1.本发明属于自动化森林防火监测技术领域，具体涉及一种适应在森林地区执行无人化巡检任务的可动态重构躯体的八足特种机器人。
背景技术：2.森林火灾是一种突发性强、破坏力大、对森林生态系统和人类都具有巨大破坏力的自然灾害，是破坏森林的三大自然灾害之首。由于林区地形复杂多变，地面不同于城市道路，灌木丛、沟壑、斜坡等地形环境会严重影响消防机器人的行走效率。大部分森林防火设备在行进过程中的越障能力都较低，存在越障困难问题，不适合在林区复杂地形行进。由于森林防火监测设备匮乏，导致森林火灾未能得到及时可靠地预防，而人工监测不易实现且成本较高。目前对城市火灾救援作业设备研究较多，对森林火灾领域防火设备的研究甚少，发展自动化森林防火监测装备具有重大的意义。
3.多足步行机器人特别是八足机器人有着超强的环境适应能力，同时对地面破坏小、灵活度高，而且其冗余结构也保证了在一条甚至多条腿失去运动能力的情况下同样保证稳定的行走。随着腿的数目增加,步态的种类也明显增加，而步态的结构又决定了机器人对地形的适应性，所以机器人腿的数目是非常重要的机械设计参数。腿数目的增加虽然可以取得速度与功能上的优势，但却以腿部的协调与控制的复杂度的增大为代价。由于森林的地形环境复杂多变，消防机器人作业过程中，需要具备穿过沟壑、灌木丛和翻越山坡等功能，对运动机构的通过性、平稳性和机动性具有较高的要求，且机器人腿部在复杂地形下长时间运动，极易受到破坏进而造成运动失衡甚至失效，导致多足特种机器人在林区运动方面存在诸多局限性。
4.对于林地作业任务，现有的八足特种机器人针对森林环境的适应性较弱，存在以下问题：
5.1.现有八足机器人的腿分布多采用以躯体为中心对称或镜像对称分布的设计方案以降低腿数目增加带来的控制难度，可一旦出现任何腿发生故障或失去控制的情况，将会导致机器人躯体两侧的运动能力不一致进而造成运动不平衡甚至失去行动能力。如公开号为cn108382485a，名称为“一种可自断足的充气式软体足爬行机器人”的专利。虽然该专利可通过主动断足功能降低故障足对运动的干扰并依赖其它足继续完成任务，但它只适用于一条腿失去行动力时的情况；当多条腿发生故障，特别是失效腿集中在机器人躯体的同一侧时，机器人两侧严重不对等的运动能力将会导致机器人在运动时发生倾覆。
6.2.目前多足机器人运动控制系统大多是基于对称分布的运动足设计的，因此八足机器人会出现在少量运动足失效，运动硬件功能仍然完整情况下由于预设的运动控制系统与硬件冲突而导致机器人失去运动能力；而失效足出现位置的不确定性又极大增加了设计多套运动控制系统的复杂性与成本。
7.3.现有的八足机器人作业环境主要为人们无法到达或长时间工作的区域如太空、火山、雷区、森林等，完成高危险性的特种作业任务。当机器人发生故障后，即使后续对故障
机器人进行回收，但长期暴露在恶劣的自然环境中，机器人缺少对自身的保护，核心部件将会遭到破坏，导致多足机器人的应用成本过高。
技术实现要素：8.为了克服上述问题，本发明提出同时解决上述多种问题的可动态重构躯体的八足特种机器人。
9.本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种可动态重构躯体的八足特种机器人，所述八足特种机器人由核心模块、防护模块与八组运动模块组成；所述核心模块由基座、内旋转机构、外旋转机构以及主轴组成；所述基座内设计有电动连接螺栓与升降机构，所述电动螺栓可对运动模块进行重复连接、解锁；所述升降机构可使运动模块沿主轴轴向上下运动；所述内旋转机构位于基座上方，配合电动连接螺栓可带动运动模块绕主轴进行任意角度旋转；所述外旋转机构安装于内旋转机构外侧，既可配合内旋转机构同步旋转调整运动模块位置也可独立绕主轴旋转，固定运动模块；
10.所述防护模块由底座、下升降平台、推杆、上升降平台、活动外壳以及连接杆组成；所述底座安装于基座外侧，用于保护基座；所述下升降平台安装于外旋转机构上方将防护模块与核心模块固连；所述上升降平台通过连接杆与活动外壳连接，通过上升降平台的垂直运动可实现活动外壳的展合；所述推杆用于连接上、下升降平台并控制上升降平台的升降运动；所述活动外壳安装于上升降平台外侧，当活动外壳闭合时，与底座形成密闭防护空间，降低外界环境对核心模块内部件的影响；
11.所述运动模块由机械腿与末端执行器组成，所述机械腿为五自由度机构，拥有四个转动副与一个移动副，通过电动连接螺栓与基座连接；所述末端执行器为四爪机构，通过法兰与机械腿连接，可配合机械腿完成机器人的行走、支撑、抓取功能；
12.优选的，在机器人执行巡检任务过程中，当所述运动模块发生故障失效或受地形限制无法移动时，基座上的与运动模块相连的电动连接螺栓旋转后退，主动解除基座与机械腿的连接，然后通过控制与核心模块仍保持连接的其它运动模块进行运动，使失效足与机器人分离，保障机器人运动不被失效足影响。
13.优选的，在机器人执行巡检任务过程中，待失效足与机器人完全分离后，核心模块将控制基座内的电动连接螺栓与升降机构，同时利用上旋转机构重新调整其余运动模块在基座上的位置，使与基座相连的所有运动模块相对机器人躯体始终保持中心对称或镜像对称，避免机器人运动失衡。
14.优选的，当机器人执行巡检任务时，所述八组运动模块在核心模块的控制下，在运动过程中可针对地形变化进行多种形态的位姿变换，组成不同的步进结构以适应森林环境内的复杂路况。
15.优选的，在机器人执行巡检任务过程中，当机器人发现火源预警后无法及时撤离或遭遇紧急情况无法继续完成任务时，所述机械腿与基座连接的连杆处设计有爆炸螺栓，可利用爆炸螺栓迅速将所有机械腿与基座分离后启动防护模块，合拢活动外壳，形成密闭防护空间，保护核心模块。
16.优选的，所述防护模块在机器人正常工作时保持待命状态，即活动外壳处于展开状态，避免影响核心模块内传感器与外界环境的信息交流。
17.本发明的有益效果是：
18.1.针对背景技术提出的第1点，本发明利用电动连接螺栓实现机械腿与基座可重复连接解锁功能来解决该问题。通过安装在基座上的升降机构配合上旋转机构，由电动连接螺栓控制机械腿与基座、上旋转机构进行动态连接，随时调整机械腿相对基座的位置。这样机器人在运动过程中无论基座上任何方位的运动模块发生故障，在核心模块主动断开与失效足的连接后，可将其余运动模块的位置重新调整为相对基座中心对称或镜像对称，保证机器人以均衡的运动能力进行稳定移动；同时，本发明可在八组运动模块中任意四组失效的极端情况下，将剩余四组运动模块配合核心模块重构为四足机器人，极大提高了八足机器人在森林环境下的生存能力。
19.2.针对背景技术提出的第2点，本发明通过采用主动调整机械腿相对位置的方式来解决该问题。只需为机器人预设八足、六足、四足三套步态控制系统，在部分机械腿失效后，可动态调整其余机械腿的位置以适配预设的运动控制方案。既保证了机器人在作业过程中运动系统软、硬件的协调同时又大大简化了运动控制系统的设计。
20.3.针对背景技术提出的第3点，本发明设计以活动外壳为核心的防护模块来解决该问题。当机器人在作业过程中发生故障完全失去行动能力或遭遇火情时，可主动放弃所有运动模块，启动防护模块形成以核心模块区域为中心的密闭保护空间，避免核心模块的内的重要零部件被进一步破坏便于后续回收循坏利用，降低特种机器人的应用成本。
21.注：上述设计不分先后，每一条都使得本发明相对现有技术具有区别和显著的进步。
附图说明
22.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
23.图1是本发明整体结构示意图；
24.图2是本发明核心模块爆炸分解图；
25.图3是本发明防护模块爆炸分解图；
26.图4是本发明运动模块结构示意图；
27.图5是本发明运动模块与基座连接半剖示意图；
28.图6是本发明运动模块与内旋转机构连接半剖示意图；
29.图7是本发明防护模块工作原理全剖示意图；
30.图8是本发明防护模块启动后所形成密闭保护空间全剖示意图；
31.图9是本发明可实现的部分位姿形态示意图；
32.图中，附图标记如下：
33.1、核心模块2、防护模块3、运动模块4、外旋转机构5、内旋转机构6、主轴7、基座8、升降槽9、电动连接螺栓10、升降机构11、活动外壳12、连接杆13、上升降平台14、推杆15、下升降平台16、底座17、机械腿18、末端执行器19、爆炸螺栓20、螺纹孔21、法兰22、密封槽
具体实施方式
34.如图1～图4所示：一种可动态重构躯体的八足特种机器人，所述可动态重构躯体的八足特种机器人如图1所示由核心模块1、防护模块2以及八组运动模块3组成；所述核心
模块1结构如图2所示由基座7、内旋转机构5与外旋转机构4组成并通过主轴6进行连接，所述外旋转机构4上设计有升降槽8用于与防护模块2连接，所述内旋转机构5与所述基座7上均设计有电动连接螺栓9用于重复连接解锁运动模块3，且基座7上还安装有升降机构10可带动运动模块3整体沿主轴6的轴向上下运动；所述防护模块2如图3所示由活动外壳11、连接杆12、上升降平台13、推杆14、下升降平台15与底座16组成，所述活动外壳11通过连接杆12与上升降平台13固连，所述上升降平台13通过推杆14与下升降平台15进行连接，上升降平台13可在推杆14的作用下进行升降从而控制活动外壳11的扇叶展开与合拢，所述底座16包裹在基座7外侧对其进行保护并在活动外壳11处于合拢状态时与其配合形成封闭空间保护核心模块1；所述运动模块如图4所示由机械腿17与末端执行器18构成，所述机械腿17在与核心模块1连接的连杆处设计有螺纹孔20用于与基座7上的电动连接螺栓9进行连接，同时在该连杆前端还设计有爆炸螺栓19可在紧急情况下迅速将运动模块3自核心模块1上分离，所述末端执行器18通过法兰21与机械腿17连接，配合机械腿17完成八足机器人的行走、支撑、抓取功能。
35.机器人正常行走时机械腿17与核心模块1进行连接时的状态如图5所示，基座7上的电动连接螺栓9旋转进入机械腿17内的螺纹孔20内，将机械腿17与基座7通过螺纹固连。当图5中的机械腿17发生故障或陷入地形导致机器人无法移动时，基座7上的两个电动连接螺栓9旋转后退，主动解除基座7与机械腿17的连接，然后通过控制与核心模块1仍保持连接的其它运动模块3进行运动，使失效足与机器人分离，保障机器人运动不被失效足影响。
36.当需要对运动模块3的位置进行调整时，如图6所示，首先基座7上的电动连接螺栓9退回基座7内断开与运动模块3的连接；然后，升降机构10带动运动模块3沿主轴6轴向上升至机械腿17末端的螺纹孔20与内旋转机构5上的电动连接螺栓9对齐后停止后，内旋转机构5上的电动连接螺栓9旋转进入机械腿17末端的螺纹孔20，完成内旋转机构5与机械腿17的连接；然后，升降机构10上的电动连接螺栓9退回槽内，断开机械腿17与升降机构10的连接，此时运动模块3与基座7的连接完全断开，只与内旋转机构5固连；最后，内旋转机构5与外旋转机构4同步运动带动运动模块3绕主轴6进行旋转，待机械腿17运动至目标位置上方时，位于此处下方的升降机构10升起，待升降机构10上的电动连接螺栓9对机械腿17进行连接后，内旋转机构5上的电动连接螺栓9退回槽内，断开机械腿17与内旋转机构5的连接，同时升降机构10带动运动模块3下降至机械腿17末端的螺纹孔20与基座7上的电动连接螺栓9对齐后，基座7上的电动连接螺栓9进入机械腿17末端的螺纹孔20内，将运动模块3如图5所示重新固定在基座7上。
37.当机器人遭遇特殊情况需要进行紧急避险时，首先激活所有机械腿17上的爆炸螺栓19，使所有运动模块3与机器人分离，此时机器人主体为核心模块1与防护模块2，如图7所示；然后，推杆14推动上升降平台13沿图7中箭头方向向上运动进而控制活动外壳11的扇叶合拢；最后，待活动外壳11的扇叶完全合拢后，位于外旋转机构4内升降槽8上方的下升降平台15带动整个防护模块2向下运动至升降槽8的底部，将活动外壳11的扇叶插入底座16上的密封槽22内，最终形成如图8所示的由内部自锁的密闭空间，避免核心模块1暴露在外界环境下受到破坏。
38.在机器人正常行走期间，可依据地形利用上述功能动态调整运动模块3在基座7上的相对位置实现如图9所示的多种位姿形态，以适配不同的步态控制策略，从而实现八足机
器人在复杂地形下平稳、快速的移动。
39.上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。
技术特征：1.一种可动态重构躯体的八足特种机器人，其特征在于：所述八足特种机器人由核心模块、防护模块与八组运动模块组成；所述核心模块由基座、内旋转机构、外旋转机构以及主轴组成；所述基座内设计有电动连接螺栓与升降机构，所述电动螺栓可对运动模块进行重复连接、解锁；所述升降机构可使运动模块沿主轴轴向上下运动；所述内旋转机构位于基座上方，配合电动连接螺栓可带动运动模块绕主轴进行任意角度旋转；所述外旋转机构安装于内旋转机构外侧，既可配合内旋转机构同步旋转调整运动模块位置也可独立绕主轴旋转，固定运动模块；所述防护模块由底座、下升降平台、推杆、上升降平台、活动外壳以及连接杆组成；所述底座安装于基座外侧，用于保护基座；所述下升降平台安装于外旋转机构上方将防护模块与核心模块固连；所述上升降平台通过连接杆与活动外壳连接，通过上升降平台的垂直运动可实现活动外壳的展合；所述推杆用于连接上、下升降平台并控制上升降平台的升降运动；所述活动外壳安装于上升降平台外侧，当活动外壳闭合时，与底座形成密闭防护空间，降低外界环境对核心模块内部件的影响；所述运动模块由机械腿与末端执行器组成，所述机械腿为五自由度机构，拥有四个转动副与一个移动副，通过电动连接螺栓与基座连接；所述末端执行器为四爪机构，通过法兰与机械腿连接，可配合机械腿完成机器人的行走、支撑、抓取功能。2.根据权利要求1所述的一种可动态重构躯体的八足特种机器人，其特征在于：在机器人执行巡检任务过程中，当所述运动模块发生故障失效或受地形限制无法移动时，基座上的与运动模块相连的电动连接螺栓旋转后退，主动解除基座与机械腿的连接，然后通过控制与核心模块仍保持连接的其它运动模块进行运动，使失效足与机器人分离，保障机器人运动不被失效足影响。3.根据权利要求1所述的一种可动态重构躯体的八足特种机器人，其特征在于：在机器人执行巡检任务过程中，待失效足与机器人完全分离后，核心模块将控制基座内的电动连接螺栓与升降机构，同时利用上旋转机构重新调整其余运动模块在基座上的位置，使与基座相连的所有运动模块相对机器人躯体始终保持中心对称或镜像对称，避免机器人运动失衡。4.根据权利要求1所述的一种可动态重构躯体的八足特种机器人，其特征在于：当机器人执行巡检任务时，所述八组运动模块在核心模块的控制下，在运动过程中可针对地形变化进行多种形态的位姿变换，组成不同的步进结构以适应森林环境内的复杂路况。5.根据权利要求1所述的一种可动态重构躯体的八足特种机器人，其特征在于：在机器人执行巡检任务过程中，当机器人发现火源预警后无法及时撤离或遭遇紧急情况无法继续完成任务时，所述机械腿与基座连接的连杆处设计有爆炸螺栓，可利用爆炸螺栓迅速将所有机械腿与基座分离后启动防护模块，合拢活动外壳，形成密闭防护空间，保护核心模块。6.根据权利要求1所述的一种可动态重构躯体的八足特种机器人，其特征在于：所述防护模块在机器人正常工作时保持待命状态，即活动外壳始终处于展开状态，避免影响核心模块内传感器与外界环境的信息交流。
技术总结本发明公开了一种适用于森林火灾预警的可动态重构躯体的八足特种机器人，包括核心模块、防护模块以及运动模块；核心模块内设计有电动连接螺栓与升降机构，实现对运动模块的圆柱副连接；防护模块在机器人遇险时启动，形成内部自锁的密闭防护空间以保护核心模块；运动模块由机械腿与末端执行器组成，完成机器人的行走、抓取功能；本发明通过运用电动连接螺栓，实现对机械足的重复连接及解锁，不仅可在机器人运动时随时调整八足的位置分布以应对复杂的林地路况，还能在最多任意四条机械足失效后，主动将失效足自核心模块分离，并且调整剩余足的位置使机械足相对躯体分布始终保持中心对称或镜像对称，极大提高了特种机器人在森林环境下的生存能力。林环境下的生存能力。林环境下的生存能力。
技术研发人员：刘鑫 邓宇 李飞虎 周振华 胡林 刘凯
受保护的技术使用者：长沙理工大学
技术研发日：2022.07.19
技术公布日：2022/11/1
