CN103737579B - 具有适应不平整地面能力的蛇形机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有适应不平整地面能力的蛇形机器人，包括蛇头和多个首尾依次相连的关节模块，各关节模块均包括机身、位于机身下方的轮子以及连接机身与轮子且用于检测轮子与地面接触状况的自适应悬挂系统，两相邻关节模块之间通过关节转轴相连，各关节转轴分别由安装在各个关节模块上的关节电机驱动，各关节模块上还设置有关节电机控制器，关节电机控制器接收自适应悬挂系统的接触信号并对关节电机进行控制，蛇头上设置有用于对各关节电机控制器进行控制的整机控制器。本发明可有效控制蛇形机器人的轮子与地面之间的接触力，保证蛇形机器人在不平整地面上的正常运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种蛇形机器人，尤其涉及一种具有适应不平整地面能力的蛇形机器人。
背景技术
蛇形机器人，是一种能够模仿生物蛇运动的新型仿生机器人，它因具有身体细长，横截面小，形状可变等特点，而能够在障碍物密集的狭窄空间中穿行，并可攀爬跨越障碍物。现有的蛇形机器人一般由多个关节模块组成，关节模块的内部结构为液压、气动或者电动，具有单自由度或多自由度的运动方式，关节模块通过轮子与地面接触，虽然关节模块的内部结构和功能各有不同，但轮子与地面是否能够保持可靠稳定的接触是蛇形机器人能否成功爬行的重要因素。
专利CN1291821C公开了一种具有地面适应能力的蛇形机器人，其由蛇头和多个单自由度的关节模块组成，在蛇头部分处设有主控单元及地面特性检测装置，每个关节模块上设执行单元，执行单元接收主控单元的控制信号，执行单元之间通过CAN总线连接，组成分布式控制系统。该蛇形机器人由于在蛇头上安装地面特性检测装置，与关节模块的执行单元、蛇头中安装的主控单元及程序控制相配合，使蛇形机器人能分辨出多种不同的地面，如硬地面、软土、沙地等，并能在多种不同的地面上自动变化步态运动，以适应不同的地面，但该蛇形机器人在不平整地面爬行时，不能保证关节模块与地面的有效接触，无法适应存在不平整地面的工作环境。
为使蛇形机器人具备在不平整地面爬行的能力，研究出现了一种通过调整关节模块之间的夹角以使关节模块上的轮子与地面接触能够被保持的蛇形机器人，但该种蛇形机器人存在以下两个方面的问题：首先，根据蛇形运动规律计算得到的关节模块间的夹角，需要实时修正才能够保持轮子与地面的接触，为了进行这种实时的修正计算，不仅需要使用传感器以获得地面的信息，而且对蛇形机器人的控制器的计算能力提出了很高的要求，这不仅增加了蛇形机器人的复杂程度以及研制和维护成本，而且降低了可靠性；其次，该种蛇形机器人仅能够保证轮子与地面发生接触，但无法有效地控制调整轮子与地面之间的接触力的大小，这也限制了蛇形机器人在不平整地面上的应用。
由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。
发明内容
本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供了一种具有适应不平整地面能力的蛇形机器人。
本发明所采用的技术方案为：
具有适应不平整地面能力的蛇形机器人，包括蛇头和多个首尾依次相连的关节模块，其特征在于：各关节模块均包括机身、位于机身下方的轮子以及连接机身与轮子且用于检测轮子与地面接触状况的自适应悬挂系统，两相邻关节模块之间通过关节转轴相连，各关节转轴分别由安装在各个关节模块上的关节电机驱动，各关节模块上还设置有关节电机控制器，关节电机控制器接收自适应悬挂系统的接触信号并对关节电机进行控制，蛇头上设置有用于对各关节电机控制器进行控制的整机控制器。
机身下方的轮子有一个，轮子套置在与机身相平行的轮轴上，各关节模块上的自适应悬挂系统有两套，其分别位于轮子的两侧。
所述自适应悬挂系统包括力传感器和板弹簧，力传感器安装在机身的底端，板弹簧的一端与力传感器固连，另一端与轮轴固连。
所述自适应悬挂系统包括角度传感器和板弹簧，机身的底端一侧凸设有用于安装角度传感器的定位块，角度传感器与定位块固连，板弹簧的一端与角度传感器转动连接，另一端与轮轴固连。
所述自适应悬挂系统包括位移传感器和板弹簧，机身的底端前侧设置有用于安装位移传感器的第一凸块，机身的底端后侧设置有用于安装板弹簧的第二凸块，位移传感器与第一凸块固连，板弹簧的一端与第二凸块固连，另一端与轮轴固连，位移传感器通过竖直导杆与轮轴相连，竖直导杆的一端沿位移传感器做上下移动，另一端与板弹簧和轮轴的连接端固连。
由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：
1、本发明通过设置自适应悬挂系统改善了蛇形机器人的轮子与地面之间的接触方式，可使蛇形机器人在不平整地面上获取稳定的接触力，提高了蛇形机器人在不平整地面上的适应能力，扩大了其应用范围。
2、本发明结构紧凑，安装维修方便，制作成本较低，稳定性高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中关节模块一种实施方式的结构示意图。
图3为图2中关节模块的正视图。
图4为本发明中关节模块一种实施方式的结构示意图。
图5为图4中关节模块的正视图。
图6为本发明中关节模块一种实施方式的结构示意图。
其中，
1、机身 2、自适应悬挂系统 3、轮子 4、关节转轴 5、轮轴 6、力传感器 7、板弹簧 8、定位块 9、角度传感器 10、位移传感器 11、竖直导杆 12、第一凸块13、第二凸块
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一：如图1至图3所示，具有适应不平整地面能力的蛇形机器人，包括蛇头和多个首尾依次相连的关节模块，各关节模块均包括机身1、位于机身1下方的一个轮子3以及连接机身1与轮子3且用于检测轮子3与地面接触状况的自适应悬挂系统2，轮子3套置在与机身1相平行的轮轴5上，各关节模块上的自适应悬挂系统2有两套，其分别位于轮子3的两侧，所述自适应悬挂系统2包括力传感器6和板弹簧7，力传感器6安装在机身1的底端，板弹簧7的一端与力传感器6固连，另一端与轮轴5固连；两相邻关节模块之间通过关节转轴4相连，各关节转轴4分别由安装在各个关节模块上的关节电机驱动，各关节模块上还设置有关节电机控制器，关节电机控制器分别与自适应悬挂系统2和关节电机通信连接，关节电机控制器接收自适应悬挂系统2的接触信号并对关节电机进行控制，由于各关节模块的总体运动轨迹相同，但各关节模块在某一刻的动作轨迹不同，因此，蛇头上设置有用于对各关节电机控制器进行控制的整机控制器。
实施例二：如图4和图5所示，具有适应不平整地面能力的蛇形机器人，与实施例一中的蛇形机器人的结构基本相同，其不同之处在于，所述自适应悬挂系统2包括角度传感器9和板弹簧7，机身1的底端一侧凸设有用于安装角度传感器9的定位块8，角度传感器9与定位块8固连，板弹簧7的一端与角度传感器9转动连接，另一端与轮轴5固连。
实施例三：如图6所示，具有适应不平整地面能力的蛇形机器人，与实施例一中的蛇形机器人的结构基本相同，其不同之处在于，所述自适应悬挂系统2包括位移传感器10和板弹簧7，机身1的底端前侧设置有用于安装位移传感器10的第一凸块12，机身1的底端后侧设置有用于安装板弹簧7的第二凸块13，位移传感器10与第一凸块12固连，板弹簧7的一端与第二凸块13固连，另一端与轮轴5固连，位移传感器10通过竖直导杆11与轮轴5相连，竖直导杆11的一端沿位移传感器10做上下移动，另一端与板弹簧7和轮轴5的连接端固连。
所述的自适应悬挂系统2不论是采用力传感器6与板弹簧7的组合，还是采用角度传感器9与板弹簧7的组合，还是采用位移传感器10与板弹簧7的组合，其基本原理都是一致的，即通过各类传感器采集轮子3与地面的接触状况信息并将该信息传递至关节电机控制器，关节电机控制器根据接收到的信号控制关节电机的运转，进而控制关节转轴4的运转，从而有效地调整控制轮子3与地面的接触力的大小，保证蛇形机器人与不平整地面之间存在稳定的接触力，以使蛇形机器人在不平整的地面上也能正常行走。
本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
尽管本文较多地使用了机身1、自适应悬挂系统2、关节转轴4、力传感器6、板弹簧7、竖直导杆11、第一凸块12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精神相违背的。
需要进一步说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。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。
Claims (3)
1.具有适应不平整地面能力的蛇形机器人，包括蛇头和多个首尾依次相连的关节模块，其特征在于：各关节模块均包括机身、位于机身下方的轮子以及连接机身与轮子且用于检测轮子与地面接触状况的自适应悬挂系统，两相邻关节模块之间通过关节转轴相连，各关节转轴分别由安装在各个关节模块上的关节电机驱动，各关节模块上还设置有关节电机控制器，关节电机控制器接收自适应悬挂系统的接触信号并对关节电机进行控制，蛇头上设置有用于对各关节电机控制器进行控制的整机控制器；机身下方的轮子有一个，轮子套置在与机身相平行的轮轴上，各关节模块上的自适应悬挂系统有两套，其分别位于轮子的两侧；所述自适应悬挂系统包括力传感器和板弹簧，力传感器安装在机身的底端，板弹簧的一端与力传感器固连，另一端与轮轴固连。
2.具有适应不平整地面能力的蛇形机器人，包括蛇头和多个首尾依次相连的关节模块，其特征在于：各关节模块均包括机身、位于机身下方的轮子以及连接机身与轮子且用于检测轮子与地面接触状况的自适应悬挂系统，两相邻关节模块之间通过关节转轴相连，各关节转轴分别由安装在各个关节模块上的关节电机驱动，各关节模块上还设置有关节电机控制器，关节电机控制器接收自适应悬挂系统的接触信号并对关节电机进行控制，蛇头上设置有用于对各关节电机控制器进行控制的整机控制器；机身下方的轮子有一个，轮子套置在与机身相平行的轮轴上，各关节模块上的自适应悬挂系统有两套，其分别位于轮子的两侧；所述自适应悬挂系统包括角度传感器和板弹簧，机身的底端一侧凸设有用于安装角度传感器的定位块，角度传感器与定位块固连，板弹簧的一端与角度传感器转动连接，另一端与轮轴固连。
3.具有适应不平整地面能力的蛇形机器人，包括蛇头和多个首尾依次相连的关节模块，其特征在于：各关节模块均包括机身、位于机身下方的轮子以及连接机身与轮子且用于检测轮子与地面接触状况的自适应悬挂系统，两相邻关节模块之间通过关节转轴相连，各关节转轴分别由安装在各个关节模块上的关节电机驱动，各关节模块上还设置有关节电机控制器，关节电机控制器接收自适应悬挂系统的接触信号并对关节电机进行控制，蛇头上设置有用于对各关节电机控制器进行控制的整机控制器；机身下方的轮子有一个，轮子套置在与机身相平行的轮轴上，各关节模块上的自适应悬挂系统有两套，其分别位于轮子的两侧；所述自适应悬挂系统包括位移传感器和板弹簧，机身的底端前侧设置有用于安装位移传感器的第一凸块，机身的底端后侧设置有用于安装板弹簧的第二凸块，位移传感器与第一凸块固连，板弹簧的一端与第二凸块固连，另一端与轮轴固连，位移传感器通过竖直导杆与轮轴相连，竖直导杆的一端沿位移传感器做上下移动，另一端与板弹簧和轮轴的连接端固连。
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