CN112743531A - 一种蛇形机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蛇形机器人，包括蛇头、蛇形关节和蛇尾，所述蛇头和蛇尾之间通过多个蛇形关节串联连接，蛇形关节包括关节本体和空间并联机构，关节本体的驱动端铰接空间并联机构输入端，相邻之间的蛇形关节通过空间并联机构的输出端与关节本体的固定端铰接，蛇头与首个蛇形关节的空间并联机构的输出端铰接，蛇尾与末尾蛇形关节的关节本体的固定端连接，关节本体包括三组机架机构，空间并联机构包括三组连杆机构。本发明的优点在于，该蛇形机器人可以实现关节本体在任意角度上的三维摆动以及伸缩运动，进而实现该实现蛇形机器人的蜿蜒、蠕动等常规二维步态，也可完成攀爬、翻滚、抬头等三维步态，进而适应复杂的地形环境。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体为一种蛇形机器人。
背景技术
生物蛇具备很强的运动能力，可以在崎岖地面，柔软的沙漠，狭窄的缝隙和管道，树上甚至水下自由运动。蛇形机器人是一种模仿生物蛇形态及运动能力的一种特种机器人，一般来说蛇形机器人由多个关节连接组成，具有冗余自由度，通过多种运动步态，易适应各种非结构化环境，因此，蛇形机器人在救灾、反恐、空间探索等方面有很强的市场需求。
目前，具有三维运动能力的蛇形机器人，大多将每个关节的三维运动分解成摆动、俯仰、伸缩、甚至旋转等运动，然后利用这些运动的叠加耦合来实现蛇形关节的三维运动，例如中国发明专利公开号为CN105773594A公开了多模态刚柔复合蛇形机器人装置。这种间接实现三维运动的机构形式，虽然在某些步态运动上，已经能够达到自然界生物蛇的一些运动能力，但在适应复杂地形环境的运动能力却受到了很大的限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何提供一种能够适应复杂地形环境的蛇形机器人。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种蛇形机器人，包括蛇头、蛇形关节和蛇尾，所述蛇头和蛇尾之间通过多个蛇形关节串联连接。
所述蛇形关节包括关节本体和空间并联机构，所述关节本体的驱动端铰接所述空间并联机构输入端，相邻之间的蛇形关节通过空间并联机构的输出端与关节本体的固定端铰接，所述蛇头与首个蛇形关节的空间并联机构的输出端铰接，所述蛇尾与末尾蛇形关节的关节本体的固定端连接。
所述关节本体包括三组机架机构，三组机架机构沿蛇形关节轴向均匀分布，所述空间并联机构包括三组连杆机构，三组连杆机构沿蛇形关节轴向均匀分布，致使所述空间并联机构具有三个自由度，每组连杆机构的输入端对应的与所述机架机构的驱动端铰接。
该蛇形机器人可以实现关节本体在任意角度上的三维摆动以及伸缩运动，进而实现该实现蛇形机器人的蜿蜒、蠕动等常规二维步态，也可完成攀爬、翻滚、抬头等三维步态，进而适应复杂的地形环境。
优选地，所述机架机构包括机架、驱动器、主动轮、从动轮和皮带，所述机架上固定驱动器，所述驱动器的输出端连接主动轮，所述从动轮固定在连杆机构的输入端，所述主动轮和从动轮通过皮带连接，所述连杆机构的输入端铰接在机架顶部。
优选地，所述机架上还固定有能够涨紧同步带的涨紧机构。
优选地，所述机架外侧还固定有鳍片，用于减小蛇形关节与地面的摩擦力。
优选地，所述驱动器为驱动电机。
优选地，所述连杆机构包括铰接座、第一连杆、第二连杆和第三连杆，所述铰接座铰接固定在所述机架顶部，所述从动轮固定在铰接座上，所述铰接座远离机架的一端连接有能够圆周转动的第一连杆，所述第一连杆另一端铰接第二连杆，所述第二连杆远离第一连杆的一端连接有能够圆周转动的第三连杆，所述第三连杆的另一端铰接相邻蛇形关节上机架的底部。
优选地，所述第一连杆与所述铰接座以及第二连杆与第三连杆均是通过轴承连接。
优选地，所述机架和连杆机构均通过3D打印制作而成；不仅在保证结构强度的同时，相对于使用铝合金零部件，减少了蛇形机器人的自身重量70％，还能扩展了该蛇形机器人的运动能力；同时该蛇形机器人的结构复杂度和组装流程都有所降低，制造成本也相应减少。
优选地，所述关节本体上的三组机架机构通过固定环连接固定。
优选地，所述蛇头和蛇尾上均开设有安装腔体。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、该蛇形机器人可以实现关节本体在任意角度上的三维摆动以及伸缩运动，进而实现该实现蛇形机器人的蜿蜒、蠕动等常规二维步态，也可完成攀爬、翻滚、抬头等三维步态，进而适应复杂的地形环境。
2、通过鳍片的设置，可以减小蛇形关节与地面的摩擦力。
3、所述机架和连杆机构均通过3D打印制作而成，不仅在保证结构强度的同时，相对于使用铝合金零部件，减少了蛇形机器人的自身重量70％，还能扩展了该蛇形机器人的运动能力；同时该蛇形机器人的结构复杂度和组装流程都有所降低，制造成本也相应减少。
附图说明
图1为本发明实施例的一种蛇形机器人的结构示意图；
图2为本发明实施例蛇形关节的结构示意图；
图3为本发明实施例蛇形关节的局部示意图；
图4为本发明实施例连杆机构的结构示意图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参阅图1至图3，本实施例公开了一种蛇形机器人，包括蛇头1、蛇形关节2和蛇尾3，所述蛇头1和蛇尾3之间通过多个蛇形关节2串联连接。
所述蛇头1和蛇尾3上均开设有照明、摄像头、传感器、通讯以及控制器等器件的安装腔体(图中未示)。
所述蛇形关节2包括关节本体21和空间并联机构22，所述关节本体21的驱动端铰接所述空间并联机构22的输入端，相邻之间的蛇形关节2通过空间并联机构22的输出端与关节本体21的固定端铰接，所述蛇头1与首个蛇形关节2的空间并联机构22的输出端铰接，所述蛇尾3与末尾蛇形关节2的关节本体21的固定端连接。
所述关节本体21包括三组机架机构211、固定环212和鳍片213，三组机架机构211沿蛇形关节2轴向均匀分布，并通过固定环212进行固定定形状环状结构，所述机架结构211的外侧固定多个鳍片213，用于减小蛇形关节2与地面的摩擦力。
所述空间并联机构22包括三组连杆机构221，三组连杆机构221沿蛇形关节2轴向均匀分布，致使所述空间并联机构22具有三个自由度，所述连杆机构221的输入端对应的与所述机架机构211的驱动端铰接，所述连杆结构221的输出端与相邻间蛇形关节2上的机架机构211的固定端铰接。
由于空间并联机构22具有三个自由度，可以实现关节本体21在任意角度上的三维摆动以及伸缩运动，进而实现该实现蛇形机器人的蜿蜒、蠕动等常规二维步态，也可完成攀爬、翻滚、抬头等三维步态，能够适应复杂的地形环境。
所述机架机构211包括机架2111、驱动器2112、主动轮2113、从动轮2114、皮带2115和涨紧机构2116，所述机架2111开设有腔体用于固定驱动器2112，在本实施例中，所述驱动器2112为驱动电机，所述驱动器2112的输出端通过过盈配合连接主动轮2113，所述主动轮2113固定在连杆机构221的输入端，所述主动轮2113和从动轮2114通过皮带2115连接，所述机架2111的腔体内还固定有能够涨紧皮带2115的涨紧机构2116，所述连杆机构221的输入端铰接在机架2111顶部，所述鳍片213固定在所述机架2111的外侧；通过驱动所述驱动器2112，带动主动轮2113转动，从而通过皮带2115带动从动轮2114转动，进而带动所述连杆机构221在机架2111转动，使得连杆机构221在机架机构211上转动，实现连杆机构221的伸缩，进而实现关节本体21在任意角度上的三维摆动以及伸缩运动。
参阅图4，所述连杆机构221包括铰接座2211、第一连杆2212、第二连杆2213和第三连杆2214，所述铰接座2211铰接固定在所述机架2111顶部，所述从动轮2114固定在铰接座2211上，所述铰接座2211远离机架2111的一端连接有能够圆周转动的第一连杆2212，所述第一连杆2212另一端铰接第二连杆2213，所述第二连杆2213远离第一连杆2212的一端连接有能够圆周转动的第三连杆2214，所述第三连杆2214的另一端铰接相邻蛇形关节2上的机架2111的底部，通过从动轮2114的转动带动所述铰接座2211转动，进而带动连杆机构221上的第一连杆2212、第二连杆2213和第三连杆2214转动，实现了该连杆机构221的伸缩运动，另外，在不同环境下的蛇形关节2外侧会受到不同的摩擦力，进而会驱使关节本体21转动，由于第一连杆2212和第三连杆2214都是能够圆周转动的连接，使得该连杆机构221能够带动相邻的关节本体21转动，实现关节本体21之间的蠕动。
进一步的，所述第一连杆2212与所述铰接座2211以及第二连杆2213与第三连杆2214均是通过轴承连接。
在本实施例中，所述机架2111和连杆机构221上的铰接座2211、第一连杆2212、第二连杆2213和第三连杆2214均通过3D打印制作而成，不仅在保证结构强度的同时，相对于使用铝合金零部件，减少了蛇形机器人的自身重量70％，还能扩展了该蛇形机器人的运动能力；同时该蛇形机器人的结构复杂度和组装流程都有所降低，制造成本也相应减少。
本实施例的工作原理是：通过从动轮2114的转动带动所述铰接座2211转动，进而带动连杆机构221上的第一连杆2212、第二连杆2213和第三连杆2214转动，实现了该连杆机构221的伸缩运动，进而可以通过三组连杆机构221实现关节本体21在任意角度上的三维摆动以及伸缩运动，另外，在不同环境下的蛇形关节2外侧会受到不同的摩擦力，进而会驱使关节本体21转动，由于第一连杆2212和第三连杆2214都是能够圆周转动的连接，使得该连杆机构221能够带动相邻的关节本体21转动，实现关节本体21之间的蠕动，进而实现该实现蛇形机器人的蜿蜒、蠕动等常规二维步态，也可完成攀爬、翻滚、抬头等三维步态，能够适应复杂的地形环境。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上所述实施例仅表示发明的实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。
Claims (10)
1.一种蛇形机器人，其特征在于：包括蛇头、蛇形关节和蛇尾，所述蛇头和蛇尾之间通过多个蛇形关节串联连接；
所述蛇形关节包括关节本体和空间并联机构，所述关节本体的驱动端铰接所述空间并联机构输入端，相邻之间的蛇形关节通过空间并联机构的输出端与关节本体的固定端铰接，所述蛇头与首个蛇形关节的空间并联机构的输出端铰接，所述蛇尾与末尾蛇形关节的关节本体的固定端连接；
所述关节本体包括三组机架机构，三组机架机构沿蛇形关节轴向均匀分布，所述空间并联机构包括三组连杆机构，三组连杆机构沿蛇形关节轴向均匀分布，致使所述空间并联机构具有三个自由度，每组连杆机构的输入端对应的与所述机架机构的驱动端铰接。
2.根据权利要求1所述的一种蛇形机器人，其特征在于：所述机架机构包括机架、驱动器、主动轮、从动轮和皮带，所述机架上固定驱动器，所述驱动器的输出端连接主动轮，所述从动轮固定在连杆机构的输入端，所述主动轮和从动轮通过皮带连接，所述连杆机构的输入端铰接在机架顶部。
3.根据权利要求2所述的一种蛇形机器人，其特征在于：所述机架上还固定有能够涨紧同步带的涨紧机构。
4.根据权利要求2所述的一种蛇形机器人，其特征在于：所述机架外侧还固定有鳍片。
5.根据权利要求2所述的一种蛇形机器人，其特征在于：所述驱动器为驱动电机。
6.根据权利要求2所述的一种蛇形机器人，其特征在于：所述连杆机构包括铰接座、第一连杆、第二连杆和第三连杆，所述铰接座铰接固定在所述机架顶部，所述从动轮固定在铰接座上，所述铰接座远离机架的一端连接有能够圆周转动的第一连杆，所述第一连杆另一端铰接第二连杆，所述第二连杆远离第一连杆的一端连接有能够圆周转动的第三连杆，所述第三连杆的另一端铰接相邻蛇形关节上机架的底部。
7.根据权利要求6所述的一种蛇形机器人，其特征在于：所述第一连杆与所述铰接座以及第二连杆与第三连杆均是通过轴承连接。
8.根据权利要求6所述的一种蛇形机器人，其特征在于：所述机架和连杆机构均通过3D打印制作而成。
9.根据权利要求1所述的一种蛇形机器人，其特征在于：所述关节本体上的三组机架机构通过固定环连接固定。
10.根据权利要求1所述的一种蛇形机器人，其特征在于：所述蛇头和蛇尾上均开设有安装腔体。
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