CN113334364A - 基于折纸结构的可移动机器人及仿蛇型机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于折纸结构的可移动机器人及仿蛇型机器人，包括运动模块、前载重模块和后载重模块；运动模块包括和折叠外管和设于折叠外管中至少2个具有折纸结构的折叠内管；前载重模块和后载重模块上设有单向轮；前载重模块和后载重模块中的一者或两者中设有驱动模块，驱动模块与所述折叠内管的端部连接，通过驱动模块对每个折叠内管同步或异步扭转控制，实现可移动机器人以特定的姿态进行蠕动式位移。与现有技术相比，本发明利用折叠管状结构来设计一个可以灵活运动的仿生机器人，所设计的仿生机器人在形状记忆合金或电机驱动下可以实现伸缩和弯曲运动，整体体积更小、重量更轻、驱动效率更高、有效载荷比更大。

Description

基于折纸结构的可移动机器人及仿蛇型机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人技术领域，尤其是涉及一种基于折纸结构的可移动机器人及仿蛇型机器人。

背景技术

蛇型仿生机器人作为一种可自主移动柔性机器人，具有运动方式灵活、可适应各种复杂地形、结构紧凑、易于伪装、隐蔽性好等特点，因而在军事侦查、管道检测、灾后救援、废墟探测、医疗手术、太空探索等军事、科技和民用领域具有巨大的应用前景。

近年来，国内外研究已提出了多种蛇型机器人技术方案，例如：日本东京科技大学的ACM系列、德国国家信息技术研究中心的GMD-Snake系列、美国密歇根大学的Omni TreadOT系列、美国卡内基梅隆大学的Uncle Sam和TSD蛇型机器人、挪威科技大学的Anna Konda和Aiko蛇型机器人、国防科技大学的SR蛇型机器人、中科院沈阳自动化研究所的巡视者和探查者系列等。

然而，这些蛇型机器人都需要依靠复杂的机电系统实现运动控制和驱动，这必然导致系统的复杂性、体积和重量的增加，其可靠性和有效载荷都受到了一定限制。因此，有必要发展体积更小、重量更轻、驱动效率更高、有效载荷比更大的仿生机器人技术。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于折纸结构的可移动机器人及仿蛇型机器人，利用折叠管状结构来设计一个可以灵活运动的仿生机器人，所设计的仿生机器人在形状记忆合金或电机驱动下可以实现伸缩和弯曲运动。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本技术方案的第一个目的是保护一种基于折纸结构的可移动机器人，包括运动模块和分别设于运动模块两端的前载重模块和后载重模块；

所述运动模块包括和折叠外管和设于折叠外管中至少2个具有折纸结构的折叠内管；

所述前载重模块和后载重模块上设有单向轮；

所述前载重模块和后载重模块中的一者或两者中设有驱动模块，所述驱动模块与所述折叠内管的端部连接，构成每个折叠内管的端部独立扭转控制，通过驱动模块对每个折叠内管同步或异步扭转控制，实现可移动机器人以特定的姿态进行蠕动式位移。

进一步地，所述折叠内管为Kresling型折纸结构，Kresling型折纸结构为圆柱形到扁平型的折纸结构，通过两端正向扭转和反向扭转实现伸缩过程。

作为本技术方案的一种实施方式，所述折叠内管设有2个，且呈对称式水平分布，通过2个折叠内管同步式伸缩实现机器人直线的位移，通过2个折叠内管异步式伸缩实现机器人转向动作。

作为本技术方案的另一种实施方式，所述折叠内管设有4个，且呈中心对称式立体分布，使得机器人在两个正交的平面内实现独立弯曲，以此不仅在前进过程中实现弯曲前进动作，还能在过坡和过坑过程中实现俯仰和/或弯曲动作。

进一步地，所述折叠外管为柔性波纹管。

进一步地，所述驱动模块为舵机或形状记忆合金转动驱动器。

进一步地，所述基于折纸结构的可移动机器人还包括设于前载重模块和后载重模块上的控制器和视觉传感器；

所述控制器与所述视觉传感器和驱动模块电连接。

进一步地，所述控制器包括ARM架构的处理器和存储器，所述存储器中预存储有避障算法。

进一步地，所述视觉传感器为激光扫描器、线阵和面阵CCD摄像机中的一种。

作为本技术方案的一种实施方式，所述运动模块为多段式结构，相邻段之间通过隔板连接。

进一步地，所述折叠内管的两端均设有端板，所述端板能够与所述驱动模块的输出端或前载重模块或后载重模块或隔板连接。

本技术方案的第二个目的是保护一种仿蛇型机器人，其由上述多个运动模块和多个前载重模块/后载重模块连接而成，以此可以获得更快的移动速度。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

1)本技术方案中的运动模块，包含一个折叠外管和2至4个Kresling折叠管，折叠外管可以轴向伸缩和弯曲，Kresling管一端与端板固支，另一端与端板连接并可绕轴向转动，以此利用折叠管状结构来设计一个可以灵活运动的仿生机器人，所设计的仿生机器人在形状记忆合金或电机驱动下可以实现伸缩和弯曲运动，整体体积更小、重量更轻、驱动效率更高、有效载荷比更大。

2)本技术方案中的运动模块可以长度变化，而且可以在两个正交的平面内实现独立弯曲，从而可以使得运动机器人不仅实现在前进过程中弯曲，也可以实现俯仰，以此实现过坡和过坑。

附图说明

图1为本技术方案中基于折纸结构的可移动机器人的结构及直线位移机理示意图；

图2为本技术方案中基于折纸结构的可移动机器人转弯位移机理示意图；

图3为本技术方案中运动模块的结构示意图；

图4为本技术方案中Kresling管的伸缩机理示意图；

图5为本技术方案中折纸结构的可移动机器人的另一种结构示意图及直线位移机理示意图；

图6为图5中结构的转弯位移机理示意图；

图7为本技术方案中仿蛇型机器人的结构示意图。

图中：1、前载重模块，2、后载重模块，3、隔板，4、折叠外管，5、折叠内管，6、单向轮，7、驱动模块。

具体实施方式

本技术方案的构思是基于折纸结构，折纸结构是利用折纸原理将平面材料折叠形成的三维结构，它们具有优异的变形能力、较好的柔顺性以及适于平面加工成形等特点，因此应用于工程领域。本技术方案利用折叠管状结构来设计一个可以灵活运动的仿生机器人，所设计的仿生机器人在形状记忆合金或电机驱动下可以实现伸缩和弯曲运动。

本技术方案中基于折纸结构的可移动机器人，包括运动模块和分别设于运动模块两端的前载重模块1和后载重模块2。

运动模块包括和折叠外管4和设于折叠外管4中至少2个具有折纸结构的折叠内管5。运动模块还能够为多段式结构，相邻段之间通过隔板3连接。折叠内管5的两端均设有端板，所述端板能够与所述驱动模块7的输出端或前载重模块1或后载重模块2或隔板3连接。

前载重模块1和后载重模块2上设有单向轮6，前载重模块1和后载重模块2中的一者或两者中设有驱动模块7，所述驱动模块7与所述折叠内管5的端部连接，构成每个折叠内管5的端部独立扭转控制，通过驱动模块7对每个折叠内管5同步或异步扭转控制，实现可移动机器人以特定的姿态进行蠕动式位移。

折叠内管5为Kresling型折纸结构，Kresling型折纸结构为圆柱形到扁平型的折纸结构，通过两端正向扭转和反向扭转实现伸缩过程，参见图3和图4。折叠内管5设有2个，且呈对称式水平分布，通过2个折叠内管5同步式伸缩实现机器人直线的位移，通过2个折叠内管5异步式伸缩实现机器人转向动作。折叠内管5还能设有4个，且呈中心对称式立体分布，使得机器人在两个正交的平面内实现独立弯曲，以此不仅在前进过程中实现弯曲前进动作，还能在过坡和过坑过程中实现俯仰和/或弯曲动作。

折叠外管4为柔性波纹管。驱动模块7为舵机或形状记忆合金转动驱动器。基于折纸结构的可移动机器人还包括设于前载重模块1和后载重模块2上的控制器和视觉传感器，通过视觉传感器实现外部环境的感知，控制器与所述视觉传感器和驱动模块7电连接。制器包括ARM架构的处理器和存储器，所述存储器中预存储有避障算法。视觉传感器为激光扫描器、线阵和面阵CCD摄像机中的一种。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例方案如图1所示，由2个运动模块和前载重模块1、后载重模块2组成。

运动模块一端与载重模块连接，另一端与中间隔板连接。驱动折叠管的微小型舵机或形状记忆合金转动驱动装置置于载重模块内。

载重模块外侧安装两组单向滚轮6，当载重模块向前运动时，单向滚轮6可以转动，与地面之间阻力较小。当载重模块后退时，单向滚轮6不能转动，与地面之间具有较大的摩擦阻力。

具体运行时，运动关节的一个前进周期分为两步：

1)第一步：由微小型舵机或形状记忆合金转动驱动装置驱动两个运动模块内的Kresling管同时发生收缩，此时前载重模块1具有向后运动的趋势，单向滚轮6与地面之间的摩擦阻力较大，后载重模块2具有向前运动的趋势，单向滚轮6与地面之间的阻力很小，因此，前载重模块1位置不变，后载重模块2向前运动Δmm。

2)第二步：由微小型舵机或形状记忆合金转动驱动装置驱动两个运动模块内的Kresling管同时发生伸长，此时前载重模块1具有向前运动的趋势，其与地面之间的阻力较小，后载重模块2具有向后运动的趋势，其与地面之间的阻力较大，因此，后载重模块位置不变，前载重模块向前运动Δmm。

运动关节的转向分为三步，如图2所示：

1)第一步：当运动关节需要转向时，首先要进入转向准备状态，即所有Kresling管同时收缩到最短状态。

2)第二步：一侧Kresling管保持收缩状态，另一侧的Kresling管在微小型舵机或形状记忆合金转动驱动装置驱动下发生伸长运动，从而使每一段运动模块发生弯曲。此时前载重模块具有向前运动的趋势，其与地面之间的阻力较小，后载重模块具有向后运动的趋势，其与地面之间的阻力较大，因此，后载重模块位置不变，前载重模块发生转向。

2)第三步：一侧Kresling管保持收缩状态，在第一步中伸长的Kresling管在微小型舵机或形状记忆合金转动驱动装置驱动下发生收缩运动，从而使每一段运动模块由弯变直。此时前载重模块具有向后运动的趋势，其与地面之间的阻力较大，后载重模块具有向前运动的趋势，其与地面之间的阻力较小，因此，前载重模块位置不变，后载重模块发生转向，转动后与前载重模块方向相同。此时，整个运动关节完成转向。

上述方案中所述的运动模块，包含一个折叠外管4和2至4个Kresling折叠管。折叠外管4可以轴向伸缩和弯曲，Kresling管一端与端板固支，另一端与端板连接并可绕轴向转动。在微小型舵机或形状记忆合金转动驱动装置驱动下，当Kresling管的两个端面相对(正向)转动时，其轴向长度发生变化(伸长)反向转动时，其轴向长度发生变化(变短)。

实施例2

本实施例中，由1个运动模块和前、后载重模块组成，如图5所示。运动模块一端与前载重模块1连接，另一端与后载重模块2连接。驱动Kresling折叠管的微小型舵机或形状记忆合金转动驱动装置置于其中一个载重模块内或分别放置在前后载重模块内。载重模块外侧安装两组单向滚轮6，当载重模块向前运动时，单向滚轮6可以转动，与地面之间阻力较小。当载重模块后退时，单向滚轮6不能转动，与地面之间具有较大的摩擦阻力。

运动关节的一个前进周期分为两步：

1)第一步：由微小型舵机或形状记忆合金转动驱动装置驱动运动模块内的Kresling管同时发生收缩，此时前载重模块具有向后运动的趋势，单向滚轮6与地面之间的摩擦阻力较大，后载重模块2具有向前运动的趋势，单向滚轮6与地面之间的阻力很小，因此，前载重模块位置不变，后载重模块向前运动Δmm。

2)第二步：由微小型舵机或形状记忆合金转动驱动装置驱动运动模块内的Kresling管同时发生伸长，此时前载重模块具有向前运动的趋势，其与地面之间的阻力较小，后载重模块具有向后运动的趋势，其与地面之间的阻力较大，因此，后载重模块位置不变，前载重模块向前运动Δmm。

运动关节的转向分为三步，如图6所示：

1)第一步：当运动关节需要转向时，首先要进入转向准备状态，即所有Kresling管同时收缩到最短状态。

2)第二步：一侧Kresling管保持收缩状态，另一侧的Kresling管在微小型舵机或形状记忆合金转动驱动装置驱动下发生伸长运动，从而使每一段运动模块发生弯曲。此时前载重模块具有向前运动的趋势，其与地面之间的阻力较小，后载重模块具有向后运动的趋势，其与地面之间的阻力较大，因此，后载重模块位置不变，前载重模块发生转向。

2)第三步：一侧Kresling管保持收缩状态，在第一步中伸长的Kresling

管在微小型舵机或形状记忆合金转动驱动装置驱动下发生收缩运动，从而使每一段运动模块由弯变直。此时前载重模块具有向后运动的趋势，其与地面之间的阻力较大，后载重模块具有向前运动的趋势，其与地面之间的阻力较小，因此，前载重模块位置不变，后载重模块发生转向，转动后与前载重模块方向相同。此时，整个运动关节完成转向。

实施例3

如果运动模块采用4根90°间隔的Kresling折叠管，如图3和图4所示，则运动模块可以长度变化，而且可以在两个正交的平面内实现独立弯曲，从而可以使得本实施例1和2中的运动机器人不仅实现在前进过程中弯曲，也可以实现俯仰，有利于过坡和过坑。

实施例4

本实施例中，将实施例1或实施例2中的结构拓展为含有多个运动模块和多个载重模块，从而形成一条更长的仿蛇形移动机器人，可以获得更快的移动速度，如图7所示。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于折纸结构的可移动机器人，其特征在于，包括运动模块和分别设于运动模块两端的前载重模块(1)和后载重模块(2)；

所述运动模块包括和折叠外管(4)和设于折叠外管(4)中至少2个具有折纸结构的折叠内管(5)；

所述前载重模块(1)和后载重模块(2)上设有单向轮(6)；

所述前载重模块(1)和后载重模块(2)中的一者或两者中设有驱动模块(7)，所述驱动模块(7)与所述折叠内管(5)的端部连接，构成每个折叠内管(5)的端部独立扭转控制，通过驱动模块(7)对每个折叠内管(5)同步或异步扭转控制，实现可移动机器人以特定的姿态进行蠕动式位移。

2.根据权利要求1所述的一种基于折纸结构的可移动机器人，其特征在于，所述折叠内管(5)为Kresling型折纸结构。

3.根据权利要求2所述的一种基于折纸结构的可移动机器人，其特征在于，所述折叠内管(5)设有2个，且呈对称式水平分布，通过2个折叠内管(5)同步式伸缩实现机器人直线的位移，通过2个折叠内管(5)异步式伸缩实现机器人转向动作。

4.根据权利要求2所述的一种基于折纸结构的可移动机器人，其特征在于，所述折叠内管(5)设有4个，且呈中心对称式立体分布，使得机器人在两个正交的平面内实现独立弯曲，以此不仅在前进过程中实现弯曲前进动作，还能在过坡和过坑过程中实现俯仰和/或弯曲动作。

5.根据权利要求1所述的一种基于折纸结构的可移动机器人，其特征在于，所述折叠外管(4)为柔性波纹管。

6.根据权利要求1所述的一种基于折纸结构的可移动机器人，其特征在于，所述驱动模块(7)为舵机或形状记忆合金转动驱动器。

7.根据权利要求1所述的一种基于折纸结构的可移动机器人，其特征在于，所述基于折纸结构的可移动机器人还包括设于前载重模块(1)和后载重模块(2)上的控制器和视觉传感器；

所述控制器与所述视觉传感器和驱动模块(7)电连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于折纸结构的可移动机器人，其特征在于，所述运动模块为多段式结构，相邻段之间通过隔板(3)连接。

9.根据权利要求8所述的一种基于折纸结构的可移动机器人，其特征在于，所述折叠内管(5)的两端均设有端板，所述端板能够与所述驱动模块(7)的输出端或前载重模块(1)或后载重模块(2)或隔板(3)连接。

10.一种仿蛇型机器人，其特征在于，由权利要求1中的多个运动模块和多个前载重模块(1)/后载重模块(2)连接而成。

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