專利名稱：一種全織物皮膚感知自主柔性變形搜救機(jī)器人及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人，特別是涉及一種全織物皮膚感知自主柔性變形搜救機(jī)器人。
背景技術(shù)：
近年來，地震、煤礦事故等災(zāi)難頻繁發(fā)生，嚴(yán)重的威脅著人類的生命和財產(chǎn)安全， 引起了社會各界的廣泛關(guān)注和重視。然而由于災(zāi)難環(huán)境的復(fù)雜以及二次災(zāi)難的影響，廢墟下搜救路徑狹窄，救援人員難以及時進(jìn)行救援。然而目前出現(xiàn)的廢墟環(huán)境下搜救機(jī)器人，多數(shù)不具有變形或者如履帶式機(jī)器人， 只是通過基本的結(jié)構(gòu)重組來實現(xiàn)變形，不能進(jìn)入廢墟下狹窄的環(huán)境繼續(xù)進(jìn)行搜救工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有搜救機(jī)器人多數(shù)不具有變形或者如履帶式機(jī)器人， 只是通過基本的結(jié)構(gòu)重組來實現(xiàn)變形，不能進(jìn)入廢墟下狹窄的環(huán)境繼續(xù)進(jìn)行搜救工作的不足，提出了一種可通過自身的變形進(jìn)入狹窄的廢墟環(huán)境繼續(xù)進(jìn)行搜救的機(jī)器人，即全織物皮膚感知自主柔性變形搜救機(jī)器人。實現(xiàn)上述發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案是一種自主柔性變形搜救機(jī)器人，其包括: 頭部、軀干部和尾部三部分，所述機(jī)器人三部分的長度相同，外形均為圓柱形結(jié)構(gòu)，三部分均有電源裝置、驅(qū)動裝置以及控制裝置，其特征在于頭部設(shè)置有生命探測裝置、攝像頭、紅外裝置和通信裝置；所述機(jī)器人的頭部、軀干部和尾部均由若干關(guān)節(jié)組成，變形機(jī)構(gòu)在所述關(guān)節(jié)中起支撐作用；所述機(jī)器人頭部和軀干部以及軀干部和尾部之間分別相連構(gòu)成一個整體；所述機(jī)器人兩端具有相同的球形外殼結(jié)構(gòu)。
自主柔性變形搜救機(jī)器人的操作方法如下第一步，皮膚感知的環(huán)境信息、攝像頭和紅外裝置探測到的路徑信息以及生命探測裝置探測到的生命信息一并傳送到控制裝置；第二步、控制裝置將當(dāng)前的環(huán)境信息通過通信裝置發(fā)給救援人員，救援人員根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境信息采取相應(yīng)的救援措施；第三步、控制裝置再根據(jù)路徑信息和生命探測的信息控制機(jī)器人選擇最優(yōu)路徑， 并決定是否通過變形來繼續(xù)進(jìn)行搜救；第四步、所述機(jī)器人在三部分的控制裝置的協(xié)調(diào)控制下進(jìn)行運動，從而完成控制裝置分配的任務(wù)。采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是1)本發(fā)明通過機(jī)器人外部覆蓋的柔性織物皮膚中嵌入的傳感器來進(jìn)行環(huán)境信息的感知，可感知豐富的環(huán)境信息，將傳感器嵌入到織物中一方面保護(hù)傳感器使其不被損壞， 另一方面又使其盡可能與空氣接觸，保證感知充分的環(huán)境信息。
3
2)本發(fā)明機(jī)器人底部覆蓋的柔性織物皮膚具有摩擦系數(shù)可變的特性，通過這個特性使得機(jī)器人在運動時所受的切向摩擦力遠(yuǎn)小于法向摩擦力，為全織物皮膚感知柔性變形搜救機(jī)器人的運動提供了必要條件，區(qū)別于其它通過機(jī)械裝置來實現(xiàn)這個條件的機(jī)器人， 減輕了機(jī)器人本身的負(fù)擔(dān)。3)本發(fā)明通過機(jī)器人本身的變形機(jī)構(gòu)，可以實現(xiàn)機(jī)器人順利通過狹小的空間，繼續(xù)在廢墟等環(huán)境下對受困人員進(jìn)行搜尋，增大了機(jī)器人的搜救范圍。4)本發(fā)明的機(jī)器人根據(jù)災(zāi)難現(xiàn)場的環(huán)境可自主選擇搜救路徑并且可根據(jù)需要進(jìn)行變形以進(jìn)入廢墟內(nèi)部繼續(xù)執(zhí)行搜救任務(wù)，提高了救援的效率，能夠代替工作人員執(zhí)行搜救任務(wù)，減少了救援人員的傷亡，為盡快營救更多的受困人員贏得了寶貴的時間。


圖1為本發(fā)明全織物皮膚感知自主柔性變形搜救機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明全織物皮膚感知自主柔性變形搜救機(jī)器人變形結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為全織物皮膚感知自主柔性變形搜救機(jī)器人總體控制框圖；圖4為全織物皮膚感知自主柔性變形搜救機(jī)器人系統(tǒng)電氣連接示意圖；圖5為機(jī)器人關(guān)節(jié)連接處旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的俯視圖；圖6為機(jī)器人關(guān)節(jié)連接處旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主視圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖1-6對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。參見附圖1，本發(fā)明全織物皮膚感知自主柔性變形搜救機(jī)器人由頭部1、軀干部2、 尾部3三部分通過連接機(jī)構(gòu)6連接而成，并且機(jī)器人的外部覆蓋有柔性織物皮膚5，機(jī)器人的頭部前端和尾部末端都連接有球狀外殼4。機(jī)器人頭部1、軀干部2、尾部3的外形均為圓柱形結(jié)構(gòu)。本發(fā)明全織物皮膚感知自主柔性變形搜救機(jī)器人頭部具有生命探測裝置、驅(qū)動裝置、控制裝置以及電源裝置，生命探測裝置、驅(qū)動裝置和控制裝置均和電源裝置相連，生命探測裝置和驅(qū)動裝置均和控制裝置相連，頭部前端和球狀外殼相連接，頭部和軀干部是通過連接機(jī)構(gòu)相連接的。本發(fā)明全織物皮膚感知自主柔性變形搜救機(jī)器人軀干部具有驅(qū)動裝置、控制裝置以及電源裝置，驅(qū)動裝置和控制裝置均和電源裝置相連，軀干部一端通過連接機(jī)構(gòu)和頭部相連，另一端通過連接機(jī)構(gòu)與尾部相連。本發(fā)明全織物皮膚感知自主柔性變形搜救機(jī)器人尾部具有驅(qū)動裝置、控制裝置以及電源裝置，驅(qū)動裝置和控制裝置均和電源裝置相連，尾部一端通過連接機(jī)構(gòu)和軀干部相連，另一端與球狀外殼相連。參見附圖4，本發(fā)明全織物皮膚感知自主柔性變形搜救機(jī)器人頭部的生命探測裝置、攝像頭裝置、紅外裝置、驅(qū)動裝置、電源裝置均和控制裝置(MCU)相連，軀干部和尾部的驅(qū)動裝置、電源裝置均和控制裝置(MCU)相連，當(dāng)機(jī)器人頭部的生命探測裝置感測到生命信息時，以電信號的形式通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)娇刂蒲b置(MCU)，MCU通過此信息確定運動的方向和速度，并通過信號線傳輸?shù)杰|干部和尾部的MCU，頭部、軀干部和尾部的MCU將控制相應(yīng)部分的驅(qū)動裝置來產(chǎn)生協(xié)調(diào)的運動步態(tài)；機(jī)器人頭部的攝像頭裝置可以將其觀測到的圖像信息傳輸?shù)娇刂蒲b置，控制裝置將圖像信息傳輸?shù)酵ㄐ叛b置來實現(xiàn)與機(jī)器人以外通信裝置的進(jìn)行通信。本發(fā)明全織物皮膚感知自主柔性變形搜救機(jī)器人的柔性織物皮膚是一種紡織纖維織物，通過在織物里面植入溫度傳感器和氣體傳感器來實現(xiàn)全織物皮膚感知自主柔性變形搜救機(jī)器人的環(huán)境信息感知。本發(fā)明全織物皮膚感知自主柔性變形搜救機(jī)器人的驅(qū)動裝置是整個機(jī)器人運動的動力來源，還起到連接機(jī)器人相鄰兩個關(guān)節(jié)的作用，驅(qū)動裝置由驅(qū)動機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成，機(jī)器人相鄰兩個關(guān)節(jié)通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接到一起，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5和圖6所示，驅(qū)動機(jī)構(gòu)由驅(qū)動電機(jī)和傘齒組成，驅(qū)動電機(jī)和相鄰關(guān)節(jié)中的一個固定在一起，傘齒和另一個關(guān)節(jié)固定在一起，驅(qū)動電機(jī)通過驅(qū)動傘齒可以使兩個關(guān)節(jié)產(chǎn)生水平方向的左右運動， 機(jī)器人通過控制裝置控制所有的驅(qū)動機(jī)構(gòu)做有規(guī)律的運動，便產(chǎn)生了機(jī)器人有節(jié)奏的運動步態(tài)。參見附圖2，變形機(jī)構(gòu)包括中心軸8，連接轉(zhuǎn)軸9、11、14、16、18，連接桿7、10、12、 13、17、19，滑塊15 ；中心軸8的兩端分別與連接桿7和連接桿19固定相連，連接桿7與連接桿10通過連接轉(zhuǎn)軸9相連，連接桿10、連接桿12與連接桿13通過連接轉(zhuǎn)軸11連接到一起，連接桿13通過連接轉(zhuǎn)軸14與滑塊15連接到一起，連接桿12與連接桿17通過連接轉(zhuǎn)軸16連接到一起，連接桿19與連接桿17通過連接轉(zhuǎn)軸18相連，整個變形機(jī)構(gòu)沿中心軸8 成對稱結(jié)構(gòu)，連接方式與相對應(yīng)的對稱部分一致?；瑝K15可在中心軸8上滑動，但須通過滑塊里面的驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動，驅(qū)動機(jī)構(gòu)里面有驅(qū)動電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)通過齒輪驅(qū)動旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)便有了滑塊的左右運動，進(jìn)而控制變形機(jī)構(gòu)產(chǎn)生形變。變形機(jī)構(gòu)的變形過程描述如下滑塊里面的驅(qū)動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生沿中心軸8向右的拉力，在拉力的作用下拉動連接桿13，連接桿13又通過連接轉(zhuǎn)軸與連接桿10和連接桿12相連，因此，連接桿10與連接桿12也相應(yīng)的向右移動，連接桿12與連接桿17又通過連接轉(zhuǎn)軸16相連，也會相應(yīng)運動，最終，通過滑塊向右的拉力使變形機(jī)構(gòu)變成如圖2中虛線所示的位置，變形機(jī)構(gòu)的變形程度可根據(jù)實際需要通過滑塊在中心軸上滑動來控制。本發(fā)明的頭部、軀干部、尾部連接在一起組成一個外形為圓柱形、細(xì)長的機(jī)器人， 機(jī)器人的所有運動都是通過控制裝置來進(jìn)行控制的。參加附圖3，工作時，皮膚感知的環(huán)境信息、攝像頭和紅外裝置探測到的路徑信息以及生命探測裝置探測到的生命信息一并傳送到控制裝置，控制裝置將當(dāng)前的環(huán)境信息通過通信裝置發(fā)給救援人員，救援人員根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境信息采取相應(yīng)的救援措施；控制裝置再根據(jù)路徑信息和生命探測的信息控制機(jī)器人選擇最優(yōu)路徑，并決定是否通過變形來繼續(xù)進(jìn)行搜救，之后，全織物皮膚感知自主柔性變形搜救機(jī)器人在三部分的控制裝置的協(xié)調(diào)控制下進(jìn)行運動，本發(fā)明全織物皮膚感知自主柔性變形搜救機(jī)器人通過控制裝置控制各個驅(qū)動裝置，使它們產(chǎn)生有規(guī)律的水平左右擺動，使機(jī)器人走出仿蛇的S形曲線，即蜿蜒運動曲線；機(jī)器人還可以通過部分的收縮和舒張來實現(xiàn)水平伸縮運動，通過這些運動步態(tài)可以使機(jī)器人適應(yīng)復(fù)雜的搜救路徑的要求，更好的完成搜救任務(wù)?？傊景l(fā)明通過其獨特的變形結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得機(jī)器人適應(yīng)于狹窄的廢墟環(huán)境搜救工作，提高了救援效率，能夠代替工作人員執(zhí)行搜救任務(wù)，減少了救援人員的傷亡，為盡快營救更多的受困人員贏得了寶貴的時間。同時，本發(fā)明通過皮膚感知的環(huán)境信息，可以感知災(zāi)難現(xiàn)場是否具有有害氣體，以及有害氣體的濃度等，并將這些信息定時反饋給救援人員，救援人員將根據(jù)這些信息做相應(yīng)的準(zhǔn)備工作，以避免由于有毒氣體影響救援人員的健康，造成不必要的損失，耽誤救援工作。
權(quán)利要求
1.一種全織物皮膚感知自主柔性變形搜救機(jī)器人，其包括頭部、軀干部和尾部三部分，所述機(jī)器人三部分的長度相同，外形均為圓柱形結(jié)構(gòu)，三部分均有電源裝置、驅(qū)動裝置以及控制裝置，其特征在于頭部設(shè)置有生命探測裝置、攝像頭、紅外裝置和通信裝置；所述機(jī)器人的頭部、軀干部和尾部均由若干關(guān)節(jié)組成，變形機(jī)構(gòu)在所述關(guān)節(jié)中起支撐作用；所述機(jī)器人頭部和軀干部以及軀干部和尾部之間分別相連構(gòu)成一個整體；所述機(jī)器人兩端具有相同的球形外殼結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全織物皮膚感知自主柔性變形搜救機(jī)器人，其中，變形機(jī)構(gòu)包括中心軸(8)，連接轉(zhuǎn)軸(9、11、14、16、18)，第一連接桿(7)、第二連接桿(10)、第三連接桿(12)、第四連接桿(13)、第五連接桿(17)、第六連接桿(19)，滑塊15;中心軸8的兩端分別與第一連接桿(7)和第六連接桿(19)固定相連，連接桿(7)與連接桿(10)通過連接轉(zhuǎn)軸(9)相連，第二連接桿(10)、第三連接桿(12)與第四連接桿(13)通過連接轉(zhuǎn)軸(11)連接到一起，第四連接桿(13)通過連接轉(zhuǎn)軸(14)與滑塊(15)連接到一起，第三連接桿(12) 與第五連接桿(17)通過連接轉(zhuǎn)軸(16)連接到一起，第六連接桿(19)與第五連接桿(17)通過連接轉(zhuǎn)軸(18)相連，整個變形機(jī)構(gòu)沿中心軸(8)成對稱結(jié)構(gòu)，連接方式與相對應(yīng)的對稱部分一致；滑塊(15)通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動在中心軸(8)上滑動，，驅(qū)動機(jī)構(gòu)里面有驅(qū)動電機(jī)， 驅(qū)動電機(jī)通過齒輪驅(qū)動旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)使得滑塊的前后運動， 進(jìn)而控制變形機(jī)構(gòu)產(chǎn)生形變。
3.—種如權(quán)利要求1所述全織物皮膚感知自主柔性變形搜救機(jī)器人的操作方法，其特征在于，第一步，皮膚感知的環(huán)境信息、攝像頭和紅外裝置探測到的路徑信息以及生命探測裝置探測到的生命信息一并傳送到控制裝置；第二步、控制裝置將當(dāng)前的環(huán)境信息通過通信裝置發(fā)給救援人員，救援人員根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境信息采取相應(yīng)的救援措施；第三步、控制裝置再根據(jù)路徑信息和生命探測的信息控制機(jī)器人選擇最優(yōu)路徑，并決定是否通過變形來繼續(xù)進(jìn)行搜救；第四步、所述機(jī)器人在三部分的控制裝置的協(xié)調(diào)控制下進(jìn)行運動，從而完成控制裝置分配的任務(wù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種全織物皮膚感知自主柔性變形搜救機(jī)器人及其操作方法。該搜救機(jī)器人由頭部、軀干部、尾部三個部分組成，三部分通過連接機(jī)構(gòu)連接到一起；頭部具有生命探測裝置、驅(qū)動裝置、控制裝置、電源裝置、通信裝置、攝像頭和紅外裝置，軀干部和尾部具有驅(qū)動裝置、控制裝置、電源裝置；每部分都由許多關(guān)節(jié)組成，變形機(jī)構(gòu)是這些關(guān)節(jié)中起支撐作用的結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)之間通過驅(qū)動裝置連接到一起，整個機(jī)器人外表覆蓋一層柔性織物皮膚。本發(fā)明適用于地震、煤礦等災(zāi)難的廢墟環(huán)境下執(zhí)行生命體的探測任務(wù)，機(jī)器人通過自身的變形，還可以進(jìn)入廢墟內(nèi)部狹小的空間里進(jìn)行生命信息的探測，增大了機(jī)器人的搜救范圍，提高了救援效率，為營救更多的生命贏得了寶貴的時間。
文檔編號A62B99/00GK102363065SQ201110158329
公開日2012年2月29日 申請日期2011年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月14日
發(fā)明者李擎, 蘇中, 范軍芳, 薛瑞彬, 陳淞 申請人:北京信息科技大學(xué)