一种轮腿式灾后现场救援机器人的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，确切地说，是一种轮腿式灾后现场救援机器人，该技术可使得机器人能够较好的适应地震、塌方等复杂的灾后环境，同时该技术也可用于其他复杂地形环境下的相关特种机器人上。

背景技术：

自然灾害和人为事故的频发会严重的影响了人们的生命财产安全。在灾难发生后，如果能够快速获取现场人员伤亡及幸存者位置、现场环境等情况，对于进一步实施救援工作具有重要的意义。由于灾害现场环境复杂、危险程度高，如果救援人员贸然进入现场实施救援，极易造成新的伤亡。在这种情况下，救援机器人便起到了重要的作用，它可以代替工作人员在灾后现场完成各种复杂功能，并具有较强的环境适应性，能够有效地提高救援工作的效率和减少人员的伤亡，因此具有广阔的应用前景。

轮腿式救援机器人既可以实现轮式机器人运动效率高、稳定性好、易于控制的优点，也可以实现腿式救援机器人环境适应性强的优点，可广泛应用于地震、矿山坍塌等复杂环境下，具有较高的研究价值。弗罗茨瓦夫理工大学、巴黎大学、加州理工学院等多所高校都对轮腿式机器人进行了研究和分析。

目前对于救援机器人的研究，已经取得了一定的成果。申请号为201510243076.1的发明专利“一种自适应地形的多自由度救援机器人”包括机器人本体以及设置在下方用于驱动机器人本体运动的驱动装置，可通过驱动轮的设置使得机器人能够快速有效的运动，通过爬坡轮的设置就可以有效的增强机器人的地形适应能力。申请号为201410553748.4的发明专利“复杂环境机器人救援系统”包括置于机器人车架上的人员安放装置，中间过渡输送装置、类铲形拾取装置、障碍清除装置和多功能执行手臂，能够在复杂、恶劣环境下排除伤员周围的障碍物以及伤员身体上的附属物品，拖拽伤员脱离危险环境，并完成对被困、危重受伤人员的搬运和移动工作。然而，上述两个发明专利都存在对复杂地形的适应能力不足等问题。在轮腿式机器人方面，申请号为201310355161.8的发明专利“复杂地形轮腿式移动机器人”包括平台、均匀设置于平台边缘的六个轮腿系统，能满足在复杂环境下的多重要求，包括能够实现爬坡，越障，跨沟以及在非平整地面平稳前进，但是结构较为复杂，控制难度较大。针对上述存在的问题，有必要针对灾后复杂环境设计新型的救援机器人，在具有良好的复杂环境适应性及现场救援能力的同时，结构简单，控制难度较低，负载能力强，能够满足灾后救援的需要。

技术实现要素：

本发明专利针对上述现有技术存在的不足，提供一种轮腿式灾后现场救援机器人，该专利所述内容包括包括躯干骨架结构、轮腿结构模块、辅助腿结构模块、环境取样结构模块、视觉模块、输氧/灭火功能模块、担架结构模块，使得机器人可根据环境的不同实现轮式/腿式运动的转换，且具有输氧、灭火、环境监测等功能，具有对非结构化复杂环境适应能力强、效率高、负载能力强、结构简单易于控制等优点，能够满足现场救援的需求。本发明属于一种救援机器人，满足灾后现场救援、监测等需求。

一种轮腿式灾后现场救援机器人，其特征在于：包括躯干骨架结构、轮腿结构模块、辅助腿结构模块、环境取样结构模块、视觉模块、输氧/灭火功能模块、担架结构模块；

所述躯干骨架结构包括底部框架结构、顶部框架结构、下部底板、上部盖板、侧面盖板；下部底板与底部框架结构相固连，上部盖板与顶部框架结构相固连，侧面盖板分别与底部框架结构和顶部框架结构相固连；底部框架结构和顶部框架结构由铝合金材料架构而成，下部底板、上部盖板、侧面盖板所用材料为钢；

所述轮腿结构模块包括轮腿结构第一分支、轮腿结构第二分支、轮腿结构第三分支、轮腿结构第四分支；

所述轮腿结构第一分支包括轮腿结构驱动电机、小齿轮、大齿轮、转动轴、轮腿结构第一连杆、轮腿结构第二连杆、轮腿结构第三连杆、电动推杆、驱动轮；轮腿结构驱动电机与下部底板相固连，可带动小齿轮实现转动；大齿轮与转动轴相固连，并与小齿轮啮合；转动轴可相对于下部底板实现绕轴线方向的自由转动；轮腿结构第一连杆一端与转动轴的侧面铰链连接，另一端与轮腿结构第二连杆铰链连接；轮腿结构第三连杆一端与转动轴的侧面铰链连接，另一端与轮腿结构第二连杆铰链连接；电动推杆一端与轮腿结构第一连杆铰链连接，另一端与轮腿结构第二连杆铰链连接；驱动轮与轮腿结构第二连杆相固连；当轮腿结构驱动电机转动时，小齿轮在轮腿结构驱动电机的带动下实现转动，并带动大齿轮实现转动，由于大齿轮与转动轴相固连，从而带动转动轴绕轴线方向实现转动，最终实现轮腿结构第一分支绕轴线方向转动；当电动推杆运动时，可实现轮腿结构第一分支在平面内运动；

所述轮腿结构第二分支、轮腿结构第三分支、轮腿结构第四分支的结构形式与安装形式与轮腿结构第一分支完全相同；

所述辅助腿结构模块包括辅助腿结构第一分支、辅助腿结构第二分支；

所述辅助腿结构第一分支与轮腿结构第一分支的区别仅在于辅助腿结构第一分支不包括驱动轮，其他结构形式及连接形式与轮腿结构第一分支完全相同；

所述辅助腿结构第二分支的结构形式与安装形式与辅助腿结构第一分支完全相同；

所述环境取样结构模块包括环境取样模块第一分支、环境取样模块第二分支、环境取样模块第三分支；

所述环境取样模块第一分支包括取样容器、取样容器连杆、取样容器连杆驱动电机；取样容器与取样容器连杆相固连，取样容器连杆与下部底板铰链连接，在取样容器连杆驱动电机的驱动下，环境取样模块第一分支可实现相对于下部底板的转动；

所述环境取样模块第二分支、环境取样模块第三分支的结构形式与安装形式与环境取样模块第一分支完全相同；

所述视觉模块与上部盖板相固连，可实现机器人对环境的监测；

所述输氧/灭火功能模块包括输氧模块、灭火模块、方向调整结构、输氧/灭火功能模块底部支架；

所述输氧模块包括氧气瓶支架、氧气瓶、氧气导管；氧气瓶支架与输氧/灭火功能模块底部支架相固连，氧气瓶与氧气瓶支架相固连，氧气导管用来输出氧气；当轮腿式仿生机器人遇到急需输氧的被困人员时，可及时提供氧气；

所述灭火模块包括灭火器支架、灭火器、灭火器导管；灭火器支架与输氧/灭火功能模块底部支架相固连，灭火器与灭火器支架相固连，灭火器导管用来输出灭火物质；当轮腿式仿生机器人遇到火源需要紧急扑灭时，可及时进行灭火；

所述方向调整结构包括方向调整结构第一连杆、方向调整结构第二连杆、方向调整结构第三连杆、方向调整结构下底板、方向调整结构上底板、方向调整结构盖板、方向调整结构驱动电机；方向调整结构第一连杆、方向调整结构第二连杆、方向调整结构第三连杆分别与方向调整结构下底板和方向调整结构上底板铰链连接且轴线平行；方向调整结构盖板与方向调整结构上底板相固连，并形成第一通孔和第二通孔；方向调整结构驱动电机与方向调整结构下底板相固连，可驱动方向调整结构第二连杆转动，由此带动方向调整结构实现转动；

所述氧气导管通过第一通孔并与第一通孔固连，灭火器导管通过第二通孔并与第二通孔固连；在方向调整结构驱动电机与机器人自身运动的配合下，可调整氧气导管和灭火器导管的方向；

所述输氧/灭火功能模块底部支架与底部框架结构相固连；

所述担架结构模块包括担架辅助支撑板、第一级担架、第二级担架、万向轮、担架驱动电机、第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮、第四滑轮、第五滑轮、绳索；担架辅助支撑板可沿底部框架结构实现伸缩运动；第一级担架与担架辅助支撑板铰链连接，二者可实现相对转动；第二级担架可相对于第一级担架实现伸缩；万向轮与第二级担架相固连；担架驱动电机与下部底板相固连；第一滑轮与下部底板相固连，第二滑轮与担架辅助支撑板相固连；第三滑轮与第一级担架的一端相固连；第四滑轮与第二级担架相固连；第五滑轮与第一级担架的另一端相固连；绳索缠绕在第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮、第四滑轮、第五滑轮上，且一端与担架驱动电机相固连；

轮腿式灾后现场救援机器人具有三种不同的运动状态，分别为轮式运动状态、轮式运动与腿式运动的转化状态、腿式运动状态；

当轮腿式灾后现场救援机器人由轮式运动向腿式运动转化时，轮腿结构第一分支、轮腿结构第二分支、轮腿结构第三分支、轮腿结构第四分支绕各自的转动轴转动相同的角度，并通过各个轮腿结构分支的驱动电机与电动推杆的配合在运动过程中实现由轮式到腿式变化；相反地，当轮腿式灾后现场救援机器人由腿式运动向轮式运动转化时，机器人可在各个轮腿结构分支的驱动电机与电动推杆配合下反向运动或改变轮腿结构第一分支、轮腿结构第二分支、轮腿结构第三分支、轮腿结构第四分支绕各自的转动轴转动的角度；

在机器人为轮式运动状态时，辅助腿结构第一分支、辅助腿结构第二分支为抬起状态，与地面不发生接触；在机器人为腿式运动状态时，辅助腿结构第一分支、辅助腿结构第二分支与地面接触，此时机器人变为包含有轮腿结构第一分支、轮腿结构第二分支、轮腿结构第三分支、轮腿结构第四分支、辅助腿结构第一分支、辅助腿结构第二分支的六足机器人；

在环境取样过程中，环境取样结构模块可与轮腿式灾后现场救援机器人的运动相配合，实现在复杂灾后环境下对水、土壤的取样；

当担架驱动电机顺时针转动时，可实现担架结构模块的第一级担架和第二级担架依次收回，此时担架结构模块隐藏在机器人底部；当担架驱动电机逆时针转动时，可实现担架结构模块的第一级担架和第二级担架依次伸出。

本发明的优点在于：

1、本发明轮腿式灾后现场救援机器人的轮腿结构仅具有一个自由度，具有承载能力强、结构简单、控制简便等特点，并可灵活实现机器人轮式/腿式两种运动状态的转换，满足灾后现场复杂环境的需求；

2、本发明轮腿式灾后现场救援机器人增加了辅助腿结构模块，同样仅具有一个自由度，可在机器人腿式状态下辅助机器人的行走过程，保证机器人运动的稳定性和可靠性；

3、本发明轮腿式灾后现场救援机器人的环境取样模块结构简单，可与机器人的运动相配合，代替救援人员完成对土壤、水质的分别取样；

4、本发明轮腿式灾后现场救援机器人具有输氧/灭火功能模块，可实现被困人员的紧急输氧救援和遇到紧急火情的灭火功能，结构简单，易于实现，较好满足灾后现场的需要。

5、本发明轮腿式灾后现场救援机器人具有担架结构模块，仅通过一个电机便可实现两级担架的依次收回或伸出，在减小了驱动器个数的基础上，实现了有效的运动控制，可以满足救援现场伤员输送和救援物资运输的需求。

附图说明

图1为本发明中机器人整体结构示意图；

图2为本发明中机器人整体结构底部俯视图；

图3为本发明中机器人轮腿结构模块示意图；

图4为本发明中机器人轮式状态下结构示意图；

图5为本发明中机器人腿式状态下结构示意图；

图6为本发明中机器人环境取样结构模块示意图；

图7为本发明中机器人输氧/灭火功能结构模块示意图；

图8为本发明中方向调整结构示意图；

图9为本发明中担架结构模块示意图；

图10为本发明中担架结构模块俯视图。

图中，1-躯干骨架结构，11-底部框架结构，12-顶部框架结构，13-下部底板，14-上部盖板，15-侧面盖板，2-轮腿结构模块，21-轮腿结构第一分支，211-轮腿结构驱动电机，212-小齿轮，213-大齿轮，214-转动轴，15-轮腿结构第一连杆，216-轮腿结构第二连杆，217-轮腿结构第三连杆，218-电动推杆，219-驱动轮，22-轮腿结构第二分支，23-轮腿结构第三分支，24-轮腿结构第四分支，3-辅助腿结构模块，31-辅助腿结构第一分支，32-辅助腿结构第二分支，4-环境取样结构模块，41-环境取样模块第一分支，411-取样容器，412-取样容器连杆，413-取样容器连杆驱动电机，42-环境取样模块第二分支，43-环境取样模块第三分支，5-视觉模块，6-输氧/灭火功能模块，61-输氧模块，611-氧气瓶支架，612-氧气瓶，613-氧气导管，62-灭火模块，621-灭火器支架，622-灭火器，623-灭火器导管，63-方向调整结构，631-方向调整结构第一连杆，632-方向调整结构第二连杆，633-方向调整结构第三连杆，634-方向调整结构下底板，635-方向调整结构上底板，636-方向调整结构盖板，637-方向调整结构驱动电机，638-第一通孔，639-第二通孔，64-输氧/灭火功能模块底部支架，7-担架结构模块，71-担架辅助支撑板，72-第一级担架，73-第二级担架，74-万向轮，75-担架驱动电机，76-第一滑轮，77-第二滑轮，78-第三滑轮，79-第四滑轮，710-第五滑轮，711-绳索。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明为一种轮腿式灾后现场救援机器人，包括躯干骨架结构1、轮腿结构模块2、辅助腿结构模块3、环境取样结构模块4、视觉模块5、输氧/灭火功能模块6、担架结构模块7，如图1和图2所示。

躯干骨架结构1包括底部框架结构11、顶部框架结构12、下部底板13、上部盖板14、侧面盖板15；各部分之间相固连；此外，视觉模块5与上部盖板14相固连，可实现机器人对环境的监测，具体结构如图1和图2所示。

轮腿结构模块2包括轮腿结构第一分支21、轮腿结构第二分支22、轮腿结构第三分支23、轮腿结构第四分支24，四个分支的结构形式与安装形式完全相同，如图2所示。辅助腿结构模块3包括辅助腿结构第一分支31、辅助腿结构第二分支32，两个分支的结构形式与安装形式完全相同，如图2所示。轮腿结构第一分支21如图3所示，包括轮腿结构驱动电机211、小齿轮212、大齿轮213、转动轴214、轮腿结构第一连杆215、轮腿结构第二连杆216、轮腿结构第三连杆217、电动推杆218、驱动轮219；轮腿结构驱动电机211可带动小齿轮212实现转动，并通过齿轮之间的啮合带动大齿轮213转动；由于大齿轮213与转动轴214相固连，因此轮腿结构驱动电机211可带动整个轮腿结构第一分支21实现前后摆动；轮腿结构第一连杆215一端与转动轴214铰链连接，另一端与轮腿结构第二连杆216铰链连接；轮腿结构第三连杆217一端与转动轴214铰链连接，另一端与轮腿结构第二连杆216铰链连接；电动推杆218一端与轮腿结构第一连杆215铰链连接，另一端与轮腿结构第二连杆216铰链连接，此时电动推杆218可带动轮腿结构第一分支21实现在同一平面内的运动；驱动轮219与轮腿结构第二连杆216相固连。辅助腿结构第一分支31与轮腿结构第一分支21的区别仅在于辅助腿结构第一分支31不包括驱动轮，其他结构形式及连接形式与轮腿结构第一分支21完全相同。

当地面较为平整时，机器人可在轮式状态下进行运动，结构形式如图4所示，辅助腿结构第一分支31、辅助腿结构第二分支32为抬起状态，与地面不发生接触；轮腿结构第一分支21可通过轮腿结构驱动电机211的转动最终实现第一轮腿结构分支21绕轴线方向转动，其他轮腿结构分支也可采用相同方法实现绕轴线方向的转动。通过上述方法，可实现机器人在轮式状态下的全向移动，当机器人遇到障碍物时，可通过改变轮腿方向实时改变机器人运动方向，实现避障功能。当遇到小型障碍物时，机器人可进行轮式/腿式运动的转换实现越障，此时轮腿结构第一分支21、轮腿结构第二分支22、轮腿结构第三分支23、轮腿结构第四分支24绕各自的转动轴转动相同的角度，并通过各个轮腿结构分支的驱动电机与电动推杆的配合在运动过程中实现由轮式到腿式变化；相反地，当轮腿式灾后现场救援机器人由腿式运动向轮式运动转化时，机器人可在各个轮腿结构分支的驱动电机与电动推杆配合下反向运动或改变轮腿结构第一分支21、轮腿结构第二分支22、轮腿结构第三分支23、轮腿结构第四分支24绕各自的转动轴转动的角度。当灾后现场环境较为崎岖，不适合轮式运动时，机器人可实现腿式运动，结构形式如图5所示，辅助腿结构第一分支31、辅助腿结构第二分支32与地面接触，此时机器人变为包含有轮腿结构第一分支21、轮腿结构第二分支22、轮腿结构第三分支23、轮腿结构第四分支24、辅助腿结构第一分支31、辅助腿结构第二分支32的六足机器人，在各驱动电机与电动推杆实时配合下完成腿式运动，此时机器人躯干骨架结构1需沿特定曲线运动。

环境取样结构模块4如图6所示，包括环境取样模块第一分支41、环境取样模块第二分支42、环境取样模块第三分支43，三个分支的结构形式与安装形式完全相同。环境取样模块第一分支41包括取样容器411、取样容器连杆412、取样容器连杆驱动电机413；取样容器411与取样容器连杆412相固连，取样容器连杆412与下部底板13铰链连接，在容器连杆驱动电机413的驱动下，环境取样模块第一分支41可实现相对于躯干骨架结构1的转动。在环境取样过程中，环境取样结构模块4可与轮腿式灾后现场救援机器人在运动相配合，实现在复杂灾后环境下对水、土壤的取样。

输氧/灭火功能模块6如图7所示，包括输氧模块61、灭火模块62、方向调整结构63、输氧/灭火功能模块底部支架64；其中，输氧模块61包括氧气瓶支架611、氧气瓶612、氧气导管613；氧气瓶支架611与输氧/灭火功能模块底部支架64相固连，氧气瓶612与氧气瓶支架611相固连，氧气导管613用来输出氧气。灭火模块62包括灭火器支架621、灭火器622、灭火器导管623；灭火器支架621与输氧/灭火功能模块底部支架64相固连，灭火器622与灭火器支架621相固连，灭火器导管623用来输出灭火物质。方向调整结构63如图8所示，方向调整结构63包括方向调整结构第一连杆631、方向调整结构第二连杆632、方向调整结构第三连杆633、方向调整结构下底板634、方向调整结构上底板635、方向调整结构盖板636、方向调整结构驱动电机637；方向调整结构第一连杆631、方向调整结构第二连杆632、方向调整结构第三连杆633分别与方向调整结构下底板634和方向调整结构上底板635铰链连接且轴线平行；方向调整结构盖板636与方向调整结构上底板635相固连，并形成第一通孔638和第二通孔639；方向调整结构驱动电机637与方向调整结构下底板634相固连，可驱动方向调整结构第二连杆632转动，由此带动方向调整结构63实现转动。当机器人在地震或塌方等灾后环境遇到被困人员时，可开启输氧模块61，为被困人员提供氧气；当机器人遇到火情需要紧急灭火时，可开启灭火模块62，扑灭火源。在输氧或灭火的过程中，可通过方向调整结构63与机器人自身的移动相结合，实时改变氧气导管613或灭火器导管623的方向，以满足救援现场的需求。

担架结构模块7如图9所示，包括担架辅助支撑板71、第一级担架72、第二级担架73、万向轮74、担架驱动电机75、第一滑轮76、第二滑轮77、第三滑轮78、第四滑轮79、第五滑轮710、绳索711；担架辅助支撑板71可沿底部框架结构11实现伸缩运动，第一级担架72与担架辅助支撑板71铰链连接，二者可实现相对转动，第二级担架73可相对于第一级担架72实现伸缩。如图10所示为担架结构模块俯视图，担架驱动电机75与下部底板13相固连；各滑轮分别于担架结构模块7相应结构相固连；绳索711缠绕在各个滑轮上，且一端与担架驱动电机75相固连；当担架驱动电机75顺时针转动时，可实现担架结构模块7的第一级担架72和第二级担架73依次收回，此时担架结构模块7隐藏在机器人底部；当担架驱动电机75逆时针转动时，可实现担架结构模块7的第一级担架72和第二级担架73依次伸出；担架结构模块7还安装有万向轮74，其与第二级担架73相固连，可辅助实现担架的伸缩。