CN101973320B - 仿真蠕动行走装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿真蠕动行走装置，它是由多块左狭长板和右狭长板通过销轴铰接串联而成的机构。一块左狭长板和一块右狭长板组成该仿真蠕动行走装置的一个环节。头尾部分对称地装有驱动装置。在每相邻环节的销轴铰接点处都装有机械足，同时在右狭长板的下内壁装有调整机械足对管道角度的连杆机构。本发明的优点是：可沿弯曲管道爬行，可仿真不同蠕虫的波浪式运动形态，机构简易等特点。

Description

仿真蠕动行走装置

技术领域

本发明涉及一种仿真蠕动行走装置，可以实现沿着弯形管道或直杆到达人们无法到达的地方，实现爆破或者采集图像的功能。应用技术涉及机电一体化，电子控制技术领域。仿真蠕动行走装置具有实现简单，既能沿着直杆爬行，又能可沿弯管蠕动，能仿真各种蠕虫的运动形态，基本无噪音的特点。

背景技术

本发明的内容为设计一仿真蠕虫行走状态的可沿弯直杆或管爬行的机器人。设计目标是：可以在单片机的控制下随意沿着弯管或直杆爬行，同时尽量仿真蠕虫的蠕动行走状态，在军事领域能够用来去人们无法到达的地方实现侦查或者爆破。

本发明在创意理念的支配下，对该仿真蠕动行走装置进行了机械方面和控制方面的设计。随着机械科学和控制技术的发展，各种功能的机器人层出不穷。该机器人的发明主要依托的技术有一下三个方面：(1)单片机的发展与应用。(2)爬杆机器人研究的不断成熟。(3)传感器技术的迅速发展。(4)连杆机构设计理论的基本成熟。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的漏洞和缺陷，提出一种仿真蠕动行走装置，使其能够沿着弯形管道或直杆行走，并且能够仿真蠕虫的蠕动行走状态。

为了达到此目的，本发明的构思是：因为蠕虫行走的特殊状态，所以我们提出了仿真蠕动行走装置的躯体是由若干结构相似的机构串接而成，这样就既可以模拟蠕虫的身体特点，又使得机构具有相当的柔性，从而可以实现它能够沿着弯管爬行的功能。另外因为机械足和角度调整机构很多，系统的控制目标多，任务繁重，所有决定利用单片机和外围电路来完成控制任务。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种仿真蠕动行走装置，其特征在于：机械形态由多块左狭长板和右狭长板通过销轴铰接串联而成。一块左狭长板和一块右狭长板组成该装置的一个环节，分为一个头环节，多个中间环节，一个尾环节。所有中间环节的结构形态完全一样。尾环节与头环节结构完全对称，它们都装有驱动装置，分别实现仿真蠕动行走装置的前进与后退。每个环节的左狭长板和右狭长板之间都通过球形铰接头装有统一规格的弹簧装置。在每相邻环节的销轴铰接点处，都装有结构弯全相同的机械足。该装置所有右狭长板的下内壁都装有结构完全相同的角度调整机构。

驱动装置是：在尾环节的左狭长板和头尾环节的右狭长板上各装有一个伺服电机通过一个联轴器带动一个滚筒，把系在滚筒与右狭长板之间的一条皮带卷起来，实现左狭长板和右狭长板之间角度的收缩。伺服电机是用固定带固定在左狭长板上的。该驱动装置与弹簧装置在空间上正好是错开的。为了避免该装置的震动过大，滚筒由两个轴承支承；该两轴承的底座固定于左狭长板的内壁槽上，其上盖固定于该底座上，然后为了确保稳定性，再添加固定带对轴承体固定。

弹簧装置是通过球形铰接点铰接在左狭长板和右狭长板上的。弹簧装置由内套筒和外套筒以及套筒中心的弹簧所组成；内外套筒之间可以相互滑动。该压板与两端的球形铰接头固定连接，便于弹簧沿着套筒长方向压缩；弹簧在套筒中是两端各利用一个压板固定的，从而可实现该弹簧装置的拉伸。

在销轴铰接点处，左狭长板和右狭长板是通过与机械足做成一体的销轴联接在一起的。另外在销轴连接点处还配有外挂轮，用于在该装置处于非爬行状态时可实现沿着地面滚动。

机械足装有行走于管道上对管道抓紧机构。其结构：在机械足中有一个电磁铁吸引一个铁块来带动一个滑块在一个中心槽中移动；滑块带动连接在两侧的对称两个三连杆机构运动，该两个三杆机构的末端杆件头部的橡胶垫的合拢实现对管道的接触，再加上位于中心槽中的一个推杆的头部橡胶垫的接触，实现对管道完全抓紧；该推杆末端的铰接点在一个长形槽中移动，然后用销钉固定推杆；推杆在推杆槽中的位置可调变化，然后用销钉固定。

角度调整机构中三根连杆之间用销钉联接；第一连杆与右狭长板铰接；第二连杆与一个双向电磁铁铰接；第三连杆与机械足铰接；双向电磁铁与右狭长板下侧内壁滑槽滑配，该内壁滑槽的上下端嵌有铁块；第三连杆与机械足用销钉联接。角度调整机构的运动是由一个双向电磁铁通过一个三连杆机构的从动杆带动机械足转动，从而实现机械足对弯曲管道角度的调整；双向电磁铁相当于连杆机构中的滑块，它可以在右狭长板的内壁滑槽中移动，然后通过驱动杆驱动与其相连接的三杆机构运动；双向电磁铁通过吸引两侧铁块来为角度调整机构提供动力，可实现沿内壁滑槽的上下移动。

本发明与现有技术相比较，具有以下显而易见的实质性特点和显著优点：

1、通过多环节连接，基于整个机构的柔性度可以实现对于弯曲管道的爬行要求。而且通过单片机控制电机的通断时间和转速实现在曲率较大的管道处实现慢速爬行，从而控制机构的稳定性。

2、在蠕虫沿着弯曲管道的爬行过程中，实现机械足对管道角度的及时调整，从而有利于机械足的后续夹紧过程。

3、机械足上面有运于调整夹紧范围的机构，可以实现对处于一定范围内各种不同管道的夹紧。

4、通过单片机控制各个机械足的通断电延续时间，可以使蠕虫在行走时产生不同的波浪形形态，从而可以仿真不同类型的蠕虫行走状态。

5、通过单片机控制伺服电机的转速，以及各个机械足的断电延续时间可以控制蠕虫的行走速度。

附图说明

图1：仿真蠕动行走装置的一个中间环节和尾部环节的机构主视图。

图2：S处驱动装置的安装结构图。

图3：弹簧装置与左狭长板联接部分的剖视图。

图4：A处使用销轴连接两板的结构图。

图5：N处机械足的结构示意图。

图6：M处角度调整机构的结构图。

图7：右狭长板左视图和左狭长板右视图。

图8：角度调整机构M任意两连杆的联接接头结构图。

图9：该装置的运动过程分析图。

具体实施方式：

本发明的优选实例结合附图说明如下：

实施例一：(参见图1)

本仿真蠕动行走装置是由多块狭长板通过销轴A铰接串联而成。每两块板组成该装置躯体的一个环节，分为一个头环节，多个中间环节，一个尾环节。所有中间环节的结构形态完全一样。尾环节装有驱动装置S，与头环节结构完全对称。每环节两块狭长板之间通过板内壁的弹簧接头装有收缩性灵敏的弹簧装置3。在整个机构底侧的销轴铰接处，即每相邻环节的销轴铰接点A处装有机械足N。该装置所有右侧板的下内壁装有角度调整机构M。尾部环节装有驱动机构S，即一个伺服电机的输出轴通过套筒布带传动机构控制相邻狭长板角度的变化。该装置在销轴A连接处配有销轴外挂轮2，用于在该装置地面上滚动

实施例二：(参见图2)

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

滚筒布带传动机构是由一个伺服电机25通过联轴器27输出转矩带动滚筒31转动，同时把系在滚筒31与右狭长板4之间的皮带6卷起来，实现两狭长板角度的收缩。电机是用固定带26固定在左狭长板32上的。该驱动装置与弹簧在空间上正好是错开的。为了避免该装置的震动过大，滚筒31由两个轴承30支承；该两轴承30的底座固定于左狭长板32的内壁槽上，其上盖固定于该底座上，然后为了确保稳定性，再添加固定带29对轴承体固定。

实施例三：(参见图3)

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

弹簧装置3是通过球形铰接点铰接在左狭长板32和右狭长板4上的。弹簧装置由内套筒33和外套筒35以及套筒中心的弹簧所组成。内外套筒之间可以相互滑动。采用如此结构是便于弹簧沿着套筒长方向压缩。弹簧在套筒中是利用压板34固定的。

实施例四：(参见图4)

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

左右两图分别显示了左狭长板32和右狭长板4通过销轴9连接在一起的结构。需要说明的是此处的销轴9结构比较特殊，它通过过渡板8与机械足1做成一个整体。而装置顶侧的两板连接则是用单独的销轴完成的，连接形式类似。

实施例五：(参见图5)

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

机械足N的结构类似于传统机器人的手臂抓紧机构。它是由普通电磁铁20吸引铁块21来带动滑块在中心槽23中移动，从而带动连接在两侧的对称三连杆机构22运动，然后通过末端杆件头部的橡胶垫24实现对管道的接触，在加上位于推杆槽中的推杆18的头部橡胶垫24的接触，实现对管道完全抓紧。该机械足连杆机构末端的铰接点可以在长形槽17中移动，然后用销钉固定。推杆18在推杆槽中的位置也可以变化，然后用销钉19固定。上述做法的目的是为了针对不同半径的管子进行夹紧。在机械足的中心装有一个小型的内反射式角度传感器5，用来不断分析机械足在移动过程相对于弯曲管子的角度，然后作出反馈。

实施例六：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

参见图6，三连杆之间用销钉连接，上述三连杆机构的第一连杆10与右狭长板4铰接；第二连杆11与一个双向电磁铁15铰接；第三连杆12与机械足N铰接；双向电磁铁15与右狭长板4下侧内壁滑槽14滑配，该内壁滑槽14的上下端嵌有铁块16。该连杆结构与机械足用销钉13连接。角度调整机构M的运动是由一个双向电磁铁15通过一个三连杆机构的从动杆12带动机械足转动，从而实现机械足对管道角度的调整。双向电磁铁相当于连杆机构中的滑块，它可以在右狭长板4的内壁滑槽14中移动，然后通过驱动杆11驱动与其相连接的三杆机构运动。双向电磁铁15通过吸引铁块16来为角度调整机构提供动力。

参见图7，由图可见：左狭长板32与右狭长板4相互对称。内壁滑槽14位于右狭长板4上的中心线左侧。球形铰接孔28位于右狭长板4中心线右侧，左狭长板32中心线左侧。

参见图8，角度调整机构M的三连杆结构是通过6所示的连杆接头联接在一起的。

工作原理：

在蠕虫行走器的行走过程分析：图9中第一行的状态为原始状态：即两块狭长板中间的弹簧3都处于自由状态，同时所有节点的机械足1处于夹紧状态。然后发给单片机一个启动信号后，尾部的左侧机械足1处于夹紧状态，而这时做右侧的机械足在单片机的控制下松开。伺服电机25迅速旋转，通过滚筒31带动系在右狭长板4上的皮带6收缩，右狭长板4在力的作用下往回移动。如果运动是沿着直的管道进行，运动过程中机械足的角度状态始终保持原始状态不变。如果是沿着弯曲管道蠕动时：控制就相对复杂些。首先位于机械足部分的内反射式角度传感器5按一定的频率不断扫描管道形状的变化，然后通过反馈的电信号控制双向电磁铁15的铁心沿着右狭长板4上的内壁槽14进行上下移动，从而带动三连杆机构的从动杆12运动，使得机械足不断进行角度调整，使其经常处于与管道垂直的状态，从而有利于机械足的后续夹紧。在第一步收缩结束之后，单片机会立即给右侧机械足一个夹紧的信号，与此同时给了左侧机械足一个断开信号。从而到达图9的状态二。这时尾部和它左侧的中间环节部分构成了一个整体，而且整个机构们已经累积了弹性势能，必然由此产生振动。当右侧弹簧第一次振到最大位移处时(即两板角度最大处时)，迅速给尾部左侧的机械足一个夹紧信号，从而使得运动状态保持在附图五的状态三。这个过程必须要求夹紧动作迅速完成。与此同时中间环节左侧机械足松开。从此以后，沿着蠕虫躯体各个机械足节点的不断断开与夹紧，就可以实现位移的向前转移，从而可以依次达到图9剩下的各个状态。从上面可以看上仿真蠕动行走装置的前进过程是由装置尾部的伺服电机25驱动完成。而它的后退则是由头部的伺服电机驱动完成。(头与尾结构完全对称)

另外机械足机构N在加紧时，首先是接收单片机的信号，然后带动普通电磁铁20吸引铁块21从而给与对称三连杆机构22相连的滑块以驱动力，接着利用末端杆件头部的橡胶垫24对管道的接触，在加上位于推杆槽中的推杆18的头部橡胶垫24的接触，实现对管道完全抓紧

上面描述的是最简单的运动形式，即：驱动电机的下一次驱动是在第一次的位移完全转移出去之时发生的。而为了加快蠕动速度，本发明也可以实现驱动电机按一定的频率进行驱动，而不考虑位移全部转移出去。

为了仿真不同的运动状态，可以从以下三方面实现：1、单片机控制伺服电机的速度和频率。2、单片机控制各个节点机械足之间的断开与夹紧的延续时间。3、在设计上使用不同类型的弹簧。

在地面上时，为了使得该仿真蠕动行走装置便于行走，我们设计了一种方法：利用角度调整机构把机械足都收回到水平位置，然后利用外挂轮2在地面的滚动来完成该仿真蠕动行走装置的移动。

通过以上基本功能和相应设计的实现，有效地达到了仿真蠕动行走装置的要求功能。最后所应说明的是：以上实施例仅用于说明而非限制本发明的技术方案。尽管参照上诉实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种仿真蠕动行走装置，其特征在于：机械形态由多块左狭长板(32)和右狭长板(4)通过销轴铰接串联而成；一块左狭长板和一块右狭长板组成该装置的一个环节，多块左狭长板和多块右狭长板组成该装置的多个环节，该多个环节分为一个头环节，多个中间环节，一个尾环节；所有中间环节的结构形态完全一样；尾环节与头环节结构完全对称，它们都装有驱动装置(S)，分别实现仿真蠕动行走装置的前进与后退；每个环节的左狭长板(32)和右狭长板(4)之间都通过球形铰接头装有统一规格的弹簧装置(3)；在每相邻环节的销轴铰接点处(A)，都装有结构完全相同的机械足(N)；所有右狭长板(4)的下内壁都装有结构完全相同的角度调整机构(M)，所述机械足(N)装有行走于管道上对管道进行抓紧的抓紧机构；所述角度调整机构(M)是三根连杆(10、11、12)之间用销钉(10)联接；第一连杆(10)与右狭长板(4)铰接；第二连杆(11)与一个双向电磁铁(15)铰接；第三连杆(12)与机械足(N)铰接；双向电磁铁(15)与右狭长板(4)下侧内壁滑槽(14)滑配，该内壁滑槽(14)的上下端嵌有铁块(16)；第三连杆(12)与机械足(N)用销钉(13)联接；角度调整机构(M)的运动是由一个双向电磁铁(15)通过第三连杆(12)带动机械足(N)转动，从而实现机械足(N)对弯曲管道角度的调整；双向电磁铁(15)相当于连杆机构中的滑块，它可以在右狭长板(4)的内壁滑槽(14)中移动，然后通过驱动杆(11)驱动与其相连接的三杆机构运动；双向电磁铁(15)通过吸引两侧铁块(16)来为角度调整机构(M)提供动力，可实现沿内壁滑槽(14)的上下移动。

2.根据权利要求1所述的仿真蠕动行走装置，其特征还在于所述驱动装置(S)是：在尾环节的左狭长板(32)和头环节的右狭长板(4)上各安装有一个伺服电机(25)通过联轴器(27)带动一个滚筒(31)，把系在滚筒(31)与右狭长板(4)之间的一条皮带(6)卷起来，实现左狭长板(32)和右狭长板(4)之间角度的收缩；该伺服电机(25)是用一条固定带(26)固定在左狭长板(32)上的；该驱动装置(S)与所述弹簧装置(3)在空间上正好是错开的；为了避免该装置的震动过大，滚筒(31)由两个轴承(30)支承；该两轴承(30)的底座固定于左狭长板(32)的内壁槽上，其上盖固定于该底座上，然后为了确保稳定性，再添加固定带(29)对轴承体固定。

3.根据权利要求1所述的仿真蠕动行走装置，其特征还在于所述弹簧装置(3)是：该弹簧装置(3)通过球形铰接点铰接在左狭长板(32)和右狭长板(4)上的；弹簧装置(3)由内套筒(33)和外套筒(35)以及套筒中心的弹簧所组成；内外套筒之间可以相互滑动；弹簧在套筒中是两端各利用一个压板(34)固定的，从而可实现该弹簧装置的拉伸；该压板(34)与两端的球形铰接头固定连接，便于弹簧沿着套筒长方向压缩。

4.根据权利要求1所述的仿真蠕动行走装置，其特征还在于：在销轴铰接点(A)处，左狭长板(32)和右狭长板(4)是通过与机械足(N)做成一体的销轴(9)联接在一起的；在销轴连接点(A)处还配有外挂轮(2)，用于在该装置处于非爬行状态时可实现沿着地面滚动。

5.根据权利要求1所述的仿真蠕动行走装置，其特征还在于在机械足(N)中有一个电磁铁(20)吸引一个铁块(21)来带动一个滑块在一个中心槽(23)中移动；机械足的滑块带动连接在两侧的对称的两个三连杆机构(22)运动，该两个三杆机构的末端杆件头部的橡胶垫(24)的合拢实现对管道的接触，再加上位于中心槽中的一个推杆(18)的头部橡胶垫(24)的接触，实现对管道完全抓紧；该推杆(18)末端的铰接点在一个长形槽(17)中移动，然后用销钉(19)固定推杆(18)；推杆(18)在推杆槽中的位置可调变化，然后用销钉(19)固定。

Images