CN101695833A - 叶片轮式蛇形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶片轮式蛇形机器人，它包括：叶片轮、机身、万向关节、电机；两个机身之间通过万向关节连接，多个机身串接在一起组成机器人的蛇身；每个机身内水平两侧各设置有一电机，在每个机身两侧各设置有一个叶片轮，电机与叶片轮传动连接。本发明的有益技术效果是：提供了一种越障能力强、地形适应能力强、结构简单的蛇形机器人。

Description

叶片轮式蛇形机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人技术，尤其涉及一种叶片轮式蛇形机器人。

背景技术

2000年以来，仿生机器人学正在机器人领域占有越来越重要的位置，蛇形机器人是近年来兴起的仿生机器人的一个分支。蛇形机器人就是一种模仿蛇的运动机理和行为方式研制出的仿生机器人，蛇形机器人在很多领域有广阔的应用前景。

蛇形机器人由于自身形状和运动方式的特点使其适于在狭小空间和狭长管道以及各种地面运动，它能够进入因地震或火灾等灾害而倒塌的建筑物内部以及原子反应堆和石油化工等领域的装置内部等人们不能涉足的危险场所执行搜寻和检测维护任务，不仅使人更安全，也使探测、救援或维护更有效；其模块化结构和高冗余度非常适应于条件非常恶劣而又可靠性要求高的战场、外层空间等环境，可用于战场上的扫雷，爆破，空间站的柔性机械手臂，通过能力很强的行星地表探测器等。

按照结构形式的不同，目前的蛇形机器人可以分为两类：

第1类是由刚性杆组成的链状结构，运动由关节之间的扭转作用产生，很多此类蛇形机器人安装了无动力的从动轮来增加运动速度；第2类是由带有轮子或者履带的模块串连而成，运动直接由轮子、履带驱动或其他机构产生，即前进依靠动力机构驱动，而不是关节的扭动。

如图1所示，日本的Hirose教授研制出的世界第一台蛇形机器人，其研制的另一种救援蛇形机器人如图2所示，该机器人长1.2米，由3节组成，用6个履带爬行。美国宇航局于1999年开始研究多关节的蛇形机器人，希望在其太空计划中用于行星地表探测以及空间站维护工作，其第三代蛇形机器人如图3所示，该机器人能完成蠕动、游动前进，翻越简单障碍物等功能。德国人Gavin.H从1997年开始从事蛇形机器人的研究工作，到目前为止共设计并制作了S1～S7七代蛇形机器人，图4为S5，图5为S7。S5已经达到相当高的水平，特点是：各个关节形状尺寸不同，高度模拟生物蛇；但只能在二维空间运动，无法在三维空间运动；依靠从动轮而不是摩擦运动，运动速度较高。挪威SINTEF研究基金会的波尔·利尔杰贝克等人日前研制成功了一种形似蟒蛇的消防机器人，这种被称为的“安娜·康达”(图6)的蛇形机器人长度为3米，重量约70公斤。该机器人的能量供给方式也非常奇特--它能够直接从消防水带中获取前进的动力，使得机器人能够像蛇一样移动。近年来，国内也开展了对蛇形机器人的研究工作，国防科大的RoboSnake(图7)是国内最早报道的蛇形机器人，最初为二维运动，依靠从动轮前进，长约1.5米，重约3Kg，目前发展为三维运动，但是依然使用从动轮。中国科学院沈阳自动化所开发出了一种实现三维空间运动的蛇形机器人(图8)，同样采用正交串联结构，可以完成蠕动前进、游动前进、滚转等运动。

对比以上各种蛇形机器人，目前的第1类和第2类蛇形机器人都具有各自的优缺点：

第1类蛇形机器人的优点是能够在平坦地面实现仿蛇运动，还能实现翻滚动作，卷住柱状物蜿蜒而上，穿上外衣能在水中游泳等；缺点是大多只能实现平面二维运动，而不能实现翻越障碍物等功能，适应自然环境运动的能力不强且控制复杂。

第2类蛇形机器人的优点是越障能力强，控制简单，但不易实现第1类蛇形机器人的某些动作。

发明内容

本发明提出了一种叶片轮式蛇形机器人，它包括：叶片轮、机身、万向关节、电机；两个机身之间通过万向关节连接，多个机身串接在一起组成机器人的蛇身；每个机身内水平两侧各设置有一电机，在每个机身两侧各设置有一个叶片轮，电机与叶片轮传动连接。

所述的万向关节可供选用的结构有两种：

第一种结构的万向关节，也可称为“两舵机联动驱动的关节”，它包括：两个舵机、两个横向锥齿轮、两个纵向锥齿轮、横向连接轴、纵向连接轴；横向连接轴沿纵向连接轴径向贯穿纵向连接轴，且横向连接轴和纵向连接轴的中轴线垂直相交；两个横向锥齿轮锥面相对套在横向连接轴上同轴转动连接，形成横向锥齿轮组；两个纵向锥齿轮锥面相对套在纵向连接轴上同轴转动连接，形成纵向锥齿轮组；横向锥齿轮组和纵向锥齿轮组之间相互啮合，形成四锥齿齿轮组；两个舵机分别驱动两个横向锥齿轮；沿机器人行进方向顺次相连的前、后两个机身，万向关节设置在后一机身的前端，两个舵机设置在后一机身内万向关节位置处的水平两侧；前一机身末端与纵向锥齿轮组下方的纵向锥齿轮底部固定；

第二种结构的万向关节，也可叫作“三自由度关节”，它由两个纵截面成“冂”型的连接片、滚珠轴承、两个复位弹簧和两个舵机组成；沿机器人行进方向顺次相连的前、后两个机身，前一机身术端和后一机身前端各设置有一舵机，其中一个舵机的动力输出轴与同一机身上的电机的动力输出轴平行，另一个舵机的动力输出轴的中心轴与机身水平面垂直；其中一个连接片按纵截面与机身水平方向垂直设置，形成纵向连接片，另一个连接片形成横向连接片；两个连接片的横梁上端面中部都开有孔，两个连接片横梁上端面相对，通过滚珠轴承在开孔处转动连接；横向连接片两侧的“冂”型转角处分别与一个复位弹簧的一端相连，两个复位弹簧的另一端都与纵向连接片上侧的“冂”型转角处连接，使两个连接片的纵截面在不受力状态时互相垂直；连接片下端的两个支架与机身上的舵机的两个动力输出轴传动连接；两个连接片分别与两个机身连接端的两个舵机连接。

所述的叶片轮，它包括：叶片、叶片夹、叶片胶套；叶片夹中部为圆块，圆块的圆周面上按圆周对称设置有多个叶片卡槽，圆块中心与电机传动连接；叶片侧面成一定角度的弧型，多个叶片一一对应的同向设置在叶片卡槽上，叶片胶套套在叶片上，叶片设置的方向：按机器人行进方向叶片向后弯曲。

为了适应不同地形的需要，前述的叶片轮还可以采用另外一种结构来适应普通地形，它的结构为：叶片、叶片夹、叶片轮套环；叶片夹中部为圆块，圆块的圆周面上按圆周对称设置有多个叶片卡槽，圆块中心与电机传动连接；叶片侧面成一定角度的弧型，多个叶片一一对应的设置在叶片卡槽上，各个叶片的端部卡在叶片轮套环内，叶片与叶片轮套环无相对运动。

本发明选用的一种较优设计的叶片轮数量为：在圆块的圆周面上按圆周对称设置有3个叶片卡槽，3个叶片一一对应的设置在叶片卡槽上。

本发明的有益技术效果是：提供了一种越障能力强、地形适应能力强、结构简单的蛇形机器人。

附图说明

图1至图8：国内外现有蛇形机器人实物照片；

图9、本发明蛇形机器人工作流程图；

图10、四锥齿齿轮组结构示意图；

图11、四锥齿齿轮组实物照片；

图12、采用两舵机联动驱动的关节的机身侧视图；

图13、采用两舵机联动驱动的关节的机身俯视图；

图14、采用两舵机联动驱动的关节的机身前视图；

图15、采用两舵机联动驱动的关节的机身实物照片；

图16、采用三自由度关节的机身侧视图；

图17、采用三自由度关节的机身俯视图；

图18、采用三自由度关节的机身前视图；

图19、连接片实物照片；

图20、三自由度关节实物照片；

图21、套装有叶片轮套环的叶片轮侧视图；

图22、制作叶片的材料实物照片；

图23、套装有叶片轮套环的叶片轮实物照片；

图24、未套装叶片轮套环的叶片轮实物照片；

具体实施方式

本发明的蛇形机器人具体结构如“发明内容”中所述，相较于现有的蛇形机器人，其最大的改进之处有两点：1)机器人的行走机构采用叶片轮2；2)机器人关节之间的连接机构采用万向关节4(即可采用两舵机1联动驱动的关节或三自由度关节)。

从图1至图8的照片以及各种资料中可以看出，现有的蛇形机器人运动依靠身体的扭动或者采用轮式、履带式驱动；这些结构形式的行走机构使得蛇形机器人对地形的适应性不够强，轮式行走机构比较适合在平整的表面行进，履带式行走机构比较适合在摩擦力相对较大的表面行进，这两种行走机构难于适应某些松软、崎岖的特殊地形(如垃圾堆、枯叶堆、建筑物废墟等)的要求；在采用相同舵机1驱动关节的情况下，本发明的万向关节4比现有的蛇形机器人的正交关节更具优势，本发明的万向关节4比现有的蛇形机器人的正交关节实现一个方向的运动由一个舵机1单独驱动所产生的力矩要大一倍，所以能够抬起更多节数的机身3，达到翻越更高障碍物的目的。

本发明蛇形机器人中采用的叶片轮2和万向关节4的设计，使得机器人的地形适应能力和翻越障碍的能力大大提升，下面具体分析叶片轮2和万向关节4在机器人行进中所起的作用：

本发明的蛇形机器人叶片轮2在平坦地形运动时，可以将叶片2-1卡入叶片轮套环2-4中，形成圆轮运动，可以提高运动速度；在特殊地形运动时，又可将叶片轮套环2-4从叶片2-1上取下(见图24)，这种可变形的行走机构提高了本发明的蛇形机器人对多种地形的适应能力。且叶片轮2的直径大于机身3的高度，叶片2-1的长度超出机身3的上表面和下表面，即使本发明的蛇形机器人发生翻转也不影响行走。

(一)对特殊地形的适应性

1、在崎岖不平的地形(如乱石堆、楼梯等)行进时，叶片轮2能够将路面凸起或者小的障碍物卡在两叶片2-1之间(比如能够将楼梯的棱角卡在两叶片2-1之间，实现钩挂；而轮式和履带式行走机构在棱角处却容易打滑)，产生很大的摩擦力驱动蛇形机器人前进。在运动过程中，叶片轮2不能都接触到地面，三自由度关节能够使机身3在自身重力的作用下发生扭转，使得更多的叶片轮2接触地面，产生更大的摩擦力，同时叶片2-1上的叶片胶套2-3也能为增加摩擦力提供很大帮助。滚珠轴承4-6能够保证机身3扭转的顺畅，复位弹簧4-7能限定扭转的角度和使机身3扭转复位。这个扭转自由度的作用类似于越野汽车的悬挂系统。

2、从机器人头部来看，叶片轮2的叶片2-1都是向后弯曲的，这种设计的好处是当在杂物较多的地形上行进时，不易卷起地上的杂物。

3、在某些光滑地形上行进时，由于多个机身3上的叶片轮2的动作不一致，各个机身3的重心沿机器人行进方向上、下参差排列，不易出现打滑。

4、在松软的表面行进时，轮式和履带式行走机构最容易出现的情况是，由于松软的表面无法承受机器人的重量，机器人前段陷入预定的行走表面以下，使机器人行走方向偏移，对于某些地形，这种偏移甚至是致命的，机器人最终无法走出陷坑，而叶片轮2显然不会出现这种情况，由于叶片轮2外端可以对行走表面的突出物进行钩挂，机器人的重量并不是由行走表面完全承担，所以本发明的蛇形机器人可以很好的避免出现掉入陷坑的情况。同时机器人在行走过程中，叶片轮2的特殊结构使得机器人的重心是不断上下变化的，当运动到重心处于最低点时，由于惯性，机身3趋于保持重心处于最低点这个状态，但此时叶片轮2在继续旋转，这时就会使和地面接触的那个叶片2-1发生弯曲，储存一部分弹性势能，叶片轮2继续旋转，这部分弹性势能释放，会使机器人弹起很小一个高度后很快落到下一个着力点。在这个过程中，机器人对地面的压力是先大于机器人的重力再小于机器人的重力，由于松软表面的下陷都有一个时间，这种一压一弹的方式能够很好地避开这个下陷时间，能够比一般的行走机构一直对地面产生压力的方式更好地适应松软地面。这种情况和人在较松软的地面走会下陷，而采用跑跳的方式前进却能够通过的情况一样。

(二)较强的翻越障碍的能力

本发明的蛇形机器人相较于轮式和履带式的蛇形机器人，在翻越障碍能力上得到了很大程度的提升，这不仅仅是因为叶片轮2，其中万向关节4也发挥了致关重要的作用，下面分别就两种结构的万向关节4进行阐述：

1)参见图10、图11、图12、图13、图14、图15，万向关节4采用“发明内容”中所述的“第一种结构方式”时，横向连接轴4-3沿纵向连接轴4-4径向贯穿纵向连接轴4-4，且横向连接轴4-3和纵向连接轴4-4的中轴线垂直相交；两个横向锥齿轮4-1锥面相对套在横向连接轴4-3上同轴转动连接，形成横向锥齿轮组；两个纵向锥齿轮4-2锥面相对套在纵向连接轴4-4上同轴转动连接，形成纵向锥齿轮组；横向锥齿轮组和纵向锥齿轮组之间齿轮相互啮合，形成四锥齿齿轮组；两个舵机1分别驱动两个横向锥齿轮4-1；沿机器人行进方向顺次相连的前、后两个机身3，两舵机1联动驱动的关节设置在后一机身3的前端，两个舵机1设置在后一机身3内两舵机1联动驱动的关节位置处的水平两侧；前一机身3末端与纵向锥齿轮组中下方的纵向锥齿轮4-2底部固定，与纵向锥齿轮组中上方的纵向锥齿轮4-2不固定；

要解释为什么本发明蛇形机器人的翻越能力会得到提升，就先要了解一下两舵机1联动驱动的关节的工作过程：当两舵机1驱动两个横向锥齿轮4-1向同一方向旋转时，两个横向锥齿轮4-1是不会发生相对转动的，这时由于两个横向锥齿轮4-1的作用力，和其啮合的纵向锥齿轮4-2就可以绕横向连接轴4-3轴心上下转动，从而带动前一个机身3转动，也可形象的称为抬头、低头；当两舵机1驱动两个横向锥齿轮4-1向相反方向旋转时，带动纵向锥齿轮4-2绕纵向连接轴4-4的轴心横向转动，上方和下方的纵向锥齿轮4-2转动方向相反，其中与前一机身3末端固定的下方纵向锥齿轮4-2带动前一个机身3左、右摆动，与前一机身3末端不固定的上方纵向锥齿轮4-2不带动任何部件，只起稳定四锥齿齿轮组的作用。

从而，当蛇形机器人需要翻越障碍时，就通过两舵机1驱动两个横向锥齿轮4-1向同一方向旋转，控制最前端的机身3抬头，如果最前端机身3上的叶片轮2达到或超过障碍物的高度(在翻越时，叶片轮2起到了钩挂的作用)，即可启动叶片轮2进行翻越操作；如果最前端机身3上的叶片轮2还未达到或超过障碍物的高度，则继续调整第2节(最前端的机身3计为第1节机身3)和第3节机身3之间的两舵机1联动驱动的关节，同时也调整第1节和第2节机身3之间的两舵机1联动驱动的关节，使第1节和第2节机身3都竖立起来；同理，如果前2节机身3都竖立起来了还无法达到翻越高度，则继续对后续机身3之间的两舵机1联动驱动的关节进行调节，直至达到翻越高度。这时本发明的两舵机1联动驱动的关节的优势就体现出来了，在采用相同舵机1驱动关节的情况下，本发明的两舵机1联动驱动的关节实现任一方向的运动都是两个舵机1一起驱动，这种方式比现有的蛇形机器人的正交关节实现一个方向的运动由一个舵机1单独驱动所产生的力矩要大一倍，所以能够抬起更多节数的机身3，达到翻越更高障碍物的目的。

1)参见图16、图17、图18、图19、图20，万向关节4采用“发明内容”中所述的“第二种结构方式”时，沿机器人行进方向顺次相连的前、后两个机身3，前一机身3末端和后一机身3前端各设置有一舵机1，其中一个舵机1的动力输出轴与同一机身3上的电机5的动力输出轴平行，另一个舵机1的动力输出轴的中心轴与机身3水平面垂直；其中一个连接片4-5按纵截面与机身3水平方向垂直设置，形成纵向连接片，另一个连接片4-5形成横向连接片；两个连接片4-5的横梁上端面中部都开有孔，两个连接片4-5横梁上端面相对，通过滚珠轴承4-6在开孔处转动连接，横向连接片两侧的“冂”型转角处分别与一个复位弹簧4-7的一端相连，两个复位弹簧4-7的另一端都与纵向连接片上侧的“冂”型转角处连接，使两个连接片4-5的纵截面在不受力状态时互相垂直；连接片4-5下端的两个支架与机身3上的舵机1的两个动力输出轴传动连接；两个连接片4-5分别与两个机身3连接端的两个舵机1连接。

其工作过程为：两个舵机1的两个动力输出轴分别带动两个连接片4-5转动，从而使得蛇形机器人可水平或上下转动。在翻越障碍的过程中，可能发生机身3倾斜的情况，如果没有设计的扭转自由度(即两个复位弹簧4-7和滚珠轴承4-6构成的转动、复位设计)，则接触障碍物的机身3的两个叶片轮2就很可能只有一个与障碍物接触，而另一个悬空，这样产生的攀附力就会大大降低；而设计了这个类似于越野汽车的悬挂系统的扭转自由度，就能够使机身3在自身重力的作用下发生扭转，使更多的叶片轮2接触到障碍物，产生更大的攀附力，提高翻越障碍物的能力，同时叶片2-1上的叶片胶套2-3也能为增加攀附力提供很大帮助。滚珠轴承4-6能够保证机身3扭转的顺畅，复位弹簧4-7能限定扭转的角度和使机身3扭转复位。其翻越的过程与“第一种结构方式”的蛇形机器人类似，在此不再赘述。

参见图21、图22、图23，发明人选用的叶片轮2尺寸为：叶片轮2的叶片2-1采用厚度为0.28mm，宽为10mm的闹钟发条来制作，优点是重量轻，弹性好。将叶片2-1顶部弯成一定的弯度，这个弯度能够防止前进时将杂物卷起卡住叶片轮2；将三片叶片2-1按圆块2-5圆周对称、同向固定在叶片卡槽2-6中，圆块2-5圆心与电机5(直流减速电机)的动力输出轴固定，由电机5通过圆块2-5带动叶片2-1转动。

舵机1是一种角度伺服电机，能够精确控制其转动角度。舵机1主要是由外壳、电路板、电动机、齿轮与位置检测器所构成，位置检测器一般是可变电位器，当伺服电机转动时电阻值也会随之改变，检测电阻值便可知转动的角度。

舵机1可采用机器人专用的舵机1，这种专用舵机1与普通舵机1的不同之处在于：普通舵机1只有一个动力输出轴，而机器人专用舵机1有两个动力输出轴，两个动力输出轴可以使机器人的连接部位更加牢固。

Claims (6)

1.一种叶片轮式蛇形机器人，其特征在于：它包括：叶片轮(2)、机身(3)、万向关节(4)、电机(5)；两个机身(3)之间通过万向关节(4)连接，多个机身(3)串接在一起组成机器人的蛇身；每个机身(3)内水平两侧各设置有一电机(5)，在每个机身(3)两侧各设置有一个叶片轮(2)，电机(5)与叶片轮(2)传动连接。

2.根据权利要求1所述的叶片轮式蛇形机器人，其特征在于：所述的万向关节(4)，它包括：两个舵机(1)、两个横向锥齿轮(4-1)、两个纵向锥齿轮(4-2)、横向连接轴(4-3)、纵向连接轴(4-4)；

横向连接轴(4-3)沿纵向连接轴(4-4)径向贯穿纵向连接轴(4-4)，且横向连接轴(4-3)和纵向连接轴(4-4)的中轴线垂直相交；两个横向锥齿轮(4-1)锥面相对套在横向连接轴(4-3)上同轴转动连接，形成横向锥齿轮组；两个纵向锥齿轮(4-2)锥面相对套在纵向连接轴(4-4)上同轴转动连接，形成纵向锥齿轮组；横向锥齿轮组和纵向锥齿轮组之间相互啮合，形成四锥齿齿轮组；两个舵机(1)分别驱动两个横向锥齿轮(4-1)；

沿机器人行进方向顺次相连的前、后两个机身(3)，万向关节(4)设置在后一机身(3)的前端，两个舵机(1)设置在后一机身(3)内万向关节(4)位置处的水平两侧；前一机身(3)末端与纵向锥齿轮组下方的纵向锥齿轮(4-2)底部固定。

3.根据权利要求1所述的叶片轮式蛇形机器人，其特征在于：所述的万向关节(4)，它由两个纵截面成“冂”型的连接片(4-5)、滚珠轴承(4-6)、两个复位弹簧(4-7)和两个舵机(1)组成；

沿机器人行进方向顺次相连的前、后两个机身(3)，前一机身(3)末端和后一机身(3)前端各设置有一舵机(1)，其中一个舵机(1)的动力输出轴与同一机身(3)上的电机(5)的动力输出轴平行，另一个舵机(1)的动力输出轴的中心轴与机身(3)水平面垂直；

其中一个连接片(4-5)按纵截面与机身(3)水平方向垂直设置，形成纵向连接片，另一个连接片(4-5)形成横向连接片；两个连接片(4-5)的横梁上端面中部都开有孔，两个连接片(4-5)横梁上端面相对，通过滚珠轴承(4-6)在开孔处转动连接，

横向连接片两侧的“冂”型转角处分别与一个复位弹簧(4-7)的一端相连，两个复位弹簧(4-7)的另一端都与纵向连接片上侧的“冂”型转角处连接，使两个连接片(4-5)的纵截面在不受力状态时互相垂直；连接片(4-5)下端的两个支架与机身(3)上的舵机(1)的两个动力输出轴传动连接；两个连接片(4-5)分别与两个机身(3)连接端的两个舵机(1)连接。

4.根据权利要求1所述的叶片轮式蛇形机器人，其特征在于：所述的叶片轮(2)，它包括：叶片(2-1)、叶片夹(2-2)、叶片胶套(2-3)；叶片夹(2-2)中部为圆块(2-5)，圆块(2-5)的圆周面上按圆周对称设置有多个叶片卡槽(2-6)，圆块(2-5)中心与电机(5)传动连接；叶片(2-1)侧面成一定角度的弧型，多个叶片(2-1)一一对应的同向设置在叶片卡槽(2-6)上，叶片胶套(2-3)套在叶片(2-1)上，叶片(2-1)设置的方向：按机器人行进方向叶片(2-1)向后弯曲。

5.根据权利要求1所述的叶片轮式蛇形机器人，其特征在于：所述的叶片轮(2)，它包括：叶片(2-1)、叶片夹(2-2)、叶片轮套环(2-4)；叶片夹(2-2)中部为圆块(2-5)，圆块(2-5)的圆周面上按圆周对称设置有多个叶片卡槽(2-6)，圆块(2-5)中心与电机(5)传动连接；叶片(2-1)侧面成一定角度的弧型，多个叶片(2-1)一一对应的设置在叶片卡槽(2-6)上，各个叶片(2-1)的端部卡在叶片轮套环(2-4)内，叶片(2-1)与叶片轮套环(2-4)无相对运动。

6.根据权利要求4或5所述的叶片轮式蛇形机器人，其特征在于：圆块(2-5)的圆周面上按圆周对称设置有3个叶片卡槽(2-6)，3个叶片(2-1)一一对应的设置在叶片卡槽(2-6)上。

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