具有自平衡载物台的全地形智能救援机器人的制作方法

本发明涉及一种机器人，具体涉及一种具有自平衡载物台的全地形智能救援机器人。

背景技术：

目前，随着全球变暖和全球气候变化，作为人类家园的地球上频频发生地震、海啸、山体滑坡、洪灾、火灾等自然灾害，威胁这人类的生命与财产安全。当这些灾害发生时，需要人民子弟兵、消防战士、医护人员等进行及时的抢救。而单单依靠人为的抢救已经不能抢救的要求。随着科技的发展，越来越多的智能设备逐渐被投入救灾行列，其中较为普遍的是救援机器人。

救援机器人能够在整个抢险救灾过程中起到救援、侦察反馈、实地救护、后勤供给等任务上均能发挥巨大的作用。特别是在地震灾场，灾场地形非常复杂，救护车根本无法进入灾区实施救援。当救援士兵进入地震灾区实施救援时难以将受伤严重的伤员通过担架抬出灾区，因为在用担架将伤员送出灾区过程中必须时刻保持担架的平稳性，地震后的地面地形异常复杂难以保证担架不会发生摇晃，而担架的晃动将会迅速增加伤员的伤势造成不可挽回的局面。因此，研究一种具有自平衡载物台的机器人将会有效地解决这一难题。

现有应用于灾区救援方面的机器人大多用于信息反馈系统或热成像系统来探测灾区中的生命迹象，使用较为有限。而对于具有自平衡结构的机器人现有研究倒是不少，例如授权公告号为204673629u的中国实用新型专利公开了一种水平陀螺结构的独轮自平衡机器人，包括机架、平衡电机、旋转配重、控制电路板、旋转电机、陀螺转子、行走轮和行走电机，机架为底面封闭的空心圆筒形，机架顶面安装一个正方形的顶板，平衡电机安装在顶板上端面，旋转配重的一端连接平衡电机，另一端悬空，控制电路板安装在顶板下端面的几何中心位置，控制电路板连接平衡电机、旋转电机和行走电机，旋转电机安装在机架的内部，陀螺转子安装在旋转电机的旋转轴上，行走轮安装在机架的底面下端面，行走电机连接驱动行走轮，旋转配重的旋转轴、陀螺转子的旋转轴与机架的中心轴同轴，行走轮的支撑点位于机架的中心轴上。该种独轮结构的机器人运动灵活性好、并且具有定点平衡能力，仅适用于在平地上使用，难以适应地震灾区多种复杂的地形。

技术实现要素：

针对上述的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种运行平稳、机动性能强、适于在复杂地形的情况进行搬运伤员的具有自平衡载物台的全地形智能救援机器人。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

具有自平衡载物台的全地形智能救援机器人，包括行走机构，所述行走机构包括机架和分别安装在机架两侧的覆带轮组，各覆带轮组通过连接支架安装在机架的下方，还包括自平衡机构，所述自平衡机构包括设置在机架上方的自平衡载物台、用于控制自平衡载物台一直处于水平状态的控制系统、2根以上的丝杆和用于驱动丝杆的丝杆驱动装置，所述丝杆驱动装置通过安装支座固定在机架上，所述丝杆的下端通过联轴器与丝杆驱动装置轴接、其上端通过紧固件与自平衡载物台连接，在自平衡载物台的中心与机架之间设有一螺纹杆，所述螺纹杆的底端固定在机架上、其顶端通过万向节连接在自平衡载物台的底部。

上述方案中，所述紧固件可包括法兰盘、螺钉和连接环，所述法兰盘的中心孔供丝杆穿入，所述螺钉穿入法兰盘上的定位孔内并将法兰盘固定在丝杆上，所述连接环的开环端穿过自平衡载物台的壁体后固定在法兰盘上的定位孔内。即通过紧固件的作用将自平衡载物台与丝杆进行连接，该连接即不是完全固定连接也不是松松垮垮的任意移动形式的连接。

上述方案中，所述丝杆驱动装置可以为直流减速电机。

上述方案中，每一覆带轮组可包括一对主覆带轮、一对随主覆带轮传动的随动覆带轮、用于驱动主覆带轮的驱动电机和一条覆带，其中

所述主覆带轮的转轴与驱动电机的输出轴连接，所述随动覆带轮设置在主覆带轮的上方且在随动覆带轮的转轴与主覆带轮的转轴之间连接有一活动杆，所述驱动电机通过电机固定架安装在机架下方的底板的下方，所述底板与机架相平行设置并通过弹簧与机架连接，所述覆带包覆在主覆带轮与随动覆带轮所在的外周上。

上述方案中，为了调整随动覆带轮的张紧，以保证随动覆带轮移动的灵活性，所述随动覆带轮的转轴可连接有一滑轨，所述滑轨竖直设在底板的下方且滑轨的顶端通过螺丝固定在底板上，所述随动覆带轮的转轴通过螺栓与轴承的配合安装在滑轨上开设的滑槽内。

上述方案中，为了保证各覆带轮运动的同步性，可在主覆带轮与主覆带轮之间的转轴上连接有一水平杆，在随动覆带轮与随动覆带轮之间的转轴上连接有一水平杆。

上述方案中，所述控制系统可包括摄像头、控制终端和主控板，所述摄像头安装在底板上，所述主控板安装在自平衡载物台的下方并主要由中央处理器、驱动芯片、平衡传感器和用于供电的电源构成，所述电源经电源转接芯片后与中央处理器的供电端连接，所述驱动芯片的输入端与中央处理器内的pid控制器连接、其输出端与丝杆驱动装置连接，所述平衡传感器和摄像头均与中央处理器的信号输入端连接；所述控制终端通过无线连接模块与中央处理器连接。

上述方案中，所述中央处理器可以为型号是stm32f407的处理芯片，所述驱动芯片为型号为tb6612的驱动模块。

本发明的有益效果为：

1)本发明采用的行走机构包括机架和分别安装在机架两侧的覆带轮组，每一覆带轮组包括一对主覆带轮、一对随主覆带轮传动的随动覆带轮、驱动电机和一条覆带，该结构的行走机构克服了现有机器人不能适应地震灾区多种复杂地形，具有机动性能强和结构简单的特点；

2)本结构的机器人设置了自平衡载物台，其通过丝杆、丝杆驱动装置、螺纹杆和控制系统的使用，使得自平衡载物台在任何情况下均能一直处于水平状态，当在地形较为颠簸和复杂的地震，将伤员或其他易碎物品等放置在自平衡载物台上，即可将灾区的伤员迅速、平稳、安全的运送出灾区进行救治，并避免了因运送过程可能出现二次受伤的情况。具有运行稳定、系统控制灵敏、实用性强的有益特点。

附图说明

图1具有自平衡载物台的全地形智能救援机器人的结构示意图。

图2为所述控制系统的系统框图。

图中标号为：1、丝杆；2、连接环；3、法兰盘；4、自平衡载物台；5、联轴器；6、丝杆驱动装置；7、安装支座；8、机架；9、弹簧；10、连接支架；11、履带；12、主履带轮；13、输出轴；14、驱动电机；15、电机固定架；16、活动杆；17、滑轨；18、螺纹杆；19、万向节；20、底板；21、随动履带轮；22、摄像头；23、主控板，24、水平杆。

具体实施方式

如图1所示，具有自平衡载物台的全地形智能救援机器人，包括行走机构，所述行走机构包括机架8和分别安装在机架8两侧的覆带轮组，各覆带轮组通过连接支架10安装在机架8的下方，所不同的是：还包括自平衡机构。

所述自平衡机构包括设置在机架8上方的自平衡载物台4、用于控制自平衡载物台4一直处于水平状态的控制系统、2根以上的丝杆1和用于驱动丝杆1的丝杆驱动装置6。所述丝杆驱动装置6通过安装支座7固定在机架8上。为了提高效率和节约安装空间，本实施例中，所述丝杆驱动装置6为直流减速电机。所述丝杆1的下端通过联轴器5与丝杆驱动装置6轴接、其上端通过紧固件与自平衡载物台4连接。在自平衡载物台4的中心与机架8之间设有一螺纹杆18，所述螺纹杆18的底端固定在机架8上、其顶端通过万向节19连接在自平衡载物台4的底部。所述丝杆1与螺纹杆18、控制系统共同配合并在丝杆驱动装置6的作用下使自平衡载物台4一直处于水平的状态。本实施例中，所述丝杆1具体为2根，当然也可以选择为3根等。

所述紧固件具体包括法兰盘3、螺钉和连接环2，其中法兰盘3的中心孔供丝杆1的上端穿入，所述螺钉穿入法兰盘3上的定位孔内并将法兰盘3固定在丝杆1上，所述连接环2的开环端穿过自平衡载物台4的壁体后固定在法兰盘3上的定位孔内。即自平衡载物台4通过螺纹杆18作为主支撑，以丝杆1拉动与法兰盘3连接的连接环2来调整自平衡载物台4的上下、左右、倾斜以确保自平衡载物台4的水平状态。

每一覆带轮组包括一对主覆带轮、一对随主覆带轮传动的随动覆带轮、用于驱动主覆带轮的驱动电机14和一条覆带。其中，所述主覆带轮的转轴与驱动电机14的输出轴13连接。在主覆带轮与主覆带轮之间的转轴上连接有一水平杆，在随动覆带轮与随动覆带轮之间的转轴上连接有一水平杆。即在两个同一组且同直线安装的主覆带轮的转轴之间连接有水平杆；同理，在两个同一组且同直线安装的随动覆带轮的转轴之间连接有水平杆。

所述随动覆带轮设置在主覆带轮的上方且在随动覆带轮的转轴与主覆带轮的转轴之间连接有一活动杆16。所述驱动电机14通过电机固定架15安装在机架8下方的底板20的下方，所述驱动电机14为直流减速电机。所述底板20与机架8相平行设置并通过弹簧9与机架8连接。所述弹簧9的数量为4根或更多，为大直径刚性弹簧9，以达到支撑机架8上方的自平衡载物台4的作用，也能起到很好的缓冲作用。所述覆带包覆在主覆带轮与随动覆带轮所在的外周上。所述随动覆带轮的转轴连接有一滑轨17。所述滑轨17竖直设在底板20的下方且滑轨17的顶端通过螺丝固定在底板20上，所述随动覆带轮的转轴通过螺栓与轴承的配合安装在滑轨17上开设的滑槽内。即随动覆带轮的转轴可在滑槽内进行上下移动，使得随动覆带轮可根据主覆带轮的转动而进行调整相对应的张紧度。

如图2所示，所述控制系统包括摄像头22、控制终端和主控板23。所述摄像头22安装在底板20上，用于采集机器人当前位置的实时环境图像，并发送给中央处理器。所述主控板23安装在自平衡载物台4的下方并主要由中央处理器、驱动芯片、平衡传感器和用于供电的电源构成。本实施例中，所述中央处理器具体选用型号是stm32f407的处理芯片。其中电源经电源转接芯片后与中央处理器的供电端连接。所述驱动芯片的输入端与中央处理器内的pid控制器连接、其输出端与丝杆驱动装置6连接。本实施例中，所述驱动芯片采用型号为tb6612的驱动模块，用以接收中央处理器中的pid控制模块发来的信号，并向丝杆驱动装置6发送正转、反转、工作转速的指令。所述平衡传感器和摄像头22均与中央处理器的信号输入端连接。所述平衡传感器安装在主控板23的下方、用于检测自平衡载物台4的倾斜角度，具体可选用型号为mpu6050的平衡传感器。所述控制终端通过无线连接模块与中央处理器连接。所述控制终端可以是手机、平板电脑、智能手表等移动设备，也可以是控制手柄、遥控器等。在使用时，控制终端内需安装与控制系统相对应的控制操作软件，该控制操作软件的通过在中央处理器中进行烧录、开发。

当然，上述控制系统仅仅是用于保证自平衡载物台4一直处于水平状态的控制，而对于整个机器人的控制还需对应的机器人遥控器。所采用的机器人遥控器可为现有较成熟的机器人控制遥柄，也可以将机器人的控制与控制终端一起整合在一起，便于操作控制。

所述自平衡载物台4在使用时：

1)将伤员或待载物放置在自平衡载物台4上，并用一些绑带进行固定，软件控制器通过触控按键触发控制指令，然后操作控制终端，行走机构移动；

2)设于机架8上的平衡传感器立即检测、感应自平衡载物台4的倾斜角度并发送至中央处理器；中央处理器即对发送来的值进行比对，当检测到自平衡载物台4为倾斜状态时，立即中断并通过pid控制器进行计算达到水平状态时，各丝杆1的调节参数；

3)中央处理器将各调节参数转为相应的控制指令，控制丝杆驱动电机14正转、反转以及转动速度，从而控制使丝杆1上的法兰盘3上升、下降或左右倾斜等，以带动自平衡载物台4达到实时、瞬间的平衡。

因此，本发明在工作时，仅需控制机器人行走机构的行驶，所述自平衡载物台4通过控制系统实时、瞬间自身实现水平上的平衡，避免在运送伤员过程，因地形复杂、行走机构颠簸而出现伤员二次受伤的情况。

以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。