CN111687823A - 一种带有螺旋驱动的水陆三栖蛇形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有螺旋驱动的水陆三栖蛇形机器人，蛇形机器人包括由蛇形机器人头部至尾部依次连接的头部模块、头部螺旋驱动部、尾部螺旋驱动部和尾部模块，头部螺旋驱动部和尾部螺旋驱动部均包括至少一个能够驱动蛇形机器人进行旋转运动的螺旋驱动模块；蛇形机器人还包括多个关节通用模块，关节通用模块用于连接头部模块、头部螺旋驱动部、尾部螺旋驱动部以及尾部模块之中的相邻两者，使得该两者具有至少一个转动自由度。本发明在具有一般蛇形机器人结构的基础上，在中间部分关节增加螺旋驱动模块，使得蛇形机器人能在高速行进模式、平行双螺旋行进模式以及攀爬行进模式之间转换，在实现水下和陆地两种运动的同时，实现水陆过渡和爬树功能。

Description

一种带有螺旋驱动的水陆三栖蛇形机器人

技术领域

本发明涉及机械自动化技术，特别涉及一种带有螺旋驱动模块的水陆三栖(水、陆地、树木)蛇形机器人。

背景技术

生物蛇具备很强的运动能力，可以适应各种环境，包括水下、沙地、泥地、沼泽、草地、树林等环境。蛇形机器人是一种模仿生物蛇形态及运动能力的一种特种机器人，一般来说蛇形机器人由多个关节连接组成，具有冗余自由度，通过多种运动步态，易适应各种非结构化环境。目前蛇形机器人按功能可以分为水下蛇形机器人、陆地蛇形机器人、水陆两栖蛇形机器人，然而由于蛇形机器人驱动方式的特殊性，目前的蛇形机器人很难同时适用多种户外环境，因此对于水陆三栖(水、陆地、树木)蛇形机器人，其自然环境下的水陆过渡问题一直是机器人设计的难题，因此需要一种发明来解决这个问题。

专利CN200820231889.4公开了一种水陆两栖蛇形机器人，机器人由多个关节模块连接而成，各关节具备偏转和俯仰两个自由度。该机器人具有侧翼被动轮能够实现陆地运动，关节之间具有防水护套，起到水密作用，从而实现水陆两栖功能。但是由于侧翼的被动轮的存在，机器人无法完成水陆自然环境下的水陆过渡。

专利CN201210336869.4公开了一种基于多自由度柔性运动单元的水陆两栖蛇形机器人，各柔性运动单元以串联方式固连，具备防水功能。该发明虽然可以实现多种运动方式，可同时适用水下和陆地两种运动场合，但是无法适应野外水陆过渡环境，也无法实现爬树功能。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种带有螺旋驱动的水陆三栖蛇形机器人，在具有一般蛇形机器人结构的基础上，在中间部分关节增加螺旋驱动模块。本发明水陆三栖蛇形机器人水下游动时可以利用仿生游动及螺旋驱动模块共同驱动前进，在需要水陆过渡时蛇形机器人通过改变构型形成双螺旋驱动结构，利用双螺旋优越的水陆交界环境的适应能力实现自然环境水陆过渡。蛇形机器人在较为平整的陆面运动时可以改变构型，一字展开成直线，螺旋结构可以充当车轮，蛇形机器人可以变成轮式机器人快速前进；当需要完成攀爬任务时，蛇形机器人通过特定的爬树步态，螺旋结构可以增大蛇形机器人的抱紧力，通过螺旋旋转完成攀爬任务。

本发明所采用的技术方案是：一种带有螺旋驱动的水陆三栖蛇形机器人，所述蛇形机器人包括由所述蛇形机器人头部至尾部依次连接的：

头部模块；

头部螺旋驱动部，包括至少一个能够驱动所述蛇形机器人进行旋转运动的螺旋驱动模块；

尾部螺旋驱动部，包括至少一个能够驱动所述蛇形机器人进行旋转运动的螺旋驱动模块；以及，

尾部模块；

所述蛇形机器人还包括：

多个关节通用模块，用于连接所述头部模块、所述头部螺旋驱动部、所述尾部螺旋驱动部以及所述尾部模块之中的相邻两者，使得该两者具有至少一个转动自由度。

进一步地，在所述头部模块与相邻的所述头部螺旋驱动部之间设置有至少一个所述关节通用模块，在所述尾部模块与相邻的所述尾部螺旋驱动部之间设置有至少一个所述关节通用模块，并且在所述头部螺旋驱动部和所述尾部螺旋驱动部之间设置有至少两个所述关节通用模块，使得所述蛇形机器人能在高速行进模式、平行双螺旋行进模式以及攀爬行进模式之间转换。

其中，在所述高速行进模式中，所述蛇形机器人呈一字形形状，其中，所述头部螺旋驱动部和所述尾部螺旋驱动部设置在一条直线上。

其中，在所述平行双螺旋行进模式中，借助于设置在所述头部螺旋驱动部和所述尾部螺旋驱动部的至少两个所述关节通用模块的转动，所述蛇形机器人被折叠成具有彼此平行的两个部分，其中，在所述两个部分中的其中一部分中包括所述头部模块和所述头部螺旋驱动部，在所述两个部分中的另一部分中包括所述尾部模块和所述尾部螺旋驱动部，依靠所述头部螺旋驱动部和所述尾部螺旋驱动部的螺旋驱动模块的转动驱动所述蛇形机器人前进。

其中，在所述攀爬行进模式中，所述蛇形机器人缠绕在待攀爬的树木或圆杆周围，使得所述蛇形机器人符合所述待攀爬的树木或圆杆的周向轮廓，依靠所述头部螺旋驱动部和所述尾部螺旋驱动部的螺旋驱动模块抱紧树木或圆杆，同时旋转所述螺旋驱动模块实现所述蛇形机器人攀爬树木或圆杆。

进一步地，所述多个关节通用模块均为能够提供偏航运动自由度的偏航关节模块，使得所述蛇形机器人仅具备偏航运动实现二维运动。

进一步地，所述多个关节通用模块包括能够提供偏航运动自由度的偏航关节模块和能够提供俯仰运动自由度的俯仰关节模块，使得所述蛇形机器人同时具备偏转和俯仰运动实现三维运动。

其中，设置在所述头部模块与相邻的所述头部螺旋驱动部之间的至少一个所述关节通用模块为所述偏航关节模块，设置在所述尾部模块与相邻的所述尾部螺旋驱动部之间的至少一个所述关节通用模块为所述偏航关节模块，并且设置在所述头部螺旋驱动部和所述尾部螺旋驱动部之间的至少两个所述关节通用模块包括一个所述俯仰关节模块。

进一步地，所述螺旋驱动模块包括外螺纹壳体、设置在所述外螺纹壳体一端的侧端盖以及设置在所述外螺纹壳体另一端的轴端部；

所述外螺纹壳体包括中空的圆柱形主体以及围绕所述圆柱形主体的外表面设置的螺纹，其中，在所述圆柱形主体内部设置有螺旋外壳内齿轮；

所述轴端部包括圆柱形的轴端部主体以及从所述轴端部主体的一个端面居中突出的中空的轴体，其中，所述轴体插入至所述外螺纹壳体内，所述轴体与所述外螺纹壳体之间设置有轴承，所述轴体内设置有传动轴；所述轴端部主体内设置有螺旋驱动模块舵机，所述螺旋驱动模块舵机与螺旋驱动模块控制器相连接，并且，所述螺旋驱动模块舵机通过所述传动轴与齿轮连接，所述齿轮与所述螺旋外壳内齿轮想啮合形成内齿轮传动系统，所述螺旋驱动模块舵机通过所述内齿轮传动系统驱动所述外螺纹壳体转动。

其中，在所述头部螺旋驱动部与所述尾部螺旋驱动部平行时，所述头部螺旋驱动部的螺旋驱动模块的螺纹与所述尾部螺旋驱动部的螺旋驱动模块的螺纹呈相反方向。

本发明的有益效果是：

1.本发明使得水陆三栖蛇形机器人具备自然水陆环境的过渡能力，机器人为多关节组成的细长体，外形及运动形式与生物蛇相仿，具备高效游动，噪声小，强隐蔽性的特点，可以应用在环境探测、生物追踪、隐蔽侦察等场景。

2.本发明使得水陆三栖蛇形机器人具有水、陆、树等多环境下运动的能力，并且具备极强的野外复杂地形适应能力。当蛇形机器人在水下游动时，机器人可以通过仿生步态游动，同时螺旋驱动模块旋转可以充当螺旋桨帮助蛇形机器人游动，提高游动速度。当蛇形机器人水陆交接的泥沙地面运动时，机器人通过改变构型，形成双螺旋驱动结构，依靠螺旋结构在泥沙地中的转动驱动蛇形机器人前进，实现水陆过渡。同时当蛇形机器人需要攀爬树木圆杆时可以使用身体缠绕圆杆或树木，抱紧的同时旋转螺旋驱动模块实现爬杆爬树功能。

3.本发明通过将螺旋驱动模块与多关节蛇形机器人有机结合可以提升水陆三栖蛇形机器人的跨介质运动能力。在蛇形机器人蜿蜒运动的同时，螺旋驱动关节旋转增加推力，提升蛇形机器人的运动速度，通过改变构型形成双螺旋结构，提升蛇形机器人水陆过渡能力。

附图说明

图1为本发明具备二维运动能力的蛇形机器人整体结构侧视图

图2是本发明具备二维运动能力的蛇形机器人整体结构俯视图

图3是本发明具备三维运动能力的蛇形机器人整体结构侧视图

图4是本发明蛇形机器人双螺旋驱动结构俯视图

图5a是本发明的螺旋驱动模块的外螺纹壳体主视图

图5b是图5a的A-A剖面视图

图6是本发明的螺旋驱动模块的侧端盖主视图

图7是本发明的螺旋驱动模块的侧端盖俯视图

图8a是本发明的螺旋驱动模块轴端部主视图

图8b是图8a的B-B剖面视图

图9是本发明的螺旋驱动模块的轴端部俯视图

图10是本发明的螺旋驱动模块整体结构图

图11是本发明的螺旋驱动模块整体主视图

附图标注：

100——蛇形机器人； 1——头部模块；

2——螺旋驱动模块； 2a——外螺纹壳体；

2a1——圆柱形主体； 2a2——螺纹；

2a3——螺旋外壳内齿轮； 2a4——轴承；

2b——侧端盖； 2c——轴端部；

2c1——轴端部主体； 2c2——轴体；

2c3——舵机安装底盘； 2c4——模块连接孔；

3——尾部模块； 4——关节通用模块；

41——偏航关节模块； 42——俯仰关节模块；

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如附图1至图11所示，一种带有螺旋驱动的水陆三栖蛇形机器人100，蛇形机器人100包括头部模块1、头部螺旋驱动部、尾部螺旋驱动部、尾部模块3和关节通用模块4。头部模块1、头部螺旋驱动部、尾部螺旋驱动部和尾部模块3由蛇形机器人100的头部至尾部依次连接，并且，通过关节通用模块4连接头部模块1、头部螺旋驱动部、尾部螺旋驱动部以及尾部模块3之中的相邻两者，使得该两者具有至少一个转动自由度。

头部螺旋驱动部包括至少一个能够驱动所述蛇形机器人100进行旋转运动的螺旋驱动模块2，多个螺旋驱动模块2之间通过关节通用模块4相互连接；尾部螺旋驱动部包括至少一个能够驱动所述蛇形机器人100进行旋转运动的螺旋驱动模块2，多个螺旋驱动模块2之间通过关节通用模块4相互连接；一般情况下，头部螺旋驱动部的螺旋驱动模块2数量和尾部螺旋驱动部的螺旋驱动模块2数量相等，呈前后对称位置安装，前后对称安装的一对螺旋驱动模块2在平行时螺纹2a2呈相反方向。

螺旋驱动模块2包括外螺纹壳体2a、侧端盖2b、轴端部2c、轴承2a4、螺旋驱动模块控制器、螺旋驱动模块舵机、内齿轮传动系统、传动轴和动轴密封等。外螺纹壳体2a包括中空的圆柱形主体2a1以及围绕圆柱形主体2a1的外表面设置的螺纹2a2，圆柱形主体2a1内部设置有螺旋外壳内齿轮2a3，其中，外螺纹壳体2a的螺纹2a2可根据需要设计为多线螺纹，提高与介质的接触面积，增加驱动力，此外，外螺纹壳体2a的螺距、螺纹2a2内外径、螺纹2a2总长度可根据实际的通用关节的尺寸大小进行设计，也可根据实际工作环境确定。轴端部2c设置在外螺纹壳体2a的一端，包括圆柱形的轴端部主体2c1以及从轴端部主体2c1的一个端面居中突出的中空的轴体2c2，轴体2c2插入至外螺纹壳体2a内，轴体2c2与外螺纹壳体2a之间嵌套轴承2a4，保证旋转顺滑及限制径向窜动；轴体2c2与外螺纹壳体2a之间的动轴密封配合形成密封结构。传动轴设置在轴承2a4内。舵机与舵机安装底盘2c3通过螺钉连接，并固定在轴端部主体2c1内；螺旋驱动模块舵机与螺旋驱动模块控制器相连接，螺旋驱动模块控制器给螺旋驱动模块舵机发送控制命令驱动螺旋驱动模块舵机旋转；并且，螺旋驱动模块舵机作为驱动器与传动轴相连，传动轴与齿轮相连，齿轮与螺旋外壳内齿轮2a3想啮合形成内齿轮传动系统，螺旋驱动模块舵机通过内齿轮传动系统驱动外螺纹壳体2a转动。侧端盖2b设置在外螺纹壳体2a的另一端，并与轴体2c2由螺钉经模块连接孔2c4相连，形成封闭结构。

尾部模块3包含上盖板和主壳体两部分。主壳体前半部为圆柱状，后半部为扁平状，上盖板和主壳体之间通过螺丝连接，上盖板留有充电孔。

各个关节通用模块4内部均有通用关节控制器，配备电池，可实现脱缆运行，关节通用模块4的通用关节控制器接收头部模块1的主控制器发送的控制指令，控制关节舵机运动。关节通用模块4的转动角度范围为±90°。关节通用模块4均为模块化，可以通过改变连接方式实现蛇形机器人100的二维运动或三维运动能力。当多个关节通用模块4均为能够提供偏航运动自由度的偏航关节模块41，即，所有关节通用模块4都平行串联，此时，蛇形机器人100仅具备偏航运动实现二维运动；当多个关节通用模块4包括能够提供偏航运动自由度的偏航关节模块41和能够提供俯仰运动自由度的俯仰关节模块42，即，在二维运动的基础上，部分关节通用模块4与其他偏航关节模块41相差90°布置，形成俯仰关节模块42，此时，蛇形机器人100同时具备偏转和俯仰运动实现三维运动。

蛇形机器人100具有水、陆、树等多环境下运动的能力。在头部模块1与相邻的头部螺旋驱动部之间设置有至少一个关节通用模块4，在所述尾部模块3与相邻的所述尾部螺旋驱动部之间设置有至少一个关节通用模块4，并且在头部螺旋驱动部和尾部螺旋驱动部之间设置有至少两个关节通用模块4，使得蛇形机器人100能在高速行进模式、平行双螺旋行进模式以及攀爬行进模式之间转换。若蛇形机器人100具备二维运动，则，上述关节通用模块4均为偏航关节模块41；若蛇形机器人100具备三维运动，设置在头部模块1与相邻的头部螺旋驱动部之间的至少一个关节通用模块4为偏航关节模块41，设置在尾部模块3与相邻的尾部螺旋驱动部之间的至少一个关节通用模块4为偏航关节模块41，并且设置在头部螺旋驱动部和尾部螺旋驱动部之间的至少两个关节通用模块4包括一个俯仰关节模块42。

在所述高速行进模式中，蛇形机器人100呈一字形形状，其中，头部螺旋驱动部和尾部螺旋驱动部设置在一条直线上。在陆面运动时，头部螺旋驱动部和尾部螺旋驱动部的螺旋驱动模块2可以充当车轮；在水下运动时，头部螺旋驱动部和尾部螺旋驱动部的螺旋驱动模块2可以充当螺旋桨。

在平行双螺旋行进模式中，借助于设置在头部螺旋驱动部和尾部螺旋驱动部的至少两个关节通用模块4的转动，蛇形机器人100被折叠成具有彼此平行的两个部分，其中，在两个部分中的其中一部分中包括头部模块1和头部螺旋驱动部，在另一部分中包括尾部模块3和尾部螺旋驱动部，依靠头部螺旋驱动部和尾部螺旋驱动部的螺旋驱动模块2的转动驱动所述蛇形机器人100前进。

在所述攀爬行进模式中，蛇形机器人100缠绕在待攀爬的树木或圆杆周围，使得蛇形机器人100符合所述待攀爬的树木或圆杆的周向轮廓，依靠头部螺旋驱动部和尾部螺旋驱动部的螺旋驱动模块2抱紧树木或圆杆，同时旋转螺旋驱动模块2实现所述蛇形机器人100攀爬树木或圆杆。

水陆三栖蛇形机器人100游动、水陆过渡、爬树整个过程为例。蛇形机器人100需要完成水下游动抵达岸边、上岸并移动至树下实现爬树功能。该水域中有一片泥沙混合的水陆过渡区域，是蛇形机器人100前往预定目的地的必经区域，蛇形机器人100需要完成水下游动，游至岸边，自主完成水陆自然泥沙交界区域的过渡。蛇形机器人100在接收到指令后采用仿生蜿蜒运动与螺旋驱动复合方式前进，提高前进的速度。当靠近岸边的水陆交界处时，由于存在泥地，蛇形机器人100无法通过摆动身体前进，此时蛇形机器人100改变构型，折叠成平行双螺旋结构，只使用双螺旋驱动模块2推动前进。穿越水陆泥沙交界区域后，蛇形机器人100展开成一字型螺旋驱动模块2旋转以轮式方式快速前进，移动至目标树下，缠绕住树木，螺旋驱动模块2转动带动蛇形机器人100向上爬行。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带有螺旋驱动的水陆三栖蛇形机器人(100)，其特征在于，所述蛇形机器人(100)包括由所述蛇形机器人(100)头部至尾部依次连接的：

头部模块(1)；

头部螺旋驱动部，包括至少一个能够驱动所述蛇形机器人(100)进行旋转运动的螺旋驱动模块(2)；

尾部螺旋驱动部，包括至少一个能够驱动所述蛇形机器人(100)进行旋转运动的螺旋驱动模块(2)；以及，

尾部模块(3)；

所述蛇形机器人(100)还包括：

多个关节通用模块(4)，用于连接所述头部模块(1)、所述头部螺旋驱动部、所述尾部螺旋驱动部以及所述尾部模块(3)之中的相邻两者，使得该两者具有至少一个转动自由度。

2.根据权利要求1所述的蛇形机器人(100)，其特征在于，在所述头部模块(1)与相邻的所述头部螺旋驱动部之间设置有至少一个所述关节通用模块(4)，在所述尾部模块(3)与相邻的所述尾部螺旋驱动部之间设置有至少一个所述关节通用模块(4)，并且在所述头部螺旋驱动部和所述尾部螺旋驱动部之间设置有至少两个所述关节通用模块(4)，使得所述蛇形机器人(100)能在高速行进模式、平行双螺旋行进模式以及攀爬行进模式之间转换。

3.根据权利要求2所述的蛇形机器人(100)，其特征在于，在所述高速行进模式中，所述蛇形机器人(100)呈一字形形状，其中，所述头部螺旋驱动部和所述尾部螺旋驱动部设置在一条直线上。

4.根据权利要求2所述的蛇形机器人(100)，其特征在于，在所述平行双螺旋行进模式中，借助于设置在所述头部螺旋驱动部和所述尾部螺旋驱动部的至少两个所述关节通用模块(4)的转动，所述蛇形机器人(100)被折叠成具有彼此平行的两个部分，其中，在所述两个部分中的其中一部分中包括所述头部模块(1)和所述头部螺旋驱动部，在所述两个部分中的另一部分中包括所述尾部模块(3)和所述尾部螺旋驱动部，依靠所述头部螺旋驱动部和所述尾部螺旋驱动部的螺旋驱动模块(2)的转动驱动所述蛇形机器人(100)前进。

5.根据权利要求2所述的蛇形机器人(100)，其特征在于，在所述攀爬行进模式中，所述蛇形机器人(100)缠绕在待攀爬的树木或圆杆周围，使得所述蛇形机器人(100)符合所述待攀爬的树木或圆杆的周向轮廓，依靠所述头部螺旋驱动部和所述尾部螺旋驱动部的螺旋驱动模块(2)抱紧树木或圆杆，同时旋转所述螺旋驱动模块(2)实现所述蛇形机器人(100)攀爬树木或圆杆。

6.根据权利要求2至5任意一项所述的蛇形机器人(100)，其特征在于，所述多个关节通用模块(4)均为能够提供偏航运动自由度的偏航关节模块(41)，使得所述蛇形机器人(100)仅具备偏航运动实现二维运动。

7.根据权利要求2至5任意一项所述的蛇形机器人(100)，其特征在于，所述多个关节通用模块(4)包括能够提供偏航运动自由度的偏航关节模块(41)和能够提供俯仰运动自由度的俯仰关节模块(42)，使得所述蛇形机器人(100)同时具备偏转和俯仰运动实现三维运动。

8.根据权利要求7所述的蛇形机器人(100)，其特征在于，设置在所述头部模块(1)与相邻的所述头部螺旋驱动部之间的至少一个所述关节通用模块(4)为所述偏航关节模块(41)，设置在所述尾部模块(3)与相邻的所述尾部螺旋驱动部之间的至少一个所述关节通用模块(4)为所述偏航关节模块(41)，并且设置在所述头部螺旋驱动部和所述尾部螺旋驱动部之间的至少两个所述关节通用模块(4)包括一个所述俯仰关节模块(42)。

9.根据权利要求1所述的蛇形机器人(100)，其特征在于，所述螺旋驱动模块(2)包括外螺纹壳体(2a)、设置在所述外螺纹壳体(2a)一端的侧端盖(2b)以及设置在所述外螺纹壳体(2a)另一端的轴端部(2c)；

所述外螺纹壳体(2a)包括中空的圆柱形主体(2a1)以及围绕所述圆柱形主体(2a1)的外表面设置的螺纹(2a2)，其中，在所述圆柱形主体(2a1)内部设置有螺旋外壳内齿轮(2a3)；

所述轴端部(2c)包括圆柱形的轴端部主体(2c1)以及从所述轴端部主体(2c1)的一个端面居中突出的中空的轴体(2c2)，其中，所述轴体(2c2)插入至所述外螺纹壳体(2a)内，所述轴体(2c2)与所述外螺纹壳体(2a)之间设置有轴承(2a4)，所述轴体(2c2)内设置有传动轴；所述轴端部主体(2c1)内设置有螺旋驱动模块舵机，所述螺旋驱动模块舵机与螺旋驱动模块控制器相连接，并且，所述螺旋驱动模块舵机通过所述传动轴与齿轮连接，所述齿轮与所述螺旋外壳内齿轮(2a3)想啮合形成内齿轮传动系统，所述螺旋驱动模块舵机通过所述内齿轮传动系统驱动所述外螺纹壳体(2a)转动。

10.根据权利要求9所述的蛇形机器人(100)，其特征在于，在所述头部螺旋驱动部与所述尾部螺旋驱动部平行时，所述头部螺旋驱动部的螺旋驱动模块(2)的螺纹(2a2)与所述尾部螺旋驱动部的螺旋驱动模块(2)的螺纹(2a2)呈相反方向。

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