CN103419854B - 多关节气动蛇形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多关节气动蛇形机器人。由多个结构相同的蛇身关节串联组成，蛇身关节均包括连接板和三个结构相同的执行器部件；微型气缸分别固定在U型支架一侧的上面，气缸活塞杆与U型连接板底面固接，U型支架另一侧的下面固定有球铰副，U型连接板两侧的孔内装有连接板铰轴与两侧的连接板轴座孔构成转动副，球铰副与下一个蛇身关节的连接板的一个通孔过盈配合；同理，另外二个执行器部件也与所述连接板各自的缺口和下一个蛇身关节的下连接板孔连接，依次类推构成多关节气动蛇形机器人。本发明每一个关节具有三个自由度，实现偏转，俯仰及伸缩运动，运动灵活；完成一般机器蛇的蜿蜒，扭动，侧向，蠕动等运动，及其他机器人很难实现的动作。

Description

多关节气动蛇形机器人

技术领域

本发明涉及机器人结构，尤其是涉及一种多关节气动蛇形机器人。

背景技术

移动机器人已经广泛应用于社会生活的各个领域，具有轻小快等优点的小型机器人尤其受到人们的青睐。虽然机器人运动形式有很多种，但是大多还是只能在地形较为简单的环境下运行，目前还很难通过野外实际环境，自然环境下的复杂地形和复杂条件如水洼，洞穴等都是现在移动机器人的很大挑战。

生物蛇因其柔软多变的身躯而具备多种运动形式，使它能够适应各种复杂的地理环境。蛇被认为是越障能力最强的动物之一。近几年，国内外有各类模仿生物蛇的结构形式和运动规律的蛇形机器人的研究，并且取得了许多研究成果。目前的蛇形机器人主要是以模仿蛇形机构的运动原理以及蛇行走时的多种运动模式为主。具体是通过改变各个关节之间的相对运动角度来使蛇体模仿蛇的蜿蜒、伸缩、侧向等运动方式。

其中，有一种蛇形机器人采用舵机驱动的扭动前进方式，相邻关节之间只有一个自由度，受其结构限制，存在动力不足，动作速度慢，越障困难的缺点。另外一种蛇形机器人，通过电机驱动布置在体外的小轮来实现蛇形移动，存在在实际野外环境中适应性较差的缺点。另外一种蛇形机器人，用电机带动覆盖蛇形机器人全身的几条履，虽然可以实现全身动力，但存在结构复杂，体积大重量大，耗能较大等缺点。还有一种蛇形机器人，采用电机带动缠在机器蛇周身的机器蛇绳的方式，控制蛇形机器人前进，但是存在机构复杂，蛇绳容易发生相互缠绕等问题。

目前的主要驱动方式为电机或舵机驱动，由于蛇形机器人的发展方向是越来越小，因此装在蛇形机器人上的电机功率都比较小，因此很难实现蛇形机器人的快速动作，也很难越过陡峭复杂的地形。另外，由于这些蛇形机器人上有电机舵机等带电设备，因此它们在潮湿或者浅水区域活动时，需要考虑复杂的防水技术。已有的蛇形机器人的两个关节之间只有一个或者两个自由度，需要大量关节串联才能实现较为复杂运动，这显著增加了蛇形机器人的体积，制约了其适应性。

发明内容

针对上述现有的技术缺陷，本发明的目的是提供了一种多关节气动蛇形机器人，可以完成一般机器蛇的蜿蜒，扭动，侧向，蠕动等运动方式，甚至还可以实现抬头，伸缩，攀爬等其他机器人很难实现的动作。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

本发明主要由多个结构相同的3-RPS并联机构的蛇身关节串联组成；蛇身关节：均包括连接板和三个结构相同的执行器部件；连接板的同一圆周上开有等分分布的三个通孔，连接板的圆周侧面分别开有三个缺口，三个通孔和三个缺口相位差为60°；

每个执行器部件：均包括微型气缸、U型支架、球铰副和U型连接板；微型气缸固定在U型支架一侧的上面，气缸活塞杆与U型连接板底面固接，U型支架另一侧的下面固定有球铰副，U型连接板两侧的孔内装有连接板铰轴，露出U型连接板两侧外的连接板铰轴两端分别与两侧的连接板轴座孔构成转动副，U型连接板的两侧分别嵌入连接板的圆周侧面的缺口中固定，球铰副与下一个蛇身关节的下连接板的一个通孔过盈配合；同理，另外二个执行器部件的U型连接板的两侧也分别嵌入连接板圆周侧面另外两个缺口中固定，另外二个球铰副也分别与下一个蛇身关节的下连接板的另外二个通孔过盈配合；依次类推构成多关节气动蛇形机器人。

本发明具有有益效果是：

 1.本发明为直线气动驱动，气动执行器输出力和工作速度的调节非常容易，本发明运行响应高，行走速度快。

2.本发明利用气动元件小型化和低功耗的特点，结构简单轻巧，可靠性高。

3.本发明蛇身部分没有带电设备，可以在潮湿泥泞的复杂地形中行进。

4.本发明每一个模块具有三个自由度，可以实现偏转，俯仰及伸缩运动，运动灵活；可以完成一般机器蛇的蜿蜒，扭动，侧向，蠕动等运动方式，甚至还可以实现抬头，伸缩，攀爬等其他机器人很难实现的动作。

5.本发明具有体积小，实用性强，越障能力强，速度快等特点，解决了现有技术中的机器蛇动力不足，机构复杂，适应性差等瓶颈问题。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明单个3-RPS并联机构形式的蛇身关节结构图。

图3是本发明单个模块的执行器部分的结构示意图。

图4是本发明连接板部分的结构示意图。

其中： 1、蛇身关节，2、执行器部件，3、连接板，4、下连接板，5、U型连接板，6、螺母，7、气缸活塞杆，8、微型气缸，9、扁螺母，10、气缸通用接头，11、螺母，12、放松垫圈，13、球铰副，14、U 型支架，15、端板轴座，16、螺栓，17、连接板铰轴，18、螺母，I、气缸，II 、气缸，III、气缸。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明主要由多个结构相同的3-RPS并联机构的蛇身关节1串联组成。

如图1、图2、图3所示，蛇身关节：均包括连接板3和三个结构相同的执行器部件2。

如图2、图3所示，连接板3的同一圆周上开有等分分布的三个通孔，侧面分别开有三个缺口，三个通孔和三个缺口相位差为60°。每一个模块由连接板3、三个执行器部件2组成。执行器部件通过连接板法兰和连接板铰轴17配合形成转动副，通过球铰副13与下连接板4通孔过盈配合形成空间球铰副。这样构成的3个执行器部件都是上侧为转动副，下侧为空间球绞副，微型气缸8是用于提供驱动力的移动副，如此构成的单个模块为3-RPS机构，具有三个自由度。

如图1、图2、图3、图4所示，执行器部件2：均包括微型气缸8、U型支架14、球铰副13和U型连接板5；微型气缸8分别由扁螺母9固定在U型支架14一侧的上面，气缸通用接头10与微型气缸8下端口连接，气缸活塞杆7与U型连接板底面5由两个螺母6固接，U型支架14另一侧的下面与球铰副13用防松垫片12和螺母11固接，U型连接板5两侧的孔内装有连接板铰轴17，露出U型连接板5两侧外的连接板铰轴17两端分别与两侧的连接板轴座15孔构成转动副，两侧的连接板嵌入缺口中固定，并用螺栓16和螺母18将连接板轴座15和下连接板4固定连接在一起，球铰副13与下一个蛇身关节1的下连接板4的一个通孔过盈配合；同理，另外二个执行器部件也与所述连接板3各自的缺口和下一个蛇身关节1的连接板3孔连接，依次类推构成多关节气动蛇形机器人。通过给微型气缸8供气，气缸的活塞杆可以前后运动。

本发明为一种多关节气动蛇形机器人，每一个蛇身关节由3-RPS并联机构构成，具有3个自由度，可以实现偏转，俯仰和伸缩运动。

本发明的工作原理为：

如图2所示，在一个蛇身关节1中，当气缸I通气源，气缸II，III通大气时，连接板3相对下连接板4向下运动；当气缸I通大气，气缸II，III通气源时，连接板3相对于下连接板4向上运动，这两个动作完成了连接板3相对于下连接板4的俯仰动作。当气缸I，II通气源，气缸III通大气时，连接板3相对下连接板4向右下侧运动；当气缸I，II通大气，气缸III通气源时，连接板3相对下连接板4向左上侧运动；当气缸I，III 通气源，气缸II通大气时，连接板3相对下连接板4向左下侧运动；当气缸I，III通大气，气缸II通气源时，连接板3相对下连接板4向右上侧运动，这四个动作实现了连接板3相对下连接板4的四个方向的偏转运动。当气缸I，II，III气缸同时接气源，连接板3伸出；当气缸I，II，III气缸同时接大气，连接板3缩回，这两个动作实现了连接板3相对于下连接板4的伸缩运动，使蛇前进或后退。通过多个模块串联，气动蛇可以实现的位置数成指数增长，完全可以满足各种位置需求。

本发明，通过各个气缸不同的供气方式，实现蛇身不同的位置模式，通过连续变换蛇身形态，驱动蛇形机器人前进。在陆地环境下，特别是潮湿，泥泞的复杂环境下，本发明拥有其他蛇形机器人无法比拟的优势。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式中的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种多关节气动蛇形机器人，其特征在于：主要由多个结构相同的3-RPS并联机构的蛇身关节（1）串联组成；蛇身关节：均包括连接板（3）和三个结构相同的执行器部件；连接板（3）的同一圆周上开有等分分布的三个通孔，连接板（3）的圆周侧面分别开有三个缺口，三个通孔和三个缺口相位差为60°；

每个执行器部件：均包括微型气缸（8）、U型支架（14）、球铰副（13）和U型连接板（5）；微型气缸（8）固定在U型支架（14）一侧的上面，气缸活塞杆（7）与U型连接板底面（5）固接，U型支架（14）另一侧的下面固定有球铰副（13），U型连接板（5）两侧的孔内装有连接板铰轴（17），露出U型连接板（5）两侧外的连接板铰轴（17）两端分别与两侧的连接板轴座（15）孔构成转动副，U型连接板的两侧分别嵌入连接板（3）的圆周侧面的缺口中固定，球铰副（13）与下一个蛇身关节（1）的下连接板（4）的一个通孔过盈配合；同理，另外二个执行器部件的U型连接板的两侧也分别嵌入连接板（3）圆周侧面另外两个缺口中固定，另外二个球铰副（13）也分别与下一个蛇身关节（1）的下连接板（4）的另外二个通孔过盈配合；依次类推构成多关节气动蛇形机器人。