星球探测自主避障移动机器人的制作方法

本发明属于星球探测技术领域，特别涉及一种星球探测自主避障移动机器人。

背景技术：

星球探测机器人是一种在被探测星球表面巡视探测的移动装置，其学名叫巡视探测器。他们能适应星球表面各种各样的复杂环境，携带科学研究设备在被探测星球表面进行移动探测，并把探测数据传送回给控制机构进行分析，是一种能够在被探测星球表面自由移动，完成科学探测任务的空间移动机器人。目前全球范围内出现了大量新颖的月球车和火星车。这些月球车和火星车，搭载着人类现有的先进的电子电路，可以在月球表面和火星表面实现各种各样的探测任务。这些探测机器人，因为地表光线好，都可以采用太阳能和蓄电池联合供电的方式供电，也可以使用电子电路系统完成一系列的功能。但是对于表面光线暗淡，温度高，温差大，存在高浓度的放射性物质、高浓度的腐蚀性物质的星球表面的探测，目前的探测机器人并不能很好的进行科学探测活动。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种星球探测自主避障移动机器人，使得探测车能够在具有极端环境的星球表面长时间的完成探测任务，将会解决当前针对具有极端环境星球探测的难题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种星球探测自主避障移动机器人，包括底盘及设置于所述底盘上的垂直轴风力发电机、驱动前进系统、路径重置系统、避障后退系统、避障转弯系统及耦合触发器，其中驱动前进系统、路径重置系统、避障后退系统及避障转弯系统通过耦合触发器耦合在一起，所述耦合触发器与所述底盘可相对运动，所述驱动前进系统与垂直轴风力发电机连接，所述垂直轴风力发电机作为动力源；当所述耦合触发器与障碍物碰撞后，通过与所述底盘发生相对运动来触发避障后退系统、避障转弯系统及路径重置系统，从而实现移动机器人的避障后退、避障转弯及路径重置运动。

所述垂直轴风力发电机包括叶片、叶片支撑轴、垂直轴风力发动机主轴及垂直轴风力发动机座，其中垂直轴风力发动机座设置于所述底盘上，所述垂直轴风力发动机主轴的下端与所述垂直轴风力发动机座转动连接，上端通过叶片支撑轴连接有多个沿周向布设的叶片，所述垂直轴风力发动机主轴通过锥齿轮组ⅰ与所述驱动前进系统连接。

所述驱动前进系统包括传动轴ⅰ、传动轴ⅱ、传动轴ⅲ、同步带传动装置，其中传动轴ⅰ和传动轴ⅱ可转动地设置于所述底盘上、且均与所述移动机器人的前进方向平行，所述传动轴ⅰ通过锥齿轮组ⅰ与垂直轴风力发电机连接，所述传动轴ⅰ和传动轴ⅱ通过设置于所述底盘前端的摩擦轮组ⅰ传动连接，所述传动轴ⅲ设置于所述底盘的后端、且与所述移动机器人的前进方向垂直，所述传动轴ⅱ通过锥齿轮组ⅱ与所述传动轴ⅲ连接，所述所述传动轴ⅲ通过同步带传动装置与所述后轮驱动轴连接。

所述摩擦轮组ⅰ包括相互摩擦接触的摩擦轮ⅰ和摩擦轮ⅱ，其中摩擦轮ⅰ与所述传动轴ⅰ键连接、且可沿轴向移动，所述摩擦轮ⅰ与摩擦轮固定支架可转动地连接，所述摩擦轮固定支架与所述耦合触发器固定连接，所述摩擦轮ⅱ套设于所述传动轴ⅱ上、且轴向和周向均固定，所述摩擦轮ⅰ通过所述耦合触发器相对所述底盘的移动，实现与所述摩擦轮ⅱ的分离和啮合。

所述避障后退系统包括摩擦轮组ⅱ、摩擦传动轮ⅰ及摩擦传动轮支撑轴，其中摩擦轮组ⅱ包括摩擦轮ⅲ和摩擦轮ⅳ，摩擦轮ⅲ和摩擦轮ⅳ分别固设于所述传动轴ⅰ和传动轴ⅱ上，所述摩擦传动轮支撑轴的一端与所述耦合触发器固定连接，另一端与摩擦传动轮ⅰ可转动地连接，所述摩擦传动轮ⅰ通过所述耦合触发器的向后移动，与位于两侧的摩擦轮ⅲ和摩擦轮ⅳ啮合，从而驱动所述后轮驱动轴反转，实现移动机器人的后退功能。

所述避障转弯系统包括上齿条、固定齿轮、下齿条、转向节臂及转向节，其中上齿条与所述耦合触发器连接，所述下齿条与所述底盘固定连接、且与转向节臂的一端铰接，所述转向节臂的另一端与所述转向节连接，所述固定齿轮可转动地与所述底盘连接、且与上齿条和下齿条啮合。

所述路径重置系统包括摩擦轮组件ⅲ、摩擦传动轮ⅱ、摩擦传动轮支架、锥齿轮组ⅲ、传动轴ⅳ、传动轴ⅴ及凸轮，其中传动轴ⅳ和传动轴ⅴ可转动地设置于所述底盘上、且传动轴ⅳ与传动轴ⅰ平行，所述传动轴ⅴ与所述传动轴ⅳ垂直设置、且通过锥齿轮组ⅲ与所述传动轴ⅳ传动连接，所述摩擦轮组件ⅲ包括摩擦轮ⅳ和摩擦轮ⅴ，所述摩擦轮ⅳ和摩擦轮ⅴ分别固设于所述传动轴ⅰ和传动轴ⅳ上、且相对应，所述凸轮固设于所述传动轴ⅴ上，所述摩擦传动轮ⅱ通过摩擦传动轮支架安装在所述耦合触发器上，所述摩擦传动轮ⅱ通过所述耦合触发器相对所述底盘的移动，与所述摩擦轮ⅳ和摩擦轮ⅴ啮合，带动所述凸轮转动，所述凸轮推动耦合触发器复位。

所述耦合触发器上设有与所述凸轮相对应的滚轮组件，所述滚轮组件包括滚轮支架及安装在所述滚轮支架上的滚轮，所述滚轮支架与所述耦合触发器连接，所述凸轮转动推动滚轮，实现所述耦合触发器的复位。

所述耦合触发器包括安装框架，所述安装框架与所述传动轴ⅰ和传动轴ⅱ滑动连接，所述路径重置系统、避障后退系统及避障转弯系统均与所述安装框架连接。

所述耦合触发器还包括设置于所述安装框架前端的碰撞板，所述碰撞板为弧面结构。

本发明的优点及有益效果是：

本发明可以利用星球表面的风能进行能量的生成，构成环境驱动，并利用耐高温、耐腐蚀的纯机械结构进行传动，无需控制探测车行进的电子电路，不易被星球表面上的放射性物质所干扰，采用分布式结构实现自主行走、自主导航。

本发明可以在高温度差、高放射性物质、高腐蚀性物质、高气压环境下无故障的工作数周、数月、甚至数年，实现在多个地点采集数据样本，有足够长的工作时间来采集天气变化数据，观察理解星球表面环境的变化。

本发明使用耦合触发器把底盘上的各个系统互相耦合起来，减少了驱动数量，简化了传动结构，提高了整个移动探测机器人的稳定性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明中垂直轴风力发动机的结构示意图；

图4是本发明中驱动前进系统的结构示意图；

图5是本发明中避障后退系统的结构示意图；

图6是本发明中避障转弯系统的结构示意图；

图7是本发明中避障转弯系统的轴测图；

图8是本发明中路径重置系统的结构示意图。

图中：1为叶片，2为叶片支撑轴，3为垂直轴风力发动机主轴，4为动力输出锥齿轮ⅰ，5为垂直轴风力发动机座，6为动力输出锥齿轮ⅱ，7为传动轴ⅰ,8为导向键，9为摩擦轮ⅰ，10为摩擦轮ⅱ，11为传动轴ⅱ,12为传动锥齿轮ⅰ,13为传动锥齿轮ⅱ,14为传动轴ⅲ,15为带传动轮，16为同步带，17为后轮驱动轴，18为摩擦轮ⅲ,19为摩擦轮ⅳ,20为摩擦传动轮ⅰ,21为耦合触发器，22为摩擦传动轮支撑轴，23为摩擦轮固定支架，24为上齿条，25为固定齿轮，26为下齿条，27为圆柱销，28为转向节臂，29为转向节，30为前梁，31为摩擦轮ⅳ,32为摩擦轮ⅴ,33为摩擦传动轮ⅱ，34为传动锥齿轮ⅲ,35为传动锥齿轮ⅳ,36为凸轮，37为滚轮，38为滚轮支架，39为摩擦传动轮支架，40为底盘，41为传动轴ⅳ，42为传动轴ⅴ，43为安装框架，44为碰撞板，50为垂直轴风力发电机，60为驱动前进系统，70为路径重置系统，80为避障后退系统，90为避障转弯系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1-2所示，本发明提供的一种星球探测自主避障移动机器人，包括底盘40及设置于底盘40上的垂直轴风力发电机50、驱动前进系统60、路径重置系统70、避障后退系统80、避障转弯系统90及耦合触发器21，其中驱动前进系统60、路径重置系统70、避障后退系统80及避障转弯系统90通过耦合触发器21耦合在一起，耦合触发器21与底盘40可相对运动，驱动前进系统60与垂直轴风力发电机50连接，垂直轴风力发电机50作为动力源；当耦合触发器21与障碍物碰撞后，通过与底盘40发生相对运动来触发避障后退系统80、避障转弯系统90及路径重置系统70，从而实现移动机器人的避障后退、避障转弯及路径重置运动。

如图3所示，垂直轴风力发电机50包括叶片1、叶片支撑轴2、垂直轴风力发动机主轴3及垂直轴风力发动机座5，其中垂直轴风力发动机座5设置于底盘40上，垂直轴风力发动机主轴3的下端与垂直轴风力发动机座5转动连接，上端通过叶片支撑轴2连接有多个沿周向布设的叶片1，垂直轴风力发动机主轴3通过锥齿轮组ⅰ与驱动前进系统60连接。

本发明的实施例中，叶片1采用美国国家航空咨询委员会(naca)生产的naca0018翼型叶片。

如图4所示，驱动前进系统60包括传动轴ⅰ7、传动轴ⅱ11、传动轴ⅲ14、同步带传动装置，其中传动轴ⅰ7和传动轴ⅱ11可转动地设置于底盘40上、且均与移动机器人的前进方向平行，传动轴ⅰ7通过锥齿轮组ⅰ与垂直轴风力发电机50连接，传动轴ⅰ7和传动轴ⅱ11通过设置于底盘40前端的摩擦轮组ⅰ传动连接，传动轴ⅲ14设置于底盘40的后端、且与移动机器人的前进方向垂直，传动轴ⅱ11通过锥齿轮组ⅱ与传动轴ⅲ14连接，传动轴ⅲ14通过同步带传动装置与后轮驱动轴17连接。

摩擦轮组ⅰ包括相互摩擦接触的摩擦轮ⅰ9和摩擦轮ⅱ10，其中摩擦轮ⅰ9与传动轴ⅰ7键连接、且可沿轴向移动，摩擦轮ⅰ9与摩擦轮固定支架23可转动地连接，摩擦轮固定支架23与耦合触发器21固定连接，摩擦轮ⅱ10套设于传动轴ⅱ11上、且轴向和周向均固定，摩擦轮ⅰ9通过耦合触发器21相对底盘40的移动，实现与摩擦轮ⅱ10的分离和啮合。

锥齿轮组ⅰ包括动力输出锥齿轮ⅰ4和动力输出锥齿轮ⅱ6，动力输出锥齿轮ⅰ4套设于垂直轴风力发动机主轴3上，动力输出锥齿轮ⅱ6设置于传动轴ⅰ7的端部、且与动力输出锥齿轮ⅰ4啮合。

锥齿轮组ⅱ包括传动锥齿轮ⅰ12和传动锥齿轮ⅱ13，传动锥齿轮ⅰ12设置于传动轴ⅱ11的端部，传动锥齿轮ⅱ13设置于传动轴ⅲ14的端部、且与传动锥齿轮ⅰ12啮合。同步带传动装置包括同步带16和两个带传动轮15，两个带传动轮15分别套设于传动轴ⅲ14和后轮驱动轴17上、且通过同步带16传动连接。

垂直轴风力发电机50的叶片1受风力的作用开始运动，此时垂直轴风力发动机50开始将风能转化成机械能，通过锥齿轮组ⅰ将动能传递给传动轴ⅰ7，摩擦轮组ⅰ将传动轴ⅰ7的动能传递给传动轴ⅱ11，锥齿轮组ⅱ又将动力传递给传动轴ⅲ14，传动轴ⅲ14通过同步带传动装置传动后轮驱动轴17，最终动力输出给驱动轮，完成驱动前进运动。

如图5所示，避障后退系统80包括摩擦轮组ⅱ、摩擦传动轮ⅰ20及摩擦传动轮支撑轴22，其中摩擦轮组ⅱ包括摩擦轮ⅲ18和摩擦轮ⅳ19，摩擦轮ⅲ18和摩擦轮ⅳ19分别固设于传动轴ⅰ7和传动轴ⅱ11上，摩擦传动轮支撑轴22的一端与耦合触发器21固定连接，另一端与摩擦传动轮ⅰ20可转动地连接，摩擦传动轮ⅰ20通过耦合触发器21的向后移动，与位于两侧的摩擦轮ⅲ18和摩擦轮ⅳ19啮合，从而驱动后轮驱动轴17反转，实现移动机器人的后退功能。

驱动前进时，传动轴ⅰ7和传动轴ⅱ11之间的动力传输主要依靠摩擦轮组ⅰ来完成，摩擦轮组ⅰ中的摩擦轮ⅰ9可以在导向键8上来回滑动，且摩擦轮ⅰ9用固定支架23固定在耦合触发器21上，可以随耦合触发器21来回运动与摩擦轮ⅱ10实现离合。当移动机器人撞击到障碍物时，耦合触发器21向后退一定的距离，耦合触发器21连带着摩擦轮ⅰ9的固定支架23向后退，摩擦轮组ⅰ脱离啮合前进动力消失。此时摩擦传动轮ⅰ20随耦合触发器21后退到摩擦轮组ⅱ之间，摩擦轮组ⅱ实现啮合，反向动力传输给传动轴ⅱ11，最终驱动轮实现反转。

如图6-7所示，避障转弯系统90包括上齿条24、固定齿轮25、下齿条26、转向节臂28及转向节29，其中上齿条24与耦合触发器21连接，下齿条26与底盘40固定连接、且与转向节臂28的一端铰接，转向节臂28的另一端与转向节29连接，固定齿轮25可转动地与底盘40连接、且与上齿条24和下齿条26啮合。

当耦合触发器21向后移动时，此时齿轮齿条机构中的上齿条24连同着耦合探测器21一起向后移动，激发齿轮齿条机构中下齿条26协同反向运动，下齿条26的末端通过圆柱销27与移动机器人前桥中的转向节臂28相连接并可以相对运动。当下齿条26向移动机器人前方运动时，转向节臂28也向前运动，连带着的转向节29将发生偏转角度，实现车轮转向。此时移动机器人实现转向后退，与原来的前进方向产生一定偏转角度。

如图8所示，路径重置系统70包括摩擦轮组件ⅲ、摩擦传动轮ⅱ33、摩擦传动轮支架39、锥齿轮组ⅲ、传动轴ⅳ41、传动轴ⅴ42及凸轮36，其中传动轴ⅳ41和传动轴ⅴ42可转动地设置于底盘40上、且传动轴ⅳ41与传动轴ⅰ7平行，传动轴ⅴ42与传动轴ⅳ41垂直设置、且通过锥齿轮组ⅲ与传动轴ⅳ41传动连接，摩擦轮组件ⅲ包括摩擦轮ⅳ31和摩擦轮ⅴ32，摩擦轮ⅳ31和摩擦轮ⅴ32分别固设于传动轴ⅰ7和传动轴ⅳ41上、且相对应，凸轮36固设于传动轴ⅴ42上，摩擦传动轮ⅱ33通过摩擦传动轮支架39安装在耦合触发器21上，摩擦传动轮ⅱ33通过耦合触发器21相对底盘40的移动，与摩擦轮ⅳ31和摩擦轮ⅴ32啮合，带动凸轮36转动，凸轮36推动耦合触发器21复位。

锥齿轮组ⅲ包括传动锥齿轮ⅲ34和传动锥齿轮ⅳ35，锥齿轮ⅲ34套设于传动轴ⅳ41上，传动锥齿轮ⅳ35套设于传动轴ⅴ42上、且与传动锥齿轮ⅲ34啮合。

耦合触发器21上设有与凸轮36相对应的滚轮组件，滚轮组件包括滚轮支架38及安装在滚轮支架38上的滚轮37，滚轮支架38与耦合触发器21连接，凸轮36转动推动滚轮37，实现耦合触发器21的复位。

当耦合触发器21后退时，与耦合触发器相连的摩擦传动轮ⅱ33和滚轮37也向后退，摩擦传动轮ⅱ33擦进摩擦轮组件ⅲ中，传动轴ⅳ41获得动力，动力通过锥齿轮组ⅲ传递给传动轴ⅴ42，凸轮36开始运动。摩擦传动轮ⅱ33后退的同时，滚轮37运动到凸轮36的基圆半径处，所以凸轮36的运动会推着滚轮37产生复位运动。当凸轮36运动到最远距离时，随着滚轮37的复位，耦合触发器21回到原点位置，摩擦传动轮ⅰ20和摩擦传动轮ⅱ33抽离、上齿条24回到原点，车轮复位，摩擦轮组ⅰ再一次实现啮合，传动轴ⅱ11获得驱动前进的动力，驱动轮正转，移动机器人前进。

耦合触发器21包括安装框架43和设置于安装框架43前端的碰撞板44，安装框架43与传动轴ⅰ7和传动轴ⅱ11滑动连接，并以传动轴ⅰ7和传动轴ⅱ11为滑道往复运动。路径重置系统70、避障后退系统80及避障转弯系统90均与安装框架43连接，从而实现多模态运动。碰撞板44为弧面结构，碰撞板44前置，可以有效的减轻车身的碰撞载荷，起到很好的保护作用。

本发明的实施例中，锥齿轮组ⅰ的转动比为1:2；摩擦轮组ⅰ的传动比为1:1；摩擦轮组ⅱ的传动比为1:1；锥齿轮组ⅱ的传动比为1:2；摩擦轮组ⅲ的传动比为1:4，锥齿轮组ⅲ的传动比为1:2。

本发明将使用齿轮齿条、凸轮、摩擦轮等纯机械组件，实现多模态自主避障移动行走，其中耦合触发器有效的减少了驱动的数量，并可以有效的耦合探测机器人各个系统，简化机器人的控制系统。本发明可以在没有电子电路控制的情况下，自主完成避障运动，同时采用航空航天领域普遍使用的钛合金和不锈钢作为机器人的使用材料，不受放射性物质干扰，抗腐蚀能力强，可以适应星球表面极高的温度及温度差，高浓度的放射性物质将不再影响该移动探测机器人的自主避障系统，大大提高了该机器人的稳定性。该移动探测机器人采用垂直风力发动机作为动力装置，可以在无太阳光或者太阳光线非常微弱的星球表面，利用星球表面的风能转化为机械能，完成能量的生成与转化，实现无电力驱动。

综上所述，针对地表具有极高温度差、大气压力极大、存在极多放射性物质和腐蚀性物质、并且表面被大气遮盖，不能利用太阳能等极端环境的星球，设计出一种基于纯机械结构能够自主导航的地外天体探测车。利用耐高温、耐腐蚀的纯机械结构进行传动，无需控制探测车行进的电子电路，不易被星球表面上的放射性物质所干扰，采用分布式结构实现自主行走、自主导航。可以在高温度差、高放射性物质、高腐蚀性物质、高气压环境下稳定的工作数周、数月、甚至数年。实现在多个地点采集数据样本，有足够长的工作时间来采集天气变化数据，观察理解星球表面环境的变化。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。