CN104002888B - 一种基于四边形机构的蛇形机器人 - Google Patents

Abstract

一种基于四边形机构的蛇形机器人，属于机器人研究和工程技术领域，特别是涉及一种基于四边形机构的蛇形机器人。本发明实现了三维运动：通过四边形机构的变形实现了俯仰运动，易于爬坡，增强了越障能力，通过偏转关节舵机和翻滚关节舵机分别实现了偏转及翻滚运动；采用模仿蛇的肋骨形状的外壳，使运动更平稳。本发明由若干个相同的模块首尾依次相连组成，每个模块均由四边形机构、偏转关节舵机、偏转关节舵机舵臂、第三外壳、翻滚关节舵机及翻滚关节舵机舵臂组成；四边形机构由第一外壳、第二外壳、伸缩杆及上、下横杆组成。

Description

一种基于四边形机构的蛇形机器人

技术领域

本发明属于机器人研究和工程技术领域，特别是涉及一种基于四边形机构的蛇形机器人。

背景技术

当代机器人的研究领域已从结构环境下的定点作业向非结构环境下的自主作业方向发展，传统方法设计的机器人很难满足这种要求，各国研究者纷纷把目光转向了自然界中形形色色的动物，仿生机器人的研究越来越多，蛇形机器人具有多关节、多自由度、多冗余度等优点，可以根据不同环境变换运动模式，具有较强的环境适应能力，因此蛇形机器人也成为仿生机器人研究的热点。

其中，一种蛇形机器人，如日本的Hirose教授研制的ACM-R3，相邻两关节采用正交连接，可以实现三维运动，该机器人采用小轮布置在体外，存在实际野外环境适应性较差的缺点。公开号为CN1269620C的中国专利公开了“一种蛇形机器人”，由于该蛇形机器人体型细长，重心低，更适合在废墟的复杂环境下运动。其不足之处是它的蛇身采用记忆合金弹簧连接，仅在底部设置用于行走的足，受记忆合金特性及足的设置位置限定，该机器人只能采用蠕动的前进方式，且不能实现翻滚前进，前进速度慢，这些缺陷限制了该蛇形机器人在灾难救援中的应用。

还有一种蛇形机器人，使用几条履带把机器蛇周身覆盖，虽然可以实现全身的动力，但存在结构复杂、体积大及重量大的缺点，因此此种结构的蛇形机器人只能适用于宽大的环境。

还有一种蛇形机器人是采用蜿蜒前进方式，对地面平整度要求高，不适合在废墟内爬行。现有蛇形机器人有的不具有外壳，有的具有圆筒形或方形外壳，圆筒形外壳在复杂地形运动中容易引起非自主的翻滚，没有外壳或方形外壳在蜿蜒运动中阻力较大。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于四边形机构的蛇形机器人，该蛇形机器人实现了三维运动：通过四边形机构的变形实现了俯仰运动，易于爬坡，增强了越障能力，通过偏转关节舵机和翻滚关节舵机分别实现了偏转及翻滚运动；采用模仿蛇的肋骨形状的外壳，使运动更平稳。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于四边形机构的蛇形机器人，由若干个相同的模块首尾依次相连组成，每个模块均由四边形机构、偏转关节舵机、偏转关节舵机舵臂、第三外壳、翻滚关节舵机及翻滚关节舵机舵臂组成；四边形机构由第一外壳、第二外壳、伸缩杆及上、下横杆组成，上、下横杆分别设置在第一、第二外壳之间的上、下两侧，上、下横杆的两端与第一、第二外壳之间分别通过销轴相铰接，并形成四边形，第一、第二外壳作为四边形的竖杆，铰接点作为四边形的顶点，伸缩杆设置在四边形的对角线位置，伸缩杆两端通过通孔套装在对应的销轴上；第二外壳与第三外壳之间通过偏转关节舵机和偏转关节舵机舵臂相连接，偏转关节舵机的上、下输出轴的外齿轮分别与上、下偏转关节舵机舵臂的内端的内齿轮相啮合，上、下偏转关节舵机舵臂的外端分别固定在第二外壳的上、下两侧，偏转关节舵机固定在第三外壳内；翻滚关节舵机固定在第一外壳的前部，翻滚关节舵机舵臂固定在偏转关节舵机的后端；翻滚关节舵机前端的输出轴的外齿轮与前方相邻模块的翻滚关节舵机舵臂的内齿轮相啮合；相邻模块的连接方式有如下两种，第一种：在第一外壳前部的外侧壁上设置有环形凹槽，第一外壳的前部伸入到前方相邻模块的第三外壳内部，若干个螺钉的底端穿过第三外壳的侧壁设置在第一外壳的环形凹槽内；第二种：在第三外壳后部的外侧壁上设置有环形凹槽，第三外壳的后部伸入到后方相邻模块的第一外壳内部，若干个螺钉的底端穿过第一外壳的侧壁设置在第三外壳的环形凹槽内。

所述上、下横杆平行设置，并与第一、第二外壳相铰接后形成平行四边形，第一、第二外壳作为平行四边形的竖杆，铰接点作为平行四边形的顶点。

所述偏转关节舵机通过第一支架固定在第三外壳内，在第一支架上设置有通孔，偏转关节舵机通过通孔固定在第一支架上，第一支架的顶端和底端均固定在第三外壳内，在第一支架的中部固定有第二支架，第二支架为水平设置的矩形框结构，第二支架套装在偏转关节舵机和第一支架的中部，翻滚关节舵机舵臂固定在第二支架的后端。

所述翻滚关节舵机通过第三支架固定在第一外壳内，在第三支架上设置有通孔，翻滚关节舵机通过通孔固定在第三支架上，第三支架的左、右两端均固定在第一外壳内，在第三支架的中部固定有第四支架，第四支架为竖直设置的矩形框结构，第四支架套装在翻滚关节舵机和第三支架的中部。

所述第一、第二、第三外壳均采用蛇的肋骨形状。

本发明的有益效果：

1、抬头运动更简单、爬坡能力增强

本发明蛇形机器人通过四边形机构具有了俯仰自由度，使抬头运动更容易实现，与传统结构的蛇形机器人相比爬坡能力增强，提高了越障能力；

2、运动稳定性好

本发明蛇形机器人的外壳模仿蛇的肋骨形状，避免了圆筒形外壳在运动中易引起的非自主的翻滚，在复杂的地面环境中，提高了运动稳定性；

3、整体重量轻

本发明蛇形机器人将第一、第二外壳等效为四边形的竖杆，在保留四边形机构特征的前提下使结构更简单，减轻了整体重量。

附图说明

图1为本发明的基于四边形机构的蛇形机器人的结构示意图；

图2为本发明的一个模块的结构示意图；

图3为本发明的四边形机构的结构示意图；

图4为安装轴承后的本发明的电动伸缩杆的结构示意图；

图5为本发明的偏转关节舵机、偏转关节舵机舵臂、翻滚关节舵机舵臂、第三外壳及第一、第二支架连接后的结构示意图；

图6为本发明的翻滚关节舵机、第一外壳及第三、第四支架连接后的结构示意图；

图中，1—偏转关节舵机，2—第一支架，3—第二支架，4—四边形机构，5—翻滚关节舵机舵臂，6—第三外壳，7—第二外壳，8—偏转关节舵机舵臂，9—环形凹槽，10—横杆，11—第一外壳，12—销轴，13—伸缩杆，14—翻滚关节舵机，15—第三支架，16—第四支架，17—轴承，18—第一模块，19—第二模块，20—第三模块，21—第四模块，22—第五模块，23—第六模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～图6所示，一种基于四边形机构的蛇形机器人，由六个相同的模块首尾依次相连组成，六个模块从头到尾依次为：第一模块18、第二模块19、第三模块20、第四模块21、第五模块22及第六模块23；每个模块均具有俯仰、偏转、翻滚三个自由度的运动功能，其中，俯仰运动通过四边形机构4的变形来实现，偏转及翻滚运动分别通过偏转关节舵机1和翻滚关节舵机14实现；每个模块均由四边形机构4、偏转关节舵机1、偏转关节舵机舵臂8、第三外壳6、翻滚关节舵机14及翻滚关节舵机舵臂5组成；

四边形机构4由第一外壳11、第二外壳7、电动伸缩杆13及上、下横杆10组成，上、下横杆10分别设置在第一、第二外壳之间的上、下两侧，上、下横杆10的两端与第一、第二外壳之间分别通过销轴12相铰接，并形成四边形，第一、第二外壳作为四边形的竖杆，铰接点作为四边形的顶点，电动伸缩杆13设置在四边形的对角线位置，电动伸缩杆13两端分别通过通孔套装在对应的销轴12上，且电动伸缩杆13与所述销轴12之间通过轴承17相连接；电动伸缩杆13通过伸缩驱动四边形机构4变形；

第二外壳7与第三外壳6之间通过偏转关节舵机1和偏转关节舵机舵臂8相连接，偏转关节舵机1的上、下输出轴的外齿轮分别与上、下偏转关节舵机舵臂8的内端的内齿轮相啮合，上、下偏转关节舵机舵臂8的外端分别固定在第二外壳7的上、下两侧，偏转关节舵机1固定在第三外壳6内；

翻滚关节舵机14固定在第一外壳11的前部，翻滚关节舵机舵臂5固定在偏转关节舵机1的后端；翻滚关节舵机14前端的输出轴的外齿轮与前方相邻模块的翻滚关节舵机舵臂5的内齿轮相啮合；

相邻模块的连接方式有如下两种，第一种：在第一外壳11前部的外侧壁上设置有环形凹槽9，第一外壳11的前部伸入到前方相邻模块的第三外壳6内部，若干个螺钉的底端穿过第三外壳6的侧壁设置在第一外壳11的环形凹槽9内，且螺钉沿第三外壳6的圆周均匀分布；第二种：在第三外壳6后部的外侧壁上设置有环形凹槽9，第三外壳6的后部伸入到后方相邻模块的第一外壳11内部，若干个螺钉的前方穿过第一外壳11的侧壁设置在第三外壳6的环形凹槽9内，且螺钉沿第一外壳11的圆周均匀分布；保证相邻模块之间能够相对转动，但不能沿轴向移动。

所述上、下横杆10平行设置，并与第一、第二外壳相铰接后形成平行四边形，第一、第二外壳作为平行四边形的竖杆，铰接点作为平行四边形的顶点。

所述偏转关节舵机1通过第一支架2固定在第三外壳6内，在第一支架2上设置有通孔，偏转关节舵机1通过通孔固定在第一支架2上，第一支架2的顶端和底端均通过螺钉固定在第三外壳6内，在第一支架2的中部固定有第二支架3，第二支架3为水平设置的矩形框结构，第二支架3套装在偏转关节舵机1和第一支架2的中部，用于连接偏转关节舵机1和第一支架2，翻滚关节舵机舵臂8固定在第二支架3的后端。

所述翻滚关节舵机14通过第三支架15固定在第一外壳11内，在第三支架15上设置有通孔，翻滚关节舵机14通过通孔固定在第三支架15上，第三支架15的左、右两端均通过螺钉固定在第一外壳11内，在第三支架15的中部固定有第四支架16，第四支架16为竖直设置的矩形框结构，第四支架16套装在翻滚关节舵机14和第三支架15的中部，用于连接翻滚关节舵机14和第三支架15。

所述偏转关节舵机1的上、下输出轴分别与上、下偏转关节舵机舵臂8之间通过螺栓相连接，避免打滑和轴向移动。

所述翻滚关节舵机14的输出轴与相邻模块的翻滚关节舵机舵臂5之间通过螺栓相连接，避免打滑和轴向移动。

所述第一、第二、第三外壳均采用蛇的肋骨形状，避免了圆筒形外壳在运动中易引起的非自主的翻滚，使运动更平稳。

所述的偏转关节舵机1的型号为HSR-8498HB；所述的翻滚关节舵机14的型号为HS-85MG；所述的电动伸缩杆13的型号为YNT-03。

下面结合附图说明本实施例的运动过程：

如图1～图6所示，本发明机器人的平面蜿蜒是靠各模块与地面之间动摩擦力来实现驱动的，动摩擦力的大小是本发明机器人对地面的正压力与动摩擦系数的乘积。当本发明机器人在表面粗糙的平地上前行时，各模块的偏转关节舵机1的输出轴转动不同的角度，偏转关节舵机舵臂8随之转动，带动各模块的第二、第三外壳之间相对转动，使本发明机器人形成类似正弦波的形状，实现了本发明的偏转运动；与此同时，相邻模块的翻滚关节舵机14的输出轴向相反方向转动，使相邻模块之间相对转动，实现了本发明的翻滚运动；本发明的偏转运动使其在平地上蜿蜒前行，在本发明的第一、第二、第三外壳与地面动摩擦系数不变的情况下，翻滚运动过程增大了本发明整体对地面的正压力，即增大了各模块与地面之间的动摩擦力，使本发明机器人向前运动的效率更高。

在地面情况复杂的救援现场，需要进行越障时，首先，第一模块18的电动伸缩杆13伸长，带动四边形机构4变形，第一模块18抬起，重心后移，采用同样的方式第二、第三模块依次抬起，使第一模块18搭在障碍物的边缘，并借助障碍物的支持力和自身的驱动，将各模块移动到障碍物上完成越障过程。

Claims (5)

1.一种基于四边形机构的蛇形机器人，其特征在于由若干个相同的模块首尾依次相连组成，每个模块均由四边形机构、偏转关节舵机、偏转关节舵机舵臂、第三外壳、翻滚关节舵机及翻滚关节舵机舵臂组成；四边形机构由第一外壳、第二外壳、伸缩杆及上、下横杆组成，上、下横杆分别设置在第一、第二外壳之间的上、下两侧，上、下横杆的两端与第一、第二外壳之间分别通过销轴相铰接，并形成四边形，第一、第二外壳作为四边形的竖杆，铰接点作为四边形的顶点，伸缩杆设置在四边形的对角线位置，伸缩杆两端通过通孔套装在对应的销轴上；第二外壳与第三外壳之间通过偏转关节舵机和偏转关节舵机舵臂相连接，偏转关节舵机的上、下输出轴的外齿轮分别与上、下偏转关节舵机舵臂的内端的内齿轮相啮合，上、下偏转关节舵机舵臂的外端分别固定在第二外壳的上、下两侧，偏转关节舵机固定在第三外壳内；翻滚关节舵机固定在第一外壳的前部，翻滚关节舵机舵臂固定在偏转关节舵机的后端；翻滚关节舵机前端的输出轴的外齿轮与前方相邻模块的翻滚关节舵机舵臂的内齿轮相啮合；相邻模块的连接方式有如下两种，第一种:在第一外壳前部的外侧壁上设置有环形凹槽，第一外壳的前部伸入到前方相邻模块的第三外壳内部，若干个螺钉的底端穿过第三外壳的侧壁设置在第一外壳的环形凹槽内；第二种：在第三外壳后部的外侧壁上设置有环形凹槽，第三外壳的后部伸入到后方相邻模块的第一外壳内部，若干个螺钉的底端穿过第一外壳的侧壁设置在第三外壳的环形凹槽内。

2.根据权利要求1所述的基于四边形机构的蛇形机器人，其特征在于所述上、下横杆平行设置，并与第一、第二外壳相铰接后形成平行四边形，第一、第二外壳作为平行四边形的竖杆，铰接点作为平行四边形的顶点。

3.根据权利要求1所述的基于四边形机构的蛇形机器人，其特征在于所述偏转关节舵机通过第一支架固定在第三外壳内，在第一支架上设置有通孔，偏转关节舵机通过通孔固定在第一支架上，第一支架的顶端和底端均固定在第三外壳内，在第一支架的中部固定有第二支架，第二支架为水平设置的矩形框结构，第二支架套装在偏转关节舵机和第一支架的中部，翻滚关节舵机舵臂固定在第二支架的后端。

4.根据权利要求1所述的基于四边形机构的蛇形机器人，其特征在于所述翻滚关节舵机通过第三支架固定在第一外壳内，在第三支架上设置有通孔，翻滚关节舵机通过通孔固定在第三支架上，第三支架的左、右两端均固定在第一外壳内，在第三支架的中部固定有第四支架，第四支架为竖直设置的矩形框结构，第四支架套装在翻滚关节舵机和第三支架的中部。

5.根据权利要求1所述的基于四边形机构的蛇形机器人，其特征在于所述第一、第二、第三外壳均采用蛇的肋骨形状。