CN114643574A - 仿生蛇形机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生蛇形机器人，包括蛇头、蛇尾和多节蛇躯，还包括多个连接器和多种探测器，所述蛇头、多节蛇躯和蛇尾通过连接器依次固定连接，所述探测器设置在蛇头前端；本发明解决了目前的仿生蛇机器人不能完全实现蜿蜒式、履带式、伸缩式和蟹步式四种运动，以应对复杂多变环境探测任务的问题，具有结构简单，灵活度高和可控性好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域，具体涉及一种仿生蛇形机器人。
背景技术
人类虽然在思想上超出动物很多，但在许多适应特殊环境方面的能力却弱于某些动物。
比如蛇具备四种运动机能：第一，蜿蜒式运动，蛇通过有规律地缩放全身肌肉，使身体在地面上弯曲成波浪形，身体侧面不断施加压力在地面上，由地面的反作用力推动身体前进；第二，履带式运动，蛇通过有规律的收缩肋皮肌移动肋骨，带动腹鳞竖立，腹鳞的后缘施力于地面，靠反作用力把身体推向前方，这时蛇是直线爬行的；第三，伸缩式运动，此时蛇的身体前部尽力抬起前伸，接触到支持物体后，身体后部跟着缩向前去，如此交替伸缩，不断地向前爬行；第四，蟹步式运动，通常发生在沙漠地区，此时蛇头、身体尾部以及躯干的一部分接触地面，其余部分都悬空，蛇向前侧向运动时，沙子向后推压堆积起来，防止蛇滑动，还能增加向前的推动力。
仿生学研究能让生物的特殊技能为人类所用，比如仿生蛇，充分利用其多关节、多自由度，多冗余度等特点，可以完成多种运动姿态，以满足不同行业的需求：能够进行复杂环境下的搜救、侦查、监测、排爆等任务；航空航天领域可用其作为行星表面探测器、轨道卫星的柔性手臂；工业领域可用作多冗余度柔性机械手臂，管道机器人等。
中国专利授权公告号CN 110154009 B，公告日2020年9月15日，发明创造的名称为一种生物仿生蛇形机器人，公开了一种生物仿生蛇形机器人，其特征在于，包括头部支架(1)、支撑架(2)、推动机构(3)、偏转机构(4)、尾部支架(5)、运动身体(6)、拉伸钢丝绳(7)和动力机构(8)，所述支撑架(2)包括支撑环Ⅰ(2-1)、连接架(2-2)和球形体Ⅰ(2-3)，支撑环Ⅰ(2-1)固定连接在头部支架(1)上，支撑环Ⅰ(2-1)上固定连接有连接架(2-2)，连接架(2-2)上固定连接有球形体Ⅰ(2-3)；该发明专利所述的生物仿生蛇形机器人可以在平面内进行两个自由运动，并具备一定的越障能力，能适用于地震救援时在缝隙中进行穿行，并且可以适用于柔软地面的爬行。不足的是只能实现履带式和伸缩式两种运动。
发明内容
本发明的目的是提供一种仿生蛇形机器人，能实现蜿蜒式、履带式、伸缩式和蟹步式四种运动，以应对复杂多变环境的探测任务。
为了实现上述目的，本发明设计出一种仿生蛇形机器人，包括蛇头、蛇尾和多节蛇躯，还包括多个连接器和多种探测器，所述蛇头、多节蛇躯和蛇尾通过连接器依次固定连接，所述探测器设置在蛇头前端。
进一步地，所述的蛇头包括弧形底支腿架、多个舵机、多个收线盘、多根牵引线、连接器接口和阻力片，所述舵机固定安装在弧形底支腿架前部，并与收线盘通过花键同轴线固定连接，所述牵引线的一端缠绕在收线盘内，另一端通过多个连接器和多节蛇躯后与蛇尾固定连接，所述阻力片固定安装在弧形底支腿架支腿底部后侧，且超出底部一段长度；所述蛇尾的结构和连接方式与蛇头相同。
进一步地，所述的蛇躯包括伸缩弹簧、多片肋骨和多片阻力片，所述肋骨包括弧形底骨架、两个弹簧穿插孔、孔圈、转线盘和多个通孔，所述两个弹簧穿插孔依螺旋状设置在所述弧形底骨架上部两侧面，所述孔圈处于两个弹簧穿插孔包围区域内，所述转线盘与孔圈通过轴承滚动连接，所述多个通孔对称设置在转线盘上，所述牵引线从通孔内穿过并带动转线盘转动，所述阻力片固定在弧形底骨架底部后侧，且超出底部一段长度，所述伸缩弹簧依次穿过多片肋骨的弹簧穿插孔后保持固定。
进一步地，所述的连接器包括弧形底支腿架、舵机、主动轮、从动轮、含孔转线盘、蛇躯固定筒和阻力片，所述舵机和主动轮固定安装在弧形底支腿架上，所述舵机与所述主动轮通过花键同轴线固定连接，所述含孔转线盘与从动轮同轴固定连接，并与设置在弧形底支腿架后端的蛇躯固定筒通过轴承滚动连接，所述牵引线从含孔转线盘的孔内穿过，所述阻力片固定在弧形底支腿架支腿底部后侧，且超出底部一段长度。
进一步地，所述的阻力片为橡胶片。
进一步地，所述的牵引线为尼龙线或皮革线。
进一步地，所述的探测器为摄像头、红外热成像传感器、压力传感器、光学传感器、加速度传感器或它们的组合。
本发明仿生蛇形机器人具有以下有益效果：
1.所述阻力片与各支腿架和肋骨骨架的弧形底构成“腹鳞”结构，使得仿生蛇形机器人前后运动时摩擦异性，阻力片不仅能起到“锚定”作用，而且可实现蛇躯“只能向前，不能退后”的效果；
2.所述设置在蛇头和蛇尾的四根牵引线的部分或全部收线与放线会产生“左弯”、“右弯”、“抬升”、“弓起”、“齐缩”和“齐伸”六种动作，简单的线控就能产生六种变形，为仿生蛇形机器人实现蜿蜒式、履带式、伸缩式和蟹步式四种运动提供了必要的动作要素；
3.所述每节蛇躯两端连接器中的舵机同时转动相同角度，四根牵引线依然能保持平行，相邻两节蛇躯的不同转动可形成0°～180°的方位差，这种位控方式为仿生蛇形机器人实现蜿蜒式、履带式、伸缩式和蟹步式四种运动提供了必要的姿态要素；
4.所述蛇躯肋骨的弹簧穿插孔和转线盘结构既能使蛇躯保持径向固定，又能使蛇躯在轴向灵活伸缩，这种设计方式为仿生蛇形机器人实现蜿蜒式、履带式、伸缩式和蟹步式四种运动提供了可靠的联动保障。
附图说明
图1是本发明仿生蛇形机器人的结构示意图；
图2是本发明仿生蛇形机器人蛇头的结构示意图；
图3是本发明仿生蛇形机器人蛇尾的结构示意图；
图4是本发明仿生蛇形机器人蛇躯的结构示意图；
图5是本发明仿生蛇形机器人蛇躯肋骨的结构示意图；
图6是本发明仿生蛇形机器人蛇躯连接器的结构示意图。
图中技术特征分别为蛇头1，蛇尾2，蛇躯3，连接器4，探测器5，弧形底支腿架1-1、2-1，舵机1-2、2-2，收线盘1-3、2-3，牵引线1-4、2-4，连接器接口1-5、2-5，阻力片1-6、2-6，伸缩弹簧3-1，肋骨3-2，阻力片3-3，弧形底骨架3-2-1，弹簧穿插孔3-2-2，孔圈3-2-3，转线盘3-2-4，通孔3-2-5，弧形底支腿架4-1，舵机4-2，主动轮4-3，从动轮4-4，含孔转线盘4-5，蛇躯固定筒4-6，阻力片4-7。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
在本发明的描述中,需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”和“竖着”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是直接连接，亦可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中,除非另有说明，“多个”、“多条”、“多根”、“多节”、“多种”的含义是两个或两个以上。
实施例1：
如图1至图6所示，一种仿生蛇形机器人，包括蛇头1、蛇尾2和多节蛇躯3，还包括多个连接器4和多种探测器5，所述蛇头1、多节蛇躯3和蛇尾2通过连接器4依次固定连接，所述探测器5设置在蛇头1前端。
所述蛇头1包括弧形底支腿架1-1、多个舵机1-2、多个收线盘1-3、多根牵引线1-4、连接器接口1-5和阻力片1-6，所述舵机1-2固定安装在弧形底支腿架1-1前部，并与收线盘1-3通过花键同轴线固定连接，所述牵引线1-4的一端缠绕在收线盘1-3内，另一端通过多个连接器4和多节蛇躯3后与蛇尾2固定连接，所述阻力片1-6固定安装在弧形底支腿架1-1支腿底部后侧，且超出底部一段长度；所述蛇尾2的结构和连接方式与蛇头1相同。
所述蛇躯3包括伸缩弹簧3-1、多片肋骨3-2和多片阻力片3-3，所述肋骨3-2包括弧形底骨架3-2-1、两个弹簧穿插孔3-2-2、孔圈3-2-3、转线盘3-2-4和多个通孔3-2-5，所述两个弹簧穿插孔3-2-2依螺旋状设置在所述弧形底骨架3-2-1上部两侧面，所述孔圈3-2-3处于两个弹簧穿插孔3-2-2包围区域内，所述转线盘3-2-4与孔圈3-2-3通过轴承滚动连接，所述多个通孔3-2-5对称设置在转线盘上，所述牵引线1-4从通孔3-2-5内穿过并带动转线盘转动，所述阻力片3-3固定在弧形底骨架3-2-1底部后侧，且超出底部一段长度，所述伸缩弹簧3-1依次穿过多片肋骨3-2的弹簧穿插孔3-2-2后保持固定。
所述连接器4包括弧形底支腿架4-1、舵机4-2、主动轮4-3、从动轮4-4、含孔转线盘4-5、蛇躯固定筒4-6和阻力片4-7，所述舵机4-2和主动轮4-3固定安装在弧形底支腿架4-1上，所述舵机4-2与所述主动轮4-3通过花键同轴线固定连接，所述含孔转线盘4-5与从动轮4-4同轴固定连接，并与设置在弧形底支腿架4-1后端的蛇躯固定筒4-6通过轴承滚动连接，所述牵引线1-4和2-4从含孔转线盘4-5的孔内穿过，所述阻力片4-7固定在弧形底支腿架4-1支腿底部后侧，且超出底部一段长度。
实施例2：
一种仿生蛇形机器人，结构如实施例1所述，其不同之处在于：所述阻力片1-6、2-6、3-3和4-7都为橡胶片。
实施例3：
一种仿生蛇形机器人，结构如实施例1所述，其不同之处在于：所述牵引线1-4为尼龙线或皮革线。
实施例4：
一种仿生蛇形机器人，结构如实施例1、实施例2和实施例3之一所述，其不同之处在于：所述探测器5为摄像头、红外热成像传感器、压力传感器、光学传感器、加速度传感器或它们的组合。
本发明仿生蛇形机器人的工作原理为：
所述各支腿架和肋骨骨架的弧形底和相应的阻力片构成“腹鳞”结构，仿生蛇形机器人向前移动时，阻力片往后翻，此时弧形底为运动摩擦面，阻力小，运动便利；而仿生蛇形机器人欲后退时，“鳞片”阻力片翻边遮挡住弧形面，此时摩擦面变为阻力片，阻力大，一方面产生“锚定”作用，另一方面致使仿生蛇形机器人无法向后移动，实现蛇躯“只能向前，不能退后”的效果。
为便于阐述，以仿生蛇形机器人前进方向，按顺时针把连接所述蛇头1和蛇尾2的四根牵引线1-4和2-4从上左线、上右线、下右线和下左线分别命名为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ线，舵机1-2和2-2正、反转分别控制收线盘1-3和2-3收线、放线，当Ⅰ和Ⅳ收线时，蛇躯3会产生“左弯”动作；Ⅱ和Ⅲ收线时，蛇躯3会产生“右弯”动作；Ⅰ和Ⅱ线收线时，蛇躯3会产生“抬升”动作；Ⅲ和Ⅳ线收线时，蛇躯3会产生“弓起”动作；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ线同时收线时，蛇躯3会产生“齐缩”动作；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ线同时放线时，蛇躯3会产生“齐伸”动作，这六种变形为仿生蛇形机器人实现蜿蜒式、履带式、伸缩式和蟹步式四种运动提供动作要素。
所述每节蛇躯3两端都安装有连接器4，当两端连接器4内的舵机4-2同时带动主动轮4-3旋转，驱动与从动轮4-4同轴的含孔转线盘4-5转动，且转角相同时，牵引线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ线的位置虽然变了，但依然保持平行，若此时第一节蛇躯转动180°，第二节蛇躯保持不转，两节蛇躯中牵引线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ线的位态会相差180°，这种方位差控制为仿生蛇形机器人实现蜿蜒式、履带式、伸缩式和蟹步式四种运动提供姿态要素。
蜿蜒式运动适用于较为开阔的粗糙地面地形，此时，驱动连接器4内的舵机4-2使第一节蛇躯和第二节蛇躯牵引线的位态相差180°，同时，驱动蛇头舵机1-2和蛇尾舵机2-2，二节蛇躯分别产生“左弯”和“右弯”动作，此时蛇整体会呈“S”型或波浪型，借助阻力片的锚定作用，仿生蛇形机器人会持续扭动前进。
履带式运动适用于空间狭窄的直线地形，充分利用“腹鳞”结构前后运动的摩擦异性，先驱动蛇头舵机1-2和蛇尾舵机2-2使仿生蛇形机器人产生“齐缩”动作，动作结束后蛇躯3的伸缩弹簧3-1因弹性而回形，阻力片工作，遮挡住各支架和肋骨骨架的弧形底，使蛇躯后端锚定，四根牵引线同时放线时，蛇躯3会产生“齐伸”动作，前端被推动向前，如此交替反复完成履带式运动。
伸缩式运动适用于越障地形，驱动蛇头舵机1-2和蛇尾舵机2-2使仿生蛇形机器人产生“抬升”动作，接触到高位支撑物体后，依次执行“齐缩”和“齐伸”动作，如此交替伸缩，不断地向高地爬行。
蟹步式运动适用于沙地，此时，驱动蛇头舵机1-2和蛇尾舵机2-2以及第一节蛇躯两端连接器4内的舵机4-2使蛇头1和第一节蛇躯接触地面呈“C”型，第二节蛇躯和蛇尾2接触地面呈反“C”型，整体俯视仿生蛇形机器人呈“S”型，两节蛇躯的牵引线位态相差180°，第一节蛇躯两端连接器4内的舵机4-2向右转动，第一节蛇躯先“弓起”再继续往右侧移动，待第一节蛇躯在右侧着地后，整体俯视仿生蛇形机器人呈反“C”型，此时两节蛇躯的牵引线位态相差0°，借助阻力片的锚定作用，整体向右移动一定距离，驱动第二节蛇躯两端连接器4内的舵机4-2向右转动，使第二节蛇躯接触地面呈“C”型，第一节蛇躯接触地面呈反“C”型，整体俯视仿生蛇形机器人呈反“S”型，此时两节蛇躯的牵引线位态相差180°，借助阻力片的锚定作用，整体向右移动一定距离，如此往复，即可完成蟹步式运动。
以上所述，实际方式仅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，在不脱离本发明技术的精神的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (4)
1.一种仿生蛇形机器人，包括蛇头、蛇尾和多节蛇躯，其特征在于：还包括多个连接器和多种探测器，所述蛇头、多节蛇躯和蛇尾通过连接器依次固定连接，所述探测器设置在蛇头前端；
所述蛇头包括弧形底支腿架、多个舵机、多个收线盘、多根牵引线、连接器接口和阻力片，所述舵机固定安装在弧形底支腿架前部，并与收线盘通过花键同轴线固定连接，所述牵引线的一端缠绕在收线盘内，另一端通过多个连接器和多节蛇躯后与蛇尾固定连接，所述阻力片固定安装在弧形底支腿架支腿底部后侧，且超出底部一段长度；所述蛇尾的结构和连接方式与蛇头相同；
所述蛇躯包括伸缩弹簧、多片肋骨和多片阻力片，所述肋骨包括弧形底骨架、两个弹簧穿插孔、孔圈、转线盘和多个通孔，所述两个弹簧穿插孔依螺旋状设置在所述弧形底骨架上部两侧面，所述孔圈处于两个弹簧穿插孔包围区域内，所述转线盘与孔圈通过轴承滚动连接，所述多个通孔对称设置在转线盘上，所述牵引线从通孔内穿过并带动转线盘转动，所述阻力片固定在弧形底骨架底部后侧，且超出底部一段长度，所述伸缩弹簧依次穿过多片肋骨的弹簧穿插孔后保持固定；
所述连接器包括弧形底支腿架、舵机、主动轮、从动轮、含孔转线盘、蛇躯固定筒和阻力片，所述舵机和主动轮固定安装在弧形底支腿架上，所述舵机与所述主动轮通过花键同轴线固定连接，所述含孔转线盘与从动轮同轴固定连接，并与设置在弧形底支腿架后端的蛇躯固定筒通过轴承滚动连接，所述牵引线从含孔转线盘的孔内穿过，所述阻力片固定在弧形底支腿架支腿底部后侧，且超出底部一段长度。
2.根据权利要求1所述的仿生蛇形机器人，其特征在于：所述阻力片为橡胶片。
3.根据权利要求1所述的仿生蛇形机器人，其特征在于：所述牵引线为尼龙线或皮革线。
4.根据权利要求1～3之一所述的仿生蛇形机器人，其特征在于：所述探测器为摄像头、红外热成像传感器、压力传感器、光学传感器、加速度传感器或它们的组合。
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