CN103203742B - 一种蛇形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蛇形机器人，包括若干首尾连接的蛇形机器单元，所述蛇形机器单元包括一个鳞片套筒和一个主套筒；设置在主套筒内依次排列的偏转舵机组件、往复平移舵机组件、以及连接有舵盘连接器的回转舵机组件；所述主套筒上固定有若干滚轮组件，所述鳞片套筒内壁与滚轮组件接触，并套在所述主套筒外；所述主套筒上设有一个滑动槽，所述滑动槽内设有一与往复平移舵机组件配接并能在往复平移舵机组件的驱动下在滑动槽内做往复运动的拨叉；所述鳞片套筒与拨叉固定。因此，本发明具有如下优点：对高压输电线路的缠绕姿态要求低，可以实现对高压输电线路的高效攀爬。

Description

一种蛇形机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，尤其是涉及一种蛇形机器人。

背景技术

架空高压输电路是电能传输的重要介质，它的安全稳定运行直接影响到电力系统的供电质量。高压输电线路长期暴露在野外，受持续机械张力、冰害、舞动、污秽以及材料老化因素的影响，容易出现断股、磨损、腐蚀，给电力供应造成安全隐患。架空高压输电线路自动巡检机器人可以在没有人工干预的情况下实现对输电线路自动巡检，是杜绝线路安全隐患的有效措施。

蛇形机器人是机器人领域一个新的研究方向，因其特殊的结构形式，灵活的控制方法，在医疗探伤、抢险救援、外太空探险等领域应用研究一直很活跃，但针对高压电缆攀爬的蛇形机器人的研究几乎还是空白。将蛇形机器人应用于攀爬高压输电线路的研究思路，最早由日本政法大学的Hideo Nakamura等人提出，他们提出了一种电气列车馈电电缆巡检机器人，但不适合跨越直径和间距较大的障碍物。本发明提出一种全新的高压线路用蛇形机器人技术方案，利用蛇形机器人自由度高度冗余，结构灵活的特点，以适应复杂多变的线路环境，拓展了蛇形机器人的应用范围。

目前，蛇形机器人主要分如下几种类型：地面爬行蛇形机器人、水下游行蛇形机器人、攀爬型蛇形机器人。其中攀爬型蛇形机器人又可以分为内攀爬型和外攀爬型。高压线上缠绕攀爬的蛇形机器人可以看成是外攀爬形蛇形机器人的一种，外攀爬形蛇形机器人的研究相对较少，具有代表性的研究机构有Carnegie Mellon大学choset设计一种可以在光滑竖直玻璃管上爬行的机器人modsnake，以及上海交通大学马培荪团队的机器人它采用的是利用机器人自身的缠绕和翻滚动作实现的。另外，上海交通大学的马培荪团队和华南理工的魏武团队分别对等一种外攀爬蛇形机器人的尺蠖般的蠕动步态进行深入研究.魏武团队将其用于对桥梁缆索的故障检测。上述外攀爬型机器人这两种运动方式都可以实现蛇形机器人在高压输电线缆上的无障碍环境攀爬，自身翻滚步态则很难实现对悬垂线夹的越障攀爬。这两种运行方式，攀爬效率都较低。

由于蛇形机器人机体与外部保持直接接触，因此，不可避免的存在机器人与外部环境的摩擦力。机器人能否能够高效运行，很大程度取决于如何有效的利用外部摩擦力。目前，较多的蛇形机器人采用驱动轮方式提供前进动力，如东京工业大学的hirose团队的ACM-R3和ACM-R4机器人，日本Okayama大学的Tetsushi团队机器人均采用驱动轮的方式提供动力，hirose团队的Souryu型机器人和美国密西根大学omnitread型机器人采用带履带驱动轮提供前进动力；Hirose团队的ACM-R5和ACM-S1型机器人的行走轮采用棘轮方式，借助机体的运动配合使得机器人能够在粗糙地面滑行；卡耐基-梅隆大学的Choset，上海交大的孙洪、马培荪等和华南理工的魏武等直接利用机器人机体与外界的干摩擦借助机体的翻滚或蠕动提供机器人前进动力；挪威科技大学的Liljeback借助机器人于外部凸起障碍的反作用力提供前进动力。韩国Mingu Lee等提出一种带滚动轮的蛇形机器人，模仿机器人腹鳞的逆止功能。

采用行走轮的方式由于需要额外的行走轮动力来源，因此增加了机械系统的复杂程度。另外，行走轮需要存在合适的摩擦接触姿态才能产生有效驱动力，这在外攀爬环境中难以调整到这种姿态。密西根大学采用四周履带包裹的机器人对姿态的要求不严格，但机械系统复杂，很难做到高压线路对机器人体积和重量要求。棘轮方式同样也存在接触姿态要求。韩国Mingu Lee提出的驱动模式存在对线路的伤害，另外驱动设计较为复杂。

发明内容

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种蛇形机器人，其特征在于，包括若干首尾连接的蛇形机器单元，所述蛇形机器单元包括一个鳞片套筒和一个主套筒；设置在主套筒内依次排列的偏转舵机组件、往复平移舵机组件、以及连接有舵盘连接器的回转舵机组件；所述主套筒上固定有若干滚轮组件，所述鳞片套筒内壁与滚轮组件接触，并套在所述主套筒外；所述主套筒上设有一个滑动槽，所述滑动槽内设有一与往复平移舵机组件配接并能在往复平移舵机组件的驱动下在滑动槽内做往复运动的拨叉；所述鳞片套筒与拨叉固定。

本发明创造性的提出一种带鳞片套筒的蛇形机器人，利用鳞片套筒伸缩运动和鳞片对环境摩擦力的方向不一致性，实现机器人缠绕行走和攀爬越障。这种机器人对高压输电线路的缠绕姿态要求低，可以实现对高压输电线路的高效攀爬。

在上述的一种蛇形机器人，所述回转舵机组件包括第一回转舵机支撑盘、第二回转舵机支撑盘以及固定在两个回转舵机支撑盘之间的回转舵机，所述回转舵机输出轴配接一个外齿轮，外齿轮与一个内齿轮环啮合，所述舵盘连接器与内齿轮环连接固定，所述内齿轮环同时与第二回转舵机支撑盘和一个压接盘同轴心，所述内齿轮环、所述第二回转舵机支撑盘、所述压接盘与若干滚珠构成一个滚动轴承。

在上述的一种蛇形机器人，所述的往复平移舵机组件包括一个往复舵机以及两个用于固定往复舵机的往复平移舵机支撑件，所述往复平移舵机支撑件与主套筒固定；所述往复舵机输出轴配接有一个往复舵机舵盘，所述拨叉通过销轴固定在往复舵机舵盘上，拨叉顶端开有螺纹孔，通过螺钉与鳞片套筒固定。

在上述的一种蛇形机器人，所述的偏转舵机组件包括一个偏转舵机以及两个与主套筒固定的偏转舵机支撑件，所述偏转舵机输出轴配接有主舵盘，所述主舵盘与相邻的蛇形机器单元的舵盘连接器配接。

在上述的一种蛇形机器人，所述鳞片套筒由圆柱套筒和若干固定在圆柱套筒上的刚性鳞片组成，所述鳞片套筒所受摩擦力是各向异性的，且前进时摩擦力远小于后退时的摩擦力，当鳞片受到导线压力作用时会产生轻微变形，压力解除后恢复变形。

一种蛇形机器人的控制方法，其特征在于，包括：

直线段行走方法：在直线段行走时，各个蛇形机器单元体首尾连接等螺距缠绕在导线上，通过每个单元上鳞片套筒的有序伸缩，并借助鳞片套筒上鳞片的逆止功能，使得蛇形机器人整体以缠绕姿态前进，具体包括以下步骤：

步骤1：机器人编号为奇数的鳞片套筒向前移动到首端；

步骤2：机器人编号为偶数的鳞片套筒向前移动到首端；

步骤3：机器人所有的鳞片套筒全部移动到末端，机器人机体向前移动一个步长；

重复步骤1至步骤3即可实现机器人连续的向前移动；

遇到障碍物的攀越方法：各个蛇形机器单元按照螺旋姿态以一定压力逐步缠绕障碍物，借助鳞片套筒的有序伸缩移动和鳞片逆止功能，提供机器人前进的驱动力，使得机器人整体缠绕越过障碍物，进入下一个直线段行走姿态。

因此，本发明具有如下优点：对高压输电线路的缠绕姿态要求低，可以实现对高压输电线路的高效攀爬。

附图说明

图1是本发明中单个蛇形机器单元的一种立体结构示意图。

图2是本发明中单个蛇形机器单元（去除鳞片套筒和主套筒）的一种立体结构示意图。

图3是本发明中单个蛇形机器单元（去除鳞片套筒）的一种立体结构示意图。

图4是本发明中两个蛇形机器单元连接后的主视结构示意图。

图5是图4的俯视结构示意图。

图6是本发明的蛇形机器人直线段行走的示意图。

图7是本发明的蛇形机器人过悬垂线夹的示意图。

图8a是本发明的蛇形机器人前进过程初始状态示意图。

图8b是本发明的蛇形机器人前进过程中奇数鳞片套筒移至首端的示意图。

图8c是本发明的蛇形机器人前进过程中偶数鳞片套筒移至首端的示意图。

图8d是本发明的蛇形机器人前进过程所有鳞片套筒移至末端，机器人前进一个步长的示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

1.首先介绍一下本发明的机械机构：如图1所示，本发明所涉及的一种蛇形机器人，包括若干首尾连接的蛇形机器单元，所述蛇形机器单元包括一个鳞片套筒1和一个主套筒2；设置在主套筒2内依次排列的偏转舵机组件、往复平移舵机组件、以及连接有舵盘连接器8的回转舵机组件；所述主套筒2上固定有若干滚轮组件，所述鳞片套筒1内壁与滚轮组件接触，并套在所述主套筒2外；所述主套筒2上设有一个滑动槽16，所述滑动槽16内设有一与往复平移舵机组件配接并能在往复平移舵机组件的驱动下在滑动槽16内做往复运动的拨叉15；鳞片套筒1与拨叉15固定。

其中，回转舵机包括第一回转舵机支撑盘3、第二回转舵机支撑盘4以及固定在两个回转舵机支撑盘之间的回转舵机5，所述回转舵机5输出轴配接一个外齿轮6，外齿轮6与一个内齿轮环7啮合，所述舵盘连接器8与内齿轮环7连接固定，所述内齿轮环7同时与第二回转舵机支撑盘4和一个压接盘9同轴心，所述内齿轮环7、所述第二回转舵机支撑盘4、所述压接盘9与若干滚珠10构成一个滚动轴承。

往复平移舵机组件包括一个往复舵机11以及两个用于固定往复舵机11的往复平移舵机支撑件12，所述往复平移舵机支撑件12与主套筒2固定；所述往复舵机11输出轴配接有一个往复舵机舵盘14，所述拨叉15通过销轴固定在往复舵机舵盘14上，拨叉15顶端开有螺纹孔，通过螺钉与鳞片套筒1固定。拔叉15嵌入在主套筒2上的滑动槽16内，拔叉15的一端与鳞片套筒1保持固定连接，拔叉15的另一端设计有滑道22，与往复舵机舵盘14上安装的销钉保持滑动连接。往复舵机11在小于90°的范围内带动往复舵机舵盘14往复转动，从而带动拔叉15的轴向平移，进而实现鳞片套筒1的往复运动。

偏转舵机组件包括一个偏转舵机17以及两个与主套筒2固定的偏转舵机支撑件18，所述偏转舵机17输出轴配接有主舵盘19，所述主舵盘19与相邻的蛇形机器单元的舵盘连接器8配接。

鳞片套筒1由圆柱套筒20和若干固定在圆柱套筒20上的刚性鳞片21组成，所述鳞片套筒1所受摩擦力是各向异性的，且前进时摩擦力远小于后退时的摩擦力，当鳞片受到导线压力作用时会产生轻微变形，压力解除后恢复变形。这些鳞片具有前进方向摩擦力小，而反方向摩擦力大的特点，从而具备机器人在粗糙表面行进的可行性。

2.下面介绍一下本发明所涉及的蛇形机器人行进方式。

机器人在直导线上行走姿态如图6所示。通过调整每个单元的偏转和回转角度，使得机器人按照等距螺旋形的方式缠绕在导线上。通过控制机器人上的电机力矩输出，实现对缠绕力的控制。通过控制每个单元的往复运动舵机的运动，实现对机器人鳞片套筒的往复运动。

3，下面介绍一下本发明所涉及的蛇形机器人的步态产生方法。

具体的机器人步态生成方法如图8a至图8d所示。为了方便描述，图中作了如下几点简化表示。

A，鳞片套筒用单一的鳞片表示

B，将机器人缠绕的空间立体姿态沿着机器人对称轴进行平面展开。

机器人的起始状态为机器人所有鳞片套筒全部移动到套筒末端如图8a所示。机器人的前进过程可以分解为以下几个步骤。

步骤1：机器人编号为奇数的鳞片套筒向前移动到首端，如图8b所示。

步骤2：机器人编号为偶数的鳞片套筒向前移动到首端。如图8c所示

步骤3：机器人所有的鳞片套筒全部移动到末端，机器人机体向前移动一个步长。如图8d所示。

重复步骤1~3即可实现机器人连续的向前移动。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了鳞片套筒1、主套筒2、第一回转舵机支撑盘3、第二回转舵机支撑盘4、回转舵机5、外齿轮6、内齿轮环7、舵盘连接器8、压接盘9、滚珠10、往复舵机11、往复平移舵机支撑件12、往复舵机13、往复舵机舵盘14、拨叉15、滑动槽16、偏转舵机17、偏转舵机支撑件18、主舵盘19、圆柱套筒20、刚性鳞片21等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明的精神相违背的。

Claims (6)

1.一种蛇形机器人，其特征在于，包括若干首尾连接的蛇形机器单元，所述蛇形机器单元包括一个鳞片套筒(1)和一个主套筒(2)；设置在主套筒(2)内依次排列的偏转舵机组件、往复平移舵机组件、以及连接有舵盘连接器(8)的回转舵机组件；所述主套筒(2)上固定有若干滚轮组件，所述鳞片套筒(1)内壁与滚轮组件接触，并套在所述主套筒(2)外；所述主套筒(2)上设有一个滑动槽(16)，所述滑动槽(16)内设有一与往复平移舵机组件配接并能在往复平移舵机组件的驱动下在滑动槽(16)内做往复运动的拨叉(15)；所述鳞片套筒(1)与拨叉(15)固定。

2.根据权利要求1所述的一种蛇形机器人，其特征在于，所述回转舵机组件包括第一回转舵机支撑盘(3)、第二回转舵机支撑盘(4)以及固定在两个回转舵机支撑盘之间的回转舵机(5)，所述回转舵机(5)输出轴配接一个外齿轮(6)，外齿轮(6)与一个内齿轮环(7)啮合，所述舵盘连接器(8)与内齿轮环(7)连接固定，所述内齿轮环(7)同时与第二回转舵机支撑盘(4)和一个压接盘(9)同轴心，所述内齿轮环(7)、所述第二回转舵机支撑盘(4)、所述压接盘(9)与若干滚珠(10)构成一个滚动轴承。

3.根据权利要求2所述的一种蛇形机器人，其特征在于，所述的往复平移舵机组件包括一个往复舵机(11)以及两个用于固定往复舵机(11)的往复平移舵机支撑件(12)，所述往复平移舵机支撑件(12)与主套筒(2)固定；所述往复舵机(11)输出轴配接有一个往复舵机舵盘(14)，所述拨叉(15)通过销轴固定在往复舵机舵盘(14)上，拨叉(15)顶端开有螺纹孔，通过螺钉与鳞片套筒(1)固定。

4.根据权利要求3所述的一种蛇形机器人，其特征在于，所述的偏转舵机组件包括一个偏转舵机(17)以及两个与主套筒(2)固定的偏转舵机支撑件(18)，所述偏转舵机(17)输出轴配接有主舵盘(19)，所述主舵盘(19)与相邻的蛇形机器单元的舵盘连接器(8)配接。

5.根据权利要求3所述的一种蛇形机器人，其特征在于，所述鳞片套筒(1)由圆柱套筒(20)和若干固定在圆柱套筒(20)上的刚性鳞片(21)组成，所述鳞片套筒(1)所受摩擦力是各向异性的，且前进时摩擦力远小于后退时的摩擦力，当鳞片受到导线压力作用时会产生轻微变形，压力解除后恢复变形。

6.一种权利要求1所述的蛇形机器人的控制方法，其特征在于，包括：

直线段行走方法：在直线段行走时，各个蛇形机器单元体首尾连接等螺距缠绕在导线上，通过每个单元上鳞片套筒的有序伸缩，并借助鳞片套筒上鳞片的逆止功能，使得蛇形机器人整体以缠绕姿态前进，具体包括以下步骤：

步骤1：机器人编号为奇数的鳞片套筒向前移动到首端；

步骤2：机器人编号为偶数的鳞片套筒向前移动到首端；

步骤3：机器人所有的鳞片套筒全部移动到末端，机器人机体向前移动一个步长；

重复步骤1至步骤3即可实现机器人连续的向前移动；

遇到障碍物的攀越方法：各个蛇形机器单元按照螺旋姿态以一定压力逐步缠绕障碍物，借助鳞片套筒的有序伸缩移动和鳞片逆止功能，提供机器人前进的驱动力，使得机器人整体缠绕越过障碍物，进入下一个直线段行走姿态。