专利名称：一种蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种搜索机器人，尤其涉及一种蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人。
背景技术：
近年来世界各地地震灾害频发，特别如汶川大地震、日本大地震，造成大量的人员伤亡，其中很大一部分原因是由于发现过晚。如何以最快的速度从废墟中寻找到幸存者，成为一个亟待解决的问题。为了在废墟中复杂的地形环境中进行幸存者搜寻，搜救机器人应运而生。搜救机器人的关键技术问题在于移动性(机械结构)、传感检测装置和人机通讯方式等方面，其中移动性是搜救机器人完成搜救工作的决定因素。机器人的移动平台应该能够在恶劣废墟环境中灵活地穿梭于狭小的空间之中，能够翻越障碍、爬楼梯、穿越泥泞的道路等，且搜救机器人的移动不应对周围不稳定结构产生影响，以免发生二次坍塌或爆炸等。此外，机器人还应该具备适应恶劣环境的能力，具有备防水、耐高温的功能。现有的机器人以牵引和运动方式的不同可分为轮式、履带式、可变形(多态)和仿生搜救机器人。轮式机器人在凸凹不平的地面上运动时易于失去运动的稳定性；履带式机器人虽然增强了移动机构适应地面的能力，但其运动的灵活性较差，且体积偏大而不太适合搜救工作。近年来，仿生机器人正在成为新的研究热点，其中蛇形机器人由于运动稳定性好、地形适应能力强、密封性好、适于 恶劣环境下作业等优点，成为研究的热点。蛇形机器人通常由多个相同的模块或机构串联而成，每一模块独立驱动，依靠躯体和地面间的相互作用实现驱动。模块间采用不同的关节形式实现刚性或柔性连接，利用模块之间的相对转动，使身体弯曲伸张实现运动。但是目前的蛇形机器人多自由度的控制困难，承载能力低，运动速慢，而且在复杂多变的地形环境下，克服障碍的能力较差。螺旋推进式是德国发明家Richard Lovell最早提出一种连续推进方式。1868年，美国发明家Jacob Morath设计出了该方案的雏形并应用于车辆推进。螺旋推进车辆的基本原理很简单，它没有车轮或者履带，它只有一对带有螺旋凸缘的中空圆筒，运动原理与螺钉运动或钻头运动非常相似。1907年，James和Ira Peavey制造出了螺旋推进车，可以适应任何混杂雪和软泥的恶劣条件，可靠性很高，能够应用于木材运输领域。第二次世界大战后苏联制造了螺旋推进式的水陆两用战车以适应复杂的野外环境；2001年，史提夫布鲁克斯和他冰雪挑战者团队用普通车辆与螺杆技术结合而成的“雪鸟6号”第一次跨越白令海峡，其中螺旋推进的运动方式起到了巨大作用。如果将灵活的蛇形结构和螺旋推进的动力方式合理的结合在一起，将会大大增加了救援搜索机器的灵活性和在复杂地形环境中工作的适应能力。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人，能够将灵活的蛇形结构和螺旋推进的动力方式结合在一起，极大地增加了灾难救援搜索机器人的灵活性和在复杂地形环境中工作的适应能力。本实用新型采用下述技术方案:一种蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人，包括两节或两节以上动力系统，动力系统上设置有灾情探测模块，相邻的两节动力系统通过转向系统连接，所述的动力系统包括圆筒状动力外壳和设置在动力外壳内部的驱动装置，动力外壳外表面设置有蜗杆螺纹，动力外壳内表面设置有内齿圈，驱动装置的输出端连接有与内齿圈啮合的行星齿轮系；转向系统包括设置在固定支架上的转向舵机；控制台的输出端分别连接灾情探测模块、动力系统中的各个驱动装置和转向系统中的转向舵机，灾情探测模块输出端分别连接控制台的输入端，电源模块为各个用电设备供电。所述动力系统的圆筒状动力外壳两端设置有圆形挡板，圆形挡板中心设置有轴承，圆筒状动力外壳内设置有安装在行星齿轮系固定装置内的行星齿轮系，行星齿轮系固定装置包括第一固定板和第二固定板，第一固定板上设置有连接轴，连接轴通过动力外壳前端圆形挡板中心设置的轴承伸出动力外壳，第二固定板中心设置有开孔，驱动装置包括电机，电机输出轴通过第二固定板中心的开孔连接行星齿轮系的中心齿轮，行星齿轮系与动力外壳内表面设置的内齿圈啮合，电机机体通过固定装置固定，固定装置后端设置有连接轴，连接轴通过动力 外壳后端圆形挡板中心设置的轴承伸出动力外壳。所述相邻的两节动力系统中，如动力系统后端设直的连接轴通过转向系统连接后动力系统前端设置的连接轴。所述的转向系统包括设置在固定支架上的4个对称分布的转向舵机。所述的灾情探测模块包括人体红外感应器、红外摄像头和通话系统。所述的蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人首尾两节动力系统的连接轴上水平横向固定连接有止滚挡板，止滚挡板的长度大于动力外壳的外径。所述的蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人首尾两节动力系统的连接轴上水平横向固定连接有止滚挡板，止滚挡板两端水平设置有滚轮，同一水平方向上，两个滚轮的最远距离大于动力外壳的外径。所述的控制台包括主控芯片系统、舵机控制器、电机调速器、显示屏、通话系统、方向摇杆、调速旋钮、前进/后退控制开关和蜂鸣器。动力系统上设置有两个灾情探测模块，两个灾情探测模块分别设置在首节动力系统前端的连接轴和尾节动力系统后端的连接轴上。本实用新型由动力系统中的驱动装置驱动动力外壳转动，通过与地面的摩擦产生向前的推进力；通过转向系统控制蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人的行进方向，并利用灾情探测模块实时监控评估废墟内部情况、寻找废墟中的被困人员。本实用新型将灵活的蛇形结构和螺旋推进的动力方式结合在一起，具有功率大、稳定性高、适应性强、编程控制简单、转向灵活、功能强大的优点，可适应废墟或隧道里中各种复杂地形，无需姿态控制，实现全角度360度转向，有利于深入废墟深部搜索被困人员。
图1为本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型所述的蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人由两节或两节以上动力系统组成，动力系统上设置有灾情探测模块1，相邻的两节动力系统通过转向系统连接。动力系统包括圆筒状动力外壳2和设置在动力外壳2内部的驱动装置，动力外壳2外表面设置有蜗杆螺纹3，动力外壳2内表面设置有内齿圈4，驱动装置的输出端连接有与内齿圈4啮合的行星齿轮系12。所述的动力系统圆筒状动力外壳2两端设置有圆形挡板5，圆形挡板5中心设置中心孔，中心孔内设置有轴承6，两个圆形挡板5可将动力外壳2内部空间封闭，防止水或沙粒等进入动力外壳2内部，造成设备损坏。行星齿轮系12设置在行星齿轮系12固定装置内，行星齿轮系12固定装置包括第一固定板7和第二固定板8，第一固定板7上设置有连接轴9，连接轴9通过动力外壳2前端圆形挡板5中心设置的轴承6伸出动力外壳2，第二固定板8中心设置有开孔，驱动装置可采用大扭力直流电机10，大扭力直流电机10的输出轴通过第二固定板8中心的开孔连接行星齿轮系12的中心齿轮11，行星齿轮系12与动力外壳2内表面设置的内齿圈4啮合，电机10机体通过固定装置固定，固定装置后端设置有连接轴9，连接轴9通过动力外壳2后端圆形挡板5中心设置的轴承6伸出动力外壳2。大扭力直流电机10输出端可带动行星齿轮系12的中心齿轮11，经行星齿轮系12降速后通过动力外壳2内表面设置的内齿圈4带动动力外壳2转动。行星齿轮系12起到降低转速，提升扭矩的作用。当动力外壳2转动时，其外表面设置的蜗杆螺纹3通过与地面的摩擦，产生蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人的推进力。转向系统位于前后两节动力系统之间，分别连接前动力系统后端设置的连接轴9和后动力系统前端设置的连接轴9，起到连接相邻两节动力系统并控制蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人运动方向的作用。转向系统包括设置在固定支架上的转向舵机11，本实施例中，转向系统由四台180度大扭力舵机及其配套的固定安装支架组成，两两一组，组合提供上下(纵向)或左右(横向 )两个方向的360度方向变化。这四台舵机对称式分布，即左侧为一台纵向舵机和一台横向舵机，右侧对称安装一台横向舵机和一台纵向舵机。四台舵机通过安装支架连接在一起，并与前动力系统后端设置的连接轴9和后动力系统前端设置的连接轴9相连接。由此，四台舵机可根据使用者的控制实现蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人每一节的转向。由于利用舵机的组合实现转向在自动化控制领域属于成熟的现有技术，在此不再赘述。控制台的输出端通过控制线分别连接灾情探测模块1、动力系统中的各个驱动装置和转向系统中的转向舵机11，灾情探测模块I输出端分别连接控制台的输入端。本实施例中，可利用RS485总线进行信息传输，传输距离可达到1400米左右；控制台可采用手持式控制台，包括主控芯片系统、舵机控制器、电机10调速器、显示屏、通话系统、方向摇杆、调速旋钮、前进/后退控制开关和蜂鸣器。主控芯片系统中固化了机器人控制程序，根据从方向摇杆、调速旋钮和前进/后退控制开关获取的数据，分析计算后通过串口向舵机控制器和电机10调速器发送相应的控制指令，调节操纵机器人的运行状态。灾情探测模块I包括人体红外感应器、红外摄像头和通话系统。人体红外感应器可探测周围是否存在幸存者，如果发现幸存者，人体红外感应器立刻向控制台发送信号，控制台接收到信号后控制蜂鸣器报警，提醒操作人员发现幸存者；红外摄像头可实时采集废墟中的图像并通过控制台的显示屏进行显示；灾情探测模块I内的通话系统可与控制台上的通话系统相连接，实现废墟内部与控制台之间的实时音频交换。本实施例中可采用两个灾情探测模块I，两个灾情探测模块I分别设置在首节动力系统前端的连接轴9和尾节动力系统后端的连接轴9上。电源模块为各个用电设备进行独立供电，满足蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人中不同设备的不同电源要求。本实用新型所述的两节或两节以上动力系统，依次通过各个动力系统前端和/或后端的连接轴9及转向系统连接成为一体。在正常工作状态下，大扭力直流电机10、连接轴9和转向系统应与动力外壳2处于相对运动状态，即大扭力直流电机10、连接轴9和转向系统相对与地面处于静止状态，而动力外壳2相对与地面处于转动状态，从而与地面摩擦产生推力，驱动蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人前进。然而在外界阻力较大的情况下，有可能会发生大扭力直流电机10、连接轴9和转向系统相对与地面处于转动状态，而动力外壳2相对与地面处于静止状态的情况，导致蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人无法运行。针对此情况，本实用新型在蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人首尾两节动力系统的连接轴9上水平横向固定连接止滚挡板12，止滚挡板12的长度大于动力外壳2的外径。通过安装止滚挡板12，当大扭力直流电机10、连接轴9和转向系统相对与地面处于转动状态时，由于水平横向设置的止滚挡板12在转动时将与地面接触，阻碍大扭力直流电机10、连接轴9和转向系统转动,从而迫使动力外壳2相对与地面处于转动状态,而大扭力直流电机10、连接轴9和转向系统相对于地面静止，保证蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人正
、产.、rr.吊目U进。由于蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人在前后方向运动时，止滚挡板12可能会接触到两侧的物体，产生额外的阻力，本实用新型也可在止滚挡板12两端水平设置滚轮13，减少额外阻力的产生。此时，同一水平方向上两个滚轮13的最远距离D应大于动力外壳2的外径,保证动力外壳2相对与地面处于转动状态。本实用新型在使用时，由动力系统中的大扭力直流电机10带动动力外壳2转动，通过与地面的摩擦产生向前的推进力；转向系统通过四台舵机控制蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人的行进方向。操作人员可以通过控制台上的显示屏与通话系统实时监控评估废墟内部情况，并利用操纵杆和调速按钮等控制装置控制动力系统与转向系统，调节蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人的运动速度与方向，以此寻找废墟中的被困人员。当有被困人员出现在附近时，人体 红外感应器将向主控芯片发送信号，控制蜂鸣器报警，对操作人员进行提示。
权利要求1.一种蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人，其特征在于:包括两节或两节以上动力系统，动力系统上设置有灾情探测模块，相邻的两节动力系统通过转向系统连接，所述的动力系统包括圆筒状动力外壳和设置在动力外壳内部的驱动装置，动力外壳外表面设置有蜗杆螺纹，动力外壳内表面设置有内齿圈，驱动装置的输出端连接有与内齿圈啮合的行星齿轮系；转向系统包括设置在固定支架上的转向舵机；控制台的输出端分别连接灾情探测模块、动力系统中的各个驱动装置和转向系统中的转向舵机，灾情探测模块输出端分别连接控制台的输入端，电源模块为各个用电设备供电。
2.根据权利要求1所述的蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人，其特征在于:所述动力系统的圆筒状动力外壳两端设置有圆形挡板，圆形挡板中心设置有轴承，圆筒状动力外壳内设置有安装在行星齿轮系固定装置内的行星齿轮系，行星齿轮系固定装置包括第一固定板和第二固定板，第一固定板上设置有连接轴，连接轴通过动力外壳前端圆形挡板中心设置的轴承伸出动力外壳，第二固定板中心设置有开孔，驱动装置包括电机，电机输出轴通过第二固定板中心的开孔连接行星齿轮系的中心齿轮，行星齿轮系与动力外壳内表面设置的内齿圈啮合，电机机体通过固定装置固定，固定装置后端设置有连接轴，连接轴通过动力外壳后端圆形挡板中心设置的轴承伸出动力外壳。
3.根据权利要求2所述的蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人，其特征在于:所述相邻的两节动力系统 中，前动力系统后端设置的连接轴通过转向系统连接后动力系统前端设置的连接轴。
4.根据权利要求3所述的蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人，其特征在于:所述的转向系统包括设置在固定支架上的4个对称分布的转向舵机。
5.根据权利要求4所述的蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人，其特征在于:所述的灾情探测模块包括人体红外感应器、红外摄像头和通话系统。
6.根据权利要求5所述的蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人，其特征在于:所述的蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人首尾两节动力系统的连接轴上水平横向固定连接有止滚挡板，止滚挡板的长度大于动力外壳的外径。
7.根据权利要求5所述的蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人，其特征在于:所述的蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人首尾两节动力系统的连接轴上水平横向固定连接有止滚挡板，止滚挡板两端水平设置有滚轮，同一水平方向上，两个滚轮的最远距离大于动力外壳的外径。
8.根据权利要求6或7所述的蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人，其特征在于:所述的控制台包括主控芯片系统、舵机控制器、电机调速器、显示屏、通话系统、方向摇杆、调速旋钮、前进/后退控制开关和蜂鸣器。
9.根据权利要求8所述的蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人，其特征在于:动力系统上设置有两个灾情探测模块，两个灾情探测模块分别设置在首节动力系统前端的连接轴和尾节动力系统后端的连接轴上。
专利摘要本实用新型公开了一种蛇形螺旋推进式灾难救援搜索机器人，包括两节或两节以上动力系统，动力系统上设置有灾情探测模块，相邻的两节动力系统通过转向系统连接，转向系统包括设置在固定支架上的转向舵机；控制台的输出端分别连接灾情探测模块、动力系统中的各个驱动装置和转向系统中的转向舵机，灾情探测模块输出端分别连接控制台的输入端，电源模块为各个用电设备供电。本实用新型将灵活的蛇形结构和螺旋推进的动力方式结合在一起，具有功率大、稳定性高、适应性强、编程控制简单、转向灵活、功能强大的优点，可适应废墟或隧道里中各种复杂地形，无需姿态控制，实现全角度360度转向，有利于深入废墟深部搜索被困人员。
文档编号B62D57/02GK203127006SQ20132014397
公开日2013年8月14日 申请日期2013年3月27日 优先权日2013年3月27日
发明者刘禹豪, 赵洋, 邓攀晓, 李姝 申请人:刘禹豪