專利名稱：一種可伸縮避障的仿生機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種機器人，尤其是ー種可伸縮避障的仿生機器人，主要用于實現(xiàn)管道維修過程中的偵查探測、獲取樣本等功能。
背景技術：
管道是ー種常見的物料輸送和氣體排放裝置，廣泛應用于化工、礦山、煉油、印染、
中央空調等領域。管道系統(tǒng)在長期工作后會出現(xiàn)腐蝕、污垢、堵塞、損傷等問題；為了提高管道壽命、防止泄露等事故的發(fā)生，必須定期對管道進行有效地檢測維護。但是這些管道往往空間狹窄，維護人員難以進入，維護難度很大；某些管道內會殘留有毒有害物質，對人體亦有損害，因此通常的做法是使用越障機器人對管道內進行偵測工作。越障機器人在管道內行走，通過視頻采集裝置偵測獲得管道內的影像，并將偵測結果傳送至控制中心的主機，維護人員根據(jù)偵測結果有針對性地對管道進行維護工作。對于管道內的障礙物，大多數(shù)越障機器人采用的越障方式為轉彎繞過，或關節(jié)旋轉以升高機體，這種越障方式的機體升高高度有限，而且比較浪費時間，此外，大多數(shù)越障機器人并無配備完成指定工作的執(zhí)彳了器，只能單一完成越障和偵查工作，功能有待完菩。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是克服上述背景技術的不足，提供ー種可伸縮避障的仿生機器人，該機器人應能適應復雜的工作環(huán)境，可以靈活地避開障礙物，在偵查探測管道內環(huán)境的同時還可完成采樣工作，并且具有結構簡單，使用方便的特點。本發(fā)明采用的技術方案是
ー種可伸縮避障的仿生機器人，包括機體、安裝在機體底部的行走避障機構、安裝在機體頂部的影像采集裝置、電源以及控制裝置，其特征在干所述行走避障機構包括對稱布置在機體左右兩側的兩排機械足，每排機械足中包含至少三條機械足，每條機械足包括第一平行四邊形機構、第二平行四邊形機構，以及可升降的支撐腿；
所述第一平行四邊形機構包括固定在機體底部的豎直側板、鉸接在該豎直側板上且相互平行的第一連桿和第二連桿，以及與所述第一連桿第二連桿鉸接的第三連桿，其中第一連桿由固定在豎直側板上的第一電機驅動；
所述第二平行四邊形機構包括上端固定在所述第三連桿上的第一關節(jié)、與第一關節(jié)中部鉸接的第四連桿、與第一關節(jié)下端鉸接的第五連桿，以及與所述第四連桿、第五連桿鉸接的第二關節(jié)；其中第一關節(jié)、第二關節(jié)均豎直布置，第四連桿由固定在第一關節(jié)上的第二驅動電機驅動；
所述支撐腿通過沿豎直方向布置的導軌機構安裝在所述第二關節(jié)上，支撐腿還上安裝著由第三電機驅動的第一齒輪，第二關節(jié)上安裝有沿豎直方向布置的第一齒條，所述第一齒輪與第一齒條配合以驅動第二關節(jié)上下運動。所述機體包括一水平布置的腹板以及對稱布置在腹板左右兩側的兩個保護殼，每個保護殼底部的前側和后側分別固定有水平布置且沿左右方向伸展的第二齒條，所述腹板上安裝有與第二齒條匹配且由第四電機驅動的第二齒輪，腹板的前側和后側分別固定有導向板，所述導向板上開設有與第二齒條匹配的第二滑槽。所述腹板上安裝有一操作手,該操作手包括一立柱、一端鉸接在立柱頂部的操作臂，以及安裝在操作臂頂部并可更換末端執(zhí)行器的末端執(zhí)行器安裝座，所述操作臂由第五電機驅動，末端執(zhí)行器安裝座由第六電機驅動；腹板的中部固定有一矩形導軌框，該矩形框上安裝有所述操作手的驅動機構，該驅動機構包括ー個水平布置的座體、驅動所述立柱繞其豎直中心線旋轉的第七電機，該第七電機安裝在座體底部的中心位置；所述座體底部的前側、后側各安裝有ー組第 三齒輪，姆組第三齒輪中的兩個齒輪相互嚙合，并且其中ー個齒輪由固定在座體上的第八電機驅動，所述矩形導軌框的內壁的左右兩側分別固定有沿前后方向伸展的第三齒條，每組第三齒輪的兩個齒輪分別與兩個第三齒條嚙合以驅動所述底座前后運動；所述矩形導軌框左右兩側的外壁分別開有第三滑槽，所述座體底部的左右兩側分別固定有第三滑塊，所述第三滑塊與第三滑槽配合以對所述座體導向；所述腹板在矩形導軌框圍攏的區(qū)域內制有開ロ，腹板的底部固定有ー對準該開ロ的儲物箱。所述影像采集裝置包括兩個通過轉軸安裝在腹板上的攝像頭，所述兩個攝像頭對稱布置在腹板前部的左右兩側，另有兩個第九電機分別通過齒輪驅動兩攝像頭擺動。本發(fā)明的工作原理是工作狀態(tài)下，保護殼處于打開狀態(tài)，影像采集裝置收集管道內的環(huán)境情況，之后控制裝置根據(jù)環(huán)境情況控制機械足行走；
功能1，行走，
機械足按方位排布前、中、后三對，行走時ー邊的前后足與另ー邊的中足共同行走或支撐，形成昆蟲行走時的三角形步態(tài)，保證機器人的平穩(wěn)行走，具體是第一電機驅動第一平行四邊形機構工作，從而使第三連桿前后擺動，帶動第二平行四邊形機構以及支撐腳完成行走動作；上述行走過程中，機械足調整狀態(tài)的操作是在脫離地面后完成的；
功能2,過低障，
當機器人遇到在上述功能I姿態(tài)下不能越過的障礙時，機械足的第三電機轉動，通過嚙合的第一齒輪和第一齒條升高第二關節(jié)的高度，從而越過障礙；
功能3，過高障，
當機器人遇到在上述功能2的姿態(tài)下仍不能跨越的較高障礙時，機械足的第二電機驅動第四連桿轉動，増加第一關節(jié)和第二關節(jié)之間的垂直距離，從而再次升高機器人的高度，越過障礙；
功能4,過狹縫，
如功能3所述的機器人過較高障礙的姿態(tài)，減小了機器人的橫向長度，當機器人遇到所述功能I和功能2姿態(tài)所不能穿過的狹縫時，可采用此姿態(tài)通過；
功能5，轉彎，
當機器人遇到不需要或不能跨越的障礙時，可分開驅動機器人左右兩邊的機械足，使左側的機械足與右側的機械足具有相反的角速度，使機器人轉彎避過障礙；
功能6,上臺階，
當機器人遇到所需的工作地面高于當前所處地面時，可分開驅動機器人前中后三對足，首先將中足、后足調整為功能2或3中的姿態(tài)，同時前足保持最低姿態(tài)不變，驅動機器人向前行走至機器人前足到達臺階面的上方，此時調整前足姿態(tài)，使前足支撐在臺階上，之后將中足調整到較低姿態(tài)，驅動前后足使機器人向前行走，之后再驅動后足使其到達臺階面，如此分開驅動前、中、后三對機械足直至機器人登上臺階；
功能7 :鉆孔
如前所述的操作手，可以在末端執(zhí)行器安裝座中配置鉆頭(自帶電機)，當鉆頭旋轉到工作位置時，可以在物體上鉆孔，鉆頭的高度可由操作手的操作臂控制；此外，通過立柱底部的第七電機可使操作手周向旋轉。功能8:取樣
如前所述的操作手，可在末端執(zhí)行器安裝座中配置夾具(自帶電機)，當末端執(zhí)行器安裝座的夾具旋轉到工作狀態(tài)時，可以夾取所需的樣本；
功能9，貯存樣本，
如前所述的腹板上包括直徑較大的開ロ，與腹板底部的儲物箱連通，當操作手取到樣本后，可將樣本存放進儲物箱；
功能10，保護操作手，
當遇到墜物或液體等可能導致操作手受損的傷害吋，機器人的保護殼合攏，保護操作手，渡過危險后，操作手需要完成工作時，保護殼再打開。功能11，偵測地形，定位，
如前所述的攝像頭可通過齒輪嚙合旋轉，偵測較大范圍的地形地貌。本發(fā)明的有益效果是與常規(guī)管道機器人相比，機體可以通過機械足升高兩次，從而越過較高的障礙，并且通過收攏機械足，可以穿越較窄的狹縫，并在遇到危險時收攏保護殼，保護內部的操作手不受損壞；操作手可以采集管道內的樣本，從而方便維護人員進行維護工作；另外，本發(fā)明的結構也比較簡單，實施容易，成本相對比較低，具有較高的市場價值。


圖I是本發(fā)明的立體結構示意圖之一。圖2是本發(fā)明的立體結構示意圖之ニ。圖3是圖2中A部的放大示意圖。圖4是本發(fā)明中機體的立體結構示意圖之一。圖5是本發(fā)明中機體的立體結構示意圖之ニ。圖6是本發(fā)明中機體與機械足的連接結構示意圖。圖7是本發(fā)明中操作手的驅動機構和機體的連接結構示意圖。圖8是圖7中操作手的驅動機構的立體結構示意圖。圖9是本發(fā)明中儲物箱的立體結構示意圖。圖10是本發(fā)明中操作手的立體結構示意圖。
具體實施例方式以下結合說明書附圖，對本發(fā)明作進ー步說明，但本發(fā)明并不局限于以下實施例。本發(fā)明所述的ー種可伸縮避障的仿生機器人(結構類似瓢蟲)，包括ー個機體、安裝在機體底部的行走避障機構、安裝在機體頂部的影像采集裝置、電源24以及控制裝置26。所述控制裝置通過影像采集裝置采集環(huán)境影像，并控制行走避障裝置工作，該控制裝置同時還與控制中心的主機之間無線通信，將工作情況反饋給控制中心的維護人員。上述行走避障機構包括對稱布置在機體左右兩側的兩排機械足，每排機械足中包含至少三條機械足，每條機械足包括第一平行四邊形機構、第二平行四邊形機構，以及可升降的支撐腿7。上述第一平行四邊形機構包括固定在機體底部的豎直側板29(同側的機械足共用一豎直側板)、鉸接在該豎直側板上且相互平行的第一連桿2和第二連桿4，以及與所述第ー連桿第二連桿鉸接的第三連桿3。豎直側板的內側固定有第一電機30，第一電機的輸出軸與第一連桿的鉸接軸連接，第一連桿的鉸接軸與第一連桿之間固定在一起，因此第一電機旋轉時可帶動第一連桿轉動，該第一電機與所述控制裝置連接。顯然第一電機也可以選擇驅動第二連桿轉動，具體可以根據(jù)實際情況確定。
上述第二平行四邊形機構包括上端固定在所述第三連桿上的第一關節(jié)11、與第一關節(jié)中部鉸接的第四連桿14、與第一關節(jié)下端鉸接的第五連桿13，以及與所述第四連桿、第五連桿鉸接的第二關節(jié)5 ;第四連桿與第五連桿平行布置，第一關節(jié)和第二關節(jié)均豎直布置，為了加強穩(wěn)定性，可以在第一關節(jié)的前后兩側分別設置一根第五連桿。第一關節(jié)與第四連桿的鉸接處設有第二電機12，第二電機固定在第一關節(jié)上，其輸出軸與第四連桿的鉸接軸連接，第四連桿的鉸接軸與第四連桿連成一體。上述支撐腿通過沿豎直方向布置的導軌機構安裝在所述第二關節(jié)上，支撐腿還上安裝著由第三電機6驅動的第一齒輪8,第二關節(jié)上安裝有沿豎直方向布置的第一齒條18,所述第一齒輪與第一齒條配合以驅動第二關節(jié)上下運動。上述支撐腿上開有通槽，通槽內安裝著所述第一齒輪，第一齒輪的轉軸與第三電機的輸出軸連接在一起。所述第二關節(jié)與第一關節(jié)接觸的一側也制有開槽，該開槽內固定著所述第一齒條，通過第一齒輪與第一齒條的配合，改變支撐腳在第二關節(jié)上的位置，從而調整高度。上述導軌機構中，第二關節(jié)上制有沿豎直方向布置的第一滑槽，支撐腿上制有沿豎直方向布置的第一滑塊7-1。上述機體包括一水平布置的腹板15以及對稱布置在腹板左右兩側的兩個保護殼1，每個保護殼底部的前側和后側分別固定有水平布置且沿左右方向伸展的第二齒條19，所述腹板上安裝有與第二齒條匹配且由第四電機21驅動的第二齒輪20，腹板的前側和后側分別固定有導向板25，所述導向板上開設有與第二齒條匹配的第二滑槽25-1。兩個第二齒輪分別驅動相應的第二齒條運動，從而實現(xiàn)保護殼的打開和閉合，上述第二滑槽在此過程中對第二齒條導向，同時也防止保護殼脫出。上述兩個保護殼可以制成類似瓢蟲翅膀的形狀，其底部設置加強筋等結構，在此不作詳細描述。為了能夠在管道內采集樣品，所述腹板上安裝有一操作手，該操作手包括一立柱
17、一端鉸接在立柱頂部的操作臂16，以及安裝在操作臂頂部的可更換末端執(zhí)行器的末端執(zhí)行器安裝座38。所述立柱上固定有第五電機39，第五電機的輸出軸與操作臂的鉸接軸連接，而操作臂的鉸接軸與操作臂固定在一起，因此第五電機可以帶動操作臂擺動。所述末端執(zhí)行器上可以安裝鉆頭37、夾具36等多種末端執(zhí)行器(均自帶電機)，為了自動更換末端執(zhí)行器，所述末端執(zhí)行器安裝座由第六電機驅動35。腹板的中部固定有一矩形導軌框27，該矩形框上安裝有所述操作手的驅動機構。該驅動機構包括ー個水平布置的座體32、驅動所述立柱繞其豎直中心線旋轉的第七電機33 (即周向旋轉)，該第七電機安裝在座體底部的中心位置，座體的上部安裝有三角塊33，第七電機的輸出與三角塊的轉軸連接，三角塊與立柱底部的三角形通孔配合，從而第七電機可以驅動立柱轉動。為了使座體前后移動，所述座體底部的前側、后側各安裝有ー組第三齒輪34,姆組第三齒輪中的兩個齒輪相互嚙合,并且其中一個齒輪由固定在座體上的第八電機31驅動(第八電機固定在座體上表面)，所述矩形導軌框的內壁的左右兩側分別固定有沿前后方向伸展的第三齒條28，每組第三齒輪的兩個齒輪分別與兩個第三齒條嚙合以驅動所述底座前后運動；所述矩形導軌框左右兩側的外壁分別開有第三滑槽27-1，所述座體底部的左右兩側分別固定有第三滑塊32，所述第三滑塊與第三滑槽配合以對所述座體導向；所述腹板在矩形導軌框圍攏的區(qū)域內制有開ロ，腹板的底部固定有一對準該開ロ的儲物箱10。
所述影像采集裝置包括兩個通過轉軸安裝在腹板上的攝像頭9，所述兩個攝像頭對稱布置在腹板前部的左右兩側，另有兩個第九電機23各通過兩個相互嚙合的第四齒輪22驅動兩攝像頭擺動，常規(guī)結構，不作詳細介紹。上述所有電機、末端執(zhí)行器、攝像頭以及控制裝置均可外購獲得，顯然所有電機、攝像頭、末端執(zhí)行器與所述控制裝置連接。
權利要求
1.ー種可伸縮避障的仿生機器人，包括機體、安裝在機體底部的行走避障機構、安裝在機體頂部的影像采集裝置、電源(24)以及控制裝置(26)，其特征在于所述行走避障機構包括對稱布置在機體左右兩側的兩排機械足，每排機械足中包含至少三條機械足，每條機械足包括第一平行四邊形機構、第二平行四邊形機構，以及可升降的支撐腿(7)； 所述第一平行四邊形機構包括固定在機體底部的豎直側板(29)、鉸接在該豎直側板上且相互平行的第一連桿(2)和第二連桿(4)，以及與所述第一連桿第二連桿鉸接的第三連桿(3),其中第一連桿由固定在豎直側板上的第一電機(30)驅動； 所述第二平行四邊形機構包括上端固定在所述第三連桿上的第一關節(jié)(11)、與第一關節(jié)中部鉸接的第四連桿(14)、與第一關節(jié)下端鉸接的第五連桿(13)，以及與所述第四連桿、第五連桿鉸接的第二關節(jié)(5);其中第一關節(jié)、第二關節(jié)均豎直布置，第四連桿由固定在第一關節(jié)上的第二驅動電機(2)驅動； 所述支撐腿通過沿豎直方向布置的導軌機構安裝在所述第二關節(jié)上，支撐腿還上安 裝著由第三電機(6)驅動的第一齒輪(8),第二關節(jié)上安裝有沿豎直方向布置的第一齒條(18)，所述第一齒輪與第一齒條配合以驅動第二關節(jié)上下運動。
2.根據(jù)權利要求I所述的ー種可伸縮避障的仿生機器人，其特征在于所述機體包括一水平布置的腹板(15)以及對稱布置在腹板左右兩側的兩個保護殼(1)，每個保護殼底部的前側和后側分別固定有水平布置且沿左右方向伸展的第二齒條(19)，所述腹板上安裝有與第二齒條匹配且由第四電機(21)驅動的第二齒輪(20)，腹板的前側和后側分別固定有導向板(25)，所述導向板上開設有與第二齒條匹配的第二滑槽(25-1)。
3.根據(jù)權利要求2所述的ー種可伸縮避障的仿生機器人，其特征在于所述腹板上安裝有一操作手，該操作手包括一立柱(17)、一端鉸接在立柱頂部的操作臂(16)，以及安裝在操作臂頂部并可更換末端執(zhí)行器的末端執(zhí)行器安裝座(38)，所述操作臂由第五電機(39)驅動，末端執(zhí)行器安裝座由第六電機(35)驅動；腹板的中部固定有一矩形導軌框(27)，該矩形框上安裝有所述操作手的驅動機構，該驅動機構包括ー個水平布置的座體(32)、驅動所述立柱繞其豎直中心線旋轉的第七電機(33)，該第七電機安裝在座體底部的中心位置；所述座體底部的前側、后側各安裝有ー組第三齒輪(34)，每組第三齒輪中的兩個齒輪相互嚙合，并且其中一個齒輪由固定在座體上的第八電機(31)驅動，所述矩形導軌框的內壁的左右兩側分別固定有沿前后方向伸展的第三齒條(28)，每組第三齒輪的兩個齒輪分別與兩個第三齒條嚙合以驅動所述底座前后運動；所述矩形導軌框左右兩側的外壁分別開有第三滑槽(27-1)，所述座體底部的左右兩側分別固定有第三滑塊(32)，所述第三滑塊與第三滑槽配合以對所述座體導向；所述腹板在矩形導軌框圍攏的區(qū)域內制有開ロ，腹板的底部固定有ー對準該開ロ的儲物箱(10 )。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的ー種可伸縮避障的仿生機器人，其特征在于所述影像采集裝置包括兩個通過轉軸安裝在腹板上的攝像頭(9)，所述兩個攝像頭對稱布置在腹板前部的左右兩側，另有兩個第九電機(23 )分別通過齒輪驅動兩攝像頭擺動。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可伸縮避障的仿生機器人。目的是提供的機器人應能適應復雜的工作環(huán)境且具有結構簡單的特點。技術方案是一種可伸縮避障的仿生機器人，包括機體、行走避障機構、影像采集裝置、電源及控制裝置，其特征在于行走避障機構包括兩排機械足，每排機械足中包含至少三條機械足，每條機械足包括第一平行四邊形機構、第二平行四邊形機構，及可升降的支撐腿；第一平行四邊形機構包括豎直側板、第一連桿和第二連桿，及第三連桿；第二平行四邊形機構包括第一關節(jié)、第四連桿、第五連桿，及第二關節(jié)；支撐腿安裝在第二關節(jié)上，支撐腿還上安裝著第一齒輪，第二關節(jié)上安裝有第一齒條，第一齒輪與第一齒條配合以驅動第二關節(jié)上下運動。
文檔編號G01N1/04GK102705632SQ20121018012
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月30日 優(yōu)先權日2012年5月30日
發(fā)明者國樹森, 張雷, 朱楓 申請人:浙江理工大學