CN108942907B - 基于并联机构的模块化蛇形机器人 - Google Patents

Abstract

一种基于并联机构的模块化蛇形机器人，包括多个串联的运动模块，各运动模块又分别包括：静平台、动平台和连接支链，静平台和动平台之间通过多条连接支链相连接，连接支链包括舵机支架、舵机、活动板式连接机构和关节座；上述活动板式连接机构为球面六杆机构，包括静平台连接板、动平台连接板、第一形变板、第二形变板、第三形变板和第四形变板，通过连接支链不同运动方式实现了机器人仿蛇形的运动，从而能够适应不同的地形。另外，在任何一个运动模块或任何一个连接支链故障的情况下，机器人均能保持正常的运动，并且本发明采用模块化设计使得机器人长度可调，组装方便，便于携带。

Description

基于并联机构的模块化蛇形机器人

技术领域

本发明涉及机器人的技术领域，具体说是一种运动方式多样、运动速度快、鲁棒性强、长度可调的基于并联机构的模块化蛇形机器人。

背景技术

移动机器人广泛应用于各种领域，传统的移动机构大多基于连续转动原理，靠轮子或履带与地面作用实现运动，其适应性差，未能实现运动的灵活性，足式运动方式虽具有较强的地面适应性，并增强了方向调整能力，但其稳定性和运动的速度较低。虽然移动机器人运动形式多样，但大多还是只能在地形比较平坦或是较为简单的环境下运动，还难以在野外，管道等复杂环境下运动。

蛇因其柔软多变的身躯而具备多种运动形式，具有很强的环境适应能力和地面运动稳定能力。蛇是无四肢动物中最庞大的一类，种类繁多，分布广泛，在自然界中有几千年的进化历史，它能进行多种运动以适应不同的生活环境(沙漠、水池、陆地、森林等)，被认为是越障能力最强的动物之一。仿生蛇形机器人是一种新型的仿生移动机器人，它实现了像蛇一样的“无肢运动”，能在人类难以到达的未知环境或不适宜人类工作的场合下替代人类进行工作，因此在科学探险、救灾抢险、生命搜寻等多个领域有着广泛的应用前景。

然而大多数仿生蛇形机器人具有如下缺点：

（1）运动方式单一，不能同时具备实现多种运动方式的能力。要不单元运动模块长度固定，不能像蟒蛇等蛇类那样实现收缩运动，而只是通过运动模块之间的相对转动,使身体左右摆动实现运动，导致防蛇形机器人对地形的适应能力不足。要不仅仅只能实现收缩运动，不能实现左右或侧向摆动或直线运动等。

（2）鲁棒性差，任意运动模块出现故障，仿生蛇形机器人就无法正常工作。

（3）仿生蛇形机器人蛇形长度不可变。

（4）每个运动模块大都只有一个自由度，难以实现复杂的运动。

（5）仿生蛇形机器人运行速度慢。

为使仿生蛇形机器人在社会生活多领域发挥更多作用，最基本的就是要从机构设计方面去创新突破，探索研制运行灵活，适应地形能力强，任务适用面广的新型仿生蛇形机器人。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于并联机构的模块化蛇形机器人。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:

本发明的基于并联机构的模块化蛇形机器人，包括多个串联的运动模块，各运动模块又分别包括：静平台、动平台和连接支链，静平台和动平台之间通过多条连接支链相连接；上述各条连接支链又包括舵机支架、舵机、活动板式连接机构和关节座；上述活动板式连接机构为球面六杆机构，包括静平台连接板、动平台连接板、第一形变板、第二形变板、第三形变板和第四形变板，静平台连接板分别与第一形变板、第二形变板通过铰链活动连接，动平台连接板分别与第三形变板和第四形变板通过铰链活动连接，而第一形变板与第三形变板通过铰链活动连接，第二形变板与第四形变板通过铰链活动连接，上述板式连接机构中的各个铰链的对应轴线同时相交于一点；舵机支架固定设置在静平台上，舵机与舵机支架相固定，舵机的舵机轴通过第一转动副与活动板式连接机构中的静平台连接板转动连接，动平台上固定设置关节座，活动板式连接机构中的动平台连接板通过第二转动副与关节座转动连接；相邻连接的运动模块中，其一运动模块的动平台即与邻接运动模块的静平台相连接，或其一运动模块的静平台与邻接运动模块的动平台相连接。

本发明还可以采用以下技术措施：

所述的连接支链为三条，三条连接支链在静平台和动平台间均匀分布设置。

本发明的基于并联机构的模块化蛇形机器人，包括多个串联的运动模块，各运动模块又分别包括：静平台、动平台和连接支链，静平台和动平台之间通过多条连接支链相连接；上述各条连接支链又包括舵机支架、舵机、活动板式连接机构和关节座；上述活动板式连接机构为球面六杆机构，包括静平台连接板、动平台连接板、第一形变板、第二形变板、第三形变板和第四形变板，静平台连接板分别与第一形变板、第二形变板通过柔性连接带活动连接，动平台连接板分别与第三形变板和第四形变板通过柔性连接带活动连接，而第一形变板与第三形变板通过柔性连接带活动连接，第二形变板与第四形变板通过柔性连接带活动连接，上述板式连接机构中相连的形变板的各板间缝隙的中线同时相交于一点；舵机支架固定设置在静平台上，舵机与舵机支架相固定，舵机的舵机轴通过第一转动副与活动板式连接机构中的静平台连接板转动连接，动平台上固定设置关节座，活动板式连接机构中的动平台连接板通过第二转动副与关节座转动连接；相邻连接的运动模块中，其一运动模块的动平台即与邻接运动模块的静平台相连接，或其一运动模块的静平台与邻接运动模块的动平台相连接。

本发明具有的优点和积极效果是:

本发明的基于并联机构的模块化蛇形机器人，通过串联方式实现了模块化仿生蛇形机器人的设计，而相连的各运动模块中的多个并联机构的不同运动方式实现了机器人仿蛇形的运动：当运动模块中各并联的连接支链的电机转动速度一致时能够实现蠕动；当运动模块中各并联的连接支链的电机转动速度不一致时能够实现摆动；通过改变各电机的运转状况实现整体蛇形机器人不仅实现直线的伸长、缩短，而且还能模仿蛇在运行时的平面弯曲和空间的缠绕扭转状态。本发明的基于并联机构的模块化蛇形机器人充分模仿了蛇的运动状态，从而能够适应不同的地形，本发明的机器人不需区分头部和尾部，在狭长的管道内不需转弯即可实现前进和后退。另外，并联机构作为运动模块使得机器人的运动速度有所增加，在任何一个运动模块或任何一个支链故障的情况下，机器人均能保持正常的运动，并且本发明采用模块化设计使得机器人长度可调，组装方便，便于携带。

附图说明

图1为本发明的基于并联机构的模块化蛇形机器人的结构示意图；

图2为本发明的基于并联机构的模块化蛇形机器人中单个运动模块的结构示意图；

图3为活动板式连接机构的示意图；

图4为本发明的基于并联机构的模块化蛇形机器人在直线伸长状态时的示意图；

图5为本发明的基于并联机构的模块化蛇形机器人在直线缩短状态时的示意图；

图6为本发明的基于并联机构的模块化蛇形机器人在平面弯曲状态时的示意图；

图7为本发明的基于并联机构的模块化蛇形机器人在空间缠绕状态时的示意图。

图中101、第一转动副，102、连接支链，103、第二转动副，201、静平台，202、舵机支架，203、舵机，204电机轴，207、关节座，208、动平台，301、静平台连接板，302、动平台连接板，303、第一形变板，304、第二形变板，305、第三形变板，306、第四形变板，307、铰链。

具体实施方式

以下通过附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

由图1至图7所示，本发明的基于并联机构的模块化蛇形机器人，包括多个串联的运动模块，各运动模块又分别包括：静平台201、动平台208和连接支链102，静平台和动平台之间通过多条连接支链相连接；上述各条连接支链又包括舵机支架202、舵机203、活动板式连接机构和关节座207；上述活动板式连接机构为球面六杆机构，包括静平台连接板301、动平台连接板302、第一形变板303、第二形变板304、第三形变板305和第四形变板306，静平台连接板分别与第一形变板、第二形变板通过铰链307活动连接，动平台连接板分别与第三形变板和第四形变板通过铰链307活动连接，而第一形变板与第三形变板通过铰链活动连接，第二形变板与第四形变板通过铰链活动连接，上述板式连接机构中的各个铰链的对应轴线同时相交于一点，静平台连接板、动平台连接板、第一形变板、第二形变板、第三形变板和第四形变板构成球面六杆机构中的各杆，而上述起到连接作用的各铰链构成球面六杆机构中的各转动副；舵机支架固定设置在静平台上，舵机与舵机支架相固定，舵机的舵机轴通过第一转动副101与活动板式连接机构中的静平台连接板转动连接，动平台上固定设置关节座，活动板式连接机构中的动平台连接板通过第二转动副103与关节座转动连接；相邻连接的运动模块中，其一运动模块的动平台即与邻接运动模块的静平台相连接，或其一运动模块的静平台与邻接运动模块的动平台相连接。

当蛇形机器人运动时，固定在静平台201上的舵机支架202里的舵机203工作，舵机轴204带动静平台连接板301转动，静平台连接板再通过第一形变板303、第二形变板304、第三形变板305和第四形变板306带动动平台连接板302运动，动平台连接板带动与其转动连接的关节座207运动，即球面六杆机构通过两端串联的第一转动副和第二转动副实现了静平台与动平台之间的传动连接，从而推动动平台208运动，之后的运动模块依次以此方式实现运动，从而实现蛇形机器人的运动。

活动板式连接机构为球面六杆机构，设置多个由铰链活动连接的静平台连接板301、动平台连接板302、第一形变板303、第二形变板304、第三形变板305和第四形变板306，从而能够实现包括弯曲和空间缠绕在内的运动动作，从而能够更好的模拟蛇的运动方式。

连接支链为三条，三条连接支链在静平台和动平台间均匀分布设置。

可以上述的各连接板之间的连接结构由铰链替换为柔性的连接带，通过连接带与连接板分别粘接，也能够实现连接板间的活动连接，上述连接带可以为胶带或者纱布胶带。本发明的基于并联机构的模块化蛇形机器人，包括多个串联的运动模块，各运动模块又分别包括：静平台、动平台和连接支链，静平台和动平台之间通过多条连接支链相连接；上述各条连接支链又包括舵机支架、舵机、活动板式连接机构和关节座；上述活动板式连接机构为球面六杆机构，包括静平台连接板、动平台连接板、第一形变板、第二形变板、第三形变板和第四形变板，静平台连接板分别与第一形变板、第二形变板通过柔性连接带活动连接，动平台连接板分别与第三形变板和第四形变板通过柔性连接带活动连接，而第一形变板与第三形变板通过柔性连接带活动连接，第二形变板与第四形变板通过柔性连接带活动连接，上述板式连接机构中相连的形变板的各板间缝隙的中线同时相交于一点；舵机支架固定设置在静平台上，舵机与舵机支架相固定，舵机的舵机轴通过第一转动副与活动板式连接机构中的静平台连接板转动连接，动平台上固定设置关节座，活动板式连接机构中的动平台连接板通过第二转动副与关节座转动连接；相邻连接的运动模块中，其一运动模块的动平台即与邻接运动模块的静平台相连接，或其一运动模块的静平台与邻接运动模块的动平台相连接。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然而，并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当然会利用揭示的技术内容作出些许更动或修饰，成为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种基于并联机构的模块化蛇形机器人，包括多个串联的运动模块，各运动模块又分别包括：静平台、动平台和连接支链，静平台和动平台之间通过多条连接支链相连接；其特征在于，上述各条连接支链又包括舵机支架、舵机、活动板式连接机构和关节座；上述活动板式连接机构为球面六杆机构，包括静平台连接板、动平台连接板、第一形变板、第二形变板、第三形变板和第四形变板，静平台连接板分别与第一形变板、第二形变板通过铰链活动连接，动平台连接板分别与第三形变板和第四形变板通过铰链活动连接，而第一形变板与第三形变板通过铰链活动连接，第二形变板与第四形变板通过铰链活动连接，上述板式连接机构中的各个铰链的对应轴线同时相交于一点；舵机支架固定设置在静平台上，舵机与舵机支架相固定，舵机的舵机轴通过第一转动副与活动板式连接机构中的静平台连接板转动连接，动平台上固定设置关节座，活动板式连接机构中的动平台连接板通过第二转动副与关节座转动连接；相邻连接的运动模块中，其一运动模块的动平台即与邻接运动模块的静平台相连接，或其一运动模块的静平台与邻接运动模块的动平台相连接。

2.根据权利要求1所述的基于并联机构的模块化蛇形机器人，其特征在于：上述连接支链为三条，三条连接支链在静平台和动平台间均匀分布设置。

3.一种基于并联机构的模块化蛇形机器人，包括多个串联的运动模块，各运动模块又分别包括：静平台、动平台和连接支链，静平台和动平台之间通过多条连接支链相连接；其特征在于，上述各条连接支链又包括舵机支架、舵机、活动板式连接机构和关节座；上述活动板式连接机构为球面六杆机构，包括静平台连接板、动平台连接板、第一形变板、第二形变板、第三形变板和第四形变板，静平台连接板分别与第一形变板、第二形变板通过柔性连接带活动连接，动平台连接板分别与第三形变板和第四形变板通过柔性连接带活动连接，而第一形变板与第三形变板通过柔性连接带活动连接，第二形变板与第四形变板通过柔性连接带活动连接，上述板式连接机构中相连的形变板的各板间缝隙的中线同时相交于一点；舵机支架固定设置在静平台上，舵机与舵机支架相固定，舵机的舵机轴通过第一转动副与活动板式连接机构中的静平台连接板转动连接，动平台上固定设置关节座，活动板式连接机构中的动平台连接板通过第二转动副与关节座转动连接；相邻连接的运动模块中，其一运动模块的动平台即与邻接运动模块的静平台相连接，或其一运动模块的静平台与邻接运动模块的动平台相连接。

Images