CN111645055A - 一种基于谐振式蛇形仿生机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于谐振式蛇形仿生机器人，属于仿生机器人领域。它包括蛇头，一端与蛇头铰接装设的蛇身A，与蛇身A另一端铰接装设的蛇身B，铰接装设于蛇身B另一端的蛇尾，装设于蛇头上的前进足A，装设于蛇尾上的前进足B；蛇头上装设有电机，电机的输出轴穿过蛇头并装设有单向轴承A，单向轴承A上装设有蛇头转盘；蛇身A上靠近蛇身B的一端滑动装设有蛇身滑块A，连杆A的中点铰接装设于蛇身A的前段；连杆A的一端与蛇头滑块采用关节弹簧A相连，连杆A的另一端与蛇身滑块A采用钢丝绳A相连。本发明是一种简单合理、实现谐振式的正、反向Z字型结构弯曲，能够蜿蜒前进的蛇形仿生机器人。

Description

一种基于谐振式蛇形仿生机器人

技术领域

本发明主要涉及仿生机器人领域，特指一种基于谐振式蛇形仿生机器人。

背景技术

蛇形机器人属于特殊的机器人，可以在辐射、剧毒等恶劣环境下实现特殊作业，具有广泛的应用前景。同时蛇形机器人因具有生物蛇的运动姿态，从而可以在非定点工程中能帮助人类完成需要完成的工作。现有的蛇形机器人在前进过程中，需要始终提供前进动力，且结构复杂、前进时的弯曲模式与生物蛇的弯曲差异较大。因此，设计一种耗能更低，基于谐振弯曲功能的仿生机器人具有一定价值。

发明内容

本发明需解决的技术问题是：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单合理、利用单向轴承保持恒定的转动方向、进而实现谐振式的正、反向Z字型结构弯曲，能够蜿蜒前进的蛇形仿生机器人。

为了解决上述问题，本发明提出的解决方案为：一种基于谐振式蛇形仿生机器人，包括蛇头，一端与所述蛇头铰接装设的蛇身A，与所述蛇身A另一端铰接装设的蛇身B，铰接装设于所述蛇身B另一端的蛇尾，装设于所述蛇头上的前进足A，装设于所述蛇尾上的前进足B。

所述蛇头上装设有电机，所述电机的输出轴穿过所述蛇头并装设有单向轴承A，所述单向轴承A上装设有蛇头转盘；

蛇头滑块滑动装设于所述蛇头上靠近所述蛇身A的一端，蛇头弹簧的两端分别与所述蛇头转盘的边缘、所述蛇头滑块相连；

所述蛇身A上靠近所述蛇身B的一端滑动装设有蛇身滑块A，连杆A的中点铰接装设于所述蛇身A的前段；所述连杆A的一端与所述蛇头滑块采用关节弹簧A相连，所述连杆A的另一端与所述蛇身滑块A采用钢丝绳A相连；

所述蛇身B的后端滑动装设有蛇身滑块B，连杆B的中点铰接装设于所述蛇身B的前段；所述连杆B的一端与所述蛇身滑块A采用关节弹簧B相连，其另一端与所述蛇身滑块B采用钢丝绳B相连；

所述蛇尾的前端转动装设有蛇尾曲柄，所述蛇尾曲柄的末端与所述蛇身滑块B采用关节弹簧C相连；

所述前进足A与所述前进足B结构相同，均包括沿铅垂方向装设的支柱，沿水平方向固定装设于所述支柱上的轴承架，装设于所述轴承架上的单向轴承B，装设于所述单向轴承B外圈上的滚轮；所述前进足A中的所述支柱固定装设于所述蛇头的底部，所述前进足B中的所述支柱固定装设于所述蛇尾的底部。

进一步地，所述蛇头转盘与所述连杆A、所述连杆B、所述蛇尾曲柄在同一水平面内。

进一步地，所述滚轮沿平行于所述蛇头的方向滚动；所述单向轴承B处于允动状态时，所述滚轮向前滚动时；所述单向轴承B处于止动状态时，滚轮只能滑动。

进一步地，所述电机正向转动时，所述单向轴承A处于止动状态，所述蛇头转盘与所述电机的输出轴保持同步转动；所述电机静止时，所述单向轴承A处于允动状态，所述蛇头转盘可以继续正向转动。

进一步地，所述关节弹簧A与所述关节弹簧B、所述关节弹簧C、蛇头弹簧均为金属螺旋拉压型弹簧。

进一步地，所述钢丝绳A和所述钢丝绳B始终处于拉紧状态。

进一步地，初始状态时，所述蛇头与所述蛇身A、所述蛇身B和所述蛇尾共线，所述蛇头弹簧处于压缩状态，其压缩量为等于所述蛇头转盘的半径。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：本发明的蛇头转盘采用单向轴承装设于电机的输出轴上，在蛇头弹簧和三个关节弹簧的作用下可以使得电机停止后蛇头转盘始终正向转动，进而使得蛇身A、蛇身B和蛇尾组成不断变化的正、方向Z字型结构，即形成谐振式弯曲结构；此外，本发明的前进足A和前进足B中的滚轮采用了单向轴承B装设，从而使得滚轮前进是是滚动式，后退时是滑动式，即前进的距离远远大于后退的距离，即在正、方向Z字型结构变化的过程中实现了整体结构的前进。由此可知，本发明是一种结构简单合理、基于蛇身和蛇尾谐振式弯曲前进的仿生机器人。

附图说明

图1是本发明的一种基于谐振式蛇形仿生机器人的结构原理示意图。

图2是本发明的装有前进足后的蛇头结构原理示意图。

图中，1—蛇头；11—蛇头滑块；12—蛇头转盘；13—蛇头弹簧；14—关节弹簧A；15—电机；16—单向轴承A；2—蛇身A；21—蛇身滑块A；22—连杆A；23—钢丝绳A；24—关节弹簧B；3—蛇身B；31—蛇身滑块B；32—连杆B；33—钢丝绳B；34—关节弹簧C；4—蛇尾；41—蛇尾曲柄；51—支柱；52—轴承架；53—单向轴承B；54—滚轮。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1和图2所示，本发明的一种基于谐振式蛇形仿生机器人，包括蛇头1，一端与蛇头1铰接装设的蛇身A2，与蛇身A2另一端铰接装设的蛇身B3，铰接装设于蛇身B3另一端的蛇尾4，装设于蛇头1上的前进足A，装设于蛇尾4上的前进足B。

参见图1和图2所示，蛇头1上装设有电机15，电机15的输出轴穿过蛇头1并装设有单向轴承A16，单向轴承A16上装设有蛇头转盘12；

参见图1和图2所示，蛇头滑块11滑动装设于蛇头1上靠近蛇身A2的一端，蛇头弹簧13的两端分别与蛇头转盘12的边缘、蛇头滑块11相连；

参见图1和图2所示，蛇身A2上靠近蛇身B3的一端滑动装设有蛇身滑块A21，连杆A22的中点铰接装设于蛇身A2的前段；连杆A22的一端与蛇头滑块11采用关节弹簧A14相连，连杆A22的另一端与蛇身滑块A21采用钢丝绳A23相连；

参见图1和图2所示，蛇身B3的后端滑动装设有蛇身滑块B31，连杆B32的中点铰接装设于蛇身B3的前段；连杆B32的一端与蛇身滑块A21采用关节弹簧B24相连，其另一端与蛇身滑块B31采用钢丝绳B33相连；

参见图1和图2所示，蛇尾4的前端转动装设有蛇尾曲柄41，蛇尾曲柄41的末端与蛇身滑块B31采用关节弹簧C34相连；

参见图2所示，前进足A与前进足B结构相同，均包括沿铅垂方向装设的支柱51，沿水平方向固定装设于支柱51上的轴承架52，装设于轴承架52上的单向轴承B53，装设于单向轴承B53外圈上的滚轮54；前进足A中的支柱51固定装设于蛇头1的底部，前进足B中的支柱51固定装设于蛇尾4的底部。

作为优选地，蛇头转盘12与连杆A22、连杆B32、蛇尾曲柄41在同一水平面内。

作为优选地，滚轮54沿平行于蛇头1的方向滚动；单向轴承B53处于允动状态时，滚轮54向前滚动时；单向轴承B53处于止动状态时，滚轮54只能滑动。

作为优选地，电机15正向转动时，单向轴承A16处于止动状态，蛇头转盘12与电机15的输出轴保持同步转动；电机15静止时，单向轴承A16处于允动状态，蛇头转盘12可以继续正向转动。

作为优选地，关节弹簧A14与关节弹簧B24、关节弹簧C34、蛇头弹簧13均为金属螺旋拉压型弹簧。

作为优选地，钢丝绳A23和钢丝绳B33始终处于拉紧状态。

作为优选地，初始状态时，蛇头1与蛇身A2、蛇身B3和蛇尾4共线，蛇头弹簧13处于压缩状态，其压缩量为等于蛇头转盘12的半径。

本发明的谐振式弯曲原理：电机15正向转动半周，由于单向轴承A16处于止动状态，从而使得蛇头转盘12与电机15的输出轴同步转动；使得蛇头弹簧13的左端点从最右端运动至最右端，进而使得蛇头弹簧13的长度从最短变化到最长；整个过程中，连杆A22和连杆B32发生正向转动半周，相应的钢丝绳A23和钢丝绳B33分别拉动蛇身滑块A21和蛇身滑块B31，进而通过关节弹簧B24和关节弹簧C34拉动蛇身B3和蛇尾4发生反向转动，形成类似于“Z”字型的图形。当电机15停止转动后，由于单向轴承A16只允许蛇头转盘12正向转动，不允许其反向转动，从而在惯性的作用下蛇头转盘12继续正向转动，此后蛇头弹簧13的长度从最长变化到最短，由蛇身A2、蛇身B3和蛇尾4所组成的“Z”字型的结构逐渐恢复成直线，并在弹簧力的作用下下发生反向万向，形成反向的“Z”字型结构。虽然电机15停止了转动，但由于单向轴承A16只允许蛇头转盘12正向转动，不允许其反向转动，从而使得蛇头转盘12始终正向转动，进而使得“Z”字型结构正、反向交替变化，形成谐振式弯曲变形，直至所有的弹簧势能均被摩擦阻尼消耗掉，即蛇头1与蛇身A2回到初始的直线状态。

本发明的弯曲前进工作原理：由蛇身A2、蛇身B3和蛇尾4所组成的“Z”字型的结构不断发生正、反向变化，从而使得前进足A和前进足B之间的直线距离发生变化。由于单向轴承B53的允动和止动状态，使得滚轮54只能向前滚动和向后滑动。由于滚动摩擦远远小于滑动摩擦，从而使得整个Z字型结构整体向前运动，即实现了弯曲前进。

本发明的工作过程如下：

电机15正向转动半周，蛇身A2、蛇身B3和蛇尾4弯曲成正向Z字型结构，前进足A和前进足B之间的距离逐渐变小，从而使得前进足A的滚轮微微向后滑动，而前进足B的滚轮显著向前滚动；

电机15停止转动后，当蛇身A2、蛇身B3和蛇尾4正向Z字型结构逐渐恢复成直线的过程中，前进足A和前进足B之间的距离逐渐变大，此时前进足A的滚轮显著向前滚动，而前进足B的滚轮微微向后滑动，从而实现整体结构向前运动；

当蛇身A2、蛇身B3和蛇尾4由直线状态继续弯曲成反向Z字型结构逐时，前进足A和前进足B之间的距离逐渐变小，前进足A的滚轮微微向后滑动，而前进足B的滚轮显著向前滚动；

当蛇身A2、蛇身B3和蛇尾4由反向Z字型结构逐渐恢复成直线的过程中，前进足A和前进足B之间的距离逐渐变大，此时前进足A的滚轮显著向前滚动，而前进足B的滚轮微微向后滑动，从而实现整体结构向前运动；

上述过程不断重复，从而实现了本发明的仿生机器人蜿蜒弯曲前进。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应该属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于谐振式蛇形仿生机器人，包括蛇头(1)，一端与所述蛇头(1)铰接装设的蛇身A(2)，与所述蛇身A(2)另一端铰接装设的蛇身B(3)，铰接装设于所述蛇身B(3)另一端的蛇尾(4)，装设于所述蛇头(1)上的前进足A，装设于所述蛇尾(4)上的前进足B；其特征在于：

所述蛇头(1)上装设有电机(15)，所述电机(15)的输出轴穿过所述蛇头(1)并装设有单向轴承A(16)，所述单向轴承A(16)上装设有蛇头转盘(12)；

蛇头滑块(11)滑动装设于所述蛇头(1)上靠近所述蛇身A(2)的一端，蛇头弹簧(13)的两端分别与所述蛇头转盘(12)的边缘、所述蛇头滑块(11)相连；

所述蛇身A(2)上靠近所述蛇身B(3)的一端滑动装设有蛇身滑块A(21)，连杆A(22)的中点铰接装设于所述蛇身A(2)的前段；所述连杆A(22)的一端与所述蛇头滑块(11)采用关节弹簧A(14)相连，所述连杆A(22)的另一端与所述蛇身滑块A(21)采用钢丝绳A(23)相连；

所述蛇身B(3)的后端滑动装设有蛇身滑块B(31)，连杆B(32)的中点铰接装设于所述蛇身B(3)的前段；所述连杆B(32)的一端与所述蛇身滑块A(21)采用关节弹簧B(24)相连，其另一端与所述蛇身滑块B(31)采用钢丝绳B(33)相连；

所述蛇尾(4)的前端转动装设有蛇尾曲柄(41)，所述蛇尾曲柄(41)的末端与所述蛇身滑块B(31)采用关节弹簧C(34)相连；

所述前进足A与所述前进足B结构相同，均包括沿铅垂方向装设的支柱(51)，沿水平方向固定装设于所述支柱(51)上的轴承架(52)，装设于所述轴承架(52)上的单向轴承B(53)，装设于所述单向轴承B(53)外圈上的滚轮(54)；所述前进足A中的所述支柱(51)固定装设于所述蛇头(1)的底部，所述前进足B中的所述支柱(51)固定装设于所述蛇尾(4)的底部。

2.根据权利要求1所述的一种基于谐振式蛇形仿生机器人，其特征在于：所述蛇头转盘(12)与所述连杆A(22)、所述连杆B(32)、所述蛇尾曲柄(41)在同一水平面内。

3.根据权利要求1所述的一种基于谐振式蛇形仿生机器人，其特征在于：所述滚轮(54)沿平行于所述蛇头(1)的方向滚动；所述单向轴承B(53)处于允动状态时，所述滚轮(54)向前滚动时；所述单向轴承B(53)处于止动状态时，滚轮(54)只能滑动。

4.根据权利要求1所述的一种基于谐振式蛇形仿生机器人，其特征在于：所述电机(15)正向转动时，所述单向轴承A(16)处于止动状态，所述蛇头转盘(12)与所述电机(15)的输出轴保持同步转动；所述电机(15)静止时，所述单向轴承A(16)处于允动状态，所述蛇头转盘(12)可以继续正向转动。

5.根据权利要求1所述的一种基于谐振式蛇形仿生机器人，其特征在于：所述关节弹簧A(14)与所述关节弹簧B(24)、所述关节弹簧C(34)、蛇头弹簧(13)均为金属螺旋拉压型弹簧。

6.根据权利要求1所述的一种基于谐振式蛇形仿生机器人，其特征在于：所述钢丝绳A(23)和所述钢丝绳B(33)始终处于拉紧状态。

7.根据权利要求1所述的一种基于谐振式蛇形仿生机器人，其特征在于：初始状态时，所述蛇头(1)与所述蛇身A(2)、所述蛇身B(3)和所述蛇尾(4)共线，所述蛇头弹簧(13)处于压缩状态，其压缩量为等于所述蛇头转盘(12)的半径。

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