專利名稱：搜救機器人的自動轉向裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種搜救服務機器人的運動執行機構，特別是涉及一種蛇形搜救機器人的運動執行機構，適用于廢墟縫隙探查或者管道檢測等場合，屬于搜救服務機器人技術領域。
背景技術：
近年來，世界各地多發的地震、恐怖襲擊等都造成了嚴重的人員傷亡，如5. 12汶川大地震、日本福島地震等都造成巨大的災難。災難發生后，還往往會因為傷者不能得到有效搜救和及時救治而帶來更大的損失。傳統的搜救工作大多依靠人工進行，但是，人工搜救效率低，而且由于災后的建筑物結構遭到破壞，存在二次倒塌的可能，這也給搜救工作帶來隱患，因此災害后的搜救工作一直是困擾搜救人員的一大難題。鑒于此種情況，隨著科技的 發展，世界各國都開始研究先進的搜救設備，協助搜救人員進行災難后的搜救工作。經過許多科研工作者的努力，目前已有各種各樣的搜救設備問世，他們的形式各異，總的說來大致分為以下兩類履帶式搜救機器人和蛇形搜救機器人。這兩種類型的搜救機器人各有其優缺點，在某些特定的環境下都能充分發揮其優勢，給搜救工作帶來很大幫助。但是這些搜救設備通常都只能在廢墟表面運動，不能深入到廢墟內部，也就看不到廢墟下面的傷者的情況，不能實現更加有效的搜救和探測。現有的搜救設備結構設計還不夠理想，控制較為復雜，適應廢墟復雜狀況的能力有限，制造成本也較高，難以適應廢墟搜救的需要。

實用新型內容本實用新型的目的在于克服現有技術的不足，并提供一種搜救機器人的自動轉向裝置，自動轉向裝置使搜救機器人能夠深入廢墟縫隙內部，并且能在廢墟內部實現360°轉向和搜尋，其體積小，機械結構簡單，制造成本低，易于操控，性能穩定，使搜救機器人的搜救能力和探測水平獲得很大提高，應用前景廣闊。為達到上述發明創造目的，本實用新型采用下述技術方案一種搜救機器人的自動轉向裝置，包括頭部組件、柔性脊柱和驅動所述頭部組件偏移擺動的轉向機構，所述柔性脊柱的前端連接于所述頭部組件的后部，探測器件安裝在所述頭部組件上，所述柔性脊柱由多組柔性關節單元依次串接而成，每一個所述柔性關節單元均由一個薄圓形環和至少一對細的空心圓管構成，柔性的牽引絲繩穿過所述空心圓管和所述薄圓形環形成所述柔性關節單元，即通過牽引絲繩將所述薄圓形環和所述空心圓管沿長度方向上交替串聯成所述柔性脊柱，所述轉向機構包括直線進給執行機構，電機的正反轉驅動所述直線進給執行機構的運動部件的進退往復運動，所述直線進給執行機構設置于所述柔性脊柱的末端，所述牽引絲繩至少包括一組，每組牽引絲繩皆包括兩根絲繩，分別為長絲繩和短絲繩，所述短絲繩一端與所述頭部組件固定連接，所述短絲繩另一端穿過由所述空心圓管和所述薄圓形環組成的柔性脊柱后，與所述轉向機構的直線進給執行機構的運動部件固定連接，所述長絲繩一端也與所述頭部組件固定連接，所述長絲繩另一端穿過由所述空心圓管和所述薄圓形環組成的柔性脊柱后，然后再繞過一個定滑輪后也與所述轉向機構的直線進給執行機構的運動部件固定連接，所述定滑輪固定安裝于所述轉向機構的直線進給執行機構的基架本體上，即經過所述定滑輪改變了長絲繩一端的拉力方向，當直線進給執行機構的運動部件前進時，同一組牽引絲繩的所述長絲繩和所述短絲繩同時保持一根張緊和另一松弛的狀態，通過同一組牽引絲繩的張緊或松弛，還使柔性脊柱發生彎曲，從而使所述頭部組件向一側偏移，而當直線進給執行機構的運動部件后退時，使所述頭部組件向另一側偏移，通過直線進給執行機構即能控制所述頭部組件的兩側擺動，所述直線進給執行機構的最末端還設有一個轉接部件。上述直線進給執行機構為絲杠機構，一共包括兩個首尾固定連接的絲杠機構，其中第一絲杠機構設置于所述柔性脊柱的末端，所述第二絲杠機構設置于所述第一絲杠機構的末端，所述轉接部件設置于所述第二絲杠機構的末端，具體為所述第一絲杠機構包括第一電機支架、第一電機、第一聯軸器、第一絲杠、第一絲杠螺母和第一固定板，所述第一電機與所述第一絲杠的一端通過第一聯軸器連接在一起，·安裝于所述第一電機支架上的第一電機驅動所述第一絲杠轉動，并帶動所述第一絲杠螺母沿著所述第一絲杠的軸線進行直線運動，所述第一固定板使所述第一絲杠的另一端與所述絲杠機構的基架本體轉動連接；所述第二絲杠機構包括第二電機支架、第二電機、第二聯軸器、第二絲杠、第二絲杠螺母和第二固定板，所述第二電機與所述第二絲杠的一端通過第二聯軸器連接在一起，安裝于所述第二電機支架上的第二電機驅動所述第二絲杠轉動，并帶動所述第二絲杠螺母沿著所述第二絲杠的軸線進行直線運動，所述第二固定板使所述第二絲杠的另一端與所述絲杠機構的基架本體轉動連接；所述定滑輪包括第一定滑輪和第二定滑輪，所述定滑輪固定分別安裝于所述絲杠機構的基架本體上，每一個所述柔性關節單元包括4個所述空心圓管，所述牽引絲繩包括兩組，即包括4根牽引絲繩，不同的牽引絲繩分別穿過各所述柔性關節單元對應的所述空心圓管，所述頭部組件周向分布著4個能固定所述牽引絲繩的繩端的穿線孔，即為頭部定位孔，各所述頭部定位孔之間呈90°均勻排布，在所述頭部組件上處于間隔位置的兩個頭部定位孔分別穿過同一組牽引絲繩的長絲繩和短絲繩，在所述頭部組件上處于相鄰位置的兩個頭部定位孔分別穿過不同組的牽引絲繩，皆使其繩端與所述頭部組件固定連接，包括所述第一絲杠螺母和所述第二絲杠螺母即為直線進給執行機構的運動部件，兩個所述絲杠機構驅動所述頭部組件的擺動方向為空間正交的方向，即通過協調控制兩個所述絲杠機構的絲杠螺母的運動，能驅動所述頭部組件進行空間360°的轉向；所述絲杠機構外部設有密封保護殼體。作為本實用新型優選的技術方案，在所述柔性脊柱的外部包裹一層鱗狀外皮或柔性蒙皮。本實用新型與現有技術相比較，具有如下實質性特點和優點I.本實用新型自動轉向裝置包括兩個電機、兩組絲杠機構、多個由柔性薄圓環片和空心圓管交替組成的柔性脊柱和頭部組件，利用細牽引絲繩將這些機構串聯起來，組成一個完整的裝置。電機轉動帶動絲杠螺母沿軸向運動，絲杠螺母使鋼絲拉緊和放松，通過鋼絲的拉緊和放松實現頭部組件向各個方向的偏移，可實現360°的轉向，提高搜救機器人的轉向能力；[0012]2.通過實驗表明，應用本實用新型自動轉向裝置的搜救機器人能實現不僅對各種管道內壁檢測和探查，還能在地震廢墟縫隙中進行搜救和生命探測，進入人類不易直接進入的場合進行搜救作業，且其尺寸較小，通行能力強，通過電機控制可以實現自動控制。3.本實用新型自動轉向裝置通過與廢墟或管道外部的通信，能實現快速搜救和有效探測，克服現有的搜救機器人運動能力不足和跨越障礙能力弱的缺陷，為生命財產的保障提供更加有效的技術解決方案。

圖I是本實用新型實施例一搜救機器人的自動轉向裝置整體結構的立體圖。圖2是本實用新型實施例一搜救機器人的自動轉向裝置整體結構的側面視圖。圖3是本實用新型實施例一的頭部組件結構圖。圖4是本實用新型實施例一的柔性脊柱結構圖。圖5是本實用新型實施例一的薄圓形環結構圖。圖6是本實用新型實施例一的空心圓管結構圖。圖7是本實用新型實施例一的絲杠機構的內部結構圖。圖8是在本實用新型實施例一的絲杠機構上安裝牽引絲繩的示意圖。
具體實施方式
本實用新型的優選實施例結合附圖說明如下實施例一參見圖I 圖8，一種搜救機器人的自動轉向裝置，包括頭部組件22、柔性脊柱和驅動所述頭部組件22偏移擺動的轉向機構，所述柔性脊柱的前端連接于所述頭部組件22的后部，探測器件安裝在所述頭部組件22上，所述柔性脊柱由多組柔性關節單元依次串接而成，每一個所述柔性關節單元均由一個薄圓形環16和至少一對細的空心圓管21構成，柔性的牽引絲繩穿過所述空心圓管21和所述薄圓形環16形成所述柔性關節單元，即通過牽引絲繩將所述薄圓形環16和所述空心圓管21沿長度方向上交替串聯成所述柔性脊柱，所述轉向機構包括直線進給執行機構，電機的正反轉驅動所述直線進給執行機構的運動部件的進退往復運動，所述直線進給執行機構設置于所述柔性脊柱的末端，所述牽引絲繩至少包括一組，每組牽引絲繩皆包括兩根絲繩，分別為長絲繩23和短絲繩24，所述短絲繩24 —端與所述頭部組件22固定連接，所述短絲繩24另一端穿過由所述空心圓管21和所述薄圓形環16組成的柔性脊柱后，與所述轉向機構的直線進給執行機構的運動部件固定連接，所述長絲繩23 —端也與所述頭部組件22固定連接，所述長絲繩23另一端穿過由所述空心圓管21和所述薄圓形環16組成的柔性脊柱后，然后再繞過一個定滑輪后也與所述轉向機構的直線進給執行機構的運動部件固定連接，所述定滑輪固定安裝于所述轉向機構的直線進給執行機構的基架本體上，即經過所述定滑輪改變了長絲繩23 —端的拉力方向，當直線進給執行機構的運動部件前進時，同一組牽引絲繩的所述長絲繩23和所述短絲繩24同時保持一根張緊和另一松弛的狀態，通過同一組牽引絲繩的張緊或松弛，還使柔性脊柱發生彎曲，從而使所述頭部組件22向一側偏移，而當直線進給執行機構的運動部件后退時，使所述頭部組件22向另一側偏移，通過直線進給執行機構即能控制所述頭部組件22的兩側擺動，所述直線進給執行機構的最末端還設有一個轉接部件I。在本實施例中，為了使頭部組件22能夠順利向各個方向彎曲偏移，采用一種由薄圓形環16和空心圓管21依次排列組合成的柔性脊柱。薄圓形環16上開有小孔，其小孔直徑與空心圓管21內徑相同，薄圓形環16的小孔分別與空心圓管21對齊，通過牽引絲繩將這些薄圓形環16和空心圓管21交替串聯起來，這樣組成的結構擁有多個自由度，具有很高的柔性，通過牽引絲繩的收緊和放松能向各個方向彎曲。在本實施例中，應用自動轉向裝置的搜救機器人能夠深入廢墟縫隙內部，并能在廢墟內部實現360°轉向。由電機帶動直線進給執行機構的運動部件進行進退運動，牽引絲繩可采用鋼絲繩，使鋼絲繩一端與直線進給執行機構的運動部件相連，另一端與頭部組件相連，通過直線進給執行機構的運動部件的運動，使鋼絲收緊和放松，通過鋼絲的收緊和放松實現頭部的轉向。在本實施例中，上述直線進給執行機構為絲杠機構，一共包括兩個首尾固定連接 的絲杠機構，其中第一絲杠機構設置于所述柔性脊柱的末端，所述第二絲杠機構設置于所述第一絲杠機構的末端，所述轉接部件I設置于所述第二絲杠機構的末端，具體為所述第一絲杠機構包括第一電機支架2、第一電機3、第一聯軸器5、第一絲杠6、第一絲杠螺母7和第一固定板8，所述第一電機3與所述第一絲杠6的一端通過第一聯軸器5連接在一起，安裝于所述第一電機支架2上的第一電機3驅動所述第一絲杠6轉動，并帶動所述第一絲杠螺母7沿著所述第一絲杠6的軸線進行直線運動，所述第一固定板8使所述第一絲杠6的另一端與所述絲杠機構的基架本體轉動連接；所述第二絲杠機構包括第二電機支架9、第二電機10、第二聯軸器13、第二絲杠14、第二絲杠螺母12和第二固定板15，所述第二電機10與所述第二絲杠14的一端通過第二聯軸器13連接在一起，安裝于所述第二電機支架9上的第二電機10驅動所述第二絲杠14轉動，并帶動所述第二絲杠螺母12沿著所述第二絲杠14的軸線進行直線運動，所述第二固定板15使所述第二絲杠14的另一端與所述絲杠機構的基架本體轉動連接；所述定滑輪包括第一定滑輪4和第二定滑輪11，所述定滑輪固定分別安裝于所述絲杠機構的基架本體上，每一個所述柔性關節單元包括4個所述空心圓管21，所述牽引絲繩包括兩組，即包括4根牽引絲繩，不同的牽引絲繩分別穿過各所述柔性關節單元對應的所述空心圓管21，所述頭部組件22周向分布著4個能固定所述牽引絲繩的繩端的穿線孔，即為頭部定位孔17、18、19、20，各所述頭部定位孔17、18、19、20之間呈90°均勻排布，在所述頭部組件22上處于間隔位置的兩個頭部定位孔17、18、19、20分別穿過同一組牽引絲繩的長絲繩23和短絲繩24，在所述頭部組件22上處于相鄰位置的兩個頭部定位孔17、18、19、20分別穿過不同組的牽引絲繩，皆使其繩端與所述頭部組件22固定連接，包括所述第一絲杠螺母7和所述第二絲杠螺母12即為直線進給執行機構的運動部件，兩個所述絲杠機構驅動所述頭部組件22的擺動方向為空間正交的方向，即通過協調控制兩個所述絲杠機構的絲杠螺母的運動，能驅動所述頭部組件22進行空間360°的轉向；所述絲杠機構外部設有密封保護殼體。在本實施例中，所述電機可采用直流減速電機，電機通過聯軸器與絲杠連接在一起，電機轉動，帶動絲杠轉動，與絲杠配合的絲杠螺母可以沿著基架本體上下運動。在絲杠螺母的兩側分別開有兩個通孔，可以用來連接鋼絲繩的一端。電機支架上開有四個通孔，留作鋼絲走線之用，用來把整個轉向機構和線纜等連接起來。第一絲杠螺母連接第一和第二根鋼絲，短絲繩24，即第一根鋼絲繩的一端與絲杠螺母的左側通孔相連，另一端穿過由薄圓形環16和空心圓管21組成的柔性脊柱后與頭部組件22相連；長絲繩23，即第二根鋼絲的一端與絲杠螺母的另一側通孔相連，另一端繞過定滑輪，再穿過由薄圓形環16和空心圓管21組成的柔性脊柱后與頭部組件22相連。這樣，經過定滑輪改變作用力方向，一個絲杠螺母就能控制兩個方向的偏轉，即當絲杠螺母前進時就可以只拉緊一根鋼絲，另一根鋼絲放松，從而使頭部組件22向一側偏移，同理，當絲杠螺母后退時拉緊另外一根鋼絲，使頭部組件22偏向另外一側。第二絲杠螺母連接第三和第四根鋼絲，兩根鋼絲的安裝方式與第一絲杠螺母相連接的鋼絲安裝方式相同，其工作原理與第一絲杠螺母相同，當絲杠螺母前進時，第三根鋼絲被拉 緊，第四根鋼絲放松，頭部組件22向一側偏移，當絲杠螺母后退時，第四根鋼絲被拉緊，第三根鋼絲放松，頭部組件22偏向另外一偵U。頭部組件22用來固定四根鋼絲的安裝孔成90°均勻布置，這樣，兩個絲杠機構可以分別控制在兩個空間正交平面上的方向轉向，通過協調控制兩個絲杠機構，使兩組絲杠螺母配合工作時就可以實現頭部組件22在360°范圍內的轉向，使搜救機器人在廢墟縫隙或者管道內靈活轉向，具有較高的自由度，特別適用于廢墟縫隙探查或者管道檢測等場合。實施例二 本實施例與實施例一基本相同，特別之處在于在本實施例中，在所述柔性脊柱的外部包裹一層鱗狀外皮或柔性蒙皮，起到保護設備部件的作用，提高搜救機器人外部的光滑和本體柔性自動化程度，更好地進行躲避障礙物和穿越復雜的廢墟間隙通道。上面結合附圖對本實用新型實施例進行了說明，但本實用新型不限于上述實施例，還可以根據本實用新型的實用新型創造的目的做出多種變化，凡依據本實用新型技術方案的精神實質和原理下做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，只要符合用于本實用新型搜救機器人的自動轉向裝置的結構和構造原理，都屬于本實用新型的保護范圍。
權利要求1.一種搜救機器人的自動轉向裝置，包括頭部組件(22)、柔性脊柱和驅動所述頭部組件(22)偏移擺動的轉向機構，所述柔性脊柱的前端連接于所述頭部組件(22)的后部，探測器件安裝在所述頭部組件(22)上，其特征在于所述柔性脊柱由多組柔性關節單元依次串接而成，每一個所述柔性關節單元均由一個薄圓形環(16)和至少一對細的空心圓管(21)構成，柔性的牽引絲繩穿過所述空心圓管(21)和所述薄圓形環(16)形成所述柔性關節單元，即通過牽引絲繩將所述薄圓形環(16)和所述空心圓管(21)沿長度方向上交替串聯成所述柔性脊柱，所述轉向機構包括直線進給執行機構，電機的正反轉驅動所述直線進給執行機構的運動部件的進退往復運動，所述直線進給執行機構設置于所述柔性脊柱的末端，所述牽引絲繩至少包括一組，每組牽引絲繩皆包括兩根絲繩，分別為長絲繩(23)和短絲繩(24)，所述短絲繩(24)—端與所述頭部組件(22)固定連接，所述短絲繩(24)另一端穿過由所述空心圓管(21)和所述薄圓形環(16)組成的柔性脊柱后，與所述轉向機構的直線進給執行機構的運動部件固定連接，所述長絲繩(23) —端也與所述頭部組件(22)固定連接，所述長絲繩(23)另一端穿過由所述空心圓管(21)和所述薄圓形環(16)組成的柔性脊柱后，然后再繞過一個定滑輪后也與所述轉向機構的直線進給執行機構的運動部件固定連接，所述定滑輪固定安裝于所述轉向機構的直線進給執行機構的基架本體上，即經過所述定滑輪 改變了長絲繩(23) —端的拉力方向，當直線進給執行機構的運動部件前進時，同一組牽引絲繩的所述長絲繩(23)和所述短絲繩(24)同時保持一根張緊和另一松弛的狀態，通過同一組牽引絲繩的張緊或松弛，還使柔性脊柱發生彎曲，從而使所述頭部組件(22)向一側偏移，而當直線進給執行機構的運動部件后退時，使所述頭部組件(22)向另一側偏移，通過直線進給執行機構即能控制所述頭部組件(22)的兩側擺動，所述直線進給執行機構的最末端還設有一個轉接部件(I)。
2.根據權利要求I所述的搜救機器人的自動轉向裝置，其特征在于，所述直線進給執行機構為絲杠機構，一共包括兩個首尾固定連接的絲杠機構，其中第一絲杠機構設置于所述柔性脊柱的末端，所述第二絲杠機構設置于所述第一絲杠機構的末端，所述轉接部件(I)設置于所述第二絲杠機構的末端，具體為 所述第一絲杠機構包括第一電機支架(2)、第一電機(3)、第一聯軸器(5)、第一絲杠(6)、第一絲杠螺母(7)和第一固定板(8)，所述第一電機(3)與所述第一絲杠(6)的一端通過第一聯軸器(5 )連接在一起，安裝于所述第一電機支架(2 )上的第一電機(3 )驅動所述第一絲杠(6)轉動，并帶動所述第一絲杠螺母(7)沿著所述第一絲杠(6)的軸線進行直線運動，所述第一固定板(8)使所述第一絲杠(6)的另一端與所述絲杠機構的基架本體轉動連接； 所述第二絲杠機構包括第二電機支架(9)、第二電機(10)、第二聯軸器(13)、第二絲杠(14)、第二絲杠螺母(12)和第二固定板(15)，所述第二電機(10)與所述第二絲杠(14)的一端通過第二聯軸器(13)連接在一起，安裝于所述第二電機支架(9)上的第二電機(10)驅動所述第二絲杠(14)轉動，并帶動所述第二絲杠螺母(12)沿著所述第二絲杠(14)的軸線進行直線運動，所述第二固定板(15)使所述第二絲杠(14)的另一端與所述絲杠機構的基架本體轉動連接； 所述定滑輪包括第一定滑輪(4)和第二定滑輪(11)，所述定滑輪固定分別安裝于所述絲杠機構的基架本體上，每一個所述柔性關節單元包括4個所述空心圓管(21)，所述牽引絲繩包括兩組，即包括4根牽引絲繩，不同的牽引絲繩分別穿過各所述柔性關節單元對應的所述空心圓管(21)，所述頭部組件(22)周向分布著4個能固定所述牽引絲繩的繩端的穿線孔，即為頭部定位孔(17、18、19、20)，各所述頭部定位孔(17、18、19、20)之間呈90°均勻排布，在所述頭部組件(22)上處于間隔位置的兩個頭部定位孔(17、18、19、20)分別穿過同一組牽引絲繩的長絲繩(23)和短絲繩(24)，在所述頭部組件(22)上處于相鄰位置的兩個頭部定位孔(17、18、19、20)分別穿過不同組的牽引絲繩，皆使其繩端與所述頭部組件(22)固定連接，包括所述第一絲杠螺母(7)和所述第二絲杠螺母(12)即為直線進給執行機構的運動部件，兩個所述絲杠機構驅動所述頭部組件(22)的擺動方向為空間正交的方向，即通過協調控制兩個所述絲杠機構的絲杠螺母的運動，能驅動所述頭部組件(22)進行空間360。的轉向； 所述絲杠機構外部設有密封保護殼體。
3.根據權利要求I或2所述的搜救機器人的自動轉向裝置，其特征在于在所述柔性脊柱的外部包裹一層鱗狀外皮或柔性蒙皮。
專利摘要本實用新型公開了一種搜救機器人的自動轉向裝置，包括頭部組件、柔性脊柱和驅動所述頭部組件偏移擺動的轉向機構，兩個電機、兩組絲杠機構、多個由柔性薄圓環片和空心圓管交替組成的柔性脊柱和頭部組件，利用細牽引絲繩將這些機構串聯起來，組成一個完整的裝置。電機轉動帶動絲杠螺母沿軸向運動，絲杠螺母使鋼絲拉緊和放松，通過鋼絲的拉緊和放松實現頭部組件向各個方向的偏移，可實現360°的轉向，提高搜救機器人的轉向能力。應用本實用新型自動轉向裝置的搜救機器人能實現對各種管道內壁檢測和探查，還能在地震廢墟縫隙中進行搜救和生命探測，進入人類不易直接進入的場合進行搜救作業，且其尺寸較小，通行能力強。
文檔編號B62D15/00GK202765090SQ20122046179
公開日2013年3月6日 申請日期2012年9月12日 優先權日2012年9月12日
發明者張震, 師熙明, 陳修霞, 喻寧寧, 張輝鋒, 吳靜文, 夏麟, 李玥文 申請人:上海大學