CN102587436A

CN102587436A - 仿飞蛇骨骼空间扩展掘进器

Info

Publication number: CN102587436A
Application number: CN2012100602420A
Authority: CN
Inventors: 冯宝林; 梅涛; 骆敏舟; 李爱成; 王美玲; 时张杰; 毕诗书; 牛晓庆; 赵贤相
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明涉及到机构仿生学，以及机械设计和制造等学科领域，尤其是针对一种实现仿生扩展和仿生掘进功能的装置研究。目的是为了解决雪崩、矿难被填埋巷道的疏通与扩展，为救援人员赢得了时间，为被困人员拓展了救援通道，为救援增加了一种新手段，而提供一种结构简单，易于加工、装配和仿生效果好的仿飞蛇骨骼空间扩展掘进器。本发明的技术方案是：构造仿飞蛇骨骼空间扩展掘进器，仿飞蛇骨骼本体由若干个飞蛇机架单元组成，每个单元之间通过类万向铰接的方式连接在一起，单元之间的相对运动有两组同步带传动，从而使飞蛇机架单元能实现弯曲和扭转，仿飞蛇传动单元的动力是通过安装在飞蛇传动单元内部的电机驱动。

Description

仿飞蛇骨骼空间扩展掘进器

技术领域

本发明涉及到机构仿生学，以及机械设计和制造等学科领域，尤其是针对一种实现仿生扩展和仿生掘进功能的装置研究。

背景技术

仿爬行类蛇形机器人在陆地或树上可以实现螺旋运动、蜿蜒运动、伸缩运动、侧向盘旋运动、蠕动与攀缘等，在丛林或城市建筑群等高空复杂非结构环境下的大间距移动，其运动空间与速度上受到了一定的限制。飞蛇具有摇鼓肋骨实现滑翔的奇异功能，于树枝末端通过瞬间弹起或俯冲获得飞行的动能与势能，摇鼓肋骨变成类似于“S”形扁平薄带，通过头部摆动实现大间距快速精确滑翔，降落后可以再攀爬到高处续航。本发明深入研究飞蛇摇鼓肋骨实现空中滑翔的运动机理及肌肉生物力学特性和头部对滑翔姿态的调整特性，研制了具有空间扩展功能的掘进器，拓展了蛇形机器人的运动空间和功能前景。

发明内容

本发明的目的是为了解决雪崩、矿难被填埋巷道的疏通与扩展，为救援人员赢得了时间，为被困人员拓展了救援通道，为救援增加了一种新手段，而提供一种结构简单，易于加工、装配和仿生效果好的仿飞蛇骨骼空间扩展掘进器。

本发明的技术方案是：构造仿飞蛇骨骼空间扩展掘进器，仿飞蛇骨骼本体由若干个飞蛇机架单元组成，每个单元之间通过类万向铰接的方式连接在一起，单元之间的相对运动有两组同步带传动，从而使飞蛇机架单元能实现弯曲和扭转，仿飞蛇传动单元的动力是通过安装在飞蛇传动单元内部的电机驱动。

具体技术方案如下：一种仿飞蛇骨骼空间扩展掘进器，包括作为头部的掘进单元、作为蛇身的3～10个飞蛇机架单元和蛇尾，所述飞蛇机架单元之间通过十字轴正交连接结构连接，飞蛇机架单元具有机架本体，机架本体中部设有能够向两侧展开的肋骨结构；上述飞蛇机架单元的机架本体上设有传动组件和扩展组件，上述传动组件包括分别设在机架本体前、后部的电机、传动齿轮和同步传动件；所述扩展组件包括舵机、与舵机输出端配合的一级磁力传动轮和与一级磁力传动轮配合、且位于一级磁力传动轮两侧的两个二级磁力传动轮，上述二级磁力传动轮与肋骨结构耦合。

上述十字轴正交连接结构上有轴销，机架本体一端凸耳上设有连接孔，十字轴正交连接结构上轴销和机架本体凸耳两个连接孔相互配合。

上述传动组件的传动齿轮为与电机输出端连接的小锥齿轮和大锥齿轮，同步传动件为与大锥齿轮同轴设置的主动同步轮和设置在十字轴正交连接结构上的被动同步轮，上述主、被动同步轮通过同步带传动连接。

上述掘进单元由截割部分和电机驱动部分组成，上述截割部分上焊接有截割块。

本发明有益效果：本发明将行走功能、扩展功能和掘进功能集中一体，飞蛇机架单元本体为整个掘进器提供陆地行走功能和姿态控制，独特设计的十字正交连接结构，实现相邻两个关节的两个自由度的转动；机架单元内的扩展组件运用磁力传递方式，控制仿飞蛇骨骼扩展掘进器上的肋骨结构开合，能使仿飞蛇骨骼扩展，掘进器最终实现空间扩展的功能，肋骨结构经过轻量化的处理，轻便实用；掘进单元给仿飞蛇骨骼扩展掘进器提供挖掘功能，本掘进器结构简单，加工容易，运动稳定，能够实现仿飞蛇骨骼扩展掘进器的多种功能任务，可以应对不同的外界环境的挑战。

附图说明

图1为本发明仿飞蛇骨骼空间扩展掘进器的整体结构示意图。

图2为图1中飞蛇机架单元的结构示意图。

图3为图2中机架单元内传动组件结构示意图。

图4为相邻两个飞蛇机架单元之间传动组件示意图。

图5为相邻两个飞蛇机架单元之间结构示意图。

图6为飞蛇机架单元内扩展组件示意图。

图7为图6中十字轴正交连接结构示意图。

图8为图6中扩展组件的磁力传动结构示意图。

图9为图6中肋骨结构处于展开状态示意图。

图10为本发明掘进单元结构示意图。

图11为相邻飞蛇机架单元之间关节运动关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对发明作更详尽的说明。

请参阅图1至图5，本发明仿飞蛇骨骼空间扩展掘进器包括位于前方的掘进单元1，掘进单元后面为6个飞蛇机架单元2以及蛇尾3。上述飞蛇机架单元2之间通过十字轴正交连接结构20连接。也就是说仿飞蛇骨骼空间扩展掘进器由若干段组成，每段机架单元通过十字正交连接结构连接，运动时各段机架单元通过十字正交连接结构实现一定角度的偏转，从而不仅实现仿飞蛇骨骼空间扩展掘进器的弯曲、伸直姿态的变化，更能通过控制实现行走功能。仿飞蛇骨骼空间扩展掘进器蛇尾3拥有一个转动的自由度，它用于调节整个身体的平衡，作为调整仿飞蛇骨骼空间扩展掘进器姿态的辅助结构。

本发明仿飞蛇骨骼空间扩展掘进器的飞蛇机架单元2具有机架本体21和肋骨结构22。上述机架本体数量也有6个，每个机架本体之间正是通过十字轴正交连接结构20铰接在一起，十字轴正交连接结构20上有轴销20-1，机架本体21一端凸耳上设有连接孔21-1，十字轴正交连接结构上轴销和机架本体凸耳两个连接孔21-1相互配合，使仿飞蛇骨骼空间扩展掘进器机架单元有两个自由度，这两个自由度是正交的，带动飞蛇骨架弯曲运动。

上述飞蛇机架单元包括传动组件4和扩展组件5，上述传动组件分别设置在机架单元的前、后部位，分别包括电机41，小锥齿轮42，大锥齿轮43、主动同步轮44、被动同步轮45和同步带46，上述小锥齿轮与电机输出端耦合，大锥齿轮43和主动同步轮44同轴设置，两者的转速相同，被动同步轮45设置在十字轴正交连接结构20上，主动同步轮44和被动同步轮45之间有同步带46传动。这样，当位于机架单元一侧电机41转动时，仿飞蛇骨骼空间扩展掘进器机架单元即可实现绕Z轴的转动(见图3示)。而机架单元另一侧的传动部件发生作用时，电机仿飞蛇骨骼空间扩展掘进器机架单元可以绕Y轴的转动。因此两相邻的仿飞蛇骨骼空间扩展掘进器的飞蛇机架单元2’、2有两个自由度，两个电机同时转动，产生复合运动，从而带动骨架发生扭动，实现行走与多种姿态展现(见图5示)。

请参阅图6至图11，本发明仿飞蛇骨骼空间扩展掘进器的扩展组件5包括舵机51、一级磁力传动轮52和二级磁力传动轮53。上述舵机51安装在机架本体21中，舵机51输出端连接一级磁力传动轮52，运用磁吸引力原理实现非接触力的传递，一级磁力传动轮52把动力传送到位于两侧的二级磁力传动轮53；且上述二级磁力传动轮53与肋骨结构22同轴耦合，当二级磁力传动轮转动时可以驱动肋骨结构22转动。这样当舵机51转动时，可以将力矩传递到肋骨结构22，从而驱动实现仿飞蛇的肋骨结构开合(见图9示)，且由于肋骨结构由同一个舵机驱动，传送比相等，所以肋骨结构22的动作一致，仿飞蛇的肋骨结构22开合可以达到空间扩展的目的，同时肋骨结构经过轻量化处理，轻便可靠。

本发明掘进单元1由截割部分11和电机驱动部分12组成，截割部分11上焊接有若干个截割块13，截割块13能有效地截割障碍物，整个截割部分由电机驱动部分驱动，此掘进单元结构简单，目的明确，能轻松地实现掘进功能，能用于在雪崩、地震、塌方及火灾后的废墟中幸存者的搜寻；且能够在狭小而且危险的环境下顺利开展探测和疏通管道等工作。

图11为本发明仿飞蛇骨骼空间扩展掘进器的两相邻关节的运动原理简图，两组大、小同步带轮A、B与十字轴正交连接结构固定在一起，且两组同步带轮安装位置是正交的，当电机带动小同步带轮A转动时，通过同步带传动，小同步带轮A与大同步带轮A啮合，由于大同步带轮A是与十字轴正交连接结构是固定的，不能发生转动，因此电机的转动可以实现小同步带轮A所在的关节转动；同理，当电机带动小同步带轮B转动时，通过同步带传动，小同步带轮B与大同步带轮B啮合，由于大同步带轮B是与十字轴正交连接结构是固定的，不能发生转动，因此电机的转动可以实现小同步带轮B所在的关节转动。两个大同步带轮A、B与十字轴正交连接结构固定在一起，且两个同步带轮安装位置是正交的，因此相邻的关节就实现了两个自由度的转动，且两个自由度是正交的，这两个自由度驱动飞蛇在陆地行走和各种姿态的变换。

显然，本发明的上述具体实施方式仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以容易的做出其它形式上的变化或者替代，而这些改变或者替代也将包含在本发明确定的保护范围之内。

Claims

1.一种仿飞蛇骨骼空间扩展掘进器，包括作为头部的掘进单元(1)、作为蛇身的3～10个飞蛇机架单元(2)和蛇尾(3)，其特征在于：所述飞蛇机架单元之间通过十字轴正交连接结构(20)连接，飞蛇机架单元具有机架本体(21)，机架本体中部设有能够向两侧展开的肋骨结构(22)；上述飞蛇机架单元的机架本体上设有传动组件(4)和扩展组件(5)，上述传动组件(4)包括分别设在机架本体前、后部的电机(41)、传动齿轮和同步传动件；所述扩展组件(5)包括舵机(51)、与舵机输出端配合的一级磁力传动轮(52)和与一级磁力传动轮配合、且位于一级磁力传动轮两侧的两个二级磁力传动轮(53)，上述二级磁力传动轮与肋骨结构耦合。

2.根据权利要求1所述的仿飞蛇骨骼空间扩展掘进器，其特征在于：上述传动组件的传动齿轮为与电机输出端连接的小锥齿轮(42)和大锥齿轮(43)，同步传动件为与大锥齿轮同轴设置的主动同步轮(44)和设置在十字轴正交连接结构(20)上的被动同步轮(45)，上述主、被动同步轮通过同步带(46)传动连接。

3.根据权利要求2所述的仿飞蛇骨骼空间扩展掘进器，其特征在于：上述掘进单元(1)由截割部分(11)和电机驱动部分(12)组成，上述截割部分上焊接有截割块(13)。

4.根据权利要求1所述的仿飞蛇骨骼空间扩展掘进器，其特征在于：上述十字轴正交连接结构(20)上有轴销(20-1)，机架本体(21)一端凸耳上设有连接孔(21-1)，十字轴正交连接结构上轴销和机架本体凸耳两个连接孔相互配合。