CN114274133B - 一种气动的仿生蛇形柔性机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气动的仿生蛇形柔性机器人，包括：仿生蛇头和仿生蛇身，所述仿生蛇身的一端安装所述仿生蛇头，所述仿生蛇身包括：若干运动转换节、若干运动结构、密封波纹管、气泵，相邻两个所述运动转换节之间通过所述运动结构相连，所述密封波纹管贯穿所有运动转换节和运动结构，且两端分别固定在最前端的运动转换节和最后端的运动转换节，所述气泵的出气口与所述密封波纹管相连通，进气口连通大气；其中，所述运动转换节包括：第一外壳、曲柄滑块机构、运动轮和运动转换驱动结构，所述曲柄滑块机构设置在所述第一外壳上；所述运动轮安装在所述曲柄滑块机构的曲柄的外延伸端；所述运动转换驱动结构推动所述曲柄摆动。

Description

一种气动的仿生蛇形柔性机器人

技术领域

本申请涉及机器人技术领域，具体涉及一种气动的仿生蛇形柔性机器人。

背景技术

蛇形机器人，是一种能够模仿生物蛇运动的新型仿生机器人。由于它能像生物一样实现“无肢运动”，因而被国际机器人业界称为“最富于现实感的机器人"。全球各工业发达国家在仿生蛇形机器人方面做了大量研究工作，其中美国的蛇形机器人研究代表了目前世界的先进水平，其成果也最多。

仿生蛇形机器人结合了机器人动力学、摩擦学、材料学、模块动力学等多学科的相关理论，通过机械结构模仿蛇的行波运动学模型实现蛇的各种运动状态。

从驱动方式看，目前绝大多数仿生蛇形机器人是通过电机实现主体的姿态变化，从而模仿蛇的行波实现仿生运动。

在结构方面，目前绝大部分仿生蛇形机器人为刚性连杆结构，通过电机等控制相邻连杆的摆动实现机器人姿态的变化。

从动力转化方式看，目前的仿生蛇形机器人主要有两种，分别为模仿蛇表面的鳞片实现动力转化和底部安装从动轮实现动力转化。

但目前的仿生蛇形机器人由于结构和驱动装置的影响，主体重量偏重，运动姿态生硬，应用环境单一，难以适应多种环境。再者，由于结构设计问题，目前的仿生蛇形机器人每个自由度的弯曲都由独立的一个驱动装置控制，驱动装置较多，故障率高，且对能源的要求较高。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种气动的仿生蛇形柔性机器人，以解决相关技术中存在的运动姿态生硬，环境适应能力不强等技术问题。

根据本申请实施例，提供一种气动的仿生蛇形柔性机器人，包括：

仿生蛇头；

仿生蛇身，所述仿生蛇身的一端安装所述仿生蛇头，所述仿生蛇身包括：若干运动转换节、若干运动结构、密封波纹管、气泵，相邻两个所述运动转换节之间通过所述运动结构相连，所述密封波纹管贯穿所有运动转换节和运动结构，且两端分别固定在最前端的运动转换节和最后端的运动转换节，所述气泵的出气口与所述密封波纹管相连通，进气口连通大气；

其中，所述运动转换节包括：

第一外壳；

曲柄滑块机构，所述曲柄滑块机构设置在所述第一外壳上；

运动轮，所述运动轮安装在所述曲柄滑块机构的曲柄的外延伸端；

运动转换驱动结构，所述运动转换驱动结构推动所述曲柄摆动；

其中，所述运动结构包括：

若干仿生鳞片运动连接节，若干所述仿生鳞片运动连接节依次铰接；

若干环形充放气囊结构，相邻两个所述环形充放气囊结构之间布置一个所述仿生鳞片运动连接节。

进一步地，所述第一外壳由两块运动转换节外壳固定连接而成，所述曲柄滑块机构设置在两块所述运动转换节外壳之间。

进一步地，所述曲柄滑块机构包括：弹簧、叉形连杆轴、连杆、运动轮连接杆，所述叉形连杆轴、连杆和运动轮连接杆依次铰接，所述叉形连杆轴滑动设置在所述第一外壳上，所述弹簧的一端抵住所述叉形连杆轴的一端，另一端抵住所述第一外壳，所述运动轮连接杆的中部铰接在所述第一外壳上，所述运动轮安装在所述运动轮连接杆的外端部。

进一步地，所述曲柄滑块机构还包括：光轴导轨，所述光轴导轨固定在所述第一外壳上，所述叉形连杆轴滑动设置在所述光轴导轨上。

进一步地，所述运动转换驱动结构包括第一气囊、第一三通电磁气阀，所述第一气囊的进出气口与所述第一三通电磁气阀的A口相连通，所述第一三通电磁气阀的B口与所述密封波纹管相连通，C口连通到大气，作为排气通道。

进一步地，所述仿生鳞片运动连接节包括连接件，所述连接件的中部开有供所述密封波纹管通过的通孔，底部具有仿生鳞片，前后侧面具有供铰链连接的铰接部。

进一步地，所述环形充放气囊结构包括：若干呈弧形的第二气囊和若干第二三通电磁气阀，若干所述第二气囊排布成形成非封闭的环形结构，每个第二气囊配备一个所述第二三通电磁气阀，所述第二气囊的进出气口与所述第二三通电磁气阀的A口相连通，所述第二三通电磁气阀的B口与所述密封波纹管相连通，C口连通到大气，作为排气通道。

进一步地，所述第二气囊有三个。

进一步地，所述仿生蛇头上安装有红外摄像头。

进一步地，还包括电源，所述电源分别为所述红外摄像头、第一三通电磁气阀、第二三通电磁气阀以及气泵供电。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

1、驱动方式相对简单，气泵工作为密封波纹管提供气压，控制每个气囊的微型三通电磁气阀开闭即可实现气在低压状态和高压充气状态间的转换，实现主体姿态的变化，配合机器人表面覆盖的仿蛇表面鳞片结构柔性倒刺结构体，模仿蛇的行波运动。

2、对能量要求低，只需要一个小型12v电源即可驱动。

3、结构上创新性的采用了柔性结构，主体重量轻，运动姿态灵活，应用环境丰富，可以适应多种环境。

4、两种运动方式相结合。模仿蛇表面的鳞片实现动力转化和底部安装从动轮实现动力转化两种动力转换方式相结合，可实现快速切换，以分别适应复杂路面和平坦路面。

5、可在平坦路面上的快速运动。通过向从动轮释放结构的气囊充气加压，使从动轮下放接触路面，配合气泵向驱动气囊中充气加压使机器人本体变形模仿出蛇的行波，实现机器人在平坦路面上的快速运动。

6、增加了机器人的运动状态。通过控制气压的大小，可控制本体的形变弯曲程度，进而控制机器人的行波波长与振幅，可以自适应通过不同宽度落差的复杂环境。

7、增加了机器人的工作环境。机器人所有电气部分安装于密封波纹管内部，可在高温、低温、干燥、潮湿和水中自由运动。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1为本发明实施例提供的一种气动的仿生蛇形柔性机器人的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种气动的仿生蛇形柔性机器人的仿生蛇身内部结构示意图。

图3为图1中的B-B向剖视图。

图4为本发明实施例提供的轮式运动姿态下的运动转换节结构示意图，(a)为运动转换节的主视图(去掉一个运动转换节外壳)，(b)为运动转换节的侧视图，(c)为运动转换节的主视图。

图5为本发明实施例提供的行波爬行运动姿态下的运动转换节结构示意图，(a)为运动转换节的主视图(去掉一个运动转换节外壳)，(b)为运动转换节的侧视图，(c)为运动转换节的主视图。

图6为本发明实施例提供的通过气囊实现主体S形模仿行波的原理图。

图7为本发明实施例提供的通过气囊实现主体S形模仿行波的原理图。

图8为本发明实施例提供的行波爬行状态下当相位角(节与节之间的角度)β＝1时的行波曲线图。

图9为本发明实施例提供的行波爬行状态下当相位角β＝1.0时机器人姿态示意图。

图10为本发明实施例提供的行波爬行状态下当相位角β＝1.5时的行波曲线。

图11为本发明实施例提供的三通电磁气阀工作原理图。

图中：1、红外摄像头；2、仿生蛇头；3、运动转换节；4、第二气囊；5、仿生鳞片运动连接节；6、密封波纹管；7、第二三通电磁气阀；8、第一气囊；9、电源；10、气泵；11、密封法兰；12、运动转换节外壳；13、弹簧；14、光轴导轨；15、叉形连杆轴；16、连杆；17、运动轮连接杆；18、运动轮；19、第一三通电磁气阀。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

参考图1-图5，本发明实施例提供一种气动的仿生蛇形柔性机器人，包括：仿生蛇头2和仿生蛇身，所述仿生蛇身的一端安装所述仿生蛇头2，所述仿生蛇身包括：若干运动转换节3、若干运动结构、密封波纹管6、气泵10，相邻两个所述运动转换节3之间通过所述运动结构相连，所述密封波纹管6贯穿所有运动转换节3和运动结构，且两端分别固定在最前端的运动转换节3和最后端的运动转换节3，所述气泵10的出气口与所述密封波纹管6相连通，进气口连通大气；其中，所述运动转换节3包括：第一外壳、曲柄滑块机构、运动轮18和运动转换驱动结构，所述曲柄滑块机构设置在所述第一外壳上；所述运动轮18安装在所述曲柄滑块机构的曲柄的外延伸端；所述运动转换驱动结构推动所述曲柄摆动；所述运动结构包括：若干仿生鳞片运动连接节5和若干环形充放气囊结构，若干所述仿生鳞片运动连接节5依次铰接；相邻两个所述环形充放气囊结构之间布置一个所述仿生鳞片运动连接节5。

由上述实施例可知，本申请使用气泵为密封波纹管提供气压，通过所述运动转换节3的曲柄滑块机构，实现运动状态的变化，通过所述运动结构的环形充放气囊结构，使得气囊在低压状态和高压充气状态间的转换，从而实现主体姿态的可控变化，结合机器人表面覆盖的仿蛇表面鳞片的柔性倒刺结构体，可以模仿蛇的行进运动。

在一实施例中，所述第一外壳由两块运动转换节外壳12固定连接而成，所述曲柄滑块机构设置在两块所述运动转换节外壳12之间。两块运动转换节外壳12为硬连接，在软体结构中便于安装曲柄滑块机构。

在一实施例中，所述曲柄滑块机构包括：弹簧13、叉形连杆轴15、连杆16、运动轮连接杆17，所述叉形连杆轴15、连杆16和运动轮连接杆17依次铰接，所述叉形连杆轴15滑动设置在所述第一外壳上，所述弹簧13的一端抵住所述叉形连杆轴15的一端，另一端抵住所述第一外壳，所述运动轮连接杆17的中部铰接在所述第一外壳上，所述运动轮18安装在所述运动轮连接杆17的外端部。曲柄滑块机构可实现叉形连杆轴15直线运动到运动轮连接杆17角度摆动，且结构可靠和占用空间较小，可以快速实现运动轮18位姿变换，满足管壁和平面环境的运动。

在一实施例中，所述曲柄滑块机构还包括：光轴导轨14，所述光轴导轨14固定在所述第一外壳上，所述叉形连杆轴15滑动设置在所述光轴导轨14上。光轴导轨14给叉形连杆轴15起到导向和限位作用。

在一实施例中，所述运动转换驱动结构包括第一气囊8、第一三通电磁气阀19，所述第一气囊8的进出气口与所述第一三通电磁气阀19的A口相连通，所述第一三通电磁气阀19的B口与所述密封波纹管6相连通，C口连通到大气，作为排气通道。本发明实施例提供的机器人可在平坦路面上的快速运动，通过向从动轮释放结构的气囊充气加压，使从动轮下放接触路面，配合气泵向驱动气囊中充气加压使机器人本体变形模仿出蛇的行波，实现机器人在平坦路面上的快速运动。

在一实施例中，所述仿生鳞片运动连接节5包括连接件，所述连接件的中部开有供所述密封波纹管6通过的通孔，底部具有仿生鳞片，前后侧面具有供铰链连接的铰接部。连接节5为硬质材料，可以用于固定部件，密封波纹管6通过的通孔可以为第一气囊8和第二气囊4共享气压。

在一实施例中，所述环形充放气囊结构包括：若干呈弧形的第二气囊4和若干第二三通电磁气阀7，若干所述第二气囊4排布成形成非封闭的环形结构，每个第二气囊4配备一个所述第二三通电磁气阀7，所述第二气囊4的进出气口与所述第二三通电磁气阀7的A口相连通，所述第二三通电磁气阀7的B口与所述密封波纹管6相连通，C口连通到大气，作为排气通道，参考图11。一般地，所述第二气囊4有三个，一个在上可以实现拱起运动，另外两个分布在左右两侧，可以实现S形走位。

本发明实施例提供的模仿蛇表面的鳞片实现动力转化和底部安装从动轮实现动力转化两种动力转换方式相结合，可实现快速切换，以分别适应复杂路面和平坦路面。通过控制气压的大小，可控制本体的形变弯曲程度，进而控制机器人的行波波长与振幅，可以自适应通过不同宽度落差的复杂环境。

在一实施例中，所述仿生蛇头2上安装有红外摄像头1，可用于探测机器人所处环境，并记录图像。

在一实施例中，还包括电源9，本发明采用分散式多动力源供电方式，除最后一个运动转换节3外，其余运动转换节33对应内部位置分别安装一个12v的电源9供电，所有12v的电源9通过导线并联后分别为所述红外摄像头1、第一三通电磁气阀19、第二三通电磁气阀7以及气泵10供电，最后一个运动转换节3处是用来安装气泵10的。本发明对能量要求低，只需要一个小型12v电源即可驱动。

在一实施例中，所述第一气囊和第二气囊均采用高强度的橡胶制成，耐磨。

在一实施例中，所述密封波纹管的两端可以通过安装密封法兰实现密封。机器人所有电气部分安装于密封波纹管内部，可在高温、低温、干燥、潮湿和水中自由运动。

在一实施例中，参考图6和图7，通过控制气泵的工作功率，可控制密封波纹管内的气压大小，使第二气囊在高压状态时内部的气压发生变化，影响第二气囊的膨胀大小，从而改变相邻两个节膨胀侧的相位角β大小发生变化，配合每组气囊的状态变化时间的改变，可产生如图8、图9、图10的行波，使机器人产生不同的运动姿态。

需要说明的是，以上红外摄像头1、第一三通电磁气阀19、第二三通电磁气阀7、气泵10，均可以和一微型单片机相连，由微型单片机实现控制，电源9为各器件提供工作电压。

本发明实施例提供的仿生蛇形柔性机器人，工作原理如下：

机器人前端的红外摄像头1可探测机器人所处环境，并记录图像。

机器人运动开始时，首先通过气泵工作为密封波纹管6内提供高压。如图10所示，当第二三通电磁气阀通电时，A口B口接通，A口C口关闭，气体可由高压的密封波纹管进入第二气囊，使第二气囊表现膨胀状态。当第二三通电磁气阀断电时，A口B口关闭，A口C口接通，气体可由高压的第二气囊排至机器人外部，使第二气囊表现压缩状态。具体的如图3所示，为实现机器人的行波产生及变化，每组环形充放气囊结构的左右两个第二气囊在机器人工作时总是一个膨胀一个压缩。所以当一侧的第二三通电磁气阀通电使气囊膨胀时，另一侧的第二三通电磁气阀断电使气囊泄气压缩，同时因一侧膨胀使相邻两个节(此处“节”代表“运动转换节”和“仿生鳞片运动连接节”，下同)以连接处为支点旋转，气囊膨胀侧空间增大产生夹角，即为相位角β，导致另一侧空间减小，进一步挤压该侧气囊，加速该气囊泄气压缩，可使机器人主体产生弯曲，进一步的，可为每一第二气囊安排对应动作的动作次序，即可实现蛇的行波的产生，参考图6。

机器人的仿生鳞片运动连接节与机器人的运动平面接触位置设计有一排倒锥，当机器人产生行波的同时，机器人会受到在运动趋势方向上的双向的两个合力(一个指向机器人前端，一个指向机器人末端)，通过倒锥可限制指向机器人末端力，使机器人通过行波产生的合力指向机器人的前端，实现机器人由行波驱动向前的仿蛇的仿生行波运动。

当机器人在平坦的地面运行时，机器人可使运动转换节内的第一三通电磁气阀通电，使密封波纹管中的高压气体进入第一气囊，使第一气囊膨胀，进一步的顶开运动轮连接杆，使运动轮连接杆绕其中部孔旋转，通过叉形连杆轴、连杆、运动轮连接杆组成的连杆结构完成压缩弹簧并放下运动轮，使运动轮与地面接触，完成轮式行波运动状态的转换，实现机器人由行波驱动向前的仿蛇的仿生轮式行波运动。

驱动方式相对简单，气泵工作为密封波纹管提供气压，控制每个气囊的微型三通电磁气阀开闭即可实现气在低压状态和高压充气状态间的转换，实现主体姿态的变化，配合机器人表面覆盖的仿蛇表面鳞片(呈柔性倒刺结构体)，模仿蛇的行波运动。

结构上创新性的采用了柔性结构，主体重量轻，运动姿态灵活，应用环境丰富，可以适应多种环境。

通过气泵向驱动气囊中充气加压，可以使机器人本体变形模仿出蛇的行波，配合机器人下表面覆盖的仿生鳞片(呈柔性倒刺结构体)，实现仿生运动；另外，通过控制气压的大小，可控制本体的形变弯曲程度，进而控制机器人的行波波长与振幅，可以自适应通过不同宽度落差的复杂环境，具有较好的适应能力。当通过平坦路面时，机器人可通过向从动轮释放结构的气囊充气加压，使从动轮下放接触路面，配合气泵向驱动气囊中充气加压使机器人本体变形模仿出蛇的行波，实现机器人在平坦路面上的快速运动。

机器人内部为密封结构，用来安装驱动气泵和电源，可在绝大程度上满足机器人在各种复杂环境中的正常驱动。机器人前端配备有高清红外摄像头，可实现实时向终端传输高清实时视频。

上述实施例仅表示本发明的个案，任何依据本发明技术方案的结合，如：驱动轮增加，电机位置的改变，均理解为未脱离本发明的保护范围。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种气动的仿生蛇形柔性机器人，其特征在于，包括：

仿生蛇头；

仿生蛇身，所述仿生蛇身的一端安装所述仿生蛇头，所述仿生蛇身包括：

若干运动转换节、若干运动结构、密封波纹管、气泵，相邻两个所述运动转换节之间通过所述运动结构相连，所述密封波纹管贯穿所有运动转换节和运动结构，且两端分别固定在最前端的运动转换节和最后端的运动转换节，所述气泵的出气口与所述密封波纹管相连通，进气口连通大气；

其中，所述运动转换节包括：

第一外壳；

曲柄滑块机构，所述曲柄滑块机构设置在所述第一外壳上；

运动轮，所述运动轮安装在所述曲柄滑块机构的曲柄的外延伸端；

运动转换驱动结构，所述运动转换驱动结构推动所述曲柄摆动；

其中，所述运动结构包括：

若干仿生鳞片运动连接节，若干所述仿生鳞片运动连接节依次铰接；

若干环形充放气囊结构，相邻两个所述环形充放气囊结构之间布置一个所述仿生鳞片运动连接节；

所述环形充放气囊结构包括：三个呈弧形的第二气囊和若干第二三通电磁气阀，三个所述第二气囊排布成形成非封闭的环形结构，每个第二气囊配备一个所述第二三通电磁气阀，所述第二气囊的进出气口与所述第二三通电磁气阀的A口相连通，所述第二三通电磁气阀的B口与所述密封波纹管相连通，C口连通到大气，作为排气通道。

2.根据权利要求1所述的一种气动的仿生蛇形柔性机器人，其特征在于，所述第一外壳由两块运动转换节外壳固定连接而成，所述曲柄滑块机构设置在两块所述运动转换节外壳之间。

3.根据权利要求1所述的一种气动的仿生蛇形柔性机器人，其特征在于，所述曲柄滑块机构包括：弹簧、叉形连杆轴、连杆、运动轮连接杆，所述叉形连杆轴、连杆和运动轮连接杆依次铰接，所述叉形连杆轴滑动设置在所述第一外壳上，所述弹簧的一端抵住所述叉形连杆轴的一端，另一端抵住所述第一外壳，所述运动轮连接杆的中部铰接在所述第一外壳上，所述运动轮安装在所述运动轮连接杆的外端部。

4.根据权利要求3所述的一种气动的仿生蛇形柔性机器人，其特征在于，所述曲柄滑块机构还包括：光轴导轨，所述光轴导轨固定在所述第一外壳上，所述叉形连杆轴滑动设置在所述光轴导轨上。

5.根据权利要求1所述的一种气动的仿生蛇形柔性机器人，其特征在于，所述运动转换驱动结构包括第一气囊、第一三通电磁气阀，所述第一气囊的进出气口与所述第一三通电磁气阀的A口相连通，所述第一三通电磁气阀的B口与所述密封波纹管相连通，C口连通到大气，作为排气通道。

6.根据权利要求1所述的一种气动的仿生蛇形柔性机器人，其特征在于，所述仿生鳞片运动连接节包括连接件，所述连接件的中部开有供所述密封波纹管通过的通孔，底部具有仿生鳞片，前后侧面具有供铰链连接的铰接部。

7.根据权利要求1所述的一种气动的仿生蛇形柔性机器人，其特征在于，所述仿生蛇头上安装有红外摄像头。

8.根据权利要求7所述的一种气动的仿生蛇形柔性机器人，其特征在于，还包括电源，所述电源分别为所述红外摄像头、第一三通电磁气阀、第二三通电磁气阀以及气泵供电。

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