CN108582054A - 一种蛇形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种蛇形机器人，包括由节骨模组连接构成的节骨机构，节骨模组由若干节骨单元沿着圆周方向通过伸缩结构拼接成口径可调的环形，若干个节骨模组叠加成长条筒形，相邻的节骨模组通过沿周向分布的若干个铰接结构连接，并且所述节骨机构包括由节骨模组构成的节骨内筒和套装在节骨内筒外侧的由节骨模组构成的节骨外筒，连接在节骨机构两端的前移动模块和后移动模块将节骨内筒的节骨模组向节骨外筒移动或将节骨外筒的节骨模组向节骨内筒移动实现爬行，通过方向模块调节节骨外筒上的相邻节骨模组之间角度来控制爬行方向。本发明可以根据实际环境灵活调整姿态前进和后退，结构紧凑，适用于狭小空间执行任务，越障性能好，使用稳定性高。

Description

一种蛇形机器人

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，尤其涉及一种蛇形机器人。

背景技术

从小鸟的展翅飞翔，到形状各异的风筝，还有后来更为先进的飞机。从蝙蝠的夜间疾飞到当今军事和民航上至关重要的雷达系统，都充分体现了研究生物系统对科学技术发展的重大贡献。模仿和探索大自然中生物的运动和功能，理解和获取有利的运动和控制原理，促使了仿生学的出现和发展。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，能像生物一样实现“无肢运动”，能够适应各种复杂地形，能够进入狭小空间执行任务，在许多领域具有非常广泛的应用前景。

目前的蛇形机器人主要有三种驱动方式，一种采用电机驱动的扭动前进的方法，受其结构限制，存在动力不足，动作速度慢，越障困难的缺点；另外一种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；还有一种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，因此此种结构的机器蛇只能适用于宽大的环境。

发明内容

本发明所要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术进行改进，提供一种蛇形机器人，解决目前技术中的蛇形机器人性能较差，适用性差，爬行灵活性差的问题。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：

一种蛇形机器人，包括：

由若干的节骨模组连接构成的节骨机构，所述的节骨模组由若干节骨单元沿着圆周方向通过伸缩结构拼接成口径可调的环形，若干个节骨模组叠加成长条筒形，相邻的节骨模组通过沿周向分布的若干个铰接结构连接，并且所述节骨机构包括由节骨模组构成的节骨内筒和套装在节骨内筒外侧的由节骨模组构成的节骨外筒；

分别连接在节骨机构两端的用于将节骨内筒端部的节骨模组向节骨外筒端部移动或将节骨外筒端部的节骨模组向节骨内筒端部移动的前移动模块和后移动模块；

连接在前移动模块上的用于调节节骨外筒上的相邻节骨模组之间角度的前方向模块和连接在后移动模块上的用于调节节骨外筒上的相邻节骨模组之间角度的后方向模块；

与前移动模块、后移动模块、前方向模块和后方向模块电连接的用于控制其工作状态的控制单元。

本发明所述的蛇形机器人采用节骨模组叠加构成蛇形机器人的躯体部分，并且相邻的节骨模组通过沿周向分布的若干个铰接结构连接，从而节骨机构可以灵活的转向、扭动，节骨机构为节骨外筒和节骨内筒构成的双层套筒结构，在前移动模块和后移动模块的作用下使得节骨外筒和节骨内筒构成的一个循环的环状结构，在前进时，前移动模块不断的将节骨内筒上的节骨模组口径扩大后移动到节骨外筒上实现爬行前进，同时，后移动模块不断的将节骨外筒上的节骨模组口径缩小后移动到节骨内筒上，从而前移动模块不断吐出节骨外筒上的新的节骨模组，而后移动模块不断吞入节骨外筒上的节骨模组，稳定的实现前进，并且前方向模块通过调节铰接结构来灵活调节相邻节骨模组之间的角度实现前进方向的调整；在后退时，则前移动模块和后移动模块的工作状态相反，后移动模块不断的将节骨内筒上的节骨模组口径扩大后移动到节骨外筒上实现爬行后退，同时，前移动模块不断的将节骨外筒上的节骨模组口径缩小后移动到节骨内筒上，从而后移动模块不断吐出节骨外筒上的新的节骨模组，而前移动模块不断吞入节骨外筒上的节骨模组，稳定的实现前进，并且后方向模块通过调节铰接结构来灵活调节相邻节骨模组之间的角度实现前进方向的调整。本发明所述的蛇形机器人可以根据实际环境灵活的调整姿态进行前进和后退，结构紧凑，适用于狭小空间执行任务，越障性能好，使用稳定性高。

进一步的，所述的节骨模组的节骨单元包括节点和附节点，所述的节点和附节点自身在节骨模组的周向上呈左右对称结构，数量相同的节点和附节点沿着圆周方向相间排列并拼接成环形，伸缩结构为插槽和可在插槽中伸入伸出的插销，插槽和插销分别设置在节点和附节点上。通过调整插销插入插槽的深度来调整由节点和附节点组合构成的环形的口径，灵活的改变节骨模组的口径来使得节骨模组在节骨内筒和节骨外筒之间进行转换。

进一步的，所述的相邻节骨模组之间的铰接结构包括推块和铰接槽，所述的推块和铰接槽分别设置在节点上沿节骨模组轴向的前侧和后侧，所述的铰接槽为开设在节点上的沿径向的通孔槽，并且在节点的后侧开设了导通至通孔槽侧壁的缺口，所述的推块设置在节点前侧开设的腔体中，并且推块上设置了用于卡入铰接槽的铰接球头，推块在腔体中沿着节骨模组轴向滑动并通过锁定机构锁定推块超出腔体的长度，并且推块与连接在腔体底部的推块拉簧连接。通过调节推块超出腔体的长度来调节相邻节骨模组之间的角度，从而实现对蛇形机器人前进方向的灵活精确控制，并且推块的铰接球头与铰接槽发生沿径向的相对位移后便能脱扣分离开，也就是说在节骨模组沿径向缩小口径或扩大口径时便可与相邻的节骨模组分离，从而可以根据需要灵活的调整节骨机构的长度。

进一步的，所述的锁定机构包括压杆和锁定滑块，所述推块的沿节骨模组周向的侧壁上设置有倾斜于推块滑动方向的滑槽一，所述的压杆装置在节点上并且位于推块的沿节骨模组周向的侧边，压杆上设置了用于插入滑槽一的销子一，压杆沿节骨模组的径向滑动来带动推块沿着节骨模组轴向滑动，所述的锁定滑块位于压杆的沿节骨模组周向的侧边，并且两者的相对面上都设置了用于啮合的锯齿部，所述锁定滑块沿着在节点上设置的沿节骨模组周向的滑道滑动，并且滑道中设置有带动锁定滑块抵住压杆的锁紧弹簧。利用锁定滑块稳定的保持压杆的位置，从而保持推块超出腔体的长度来保持相邻节骨模组之间的角度不变，确保前进方向的稳定精确。

进一步的，所述的前方向模块、后方向模块包括沿周向分布的并且与节骨外筒上的铰接结构一一对应的方向单元，所述的方向单元包括由驱动机构带动沿节骨模组的径向运动的用于按压压杆的凸轮，调节凸轮沿节骨模组径向的移动距离，从而灵活精确的控制压杆的移动距离来精确控制推块超出节点腔体的长度，实现精确控制节骨外筒上的相邻节骨模组之间的角度，最终实现精确控制前进方向。

进一步的，所述的方向单元的驱动机构还包括副电机和由副电机带动旋转的传动杆，所述的传动杆沿着节骨模组的轴向设置，并且传动杆上设置了螺纹段，螺纹段上装置了螺纹滑块，凸轮装置在前移动模块、后移动模块上设置的沿节骨模组径向的槽孔中，凸轮上设置了倾斜于节骨模组轴向的滑槽，螺纹滑块上设置用于插入滑槽的凸销，副电机驱动传动杆转动进而驱动螺纹滑块沿节骨模组轴向运动，螺纹滑块再带动凸轮沿节骨模组的径向运动。结构简单、紧凑，副电机的转动通过传动杆变成螺纹滑块沿节骨模组轴向的直线运动，然后螺纹滑块通过倾斜于节骨模组轴向的滑槽带动凸轮沿节骨模组的径向运动，从而实现对压杆的按压，并且精确的控制对压杆的压下量。

进一步的，所述的前移动模块、后移动模块包括主电机、内支架、中支架、外支架、螺旋内筒、螺旋外筒和托架，所述的内支架、中支架、外支架由内向外依次套接并固定，所述的主电机装置在内支架中，所述的螺旋内筒为圆周外壁设置有外螺纹的圆筒，螺旋内筒套装在内支架的外围并通过齿轮组件由主电机带动旋转，所述的螺旋外筒为圆周内壁设置有内螺纹的圆筒，螺旋外筒套装在螺旋内筒圆周外围并通过齿轮组件由主电机带动旋转，并且所述的螺旋外筒的内壁与螺旋内筒的外壁之间具有圆周间隙形成供节骨机构的节骨内筒和节骨外筒的端部插入的圆环形开口腔，在圆环形开口腔的底侧为中支架的垂直于节骨模组轴向的平板面，所述节点的沿节骨模组径向的外侧设置了与螺旋外筒的内螺纹配合的外凸点，所述节点的沿节骨模组径向的内侧设置了与螺旋内筒的外螺纹配合的内凸点，所述的螺旋外筒、螺旋内筒通过旋转分别驱动节骨内筒、节骨外筒上的节骨模组进出圆环形开口腔，中支架的平板面上设置了沿节骨模组径向的变径滑槽，托架嵌入在移动滑槽中并沿其滑动，托架上设置用于夹持节点的卡口，托架夹持住节点由托架驱动机构带动沿变径滑槽滑动使得节骨模组整体沿着径向伸缩发生变径，同时被托架夹持住的节骨模组与其原相邻的节骨模组之间的铰接槽和铰接球头发生分离，并且被托架夹持住的节骨模组在变径后与新相邻的节骨模组之间的铰接槽和铰接球头进行扣接。前移动模块、后移动模块实现了节骨外筒和节骨内筒两者节骨模组的互相转换，在前进时，前移动模块将节骨内筒上的节骨模组移动到节骨外筒上，被托架夹持住的节骨内筒端部的节骨模组在托架沿变径滑槽向径向外侧移动时，节骨模组的口径扩大，同时与节骨内筒上的与之相邻的节骨模组发生分离，两者之间铰接槽与铰接球头沿着径向发生相对位移而分离，节骨模组的口径继续扩大从而使得被托架夹持住的节骨模组与节骨外筒端部的节骨模组进行连接，两者之间铰接槽与铰接球头沿着径向发生相对位移而进行扣接，同理的，后移动模块不断的将节骨外筒上的节骨模组口径缩小后移动到节骨内筒上。

进一步的，所述的托架驱动机构包括垂直于节骨模组轴向并套装在内支架外围的圆盘，所述的圆盘通过齿轮组件由主电机带动与螺旋内筒同轴线旋转，所述的圆盘上设置了导向槽，所述的导向槽为距离旋转轴线半径发生变化的环线槽，所述的托架上设置了用于插入导向槽并沿其滑动的销柱，圆盘的转动带动托架沿变径滑槽滑动。结构紧凑，通过主电机带动圆盘转动，圆盘的转动通过导向槽转变为托架沿骨模组径向的移动，可靠、方便的实现节骨模组口径扩大或缩小。

进一步的，所述的齿轮组件包括装置在主电机输出轴上的轴齿轮，所述的轴齿轮通过行星轮驱动第一齿环转动，所述的第一齿环上固定连接有与齿环同口径并且同轴心的第二齿环和第三齿环，并且第一齿环通过第一惰轮与连接在螺旋内筒上的第一从动齿轮传动，所述的第二齿环通过第二惰轮与连接在圆盘上的第二从动齿轮传动，所述的第三齿环通过第三惰轮与连接在螺旋外筒上的第三从动齿轮传动。结构简单、紧凑，由一个主电机通过齿轮组件分别驱动螺旋内筒、圆盘、螺旋外筒转动，减小占用体积。

进一步的，所述的控制单元包括微处理器、电池和视觉传感器，微处理器、电池装置在前移动模块、后移动模块的内部，视觉传感器装置在前移动模块、后移动模块的端部。

与现有技术相比，本发明优点在于：

本发明所述的蛇形机器人可以根据实际环境灵活的调整姿态进行前进和后退，结构紧凑，适用于狭小空间执行任务，越障性能好，使用稳定性高，可以根据需要灵活调整蛇形机器人的长度。

附图说明

图1为蛇形机器人的整体结构示意图；

图2为节骨内筒与节骨外筒套接的结构示意图；

图3节骨内筒与节骨外筒套接的横截面结构示意图；

图4节骨外筒的节骨模组结构示意图；

图5为节点的结构示意图；

图6为推块的结构示意图；

图7为压杆的结构示意图；

图8为锁定滑块的结构示意图；

图9为节骨内筒的节骨模组结构示意图；

图10为前移动模块的结构示意图；

图11为内支架、中支架以及外支架的连接结构示意图；

图12为中支架的结构示意图；

图13为圆盘的结构示意图；

图14为托架的后侧结构示意图；

图15为托架的前侧结构示意图；

图16为前移动模块与节骨机构配合的结构示意图；

图17为图16中的细节A的示意图；

图18为方向单元的结构示意图；

图19为控制单元的结构示意图；

图20为控制单元的控制示意图。

附图标记说明：

节骨机构-1；节骨模组-10；节骨外筒-11；节骨内筒-12；节点-100；附节点-101；插槽-102；插销-103；限位孔-104；弹性凸点-105；推块-106；铰接槽-107；铰接球头-108；推块拉簧-109；压杆-110；锁定滑块-111；滑槽一-112；销子一-113；滑道-114；锁紧弹簧-115；锯齿部-116；控制销-117；限位槽-118；外凸点-119；内凸点-120；毛刺121；前移动模块-21；后移动模块-22；主电机-200；内支架-201；中支架-202；外支架-203；螺旋内筒-204；螺旋外筒-205；圆盘-206；托架-207；变径滑槽-208；卡口-209；凸块-210；导向槽-211；销柱-212；长板一-213；沟槽-214；圆环带-215；长板二-216；轴齿轮-217；第一齿环-218；第二齿环-219；第三齿环-220；固定连杆-221；行星轮-222；第一惰轮-223；第二惰轮-224；第三惰轮-225；第一从动齿轮-226；第二从动齿轮-227；第三从动齿轮-228；封板-229；前方向模块-31；后方向模块-32；方向单元-300；凸轮-301；副电机-302；传动杆-303；突状物-304；螺纹滑块-305；槽孔-306；微处理器-401；电池-402；视觉传感器-403。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开的一种蛇形机器人，对各种复杂地形的适应性好，能灵活爬行，传动效率高，移动速度快，越障性能好。

如图1至图3所示，一种蛇形机器人，主要包括节骨机构1、移动机构、方向机构和控制单元；

节骨机构1由若干的节骨模组10连接构成，所述的节骨模组10为口径可调的环形结构，若干个节骨模组10叠加成长条筒形，相邻的节骨模组10通过沿周向分布的若干个铰接结构连接，节骨机构1包括由节骨模组10构成的节骨内筒12和套装在节骨内筒12外侧的由节骨模组10构成的节骨外筒11；

为了实现节骨模组10口径伸缩可调，节骨模组10采用若干节骨单元沿着圆周方向通过伸缩结构拼接成而成，如图4～图8所示，在本实施例中，节骨单元包括节点100和附节点101，所述的节点100和附节点101自身在节骨模组10的周向上呈左右对称结构，一个节骨模组10中选用了三个节点100和三个附节点101，两者沿着圆周方向相间排列并拼接成环形，伸缩结构为插槽102和可在插槽102中伸入伸出的插销103，节点100沿节骨模组10周向的两侧都为插销103，附节点101沿节骨模组10周向的两侧都为插槽102，通过控制插销103插入插槽102的深度来控制节骨模组10口径大小，并且附节点101的圆周外壁的中部区域设置了用于与地面增强摩擦的毛刺121；

在本实施例中，插槽102的侧壁上在插入方向的不同位置处设置有限位孔104，所述的插销103的侧壁上设置了弹性凸点105，限位孔104和弹性凸点105位于节骨模组10径向的内侧，弹性凸点105卡入不同的限位孔104使得节骨模组10稳定在口径不同的环形，从而保障节骨模组在处于节骨内筒或节骨外筒时都能具有稳定的口径尺寸，确保节骨内筒和节骨外筒具有稳定的外径尺寸，避免移动过程中节骨模组的口径发生变化而导致出现卡滞的状况，确保移动可靠稳定性。

相邻节骨模组10之间的铰接结构包括推块106和铰接槽107，所述的推块106和铰接槽107分别设置在节点100上沿节骨模组10轴向的前侧和后侧，一个节骨模组10上设置了三个节点100，即相邻的节骨模组10通过沿着圆周方向分布的三个铰接结构连接，所述的铰接槽107为开设在节点100上的沿径向的通孔槽，并且在节点100的后侧开设了导通至通孔槽侧壁的缺口，所述的推块106设置在节点100中部的前侧开设的腔体中，并且推块106上设置了用于卡入铰接槽107的铰接球头108，推块106在腔体中沿着节骨模组10轴向滑动并通过锁定机构锁定推块106超出腔体的长度，并且推块106与连接在腔体底部的推块拉簧109连接，在本实施例中，锁定机构包括压杆110和锁定滑块111，所述推块106的沿节骨模组10周向的两侧壁上设置有倾斜于推块106滑动方向的滑槽一112，在推块106的沿节骨模组10周向的两侧边各设置了一个装置在节点100上的压杆110，节点100上开设供压杆110沿节骨模组10径向滑动的滑槽，压杆110上设置了用于插入滑槽一112的销子一113，压杆110沿节骨模组10的径向滑动来带动推块106沿着节骨模组10轴向滑动，锁定滑块111位于压杆110的沿节骨模组10周向的侧边，在本实施例中，锁定滑块111设置在节点100两侧的插销103中，插销103中开设沿节骨模组10周向的滑道114，锁定滑块111沿着滑道114滑动，滑道114连通至压杆110的侧壁，滑道114中设置有带动锁定滑块111抵住压杆110的锁紧弹簧115，锁定滑块111与压杆110的相对面上都设置了用于啮合的锯齿部116，在按动压杆110调节推块106超出腔体的长度达到需求时，松开压杆110后由于锁定滑块111的作用使得压杆110状态锁定而不会产生复位，保持推块超出腔体的长度稳定，从而保障调节相邻节骨模组之间具有稳定的角度，实现对蛇形机器人前进方向的灵活精确控制；

并且锁定滑块111的侧壁上设置了凸起的控制销117，所述的控制销位于节骨模组10的径向外侧，所述的控制销117穿出滑道114侧壁上开设的长条的限位槽118，通过推动控制销使得锁定滑块脱离对压杆的锁定状态，在推块拉簧的作用下推块可靠的向节点的腔体内缩回实现复位，并且压杆也一同复位，方便下一次调节推块106超出腔体的长度。

如图1所示，移动机构包括分别连接在节骨机构1两端前移动模块21和后移动模块22，前移动模块21和后移动模块22的结构相同，都是用于将节骨内筒12端部的节骨模组10向节骨外筒11端部移动或将节骨外筒11端部的节骨模组10向节骨内筒12端部移动，两者在工作时工作状态相反并且工作状态可自由对调切换；

如图10和图11所示，前移动模块21、后移动模块22主要包括主电机200、内支架201、中支架202、外支架203、螺旋内筒204、螺旋外筒205、圆盘206和托架207，所述的内支架201、中支架202、外支架203由内向外依次套接并固定在一起，内支架201整体呈空心圆柱结构，主电机200装置在内支架201中，中支架202包括中心开孔的平板面，中支架202的平板面套装在内支架201的外围并且垂直于节骨模组10轴向，外支架203再包在中支架202的圆周外围，所述的螺旋内筒204为圆周外壁设置有外螺纹的圆筒，螺旋内筒204套装在内支架201的外围并通过齿轮组件由主电机200带动旋转，所述的螺旋外筒205为圆周内壁设置有内螺纹的圆筒，螺旋外筒205套装在螺旋内筒204的圆周外围并通过齿轮组件由主电机200带动旋转，螺旋外筒205的内壁与螺旋内筒204的外壁之间具有圆周间隙形成供节骨机构1的节骨内筒12和节骨外筒11的端部插入的圆环形开口腔，在圆环形开口腔的底侧为中支架202的平板面，所述节点100的沿节骨模组10径向的外侧设置了与螺旋外筒205的内螺纹配合的外凸点119，所述节点100的沿节骨模组10径向的内侧设置了与螺旋内筒204的外螺纹配合的内凸点120，外凸点119和内凸点120设置在节点100的中部区域，外凸点119设置有一个，内凸点120设置有两个，并且外凸点119与内凸点120在圆周方向上呈错位分布，所述的螺旋外筒205、螺旋内筒204通过旋转分别驱动节骨内筒12、节骨外筒11上的节骨模组10进出圆环形开口腔；

螺旋外筒205和螺旋内筒204上的螺纹为变节距的，节骨内筒12上的节骨模组10在进入圆环形开口腔时，螺旋内筒204的变节距外螺纹使得节骨内筒12上的节骨模组10由最远间距变为最短间距，推块106伸出节点的腔体会导致节骨模组10之间的间距发生变化，等节距的螺纹可以将进入螺旋外筒205和螺旋内筒204的具有不同间距的节骨模组10强制收缩为等间距，并且螺旋外筒205和螺旋内筒204向外输送出的节骨模组10之间保持等间距；

如图10～15所示，中支架202的平板面上设置了沿节骨模组10径向的变径滑槽208，变径滑槽208沿圆周分布有三个，与节骨模组10上的三个节点一一对应，托架207嵌入在变径滑槽208中并沿其滑动，托架207上设置用于夹持节点100中部的卡口209，托架207夹持住节点100由托架驱动机构带动沿变径滑槽208滑动使得节骨模组10整体沿着径向伸缩发生变径，并且托架207上设置了用于按压节点100的插销103上的弹性凸点105的凸块210，在托架207夹持节点100时凸块210将弹性凸点105按入限位孔104内侧，使得节骨模组能脱离口径尺寸锁定状态，确保托架移动时能轻松方便的扩大或缩小节骨模组的口径，同时被托架207夹持住的节骨模组10与其原相邻的节骨模组10之间的铰接槽107和铰接球头108发生分离，并且被托架207夹持住的节骨模组10在变径后与新相邻的节骨模组10之间的铰接槽107和铰接球头108进行扣接；

在本实施例中，托架驱动机构包括垂直于节骨模组10轴向并套装在内支架201外围的圆盘206，所述的圆盘206通过齿轮组件由主电机200带动与螺旋内筒204同轴线旋转，所述的圆盘206上设置了导向槽211，导向槽211为距离旋转轴线半径发生变化的环线槽，导向槽211包括三个外圆弧导向槽和三个内圆弧导向槽，外圆弧导向槽的半径大于内圆弧导向槽，外圆弧导向槽和内圆弧导向槽沿着圆周均匀交替分布，并且外圆弧导向槽与内圆弧导向槽之间由过渡导向槽衔接，所述的托架207上设置了用于插入导向槽211并沿其滑动的销柱212，圆盘206转动时，通过导向槽211与变径滑槽208的配合使得托架207沿变径滑槽208进行径向的往复运动，从而可不断的将节骨内筒12上的节骨模组10口径扩大后移动到节骨外筒11上，或者不断的将节骨外筒11上的节骨模组10口径缩小后移动到节骨内筒12上；

如图12所示，中支架202上还包括了从平板面上沿着节骨模组10的轴向延伸出的长板一213，并且所述的长板一213位于节骨外筒11的径向外侧，长板一213的径向内侧设置了用于与锁定滑块111的控制销117配合的沟槽214，长板一213沿着圆周间隔设置有六个，分别与节点100上的锁定滑块111的控制销117配合，所述的沟槽214成曲线路径，在节骨模组10与长板一213接触并沿着节骨模组10的轴向移动时，沟槽214推动控制销117使得锁定滑块111滑动并放开压杆110，从而推块能够在在块拉簧的作用下自动向节点的腔体内缩回实现复位，方便下一次调节推块超出腔体的长度，从而灵活精确调节相邻节骨模组之间的角度，并且所有的长板一213的端部连接至一个圆环带215上，能有效提高结构稳定性，圆环带215处于节骨外筒11的圆周外围，圆环带215设置了用于与外支架203连接的螺纹孔；

如图11、图12和图16所示，中支架202上还包括了从平板面上沿着节骨模组10的轴向延伸出的长板二216，长板二216位于节骨内筒12的径向内侧，长板二216沿着圆周间隔设置有六个，用于支撑节骨内筒12的节骨模组10的内侧，长板二216的顶端设置了用于与内支架201连接的螺纹孔，螺旋内筒204位于长板二216的径向内侧，间隔设置的长板二216之间的间隔区域用于露出螺旋内筒204，在节骨内筒12的节骨模组10进入圆环形开口腔时，节点100的内凸点120则进入到螺旋内筒204的外螺纹中，螺旋内筒204的旋转动作则带动节骨模组10沿着轴向移动；

如图10所示，在本实施例中，齿轮组件包括装置在主电机200输出轴上的轴齿轮217，所述的轴齿轮217通过行星轮222驱动第一齿环218转动，所述的第一齿环218上通过固定连杆221固定连接有与第一齿环218同口径并且同轴心的第二齿环219和第三齿环220，并且第一齿环218通过第一惰轮223与连接在螺旋内筒204上的第一从动齿轮226传动，所述的第二齿环219通过第二惰轮224与连接在圆盘206上的第二从动齿轮227传动，所述的第三齿环220通过第三惰轮225与连接在螺旋外筒205上的第三从动齿轮228传动，螺旋内筒、圆盘、螺旋外筒三者的转动共同由主电机200，使用部件少，结构简单、紧凑，第一惰轮223、第二惰轮224和第三惰轮225装置在外支架203内部设置的支架上，并且所述的第二齿环219和第三齿环220沿圆周方向仅部分区域有传动齿，经过一定的排列规律将第一齿环218、第二齿环219和第三齿环220并接在一起，精确控制圆盘206、螺旋外筒205的转动状况。

如图1、图16、图17和图18所示，方向机构包括前方向模块31和后方向模块32，前方向模块31设置在前移动模块21上，用于调节节骨外筒11上的相邻节骨模组10之间的角度，后方向模块32设置在后移动模块22上，用于调节节骨外筒11上的相邻节骨模组10之间的角度，前方向模块31和后方向模块32都包括沿周向分布的并且与节骨外筒11上的铰接结构一一对应的方向单元300，也就是说前方向模块31和后方向模块32都包含三个方向单元300，三个方向单元300分别控制一个铰接结构中的推块106超出腔体的长度，从而可以灵活、精确的控制相邻节骨模组10之间的角度，从而精确控制蛇形机器人前行的方向；

方向单元300主要包括沿节骨模组10的径向运动的用于按压压杆110的凸轮301和用于驱动凸轮301动作的驱动机构，在本实施例中，方向单元300的驱动机构包括装置在外支架203上的副电机302和由副电机302带动旋转的传动杆303，中支架的圆环带215上均匀分布了三个突状物304，突状物304位于节点100上的压杆110所在径向的外侧，所述的传动杆303沿着节骨模组10的轴向设置并且一端连接在突状物304上，并且传动杆303上设置了螺纹段，螺纹段上装置了螺纹滑块305，突状物304上设置了沿节骨模组10径向的槽孔306，槽孔306内装置凸轮301，在一个突状物304上设置了两个凸轮301，从而凸轮301与节点100上的压杆110一一对应，凸轮301上设置了倾斜于节骨模组10轴向的滑槽，螺纹滑块305上设置用于插入滑槽的凸销，副电机302驱动传动杆303转动进而驱动螺纹滑块305沿节骨模组10轴向运动，螺纹滑块305再带动凸轮301沿节骨模组10的径向运动，副电机302转动而调节凸轮沿节骨模组径向的移动距离，进而控制压杆的移动距离来精确控制推块超出节点腔体的长度，实现精确控制节骨外筒上的相邻节骨模组之间的角度，最终实现精确控制前进方向；

当前进时，前方向模块31的方向单元300根据需要调整凸轮的下压量，使节骨外筒上的相邻节骨模组构成需要的角度，从而沿着需要的方向前进，后方向模块32的方向单元300将凸轮压到最低，使节骨外筒上的相邻节骨模组平行进入到后移动模块中；当后退时，后方向模块32的方向单元300根据需要调整凸轮的下压量，使节骨外筒上的相邻节骨模组构成需要的角度，从而沿着需要的方向前进，前方向模块31的方向单元300将凸轮压到最低，使节骨外筒上的相邻节骨模组平行进入到前移动模块中。

如图19和图20所示，控制单元与前移动模块21、后移动模块22、前方向模块31和后方向模块32电连接并控制其工作状态，控制单元包括微处理器401、电池402和视觉传感器403，微处理器401、电池402装置在前移动模块21、后移动模块22的内支架201中，视觉传感器403装置在前移动模块21、后移动模块22的端部，在本实施例中，在前移动模块21、后移动模块22的外支架203的外端部设置了封板229，将主电机200、副电机302和齿轮组件等封装在内部，封板229的表面有均匀分布的轴孔，分别用于放置行星轮222的轴，并且封板229上设置用固定视觉传感器403的凸台，蛇形机器人的前头包括前移动模块21和前方向模块31，蛇形机器人的后头包括后移动模块22和后方向模块32，前移动模块21、后移动模块22的主电机与微处理器401连接，前方向模块31和后方向模块32的全部六个副电机也与微处理器401连接，视觉传感器403采集到的环境信息输送给微处理器401，微处理器401经过计算分析来控制前移动模块21、后移动模块22的主电机以及前方向模块31和后方向模块32的全部六个副电机的工作状态，从而实现前进和后退，对实际环境的灵活适应性好。

蛇形机器人的节骨机构、移动机构、方向机构和控制单元的整体协作的工作过程为：

一，蛇形机器人在前进的过程中，在前移动模块21处，节骨内筒12的前端在螺旋内筒204的外螺纹的作用下被拖入前移动模块21内部，节骨内筒12上的相邻节骨模组10在变节距的外螺纹作用下由最远间距变为最短间距，节骨内筒12最前端的节骨模组10被推入托架207，三个托架207分别夹持住节骨模组10上的一个节点100，并且此时托架207上的凸块210按压住节点100的插销103上的弹性凸点105，使得弹性凸点105退出卡入限位孔104的状态，然后三个托架207同时向着径向外侧移动，也就是将节点100向径向外侧移动，节点100的插销103从副节点的插槽102中抽出，节骨模组10的口径被扩大，节点100的插销103上的弹性凸点105卡入新的限位孔104，从而保持节骨模组10稳定的口径尺寸，节骨模组10在被扩大的同时，其节点100上的铰接槽107与节骨外筒11端部的节骨模块上的推块106的铰接球头108卡接，最终形成节骨外筒11的新的端部节骨模块，然后该节骨模块在螺旋外筒205的内螺纹的作用下向圆环形开口腔的外侧推出；在移动到前方向模块31处时，前方向模块31的三个方向单元的各自副电机302根据控制单元发出的指令，调整各自的凸轮的下压量，分别对节骨外筒11的节骨模组10上的对应的压杆进行按压，进而推动推块106，控制推块106超出腔体的长度，相邻节骨模组10之间沿着圆周方向均布了三个铰接结构，三个方向单元分别控制三个铰接结构中推块106超出腔体的长度，当三个铰接结构的推块106超出腔体的长度不同时，则相邻的节骨模组10之间形成一定的角度，从而可以控制前进的方向；

同时，在后移动模块22处的后方向模块的三个方向单元的各自副电机302根据控制单元发出的指令，调整各自的凸轮的下压量，分别对节骨外筒11的节骨模组10上的对应的压杆进行按压，进而推动推块106，压杆按压到最底部，从而使得推块106超出腔体的长度达到最大，也就是使得节骨外筒11上的节骨模组10的间距在进入后移动模块22时达到最大；节骨外筒11的节骨模组10在螺旋外筒205的内螺纹的作用下被拖入圆环形开口腔内，并且在节骨模组10的节点100的锁定滑块111上的控制销117进入到长板一213上的沟槽214中，在节骨模组10沿轴向移动的过程中，沟槽214驱动控制销117使得锁定滑块111远离放开压杆110，节骨外筒11上的相邻节骨模组10在螺旋外筒205的变节距内螺纹作用下由最远间距变为最近；节骨外筒11端部的节骨模组10被推入托架207，三个托架207分别夹持住节骨模组10上的一个节点100，并且此时托架207上的凸块210按压住节点100的插销103上的弹性凸点105，使得弹性凸点105退出卡入限位孔104的状态，然后三个托架207同时向着径向内侧移动，也就是将节点100向径向内侧移动，节点100的插销103向副节点的插槽102中进一步深入，节骨模组10的口径被缩小，节点100的插销103上的弹性凸点105卡入新的限位孔104，从而保持节骨模组10稳定的口径尺寸，节骨模组10在被缩小的同时，其节点100上的铰接槽107与节骨内筒12端部的节骨模块上的推块106的铰接球头108卡接，最终形成节骨内筒12的新的端部节骨模块，然后该节骨模块在螺旋内筒204的外螺纹的作用下向圆环形开口腔的外侧推出；

二、蛇形机器人在需要后退时，前移动模块21和后移动模块22的工作状态对调切换，前方向模块31和后方向模块32的工作状态对调切换。

前移动模块上的前方向模块的三个方向单元的各自副电机根据控制单元发出的指令，调整各自的凸轮，分别按压各自对应的压杆，进而推动推块使其超出腔体的长度达到最大，使外节骨外筒上的节骨模块的间距在进入前移动模块时达到最大；节骨外筒11的节骨模组10在螺旋外筒205的内螺纹的作用下被拖入圆环形开口腔内，并且在节骨模组10的节点100的锁定滑块111上的控制销117进入到长板一213上的沟槽214中，在节骨模组10沿轴向移动的过程中，沟槽214驱动控制销117使得锁定滑块111远离放开压杆110，节骨外筒11上的相邻节骨模组10在螺旋外筒205的变节距内螺纹作用下由最远间距变为最近；节骨外筒11端部的节骨模组10被推入托架207，三个托架207分别夹持住节骨模组10上的一个节点100，并且此时托架207上的凸块210按压住节点100的插销103上的弹性凸点105，使得弹性凸点105退出卡入限位孔104的状态，然后三个托架207同时向着径向内侧移动，也就是将节点100向径向内侧移动，节点100的插销103向副节点的插槽102中进一步深入，节骨模组10的口径被缩小，节点100的插销103上的弹性凸点105卡入新的限位孔104，从而保持节骨模组10稳定的口径尺寸，节骨模组10在被缩小的同时，其节点100上的铰接槽107与节骨内筒12端部的节骨模块上的推块106的铰接球头108卡接，最终形成节骨内筒12的新的端部节骨模块，然后该节骨模块在螺旋内筒204的外螺纹的作用下向圆环形开口腔的外侧推出；

同时，在后移动模块22处，节骨内筒12的前端在螺旋内筒204的外螺纹的作用下被拖入后移动模块22内部，节骨内筒12上的相邻节骨模组10在变节距的外螺纹作用下由最远间距变为最短间距，节骨内筒12最前端的节骨模组10被推入托架207，三个托架207分别夹持住节骨模组10上的一个节点100，并且此时托架207上的凸块210按压住节点100的插销103上的弹性凸点105，使得弹性凸点105退出卡入限位孔104的状态，然后三个托架207同时向着径向外侧移动，也就是将节点100向径向外侧移动，节点100的插销103从副节点的插槽102中抽出，节骨模组10的口径被扩大，节点100的插销103上的弹性凸点105卡入新的限位孔104，从而保持节骨模组10稳定的口径尺寸，节骨模组10在被扩大的同时，其节点100上的铰接槽107与节骨外筒11端部的节骨模块上的推块106的铰接球头108卡接，最终形成节骨外筒11的新的端部节骨模块，然后该节骨模块在螺旋外筒205的内螺纹的作用下向圆环形开口腔的外侧推出；在移动到后方向模块32处时，后方向模块32的三个方向单元的各自副电机302根据控制单元发出的指令，调整各自的凸轮的下压量，分别对节骨外筒11的节骨模组10上的对应的压杆进行按压，进而推动推块106，控制推块106超出腔体的长度，相邻节骨模组10之间沿着圆周方向均布了三个铰接结构，三个方向单元分别控制三个铰接结构中推块106超出腔体的长度，当三个铰接结构的推块106超出腔体的长度不同时，则相邻的节骨模组10之间形成一定的角度，从而可以控制后退的方向。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种蛇形机器人，其特征在于，包括：

由若干的节骨模组(10)连接构成的节骨机构(1)，所述的节骨模组(10)由若干节骨单元沿着圆周方向通过伸缩结构拼接成口径可调的环形，若干个节骨模组(10)叠加成长条筒形，相邻的节骨模组(10)通过沿周向分布的若干个铰接结构连接，并且所述节骨机构(1)包括由节骨模组(10)构成的节骨内筒(12)和套装在节骨内筒(12)外侧的由节骨模组(10)构成的节骨外筒(11)；

分别连接在节骨机构(1)两端的用于将节骨内筒(12)端部的节骨模组(10)向节骨外筒(11)端部移动或将节骨外筒(11)端部的节骨模组(10)向节骨内筒(12)端部移动的前移动模块(21)和后移动模块(22)；

连接在前移动模块(21)上的用于调节节骨外筒(11)上的相邻节骨模组(10)之间角度的前方向模块(31)和连接在后移动模块(22)上的用于调节节骨外筒(11)上的相邻节骨模组(10)之间角度的后方向模块(32)；

与前移动模块(21)、后移动模块(22)、前方向模块(31)和后方向模块(32)电连接的用于控制其工作状态的控制单元。

2.根据权利要求1所述的蛇形机器人，其特征在于，所述的节骨模组(10)的节骨单元包括节点(100)和附节点(101)，所述的节点(100)和附节点(101)自身在节骨模组(10)的周向上呈左右对称结构，数量相同的节点(100)和附节点(101)沿着圆周方向相间排列并拼接成环形，伸缩结构为插槽(102)和可在插槽(102)中伸入伸出的插销(103)，插槽(102)和插销(103)分别设置在节点(100)和附节点(101)上。

3.根据权利要求2所述的蛇形机器人，其特征在于，所述的相邻节骨模组(10)之间的铰接结构包括推块(106)和铰接槽(107)，所述的推块(106)和铰接槽(107)分别设置在节点(100)上沿节骨模组(10)轴向的前侧和后侧，所述的铰接槽(107)为开设在节点(100)上的沿径向的通孔槽，并且在节点(100)的后侧开设了导通至通孔槽侧壁的缺口，所述的推块(106)设置在节点(100)前侧开设的腔体中，并且推块(106)上设置了用于卡入铰接槽(107)的铰接球头(108)，推块(106)在腔体中沿着节骨模组(10)轴向滑动并通过锁定机构锁定推块(106)超出腔体的长度，并且推块(106)与连接在腔体底部的推块拉簧(109)连接。

4.根据权利要求3所述的蛇形机器人，其特征在于，所述的锁定机构包括压杆(110)和锁定滑块(111)，所述推块(106)的沿节骨模组(10)周向的侧壁上设置有倾斜于推块(106)滑动方向的滑槽一(112)，所述的压杆(110)装置在节点(100)上并且位于推块(106)的沿节骨模组(10)周向的侧边，压杆(110)上设置了用于插入滑槽一(112)的销子一(113)，压杆(110)沿节骨模组(10)的径向滑动来带动推块(106)沿着节骨模组(10)轴向滑动，所述的锁定滑块(111)位于压杆(110)的沿节骨模组(10)周向的侧边，并且两者的相对面上都设置了用于啮合的锯齿部(116)，所述锁定滑块(111)沿着在节点(100)上设置的沿节骨模组(10)周向的滑道(114)滑动，并且滑道(114)中设置有带动锁定滑块(111)抵住压杆(110)的锁紧弹簧(115)。

5.根据权利要求3所述的蛇形机器人，其特征在于，所述的前方向模块(31)、后方向模块(32)包括沿周向分布的并且与节骨外筒(11)上的铰接结构一一对应的方向单元(300)，所述的方向单元(300)包括由驱动机构带动沿节骨模组(10)的径向运动的用于按压压杆(110)的凸轮(301)。

6.根据权利要求5所述的蛇形机器人，其特征在于，所述的方向单元的驱动机构还包括副电机(302)和由副电机(302)带动旋转的传动杆(303)，所述的传动杆(303)沿着节骨模组(10)的轴向设置，并且传动杆(303)上设置了螺纹段，螺纹段上装置了螺纹滑块(305)，凸轮(301)装置在前移动模块(21)、后移动模块(22)上设置的沿节骨模组(10)径向的槽孔(306)中，凸轮(301)上设置了倾斜于节骨模组(10)轴向的滑槽，螺纹滑块(305)上设置用于插入滑槽的凸销，副电机(302)驱动传动杆(303)转动进而驱动螺纹滑块(305)沿节骨模组(10)轴向运动，螺纹滑块(305)再带动凸轮(301)沿节骨模组(10)的径向运动。

7.根据权利要求3所述的蛇形机器人，其特征在于，所述的前移动模块(21)、后移动模块(22)包括主电机(200)、内支架(201)、中支架(202)、外支架(203)、螺旋内筒(204)、螺旋外筒(205)和托架(207)，所述的内支架(201)、中支架(202)、外支架(203)由内向外依次套接并固定，所述的主电机(200)装置在内支架(201)中，所述的螺旋内筒(204)为圆周外壁设置有外螺纹的圆筒，螺旋内筒(204)套装在内支架(201)的外围并通过齿轮组件由主电机(200)带动旋转，所述的螺旋外筒(205)为圆周内壁设置有内螺纹的圆筒，螺旋外筒(205)套装在螺旋内筒(204)的圆周外围并通过齿轮组件由主电机(200)带动旋转，并且所述的螺旋外筒(205)的内壁与螺旋内筒(204)的外壁之间具有圆周间隙形成供节骨机构(1)的节骨内筒(12)和节骨外筒(11)的端部插入的圆环形开口腔，在圆环形开口腔的底侧为中支架(202)的垂直于节骨模组(10)轴向的平板面，所述节点(100)的沿节骨模组(10)径向的外侧设置了与螺旋外筒(205)的内螺纹配合的外凸点(119)，所述节点(100)的沿节骨模组(10)径向的内侧设置了与螺旋内筒(204)的外螺纹配合的内凸点(120)，所述的螺旋外筒(205)、螺旋内筒(204)通过旋转分别驱动节骨内筒(12)、节骨外筒(11)上的节骨模组(10)进出圆环形开口腔，中支架(202)的平板面上设置了沿节骨模组(10)径向的变径滑槽(208)，托架(207)嵌入在变径滑槽(208)中并沿其滑动，托架(207)上设置用于夹持节点(100)的卡口，托架(207)夹持住节点(100)由托架驱动机构带动沿变径滑槽(208)滑动使得节骨模组(10)整体沿着径向伸缩发生变径，同时被托架(207)夹持住的节骨模组(10)与其原相邻的节骨模组(10)之间的铰接槽(107)和铰接球头(108)发生分离，并且被托架(207)夹持住的节骨模组(10)在变径后与新相邻的节骨模组(10)之间的铰接槽(107)和铰接球头(108)进行扣接。

8.根据权利要求7所述的蛇形机器人，其特征在于，所述的托架驱动机构包括垂直于节骨模组(10)轴向并套装在内支架(201)外围的圆盘(206)，所述的圆盘(206)通过齿轮组件由主电机(200)带动与螺旋内筒(204)同轴线旋转，所述的圆盘(206)上设置了导向槽(211)，所述的导向槽(211)为距离旋转轴线半径发生变化的环线槽，所述的托架(207)上设置了用于插入导向槽(211)并沿其滑动的销柱(212)，圆盘(206)的转动带动托架(207)沿变径滑槽(208)滑动。

9.根据权利要求8所述的蛇形机器人，其特征在于，所述的齿轮组件包括装置在主电机(200)输出轴上的轴齿轮(217)，所述的轴齿轮(217)通过行星轮(222)驱动第一齿环(218)转动，所述的第一齿环(218)上固定连接有与齿环()同口径并且同轴心的第二齿环(219)和第三齿环(220)，并且第一齿环(218)通过第一惰轮(223)与连接在螺旋内筒(204)上的第一从动齿轮(226)传动，所述的第二齿环(219)通过第二惰轮(224)与连接在圆盘(206)上的第二从动齿轮(227)传动，所述的第三齿环(220)通过第三惰轮(225)与连接在螺旋外筒(205)上的第三从动齿轮(228)传动。

10.根据权利要求1所述的蛇形机器人，其特征在于，所述的控制单元包括微处理器(401)、电池(402)和视觉传感器(403)，微处理器(401)、电池(402)装置在前移动模块(21)、后移动模块(22)的内部，视觉传感器(403)装置在前移动模块(21)、后移动模块(22)的端部。