CN114179066B - 一种蛇形机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蛇形机器人及其控制方法，包括若干相互铰接的运动单元，运动单元包括支撑架，支撑架上设置有若干组动力相连的驱动环和驱动装置，各驱动环绕蛇形机器人的轴线做顺时针或逆时针旋转；至少一个驱动环上设置第一调向机构，至少一个驱动环上设置第二调向机构；使用时，通过改变驱动环的转速调节驱动力大小，第一调向机构将其所在驱动环的驱动力转向一侧，第二调向机构将其所在驱动环的驱动力转向另一侧，从而形成与蛇形机器人运动方向相同的合力作为蛇形机器人的驱动力；与现有技术相比，其不需要设置复杂的转向机构，不但简化了机器人的结构，有利于降低控制难度，同时也有利于缩小机器人的提及，满足狭小空间内的作业要求。

Description

一种蛇形机器人及其控制方法

技术领域

本申请涉及机器人设备技术领域，具体涉及一种蛇形机器人及其控制方法。

背景技术

蛇形机器人是一种新型仿生机器人，它能够实现像机器蛇一样的“无肢运动”，在许多领域，蛇形机器人有着广泛的运用前景，如在辐射、黑暗、剧毒、狭小等不适宜人类工作的场景，机器人的作用在这一类的生产应用中得到充分认可。

但是现有技术中，蛇形机器人的结构较为复杂，导致其体积较大，而飞机机翼一般为整体式结构，其一旦封闭，则内部空间非常狭小，现有技术中的蛇形机器人不能进出机翼的内部空间以完成多余物的检测和清理工作。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种蛇形机器人及其控制方法，以解决现有技术中存在的狭小空间内作业困难的缺陷。

为实现上述目的，本申请提供一种蛇形机器人，包括若干相互铰接的运动单元，所述运动单元包括支撑架，支撑架上设置有若干组动力相连的驱动环和驱动装置，各所述驱动环绕蛇形机器人的轴线做顺时针或逆时针旋转；

至少一个所述驱动环表面套置有第一调向机构，至少一个所述驱动环表面套置有第二调向机构，所述第一调向机构和第二调向机构调节其所在驱动环的驱动力方向，以在蛇形机器人的运动方向上形成合力。

可选的，第一调向机构和第二调向机构均包括若干相互平行的调向器，所述第一调向机构上各调向器的轴线与所述第二调向机构上各调向器的轴线分别偏向于所述蛇形机器人轴线两侧。

可选的，调向器为与驱动环一体相连的调向齿或转动设置于所述驱动环上的调向轮。

可选的，第一调向机构上各调向器的轴线和第二调向机构上各调向器的轴线关于所述蛇形机器人的轴线对称，其倾斜角度为30°-60°。

可选的，驱动装置包括固定于支撑架上的驱动电机，各所述驱动环通过滚动轴承与支撑架转动相连，驱动电机通过相互啮合的传动齿轮和内齿轮与所驱动环动力相连。

可选的，支撑架上还设置有换向架，所述换向架上设置有转动轴，转动轴的一端与传动齿轮相连，其另一端与驱动电机通过相互啮合的端面齿轮和驱动齿轮动力相连；所述内齿轮固定于所述驱动环的内壁。

可选的，两相邻运动单元之间设置有两套相互独立的越障单元，两所述越障单元轴线的连线与机器人的轴线异面；所述越障单元包括相互铰接的第一伸缩装置和第二伸缩装置，第一伸缩装置和第二伸缩装置分别连接两相邻运动单元。

可选的，两相邻运动单元之间设置有至少3套相互独立的越障单元，各所述越障单元绕蛇形机器人的周向方向均匀设置；所述越障单元包括相互铰接的第一伸缩装置和第二伸缩装置，第一伸缩装置和第二伸缩装置分别连接两相邻运动单元。

可选的，第一伸缩装置和第二伸缩装置均为直线电机，所述第一伸缩装置和第二伸缩装置通过万向节铰接相连。

相应的，本发明还公开了一种蛇形机器人的控制方法，通过控制处于工作状态下的所述第一调向机构和第二调向机构的旋向、数量和旋转速度，以产生与运动方向相同的合力，以带动所述蛇形机器人前进、后退或转向；

通过第一伸缩装置和第二伸缩装置的收缩或伸展调节使各越障单元的长度相异，以带动各所述运动单元实现抬头或低头越障。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明包括若干若干相互铰接的运动单元，运动单元包括支撑架，支撑架上设置有若干组动力相连的驱动环和驱动装置，各所述驱动环绕蛇形机器人的轴线做顺时针或逆时针旋转；至少一个驱动环上设置第一调向机构，至少一个驱动环上设置第二调向机构；

使用时，所述驱动装置带动驱动环绕蛇形机器人的轴线旋转，位于驱动环表面的第一调向机构和第二调向机构将与地面或其他部件表面接触，因此在旋转过程中将产生驱动力；通过第一调向机构将其所在驱动环的驱动力转向所述轴线的一侧，同时第二调向机构将其所在驱动环的驱动力转向所述轴线的另一侧，通过改变驱动环的旋转速度实现对驱动力大小的调节，进而形成与蛇形机器人运动防线相同的合力作为蛇形机器人的驱动力；同时也可以关闭部分第一调向机构或第二调向机构实现对运动方向的调节；

如需要蛇形机器人反向运动，则控制驱动装置反转即可实现；

与现有技术相比，本发明所述蛇形机器人的各调向机构和驱动环均附着于所述支撑架的表面，因此其不存在向外部的延伸设备，能够最大限度的保证蛇形机器人的结构紧凑度，提高对狭小空间的适应能力；

其次，各个驱动环的驱动力是蛇形机器人的运动分力，本发明通过各个分力形成与运动方向相同合力，以驱动所述蛇形机器人，其与传统的机器人机构相比，通过改变各运动分力的大小即可改变蛇形机器人的合力方向，进而控制其运动方向，不需要配置复杂的转向系统即可灵活控制蛇形机器人，不但能够最大限度的精简机器人的结构，降低控制难度，同时使蛇形机器人能够沿任意方向运动，极大的扩展了蛇形机器人的适用范围，满足狭小空间内的作业要求。

附图说明

图1为本申请所述蛇形机器人的结构示意图；

图2为本申请所述蛇形机器人相邻两运动单元连接示意图；

图3为本申请运动单元结构示意图；

图4为本申请驱动环与驱动装置连接结构图；

图5为本申请驱动装置结构示意图；

图6为本申请换向架连接结构示意图；

图7为本申请驱动环结构示意图；

图8为本申请越障单元结构示意图；

图9为本申请实施方式2中驱动环结构示意图；

附图标记：1-运动单元，2-调向齿，3-调向轮，4-滚动轴承，5-越障单元，6-密封罩，101-支撑架，102-驱动环，103-驱动装置，1031-驱动电机，1032-传动齿轮，1033-内齿轮，1034-换向架，1035-转动轴，1036-端面齿轮，1037-驱动齿轮，51-第一伸缩装置，52-第二伸缩装置，53-万向节。

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施方式1

参照图1到图8，本申请公开了一种蛇形机器人，包括若干相互铰接的运动单元1，各所述运动单元1结构相同，均包括支撑架101、若干组驱动环102和驱动装置103，所述支撑架101为中空结构，其内部空腔用于穿设各种线缆；所述横截面整体为方形结构，支撑架101的两侧为弧形结构，同时在所述支撑架101上套置有若干滚动轴承4，各所述驱动环102的一端与所述滚动轴承4固定相连，其另一端的内壁设置有内齿轮1033，内齿轮1033与驱动环102可以为一体式结构，同时也可以为可拆卸结构；从上述结构上可知，驱动环102的长度大于所述滚动轴承4的长度，因此在安装完成后，所述驱动环102与支撑架101之间将形成一空腔，所述驱动装置103包括驱动电机1031，驱动电机1031安装于上述空腔内，并固定于所述支撑架101的底面；

由于支撑架101的特殊结构，其左右两侧将与滚动轴承4稳定相连，其上下两侧均为平面，因此方便固定所述驱动电机1031；

上述结构最大限度的利用了运动单元1的内部空间，提高整个运动单元1的紧凑度，从而缩小蛇形机器人的尺寸，使其适应狭小空间的作业；同时各种线缆隐藏于轴承架的空腔内，同时驱动电机1031隐藏于所述驱动环102与支撑架101之间的空腔，不但最大限度的利用了内部空间，使蛇形机器人的外形规则，同时保护了相关设备，提高设备的可靠性和稳定性；

所述支撑架101上还固定设置有换向架1034，换向架1034上转动设置有转动轴1035，转动轴的一端设置有传动齿轮1032，传动齿轮1032与所述驱动环102上的内齿轮1033啮合；所述转动轴1035的另一端固定设置有端面齿轮1036，所述驱动电机1031的输出轴上设置有驱动齿轮1037，所述驱动齿轮1037与端面齿轮1036相互啮合，以实现转动轴1035与驱动电机1031的动力相连。

上述动力结构简单，不但有利于提高整个机器人的可靠性和稳定性，同时有利于缩小传动结构的体积，进而保证将整个传动机构设置于驱动环102与支撑架101之间的空腔内，避免传动机构外露。

同时上述设置结构中，各组驱动环102和驱动装置103之间相互分离，因此一组驱动环102和驱动装置103的失效不会影响其他设备，因此设备的可靠性和稳定性更强。

所述蛇形机器人还包括至少一套第一调向机构和至少一套第二调向机构，所述第一调向机构和第二调向机构分别设置于各个驱动环102表面，其中所述第一调向机构和第二调向机构均包括若干调向器，所述调向器包括若干调向轮3，各所述调向轮3转动设置于各所述驱动环102的外表面，且位于同一驱动环102上的各调向轮3相互平行，沿所述蛇形机器人的轴线方向，所述第一调向机构上各所述调向轮3向蛇形机器人轴线左侧偏置，第二调向机构上各所述调向轮3的轴线向蛇形机器人轴线右侧偏置，需要指出的是第一调向机构和第二调向机构的偏转方向相反即可，其偏置角度根据实际情况确定，其偏转角度可以相同也可以不同；

优选的，所述第一调向机构上各调向轮3的轴线与第二调向机构上各调向轮3的轴线关于蛇形机器人的轴线对称，且其偏置角度为30°-60°，其中以45°为最佳；

由于调向轮3的轴线与蛇形机器人的轴线之间有一定的夹角，因此在驱动环102旋转过程中，调向轮3与地面或其他外部结构相互接触而施加的驱动力也将将与蛇形机器人之间呈一定的夹角，且该夹角与调向轮3和蛇形机器人轴线之间的夹角相同；由于第一调向机构和第二调向机构的轴线偏向于蛇形机器人轴线的两侧，因此在工作状态下，蛇形机器人轴线的两侧均受到驱动力，根据力的合并的四边形定则可知，其合力方向将与蛇形机器人的轴线方向重合；同时基于力合并的四边形定则可知，通过改变各驱动环102的驱动力大小即可实现驱动力的任意调节，同时还可以通过控制处于工作状态下的第一调向机构和第二调向机构的数量进一步控制合力的大小及方向；

本发明通过巧妙的设置调向器的角度，从而构建与蛇形机器人轴线呈一定夹角的分力，并巧妙的基于力的合并原则为蛇形机器人提供合力以进行驱动；通过上述设置，本发明与现有技术中的蛇形机器人相比，其一方面不需要结构复杂的转向机构即可实现转向，不但控制程序更加简单，同时有利于简化蛇形机器人的结构，缩小其体积；另一方面，本发明的驱动环102套置于支撑架101上，并绕蛇形机器人的轴线旋转，而不是采用滚轮作为驱动装置103，其能够进一步缩小蛇形机器人的体积，满足狭小空间内的作业需求。

所述蛇形机器人还包括越障单元5，越障单元5共设置有两个，两所述越障单元5结构相同，均包括第一伸缩装置51和第二伸缩装置52，所述第一伸缩装置51和第二伸缩装置52均是直线电机，两直线电机的伸缩杆通过万向节53相互铰接，两直线电机的另一端分别与两相邻运动单元1的支撑架101固定相连，从而实现两相邻所述运动单元1的铰接；同时在任意相邻的两运动单元1之间还设置有密封罩6，以实现对整个蛇形机器人的密封，所述密封罩6采用波纹管或其他耐磨的柔性材料制作；

组装完成后，各运动单元1的轴向重合，同时同一越障单元5的第一伸缩装置51与第二伸缩装置52的轴线重合，取任一横截面，两越障单元5轴线在该横截面上的投影的连线与蛇形机器人轴线在该横截面上的投影不重合，从而保证两所述越障单元5轴线的连线与机器人的轴线异面，即两所述越障单元5轴线的连线不经过所述蛇形机器人的轴心。

如图2所示，其中一个越障单元5设置于12点钟方向，另一越障单元5设置于3点钟方向，如位于12点钟方向的越障单元5长度伸长，同时位于3点钟方向越障单元5进行收缩或保持不变，则由于3点钟方向越障单元5的约束，则位于前端的运动单元1将低头，以实现越障；同时还可以通过控制3点钟方向越障单元5的状态实现向左侧或右侧的辅助转向，进一步提高了蛇形机器人的转向能力。

与现有技术相比，本申请基于手指仿生的原理实现蛇形机器人的抬头和低头越障，整个调节装置的结构简单；同时越障单元5设置于驱动环102与支撑架101之间的空腔内，不会占用额外的空间。

同时在两相邻运动单元1之间还可以设置3套及3套以上的越障单元5，此时，各所述越障单元5绕蛇形机器人的周向方向均匀设置，即相邻两越障单元5之间的夹角为360°/N。

实施方式2

本实施方式作为本发明的又一可选的实施方式，其公开了一种蛇形机器人，包括若干运动单元1，各所述运动单元1包括支撑架101，所述支撑架101上设置有若干组相互独立的驱动环102和驱动装置103，驱动环102与驱动装置103动力相连；同时至少一个驱动环102上设置有第一调向机构，至少一个驱动换上设置有第二调向机构，所述第一调向机构和第二调向机构均包括调向器，各调向器为调向齿2，具体结构如图9所示，各调向齿2分别与所在驱动环102表面一体相连，位于同一驱动环102上的各调向齿2相互平行，且沿所述蛇形机器人的轴线方向，所述第一调向机构上各所述调向齿2向齿的向蛇形机器人轴线左侧偏置，第二调向机构上各所述调向齿2的轴线向调向齿2轴线右侧偏置，需要指出的是第一调向机构和第二调向机构的偏转方向相反即可，其偏置角度根据实际情况确定，偏转角度可以相同也可以不同；

优选的，所述第一调向机构上各调向齿2的轴线与第二调向机构上各调向齿2的轴线关于蛇形机器人的轴线对称，且其偏置角度为30°-60°，其中以45°为最佳；

通过调向轮，能够有效降低蛇形机器人调向器的磨损，延长设备的使用寿命；同时与调向齿相比，调向轮能够大幅降低对外部结构的磨损，尤其是应用于机翼内部检查时，能够有效保护机翼，避免部件报废。

实施方式3

本实施方式作为本发明的又一可选的实施方式，其公开了一种蛇形机器人的控制方法，包括以下步骤：

需要说明的是，本实施方式所述蛇形机器人中，第一调向机构和第二调向机构与蛇形机器人之间的夹角为45°，且第一调向机构和第二调向机构分别偏向于蛇形机器人轴线的两侧；同时单个运动单元上设置有4各驱动环，其中两个驱动环上设置有第一调向机构，两个驱动环上设置有有第二调向机构，且所述第一调向机构和第二调向机构交叉设置；

同时相邻两运动单元之间设置有两套越障装置，且两所述越障装置分别设置于12点和3点钟方向；

前进运动：同一运动单元上，处于工作状态下的第一调向机构和第二调向机构数量相同，第一调向机构和第二调向机构所在驱动环的转速相同；

沿蛇形机器人轴线指向蛇头的方向上，第一调向机构逆时针旋转，第二调向机构顺时针旋转，则产生前进方向的合力，驱动蛇形机器人前进；

后退运动：同一运动单元上，处于工作状态下的第一调向机构和第二调向机构数量相同，第一调向机构和第二调向机构所在驱动环的转速相同；

沿蛇形机器人轴线指向蛇头的方向上，第一调向机构顺时针旋转，第二调向机构逆时针旋转，则产生后退方向的合力，驱动蛇形机器人后退；

左转运动：沿蛇形机器人轴线指向蛇头的方向上，同一运动单元的第一调向机构做逆时针旋转，第二调向机构停止工作，则蛇形机器人以45°向左转向；

控制第一调向机构和第二调向机构的转速、旋转方向和处于工作状态下的数量，其中蛇形机器人受到的左侧驱动力大于受到的右侧驱动力，从而控制合力在蛇形机器人轴线左侧的角度，以实现任意角度的左转；

右转运动：沿蛇形机器人轴线指向蛇头的方向上，同一运动单元的第二调向机构做顺时针旋转，第一调向机构停止工作，则蛇形机器人以45°向右转向；

控制第一调向机构和第二调向机构的转速、旋转方向和处于工作状态下的数量，其中蛇形机器人受到的左侧驱动力大于受到的右侧驱动力，从而控制合力在蛇形机器人轴线左侧的角度，以实现任意角度的左转；

抬头运动：位于12点钟方向的伸缩单元处于上侧，3点钟方向的伸缩单元位于下侧，控制位于12点钟方向伸缩单元的第一伸缩装置和第二伸缩装置收缩，同时控制位于3点钟方向的伸缩单元延长或保持不变，则位于上部的伸缩单元将拉动前端的运动单元抬升，通过控制各相邻运动单元之间的越障单元执行不同的收缩量即可实现机器人的整体跃升，进而实现抬头越障；

低头运动：位于12点钟方向的伸缩单元处于上侧，3点钟方向的伸缩单元位于下侧，控制位于12点钟方向伸缩单元的第一伸缩装置和第二伸缩装置伸展或不变，同时控制位于3点钟方向的伸缩单元收缩，则位于上部的伸缩单元将拉动前端的运动单元抬升，通过控制各相邻运动单元之间的越障单元执行不同的收缩量即可实现机器人的整体跃升，进而实现抬头越障；

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种蛇形机器人，包括若干相互铰接的运动单元(1)，其特征在于，所述运动单元(1)包括支撑架(101)，支撑架(101)上设置有若干组动力相连的驱动环(102)和驱动装置(103)，各所述驱动环(102)绕蛇形机器人的轴线做顺时针或逆时针旋转；

至少一个所述驱动环(102)表面套置有第一调向机构，至少一个所述驱动环(102)表面套置有第二调向机构，所述第一调向机构和第二调向机构调节其所在驱动环(102)的驱动力方向，以在蛇形机器人的运动方向上形成合力；

所述第一调向机构和第二调向机构均包括若干相互平行的调向器，所述第一调向机构上各调向器的轴线向蛇形机器人轴线左侧倾斜，第二调向机构上各调向器的轴线向蛇形机器人轴线右侧倾斜；

所述调向器为转动设置于所述驱动环(102)上的调向轮(3)；

所述驱动装置(103)包括固定于支撑架(101)上的驱动电机(1031)，各所述驱动环(102)通过滚动轴承(4)与支撑架(101)转动相连，驱动电机(1031)通过相互啮合的传动齿轮(1032)和内齿轮(1033)与所述驱动环(102)动力相连；所述支撑架(101)上还设置有换向架(1034)，所述换向架(1034)上设置有转动轴(1035)，转动轴(1035)的一端与传动齿轮(1032)相连，其另一端与驱动电机(1031)通过相互啮合的端面齿轮(1036)和驱动齿轮（1037）动力相连；所述内齿轮(1033)固定于所述驱动环(102)的内壁；

两相邻所述运动单元(1)之间设置有两套相互独立的越障单元(5)，两所述越障单元(5)轴线的连线与机器人的轴线异面；所述越障单元(5)包括相互铰接的第一伸缩装置(51)和第二伸缩装置(52)，第一伸缩装置(51)和第二伸缩装置(52)分别连接两相邻运动单元(1)；

所述第一伸缩装置(51)和第二伸缩装置(52)均为直线电机，所述第一伸缩装置(51)和第二伸缩装置(52)通过万向节(53)铰接相连。

2.根据权利要求1所述的一种蛇形机器人，其特征在于，所述第一调向机构上各调向器的轴线和第二调向机构上各调向器的轴线关于所述蛇形机器人的轴线对称，其倾斜角度为30°-60°。

3.根据权利要求1所述的一种蛇形机器人，其特征在于，两相邻所述运动单元(1)之间设置有至少3套相互独立的越障单元(5)，各所述越障单元(5)绕蛇形机器人的周向方向均匀设置；所述越障单元(5)包括相互铰接的第一伸缩装置(51)和第二伸缩装置(52)，第一伸缩装置(51)和第二伸缩装置(52)分别连接两相邻运动单元(1)。

4.基于权利要求1到3中任意一项所述蛇形机器人的控制方法，其特征在于，通过控制左调向器和右调向器的旋向、数量和旋转速度，以产生与运动方向相同的合力，带动所述蛇形机器人前进、后退或以任意角度转向；

通过第一伸缩装置和第二伸缩装置的收缩或伸展调节，使各越障单元的长度相异，以带动各所述运动单元实现抬头或低头越障。

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