葉片輪式蛇形機(jī)器人

1、項(xiàng)目簡(jiǎn)介葉片輪式蛇形機(jī)器人采用葉片輪驅(qū)動(dòng)，比一般的蛇形機(jī)器人具有更好的翻越和攀爬能力，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的地面環(huán)境，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、速度快、成本低的特點(diǎn)。 該機(jī)器人由控制者通過(guò)無(wú)線(xiàn)攝像頭傳回的圖像進(jìn)行遙控控制，能夠脫離視線(xiàn)范圍工作，根據(jù)環(huán)境的不同可搭載不同的傳感器完成各種任務(wù)。主要可用于地震廢墟下搜救傷員，在軍事上偵察敵情，公安部門(mén)反恐，核工廠、危險(xiǎn)化學(xué)藥品生產(chǎn)工廠危險(xiǎn)區(qū)域檢測(cè)等。 詳細(xì)介紹葉片輪式蛇形機(jī)器人由姿態(tài)控制系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)、遙控控制系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)視頻系統(tǒng)、電源系統(tǒng)五個(gè)部分組成。 姿態(tài)控制系統(tǒng)：本葉片輪式蛇形機(jī)器人設(shè)計(jì)為5節(jié)，約半米長(zhǎng)，共有4個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)有三個(gè)自由度，兩個(gè)可控

2、制自由度，一個(gè)自平衡旋轉(zhuǎn)自由度，通過(guò)控制關(guān)節(jié)處的舵機(jī)實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人姿態(tài)的改變。 移動(dòng)系統(tǒng)：通過(guò)10個(gè)直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)10個(gè)葉片輪前進(jìn)，比輪式驅(qū)動(dòng)更容易越過(guò)障礙物。每個(gè)葉片輪由三片彈簧片成兩兩120度固定于輪軸上而成，每片都略微向后彎曲，以防止前進(jìn)時(shí)將雜物卷起卡住葉片輪。 遙控控制系統(tǒng)：包括無(wú)線(xiàn)遙控發(fā)射器和無(wú)線(xiàn)遙控接收器?？刂普咄ㄟ^(guò)無(wú)線(xiàn)攝像頭傳回的圖像了解蛇形機(jī)器人周?chē)匦吻闆r，使用無(wú)線(xiàn)遙控發(fā)射器將控制信號(hào)傳送給無(wú)線(xiàn)遙控接收器。 無(wú)線(xiàn)視頻系統(tǒng)：通過(guò)無(wú)線(xiàn)攝像頭將蛇形機(jī)器人周?chē)鷪D像傳送到控制者的顯示設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)超視距控制。 電源系統(tǒng)：采用兩塊3.7V的鋰聚合物電池串聯(lián)供電。 本蛇形機(jī)器人頭部安裝有無(wú)

3、線(xiàn)攝像頭和高亮LED燈（在黑暗環(huán)境下使用），由控制者通過(guò)無(wú)線(xiàn)攝像頭傳回的圖像對(duì)其進(jìn)行遙控控制，能夠脫離視線(xiàn)范圍執(zhí)行任務(wù)。其采用的葉片輪式驅(qū)動(dòng)能夠比常規(guī)的驅(qū)動(dòng)方式（如輪式驅(qū)動(dòng)、履帶式驅(qū)動(dòng)）提供更佳的驅(qū)動(dòng)能力和越障能力，每個(gè)關(guān)節(jié)有三個(gè)自由度（一般只有兩個(gè)），能夠取得更好的運(yùn)動(dòng)效果。在不改變機(jī)身的情況下，可以通過(guò)更換不同的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)適應(yīng)不同的運(yùn)動(dòng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)效率的高效化。 本蛇形機(jī)器人可搭載各種傳感器，用于地震廢墟下搜救傷員，在軍事上用于偵察敵情，公安部門(mén)用于反恐，核工廠、危險(xiǎn)化學(xué)藥品生產(chǎn)工廠用于進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域檢測(cè)，外星探測(cè)等。 作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)目的

4、:設(shè)計(jì)制作出一款相比現(xiàn)有蛇形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)能力和越障能力更強(qiáng)，能更有效用于地震廢墟下搜救傷員，在軍事上偵察敵情，公安部門(mén)反恐，核工廠、危險(xiǎn)化學(xué)藥品生產(chǎn)工廠危險(xiǎn)區(qū)域檢測(cè)和外星探測(cè)等任務(wù)的蛇形機(jī)器人。 基本思路:基本思路是設(shè)計(jì)一種葉片輪來(lái)產(chǎn)生前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力，這種葉片輪能夠?qū)⒙访嫱蛊鸹蛘咝〉恼系K物卡在兩葉片之間，產(chǎn)生很大的摩擦力驅(qū)動(dòng)蛇形機(jī)器人前進(jìn)，越障能力大大提高，且將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊化，可以根據(jù)不同的情況使用不同的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)達(dá)到更好的運(yùn)動(dòng)效果。此蛇形機(jī)器人設(shè)計(jì)為5節(jié)，共有4個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)有三個(gè)自由度。 創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵:1.采用葉片輪驅(qū)動(dòng),能夠比常規(guī)的驅(qū)動(dòng)方式提供更佳的驅(qū)動(dòng)能力和越障能力。 2.每個(gè)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

5、了三個(gè)自由度，關(guān)節(jié)處的旋轉(zhuǎn)自由度能夠使葉片盡量貼近地面，得到更好的運(yùn)動(dòng)效果。 3.將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊化，可以根據(jù)不同的情況使用不同的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)達(dá)到最好的運(yùn)動(dòng)效果。 4.配置了無(wú)線(xiàn)視頻系統(tǒng)，能夠脫離視線(xiàn)范圍執(zhí)行任務(wù)。 5.能夠搭載多種傳感器模塊，更換傳感器模塊就能實(shí)現(xiàn)不同的功能。 主要技術(shù)指標(biāo):能夠超越現(xiàn)有大多數(shù)蛇形機(jī)器人的越障能力，能越過(guò)自身高度3倍以上的障礙物；運(yùn)動(dòng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單；能夠進(jìn)入狹小空間執(zhí)行任務(wù)，攀爬樓梯，在崎嶇的路面運(yùn)行；有較強(qiáng)的負(fù)重能力，能夠搭載各種傳感器，用于搜救、偵察、反恐、進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域探測(cè)等。 作品的科學(xué)性、先進(jìn)性第1類(lèi)蛇形機(jī)器人是利用關(guān)節(jié)來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力形成仿蛇的曲線(xiàn)

6、運(yùn)動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)在平地能夠達(dá)到較好的運(yùn)動(dòng)效果，但是在復(fù)雜地面和小的管道內(nèi)卻不能有效前進(jìn),原因在于這種結(jié)構(gòu)的蛇形機(jī)器人身體必須不斷扭動(dòng)才能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)身體周?chē)臻g有障礙物限制其扭動(dòng)時(shí)，便不能產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)力使自身前進(jìn)，所以第1類(lèi)蛇形機(jī)器人不適合在凹凸不平的自然環(huán)境中工作。 第2類(lèi)蛇形機(jī)器人用輪子或者履帶來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，越障能力比第1類(lèi)效果要好，但輪式驅(qū)動(dòng)在崎嶇路面運(yùn)動(dòng)時(shí)輪子容易打滑，越障能力還不夠強(qiáng)；履帶式驅(qū)動(dòng)在崎嶇路面運(yùn)動(dòng)的效果雖然優(yōu)于輪式驅(qū)動(dòng)，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 本作品設(shè)計(jì)一種葉片輪來(lái)產(chǎn)生前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力，葉片輪能夠?qū)⒙访嫱蛊鸹蛘哒系K物卡在兩葉片之間，產(chǎn)生很大的摩擦力驅(qū)動(dòng)蛇形機(jī)器人前進(jìn)，越障能力能夠

7、大大提高。 每個(gè)關(guān)節(jié)有三個(gè)自由度，兩個(gè)可控制自由度和一個(gè)自平衡旋轉(zhuǎn)自由度，這樣能夠得到更好的運(yùn)動(dòng)效果。 將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊化，可以通過(guò)根換不同的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)適應(yīng)不同的運(yùn)動(dòng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)效率高效化。 作品在何時(shí)、何地、何種機(jī)構(gòu)舉行的評(píng)審、鑒定、評(píng)比、展示等活動(dòng)中獲獎(jiǎng)及鑒定結(jié)果2009年5月參加重慶市團(tuán)委、重慶市科協(xié)、重慶市教委、重慶市學(xué)聯(lián)舉辦的第十一屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽重慶賽區(qū)決賽中榮獲特等獎(jiǎng)。 作品所處階段葉片輪式蛇形機(jī)器人已制作出實(shí)物模型，并完成了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。 技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式非商業(yè)性技術(shù)轉(zhuǎn)讓 作品可展示的形式實(shí)物、產(chǎn)品、模型、圖紙、磁盤(pán)、現(xiàn)場(chǎng)、演示、圖片、錄像、

8、樣品都可。 使用說(shuō)明及該作品的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，提供該作品的適應(yīng)范圍及推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明及市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì):本蛇形機(jī)器人頭部安裝無(wú)線(xiàn)攝像頭，由控制者通過(guò)無(wú)線(xiàn)攝像頭傳回的圖像對(duì)其進(jìn)行遙控控制，能夠脫離視線(xiàn)范圍執(zhí)行任務(wù)。其采用的葉片輪式驅(qū)動(dòng)比常規(guī)的驅(qū)動(dòng)方式有更佳的驅(qū)動(dòng)能力和越障能力，每個(gè)關(guān)節(jié)有三個(gè)自由度，能夠取得更好的運(yùn)動(dòng)效果。在不改變機(jī)身的情況下，可以通過(guò)更換不同的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)適應(yīng)不同的運(yùn)動(dòng)環(huán)境。 適用范圍及推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明:本蛇形機(jī)器人可用于可搭載各種傳感器，用于在地震廢墟下搜救傷員，在軍事上用于偵察敵情，公安部門(mén)用于反恐，核工廠、危險(xiǎn)化學(xué)藥品生產(chǎn)工廠用于進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域檢測(cè)

9、，外星探測(cè)等。其擁有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，成本低和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：目前全國(guó)公安、消防部門(mén)的監(jiān)測(cè)、反恐、搜救類(lèi)機(jī)器人價(jià)格昂貴，數(shù)量少，適應(yīng)復(fù)雜地形能力差，操作復(fù)雜，維護(hù)費(fèi)用高，而且相關(guān)的地震救援部門(mén)也沒(méi)有相應(yīng)功能強(qiáng)大的救援機(jī)器人。蛇形機(jī)器人如果用于上述部門(mén)和軍事偵察、空間行星地表探測(cè)等方面，將產(chǎn)生巨大的直接和間接經(jīng)濟(jì)效益。 專(zhuān)利申報(bào)情況無(wú) 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同類(lèi)課題研究水平概述當(dāng)今世界上研制出來(lái)的蛇形機(jī)器人按結(jié)構(gòu)形式可以分為兩類(lèi)： 第1類(lèi)是由剛性桿組成的鏈狀結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)由關(guān)節(jié)之間的扭動(dòng)作用產(chǎn)生。 第2類(lèi)是由帶有輪子或者履帶的模塊串連而成，運(yùn)動(dòng)直接由輪子、履帶驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生

10、。 日本的Hirose教授研制出了世界第一臺(tái)蛇形機(jī)器人，其領(lǐng)導(dǎo)的Hirose Fukushima Lab 實(shí)驗(yàn)室研制開(kāi)發(fā)的水中蛇形機(jī)器人，能夠在水下以蛇形方式自由地游泳。其研制的另一種救援蛇形機(jī)器人長(zhǎng)1.2米，由3節(jié)組成，用6個(gè)履帶爬行。 美國(guó)宇航局于1999年開(kāi)始研究多關(guān)節(jié)的蛇形機(jī)器人，計(jì)劃在其太空計(jì)劃中用于行星地表探測(cè)以及空間站維護(hù)工作，其第三代蛇形機(jī)器人能完成蠕動(dòng)前進(jìn)，游動(dòng)前進(jìn)，翻越簡(jiǎn)單障礙物等功能。 德國(guó)人Gavin.H從約1997年開(kāi)始從事蛇形機(jī)器人的研究工作，到目前為止共設(shè)計(jì)并制作了S1S7七代蛇形機(jī)器人。S5已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，特點(diǎn)是：各個(gè)關(guān)節(jié)形狀尺寸不同，高度模擬生物蛇；但為

11、二維結(jié)構(gòu)，無(wú)法完成三維空間運(yùn)動(dòng)；依靠從動(dòng)輪而不是摩擦運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度很高。 挪威SINTEF研究基金會(huì)的波爾.利爾杰貝克等人日前研制成功了一種形似蟒蛇的消防機(jī)器人。這種被稱(chēng)為的“安娜.康達(dá)的蛇形機(jī)器人長(zhǎng)度為3米，重量約70公斤。該機(jī)器人的能量供給方式也非常奇特-它能夠直接從消防水帶中獲取前進(jìn)的動(dòng)力，使得機(jī)器人能夠像蛇一樣靈活的移動(dòng)。 近年來(lái),國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了對(duì)蛇形機(jī)器人的研究工作，國(guó)防科大的RoboSnake是國(guó)內(nèi)最早報(bào)道的蛇形機(jī)器人，最初為二維結(jié)構(gòu)，依靠從動(dòng)輪前進(jìn)，長(zhǎng)約1.5米，重約3Kg，目前發(fā)展為三維結(jié)構(gòu)，但是依然保持從動(dòng)輪。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所開(kāi)發(fā)出了一種實(shí)現(xiàn)三維空間運(yùn)動(dòng)的蛇形機(jī)器人，同樣采用正交串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以完成蠕動(dòng)前進(jìn)、游動(dòng)前進(jìn)、滾轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。 對(duì)比以上各種蛇形機(jī)器人，目前的第1類(lèi)和第2類(lèi)蛇形機(jī)器人都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)： 第1類(lèi)蛇形機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是能夠在平坦地面實(shí)現(xiàn)仿蛇運(yùn)動(dòng)，還能實(shí)現(xiàn)翻滾動(dòng)作，卷住柱狀物蜿蜒而上，穿上外衣能在水中游泳等，缺點(diǎn)是大多只能在平的地面游動(dòng)，而不能實(shí)現(xiàn)翻越障礙物等功能，適應(yīng)自然環(huán)境運(yùn)動(dòng)的能力不強(qiáng)且控制復(fù)雜。 第2類(lèi)蛇形機(jī)器