CN108381533A - 一种蚯蚓仿生机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种蚯蚓仿生机器人，包括机器人本体，所述机器人本体包括头段、中段和尾段，所述头段与所述中段通过第一伸缩部相连接，所述中段和所述尾段通过第二伸缩部相连接，所述头段包括壳体，所述壳体内分为第一腔室和第二腔室，所述第一腔室和所述第二腔室之间设有隔板，本发明通过头段的舵机驱动运动部旋转，同时运动轮本身又发生自转，结合舵机的牵引力以及运动轮的转动力，使头段向前移动，第一电动推杆配合发生伸长和收缩，拉动中段，第二电动推杆同步的发生伸长和收缩，拉动尾段，从而在地面上进行类似蚯蚓的蠕动，柔软性好，能够在山洞、管道、瓦墟、山石等复杂恶劣的地形环境下顺畅移动，同时进行生命探测等活动。

Description

一种蚯蚓仿生机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术设备领域，特别涉及一种蚯蚓仿生机器人。

背景技术

随着人类活动的越来越频繁，在地震带上居住的人类均有遭遇地震等自然灾害的危险，而发生地震后，由于瓦砾废墟等覆盖了地面，复杂的地形使得救援探测变得格外的困难。并且地震过后余震频发，让救援工作的危险系数也大大增加。这对能够在山洞、管道、瓦墟、山石等复杂恶劣的地形环境下进行生命探测等活动的机器人提出了更高的要求。

仿生软体机器人是机器人技术领域中的一个新兴的发展分支，是当前国内外研究的热点。现有的蛇形机器人属于仿生软体机器人的一种，其通过腹部安装的滚动轮蜿蜒前行，在恶劣的地形移动与前行时，腹部下面的滚动轮时常会出现打滑以及滚动轮发生堵塞的情况，因此无法达到顺畅移动，影响了使用效果。

发明内容

(一)解决的技术问题

为了解决上述问题，本发明提供了一种蚯蚓仿生机器人，其通过头段的舵机驱动运动部旋转，同时运动轮本身又发生自转，结合舵机的牵引力以及运动轮的转动力，使头段向前移动，第一电动推杆配合发生伸长和收缩，拉动中段，第二电动推杆同步的发生伸长和收缩，拉动尾段，从而在地面上进行类似蚯蚓的蠕动，柔软性好，能够在山洞、管道、瓦墟、山石等复杂恶劣的地形环境下顺畅移动，同时进行生命探测等活动。

(二)技术方案

一种蚯蚓仿生机器人，包括机器人本体，所述机器人本体包括头段、中段和尾段，所述头段与所述中段通过第一伸缩部相连接，所述中段和所述尾段通过第二伸缩部相连接，所述头段包括壳体，所述壳体内分为第一腔室和第二腔室，所述第一腔室和所述第二腔室之间设有隔板，所述第一腔室内设有若干弹簧，所述弹簧的一端连接所述壳体的正面内侧，所述弹簧的另一端与所述隔板的一侧相连接，所述第二腔室内设有舵机，所述舵机居中的固定于所述隔板的另一侧，所述舵机的传动轴的端部连接运动部，所述运动部包括上夹板和下夹板，所述上夹板包括第一固定板和第二固定板，所述传动轴的端部固定于所述第一固定板的中心，所述第一固定板和所述第二固定板之间设有若干上螺旋叶片，所述上螺旋叶片固定于所述第一固定板和所述第二固定板之间，所述下夹板包括第三固定板和第四固定板，所述第三固定板和所述第四固定板之间设有若干下螺旋叶片，所述下螺旋叶片固定于所述第三固定板和所述第四固定板之间，所述上螺旋叶片和所述下螺旋叶片的位置一一对应，所述上螺旋叶片和所述下螺旋叶片之间设有运动轮，所述运动轮可转动的连接于所述上螺旋叶片和所述下螺旋叶片之间，所述运动轮的外侧与所述壳体的侧面内壁相切，所述第一伸缩部内设有第一伸缩腔，所述第二腔室与所述第一伸缩腔相连通，所述第一伸缩腔内设有第一电动推杆，所述第一电动推杆的一端与所述第四固定板相连接，所述第一电动推杆的另一端与所述中段的正面相连接，所述尾段与所述头段具有相同的结构且呈镜面对称，所述第二伸缩部内设有第二伸缩腔，所述第二伸缩腔内设有第二电动推杆，所述第二电动推杆的一端与所述中段的背面相连接，所述第二电动推杆的另一端连接所述尾段内的运动部，所述中段也设有壳体，所述壳体内设有控制模块、图像处理模块、GPS定位模块、无线通信模块和蓄电池，所述头段和所述尾段的表面居中的设有热红外生命探测仪，所述热红外生命探测仪的上方设有摄像头，所述热红外生命探测仪的下方设有第一红外线距离传感器和第二红外线距离传感器，所述第一红外线距离传感器和所述第二红外线距离传感器呈水平对称分布，所述热红外生命探测仪、所述摄像头、所述第一红外线距离传感器和所述第二红外线距离传感器连接所述控制模块的输入端，所述控制模块的输出端分别连接所述舵机、所述第一电动推杆、所述第二电动推杆和所述图像处理模块，所述控制模块通过所述GPS定位模块与GPS定位卫星相连接，所述控制模块通过所述无线通信模块与监控中心相连接，所述蓄电池为所述机器人本体提供工作电压。

进一步的，所述头段、所述中段和所述尾段的壳体均由硅胶材料制成。

进一步的，所述第一伸缩部和所述第二伸缩部均由硬氯乙烯材料制成。

进一步的，所述上螺旋叶片和所述下螺旋叶片的数量至少为6组。

进一步的，所述摄像头选用3D高清夜视摄像头。

进一步的，所述GPS定位模块选用ET-318SiRF Star III GPS芯片组。

进一步的，所述无线通信模块为2G、3G或4G通信模组。

进一步的，所述控制模块选用32位ARM控制器LPC1768。

进一步的，所述蓄电池为锂离子蓄电池。

(三)有益效果

本发明提供了一种蚯蚓仿生机器人，其通过头段的舵机驱动运动部旋转，同时运动轮本身又发生自转，从而使头段底部与地面之间发生侧移，结合舵机的牵引力以及运动轮的转动力，使头段向前移动，第一电动推杆配合头段的移动发生伸长和收缩，拉动中段，第二电动推杆同步的发生伸长和收缩，拉动尾段，从而在地面上进行类似蚯蚓的蠕动，头段、中段和尾段的壳体采用硅胶材料制成，柔软性好，同时具有较高的机械强度，使机器人本体能够在山洞、管道、瓦墟、山石等复杂恶劣的地形环境下顺畅移动，头段和尾段表面均设有热红外生命探测仪，可对复杂恶劣地形环境下的生命特征进行准确探测，3D高清夜视摄像头能让机器人本体在光线较差的情况下也能精确识别所处的地形环境特征，第一红外线距离传感器和第二红外线距离传感器能精确定位机器人本体前进路线上的障碍物，机器人本体通过无线网络与远端的监控中心进行通讯，将图像信息以及待救援对象所在的GPS数据发送给监控中心，实现了远程智能化监控管理，当需要调转方向时，暂停头段的舵机，使尾段的舵机工作，从而由尾段进行牵引，非常方便高效，其结构简单，体积小巧，设计巧妙，系统功耗低，检测精度高，响应速度快，稳定性和可靠性好，具有良好的实用性和可扩展性，可广泛应用于复杂恶劣地形环境下的生命探测以及科学探索等场合。

附图说明

图1为本发明所涉及的一种蚯蚓仿生机器人的外部结构示意图。

图2为本发明所涉及的一种蚯蚓仿生机器人的内部结构示意图。

图3为本发明所涉及的一种蚯蚓仿生机器人的运动部的结构示意图。

图4为本发明所涉及的一种蚯蚓仿生机器人的头段的外部结构示意图。

图5为本发明所涉及的一种蚯蚓仿生机器人的系统工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所涉及的实施例做进一步详细说明。

结合图1～图5，一种蚯蚓仿生机器人，包括机器人本体，机器人本体包括头段1、中段2和尾段3，头段1与中段2通过第一伸缩部4相连接，中段2和尾段3通过第二伸缩部5相连接，头段1包括壳体，壳体内分为第一腔室6和第二腔室7，第一腔室6和第二腔室7之间设有隔板8，第一腔室6内设有若干弹簧9，弹簧9的一端连接壳体的正面内侧，弹簧9的另一端与隔板8的一侧相连接，第二腔室7内设有舵机10，舵机10居中的固定于隔板8的另一侧，舵机10的传动轴11的端部连接运动部，运动部包括上夹板和下夹板，上夹板包括第一固定板12和第二固定板13，传动轴11的端部固定于第一固定板12的中心，第一固定板12和第二固定板13之间设有若干上螺旋叶片14，上螺旋叶片14固定于第一固定板12和第二固定板13之间，下夹板包括第三固定板15和第四固定板16，第三固定板15和第四固定板16之间设有若干下螺旋叶片17，下螺旋叶片17固定于第三固定板15和第四固定板16之间，上螺旋叶片14和下螺旋叶片17的位置一一对应，上螺旋叶片14和下螺旋叶片17之间设有运动轮18，运动轮18可转动的连接于上螺旋叶片14和下螺旋叶片17之间，运动轮18的外侧与壳体的侧面内壁相切，第一伸缩部4内设有第一伸缩腔，第二腔室7与第一伸缩腔相连通，第一伸缩腔内设有第一电动推杆19，第一电动推杆19的一端与第四固定板16相连接，第一电动推杆19的另一端与中段2的正面相连接，尾段3与头段1具有相同的结构且呈镜面对称，第二伸缩部5内设有第二伸缩腔，第二伸缩腔内设有第二电动推杆20，第二电动推杆20的一端与中段2的背面相连接，第二电动推杆20的另一端连接尾段3内的运动部，中段2也设有壳体，壳体内设有控制模块、图像处理模块、GPS定位模块、无线通信模块和蓄电池，头段1和尾段3的表面居中的设有热红外生命探测仪21，热红外生命探测仪21的上方设有摄像头22，热红外生命探测仪21的下方设有第一红外线距离传感器23和第二红外线距离传感器24，第一红外线距离传感器23和第二红外线距离传感器24呈水平对称分布，热红外生命探测仪21、摄像头22、第一红外线距离传感器23和第二红外线距离传感器24连接控制模块的输入端，控制模块的输出端分别连接舵机10、第一电动推杆19、第二电动推杆20和图像处理模块，控制模块通过GPS定位模块与GPS定位卫星相连接，控制模块通过无线通信模块与监控中心相连接，蓄电池为机器人本体提供工作电压。

头段1的舵机10工作，舵机10通过传动轴11驱动运动部旋转，带动上螺旋叶片14和下螺旋叶片17之间的运动轮18旋转。由于运动轮18的外侧与头段1的壳体侧面内壁相切，因此运动轮18本身又做自转运动，而最底端的运动轮18会通过头段1的底部与相接触的地面之间产生切线方向的作用力，结合舵机10的牵引力以及运动轮18产生的切线方向作用力，使得头段1向前移动。上螺旋叶片14和下螺旋叶片17的数量至少为6组，即运动轮18的数量至少为6个，使得运动轮18通过头段1的底部与相接触的地面之间产生切线方向作用力的频率增加，从而使头段1的移动速率增加。舵机10工作时会产生震动，震动会对头段1表面的热红外生命探测仪21、摄像头22、第一红外线距离传感器23和第二红外线距离传感器24的稳定性产生影响，因此将舵机10通过第一腔室6与头段1的表面分隔开，减小对热红外生命探测仪21、摄像头22、第一红外线距离传感器23和第二红外线距离传感器24的影响，同时在隔板8与头段1的正面之间设置若干弹簧9，弹簧9具有缓冲减震的作用，进一步减小了舵机10对热红外生命探测仪21、摄像头22、第一红外线距离传感器23和第二红外线距离传感器24稳定性的影响。

头段1向前移动，第一电动推杆19先伸长，使中段2保持原来的位置，然后第一电动推杆19缩短恢复至原来的长度，从而拉动中段2，使其向前移动。同理，第二电动推杆20先伸长，使尾段3保持原来的位置，然后第二电动推杆20缩短恢复至原来的长度，从而拉动尾段3，使其向前移动，从而使机器人本体在地面上进行类似蚯蚓的蠕动。第一伸缩部4和第二伸缩部5均由硬氯乙烯材料制成，具有较好的抗拉、抗弯、抗压和抗冲击能力，具有较强的耐性，使用寿命长，使得第一伸缩部4和第二伸缩部5能适应性的分别跟随第一电动推杆19和第二电动推杆20进行伸缩。

尾段3内部具有与头段1内部相同的结构且二者呈镜像对称，同时头段1和尾段3的表面均设有热红外生命探测仪21、摄像头22、第一红外线距离传感器23和第二红外线距离传感器24。热红外生命探测仪21通过感知人体向外辐射出的热红外线与周围环境向外辐射出的热红外线的差异，从而判定生命特征的具体位置。摄像头22采集机器人本体所处的环境图像，摄像头22选用3D高清夜视摄像头，能让机器人本体在光线较差的情况下也能精确识别所处的地形环境特征。第一红外线距离传感器23和第二红外线距离传感器24检测机器人本体与障碍物之间的距离并对障碍物的位置进行准确定位，同时可计算出管道、洞穴等狭小空间的宽度，以判断机器人本体能否钻入里面。

机器人本体在移动过程中，能对头段1侧和尾段3侧的情况同时监测，监测范围广。当需要调转方向时，控制模块在头段1的舵机10和尾段3的舵机之间进行切换，使头段1的舵机10暂停工作，而使尾段3的舵机开始工作，使尾段3向前移动，从而牵引第二伸缩部5、中段3、第一伸缩部和头段1一起向前移动，非常方便高效。头段1、中段2和尾段3的壳体均由硅胶材料制成，柔软性好，同时具有较高的机械强度，使机器人本体能够在山洞、管道、瓦墟、山石等复杂恶劣的地形环境下顺畅移动。

图像处理模块对摄像头22采集的环境图像进行处理，并通过无线通信模块传送给远端的监控中心，实现了远程智能化监控管理。

机器人本体通过GPS定位模块接收来自GPS定位卫星的导航电文，GPS定位模块选用ET-318SiRF Star III GPS芯片组，SiRF Star III GPS芯片组具有灵敏度高，低信号下快速TTFF(首次定位时间)，20通道全视野跟踪，跟踪速度精度为0.1m/s，支持NMEA0183和SiRF二进位协议，通过串口固定输出NMEA0183规定的数据信息。控制模块接收其中的推荐定位信息，获得时间、经纬度等信息。同时控制模块通过无线通信模块将生命特征的位置参数发送给远端的监控中心，方便准确快速的进行救援。

无线通信模块为2G、3G或4G通信模组，移动网络信号覆盖范围广，信号幅度强，具有极高的性价比，保证了机器人本体的无线传输效率，实现了智能化的远程监控。

控制模块对热红外生命探测仪21、摄像头22、第一红外线距离传感器23和第二红外线距离传感器24的输入信号进行处理，同时输出控制信号分别控制舵机10、第一电动推杆19、第二电动推杆20和图像处理模块工作，同时通过GPS定位模块与GPS定位卫星建立通信互连以及通过无线通信模块与远端的监控中心通信。由于控制模块需要对多路数据和多个进程进行快速处理，工作量较大，因此要求控制模块具备较强的数据处理能力的同时还要保证控制精度和图像传输的同步性。控制模块选用32位ARM控制器LPC1768，基于ARMCortex-M3内核，操作频率高达120MHz，代码执行速度高达1.25MIPS/MHz，并具有丰富的外围接口部件，大大简化了电路。LPC1768自身的高速处理技术将有助于提高控制精度，同时也保证了数据传输的实时性。

机器人本体由蓄电池进行供电，蓄电池选用锂离子蓄电池，具有反复充放电次数高，使用寿命长，且转化效率高的特点，体现了节能环保的设计理念。

本发明提供了一种蚯蚓仿生机器人，其通过头段的舵机驱动运动部旋转，同时运动轮本身又发生自转，从而使头段底部与地面之间发生侧移，结合舵机的牵引力以及运动轮的转动力，使头段向前移动，第一电动推杆配合头段的移动发生伸长和收缩，拉动中段，第二电动推杆同步的发生伸长和收缩，拉动尾段，从而在地面上进行类似蚯蚓的蠕动，头段、中段和尾段的壳体采用硅胶材料制成，柔软性好，同时具有较高的机械强度，使机器人本体能够在山洞、管道、瓦墟、山石等复杂恶劣的地形环境下顺畅移动，头段和尾段表面均设有热红外生命探测仪，可对复杂恶劣地形环境下的生命特征进行准确探测，3D高清夜视摄像头能让机器人本体在光线较差的情况下也能精确识别所处的地形环境特征，第一红外线距离传感器和第二红外线距离传感器能精确定位机器人本体前进路线上的障碍物，机器人本体通过无线网络与远端的监控中心进行通讯，将图像信息以及待救援对象所在的GPS数据发送给监控中心，实现了远程智能化监控管理，当需要调转方向时，暂停头段的舵机，使尾段的舵机工作，从而由尾段进行牵引，非常方便高效，其结构简单，体积小巧，设计巧妙，系统功耗低，检测精度高，响应速度快，稳定性和可靠性好，具有良好的实用性和可扩展性，可广泛应用于复杂恶劣地形环境下的生命探测以及科学探索等场合。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (9)

1.一种蚯蚓仿生机器人，包括机器人本体，所述机器人本体包括头段、中段和尾段，所述头段与所述中段通过第一伸缩部相连接，所述中段和所述尾段通过第二伸缩部相连接，其特征在于：所述头段包括壳体，所述壳体内分为第一腔室和第二腔室，所述第一腔室和所述第二腔室之间设有隔板，所述第一腔室内设有若干弹簧，所述弹簧的一端连接所述壳体的正面内侧，所述弹簧的另一端与所述隔板的一侧相连接，所述第二腔室内设有舵机，所述舵机居中的固定于所述隔板的另一侧，所述舵机的传动轴的端部连接运动部，所述运动部包括上夹板和下夹板，所述上夹板包括第一固定板和第二固定板，所述传动轴的端部固定于所述第一固定板的中心，所述第一固定板和所述第二固定板之间设有若干上螺旋叶片，所述上螺旋叶片固定于所述第一固定板和所述第二固定板之间，所述下夹板包括第三固定板和第四固定板，所述第三固定板和所述第四固定板之间设有若干下螺旋叶片，所述下螺旋叶片固定于所述第三固定板和所述第四固定板之间，所述上螺旋叶片和所述下螺旋叶片的位置一一对应，所述上螺旋叶片和所述下螺旋叶片之间设有运动轮，所述运动轮可转动的连接于所述上螺旋叶片和所述下螺旋叶片之间，所述运动轮的外侧与所述壳体的侧面内壁相切，所述第一伸缩部内设有第一伸缩腔，所述第二腔室与所述第一伸缩腔相连通，所述第一伸缩腔内设有第一电动推杆，所述第一电动推杆的一端与所述第四固定板相连接，所述第一电动推杆的另一端与所述中段的正面相连接，所述尾段与所述头段具有相同的结构且呈镜面对称，所述第二伸缩部内设有第二伸缩腔，所述第二伸缩腔内设有第二电动推杆，所述第二电动推杆的一端与所述中段的背面相连接，所述第二电动推杆的另一端连接所述尾段内的运动部，所述中段也设有壳体，所述壳体内设有控制模块、图像处理模块、GPS定位模块、无线通信模块和蓄电池，所述头段和所述尾段的表面居中的设有热红外生命探测仪，所述热红外生命探测仪的上方设有摄像头，所述热红外生命探测仪的下方设有第一红外线距离传感器和第二红外线距离传感器，所述第一红外线距离传感器和所述第二红外线距离传感器呈水平对称分布，所述热红外生命探测仪、所述摄像头、所述第一红外线距离传感器和所述第二红外线距离传感器连接所述控制模块的输入端，所述控制模块的输出端分别连接所述舵机、所述第一电动推杆、所述第二电动推杆和所述图像处理模块，所述控制模块通过所述GPS定位模块与GPS定位卫星相连接，所述控制模块通过所述无线通信模块与监控中心相连接，所述蓄电池为所述机器人本体提供工作电压。

2.根据权利要求1所述的一种蚯蚓仿生机器人，其特征在于：所述头段、所述中段和所述尾段的壳体均由硅胶材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种蚯蚓仿生机器人，其特征在于：所述第一伸缩部和所述第二伸缩部均由硬氯乙烯材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种蚯蚓仿生机器人，其特征在于：所述上螺旋叶片和所述下螺旋叶片的数量至少为6组。

5.根据权利要求1所述的一种蚯蚓仿生机器人，其特征在于：所述摄像头选用3D高清夜视摄像头。

6.根据权利要求1所述的一种蚯蚓仿生机器人，其特征在于：所述GPS定位模块选用ET-318SiRF Star III GPS芯片组。

7.根据权利要求1所述的一种蚯蚓仿生机器人，其特征在于：所述无线通信模块为2G、3G或4G通信模组。

8.根据权利要求1所述的一种蚯蚓仿生机器人，其特征在于：所述控制模块选用32位ARM控制器LPC1768。

9.根据权利要求1所述的一种蚯蚓仿生机器人，其特征在于：所述蓄电池为锂离子蓄电池。