[发明专利]主动轮串列式绳状机器人

说明书

技术领域

本发明涉及机器人研究和工程领域，具体是指一种融合了轮式移动机器人以及蛇形机器人优点，具备复杂地面快速通过能力以及两栖能力的绳状机器人。

技术背景

在移动机器人的驱动方式中，轮式驱动有结构简单、行走速度快等优点，然而面对崎岖或泥泞的地形，轮式驱动的效果不尽如人意，因此人们发明了履带式驱动方式，其优点在于地面单位压力小，适合在沙漠、沼泽、雪地等松软或者光滑地面运动，因此被广泛用于越野领域。然而履带本身结构复杂，质量大，机械磨损严重，使用寿命短，而且高速运动性能大多无法与轮式驱动相比。

机器人发明以后，人们赋予它越来越复杂的任务，这些任务对机器人运动能力提出更高要求，即不仅要在二维平面快速运动，而且要借助环境结构进行三维空间运动，甚至是两栖运动。人们以自然界蛇类动物为灵感研制了蛇形机器人，然而，阻碍蛇形机器人实用化的原因有如下几点：一是蛇形机器人虽然能够模拟生物蛇的各种运动样式，使蛇形机器人平均前进速度达到或接近生物蛇，但在机体结构上没能摆脱仿生学的限制，导致其运动速度难以和传统轮式或者履带式驱动的机器人相匹敌。二是蛇形机器人设计者往往在表面安装被动轮或履带等装置，以期用它们提高机器人运动性能，例如日本Hirose研制的ACMR5两栖机器蛇。然而，这些辅助装置在野外环境下极易受到泥沙和杂草的阻塞而失效。三是蛇形机器人技术成熟度远低于轮式或履带式机器人，表现在传感器配置和控制算法上；当前比较先进的蛇形机器人采用关节压力传感器、转角传感器进行位置伺服控制，通过碰撞传感器、超声波或红外测距仪来感应环境，例如沈阳自动化所研制的“具有环境适应能力的蛇形机器人”，只能对与机器人直接接触的环境，或者近处某一点进行探测，如此少量的环境信息获取使蛇形机器人难以在复杂环境中进行有效运动；蛇形机器人一般按照蜿蜒运动曲线、侧向运动、伸缩运动等位形描述函数进行控制，这些运动形式虽然各有优点，但都延续了蛇类移动相对缓慢的缺点，实际应用中灵活程度不高。

战场侦察、管线巡检以及灾害搜救等任务需要一种同时具备轮式机器人快速运动能力、履带式机器人松软地面通过能力以及蛇形机器人三维空间和两栖运动性能的先进机器人设备。目前尚未有能充分满足以上要求的机器人出现。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种主动轮串列式绳状机器人，解决传统轮式机器人越野能力不足、履带式机器人运行速度慢以及蛇形机器人的诸多固有缺陷，将轮式驱动与多自由度关节结合；借助运动单元外壁可以绕轴向连续旋转的特点，不仅能让机器人通过轮式驱动方式快速运动，还可以使激光雷达通过螺旋扫描方式探测环境的三维空间结构；具有特殊功能纹路的表面覆盖物，全身防水密封，以及自恢复式天线装置，通过多种姿态描述函数实现高速运动，环境适应能力强，适合战场复杂环境侦察、化工管线巡检、输电线路维护以及矿难、地震、泥石流等灾害的搜救工作。

本发明主动轮串列式绳状机器人，是采用以下技术手段实现的：

一种主动轮串列式绳状机器人，由头部传感器模块10、中部若干个运动单元模块30和尾部通信模块80组成；头部传感器模块10与运动单元模块30中规格相同的元件采用统一编号和名称；其中，头部传感器模块带有头部后端罩16，头部环形外壳15与头部后端罩16和头部前端罩14相连接，头部防护外壳1固定在头部前端罩14上；摄像机窗口11位于头部防护外壳1前端，激光雷达12位于头部防护外壳1中部，发光器件13分布于激光雷达12周围；摄像头71与激光雷达12固连；视觉处理电路板73与主连接杆46固连，激光雷达12与摄像头71通过柔软导线或导电滑环与视觉处理电路板73通信；导航模块7与视觉处理电路板73固连；视觉扫描驱动电机72与动作段后端盖47固连，车轮驱动外齿轮451在视觉扫描驱动电机72的带动下驱动车轮驱动内齿轮36旋转，后防水轴承35与车轮驱动内齿轮36通过垫片相固连；头部后端罩16与后防水轴承35的外径固连；前防水轴承34外径与头部前端罩14固连。