CN113942004B - 基于张拉结构的仿蛇软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于张拉结构的仿蛇软体机器人，其包括主体部、牵引驱动组件、环形鳞片和电控系统，主体部中的主躯干由柔性躯干和内嵌于柔性躯干的压缩弹簧组成，且主躯干的两端分别设有第一圆盘和第二圆盘，牵引驱动组件设于主躯干中，且主躯干与牵引驱动组件中的第一牵引绳及第二牵引绳组成张拉结构，具有不同摩擦系数的环形鳞片均布设于主体部上，电控系统设于主体部中。本发明采用压缩弹簧与柔性躯干作为软体机器人的躯体，并通过减速电机驱动由主躯干与牵引绳组成的张拉结构，带动软体机器人进行往复伸缩运动，同时在主体部外侧设有环形鳞片，通过模拟蛇类各向异性的皮肤，继而实现软体机器人直线前进及方向偏转运动。

Description

基于张拉结构的仿蛇软体机器人

技术领域

本发明涉及仿生软体机器人领域，特别是涉及一种基于张拉结构的仿蛇软体机器人。

背景技术

软体机器人具有极高的柔顺性和极大的可变形性，能够适应各种非结构化环境，承担多种操作任务，特别是在与人交互时更显安全。自然界中的蛇类具有极其灵活的运动方式，受蛇类的启发，研究者们设计出了形态各异的蛇形机器人，但这些蛇形机器人大多由舵机、车轮及刚性关节组成，不仅需要复杂的控制策略，且其自由度和灵活性也相对较低。软体机器人作为传统刚性和超冗余机器人的进一步发展，其本体主要由柔软材料制作而成，更加贴近自然生物的肌肉组织的柔顺性，为进一步模仿生物的环境适应性与灵活性提供了可行之路。相关研究显示，蛇类的运动方式主要有蜿蜒爬行、伸缩运动、直线爬行和侧向盘旋行进，其中直线爬行运动方式主要是依靠蛇类腹部的各向异性鳞片与地面接触作为支撑点，通过躯体的收缩与伸展实现前进，常见于体型较大的蛇类，该运动在蛇类通过狭小空间时往往是必要的。目前现有的仿蛇软体机器人大多采用气体驱动方式，但这种驱动方式需要增加额外的气泵及换气阀，降低了机器人的自主性和独立性。为能够适应各种不同的工作环境，提高机器人的灵活性和独立性，本发明受蛇类直线爬行运动方式及腹部各向异性鳞片的启发，设计出了一种基于张拉结构的仿蛇软体机器人。

发明内容

针对以上情况，本发明提供了一种基于张拉结构的仿蛇软体机器人，采用压缩弹簧与柔性躯干作为软体机器人的躯体，并通过减速电机驱动由压缩弹簧、柔性躯干及与牵引绳组成的张拉结构，进而带动软体机器人进行往复伸缩运动，同时在主体部上还设有两种不同材料组成的环形鳞片，能够模拟蛇类各向异性的皮肤，同时将包括电池和控制系统在内的电控系统置于软体主体部内部，继而实现软体机器人自主独立的直线前进及方向偏转。

本发明采用的技术方案是，一种基于张拉结构的仿蛇软体机器人，其包括主体部、牵引驱动组件、环形鳞片和电控系统，所述主体部包括主躯干、第一圆盘和第二圆盘，所述主躯干呈空心圆柱体结构状，且所述主躯干由柔性躯干和内嵌于所述柔性躯干内的压缩弹簧组成，所述第一圆盘和第二圆盘均呈圆盘结构状，且所述第一圆盘和第二圆盘分别固定设于所述主躯干的两端；所述牵引驱动组件设于所述主躯干中，且所述牵引驱动组件包括第一减速电机、第一牵引绳、第二减速电机和第二牵引绳，所述第一减速电机固定设于所述第一圆盘面向所述主躯干内部的一侧，且所述第一减速电机的输出轴上设有第一卷筒，所述第一牵引绳的第一端缠绕设于所述第一卷筒上，且所述第一牵引绳的第二端与所述第二圆盘固定相连，所述第二减速电机固定设于所述第二圆盘面向所述主躯干内部的一侧，且所述第二减速电机的输出轴上设有第二卷筒，所述第二牵引绳的第一端缠绕设于所述第二卷筒上，且所述第二牵引绳的第二端与所述第一圆盘固定相连，所述第二减速电机输出轴轴线与所述第一减速电机输出轴轴线之间夹角为180度，且所述第一牵引绳与第二牵引绳相互平行，所述电控系统设于所述主体部中；所述主躯干与所述第一牵引绳及第二牵引绳组成张拉结构，其中所述第一牵引绳及所述第二牵引绳形成拉式结构，所述主躯干中的具有弹性的柔性躯干和压缩弹簧形成张式结构，所述环形鳞片均布间隔环绕设于所述主体部上，且所述环形鳞片由不同材质的第一环形鳞片和第二环形鳞片粘合组成，所述第一环形鳞片和第二环形鳞片均设有棱台，且所述第一环形鳞片的棱台棱面与接触面的摩擦系数不等于所述第二环形鳞片的棱台棱面与接触面的摩擦系数，当驱动所述张拉结构中的第一减速电机和第二减速电机转动时，所述第一环形鳞片和第二环形鳞片分别与接触面产生不同大小的摩擦力，且对称设置于所述主体部两侧的环形鳞片产生的摩擦力方向相反，所述方向相反、大小不同的摩擦力的合力共同作用带动软体机器人向预先给定的方向运动。

进一步地，所述电控系统包括电池、控制单元、减速电机驱动模块和无线通讯模块，且所述电池能给所述控制单元、减速电机驱动模块及无线通讯模块供电，且所述控制单元与所述无线通讯模块及减速电机驱动模块之间能相互通讯，当所述无线通讯模块接收外部指令并传输至所述控制单元时，所述控制单元能根据接收到的指令输出不同的信号至所述减速电机驱动模块，所述减速电机驱动模块能根据收到的信号驱动减速电机做出不同的动作。

优选地，所述第一环形鳞片和第二环形鳞片具有相同的结构尺寸，且所述第一环形鳞片的外环直径等于所述第二环形鳞片的外环直径，所述第一环形鳞片和所述第二环形鳞片的内环直径均与所述主躯干的躯体外径相等。

进一步地，所述牵引驱动组件设有四种不同工作状态，其分别为：当所述第一减速电机及第二减速电机同步正向转动时，所述第一牵引绳和第二牵引绳能产生同等长度的收缩量，且挤压所述主躯干能产生与所述第一牵引绳和第二牵引绳收缩量同等长度的压缩量；当所述第一减速电机及第二减速电机同步反向转动时，所述第一牵引绳和第二牵引绳能产生同等长度的松弛量，且所述主躯干在具有弹性的柔性躯干和压缩弹簧的共同作用下能由压缩状态逐步恢复至初始长度；当所述第一减速电机、第二减速电机非同步正向转动时，所述第一牵引绳及第二牵引绳产生不同长度的收缩量，且挤压所述主躯干产生一定弧度的偏转弯曲；当所述第一减速电机、第二减速电机非同步反向转动时，所述第一牵引绳及第二牵引绳分别产生与收缩量同等长度的松弛量，且所述主躯干能由压缩状态逐步恢复至初始长度。

优选地，所述主躯干的外径等于所述第一圆盘的直径，且所述第一圆盘的直径等于所述第二圆盘的直径。

优选地，为防止软体机器人在运动过程中发生翻滚，所述第一环形鳞片和第二环形鳞片均设有棱台，且在所述主体部上，每个所述第一环形鳞片和第二环形鳞片的棱台的棱边均处于同一棱面，且同一环形鳞片对应的所述第一环形鳞片和第二环形鳞片的棱面在机器人运动过程中依次与接触面重合。

优选地，所述第一环形鳞片及第二环形鳞片的棱台棱面与接触面的摩擦系数的绝对差值越大，且在同等频率下软体机器人运动距离越长。

优选地，所述牵引驱动组件中的拉式结构不局限于采用双减速电机及双牵引绳进行驱动，亦能在所述牵引驱动组件中增加减速电机及牵引绳的个数，驱使软体机器人实现不同的运动方式。

本发明的特点和有益效果是：

1、本发明提供的一种基于张拉结构的仿蛇软体机器人，采用压缩弹簧与柔性躯干作为软体机器人的躯体，并在减速电机的循环正反转下，通过驱动由主躯干与牵引绳组成的张拉结构，软体主体部能实现循环伸长与压缩，同时主体部上还设有两种不同材料组成的环形鳞片，环形鳞片的棱边在软体机器人自身重力和张拉结构产生的牵引力的作用下产生特定方向的变形，而环形鳞片的棱面与接触面的摩擦系数不同，故第一环形鳞片和第二环形鳞片与接触面产生大小不同，方向相反的摩擦力，通过两种摩擦力产生的摩擦合力推动软体机器人运动。

2、本发明提供的一种基于张拉结构的仿蛇软体机器人，受蛇类的各向异性鳞片的启发，设计出一种具有两种不同摩擦系数的环形鳞片。该环形鳞片分为两部分，分别由不同的材料制成，材料的不同使得环形鳞片的两部分与接触面的摩擦系数不同，进而造成两部分产生的摩擦力不同，而总摩擦合力推动软体机器人。为防止软体机器人在运动过程中发生翻滚，环形鳞片与接触面接触的部分设计成棱台状，在机器人的运动过程中，棱台的棱面与接触面相接触，产生摩擦力。

3、本发明提供的一种基于张拉结构的仿蛇软体机器人，采用由减速电机、牵引绳、具有弹力的柔性躯干及压缩弹簧组成的张拉结构进行驱动，相对于气动驱动方式的软体机器人，不用外接气泵换气阀，轻巧方便，可完全实现无系留化，独立自主性强。

4、本发明提供的一种基于张拉结构的仿蛇软体机器人，采用由双减速电机、双牵引绳及压缩弹簧构成的张拉结构产生往复运动，可以实现软体机器人的直线运动与转向运动。当双减速电机同步工作时，机器人产生直线运动；当双减速电机不同步工作时，机器人产生一定弧度的弯曲，可实现方向的偏转。

5、本发明提供的一种基于张拉结构的仿蛇软体机器人，可以在牵引驱动组件中增加减速电机及牵引绳的个数，可以驱使软体机器人实现不同的运动方式。

6、本发明提供的一种基于张拉结构的仿蛇软体机器人，具有模块化重组功能，单个仿蛇软体机器人可视为蛇形机器人的一“节”，各“节”之间可以通过第一圆盘或第二圆盘相连，组成更为复杂的蛇形软体机器人，实现更为复杂的操作。

附图说明

图1是本发明基于张拉结构的仿蛇软体机器人的整体结构示意图；

图2是本发明的仿蛇软体机器人主视图；

图3是本发明的仿蛇软体主体部的结构立体图；

图4是本发明的仿蛇软体机器人四分之一外形结构剖视图；

图5是本发明的仿蛇软体机器人电控系统示意图；

图6是本发明的仿蛇软体机器人环形鳞片结构示意图；

图7是本发明的仿蛇软体机器人收缩状态时摩擦力分解图；

图8是本发明的仿蛇软体机器人伸展状态时摩擦力分解图；

图9a是本发明的仿蛇软体机器人直线蠕动运动方式下初始状态示意图；

图9b是本发明的仿蛇软体机器人直线蠕动运动方式下收缩状态起始步态示意图；

图9c是本发明的仿蛇软体机器人直线蠕动运动方式下收缩状态终了步态示意图；

图9d是本发明的仿蛇软体机器人直线蠕动运动方式下压缩状态示意图；

图9e是本发明的仿蛇软体机器人直线蠕动运动方式下伸展状态起始步态示意图；

图9f是本发明的仿蛇软体机器人直线蠕动运动方式下伸展状态终了步态示意图；

图10a是本发明的仿蛇软体机器人平面转向运动方式下初始状态示意图；

图10b是本发明的仿蛇软体机器人平面转向运动方式下右转收缩状态起始示意图；

图10c是本发明的仿蛇软体机器人平面转向运动方式下右转收缩状态示意图；

图10d是本发明的仿蛇软体机器人平面转向运动方式下右转伸展状态终了示意图；

图11是本发明的仿蛇软体机器人三减速电机及三牵引绳结构剖视图；

图12是本发明的仿蛇软体机器人四减速电机及四牵引绳结构剖视图。

主要附图标记：

主体部1；主躯干101；第一圆盘102；第二圆盘103；压缩弹簧104；柔性躯干105；牵引驱动组件2；第一减速电机201；第一牵引绳202；第二减速电机203；第二牵引绳204；第一卷筒205；第二卷筒206；电控系统3；控制单元301；减速电机驱动模块302；无线通讯模块303；电池304；环形鳞片4；第一环形鳞片401；第二环形鳞片402。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明提供的一种基于张拉结构的仿蛇软体机器人，如图1和图2所示，其包括主体部1、牵引驱动组件2、环形鳞片4和电控系统3，主体部1包括主躯干101、第一圆盘102和第二圆盘103，主躯干101呈空心圆柱体结构状，且主躯干101由柔性躯干105和内嵌于柔性躯干105内的压缩弹簧104组成，柔性躯干105是由硅橡胶浇注而成的具有弹性能力的空心圆柱体，第一圆盘102和第二圆盘103均呈圆盘结构状，且第一圆盘102和第二圆盘103分别固定设于主躯干101的两端。

在一种优选方式中，主躯干101的外直径于第一圆盘102的直径，且第一圆盘102的直径等于第二圆盘103的直径，且第一圆盘102的厚度等于第二圆盘103的厚度。

如图4和图5所示，牵引驱动组件2设于主躯干101中，且牵引驱动组件2包括第一减速电机201、第一牵引绳202、第二减速电机203和第二牵引绳204，第一减速电机201固定设于第一圆盘102面向主躯干101内部的一侧，且第一减速电机201的输出轴上设有第一卷筒205，第一牵引绳202的第一端缠绕设于第一卷筒205上，且第一牵引绳202的第二端与第二圆盘103固定相连，第二减速电机203固定设于第二圆盘103面向主躯干101内部的一侧，且第二减速电机203的输出轴上设有第二卷筒206，第二牵引绳204的第一端缠绕设于第二卷筒206上，且第二牵引绳204的第二端与第一圆盘102固定相连，且第二减速电机203输出轴轴线与第一减速电机201输出轴轴线之间夹角为180度，且第一牵引绳202与第二牵引绳204相互平行，且电控系统3设于主体部1中；

优选地，第一减速电机201和第二减速电机203均采用直流减速电机，其低速大扭矩的特点可有效地带动牵引绳促使躯体压缩。

如图5所示，电控系统3包括电池304、控制单元301、减速电机驱动模块302和无线通讯模块303，且电池304能给控制单元301、减速电机驱动模块302及无线通讯模块303供电，且控制单元301与无线通讯模块303及减速电机驱动模块302之间能相互通讯，当无线通讯模块303接收外部指令并传输至控制单元301时，控制单元301能根据接收到的指令输出不同的信号至减速电机驱动模块302，减速电机驱动模块302能根据收到的信号驱动减速电机做出不同的动作。

优选地，无线通讯模块采用ZigBee通讯装置。

如图4～图6所示，主躯干101与第一牵引绳202及第二牵引绳204组成张拉结构，其中第一牵引绳202及第二牵引绳204形成拉式结构，主躯干101中的压缩弹簧104与具有弹性能力的柔性躯体105形成张式结构，环形鳞片4均布间隔环绕设于主体部1上，且环形鳞片4由不同材质的第一环形鳞片401和第二环形鳞片401粘合组成，第一环形鳞片401和第二环形鳞片402均设有棱台，且第一环形鳞片401的棱台棱面与接触面的摩擦系数不等于第二环形鳞片402的棱台棱面与接触面的摩擦系数，当驱动张拉结构中的第一减速电机201和第二减速电机204转动时，第一环形鳞片401和第二环形鳞片402分别与接触面产生不同大小的摩擦力，且对称设置于主体部1两侧的环形鳞片4产生的摩擦力方向相反，方向相反摩擦力的合力共同作用带动软体机器人向预先给定的方向运动。

在一种优选方式中，牵引驱动组件2设有四种不同工作状态，其分别为：当第一减速电机201及第二减速电机203同步正向转动时，第一牵引绳202和第二牵引绳204能产生同等长度的收缩量，且挤压主躯干101产生与第一牵引绳202和第二牵引绳204同等长度的压缩量；当第一减速电机201及第二减速电机203同步反向转动时，第一牵引绳202和第二牵引绳203能产生同等长度的松弛量，且主躯干101能由压缩状态逐步恢复至初始长度；当第一减速电机201、第二减速电机203非同步正向转动时，第一牵引绳202及第二牵引绳204产生不同长度的收缩量，且挤压主躯干101产生一定弧度的偏转弯曲；当第一减速电机201、第二减速电机203非同步反向转动时，第一牵引绳202及第二牵引绳204分别产生与收缩量同等长度的松弛量，且主躯干101能由压缩状态逐步恢复至初始长度。

如图6所示，环形鳞片4包括第一环形鳞片401和第二环形鳞片402，第一环形鳞片401和第二环形鳞片402具有相同的结构尺寸，且第一环形鳞片401的外环直径等于第二环形鳞片402的外环直径，且第一环形鳞片401和第二环形鳞片402的内环直径均与主躯干101的躯体直径相等。

在一种优选方式中，为防止软体机器人在运动过程中发生翻滚，第一环形鳞片401和第二环形鳞片402的一侧均设有棱台，且在主体部1上，每个第一环形鳞片401和第二环形鳞片402的棱台的棱边均处于同一棱面，且同一环形鳞片4对应的第一环形鳞片401和第二环形鳞片402的棱面在机器人运动过程中依次与接触面重合。同时第一环形鳞片401及第二环形鳞片402的棱台棱面与接触面的摩擦系数的绝对差值越大，在同等频率下软体机器人运动距离越长。

在一种优选方式中，牵引驱动组件中的拉式结构不局限于采用双减速电机及双牵引绳进行驱动，亦能在牵引驱动组件中增加减速电机及牵引绳的个数，驱使软体机器人实现不同的运动方式。当拉式结构为双减速电机及双牵引绳时，该仿蛇软体机器人可以做出直线蠕动运动和平面上的转向运动；当拉式结构为三减速电机及三牵引绳时，该仿蛇软体机器人可以做出直线蠕动运动、平面上的转向运动和垂直方向的俯或仰运动；当拉式结构为四减速电机及四牵引绳时，该仿蛇软体机器人可以做出线蠕动运动、平面上的转向运动和垂直方向的俯仰运动。

本发明的具体操作步骤如下：

如图1～图12所示，本发明提供的一种基于张拉结构的仿蛇软体机器人，其包括主体部1、牵引驱动组件2、环形鳞片4和电控系统3，主体部1包括主躯干101、第一圆盘102和第二圆盘103，牵引驱动组件2设于主躯干101中，且牵引驱动组件2包括第一减速电机201、第一牵引绳202、第二减速电机203和第二牵引绳204，环形鳞片4均布间隔环绕设于主体部1上，且电控系统3设于主体部1中。本发明仿蛇软体机器人运动过程中的具体分析如下：

(1)仿蛇软体机器人摩擦力分析：

基于张拉结构的仿蛇软体机器人，主体部1在减速电机的带动下产生往复运动，其运动主要是靠环形鳞片4的第一环形鳞片401和第二环形鳞片402与接触面的摩擦系统不同所造成的摩擦力不同，由此产生的摩擦合力不同而驱动的，其运动方向始终沿着摩擦合力的方向，其运动速度与摩擦合力的大小有关，即与第一环形鳞片401和第二环形鳞片402与接触面的摩擦系数的差值有关。当无环形鳞片4或第一环形鳞片401和第二环形鳞片402与接触面的摩擦系数相等时，软体主体部1与接触面的摩擦力各处相等，机器人始终处于“原地踏步”状态。仿蛇软体机器人摩擦力的分析分为两个部分，分别为收缩状态时的摩擦力分析和伸展状态时的摩擦力分析。

1)收缩状态时的摩擦力分析：

如图4和图7所示，仿蛇软体机器人收缩时，主体部1中的第一牵引绳202在第一减速电机201的正向转动下收缩，第一牵引绳202的收缩会对第一电机201和第二圆盘103产生大小相等方向相反的拉力，由于第一电机201与第一圆盘102固定相连，第一牵引绳202对第一电机201的拉力最终会变成对第一圆盘102的拉力F₁。同理，第二牵引绳204会对第一圆盘102和第二圆盘103产生大小相等方向相反的拉力F₁。第一牵引绳202和第二牵引绳204对第一圆盘102的拉力等于第一牵引绳202和第二牵引绳204对第二圆盘103的拉力，促使第一圆盘102向左移动的距离与第二圆盘103向右移动的距离相等，即迫使压缩弹簧104和具有弹性能力的柔性躯干105产生压缩，存储弹性势能，该压缩量等同于牵引绳的收缩量。同时，环形鳞片4在重力和拉力的作用下产生变形。由于第一圆盘102产生向左的移动，第二圆盘103产生向右的移动，第一圆盘102和第二圆盘103的相对运动迫使主躯干101从两端向躯体中部压缩，使环形鳞片4产生特定方向的变形，即在收缩状态下，环形鳞片4会产生正“八”字形的变形。左侧的环形鳞片4的第一环形鳞片401与接触面的接触面积几乎为零，第二环形鳞片402与接触面的接触面积占主导地位。右侧的环形鳞片4的第一环形鳞片401与接触面的接触面积占主导地位，第二环形鳞片402与与接触面的接触面积几乎为零。由于在第一圆盘102和第二圆盘103的作用下，主躯干101会产生从两端向中间压缩的运动趋势，使得左侧的环形鳞片4产生的摩擦力向左，右侧的环形鳞片4产生的摩擦力向右。

为便于说明环形鳞片4产生的摩擦力的相互关系，假定第一环形鳞片401与接触面的摩擦系数高于第二环形鳞片402与接触面的摩擦系数，因此右侧的环形鳞片4所产生的摩擦合力相对于左侧的环形鳞片4所产生的摩擦合力大，因此总摩擦合力的方向向右，大小为两种摩擦合力的差值，驱使软体机器人向右运动。

2)伸展状态时的摩擦力分析：

如图4和图8所示，仿蛇软体机器人伸展时，主体部1中的第一牵引绳202和第二牵引绳204在第一减速电机201和第二减速电机203的反向转动下松弛，第一牵引绳202的松弛会使得受到压缩的压缩弹簧104和具有弹性能力的柔性躯干105释放弹性势能，压缩弹簧104和具有弹性能力的柔性躯体105具有恢复至初始长度的趋势，释放的弹性势能会对连接在主躯干101两端的第一圆盘102和第二圆盘103产生移动的张力F₂，该张力促使第一圆盘102向右移动的距离与第二圆盘103向左移动的距离相等，第一圆盘102和第二圆盘103移动的距离分别等于第一牵引绳202和第二牵引绳204在第一减速电机201和第二减速电机203的反向转动下的松弛量。同时，环形鳞片4在重力和张力的作用下产生变形，即在伸展状态下，环形鳞片4会产生倒“八”字形的形状。由于受到压缩的压缩弹簧104和具有弹性能力的柔性躯干105释放弹性势能，具有恢复至初始长度的趋势，带动第一圆盘102产生向右的移动，第二圆盘103产生向左的移动，第一圆盘102和第二圆盘103的相对运动呈现出主躯干101从躯体中部向两端伸展的运动趋势。使环形鳞片4产生特定方向的变形。左侧的环形鳞片4的第一环形鳞片401与接触面的接触面积占主导地位，第二环形鳞片402与接触面的接触面积几乎为零。右侧的环形鳞片4的第一环形鳞片401与接触面的接触面积占几乎为零，第二环形鳞片402与接触面的接触面积占主导地位。由于压缩弹簧104和具有弹性能力的柔性躯体105的作用下，主躯干101会产生从中间向两端伸展的运动趋势，使得左侧的环形鳞片4产生的摩擦力向右，右侧的环形鳞片4产生的摩擦力向左。

为便于说明环形鳞片4产生的摩擦力的相互关系，同样假定第一环形鳞片401与接触面的摩擦系数高于第二环形鳞片402与接触面的摩擦系数，因此右侧的环形鳞片4所产生的摩擦合力相对于左侧的环形鳞片4所产生的摩擦合力小，因此总摩擦合力的方向向右，大小为两种摩擦合力的差值，同样驱使软体机器人向右运动。

(2)仿蛇软体机器人直线蠕动运动分析：

如图9所示，通过对仿蛇软体机器人环形鳞片4的摩擦力分析，可以得出，在一次循环中，仿蛇软体机器人伸缩与伸展状态所产生的总摩擦合力均向右，因此直线蠕动运动就是多次循环的总和。直线蠕动运动可以视为4种状态的循环：“初始状态”、“收缩状态”、“压缩状态”、“伸展状态”。

1)初始状态：该状态下，减速电机不工作，压缩弹簧104处于初始长度无压缩无伸展，该机器人静止,如图9a所示。

2)收缩状态：该状态下，两个减速电机同步正转，带动牵引绳收缩，迫使压缩弹簧104和具有弹性能力的柔性躯干105压缩，储存弹性势能，主躯干101呈从两端向中间压缩的趋势，环形鳞片4的两部分产生特定方向的变形。通过对收缩状态时摩擦力的分析可以得出，该状态下，蛇形软体机器人产生向右的运动，如图9b～9c所示。

3)压缩状态：该状态下，减速电机保持，牵引绳不再收缩，压缩弹簧104和具有弹性能力的柔性躯干105保持压缩状态，减速电机产生的扭矩与弹簧压缩104产生的弹性力相等，主躯干101呈压缩状态，此时机器人静止,如图9d所示。

4)伸展状态：该状态下，两个减速电机同步反转，释放牵引绳，压缩弹簧104和具有弹性能力的柔性躯干105自由伸展，释放弹性势能，主躯干101呈从中间向两端伸展的趋势，环形鳞片4的两部分产生特定方向的变形。通过对伸展状态时摩擦力的分析可以得出，该状态下，蛇形软体机器人产生向右的运动，如图9e～9f所示。

在张拉结构的循环伸缩下，仿蛇软体机器人的直线蠕动运动始终在上述4种状态中循环，其运动方向始终为同一方向。

(3)仿蛇软体机器人转向蠕动运动分析：

如图10所示，转向蠕动与直线蠕动相类似，所不同的是，两个减速电机的工作频率不相同即转速不同步。以向右转向为例，说明其转向蠕动步态。

1)初始状态：该状态下，减速电机不工作，压缩弹簧104处于初始长度无压缩无伸展，该机器人静止，如图10a所示。

2)右转收缩状态：该状态下，第一减速电机201正转，带动第一牵引绳202收缩；第二减速电机203正转，带动第二牵引绳204收缩，两个减速电机的转速不同步，使得蛇形躯体的弯曲曲率不同。右转时，第一减速电机201的转速相对于第二减速电机203的转速慢，第一牵引绳202的收缩量比第二牵引绳204的收缩量少。减速电机的不同步迫使压缩弹簧104向右侧压缩，蛇形躯体呈向中间压缩的趋势，两种环形鳞片4同样产生方向相反的变形。由于摩擦系统不同造成的摩擦力大小不同，产生的合外力总是朝向摩擦系数大的方向，促使该机器人产生预定方向的运动，如图10b所示。

3)右转静止状态：该状态下，减速电机保持，牵引绳不再收缩，压缩弹簧104保持压缩状态，减速电机产生的扭矩与弹簧产生的弹性力相等，主躯干101呈弯曲压缩状态，此时机器人静止，如图10c所示。

4)右转伸展状态：该状态下，第一减速电机201反转，带动第一牵引绳202松弛；第二减速电机203反转，带动第二牵引绳204松弛，两个减速电机的转速不同步，使得蛇形躯体的弯曲曲率不同。右转时，第一减速电机201的转速相对于第二减速电机203的转速慢，第一牵引绳202的释放量比第二牵引绳204的释放量少。压缩弹簧104和具有弹性能力的柔性躯体105释放弹性势能，蛇形躯体呈从中间向两端伸展的趋势。减速电机的不同步迫使弹簧向一侧伸展，环形鳞片4的两部分产生特定方向的变形。由于摩擦系统不同造成的摩擦力大小不同，产生的合外力总是朝向摩擦系数大的方向，促使该机器人产生预定方向的运动，如图10d所示。

在张拉结构的循环伸缩下，仿蛇软体机器人的转向蠕动运动始终在上述4种状态中循环，其运动方向始终为同一方向。上述4种状态只列举了右转情形，左转运动步态与右转相类似。

根据减速电机与牵引绳的组数不同，该仿蛇软体机器人可以实现多种运动方式。如图11所示，当拉式结构为三减速电机及三牵引绳时，该仿蛇软体机器人可以做出直线蠕动运动、平面上的转向运动和垂直方向的俯或仰运动；如图12所示，当拉式结构为四减速电机及四牵引绳时，该仿蛇软体机器人可以做出线蠕动运动、平面上的转向运动和垂直方向的俯仰运动，其中俯仰运动是转向蠕动运动在垂直平面的体现。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于张拉结构的仿蛇软体机器人，其特征在于，其包括主体部、牵引驱动组件、环形鳞片和电控系统，

所述主体部包括主躯干、第一圆盘和第二圆盘，所述主躯干呈空心圆柱体结构状，且所述主躯干由柔性躯干和内嵌于所述柔性躯干内的压缩弹簧组成，所述第一圆盘和第二圆盘均呈圆盘结构状，且所述第一圆盘和第二圆盘分别固定设于所述主躯干的两端；

所述牵引驱动组件设于所述主躯干中，且所述牵引驱动组件包括第一减速电机、第一牵引绳、第二减速电机和第二牵引绳，所述第一减速电机固定设于所述第一圆盘面向所述主躯干内部的一侧，且所述第一减速电机的输出轴上设有第一卷筒，所述第一牵引绳的第一端缠绕设于所述第一卷筒上，且所述第一牵引绳的第二端与所述第二圆盘固定相连，所述第二减速电机固定设于所述第二圆盘面向所述主躯干内部的一侧，且所述第二减速电机的输出轴上设有第二卷筒，所述第二牵引绳的第一端缠绕设于所述第二卷筒上，且所述第二牵引绳的第二端与所述第一圆盘固定相连，所述第二减速电机输出轴轴线与所述第一减速电机输出轴轴线之间夹角为180度，且所述第一牵引绳与第二牵引绳相互平行，所述电控系统设于所述主体部中；

所述主躯干与所述第一牵引绳及第二牵引绳组成张拉结构，其中所述第一牵引绳及所述第二牵引绳形成拉式结构，所述主躯干中的具有弹性的柔性躯干和压缩弹簧形成张式结构，所述环形鳞片均布间隔环绕设于所述主体部上，且所述环形鳞片由不同材质的第一环形鳞片和第二环形鳞片粘合组成，所述第一环形鳞片和第二环形鳞片均设有棱台，且所述第一环形鳞片的棱台棱面与接触面的摩擦系数不等于所述第二环形鳞片的棱台棱面与接触面的摩擦系数，当驱动所述张拉结构中的第一减速电机和第二减速电机转动时，所述第一环形鳞片和第二环形鳞片分别与接触面产生不同大小的摩擦力，且对称设置于所述主体部两侧的环形鳞片产生的摩擦力方向相反，所述方向相反且大小不同的摩擦力的合力共同作用带动主体部向预先给定的方向运动。

2.根据权利要求1所述的基于张拉结构的仿蛇软体机器人，其特征在于，所述电控系统包括电池、控制单元、减速电机驱动模块和无线通讯模块，且所述电池能给所述控制单元、减速电机驱动模块及无线通讯模块供电，且所述控制单元与所述无线通讯模块及减速电机驱动模块之间能相互通讯，当所述无线通讯模块接收外部指令并传输至所述控制单元时，所述控制单元能根据接收到的指令输出不同的信号至所述减速电机驱动模块，所述减速电机驱动模块能根据收到的信号驱动减速电机做出不同的动作。

3.根据权利要求1所述的基于张拉结构的仿蛇软体机器人，其特征在于，所述第一环形鳞片和第二环形鳞片具有相同的结构尺寸，且所述第一环形鳞片的外环直径等于所述第二环形鳞片的外环直径，所述第一环形鳞片和所述第二环形鳞片的内环直径均与所述主躯干的躯体外径相等。

4.根据权利要求1所述的基于张拉结构的仿蛇软体机器人，其特征在于，所述牵引驱动组件设有四种不同工作状态，其分别为：当所述第一减速电机及第二减速电机同步正向转动时，所述第一牵引绳和第二牵引绳能产生同等长度的收缩量，且挤压所述主躯干能产生与所述第一牵引绳和第二牵引绳收缩量同等长度的压缩量；当所述第一减速电机及第二减速电机同步反向转动时，所述第一牵引绳和第二牵引绳能产生同等长度的松弛量，且所述主躯干在具有弹性的柔性躯干和压缩弹簧的共同作用下能由压缩状态逐步恢复至初始长度；当所述第一减速电机、第二减速电机非同步正向转动时，所述第一牵引绳及第二牵引绳产生不同长度的收缩量，且挤压所述主躯干产生一定弧度的偏转弯曲；当所述第一减速电机、第二减速电机非同步反向转动时，所述第一牵引绳及第二牵引绳分别产生与收缩量同等长度的松弛量，且所述主躯干能由压缩状态逐步恢复至初始长度。

5.根据权利要求1所述的基于张拉结构的仿蛇软体机器人，其特征在于，所述主躯干的外径等于所述第一圆盘的直径，且所述第一圆盘的直径等于所述第二圆盘的直径。

6.根据权利要求1所述的基于张拉结构的仿蛇软体机器人，其特征在于，为防止软体机器人在运动过程中发生翻滚，所述第一环形鳞片和第二环形鳞片均设有棱台，且在所述主体部上，每个所述第一环形鳞片和第二环形鳞片的棱台的棱边均处于同一棱面，且同一环形鳞片对应的所述第一环形鳞片和第二环形鳞片的棱面在机器人运动过程中依次与接触面重合。

7.根据权利要求3所述的基于张拉结构的仿蛇软体机器人，其特征在于，所述第一环形鳞片及第二环形鳞片的棱台棱面与接触面的摩擦系数的绝对差值越大，且在同等频率下软体机器人运动距离越长。

8.根据权利要求1所述的基于张拉结构的仿蛇软体机器人，其特征在于，所述牵引驱动组件中的拉式结构不局限于采用双减速电机及双牵引绳进行驱动，亦能在所述牵引驱动组件中增加减速电机及牵引绳的个数，驱使软体机器人实现不同的运动方式。

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