一种面向受限空间下微小型搜救装备高柔性蛇形模块

1.本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种面向受限空间下微小型搜救装备高柔性蛇形模块。


背景技术：

2.当地震，泥石流等自然灾害发生后会导致建筑倒塌，使被困人员处在危险狭小境地，急需救援，然而一些救援现场由于救援空间小，地况环境复杂。一般情况下救援人员和大型救援设备无法通过，而且由于地质情况复杂，又不容许将通道扩大，此时无法及时通过常规的方法对被困人员进行搜救。因此需要借助微小型生命搜救装备对灾区环境进行探测，为后续救援工作提供重要信息，提高救援工作效率。当下国内外小型救援机器人的研究取得了一定的进展，例如目前的仿生蛇形机器人在小型救援中应用是非常广泛的。但是还存在一些缺陷和不足：1、大多蛇形机器人结构尺寸过大是难以通过较小的受限空间，导致运动效果不理想，要想达到理想的运动效果，就需要实现蛇形机器人小型化。
3.2、当建筑发生倒塌需要对被困人员进行搜救时，要考虑环境的复杂性，目前的蛇形机器人蛇形关节一般采用刚性传动模块，不易通过复杂狭小空间。
4.现有技术中缺乏能够自动适应狭小受限空间中救援的微小型搜救装备模块。


技术实现要素：

5.本发明针对在受限空间中对被困人员进行搜救，提供一种适用于面向受限空间下微小型生命搜救装备的高柔性蛇形模块，其结构尺寸和自身质量相对较小和柔性传动可适应复杂环境，以解决上述背景技术中提到的问题。
6.本发明按以下技术方案实现：一种面向受限空间下微小型搜救装备高柔性蛇形模块，包括：用于保护内部零件的外壳；连接架，位于所述壳体外部，与所述外壳的尾端相铰接，用于实现外壳在受限空间下的大角度摆动；安装在所述外壳中的驱动结构，其包括电机和柔性传动结构，外壳在受限空间产生形变，柔性传动结构随之发生偏航和俯仰方向的相对转动后，柔性传动结构中的传动齿轮始终处于啮合状态。
7.在一些实施例中，所述外壳包括刚性外壳和柔性外壳；所述刚性外壳与柔性外壳相互间隔安装，使用金属片包裹在柔性外壳与刚性外壳的连接处。
8.在一些实施例中，所述柔性传动结构包括m个u型支架和m-1个方型支架，m为不小于1的整数；相连两个u型支架之间通过一个方型支架进行活动连接，在每一个u型支架的两侧均安装有一个异形齿轮和与之相啮合的直齿轮，且相邻两个u型支架之间的齿轮通过轴进行传动，在u型支架与方型支架转动的过程中，异形齿轮和直齿轮终处于啮合状态，实现
其在偏航方向和俯仰方向的转动。
9.在一些实施例中，第一个u型支架中的异型齿轮安装在电机输出轴上，第一个u型支架的一端与电机外壳上的安装架相连，两者之间能够发生在水平方面的相对转动；第一个u型支架的另一端与第一方形支架的一端相连，两者之间能够发生在垂直方向的转动；第一方形支架的另一端与第二u型支架的一端相连，两者之间能够发生在水平方面的相对转动；第一个u型支架中的直齿轮通过轴与第二个u型支架中的异型齿轮相连；第二个u型支架的另一端与第二方形支架的一端相连，两者之间能够发生在垂直方向的转动；第二方形支架的另一端与第三u型支架的一端相连，两者之间能够发生在水平方面的相对转动；第二个u型支架中的直齿轮通过轴与第三个u型支架中的异型齿轮相连；以此类推，能够完成第m个u型支架和第m-1个方型支架之间的连接；第m个u型支架与外壳相连。
10.在一些实施例中，电机外壳上的安装架与u型支架之间通过销轴和第一限位块连接，通过第一限位块与u型支架上的轨迹槽配合实现u型支架在水平方面进行预设角度的相对转动；u型支架与方形支架之间一方面通过销轴和第一限位块连接，通过第一限位块与u型支架上的轨迹槽配合实现u型支架在水平方面进行预设角度的相对转动；u型支架与方形支架之间另一方面通过第二限位块连接，通过第二限位块与方形支架上的轨迹槽配合实现u型支架在垂直方向进行预设角度的相对转动。
11.在一些实施例中，所述轴的一端贯穿u型支架中的直齿轮后通过轴承转动支撑在u型支架上，轴与直齿轮为过盈配合；所述轴的另一端贯穿方形支架中的异型齿轮后通过轴承转动支撑在方型支架上，轴与异型齿轮为过盈配合；通过其中一个u型支架中异型齿轮转动带动与之啮合的直齿轮，该直齿轮能够带动与之同轴上的另一个u型支架中的异型齿轮转动，从而实现相邻两个u型支架之间的齿轮之间的动力传输。
12.在一些实施例中，所述驱动结构还包括多个弹性部件，电机和柔性传动结构均通过多个弹性部件与外壳的内壁相连，使得电机和柔性传动结构不与外壳进行接触。
13.在一些实施例中，所述连接架由主轴和u型外壳组成；所述主轴连接在外壳的尾部，两者之间间隙配合，所述主轴以可拆卸的方式安装在u型外壳中。
14.在一些实施例中，所述外壳的尾端为t型结构，所述外壳的水平部穿入在u型外壳中，外壳的水平部端部设为圆弧过渡端，所述主轴穿入在u型外壳和外壳的水平部中将两者连接在一起，且主轴与u型外壳之间为螺纹连接。
15.在一些实施例中，所述高柔性蛇形模块还安装有增加生命搜救装备的探测功能的红外摄像头和环境监测传感器。
16.本发明有益效果：与现有技术相比，本发明中的蛇形模块具有高柔性和微型化的特点，装备此蛇形模块的生命搜救装备柔性较高，能够在狭小受限空间下进行救援作业，具有一定的自适应环境性能。并且采用模块化设计，从而使模块的安装和拆卸简单便捷，提高其在实际环境下的应用性。
附图说明
17.附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图
仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
18.在附图中：图1为本发明的高柔性蛇形模块的整体结构示意图；图2为本发明的高柔性蛇形模块的壳体结构变形示意图；图3为本发明的高柔性蛇形模块的驱动结构示意图；图4为本发明的高柔性蛇形模块的连接架示意图；图5为本发明的高柔性蛇形模块的偏航柔性变形结构示意图；图6为本发明的高柔性蛇形模块的俯仰柔性变形结构示意图；图7为本发明的高柔性蛇形模块的驱动结构固定在外壳中结构示意图。
19.附图标识：1、刚性外壳，2、柔性外壳，3、电机，4、电机外壳，5-1、异形齿轮，5-2、异形齿轮，5-3异形齿轮，6、限位槽，7、销轴，8-1、u型支架，8-2、u型支架，8-3、u型支架，9-1、直齿轮，9-2、直齿轮，9-3直齿轮，10、方型支架，11、弹簧，12、主轴，13、u型外壳，14、轴承，15、轴。
20.需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
实施方式
21.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
22.在本发明的描述中，需要说明的是，术语
ꢀ“
上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
23.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
24.如图1所示，一种面向受限空间下微小型搜救装备高柔性蛇形模块，包括外壳、驱动结构和连接架；外壳用于保护内部零件；连接架位于壳体外部，与外壳的尾端相铰接，用于实现外壳在受限空间下的大角度摆动；驱动结构安装在外壳中，其主要由电机和柔性传动结构组成，外壳在受限空间产生形变，柔性传动结构随之发生偏航和俯仰方向的相对转动后，柔性传动结构中的传动齿轮始终处于啮合状态。本发明提供的一种面向受限空间下微小型搜救装备高柔性蛇形模块，解决狭小空间救援工作中存在的问题，进行及时救援，并能够提高救援工作效率，从而减少受灾人员和救援人员的伤亡数量。
25.以下给出上述实施例关于外壳的一优选实施例：如图2所示，外壳包括刚性外壳1和柔性外壳2，刚性外壳1起支撑保护电机3和内部重要零件的作用。刚性外壳1与柔性外壳2间隔安装，使用金属片紧固柔性外壳2与刚性外壳
1的连接处，使得蛇形模块不会出现外壳分离解体的情况。
26.以下给出上述实施例关于驱动结构的一优选实施例：如图3、图5、图6、图7所示，驱动结构包括电机3、柔性传动结构和弹簧11；电机3前端安装电机外壳4，电机外壳4通过弹簧11连接固定在刚性外壳1内部；柔性传动结构包括u型支架8-1、8-2、8-3、直齿轮9-1、9-2、9-3、异型齿轮5-1、5-2、5-3和方型支架10-1、10-2。
27.电机3输出轴上安装异形齿轮5-1，异形齿轮5-1与直齿轮9-1分别安装u型支架8-1的左右两侧，异形齿轮5-1与直齿轮9-1互相啮合，u型支架8-1与电机外壳4之间使用销轴7和限位块6连接，两者之间可以发生一定角度的相对转动。当u型支架8-1与电机外壳4发生相对转动时，异形齿轮5-1与直齿轮9-1始终处于啮合状态，实现其在偏航方向的转动。u型支架8-1与方形支架10-1通过限位块连接，两者之间可以发生相对转动。当u型支架8-1与方形支架10-1发生相对转动时，可实现其在俯仰方向的转动。直齿轮9-1与异形齿轮5-2通过轴15一体，轴15的一端贯穿u型支架8-1中的直齿轮9-1后通过轴承14转动支撑在u型支架8-1上，轴15与直齿轮9-1为过盈配合；轴15的另一端贯穿方形支架10-1中的异型齿轮5-2后通过轴承转动支撑在方型支架10-1上，轴15与异型齿轮5-2为过盈配合。异形齿轮5-2与直齿轮9-2分别安装u型支架8-2的左右两侧，异形齿轮5-2与直齿轮9-2互相啮合，u型支架8-2与方型支架10-1之间使用销轴7和限位块6连接，两者之间可以发生一定角度的相对转动。当u型支架8-2与方型支架10-1发生相对转动时，异形齿轮5-2与直齿轮9-2始终处于啮合状态，实现其在偏航方向的转动。u型支架8-2与方形支架10-2通过限位块连接，两者之间可以发生相对转动。当u型支架8-1与方形支架10-2发生相对转动时，可实现其在俯仰方向的转动。直齿轮9-2与异形齿轮5-3通过轴15一体，轴15的一端贯穿u型支架8-2中的直齿轮9-2后通过轴承14转动支撑在u型支架8-2上，轴15与直齿轮9-2为过盈配合；轴15的另一端贯穿方形支架10-2中的异型齿轮5-3后通过轴承转动支撑在方型支架10-2上，轴15与异型齿轮5-3为过盈配合。异形齿轮5-3与直齿轮9-3分别安装u型支架8-3的左右两侧，异形齿轮5-3与直齿轮9-3互相啮合，u型支架8-3与方型支架10-2之间使用销轴7和限位块6连接，u型支架8-3与刚性外壳1固定连接，u型支架8-3与方型支架10-2之间可以发生一定角度的相对转动。当u型支架8-3与方型支架10-2发生转动时，异形齿轮5-3与直齿轮9-3始终处于啮合状态，实现其在偏航方向的转动。
28.救援装备在探测过程中，碰到狭小受限空间整体会产生一定角度的弯曲，此时刚性外壳1之间的同轴心状态发生改变，电机3整体随刚性外壳1的状态变化产生微小的摆动，u型支架与方型支架同外壳之间发生偏航、俯仰，同时偏航和俯仰上的相对柔性转动变形，此时异形齿轮与直齿轮的啮合状态不变，确保生命搜救装备自动适应狭小空间。
29.以下给出上述实施例关于连接架的一优选实施例：如图4所示，连接架由主轴12和u型外壳13组成。主轴12主要是传递动力，实现u型外壳13结构的摆动。u型外壳13通过主轴12与刚性外壳1的配合，可实现从
±
90度的摆动，能够自适应狭小有限空间下的大角度摆动，从而使救援搜救设备继续前行。并且u型外壳13通过主轴12与刚性外壳1之间采用螺纹对接，从而使其模块安装拆卸简单便捷。
30.进一步的方案，在高柔性蛇形模块上加装红外摄像头、温湿度传感器、氧气浓度传感器等，增加生命搜救装备的探测功能，帮助救援人员掌握现场的受灾情况，并制定救援方案，在救援过程中实时监测，救援人员可以根据情况随机应变。
31.综上，本发明中的蛇形模块具有高柔性和微型化的特点，装备此蛇形模块的生命搜救装备越障能力强，运动速度较快，能够在狭小空间进行救援作业。采用模块化设计，可以根据现场需要增加或减少模块，并且模块的安装和拆卸简单便捷。
32.在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
33.此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包含的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合同样意味着处于本发明的保护范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的实施例中，本领域技术人员能够根据获知的技术方案和本技术所要解决的技术问题，以组合的方式来使用。
34.以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

技术特征：
1.一种面向受限空间下微小型搜救装备高柔性蛇形模块，其特征在于，包括：用于保护内部零件的外壳；连接架，位于所述壳体外部，与所述外壳的尾端相铰接，用于实现外壳在受限空间下的大角度摆动；安装在所述外壳中的驱动结构，其包括电机和柔性传动结构，外壳在受限空间产生形变，柔性传动结构随之发生偏航和俯仰方向的相对转动后，柔性传动结构中的传动齿轮始终处于啮合状态。2.根据权利要求1所述的一种面向受限空间下微小型搜救装备高柔性蛇形模块，其特征在于：所述外壳包括刚性外壳和柔性外壳；所述刚性外壳与柔性外壳相互间隔安装，使用金属片包裹在柔性外壳与刚性外壳的连接处。3.根据权利要求1所述的一种面向受限空间下微小型搜救装备高柔性蛇形模块，其特征在于：所述柔性传动结构包括m个u型支架和m-1个方型支架，m为不小于1的整数；相连两个u型支架之间通过一个方型支架进行活动连接，在每一个u型支架的两侧均安装有一个异形齿轮和与之相啮合的直齿轮，且相邻两个u型支架之间的齿轮通过轴进行传动，在u型支架与方型支架转动的过程中，异形齿轮和直齿轮终处于啮合状态，实现其在偏航方向和俯仰方向的转动。4.根据权利要求3所述的一种面向受限空间下微小型搜救装备高柔性蛇形模块，其特征在于：第一个u型支架中的异型齿轮安装在电机输出轴上，第一个u型支架的一端与电机外壳上的安装架相连，两者之间能够发生在水平方面的相对转动；第一个u型支架的另一端与第一方形支架的一端相连，两者之间能够发生在垂直方向的转动；第一方形支架的另一端与第二u型支架的一端相连，两者之间能够发生在水平方面的相对转动；第一个u型支架中的直齿轮通过轴与第二个u型支架中的异型齿轮相连；第二个u型支架的另一端与第二方形支架的一端相连，两者之间能够发生在垂直方向的转动；第二方形支架的另一端与第三u型支架的一端相连，两者之间能够发生在水平方面的相对转动；第二个u型支架中的直齿轮通过轴与第三个u型支架中的异型齿轮相连；以此类推，能够完成第m个u型支架和第m-1个方型支架之间的连接；第m个u型支架与外壳相连。5.根据权利要求4所述的一种面向受限空间下微小型搜救装备高柔性蛇形模块，其特征在于：电机外壳上的安装架与u型支架之间通过销轴和第一限位块连接，通过第一限位块与u型支架上的轨迹槽配合实现u型支架在水平方面进行预设角度的相对转动；u型支架与方形支架之间一方面通过销轴和第一限位块连接，通过第一限位块与u型支架上的轨迹槽配合实现u型支架在水平方面进行预设角度的相对转动；u型支架与方形支架之间另一方面通过第二限位块连接，通过第二限位块与方形支架上的轨迹槽配合实现u型支架在垂直方向进行预设角度的相对转动。
6.根据权利要求4所述的一种面向受限空间下微小型搜救装备高柔性蛇形模块，其特征在于：所述轴的一端贯穿u型支架中的直齿轮后通过轴承转动支撑在u型支架上，轴与直齿轮为过盈配合；所述轴的另一端贯穿方形支架中的异型齿轮后通过轴承转动支撑在方型支架上，轴与异型齿轮为过盈配合；通过其中一个u型支架中异型齿轮转动带动与之啮合的直齿轮，该直齿轮能够带动与之同轴上的另一个u型支架中的异型齿轮转动，从而实现相邻两个u型支架之间的齿轮之间的动力传输。7.根据权利要求1所述的一种面向受限空间下微小型搜救装备高柔性蛇形模块，其特征在于：所述驱动结构还包括多个弹性部件，电机和柔性传动结构均通过多个弹性部件与外壳的内壁相连，使得电机和柔性传动结构不与外壳进行接触。8.根据权利要求1所述的一种面向受限空间下微小型搜救装备高柔性蛇形模块，其特征在于：所述连接架由主轴和u型外壳组成；所述主轴连接在外壳的尾部，两者之间间隙配合，所述主轴以可拆卸的方式安装在u型外壳中。9.根据权利要求8所述的一种面向受限空间下微小型搜救装备高柔性蛇形模块，其特征在于：所述外壳的尾端为t型结构，所述外壳的水平部穿入在u型外壳中，外壳的水平部端部设为圆弧过渡端，所述主轴穿入在u型外壳和外壳的水平部中将两者连接在一起，且主轴与u型外壳之间为螺纹连接。10.根据权利要求1所述的一种面向受限空间下微小型搜救装备高柔性蛇形模块，其特征在于：所述高柔性蛇形模块还安装有增加生命搜救装备的探测功能的红外摄像头和环境监测传感器。

技术总结
本发明公开了一种面向受限空间下微小型搜救装备高柔性蛇形模块，包括外壳、驱动结构和连接架；外壳用于保护内部零件；连接架位于壳体外部，与外壳的尾端相铰接，用于实现外壳在受限空间下的大角度摆动；驱动结构安装在外壳中，其主要由电机和柔性传动结构组成，外壳在受限空间产生形变，柔性传动结构随之发生偏航和俯仰方向的相对转动后，柔性传动结构中的传动齿轮始终处于啮合状态。本发明提供的一种面向受限空间下微小型搜救装备高柔性蛇形模块，解决狭小空间救援工作中存在的问题，进行及时救援，并能够提高救援工作效率，从而减少受灾人员和救援人员的伤亡数量。受灾人员和救援人员的伤亡数量。受灾人员和救援人员的伤亡数量。


技术研发人员：唐超权 柏德恩 王思远 张锦龙 莫强忠 唐玮 唐鹏 周公博
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/8/13