專利名稱：一種具有掘進功能的礦難救災機器人及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種六足機器人及其控制領域，具體是指具有掘進功能的礦難救災六足機器人及其控制方法。
背景技術：
煤炭行業是工業生產中傷亡事故最嚴重的行業。長期以來，煤礦災難發生后的救援一直是一個熱門的研究課題，由于災害礦井具有以下特點空間狹小、礦難現場巷道結構不穩定、礦難現場內具有可燃性氣體等，以上特點對于救援人員的救援作業和人身安全會造成極大的影響和危害。可移動機器人在礦難發生后能夠代替人類進入礦井，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、瓦斯濃度傳感器、聲音探測器、定位傳感器、攝像頭等)完成危險的井下環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，但是在復雜的地面下移動性受到很大限制，不適于災害礦井的救援工作。足式機器人，尤其是六足機器人具有良好的環境適應能力，在災害礦井的非結構環境下能夠穩定行走，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給困難的要求。當前，用于礦難救災的機器人主要以履帶式機器人為主，履帶式機器人具有地形適應能力強和運動速度快的特點， 但是履帶式結構的機器人要實現掘進功能，需在機器人前端設計專門的掘進機構，并在機器人內部設計碎料傳送結構，從而導致整個系統結構復雜，體節龐大，還會帶來較大的能量消耗，不適用于礦難救災場合使用。當前，還沒有具備掘進功能的礦難救災機器人，一旦災難礦井被堵塞，機器人就無法進入或穿過堵塞區進行救援，影響救援效果。
發明內容
本發明是為克服上述現有技術所存在的不足之處，提供一種具有掘進功能的礦難救災機器人，為輔助礦難救災提供一種機器人移動平臺。該機器人采用六腿結構，采用三角步態行進控制方式，環境適應能力強，在行進控制上采用輪式機器人的驅動原理，移動速度快，而且具備掘進功能，能夠進入、穿越土堆、煤堆和廢墟等介質，從而進入被堵塞的救援現場，克服了現有礦難救災機器人不能穿越和進入廢墟的缺點，而且行進和掘進機構復合一體，使機器人體積和質量更小，能量消耗更少，便于進入狹小空間長時間作業。本發明為解決技術問題采用如下技術方案本發明具有掘進功能的礦難救災機器人的結構特點是包括錐形鉆土頭部、圓柱形的前體節和圓柱形的后體節，所述前體節和后體節通過能夠在平面上轉動的腰部相連接；在所述前體節和后體節的兩側對稱設置有各支腿，所述各支腿包括位于前體節兩側的左前腿和右前腿、位于后體節兩側的左中腿、右中腿、左后腿和右后腿，所述各支腿通過由轉動副構成的髖關節與所述前體節或后體節相連接，各支腿的末端為弧面足部；錐形鉆土頭部固連在前體節的前端。
本發明具有掘進功能的礦難救災機器人的結構特點也在于所述支腿的結構設置為連接在所述髖關節上的為大腿，所述大腿通過膝關節連接小腿，所述膝關節是以所述大腿的下半部分為機架，以小腿的頂端為連桿，在所述機架與連桿之間分別連接有搖桿和曲柄，構成曲柄搖桿機構；所述曲柄搖桿機構中與大腿末端相連的曲柄是由膝關節驅動電機驅動的原動桿。所述腰部結構設置包括原動齒輪、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固定連接，從動齒輪軸與前體節固定連接，所述原動齒輪是由固定設置在上固定板上的腰部驅動電機驅動。本發明具有掘進功能的礦難救災機器人的行進控制方法的特點是采用基于三角步態的行進控制方式，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，各支腿在髖關節驅動電機的驅動下進行轉動；支腿轉動至足底部與地面接觸的狀態為支撐態，足底部離開地面的狀態為擺動態；所述左三角和右三角交替呈擺動態和支撐態；任一時刻至少有一個三角處于支撐態，同一三角中的三條支腿在同一時刻進入支撐態或擺動態。本發明具有掘進功能的礦難救災機器人的掘進控制方法的特點是按如下過程進行a、基于三角步態運動的前向鉆孔控制過程機器人以三角步態前向運動，同時鉆土頭部由頭部驅動電機驅動旋轉，當達到給定的掘進量時，停止前向運動，調整機器人的左三角和右三角均為支撐態；b、基于六腿支撐的擴孔控制過程前體節相對于后體節在腰部驅動電機的驅動下左右擺動，通過改變各支腿的角度調整機器人的俯仰角，進而使鉆土頭部上下運動，鉆土頭部的轉動配合其左右擺動和上下運動，使機器人鉆出截面較大的孔洞，便于機器人通過。本發明具有掘進功能的礦難救災機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，在機器人掘進過程結束后，調整為五條支腿支撐狀態，另外一條腿為撥土腿，撥土腿的大腿靜止，小腿在膝關節驅動電機的驅動下帶動弧面足往復擺動，實現向后方撥土。與已有技術相比，本發明有益效果體現在1、本發明結構簡單，環境適應能力強。機器人行進和掘進機構復合一體，結構簡單，體積和能耗小；六條腿在體節兩側呈對稱分布，機器人發生傾覆后仍能夠正常行走，適合于災難礦井下的復雜環境。2、本發明腿部結構的功能多，控制方法簡單。大腿同一方向上的連續轉動驅動機器人行進，小腿的往復擺動帶動足部撥土，各支腿轉動角度的協調配合還能使鉆土頭部上下運動，進而完成掘進過程中的擴孔任務，而且能夠調整腿長；通過單獨控制髖關節或膝關節運動能夠完成某種運動功能，無需兩個關節運動的耦合控制，控制方法簡單，控制誤差小。3、本發明腰部結構緊湊，可靠性高。機器人腰部采用齒輪組結構，可靠性高，轉動角度控制的精度高。4、本發明行進穩定性好、速度快，便于控制的實現。基于三角步態的行進控制方法在機器人行進過程中始終保持對機器人的三點支撐，類似于足式機器人的控制特點，穩定性好，能夠在非結構環境下穩定行走；大腿同一方向上的連續轉動驅動機器人行進，類似于輪式機器人控制的特點，行進速度快；行進過程中腿部狀態僅有擺動態和支撐態兩種狀態， 驅動電機的運動規劃簡單，便于控制的實現。5、本發明采用基于三角步態運動的前向鉆孔控制和基于六腿支撐的擴孔控制相結合的掘進控制方法，利用機器人鉆土頭部的轉動，配合腿部和腰部的動作，能夠實現機器人在廢墟中的掘進，無需專門的掘進結構，且掘進效率高。6、本發明采用五腿支撐單腿順序輪流撥土的控制方式，五腿支撐使機器人穩定性高，單足撥土范圍可調，撥土效果好。
圖1為本發明的總體結構示意圖2為本發明機器人剖面圖3為本發明機器人腿部組成示意圖4a、圖4b為本發明機器人不同腿長的調整示意圖5為本發明機器人腰部結構示意圖6為本發明機器人行進中髖關節轉角規劃圖7為本發明機器人行進過程中髖關節轉角控制方框圖
圖8為本發明機器人掘進控制流程圖9為本發明機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機器人包括有錐形鉆土頭部1、圓柱形的前體節2、圓柱形的后體節3，其中，前體節2和后體節3通過能夠在平面上轉動的腰部4相連接；在前體節2和后體節3的兩側對稱設置有各支腿，各支腿包括位于前體節2兩側的左前腿如和右前腿恥、位于后體節3兩側的左中腿5c、右中腿5d、左后腿k和右后腿5f，各支腿通過由轉動副構成的髖關節與所述前體節2或后體節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2的前端。機器人六腿在體節兩側呈對稱分布，并且腿的長度大于體節的高度，這種形式使得機器人運動時不分“上下”和“前后”，機器人發生傾覆后，只需改變部分控制參數仍然能夠繼續行進。參見圖3，本實施例中礦難救災機器人的支腿結構設置為連接在髖關節上的為大腿6，大腿通過膝關節連接小腿7，膝關節是以大腿的下半部分為機架8，以小腿的頂端為連桿9，在機架8與連桿9之間分別連接有搖桿10和曲柄11，構成曲柄搖桿機構；曲柄搖桿機構中與大腿末端相連的曲柄11是由膝關節驅動電機12驅動的原動桿。曲柄搖桿機構組成的膝關節中原動桿同一方向上的連續轉動帶動小腿的前后往復擺動，進而帶動弧面足部撥土，膝關節驅動電機的等速轉動轉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，足部負載變大，此時足部擺動速度變慢，撥土力矩增大，當撥土到位后足部負載迅速減小，此時利用曲柄搖桿機構的急回特性，足部快速擺動，這種結構和運動特性允許用較小功率的膝關節驅動電機實現順利撥土。通過調整膝關節原動桿的角度可以進行腿長調整，如圖如和圖4b所示，腿長指的是從髖關節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機器人腰部結構設置包括原動齒輪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3固定連接，從動齒輪軸 18與前體節2固定連接，原動齒輪13是由固定設置在上固定板15上的腰部驅動電機19驅動。這一結構形式能使前體節在腰部驅動電機的驅動下在水平面內左右擺動，在腰部驅動電機鎖死后，前體節和后體節之間近似為剛性連接，前后體節成為一個整體。機器人行進控制方法的基本原理是采用基于三角步態的行進控制方式，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，各支腿在髖關節驅動電機20的驅動下進行轉動；支腿轉動至足底部與地面接觸的狀態為支撐態，足底部離開地面的狀態為擺動態；所述左三角和右三角交替呈擺動態和支撐態； 任一時刻至少有一個三角處于支撐態，同一三角中的三條支腿在同一時刻進入支撐態或擺動態。圖6為三角步態行進方式下髖關節轉動角度規劃圖，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， 即支撐態和擺動態，處于支撐態的腿起驅動機器人運動的作用。任一時刻，至少有一個三角處于支撐態，以保證機器人的穩定性。各腿的控制向量u包含四個參數t。、ts、c5s* Δ Φ3, 其中t。為任一三角處于支撐態和擺動態的總時間，ts為支撐態的時間，為支撐態時腿轉過的角度，擺動態時腿轉過的角度為2 π -Φ3，ΔΦ3為位于機器人左側腿在驅動狀態時轉過的角度與位于機器人右側腿在驅動狀態時轉過的角度之差。各參數在控制中的作用分別為t。控制機器人的運動速度，t。越小行進速度越大，反之行進速度越小；ts控制支撐態的
時間，機器人穩定行走要求G 。3控制支撐態時腿轉過的角度，越大則機器人行進
過程中重心起伏越大，反之起伏越小；Δ 控制機器人行進過程中的轉彎，Δ Φ3的符號和大小分別控制轉彎方向和轉彎幅度。通過調整各腿控制參數能夠實現機器人的直線運動、 原地轉彎運動和行進中轉彎運動。a.直線運動。直線運動時Δ = 0，各腿轉動方向相同。b.原地轉彎。原地轉彎時Δ = 0，位于身體左側和右側的腿轉動方向相反。C.行進中轉彎。行進中轉彎時ΔΦ3#0，當ΔΦ3>0時向右轉彎，反之向左轉彎，轉彎幅度由I Δ Φ3決定，I Δ φ3|越大轉彎幅度越大，即轉彎半徑越小。機器人行進過程中由于受到環境的干擾，各髖關節轉動的角度會與規劃出的角度產生誤差，隨著累誤差不斷積累，最終會導致各腿相位和速度失調，機器人失去穩定性。為了保證機器人步態穩定，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節的轉角Φ，并與各髖關節的期望轉角Od進行比較，從而得到各髖關節的轉角誤差Φ e，根據此誤差及其微分對膝關節驅動電機進行控制。
圖7為機器人行進過程中髖關節轉角控制方框圖，其中PD控制器的控制參數，即比例系數和微分系數通過試驗的手段離線獲取，也可以通過機器學習方法進行在線獲取， 以進行自適應控制。參見圖8，機器人掘進控制按如下過程進行a、基于三角步態運動的前向鉆孔控制過程機器人以三角步態前向運動，同時鉆土頭部1由頭部驅動電機21驅動旋轉，當達到給定的掘進量時，停止前向運動，調整機器人的左三角和右三角均為支撐態；b、基于六腿支撐的擴孔控制過程前體節2相對于后體節3在腰部驅動電機19的驅動下左右擺動，通過改變各支腿的角度調整機器人的俯仰角，進而使鉆土頭部上下運動， 鉆土頭部1的轉動配合其左右擺動和上下運動，使機器人鉆出截面較大的孔洞，便于機器人通過。基于六腿支撐的擴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進行左右方向上的鉆土，上述過程多次反復后實現擴孔；b、鉆土頭部左右方向上保持在某一位置上進行上下擺動，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進行上下方向上的鉆土，上述過程多次反復后實現擴孔；C、鉆土頭部上下和左右方向上同時擺動實現擴孔。前兩種控制方式簡單、易于實現，但擴孔效率較低；第三種控制方式運動規劃復雜，對控制的實時性要求高，但擴孔效率高。本實施例中具有掘進功能的礦難救災機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，在機器人掘進過程結束后，調整為五條支腿支撐狀態，另外一條腿為撥土腿，撥土腿的大腿靜止，小腿7在膝關節驅動電機12的驅動下帶動弧面足往復擺動，實現向后方撥土。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。機器人整體運動控制流程如圖9所示，控制系統啟動后，首先進行自檢，自檢通過后進行任務模式的選擇，若選擇行走模式，則機器人進入本體行走控制模式；若選擇掘進模式，則機器人進入掘進控制模式，無論在何種模式下，當機器人接收到停止指令后，則電機下電。當機器人自檢不通過時，則驅動電機系統立即下電。
權利要求
1.一種具有掘進功能的礦難救災機器人，其特征在于包括錐形鉆土頭部(1)、圓柱形的前體節( 和圓柱形的后體節(3)，所述前體節( 和后體節C3)通過能夠在平面上轉動的腰部(4)相連接；在所述前體節( 和后體節( 的兩側對稱設置有各支腿，所述各支腿包括位于前體節( 兩側的左前腿(5a)和右前腿( )、位于后體節C3)兩側的左中腿 (5c)、右中腿(5d)、左后腿(5e)和右后腿(5f)，所述各支腿通過由轉動副構成的髖關節與所述前體節( 或后體節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O)的前端。
2.根據權利1所述的具有掘進功能的礦難救災機器人，其特征在于所述支腿的結構設置為連接在所述髖關節上的為大腿(6)，所述大腿通過膝關節連接小腿(7)，所述膝關節是以所述大腿的下半部分為機架(8)，以小腿的頂端為連桿(9)，在所述機架(8)與連桿(9) 之間分別連接有搖桿(10)和曲柄(11)，構成曲柄搖桿機構；所述曲柄搖桿機構中與大腿末端相連的曲柄(11)是由膝關節驅動電機(1 驅動的原動桿。
3.根據權利要求1所述的具有掘進功能的礦難救災機器人，其特征在于所述腰部結構設置包括原動齒輪(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(3)固定連接，從動齒輪軸(18)與前體節O)固定連接，所述原動齒輪(1 是由固定設置在上固定板(1 上的腰部驅動電機(19)驅動。
4.一種權利要求1所述的具有掘進功能的礦難救災機器人的行進控制方法，其特征在于采用基于三角步態的行進控制方式，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，各支腿在髖關節驅動電機 (20)的驅動下進行轉動；支腿轉動至足底部與地面接觸的狀態為支撐態，足底部離開地面的狀態為擺動態；所述左三角和右三角交替呈擺動態和支撐態；任一時刻至少有一個三角處于支撐態，同一三角中的三條支腿在同一時刻進入支撐態或擺動態。
5.權利要求1所述的具有掘進功能的礦難救災機器人的掘進控制方法，其特征在于按如下過程進行a、基于三角步態運動的前向鉆孔控制過程機器人以三角步態前向運動，同時鉆土頭部(1)由頭部驅動電機驅動旋轉，當達到給定的掘進量時，停止前向運動，調整機器人的左三角和右三角均為支撐態；b、基于六腿支撐的擴孔控制過程前體節( 相對于后體節( 在腰部驅動電機(19) 的驅動下左右擺動，通過改變各支腿的角度調整機器人的俯仰角，進而使鉆土頭部上下運動，鉆土頭部的轉動配合其左右擺動和上下運動，使機器人鉆出截面較大的孔洞，便于機器人通過。
6.權利要求1所述的具有掘進功能的礦難救災機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，在機器人掘進過程結束后，調整為五條支腿支撐狀態，另外一條腿為撥土腿，撥土腿的大腿靜止，小腿(7)在膝關節驅動電機(1 的驅動下帶動弧面足往復擺動，實現向后方撥土。
全文摘要
本發明公開了一種具有掘進功能的礦難救災機器人，其特征在于包括錐形鉆土頭部、圓柱形前體節和圓柱形后體節，前體節和后體節通過能夠在平面上轉動的腰部相連接；在前體節和后體節的兩側對稱設置有各支腿，各支腿通過由轉動副構成的髖關節與前體節或后體節相連接，各支腿的末端為弧面足部；錐形鉆土頭部固連在前體節的前端。本發明可以根據空間大小調整腿長，環境適應能力；能夠在土堆、廢墟等介質中通過鉆頭松土和足部撥土配合實現掘進功能。該機器人能夠輔助用于礦難救災、野外探險等危險任務。
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 優先權日2011年11月21日
發明者馮勇, 孫建, 孫玉蘋, 孫玉香, 張強, 曹會彬, 武遵, 王以俊, 葛運建 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院