專利名稱：一種具有掘進(jìn)功能的礦難救災(zāi)機(jī)器人及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種六足機(jī)器人及其控制領(lǐng)域，具體是指具有掘進(jìn)功能的礦難救災(zāi)六足機(jī)器人及其控制方法。
背景技術(shù)：
煤炭行業(yè)是工業(yè)生產(chǎn)中傷亡事故最嚴(yán)重的行業(yè)。長期以來，煤礦災(zāi)難發(fā)生后的救援一直是一個熱門的研究課題，由于災(zāi)害礦井具有以下特點空間狹小、礦難現(xiàn)場巷道結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、礦難現(xiàn)場內(nèi)具有可燃性氣體等，以上特點對于救援人員的救援作業(yè)和人身安全會造成極大的影響和危害?？梢苿訖C(jī)器人在礦難發(fā)生后能夠代替人類進(jìn)入礦井，并通過其上搭載的各類傳感器(溫度傳感器、一氧化碳濃度傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、聲音探測器、定位傳感器、攝像頭等)完成危險的井下環(huán)境探測和輔助救援工作，提高救援效率，避免或減少救援人員的傷亡。輪式機(jī)器人在相對平坦的路面上具有良好的移動性，能量利用效率高，但是在復(fù)雜的地面下移動性受到很大限制，不適于災(zāi)害礦井的救援工作。足式機(jī)器人，尤其是六足機(jī)器人具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力，在災(zāi)害礦井的非結(jié)構(gòu)環(huán)境下能夠穩(wěn)定行走，但是移動速度慢，能量利用效率低，不能滿足快速救援和能量補(bǔ)給困難的要求。當(dāng)前，用于礦難救災(zāi)的機(jī)器人主要以履帶式機(jī)器人為主，履帶式機(jī)器人具有地形適應(yīng)能力強(qiáng)和運動速度快的特點， 但是履帶式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人要實現(xiàn)掘進(jìn)功能，需在機(jī)器人前端設(shè)計專門的掘進(jìn)機(jī)構(gòu)，并在機(jī)器人內(nèi)部設(shè)計碎料傳送結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體節(jié)龐大，還會帶來較大的能量消耗，不適用于礦難救災(zāi)場合使用。當(dāng)前，還沒有具備掘進(jìn)功能的礦難救災(zāi)機(jī)器人，一旦災(zāi)難礦井被堵塞，機(jī)器人就無法進(jìn)入或穿過堵塞區(qū)進(jìn)行救援，影響救援效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種具有掘進(jìn)功能的礦難救災(zāi)機(jī)器人，為輔助礦難救災(zāi)提供一種機(jī)器人移動平臺。該機(jī)器人采用六腿結(jié)構(gòu)，采用三角步態(tài)行進(jìn)控制方式，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，在行進(jìn)控制上采用輪式機(jī)器人的驅(qū)動原理，移動速度快，而且具備掘進(jìn)功能，能夠進(jìn)入、穿越土堆、煤堆和廢墟等介質(zhì)，從而進(jìn)入被堵塞的救援現(xiàn)場，克服了現(xiàn)有礦難救災(zāi)機(jī)器人不能穿越和進(jìn)入廢墟的缺點，而且行進(jìn)和掘進(jìn)機(jī)構(gòu)復(fù)合一體，使機(jī)器人體積和質(zhì)量更小，能量消耗更少，便于進(jìn)入狹小空間長時間作業(yè)。本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案本發(fā)明具有掘進(jìn)功能的礦難救災(zāi)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點是包括錐形鉆土頭部、圓柱形的前體節(jié)和圓柱形的后體節(jié)，所述前體節(jié)和后體節(jié)通過能夠在平面上轉(zhuǎn)動的腰部相連接；在所述前體節(jié)和后體節(jié)的兩側(cè)對稱設(shè)置有各支腿，所述各支腿包括位于前體節(jié)兩側(cè)的左前腿和右前腿、位于后體節(jié)兩側(cè)的左中腿、右中腿、左后腿和右后腿，所述各支腿通過由轉(zhuǎn)動副構(gòu)成的髖關(guān)節(jié)與所述前體節(jié)或后體節(jié)相連接，各支腿的末端為弧面足部；錐形鉆土頭部固連在前體節(jié)的前端。
本發(fā)明具有掘進(jìn)功能的礦難救災(zāi)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點也在于所述支腿的結(jié)構(gòu)設(shè)置為連接在所述髖關(guān)節(jié)上的為大腿，所述大腿通過膝關(guān)節(jié)連接小腿，所述膝關(guān)節(jié)是以所述大腿的下半部分為機(jī)架，以小腿的頂端為連桿，在所述機(jī)架與連桿之間分別連接有搖桿和曲柄，構(gòu)成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；所述曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中與大腿末端相連的曲柄是由膝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動的原動桿。所述腰部結(jié)構(gòu)設(shè)置包括原動齒輪、從動齒輪、上固定板和下固定板，所述原動齒輪軸和從動齒輪軸分別通過軸承支承在上固定板和下固定板之間；所述上固定板和下固定板與后體節(jié)固定連接，從動齒輪軸與前體節(jié)固定連接，所述原動齒輪是由固定設(shè)置在上固定板上的腰部驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動。本發(fā)明具有掘進(jìn)功能的礦難救災(zāi)機(jī)器人的行進(jìn)控制方法的特點是采用基于三角步態(tài)的行進(jìn)控制方式，由左前腿、左后腿和右中腿組成左三角，由右前腿、右后腿和左中腿組成右三角，各支腿在髖關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動下進(jìn)行轉(zhuǎn)動；支腿轉(zhuǎn)動至足底部與地面接觸的狀態(tài)為支撐態(tài)，足底部離開地面的狀態(tài)為擺動態(tài)；所述左三角和右三角交替呈擺動態(tài)和支撐態(tài)；任一時刻至少有一個三角處于支撐態(tài)，同一三角中的三條支腿在同一時刻進(jìn)入支撐態(tài)或擺動態(tài)。本發(fā)明具有掘進(jìn)功能的礦難救災(zāi)機(jī)器人的掘進(jìn)控制方法的特點是按如下過程進(jìn)行a、基于三角步態(tài)運動的前向鉆孔控制過程機(jī)器人以三角步態(tài)前向運動，同時鉆土頭部由頭部驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到給定的掘進(jìn)量時，停止前向運動，調(diào)整機(jī)器人的左三角和右三角均為支撐態(tài)；b、基于六腿支撐的擴(kuò)孔控制過程前體節(jié)相對于后體節(jié)在腰部驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動下左右擺動，通過改變各支腿的角度調(diào)整機(jī)器人的俯仰角，進(jìn)而使鉆土頭部上下運動，鉆土頭部的轉(zhuǎn)動配合其左右擺動和上下運動，使機(jī)器人鉆出截面較大的孔洞，便于機(jī)器人通過。本發(fā)明具有掘進(jìn)功能的礦難救災(zāi)機(jī)器人的撥土控制方法的特點是采用五腿支撐單腿順序輪流撥土的控制方式，在機(jī)器人掘進(jìn)過程結(jié)束后，調(diào)整為五條支腿支撐狀態(tài)，另外一條腿為撥土腿，撥土腿的大腿靜止，小腿在膝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動下帶動弧面足往復(fù)擺動，實現(xiàn)向后方撥土。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在1、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。機(jī)器人行進(jìn)和掘進(jìn)機(jī)構(gòu)復(fù)合一體，結(jié)構(gòu)簡單，體積和能耗小；六條腿在體節(jié)兩側(cè)呈對稱分布，機(jī)器人發(fā)生傾覆后仍能夠正常行走，適合于災(zāi)難礦井下的復(fù)雜環(huán)境。2、本發(fā)明腿部結(jié)構(gòu)的功能多，控制方法簡單。大腿同一方向上的連續(xù)轉(zhuǎn)動驅(qū)動機(jī)器人行進(jìn)，小腿的往復(fù)擺動帶動足部撥土，各支腿轉(zhuǎn)動角度的協(xié)調(diào)配合還能使鉆土頭部上下運動，進(jìn)而完成掘進(jìn)過程中的擴(kuò)孔任務(wù)，而且能夠調(diào)整腿長；通過單獨控制髖關(guān)節(jié)或膝關(guān)節(jié)運動能夠完成某種運動功能，無需兩個關(guān)節(jié)運動的耦合控制，控制方法簡單，控制誤差小。3、本發(fā)明腰部結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高。機(jī)器人腰部采用齒輪組結(jié)構(gòu)，可靠性高，轉(zhuǎn)動角度控制的精度高。4、本發(fā)明行進(jìn)穩(wěn)定性好、速度快，便于控制的實現(xiàn)?；谌遣綉B(tài)的行進(jìn)控制方法在機(jī)器人行進(jìn)過程中始終保持對機(jī)器人的三點支撐，類似于足式機(jī)器人的控制特點，穩(wěn)定性好，能夠在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下穩(wěn)定行走；大腿同一方向上的連續(xù)轉(zhuǎn)動驅(qū)動機(jī)器人行進(jìn)，類似于輪式機(jī)器人控制的特點，行進(jìn)速度快；行進(jìn)過程中腿部狀態(tài)僅有擺動態(tài)和支撐態(tài)兩種狀態(tài)， 驅(qū)動電機(jī)的運動規(guī)劃簡單，便于控制的實現(xiàn)。5、本發(fā)明采用基于三角步態(tài)運動的前向鉆孔控制和基于六腿支撐的擴(kuò)孔控制相結(jié)合的掘進(jìn)控制方法，利用機(jī)器人鉆土頭部的轉(zhuǎn)動，配合腿部和腰部的動作，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人在廢墟中的掘進(jìn)，無需專門的掘進(jìn)結(jié)構(gòu)，且掘進(jìn)效率高。6、本發(fā)明采用五腿支撐單腿順序輪流撥土的控制方式，五腿支撐使機(jī)器人穩(wěn)定性高，單足撥土范圍可調(diào)，撥土效果好。


圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明機(jī)器人剖面圖3為本發(fā)明機(jī)器人腿部組成示意圖4a、圖4b為本發(fā)明機(jī)器人不同腿長的調(diào)整示意圖5為本發(fā)明機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)示意圖6為本發(fā)明機(jī)器人行進(jìn)中髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角規(guī)劃圖7為本發(fā)明機(jī)器人行進(jìn)過程中髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角控制方框圖
圖8為本發(fā)明機(jī)器人掘進(jìn)控制流程圖9為本發(fā)明機(jī)器人總體控制流程圖。
具體實施例方式參見圖1和圖2，本實施例中礦難救災(zāi)機(jī)器人包括有錐形鉆土頭部1、圓柱形的前體節(jié)2、圓柱形的后體節(jié)3，其中，前體節(jié)2和后體節(jié)3通過能夠在平面上轉(zhuǎn)動的腰部4相連接；在前體節(jié)2和后體節(jié)3的兩側(cè)對稱設(shè)置有各支腿，各支腿包括位于前體節(jié)2兩側(cè)的左前腿如和右前腿恥、位于后體節(jié)3兩側(cè)的左中腿5c、右中腿5d、左后腿k和右后腿5f，各支腿通過由轉(zhuǎn)動副構(gòu)成的髖關(guān)節(jié)與所述前體節(jié)2或后體節(jié)3相連接，各支腿的末端為弧面足部；錐形鉆土頭部1固連在前體節(jié)2的前端。機(jī)器人六腿在體節(jié)兩側(cè)呈對稱分布，并且腿的長度大于體節(jié)的高度，這種形式使得機(jī)器人運動時不分“上下”和“前后”，機(jī)器人發(fā)生傾覆后，只需改變部分控制參數(shù)仍然能夠繼續(xù)行進(jìn)。參見圖3，本實施例中礦難救災(zāi)機(jī)器人的支腿結(jié)構(gòu)設(shè)置為連接在髖關(guān)節(jié)上的為大腿6，大腿通過膝關(guān)節(jié)連接小腿7，膝關(guān)節(jié)是以大腿的下半部分為機(jī)架8，以小腿的頂端為連桿9，在機(jī)架8與連桿9之間分別連接有搖桿10和曲柄11，構(gòu)成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中與大腿末端相連的曲柄11是由膝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)12驅(qū)動的原動桿。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)組成的膝關(guān)節(jié)中原動桿同一方向上的連續(xù)轉(zhuǎn)動帶動小腿的前后往復(fù)擺動，進(jìn)而帶動弧面足部撥土，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的等速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化弧面足部在撥土過程中的非等速擺動，即隨著撥土過程中足部撥土面上土量的增加，足部負(fù)載變大，此時足部擺動速度變慢，撥土力矩增大，當(dāng)撥土到位后足部負(fù)載迅速減小，此時利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性，足部快速擺動，這種結(jié)構(gòu)和運動特性允許用較小功率的膝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)實現(xiàn)順利撥土。通過調(diào)整膝關(guān)節(jié)原動桿的角度可以進(jìn)行腿長調(diào)整，如圖如和圖4b所示，腿長指的是從髖關(guān)節(jié)中心點至足部前端的距離lt，It的大小由原動桿的角度確定，圖如和圖4b表示原動桿在不同角度時的腿長。參見圖5，本實施例中礦難救災(zāi)機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)置包括原動齒輪13、從動齒輪 14、上固定板15和下固定板16，原動齒輪軸17和從動齒輪軸18分別通過軸承支承在上固定板15和下固定板16之間；上固定板15和下固定板16與后體節(jié)3固定連接，從動齒輪軸 18與前體節(jié)2固定連接，原動齒輪13是由固定設(shè)置在上固定板15上的腰部驅(qū)動電機(jī)19驅(qū)動。這一結(jié)構(gòu)形式能使前體節(jié)在腰部驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動下在水平面內(nèi)左右擺動，在腰部驅(qū)動電機(jī)鎖死后，前體節(jié)和后體節(jié)之間近似為剛性連接，前后體節(jié)成為一個整體。機(jī)器人行進(jìn)控制方法的基本原理是采用基于三角步態(tài)的行進(jìn)控制方式，由左前腿5a、左后腿k和右中腿5d組成左三角，由右前腿5b、右后腿5f和左中腿5c組成右三角，各支腿在髖關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)20的驅(qū)動下進(jìn)行轉(zhuǎn)動；支腿轉(zhuǎn)動至足底部與地面接觸的狀態(tài)為支撐態(tài)，足底部離開地面的狀態(tài)為擺動態(tài)；所述左三角和右三角交替呈擺動態(tài)和支撐態(tài)； 任一時刻至少有一個三角處于支撐態(tài)，同一三角中的三條支腿在同一時刻進(jìn)入支撐態(tài)或擺動態(tài)。圖6為三角步態(tài)行進(jìn)方式下髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度規(guī)劃圖，圖中粗實線為左三角腿的相角變化軌跡，粗虛線為右三角腿的相角變化軌跡。在運動過程中，每個三角存在兩種狀態(tài)， 即支撐態(tài)和擺動態(tài)，處于支撐態(tài)的腿起驅(qū)動機(jī)器人運動的作用。任一時刻，至少有一個三角處于支撐態(tài)，以保證機(jī)器人的穩(wěn)定性。各腿的控制向量u包含四個參數(shù)t。、ts、c5s* Δ Φ3, 其中t。為任一三角處于支撐態(tài)和擺動態(tài)的總時間，ts為支撐態(tài)的時間，為支撐態(tài)時腿轉(zhuǎn)過的角度，擺動態(tài)時腿轉(zhuǎn)過的角度為2 π -Φ3，ΔΦ3為位于機(jī)器人左側(cè)腿在驅(qū)動狀態(tài)時轉(zhuǎn)過的角度與位于機(jī)器人右側(cè)腿在驅(qū)動狀態(tài)時轉(zhuǎn)過的角度之差。各參數(shù)在控制中的作用分別為t。控制機(jī)器人的運動速度，t。越小行進(jìn)速度越大，反之行進(jìn)速度越?。籺s控制支撐態(tài)的
時間，機(jī)器人穩(wěn)定行走要求G 。3控制支撐態(tài)時腿轉(zhuǎn)過的角度，越大則機(jī)器人行進(jìn)
過程中重心起伏越大，反之起伏越?。沪?控制機(jī)器人行進(jìn)過程中的轉(zhuǎn)彎，Δ Φ3的符號和大小分別控制轉(zhuǎn)彎方向和轉(zhuǎn)彎幅度。通過調(diào)整各腿控制參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的直線運動、 原地轉(zhuǎn)彎運動和行進(jìn)中轉(zhuǎn)彎運動。a.直線運動。直線運動時Δ = 0，各腿轉(zhuǎn)動方向相同。b.原地轉(zhuǎn)彎。原地轉(zhuǎn)彎時Δ = 0，位于身體左側(cè)和右側(cè)的腿轉(zhuǎn)動方向相反。C.行進(jìn)中轉(zhuǎn)彎。行進(jìn)中轉(zhuǎn)彎時ΔΦ3#0，當(dāng)ΔΦ3>0時向右轉(zhuǎn)彎，反之向左轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎幅度由I Δ Φ3決定，I Δ φ3|越大轉(zhuǎn)彎幅度越大，即轉(zhuǎn)彎半徑越小。機(jī)器人行進(jìn)過程中由于受到環(huán)境的干擾，各髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角度會與規(guī)劃出的角度產(chǎn)生誤差，隨著累誤差不斷積累，最終會導(dǎo)致各腿相位和速度失調(diào)，機(jī)器人失去穩(wěn)定性。為了保證機(jī)器人步態(tài)穩(wěn)定，采用PD控制，具體原理是以一定的時間間隔通過角度傳感器測量各髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角Φ，并與各髖關(guān)節(jié)的期望轉(zhuǎn)角Od進(jìn)行比較，從而得到各髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角誤差Φ e，根據(jù)此誤差及其微分對膝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行控制。
圖7為機(jī)器人行進(jìn)過程中髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角控制方框圖，其中PD控制器的控制參數(shù)，即比例系數(shù)和微分系數(shù)通過試驗的手段離線獲取，也可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行在線獲取， 以進(jìn)行自適應(yīng)控制。參見圖8，機(jī)器人掘進(jìn)控制按如下過程進(jìn)行a、基于三角步態(tài)運動的前向鉆孔控制過程機(jī)器人以三角步態(tài)前向運動，同時鉆土頭部1由頭部驅(qū)動電機(jī)21驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到給定的掘進(jìn)量時，停止前向運動，調(diào)整機(jī)器人的左三角和右三角均為支撐態(tài)；b、基于六腿支撐的擴(kuò)孔控制過程前體節(jié)2相對于后體節(jié)3在腰部驅(qū)動電機(jī)19的驅(qū)動下左右擺動，通過改變各支腿的角度調(diào)整機(jī)器人的俯仰角，進(jìn)而使鉆土頭部上下運動， 鉆土頭部1的轉(zhuǎn)動配合其左右擺動和上下運動，使機(jī)器人鉆出截面較大的孔洞，便于機(jī)器人通過。基于六腿支撐的擴(kuò)孔控制有三種運動控制方式a、鉆土頭部上下方向上保持在某一位置上進(jìn)行左右擺動，左右方向鉆土，而后鉆土頭部在上下方向上移至另一位置后繼續(xù)進(jìn)行左右方向上的鉆土，上述過程多次反復(fù)后實現(xiàn)擴(kuò)孔；b、鉆土頭部左右方向上保持在某一位置上進(jìn)行上下擺動，上下方向鉆土，而后鉆土頭部在左右方向上移至另一位置后繼續(xù)進(jìn)行上下方向上的鉆土，上述過程多次反復(fù)后實現(xiàn)擴(kuò)孔；C、鉆土頭部上下和左右方向上同時擺動實現(xiàn)擴(kuò)孔。前兩種控制方式簡單、易于實現(xiàn)，但擴(kuò)孔效率較低；第三種控制方式運動規(guī)劃復(fù)雜，對控制的實時性要求高，但擴(kuò)孔效率高。本實施例中具有掘進(jìn)功能的礦難救災(zāi)機(jī)器人的撥土控制方法是采用五腿支撐單腿順序輪流撥土的控制方式，在機(jī)器人掘進(jìn)過程結(jié)束后，調(diào)整為五條支腿支撐狀態(tài)，另外一條腿為撥土腿，撥土腿的大腿靜止，小腿7在膝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)12的驅(qū)動下帶動弧面足往復(fù)擺動，實現(xiàn)向后方撥土。撥土腿的輪換順序依次為左前腿fe、右前腿恥、左中腿5c、右中腿 5d、左后腿k、右后腿5f，一個輪換周期后將身體下方的土撥至身后。機(jī)器人整體運動控制流程如圖9所示，控制系統(tǒng)啟動后，首先進(jìn)行自檢，自檢通過后進(jìn)行任務(wù)模式的選擇，若選擇行走模式，則機(jī)器人進(jìn)入本體行走控制模式；若選擇掘進(jìn)模式，則機(jī)器人進(jìn)入掘進(jìn)控制模式，無論在何種模式下，當(dāng)機(jī)器人接收到停止指令后，則電機(jī)下電。當(dāng)機(jī)器人自檢不通過時，則驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)立即下電。
權(quán)利要求
1.一種具有掘進(jìn)功能的礦難救災(zāi)機(jī)器人，其特征在于包括錐形鉆土頭部(1)、圓柱形的前體節(jié)( 和圓柱形的后體節(jié)(3)，所述前體節(jié)( 和后體節(jié)C3)通過能夠在平面上轉(zhuǎn)動的腰部(4)相連接；在所述前體節(jié)( 和后體節(jié)( 的兩側(cè)對稱設(shè)置有各支腿，所述各支腿包括位于前體節(jié)( 兩側(cè)的左前腿(5a)和右前腿( )、位于后體節(jié)C3)兩側(cè)的左中腿 (5c)、右中腿(5d)、左后腿(5e)和右后腿(5f)，所述各支腿通過由轉(zhuǎn)動副構(gòu)成的髖關(guān)節(jié)與所述前體節(jié)( 或后體節(jié)C3)相連接，各支腿的末端為弧面足部；錐形鉆土頭部(1)固連在前體節(jié)O)的前端。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的具有掘進(jìn)功能的礦難救災(zāi)機(jī)器人，其特征在于所述支腿的結(jié)構(gòu)設(shè)置為連接在所述髖關(guān)節(jié)上的為大腿(6)，所述大腿通過膝關(guān)節(jié)連接小腿(7)，所述膝關(guān)節(jié)是以所述大腿的下半部分為機(jī)架(8)，以小腿的頂端為連桿(9)，在所述機(jī)架(8)與連桿(9) 之間分別連接有搖桿(10)和曲柄(11)，構(gòu)成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；所述曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中與大腿末端相連的曲柄(11)是由膝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)(1 驅(qū)動的原動桿。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有掘進(jìn)功能的礦難救災(zāi)機(jī)器人，其特征在于所述腰部結(jié)構(gòu)設(shè)置包括原動齒輪(13)、從動齒輪(14)、上固定板(1 和下固定板(16)，所述原動齒輪軸(17)和從動齒輪軸(18)分別通過軸承支承在上固定板(1 和下固定板(16)之間；所述上固定板(1 和下固定板(16)與后體節(jié)(3)固定連接，從動齒輪軸(18)與前體節(jié)O)固定連接，所述原動齒輪(1 是由固定設(shè)置在上固定板(1 上的腰部驅(qū)動電機(jī)(19)驅(qū)動。
4.一種權(quán)利要求1所述的具有掘進(jìn)功能的礦難救災(zāi)機(jī)器人的行進(jìn)控制方法，其特征在于采用基于三角步態(tài)的行進(jìn)控制方式，由左前腿Ga)、左后腿(5e)和右中腿(5d)組成左三角，由右前腿(恥)、右后腿(5f)和左中腿(5c)組成右三角，各支腿在髖關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī) (20)的驅(qū)動下進(jìn)行轉(zhuǎn)動；支腿轉(zhuǎn)動至足底部與地面接觸的狀態(tài)為支撐態(tài)，足底部離開地面的狀態(tài)為擺動態(tài)；所述左三角和右三角交替呈擺動態(tài)和支撐態(tài)；任一時刻至少有一個三角處于支撐態(tài)，同一三角中的三條支腿在同一時刻進(jìn)入支撐態(tài)或擺動態(tài)。
5.權(quán)利要求1所述的具有掘進(jìn)功能的礦難救災(zāi)機(jī)器人的掘進(jìn)控制方法，其特征在于按如下過程進(jìn)行a、基于三角步態(tài)運動的前向鉆孔控制過程機(jī)器人以三角步態(tài)前向運動，同時鉆土頭部(1)由頭部驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到給定的掘進(jìn)量時，停止前向運動，調(diào)整機(jī)器人的左三角和右三角均為支撐態(tài)；b、基于六腿支撐的擴(kuò)孔控制過程前體節(jié)( 相對于后體節(jié)( 在腰部驅(qū)動電機(jī)(19) 的驅(qū)動下左右擺動，通過改變各支腿的角度調(diào)整機(jī)器人的俯仰角，進(jìn)而使鉆土頭部上下運動，鉆土頭部的轉(zhuǎn)動配合其左右擺動和上下運動，使機(jī)器人鉆出截面較大的孔洞，便于機(jī)器人通過。
6.權(quán)利要求1所述的具有掘進(jìn)功能的礦難救災(zāi)機(jī)器人的撥土控制方法，其特征在于 采用五腿支撐單腿順序輪流撥土的控制方式，在機(jī)器人掘進(jìn)過程結(jié)束后，調(diào)整為五條支腿支撐狀態(tài)，另外一條腿為撥土腿，撥土腿的大腿靜止，小腿(7)在膝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)(1 的驅(qū)動下帶動弧面足往復(fù)擺動，實現(xiàn)向后方撥土。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有掘進(jìn)功能的礦難救災(zāi)機(jī)器人，其特征在于包括錐形鉆土頭部、圓柱形前體節(jié)和圓柱形后體節(jié)，前體節(jié)和后體節(jié)通過能夠在平面上轉(zhuǎn)動的腰部相連接；在前體節(jié)和后體節(jié)的兩側(cè)對稱設(shè)置有各支腿，各支腿通過由轉(zhuǎn)動副構(gòu)成的髖關(guān)節(jié)與前體節(jié)或后體節(jié)相連接，各支腿的末端為弧面足部；錐形鉆土頭部固連在前體節(jié)的前端。本發(fā)明可以根據(jù)空間大小調(diào)整腿長，環(huán)境適應(yīng)能力；能夠在土堆、廢墟等介質(zhì)中通過鉆頭松土和足部撥土配合實現(xiàn)掘進(jìn)功能。該機(jī)器人能夠輔助用于礦難救災(zāi)、野外探險等危險任務(wù)。
文檔編號E21F11/00GK102434196SQ201110370250
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月21日
發(fā)明者馮勇, 孫建, 孫玉蘋, 孫玉香, 張強(qiáng), 曹會彬, 武遵, 王以俊, 葛運建 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院