CN107830307A - 一种高机动性的尺蠖式蠕动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高机动性的尺蠖式蠕动机器人，能够同时进行蠕动运动和尺蠖式运动。所述蠕动机器人包括位于两端的头部和尾部，内部包含电源，控制器和传感器模块。在头部和尾部段之间由柔性皮肤覆盖的驱动部分是由至少4个相同的驱动机构组成的。所述驱动机构是一个特别设计的3自由度机构，该驱动机构不仅能够快速地向前运动，而且其所具有的全半球转动能力使得机器人能够以更小的半径急剧转向和提升躯体。因此，本发明非常有益于穿过较小的间隙，并且可以通过急转弯或爬行而避开障碍物。这种运动方式使得该蠕动机器人能够应用于多种领域，包括手术内窥镜检查，石油和天然气行业管道检查，以及洪水、地震或核事故等灾害的搜救行动。

Description

一种高机动性的尺蠖式蠕动机器人

技术领域

本发明涉及一种仿生尺蠖式蠕动机器人，属于机器人技术领域。

背景技术

石油和天然气行业中，对于直径较宽的管道维护方法很多，但对于直径较小的管道来说，需要开发可在这些小空间内移动或爬行的高机动性机器人。在医学领域，对于人体食管、肠和尿道等较小的管道，可以使用这种类型的微生物机器人进行人体检查。如内窥镜技术可通过微机器人介入，还可用于消除不同身体部位如尿管等的堵塞。在洪水，地震，爆发火灾，核事故等灾害中，可以通过这种蠕动机器人寻找被困在障碍物、残骸中的人。高机动性蠕动机器人的发明具有重要意义。基于此，研究人员给出了如波动、爬行、匍匐和游动等形式的仿生机器人。多段式多驱动结构的设计方法可以在其中任一驱动机构发生故障时提升机器人的鲁棒性，同时，采用相同的驱动机构串联减少了设计和实现的复杂性。

这些机器人可工作在完全自主、半自主或人工控制状态下。一般来说，由于智能仿生机器人设计要求尺寸紧凑，较大驱动功率，高机动性，以及对技术和材料的要求限制，新型机器人研发是一个需多学科紧密合作的领域。为了模拟仿生机器人的运动模式，提出了很多技术方案，如基于形状记忆合金SMA的驱动方案。由于SMA蠕动机器人采用微型直流电机、伺服电机，气动功率微型泵，或特定情况下的外磁场驱动方案，在机器人机动性和控制性能上有很多局限性。仿生机器人采用单一运动模式不能满足应用要求。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，使蠕动机器人具有更好的环境适应性，本发明提出一种高机动性的尺蠖式蠕动机器人，采用特别设计的3自由度机构作为驱动机构，同时实现蠕动运动(仿蚕)和尺蠖式运动(仿尺蠖)。本发明实现的机器人具有高的机动性，其驱动结构具有全半球转动能力，能够进行灵敏转向，并以较小半径实现躯体提升。

本发明给出一种多段式高机动性尺蠖式蠕动机器人，其主体结构包括前侧的头部、后段的尾部、以及中间被柔性皮肤覆盖的驱动结构部分。

头尾部分在结构上是对称的。蠕动机器人可以在前后两个方向上移动，但是为了简化路径计算，将运动方向设为固定。头部和尾部还包含用于机器人自主操作的控制器，电源和传感器模块。

头部和尾部都具有一组四个仿生吸盘，在移动时可以粘附到接触表面。可以根据应用要求选择吸盘的类型。在玻璃上移动可采用真空垫；在金属表面移动可采用电磁垫；在粗糙表面可以采用摩擦垫等。当需要与接触面粘附时，机器人对吸盘进行激励，但是当需要运动时，相应的吸盘必须通过自身提升或者逐个卸下吸盘而脱离与地面的接触。可以根据机器人的运动所需的保持力来增加或减少仿生吸盘的数量。

在头部和尾部之间通过柔性皮肤覆盖着驱动结构部分。柔性皮肤不仅使得机器人拥有毛毛虫一样的形状，还可以保护驱动部分的内部部件免受恶劣环境中的灰尘和液体的污染。驱动部分主要负责机器人的蠕动，转向，提升，收缩和伸长等运动。

驱动结构部分由4个串联连接的驱动机构组成。驱动机构是在美国专利US569969基础上的改进设计。专利US569969给出的空间机器结构，也称为坎菲尔德结构，改进设计后作为驱动结构应用在本发明所设计的蠕动机器人中。本发明所设计的三自由度驱动机构不仅能够实现快速的蠕动运动，而且具有全半球转动能力，使得机器人能够以更小的半径进行大幅度转向以及躯体提升。每个驱动部分都由顶部连杆和底部连杆构成，通过连杆和旋转关节组成的臂链连接在一起。顶部连杆和底部连杆都具有3个间隔120°成Y形结构的臂杆。底部连杆上安装有电机，当电机旋转主动连杆时，被动连杆相应地旋转，从而驱动结构顶部连杆移动。通过这种控制方式形成驱动结构的俯仰，横滚和升降运动。

本发明的机器人可以进行蠕动运动和尺蠖式运动，也可以进行复杂的复合运动，如沿着其长度轴爬升、扭曲、换向。机器人可按既定的节奏移动。

基于上述原理，本发明的技术方案为：

所述一种高机动性的尺蠖式蠕动机器人，其特征在于：包括头部、中部和尾部；头部和尾部具有用于粘附到接触表面的吸盘，且在头部和尾部内包含控制器，电源和传感器模块；中部由柔性材料和驱动部分组成，驱动部分两端连接头部和尾部，柔性材料为可变性的套筒结构，两端连接头部和尾部，并将驱动部分整体包覆在柔性材料套筒结构内部。

进一步的优选方案，所述一种高机动性的尺蠖式蠕动机器人，其特征在于：所述吸盘为真空垫，电磁垫或摩擦垫，分别对应在玻璃表面，金属表面或粗糙表面移动。

进一步的优选方案，所述一种高机动性的尺蠖式蠕动机器人，其特征在于：所述驱动部分包括至少四个相同的驱动机构；

所述驱动机构包括顶部连杆、底部连杆、驱动电机以及三组臂链；

所述顶部连杆和底部连杆均为Y形结构，Y形结构的三个臂杆处于同一平面内，且相互成120°夹角；每组所述臂链由两根臂连杆组成；两根臂连杆在一端相连且能够转动配合，两根臂连杆整体的外端分别与顶部连杆的一个臂杆外端以及底部连杆的一个臂杆外端连接，且能够转动配合，并且同一组臂链两端以及中部的三个转轴相互平行；

所述底部连杆的三个臂杆外端均固定安装有驱动电机；所述驱动电机能够驱动与底部连杆臂杆外端转动连接的臂链端部绕转轴转动；

相邻两个驱动机构通过一个驱动机构的顶部连杆中心与另一个驱动机构的底部连杆中心同轴固定连接，且一个驱动机构顶部连杆的三个臂杆与另一个驱动机构底部连杆的三个臂杆交错布置。

进一步的优选方案，所述一种高机动性的尺蠖式蠕动机器人，其特征在于：同一组臂链的两个臂连杆之间通过销轴转动配合；同一组臂链两个臂连杆的外端端面开有轴向盲孔，轴向盲孔内安装有短连杆，短连杆通过臂连杆外端侧壁的销孔与臂连杆固定连接；顶部连杆以及底部连杆的臂杆外端均采用U形结构，短连杆插入对应臂杆外端的U形结构内，并在U形结构侧壁和短连杆侧面开有同轴通孔；所述驱动电机固定安装在臂杆外端U形结构的侧壁上，驱动电机的输出轴穿过U形结构侧壁和短连杆侧面的同轴通孔，其中驱动电机的输出轴与U形结构转动配合，驱动电机的输出轴与短连杆固定连接。

有益效果

与现有技术相比，本发明同时具有蠕动运动和尺蠖式运动的能力，具有以下优点：

1.多段驱动机构的设计使得蠕动机器人可以实现蠕动运动(如蚯蚓)以及尺蠖式运动(如尺蠖)，同时可以结合爬升、转向、扭转和伸缩来完成复杂运动。由于这种高机动性和急转弯能力使其成为具有广泛应用的多功能蠕动机器人。

2.能够快速的向前进行蠕动运动，同时具有全半球转动能力，能够以更小的半径进行大幅度转向以及躯体提升。另外，能够通过急转弯或攀爬来避开障碍物。

3.采用串联驱动机构的方法使机器人能够承载较大负载。具有定位精度高，可控性强等诸多优点。

4.基于多段相同驱动机构串联的设计方法，增加了设计的简单性，提高机器人的鲁棒性，驱动部分中一个驱动机构出现故障时，其它驱动机构仍然能够完成运动。

5.头部和尾部包含控制器，动力源，仿生吸盘和传感器模块，因此机器人能够实现自动控制。

6.选择各种不同材料的仿生吸盘可使机器人在不同类型的地面上运动。

7.头部和尾部的对称性设计使得机器人具有改变运动方向的能力。

8.驱动机构的无填充空间可用于吸入不需要的颗粒或运输东西。

9.蠕动机器人的伸缩、偏转和俯仰多个组合运动，以及平滑，快速和稳定运动特性，使其在现有的蠕动机器人中占有重要优势。

10.蠕动机器人可用于石油化工行业的U，V，L型接头管道检查。适用于管道急转弯检查中。

11.蠕动机器人可用于发动机的检查、维护或机器的清洁。

12.该机器人有助于更好地诊断人体中的疾病或健康问题，特别是胃肠道、脊髓手术心脏病学和妇科学等。它们可以帮助运送不同类型的小单元，并有助于去除不同身体部位的血液斑块和结石。

13.机器人能够广泛应用于洪水，地震，火灾，核事故等灾难或灾害中，可以通过蠕动机器人寻找被困在障碍物、残骸上的物体。

14.本发明可用于核聚变装置的远程操作和维护，对核聚变反应堆的运行情况进行监测，有助于未来的核聚变反应堆自动化技术的可持续维护和开发。

15.蠕动机器人的高机动性使其可很好的用于太空探索，它可以深入到行星或卫星的岩石或表面下，进行搜索。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明给出的高机动性尺蠖式蠕动机器人示意图。

图2是本发明机器人的结构部件和运动轴的示意图。

图3是由驱动机构组成的机器人驱动部分的内部组件的截面图。

图4是本发明的驱动机构的结构示意图。

图5是本发明的驱动机构的分解示意结构图。

图6是本发明的驱动段中的两个驱动机构的接合组件的说明示意图。

图7是两个驱动机构的联接组件的俯视图的示意图。

图8是本发明的完全缩回实例的结构示意图。

图9是本发明的完全拉伸实例的结构示意图。

图10是机器人头部提升实例的结构示意图。

图11是机器人头部向右转动实例的结构示意图。

图12是整个驱动部分的弯曲成Ω形运动实例的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1、2和3所示。一种高机动性尺蠖式蠕动机器人，其主体结构由前侧的头部1、后侧的尾部2以及中间被柔性皮肤3S覆盖着的驱动部分3组成。柔性皮肤可以像弹簧一样伸缩，本实施例中所有的驱动机构(3A，3B，3C和3D)在挤压的情况下会产生收缩。柔性皮肤不仅使得机器人拥有毛毛虫一样的形状，还可以保护驱动部分的内部部件免受外界灰尘和流体的污染。头部和尾部包含控制器，电源和传感器模块，主要负责机器人的自主控制。

头部和尾部是机器人用来粘附接触面的部分，都具有一组四个仿生吸盘(4和5)，在移动时可以粘附到接触表面。可以根据应用要求选择吸盘的类型。在玻璃上移动可采用真空垫；在金属表面移动可采用电磁垫；在粗糙表面可以采用摩擦垫等。当需要与接触面粘附时，机器人对吸盘进行激励，但是当需要运动时，相应的吸盘通过自身提升或者逐个放松吸盘而脱离与表面的接触。

如图2所示，蠕动机器人沿X轴前进或后退；用“ψ”表示机器人的转向，即偏航运动；俯仰运动由“φ”表示；滚动运动由“θ”表示。驱动部分3模仿蠕虫进行转向，爬升，收缩和伸长运动。

在图4中，驱动部分3具有4个相同的串联连接的驱动机构3A，3B，3C和3D。驱动机构是3自由度机构。该机构可以沿相关轴线产生俯仰，滚动和升降运动。

驱动机构的详细结构图如图4和5所示。每个驱动机构由顶部连杆、底部连杆、驱动电机以及三组臂链组成。

如图5所示，底部连杆具有能够与相邻驱动机构连接的中心枢轴点3_Base。底部连杆具有3个处于同一平面间隔120°成Y形结构的臂杆1a，1b和1c。类似地，顶部连杆也具有一中心枢轴孔3_Top，与底部连杆对应具有3个臂杆33a，33b和33c。顶部连杆以及底部连杆的臂杆外端均采用U形结构。图5中标号后缀a、b、c分别对应驱动机构中的三套相同结构，每套结构包括顶部连杆的一个臂杆、一组臂链、底部连杆的一个臂杆以及一个驱动电机，以下描述中以其中一套机构为例进行描述，省略标号后缀。

每组臂链由两根臂连杆20和14组成；两根臂连杆在各自的一端开有销孔18和21，并通过销钉19穿过销孔18和21，将两根臂连杆在一端相连且能够转动配合，形成旋转关节。两根臂连杆的外端侧面分别开有槽17和24，槽内各开有一个销孔16和23，两根臂连杆的外端端面分别开有轴向盲孔15和22。短连杆9和28的端轴11和26分别伸入两根臂连杆外端端面的轴向盲孔15和22中，且在端轴11和26侧面分别开有一个销孔12和27，销钉13穿过销孔16和12，将臂连杆14外端与短连杆9同轴固定连接，销钉25穿过销孔23和27，将臂连杆20外端与短连杆28同轴固定连接。

短连杆9和28的侧面分别开有一个通孔10和29，通孔10的形状与驱动电机的输出轴截面形状相同。

在顶部连杆臂杆外端的U形结构31侧壁开有同轴通孔32，短连杆28插入顶部连杆臂杆外端的U形结构31内，且短连杆28侧面通孔29与U形结构侧壁同轴通孔32同轴，销钉30穿过短连杆28侧面通孔29和U形结构侧壁同轴通孔32，使得短连杆28能够绕销钉30转动，由于短连杆28与臂连杆20同轴固定连接，所以臂连杆20能够相对顶部连杆臂杆外端转动。

在底部连杆臂杆外端的U形结构侧壁开有同轴通孔，短连杆9插入底部连杆臂杆外端的U形结构内，且短连杆9侧面通孔10与U形结构侧壁同轴通孔同轴，驱动电机固定在U形结构侧壁外侧，驱动电机的输出轴穿过U形结构侧壁和短连杆侧面的同轴通孔，其中驱动电机的输出轴与U形结构转动配合，驱动电机的输出轴与短连杆固定连接。驱动电机输出轴转动时，能够带动短连杆9相对U形结构转动，由于短连杆9与臂连杆14同轴固定连接，即实现臂连杆14相对底部连杆臂杆外端转动，继而带动臂连杆20转动。

在图6中，给出了两个驱动机构(3A和3B)的组装示意图。驱动机构3A的顶部连杆中心3_Top连接到驱动机构3B的底部连杆中心3_Base。图7给出了两个驱动机构的俯视图。为了方便臂杆的运动，一个驱动机构顶部连杆的三个臂杆与另一个驱动机构底部连杆的三个臂杆旋转交错布置。如果没有旋转，则三个臂杆将彼此重合，从而限制了工作空间也会损坏部件。

图8给出了所有驱动机构达到最小收缩位置的尺蠖式蠕动机器人的完全缩回模式。图9给出了当所有驱动机构达到最大拉伸时，蠕动机器人的完全伸长的位置。驱动部分的节奏性收缩和拉伸被称为蠕动运动，类似于蚯蚓的运动。如图9所示，头部通过完全拉伸驱动部分而平移，从而达到节奏1的最大位置。如图8所示，尾部通过完全收缩驱动部分而向前移动，从而达到完成节奏2的最小位置。蠕动机器人不断的循环节奏1和节奏2形成蠕动运动。

图10所示，蠕动机器人提升躯体进行攀爬。在提升过程中，机器人的所有负载由尾部承载。尾部上的仿生吸盘能够产生足够的摩擦力，使得举起的躯体能够在空中保持。如图11所示，蠕动机器人通过驱动机构执行向右转向。柔性皮肤3S随着驱动机构的运动而旋转。图12给出了蠕动机器人的弯曲姿势。在这种姿势下，所有的驱动部分都处于全半球位置(90°)，因此，蠕虫机器人的形状看起来像一个Ω。尺蠖式运动是类似于尺蠖毛毛虫的一种运动技术。弯曲(如图12所示)和拉伸(如图9所示)是在运动过程中重复的尺蠖式运动的两种节奏模式。将节奏0称为拉伸运动(如图9所示)，驱动部分完全伸长，达到最大距离。然后在节奏1，也称为弯曲运动(如图12所示)，整个驱动部分执行完整的半球形转弯，从而形成环形或桥梁(Ω形)，节奏2称为提升运动(如图10所示)，第一驱动机构3A将保持45°斜向上，其余机构(3B，3C和3D)将全部拉伸，此时头部保持提升位置。蠕动机器人将通过循环节奏0到节奏2的运动来实现尺蠖式运动。

本发明还可以同时进行蠕动运动和弯曲运动结合的复合运动，其可以是爬升，转向，扭转以及伸长和缩回的组合。根据情况，通过控制驱动机构(3A，3B，3C和3D)的运动产生这种复杂的姿势，如图1所示。

在描述本发明附图所示的具体实例中，为了表述清晰，采用了专业术语。但本发明不仅限于所选择的专业术语，每个特定部分包括以类似方式操作或以实现类似目的的所有技术等同。基于本发明揭示的技术,相应的修正和变化,都应涵盖在本发明的保护范围之内，例如，类似于本发明，改变驱动结构的几何构型。只要是类似于本发明的设计思想和运动设计思路，类似于本发明的3自由度的运动方式，都应在本发明保护范围，即本发明的保护范围以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种高机动性的尺蠖式蠕动机器人，其特征在于：包括头部、中部和尾部；头部和尾部具有用于粘附到接触表面的吸盘，且在头部和尾部内包含控制器，电源和传感器模块；中部由柔性材料和驱动部分组成，驱动部分两端连接头部和尾部，柔性材料为可变性的套筒结构，两端连接头部和尾部，并将驱动部分整体包覆在柔性材料套筒结构内部。

2.根据权利要求1所述一种高机动性的尺蠖式蠕动机器人，其特征在于：所述吸盘为真空垫，电磁垫或摩擦垫，分别对应在玻璃表面，金属表面或粗糙表面移动。

3.根据权利要求1所述一种高机动性的尺蠖式蠕动机器人，其特征在于：所述驱动部分包括至少四个相同的驱动机构；

所述驱动机构包括顶部连杆、底部连杆、驱动电机以及三组臂链；

所述顶部连杆和底部连杆均为Y形结构，Y形结构的三个臂杆处于同一平面内，且相互成120°夹角；每组所述臂链由两根臂连杆组成；两根臂连杆在一端相连且能够转动配合，两根臂连杆整体的外端分别与顶部连杆的一个臂杆外端以及底部连杆的一个臂杆外端连接，且能够转动配合，并且同一组臂链两端以及中部的三个转轴相互平行；

所述底部连杆的三个臂杆外端均固定安装有驱动电机；所述驱动电机能够驱动与底部连杆臂杆外端转动连接的臂链端部绕转轴转动；

相邻两个驱动机构通过一个驱动机构的顶部连杆中心与另一个驱动机构的底部连杆中心同轴固定连接，且一个驱动机构顶部连杆的三个臂杆与另一个驱动机构底部连杆的三个臂杆交错布置。

4.根据权利要求3所述一种高机动性的尺蠖式蠕动机器人，其特征在于：同一组臂链的两个臂连杆之间通过销轴转动配合；同一组臂链两个臂连杆的外端端面开有轴向盲孔，轴向盲孔内安装有短连杆，短连杆通过臂连杆外端侧壁的销孔与臂连杆固定连接；顶部连杆以及底部连杆的臂杆外端均采用U形结构，短连杆插入对应臂杆外端的U形结构内，并在U形结构侧壁和短连杆侧面开有同轴通孔；所述驱动电机固定安装在臂杆外端U形结构的侧壁上，驱动电机的输出轴穿过U形结构侧壁和短连杆侧面的同轴通孔，其中驱动电机的输出轴与U形结构转动配合，驱动电机的输出轴与短连杆固定连接。