[发明专利]基于风滚草仿生的被动驱动型探测机器人

说明书

技术领域

本发明属于自动探测装置技术领域，尤其涉及一种基于风滚草仿生的被动驱动型探测机器人。

背景技术

21世纪能源与资源日趋紧张，促使各国积极探索太空以及地球的未开发领域，星球探索、极地勘探、大洋监测被每一个国家置于高技术战略高度。鉴于星球、极地的极端环境，由人执行探测任务成本太高，机器人成为承担这一战略任务的重要工具。

轮式机器人，如“勇气号”和“机遇号”，或足式机器人，如“Titan”，机械本体结构复杂，相对比较笨重，执行任务时存在能源供给的问题，且轮式和足式运动速度较低、漫游范围有限。相对于轮式和足式机器人，滚动机器人具有更大的机动性和稳定性，且结构简单、能耗低，在极端环境中的活动范围和行动空间很大，更适合环境探测任务，因此近年逐步受到关注。

1996年，Halme研制出第一个球形滚动机器人，该机构的运动原理是通过内部驱动单元(Inside Drive Unit，IDU)的运动来打破球体的平衡，IDU是一个与电机固联的驱动轮，通过轮的转动控制运动方向的改变；随后，Bicchi将一个运动的小车放置在球体的内部做为驱动源，Javadi采用四面体结构做为轮辐，上面携带砝码，研制出一种全方位球形运动机器人；Kim J利用橡胶材质制作了弹性外壳的球形机器人，内部采用摆锤驱动；等等。然而，上述以自身重力作为驱动源的球形滚动机器人不适合应用在星球探测中，必须寻求重力以外的驱动力及能源，实现机器人的滚动。

目前，关于被动驱动的机器人的研究较少，美国航天局(NASA)研制出了“Tumbleweed Rover”极地探测机器人，该风滚草机器人为结构固定的球体，在自然风力的驱动下，机器人随风而走，但其运行路线完全听从风的摆布，很难控制其运动速度和方向。因此，解决运动控制问题，实现对机器人运动速度和方向的调节，进一步实现机器人越障、爬坡功能，是提高风滚草机器人探测能力的必要前提。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种新型的基于风滚草仿生的被动驱动型探测机器人。

所述探测机器人整体外观为球形，其主体采用骨架结构，所述骨架结构包括中轴、经向龙骨以及纬向龙骨；所述经向龙骨均为半圆环状，其两端分别固定在所述中轴的两端；所述纬向龙骨均为圆环状，并分别与所述各经向龙骨在其靠球心的一侧相接。

在所述骨架结构内设置载物平台，用于放置控制系统、电池、气泵以及探测设备，所述载物平台由支撑架、一个矩形固定板和一个环形固定板组成；其中，所述矩形固定板位于载物平台的中部，并且位于所述环形固定板的包围之内，中轴穿过矩形固定板并与其垂直；所述矩形固定板和环形固定板均固定于所述支撑架之上，所述支撑架包含四根支撑轴，分别与中轴垂直固定连接，所述四根支撑轴均位于同一平面，且相邻的两根支撑轴互相垂直。

所述环形固定板的外圈直径小于所述探测机器人最外层的球形骨架的直径，在环形固定板和球形骨架之间设置若干气囊。气囊呈梭状，固定于相应的一根经向龙骨之上，当所有气囊充满气时，其整体外观呈球状。

所述载物平台上设置气泵、电磁阀、控制电路板以及电池，其中矩形固定板用于固定气泵、控制电路板以及电池，环形固定板用于固定电磁阀；两个固定板都分为上下两层，其中，矩形固定板的上下两层分别固定等数量的气泵，而环形固定板的上下两层则分别固定等数量的电磁阀；气泵用弹簧卡子固定在矩形固定板上。环形固定板和矩形固定板中间留有空隙，可以让管路和电线通过。

所述气泵通过电磁阀与气囊相连，由电磁阀控制气路通断。每个气泵连接两个电磁阀，每个电磁阀连接两个气囊。气泵和电磁阀之间以及电磁阀与气囊之间用密封管相连。每一个气囊都有两个气孔，其中一个气孔通过电磁阀与气泵的充气口相连用于充气，另一个气孔则通过电磁阀与气泵的放气口相连用于放气。

相对于以往的风滚草仿生机器人，本发明采用多气囊结构，可以通过对气囊的单独控制，调整探测机器人迎风面的大小和方位，实现在风力驱动下的探测机器人运动的速度大小和方向的改变。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明：

图1为根据本发明实施例的探测机器人的主视图；

图2为根据本发明实施例的探测机器人的载物平台结构图；

图3为根据本发明实施例的探测机器人在拆除气囊、管路后的部件装配俯视图；

图4为根据本发明实施例的探测机器人的管路连接示意图；

图5a-c为根据本发明实施例的探测机器人运动中的转向控制。

附图标记