CN104816302A - 一种蛇形爬网机器人及其爬网方法 - Google Patents

Abstract

一种蛇形爬网机器人及其爬网方法，包括多个单元模块，单元模块之间通过万向节驱动单元相串联，每一单元模块具有双电机驱动舵机及位于双电机驱动舵机两侧的鳞片机构，鳞片机构内包括驱动电机，与驱动电机的输出轴固定的中心齿轮，中心齿轮的外周设有三个行星轮与中心齿轮相啮合，行星轮外侧设有齿圈，齿圈具有内齿和外齿，内齿与行星轮相啮合，外齿与多个传动齿轮相啮合，传动齿轮分布于齿圈的外周，传动齿轮固定于蜗杆上，蜗杆与蜗轮相互配合，蜗轮上固定有鳞片。采用电机驱动齿轮，进而驱动蜗杆蜗轮的方式使鳞片抓住网格，可靠度高，易于控制，且单元模块既可用于攀爬，又可充当机械手，执行检修任务。

Description

一种蛇形爬网机器人及其爬网方法

技术领域

本发明涉及仿生机器人领域，特别涉及一种仿生蛇形机器人。

背景技术

蛇形机器人是一种模仿蛇的运动机理和行为方法研制出的机器人，由于其环境适应性强、运动灵活性好、结构易模块化、适应范围广，具有很大的研究价值和应用前景。

如中国专利CN201410663548.4所公开的一种蛇形机器人，由若干单元模块首尾相连组合而成，单元模块包括双电机驱动舵机1、模块骨架2及鳞片机构，所述双电机驱动舵机1内包含两个相同的电机，且两个电机的电机轴平行设置，模块骨架2一侧固定安装有两条第一舵机连接臂3，另一侧固定安装有两条第二舵机连接臂4，两条第一舵机连接臂3与双电机驱动舵机1的电机的电机轴相连接，所述鳞片机构包括鳞片张合电机5、丝杠6、丝母7、导引盘8、鳞片9及连杆10，鳞片9的根部铰接在模块骨架2上，所述连杆10一端铰接在鳞片9的中部，连杆10另一端铰接在导引盘8上。在需要蛇形机器人爬行前进时，调整鳞片张合电机5，使鳞片9张开，此时鳞片9的尖部与地面接触，由于受到鳞片摩擦各向异性作用，两端单元模块受到的摩擦力不同，其中受到摩擦力大的模块基本保持不动，受到摩擦力小的模块向前推进，进而实现爬行前进。上述蛇形机器人通过鳞片与地面的摩擦作用，使蛇形机器人进行爬行。然而这种方法需要鳞片与地面的摩擦力大，则电机的功耗大，并且鳞片长期与地面存在较大的摩擦，导致鳞片容易损坏，耐久度降低。同时，上述利用摩擦方法实现爬行的蛇形机器人只能用于地面，而无法应用于网格。

关于实现爬网的机器人，目前国内外相关文献记载很少，只有日本大阪大学研制的一款名为ASTERISK的六足机器人，文献“全方位倒挂爬网肢体机器人”(“Omni-directional Gaitof Limb Mechanism Robot Hanging from Grid-Like Structure”)2006年IEEE/RSJ智能机器人与系统国际会议,pp.1732-1737,2006，记载该六足机器人可以在倒挂的网格上爬行，但其自由度太高，控制难度大，不适合在户外复杂环境中执行任务。

因此，有必要设计一种可靠的爬网机器人。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可靠、方便爬网的蛇形爬网机器人及其爬网方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种蛇形爬网机器人，包括多个单元模块，所述单元模块之间通过万向节驱动单元相串联，每一所述单元模块具有双电机驱动舵机及位于所述双电机驱动舵机两侧的鳞片机构，所述双电机驱动舵机内包含两个相同的电机，且两个所述电机的电机轴平行设置，每一所述鳞片机构内包括驱动电机，与所述驱动电机的输出轴固定的中心齿轮，所述中心齿轮的外周设有三个行星轮与所述中心齿轮相啮合，所述行星轮的外侧设有齿圈，所述齿圈具有内齿和外齿，所述内齿与所述行星轮相啮合，所述外齿与多个传动齿轮相啮合，所述传动齿轮分布于所述齿圈的外周，每一所述传动齿轮固定于一蜗杆上，所述蜗杆与蜗轮相互配合，所述蜗轮上固定有鳞片。

进一步，所述万向节驱动单元包括两个大力矩驱动电机以及万向节连接件，两个所述大力矩驱动电机通过所述万向节连接件以相互正交的方法连接。

进一步，相邻的所述单元模块之间连接有电源盒。

进一步，所述鳞片机构的两端设有支撑圆盘，一端的所述支撑圆盘延伸有第一连接臂连接于所述双电机驱动舵机，另一端的所述支撑圆盘延伸有第二连接臂连接于所述万向节驱动单元，所述第一连接臂与所述第二连接臂在圆周方向上相差90度。

进一步，两端的所述支撑圆盘之间设有多个支撑金属杆，所述鳞片机构安装于所述金属圆盘之间。

进一步，所述鳞片机构的外侧设有保护外壳。

进一步，所述传动齿轮设有八个，沿所述齿圈圆周均匀分布，对应的，所述蜗杆、所述蜗轮及所述鳞片均设有八个，沿圆周均匀分布。

采用上述蛇形爬网机器人的爬网方法,包括：

a.定义相邻的所述单元模块为首部单元模块和尾部单元模块，控制所述首部单元模块内的两个所述鳞片机构内的所述驱动电机以相反的方向转动，带动所述中心齿轮绕相反的方向转动，进而带动两个所述鳞片机构中的所述鳞片背向彼此转动，使所述鳞片张开；

b.驱动所述首部单元模块内的所述双电机驱动舵机内的两个电机的电机轴以相反的方向转动，使两个所述鳞片机构朝向彼此移动；

c.使步骤a中的所述驱动电机反转，带动所述鳞片朝向彼此转动，扣紧网格；

d.控制所述万向节驱动单元，使所述尾部单元模块移动到一定位置，再控制所述尾部单元模块重复步骤a至步骤c；

e.控制所述首部单元模块和所述尾部单元模块轮流重复步骤a至步骤d，实现爬网。

进一步，所述首部单元模块或所述尾部单元模块上设有检修件，当所述蛇形爬网机器人在网格上检修时，所述首部单元模块或所述尾部单元模块其中之一个紧扣住所述网格，另一个进行检修操作。

本发明的有益效果：

利用驱动电机驱动中心齿轮转动，进而将驱动电机的动力传递给中心齿轮，行星轮，齿圈，传动齿轮，蜗杆及蜗轮，进而使蜗轮上的鳞片绕一定角度转动，从而实现对网格的扣紧和松开，且利用双电机驱动舵机使相邻鳞片机构彼此靠近，从而使鳞片固定于网格上，再通过万向节驱动单元控制单元模块在网格上移动，实现蛇形爬网机器人的爬网。采用上述方法使鳞片抓住网格，可靠度高，且单元模块既可用于攀爬，又可充当机械手，执行检修任务，上述爬行步态通过控制各个电机就可完成，且单元模块之间只进行前后移动，自由度相对较少，易于控制。

附图说明

图1为本发明蛇形爬网机器人的整体结构示意图；

图2为本发明蛇形爬网机器人中单元模块中鳞片机构的结构示意图；

图3为图2的俯视图；

首部单元模块10     双电机驱动舵机1    鳞片机构2          驱动电机21

中心齿轮22         行星轮23           齿圈24             内齿241

外齿242            传动齿轮25         蜗杆26             蜗轮27

鳞片28             支撑圆盘3          第一连接臂31       第二连接臂32

支撑金属杆4        保护外壳5          尾部单元模块20     万向节驱动单元30

大力矩驱动电机301  万向节连接件302    电源盒40

具体实施方法

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至图3所示，本发明蛇形爬网机器人包括多个单元模块，单元模块之间通过万向节驱动单元30相串联，即多个单元模块首尾相连。在本实施例中，所述单元模块具有两个，分别定义为首部单元模块10和尾部单元模块20，首部单元模块10与尾部单元模块20的结构相同。首部单元模块10和尾部单元模块20之间设有电源盒40，以及连接电源盒40与单元模块的万向节驱动单元30，该万向节驱动单元30包括两个大力矩驱动电机301以及万向节连接件302，两个大力矩驱动电机301通过万向节连接件302以相互正交的方法刚性连接。通过万向节驱动单元30的驱动作用，可使单元模块在一定角度范围内任意移动。

每个单元模块包括双电机驱动舵机1，两个鳞片机构2分别位于双电机驱动舵机1的两侧。双电机驱动舵机1内包含两个相同的电机，且两个电机的电机轴平行设置。每个鳞片机构2的两端分别设有支撑圆盘3，一端的支撑圆盘3安装有第一连接臂31连接于双电机驱动舵机1，另一端的支撑圆盘3安装有第二连接臂32连接于万向节驱动单元30，第一连接臂31与第二连接臂32分别相对于支撑圆盘3中心对称设置，两者在圆周方向上相差90度。两个支撑圆盘3之间设有多个支撑金属杆4，鳞片机构2安装于两个支撑圆盘3之间。

鳞片机构2包括驱动电机21，与驱动电机21的输出轴固定的中心齿轮22，中心齿轮22外周均匀分布三个行星轮23与中心齿轮22相啮合，行星轮23外侧设有齿圈24，齿圈24具有内齿241和外齿242，内齿241与行星轮23相啮合，外齿242与多个传动齿轮25相啮合，传动齿轮25均匀分布于齿圈24的外周，每一传动齿轮25固定于一蜗杆26上，蜗杆26与蜗轮27相互配合，每个蜗轮27上固定有鳞片28。在本实施例中，鳞片28具有八个，对应的，蜗轮27、蜗杆26及传动齿轮25都具有8个相互之间一一对应，均相对于齿圈24的圆周均匀分布。其中，传动齿轮25套设固定于蜗杆26上，蜗杆26的一端套设于支撑圆盘3上，另一端与蜗轮27相配合，将传动齿轮25的绕径向转动转化为蜗轮27的绕轴向转动，进而控制鳞片28绕轴向的转动。在本实施例中，每对蜗轮27、蜗杆26外侧套设有保护外壳5，该保护外壳5是塑胶材料制成，对蜗轮27的转动起保护作用。

鳞片28运动时，由驱动电机21将动力传递给中心齿轮22，中心齿轮22通过与三个行星轮23的啮合将动力传递给行星轮23，进而通过行星轮23与齿圈24的内齿241的啮合将动力传递给齿圈24，再通过外齿242与传动齿轮25的啮合将动力传递给传动齿轮25，传动齿轮25套设固定于蜗杆26上，使蜗杆26随传动齿轮25的转动而转动，蜗杆26与蜗轮27相互作用，将动力传递给蜗轮27，使蜗轮27绕轴向转动，进而带动其上的鳞片28旋转一定角度，因此可以实现鳞片28的打开或闭合。蛇形爬网机器人通过万向节驱动单元30和单元模块内对应鳞片28的配合动作，实现按照预先设定的爬网步态完成爬网。

本发明蛇形爬网机器人的整个爬网方法如下：

a.控制首部单元模块10内的两个鳞片机构2内的驱动电机21以相反的方向转动，带动中心齿轮22绕相反的方向转动，然后带动齿圈24绕相反的方向转动，进而将动力传动到蜗轮27、蜗杆26，且蜗轮27绕相反的方向转动，使得两个鳞片机构2内的鳞片28背向彼此转动，从而使所述鳞片28张开与网格接触；

b.驱动首部单元模块10内的双电机驱动舵机1内的两个电机的电机轴以相反的方向转动，使两个鳞片机构2朝向彼此移动；

c.再控制首部单元模块10内的两个鳞片机构2内的驱动电机21分别以与步骤a相反的方向转动，带动鳞片28朝向彼此转动，扣紧网格使首部单元模块10固定于网格上；

d.控制万向节驱动单元30内的大力矩驱动电机301，使尾部单元模块20移动到一定位置，然后控制尾部单元模块20重复步骤a至步骤c，即将尾部单元模块20固定到网格上；

e.控制首部单元模块10和尾部单元模块20轮流重复步骤a至步骤d，实现蛇形爬网，即使首部单元模块10和尾部单元模块20轮流进行松开网格—彼此靠近—扣紧网格—向前移动的步骤，进行完整的爬网动作。

本发明采用蛇形爬网机器人在网格上爬行，采用鳞片28抓住网格的方法可靠度高，且单元模块既可用于攀爬，又可充当机械手，执行检修任务，例如：首部单元模块10或所述尾部单元模块20上设有检修件(未图示)，当蛇形爬网机器人在网格上检修时，首部单元模块10或尾部单元模块20其中之一个紧扣住网格，另一个进行检修操作。并且上述爬行步态通过控制各个电机就可完成，且单元模块之间只进行前后移动，自由度相对较少，易于控制。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种蛇形爬网机器人，包括多个单元模块，所述单元模块之间通过万向节驱动单元相串联，每一所述单元模块具有双电机驱动舵机及位于所述双电机驱动舵机两侧的鳞片机构，所述双电机驱动舵机内包含两个相同的电机，且两个所述电机的电机轴平行设置，其特征在于：每一所述鳞片机构内包括驱动电机，与所述驱动电机的输出轴固定的中心齿轮，所述中心齿轮的外周设有三个行星轮与所述中心齿轮相啮合，所述行星轮的外侧设有齿圈，所述齿圈具有内齿和外齿，所述内齿与所述行星轮相啮合，所述外齿与多个传动齿轮相啮合，所述传动齿轮分布于所述齿圈的外周，每一所述传动齿轮固定于一蜗杆上，所述蜗杆与蜗轮相互配合，所述蜗轮上固定有鳞片。

2.根据权利要求1所述的蛇形爬网机器人,其特征在于：所述万向节驱动单元包括两个大力矩驱动电机以及万向节连接件，两个所述大力矩驱动电机通过所述万向节连接件以相互正交的方法连接。

3.根据权利要求1所述的蛇形爬网机器人,其特征在于：相邻的所述单元模块之间连接有电源盒。

4.根据权利要求1所述的蛇形爬网机器人,其特征在于：所述鳞片机构的两端设有支撑圆盘，一端的所述支撑圆盘安装有第一连接臂连接于所述双电机驱动舵机，另一端的所述支撑圆盘安装有第二连接臂连接于所述万向节驱动单元，所述第一连接臂与所述第二连接臂在圆周方向上相差90度。

5.根据权利要求4所述的蛇形爬网机器人,其特征在于：两端的所述支撑圆盘之间设有多个支撑金属杆，所述鳞片机构安装于所述金属圆盘之间。

6.根据权利要求1所述的蛇形爬网机器人,其特征在于：所述鳞片机构的外侧设有保护外壳。

7.根据权利要求1所述的蛇形爬网机器人,其特征在于：所述传动齿轮设有八个，沿所述齿圈圆周均匀分布，对应的，所述蜗杆、所述蜗轮及所述鳞片均设有八个，沿圆周均匀分布。

8.采用权利要求1所述的蛇形爬网机器人的爬网方法,其特征在于，包括：

a.定义相邻的所述单元模块为首部单元模块和尾部单元模块，控制所述首部单元模块内的两个所述鳞片机构内的所述驱动电机以相反的方向转动，带动所述中心齿轮绕相反的方向转动，进而带动两个所述鳞片机构中的所述鳞片背向彼此转动，使所述鳞片张开；

b.驱动所述首部单元模块内的所述双电机驱动舵机内的两个电机的电机轴以相反的方向转动，使两个所述鳞片机构朝向彼此移动；

c.使步骤a中的所述驱动电机反转，带动所述鳞片朝向彼此转动，扣紧网格；

d.控制所述万向节驱动单元，使所述尾部单元模块移动到一定位置，再控制所述尾部单元模块重复步骤a至步骤c；

e.控制所述首部单元模块和所述尾部单元模块轮流重复步骤a至步骤d，实现爬网。

9.根据权利要求8所述的蛇形爬网机器人的爬网方法,其特征在于：所述首部单元模块或所述尾部单元模块上设有检修件，当所述蛇形爬网机器人在网格上检修时，所述首部单元模块或所述尾部单元模块其中之一个紧扣住所述网格，另一个进行检修操作。