、6-矩形固定板、 7-氣泵、8-控制電路板、9-中軸、10-氣囊、11-支撐軸、12-固定孔、13-管路、14-外界。具體實施例方式本專利技術的一個實施例探測機器人，其球形骨架的直徑為lm，外觀主視圖如圖1所 示。十二根長度約為1.57米、直徑是5毫米的輕質高強度金屬絲彎曲成半圓的經向龍骨， 并且兩頭焊接在中軸的兩端形成球形骨架，經向龍骨均勻分布，中軸由長為1米的空心金 屬管制成。每一根經向龍骨3上附著一個梭形氣囊10，如圖1中，通過間隔使用灰色和白色 區分相鄰的氣囊。探測機器人還包含三根緯向龍骨，三根緯向龍骨所在平面與中軸的三個 交點將中軸四等分。載物平臺的構造如圖2所示，在中軸9的中部設置載物平臺，載物平臺由支撐架、 一個矩形固定板6和一個環形固定板4組成；其中，矩形固定板6位于載物平臺的中部，并 且位于環形固定板4的包圍之內，中軸9穿過矩形固定板6并與其垂直；矩形固定板6和環形固定板4均固定于所述支撐架之上，所述支撐架包含四根支撐軸11，分別與中軸垂直固 定連接，所述四根支撐軸11均位于同一平面，且相鄰的兩根支撐軸互相垂直。矩形固定板 6上設有固定孔12。載物平臺用于放置控制系統、電池、氣泵及探測設備等，拆除氣囊、管路后部件裝 配的俯視圖如圖3所示，本實施例的探測機器人包含六個氣泵、十二個電磁閥；其中矩形固 定板6用于固定氣泵7、控制電路板8以及電池，環形固定板4用于固定電磁閥1。矩形固 定板6的上下兩層分別固定三個氣泵，而環形固定板的上下兩層則分別六個電磁閥；氣泵7 用彈簧卡子2、螺栓5固定在矩形固定板6上。如此設計的目的在于使探測機器人的重心與 球體的球心相重合，從而達到減少滾動時的阻力并且防止側偏的目的。氣泵通過電磁閥與氣囊相連，由電磁閥控制氣路通斷。每個氣泵連接兩個電磁閥， 每個電磁閥連接兩個氣囊。氣泵和電磁閥之間以及電磁閥與氣囊之間用密封管相連，控制 電路板控制氣泵以及電磁閥的開閉，從而改變和控制氣囊的充氣狀態。氣泵工作電壓是 12V，工作電流是1.8A，有兩個孔與外界流通，一個吸氣孔，一個放氣孔。電磁閥是一進三出 的閥，直徑20mm的粗口和氣泵相連，直徑8mm的細口中的2個與氣囊連接，另外一個細口與 外界連通，三個細口的通斷可單獨控制。每1個氣囊都有2個氣孔，其中一個通過電磁閥與 氣泵的充氣口相連用于充氣，另外則通過電磁閥與氣泵的放氣口相連用于放氣。充放氣連 接關系如圖4所示，圖中畫出了一組氣囊、氣泵和電磁閥的連接。12伏的鋰電池用于氣泵、 電磁閥和控制電路板的電能供應。工作原理如下如果給圖4中的第一氣囊10-1、第二氣囊10-2充氣時，打開氣泵7 和第一電磁閥1-1的Al 口、Cl 口以及第二電磁閥1-2的B2 口，關閉Bl 口、A2 口本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于風滾草仿生的被動驅動型探測機器人，其特征在于，所述探測機器人整體外觀為球形，其主體采用骨架結構，所述骨架結構包括中軸、經向龍骨以及緯向龍骨；在所述骨架結構內設置載物平臺，載物平臺上的設備包括控制電路板、氣泵以及電磁閥；在所述載物平臺和球形骨架之間設置若干氣囊，所述氣泵通過電磁閥與氣囊相連，由電磁閥控制氣路通斷對氣囊進行充氣或放氣。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：張秀麗，姚燕安，張麗君，劉增元，張澤楠，路天玙，
申請(專利權)人：北京交通大學，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]