CN114800468A - 可重构的主动轮式关节模块及其主动轮式蛇形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可重构的主动轮式关节模块以及主动轮式蛇形机器人，其包括主动关节单元以及设置于主动关节单元前后两端的纵向关节单元和横向关节单元，纵向关节单元设于主动关节单元的前端，且纵向关节单元中关节连接板凹槽卡合于主动关节单元的主动仓体连接板上，横向关节单元设于主动关节单元的后端，且横向关节单元中的仓体连接板卡合于主动关节单元的主动仓体连接凹槽上。本发明各个模块之间能够灵活便捷地组装和拆卸，同时在主动轮上亦能设置螺桨，能够根据环境需求灵活地安装和卸掉主动轮，进而能够形成适用于不同复杂地形的蛇形机器人，具有密封性好、可重构性和环境适应性高的优点。

Description

可重构的主动轮式关节模块及其主动轮式蛇形机器人

技术领域

本发明属于蛇形机器人技术领域，特别涉及一种可重构的主动轮式关节模块及其主动轮式蛇形机器人。

背景技术

地形适应性强等特点，在许多领域中具有广泛的应用场景，如在恶劣的战场环境执行作战、保障、侦察、巡逻等各种任务，地震、火灾或塌方后的废墟中搜寻，核电站辐射检测、桥梁缆索侵蚀检查、管道探伤等。蛇形机器人的避障越障能力是提高其环境适应能力的关键，为提高避障越障能力在一些关节结构上可进行优化和改进。

现有的蛇形机器人的关节结构大部分采用无轮式关节或者从轮式关节，这些机器人可具有一定的避障和越障能力，能够避开和越过一些障碍块，但其遇到台阶、凹沟、泥地、草地等特殊障碍环境时，关节若被障碍卡住或者关节的接触摩擦力较小时容易失去运动能力，导致无法顺利通过障碍。而主动轮式的蛇形机器人在无轮式或从轮式的基础上加装主动轮以提高运动所需的驱动，这些机器人的避障越障能够感知障碍物实现自主攀越障碍，适应于崎岖坚硬的地形环境中，例如倒塌建筑物的碎石，也能够攀越楼梯、洞口、管道等，但这些蛇形机器人的但机构设计复杂，控制难度较大，并且可重构性低。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可重构的主动轮式关节模块以及主动轮式蛇形机器人，头部模块与首端主动轮式关节模块之间、多个主动轮式关节模块之间以及尾端主动轮式关节模块与尾部模块之间均采用凹槽和凸块插接的方式，各个模块之间能够灵活便捷地组装和拆卸，具有可重构性高的优点，同时在主动轮上设置有螺桨，能够根据环境需求灵活地安装和卸掉主动轮，进而能够形成无轮式蛇形机器人、主动轮式蛇形机器人以及主动螺桨式蛇形机器人，有利于应用于复杂地形或水下等特殊环境中，其具有结构简单，密封性好，安全可靠，可重构性和环境适应性高等优点。

本发明采用的技术方案是一种可重构的主动轮式关节模块，其包括主动关节单元以及设置于所述主动关节单元前后两端的纵向关节单元和横向关节单元，所述主动关节单元包括主动仓体、主动舵机、上主动滚轮、下主动滚轮、第一链条组件、第二链条组件、主动轮和主动仓体盖板，所述主动仓体的前端设有主动仓体连接板，且所述主动仓体的后端设有主动仓体连接凹槽，所述主动仓体中设有所述主动舵机，且所述主动舵机与所述主动仓体固定连接，所述主动仓体的上端和下端分别设有上主动轮轴和下主动轮轴，且所述上主动滚轮和下主动滚轮分别通过第一轴套设于所述上主动轮轴和下主动轮轴上，所述主动仓体的第一侧设有所述第一链条组件，且所述第一链条组件包括驱动链轮、第一上链轮、第一链条和第一下链轮，所述驱动链轮与所述主动舵机的输出轴连接，且所述第一上链轮通过第二轴套设于所述上主动轮轴的第一端，所述第一下链轮通过第二轴套设于所述下主动轮轴的第一端，且所述驱动链轮通过所述第一链条与所述第一上链轮以及第一下链轮传动连接，所述主动仓体的第二侧设有所述第二链条组件，且所述第二链条组件包括第二上链轮、第二链条和第二下链轮，所述第二上链轮通过第二轴套设于所述上主动轮轴的第二端，所述第二下链轮通过第二轴套设于所述下主动轮轴的第二端，且所述第二上链轮通过所述第二链条与所述第二下链轮传动连接，所述主动轮分别设于所述上主动轮轴以及下主动轮轴的第一端和第二端，且所述主动仓体盖板盖合于所述主动仓体上；所述纵向关节单元设于所述主动关节单元的前端，且所述纵向关节单元中关节连接板凹槽通过连接件固定于所述主动关节单元的主动仓体连接板上，所述横向关节单元设于所述主动关节单元的后端，且所述纵向关节单元中第一舵机输出轴的中心轴线垂直于所述横向关节单元中第一舵机输出轴的中心轴线，所述横向关节单元中的仓体连接板通过连接件固定于所述主动关节单元的主动仓体连接凹槽上。

进一步地，所述纵向关节单元和横向关节单元均包括旋转关节和连接关节，所述旋转关节包括第一仓体、第一仓体盖板和第一舵机，所述第一仓体的前端设有仓体连接板，且所述第一仓体中设有所述第一舵机，所述第一仓体盖板盖合于所述第一仓体上，且所述第一舵机的左右两侧分别与所述第一仓体及所述第一仓体盖板固定连接，所述旋转关节的后端转动设有所述连接关节，且所述连接关节包括对称设于所述旋转关节两侧的左连接关节板和右连接关节板，所述左连接关节板的前端通过左法兰盘与所述第一舵机的第一输出轴连接，所述右连接关节板的前端通过右法兰盘与所述第一舵机的第二输出轴连接，且所述左连接关节板和右连接关节板的后端均设有关节连接板，且所述关节连接板的各侧面均设有关节连接板凹槽。

优选地，所述左法兰盘设于所述第一仓体上的第一通孔处，且所述第一舵机的第一输出轴与所述左法兰盘中间处的轴孔连接，所述右法兰盘设于所述第一仓体盖板上的第二通孔处，且所述第一舵机中第二输出轴上的输出齿轮与所述右法兰盘中间处的齿轮孔通过轮齿啮合传动连接。

优选地，所述第一舵机呈长方体结构，所述第一舵机相对的两个侧面分别设有所述第一输出轴和第二输出轴，且所述第二输出轴上设有输出齿轮。

优选地，所述左连接关节板以及右连接关节板中的关节连接板上均设有关节连接孔，且所述主动仓体连接板的各侧面均设有第一连接孔，所述连接件穿过所述关节连接孔以及第一连接孔，将所述纵向关节单元中的左连接关节板以及右连接关节板与所述主动仓体连接板固定连接。

优选地，所述仓体连接板的各侧面均设有仓体连接孔，且所述主动仓体连接凹槽的侧面设有第二连接孔，所述连接件穿过所述第二连接孔以及仓体连接孔，将所述主动仓体与所述横向关节单元中的第一仓体固定连接。

优选地，所述上主动滚轮和下主动滚轮的外侧弧面上均设有滚轮外圈，且所述主动轮的外侧弧面上设有主动轮外圈。

进一步地，所述主动轮上设置螺桨，且所述螺桨包括螺桨架和桨叶，所述螺桨架与所述主动轮固定连接，且所述螺桨架上设有所述桨叶。

本发明的第二方面，提供一种应用了前述可重构的主动轮式关节模块的主动轮式蛇形机器人，其包括多个所述主动轮式关节模块及设置于所述首尾两端主动轮式关节模块上的头部模块和尾部模块，所述头部模块包括第一外壳、第二外壳、开发板、IMU传感器、左连接板、右连接板和距离传感器单元，所述第一外壳扣合于所述第二外壳上且与所述第二外壳共同组成第二仓体，所述开发板设于所述第二仓体中，且所述IMU传感器设于所述第二仓体的上端，所述距离传感器单元设于所述第二仓体的前端，所述左连接板和右连接板对称设于所述第二仓体后端的两侧，且所述左连接板以及右连接板的前端分别与所述第一外壳以及第二外壳固定连接，所述左连接板以及右连接板的后端均设有连接侧板，且所述连接侧板的各侧面均设有连接侧板凹槽，所述尾部模块包括尾部仓体、锂电池和尾部仓体盖板，所述尾部仓体的前端设有尾部仓体连接板，且所述尾部仓体中设有所述锂电池，所述尾部仓体盖板盖合于所述尾部仓体上；所述多个主动轮式关节模块首尾连接，所述头部模块设于所述多个主动轮式关节模块的首端，且所述头部模块中的连接侧板凹槽通过连接件固定于所述首端主动轮式关节模块中的主动仓体连接板上，所述尾部模块设于所述多个主动轮式关节模块的尾端，且所述尾部模块中的尾部仓体连接板通过连接件固定于所述尾端主动轮式关节模块中的主动仓体连接凹槽上。

进一步地，所述距离传感器单元包括距离传感器和支撑板，所述支撑板与所述第一外壳以及第二外壳的前端固定连接，且所述支撑板上对称设有两个距离传感器固定件，所述距离传感器固定件的左侧、前端以及右侧均设有所述距离传感器。

本发明的特点和有益效果是：

1、本发明提供的可重构的主动轮式关节模块以及主动轮式蛇形机器人，主动仓体的前端设有主动仓体连接板，且主动仓体的后端设有主动仓体连接凹槽，通过凹槽和凸块插接的方式，将纵向关节单元和横向关节单元分别设于主动关节单元的两端，共同组成主动轮式关节模块，使关节模块在完成转动的同时，主动轮能够驱动关节模块前进或后退，从而大大提高了关节模块的运动能力，可作为水下环境或者复杂地形环境的进行三维运动的推进装置。

2、本发明提供的可重构的主动轮式关节模块以及主动轮式蛇形机器人，头部模块与首端主动轮式关节模块之间、多个主动轮式关节模块之间以及尾端主动轮式关节模块与尾部模块之间均采用凹槽和凸块插接的方式，各个模块之间能够灵活便捷地组装和拆卸，具有可重构性高的优点，同时还能够在连接位置处加装橡胶密封片，使得各个模块具有防水和防尘的功能，并且主动轮还可根据功能需求加装选用不同的螺桨结构，如为增大水下驱动力选用十字形螺浆、为减轻螺浆重量选用一字形螺浆，为越过障碍块选用勾形螺浆等，也可根据实际需要设计其它螺桨结构，并将其安装于主动轮模块中，实现关节模块的可重构化。

3、本发明提供的可重构的主动轮式关节模块以及主动轮式蛇形机器人，采用采用串行总线舵机作为驱动装置，使得正交关节模块以及蛇形机器人在控制方面具有硬件资源占用少、精度高、易使用的优点，同时舵机的数据线和电源线能够在各模块内进行连接，简化了接线的复杂度，起到保护电源线和信号线的作用，有利于防尘、防水功能的实现，并且结构更加紧凑。

4、本发明提供的可重构的主动轮式关节模块以及主动轮式蛇形机器人，能够通过距离传感器和IMU传感器采集蛇形机器人周围环境数据和自身姿态数据，并搭建ROS软件系统进行对舵机进行反馈控制，并通过SSH协议与远程操控计算机连接，从而实现蛇形机器人的自主运动控制以及远程GUI界面实时控制。

5、本发明提供的可重构的主动轮式关节模块以及主动轮式蛇形机器人，在主动轮上亦能设置螺桨，能够根据环境需求灵活地安装和卸掉主动轮，进而能够形成无轮式蛇形机器人、主动轮式蛇形机器人以及主动螺桨式蛇形机器人，同时为满足特定工作需求，主动轮式关节模块能够根据使用环境的不同增加或减少，能很好地应用于复杂地形或水下等特殊环境中，其具有结构简单，密封性好，安全可靠，可重构性和环境适应性高等优点。

附图说明

图1是本发明可重构的主动轮式关节模块的整体结构示意图；

图2是本发明主动关节单元的整体结构示意图；

图3是本发明主动关节单元的爆炸结构示意图；

图4是本发明主动关节单元的主动仓体结构示意图；

图5是本发明纵向关节单元或横向关节单元的整体结构示意图；

图6是本发明第一舵机结构示意图；

图7是本发明主动轮式关节模块设置有第一类螺桨的示意图；

图8是本发明主动轮式关节模块设置有第二类螺桨的示意图；

图9是本发明主动轮式关节模块设置有第三类螺桨的示意图；

图10是本发明主动轮式蛇形机器人的整体结构示意图；

图11是本发明主动轮式蛇形机器人的头部模块结构示意图；

图12是本发明头部模块的爆炸结构示意图；

图13是本发明距离传感器单元的结构示意图；

图14是本发明尾部模块结构示意图；

图15是本发明蛇形机器人设置有第一类螺桨螺桨的示意图。

主要附图标记：

纵向关节单元1；横向关节单元2；旋转关节11；第一仓体111；仓体连接板1111；仓体连接孔11111；第一仓体盖板112；第一舵机113；第一输出轴1131；第二输出轴1132；输出齿轮1133；左法兰盘114；右法兰盘115；连接关节12；左连接关节板121；关节连接板1211；关节连接孔12111；关节连接板凹槽1212；右连接关节板122；头部模块4；第一外壳41；第二外壳42；开发板43；IMU传感器44；左连接板45；连接侧板451；连接侧板凹槽4511；右连接板46；距离传感器单元47；距离传感器471；支撑板472；距离传感器固定件473；第二仓体48；尾部模块5；尾部仓体51；尾部仓体连接板511；锂电池52；尾部仓体盖板53；主动关节单元6；主动仓体61；主动仓体连接板611；第一连接孔6111；主动仓体连接凹槽612；第二连接孔6121；主动舵机62；上主动滚轮63；滚轮外圈631；下主动滚轮64；第一链条组件65；驱动链轮651；第一上链轮652；第一链条653；第一下链轮654；第一轴套655；第二链条组件66；第二上链轮661；第二链条662；第二下链轮663；第二轴套664；主动轮67；主动轮外圈671；螺桨672；螺桨架6721；桨叶6722；主动仓体盖板68；上主动轮轴69；下主动轮轴610；主动轮式关节模块7。

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。

本发明提供一种可重构的主动轮式关节模块，如图1～图4所示，其包括主动关节单元6以及设置于主动关节单元6前后两端的纵向关节单元1和横向关节单元2，主动关节单元6包括主动仓体61、主动舵机62、上主动滚轮63、下主动滚轮64、第一链条组件65、第二链条组件66、主动轮67和主动仓体盖板68，主动仓体61的前端设有主动仓体连接板611，且主动仓体61的后端设有主动仓体连接凹槽612，主动仓体61中设有主动舵机62，且主动舵机62与主动仓体61固定连接，主动仓体61的上端和下端分别设有上主动轮轴69和下主动轮轴610，且上主动滚轮63和下主动滚轮64分别通过第一轴套655设于上主动轮轴69和下主动轮轴610上，第一轴套655的第一端面与主动仓体61的支撑凸台的侧面接触，且第一轴套655的第二端面与上主动滚轮63或下主动滚轮64的侧面接触，从而限制了上主动滚轮63和下主动滚轮64分别沿上主动轮轴69和下主动轮轴610轴向方向的移动，主动仓体61的第一侧设有第一链条组件65，且第一链条组件65包括驱动链轮651、第一上链轮652、第一链条653和第一下链轮654，驱动链轮651与主动舵机62的输出轴连接，且第一上链轮652通过第二轴套664设于上主动轮轴69的第一端，第二轴套664的第一端面与主动仓体61的支撑凸台的侧面接触，第二轴套664的第二端面与第一上链轮652的侧面接触，从而限制了第一上链轮652沿上主动轮轴69轴向方向的移动，第一下链轮654通过第二轴套664设于下主动轮轴610的第一端，第二轴套664的第一端面与主动仓体61的支撑凸台的侧面接触，第二轴套664的第二端面与第一下链轮654的侧面接触，从而限制了第一下链轮654沿下主动轮轴610轴向方向的移动，且驱动链轮651通过第一链条653与第一上链轮652以及第一下链轮654传动连接，主动仓体61的第二侧设有第二链条组件66，且第二链条组件66包括第二上链轮661、第二链条662和第二下链轮663，第二上链轮661通过第二轴套664设于上主动轮轴69的第二端，第二轴套664的第一端面与主动仓体61的支撑凸台的侧面接触，第二轴套664的第二端面与第二上链轮661的侧面接触，从而限制了第二上链轮661沿上主动轮轴69轴向方向的移动，第二下链轮663通过第二轴套664设于下主动轮轴610的第二端，第二轴套664的第一端面与主动仓体61的支撑凸台的侧面接触，第二轴套664的第二端面与第二下链轮663的侧面接触，从而限制了第二下链轮663沿下主动轮轴610轴向方向的移动，且第二上链轮661通过第二链条662与第二下链轮663传动连接，主动轮67分别设于上主动轮轴69以及下主动轮轴610的第一端和第二端，且主动仓体盖板68盖合于主动仓体61上。启动主动舵机62带动驱动链轮651转动，进而通过链轮链条传动带动第一上链轮652以及第一下链轮654转动，从而带动上主动轮轴69以及下主动轮轴610转动，进而将运动传递至上主动滚轮63和下主动滚轮64上，继而带动第二链条组件66转动，以实现主动轮67的旋转运动。

在一种优选方式中，上主动滚轮63和下主动滚轮64的外侧弧面上均设有滚轮外圈631，且主动轮67的外侧弧面上设有主动轮外圈671。

如图1～图4所示，纵向关节单元1设于主动关节单元6的前端，且纵向关节单元1中关节连接板凹槽1212通过连接件固定于主动关节单元6的主动仓体连接板611上，横向关节单元2设于主动关节单元6的后端，且纵向关节单元1中第一舵机113输出轴的中心轴线垂直于横向关节单元2中第一舵机113输出轴的中心轴线，横向关节单元2中的仓体连接板1111通过连接件固定于主动关节单元6的主动仓体连接凹槽612上，且纵向关节单元1、主动关节单元6以及横向关节单元2共同组成主动轮式关节模块。

在一种优选方式中，左连接关节板121以及右连接关节板122中的关节连接板1211上均设有关节连接孔12111，且主动仓体连接板611的各侧面均设有第一连接孔6111，连接件穿过关节连接孔12111以及第一连接孔6111，将纵向关节单元1中的左连接关节板121以及右连接关节板122与主动仓体连接板611固定连接。

在一种优选方式中，仓体连接板1111的各侧面均设有仓体连接孔11111，且主动仓体连接凹槽612的侧面设有第二连接孔6121，连接件穿过第二连接孔6121以及仓体连接孔11111，将主动仓体61与横向关节单元2中的第一仓体111固定连接。

如图5和图6所示，纵向关节单元1和横向关节单元2均包括旋转关节11和连接关节12，旋转关节11包括第一仓体111、第一仓体盖板112和第一舵机113，第一仓体111的前端设有仓体连接板1111，且第一仓体111中设有第一舵机113，第一仓体盖板112盖合于第一仓体111上，且第一舵机113的左右两侧分别与第一仓体111及第一仓体盖板112固定连接，旋转关节11的后端转动设有连接关节12，且连接关节12包括对称设于旋转关节11两侧的左连接关节板121和右连接关节板122，左连接关节板121的前端通过左法兰盘114与第一舵机113的第一输出轴1131连接，右连接关节板122的前端通过右法兰盘115与第一舵机113的第二输出轴1132连接，且左连接关节板121和右连接关节板122的后端均设有关节连接板1211，且关节连接板1211的各侧面均设有关节连接板凹槽1212。

如图5所示，左法兰盘114设于第一仓体111上的第一通孔1112处，且第一舵机113的第一输出轴1131与左法兰盘114中间处的轴孔连接，右法兰盘115设于第一仓体盖板112上的第二通孔1121处，且第一舵机113中第二输出轴1132上的输出齿轮1133与右法兰盘115中间处的齿轮孔通过轮齿啮合传动连接，第一舵机113能够通过轮齿啮合传动带动右法兰盘115转动，继而带动连接关节12绕第一舵机113的第二输出轴1132转动。

如图6所示，第一舵机113呈长方体结构，第一舵机113相对的两个侧面分别设有第一输出轴1131和第二输出轴1132，且第二输出轴1132上设有输出齿轮1133。

如图7～9所示，主动轮67上亦能设置螺桨672，且所述螺桨包括螺桨架6721和桨叶6722，螺桨架6721与主动轮67固定连接，且螺桨架6721上设有桨叶2672。

本发明的另一方面提供一种主动轮式蛇形机器人，如图10所示，其包括多个主动轮式关节模块7及设置于首尾两端主动轮式关节模块7上的头部模块4和尾部模块5。

如图11～图12所示，头部模块包括第一外壳41、第二外壳42、开发板43、IMU传感器44、左连接板45、右连接板46和距离传感器单元47，第一外壳41扣合于第二外壳42上且与第二外壳42共同组成第二仓体48，开发板43设于第二仓体48中，且IMU传感器44设于第二仓体48的上端，距离传感器单元47设于第二仓体48的前端，左连接板45和右连接板46对称设于第二仓体48后端的两侧，且左连接板45以及右连接板46的前端分别与第一外壳41以及第二外壳42固定连接，左连接板45以及右连接板46的后端均设有连接侧板451，且连接侧板451的各侧面均设有连接侧板凹槽4511。

如图13所示，距离传感器单元47包括距离传感器471和支撑板472，支撑板472与第一外壳41以及第二外壳42的前端固定连接，且支撑板472上对称设有两个距离传感器固定件473，距离传感器固定件473的左侧、前端以及右侧均设有距离传感器471。

如图14所示，尾部模块5包括尾部仓体51、锂电池52和尾部仓体盖板53，尾部仓体51的前端设有尾部仓体连接板511，且尾部仓体51中设有锂电池52，尾部仓体盖板53盖合于尾部仓体51上；

如图15所示，多个主动轮式关节模块7首尾连接，头部模块4设于多个主动轮式关节模块7的首端，且头部模块4中的连接侧板凹槽4511通过连接件固定于首端主动轮式关节模块7中的主动仓体连接板611上，尾部模块5设于多个主动轮式关节模块7的尾端，且尾部模块5中的尾部仓体连接板511通过连接件固定于尾端主动轮式关节模块7中的主动仓体连接凹槽612上。

本发明的具体操作步骤如下：

实施例1

在本实施例中，本发明的一种可重构的主动轮式关节模块，如图1～图8所示，首先控制主动关节单元6的主动舵机62回转，通过输出齿轮与驱动链轮651啮合传动，驱动链轮651与第一链条653链连接，第一链条653与第一上链轮652和第一下链轮654链连接形成第一链条组件65，第一上链轮652和第一下链轮654与上主动轮轴69和下主动轮轴610过盈配合，主动舵机62能够带动上主动轮轴69和下主动轮轴610转动；上主动轮轴69和下主动轮轴610又分别与第二上链轮661和第二下链轮662过盈配合，第二上链轮661和第二下链轮662和第二链条662形成第二链条组件66，主动舵机62能够带动第二上链轮661和第二下链轮66转动；由于主动滚轮64和主动轮67与上主动轮轴69和下主动轮轴610过盈连接，从而主动舵机62能够带动主动滚轮64和主动轮67旋转。

实施例2

在本实施例中，本发明的一种可重构的主动轮式关节模块，如图1～图8所示，控制第一关节单元1中的第一舵机113回转，通过输出齿轮1133与右法兰盘115啮合传动，右法兰盘115与右连接关节板122固定连接，从而带动连接关节12绕旋转关节11做偏航方向的转动，同时第一关节单元1与主动关节单元6固定连接，进而主动关节单元6可实现偏航方向的转动；控制第二关节单元2中的第一舵机113回转，通过输出齿轮1133与右法兰盘115啮合传动，右法兰盘115与右连接关节板122固定连接，从而带动连接关节12绕旋转关节11做俯仰方向的转动，同时第二关节单元1与下一个主动关节单元6固定连接，进而可带动下一个主动关节单元6实现俯仰方向的转动，进而实现主动轮式关节模块俯仰方向或者偏航方向的转动。

实施例3

在本实施例中，本发明的一种主动轮式蛇形机器人，如图10和图15所示，首先多个主动轮式关节模块首尾连接，通过各模块中的第一舵机113带动正交关节模块3实现俯仰和偏航方向的旋转运动，主动舵机62带动主动滚轮64和主动轮67旋转，并且连接蛇形机器人的头部模块4和尾部模块5，可形成多自由度并带有主动轮驱动的三维运动步态。当蛇形机器人的控制偏航方向的第一舵机113工作，控制俯仰方向的第一舵机113保持零初始位置，主动舵机62处于非工作状态，并且相邻偏航关节的舵机工作角度以Serpenoid曲线方程输出时，可形成蜿蜒运动；相反，当只有蛇形机器人的控制俯仰方向的第一舵机113以Serpenoid曲线方程的信号输出进行工作时，可形成行波运动；当蛇形机器人的控制偏航方向和俯仰方向的第一舵机113同时工作，当舵机工作角度的幅值、频率和相位关系不同时，主动舵机62处于非工作状态，可形成翻滚、侧向蜿蜒、螺旋滚动等运动形式，有利于实现蛇形机器人在台阶、石块和草地等复杂障碍环境中顺利避开或越过；当蛇形机器人的控制偏航和俯仰方向的第一舵机113都处于零初始状态，主动舵机62处于工作状态时，可实现直线运动，有利于通过狭窄的通道；当蛇形机器人的控制偏航方向的第一舵机113处于零初始状态，控制偏航的第一舵机113和主动舵机62都处于工作状态时，蛇形机器人可根据环境的特点调整二维运动轨迹，有利于通过复杂的狭窄弯道、U形墙壁等；当蛇形机器人的控制偏航和俯仰方向的第一舵机113和主动舵机62都处于工作状态时，蛇形机器人在实现翻滚、侧向蜿蜒、螺旋滚动等运动形式基础上，可通过主动轮67和主动滚轮64提供前进的驱动力，有利于其在关节若被障碍卡住或者关节的接触摩擦力较小时，仍然可通过主动轮67和主动滚轮64越过障碍或利用其与接触面的摩擦力前进，而且蛇形机器人在水下作业时，主动轮67也可连接螺桨增加驱动力，从而使蛇形机器人在水中顺利完成三维运动。

实施例4

在本实施例中，本发明的一种主动轮式蛇形机器人，如图11和图14所示，头部模块4以及尾部模块5连接有主动关节单元6，通过主动舵机62带动主动轮67和主动滚轮64旋转，进而带动头部模块4以及尾部模块5前进或后退，并且主动轮67和主动滚轮64可支撑稳定头部模块4以及尾部模块5。

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 (10)

1.一种可重构的主动轮式关节模块，其特征在于，其包括主动关节单元以及设置于所述主动关节单元前后两端处的纵向关节单元和横向关节单元，

所述主动关节单元包括主动仓体、主动舵机、上主动滚轮、下主动滚轮、第一链条组件、第二链条组件和主动轮，所述主动仓体的前端设有主动仓体连接板，且所述主动仓体的后端设有主动仓体连接凹槽，所述主动仓体中设有所述主动舵机，且所述主动舵机与所述主动仓体固定连接，所述主动仓体的上端和下端分别设有上主动轮轴和下主动轮轴，且所述上主动滚轮和下主动滚轮分别通过第一轴套设于所述上主动轮轴和下主动轮轴上，所述主动仓体的第一侧设有所述第一链条组件，且所述第一链条组件包括驱动链轮、第一上链轮、第一链条和第一下链轮，所述驱动链轮与所述主动舵机的输出轴连接，且所述第一上链轮通过第二轴套设于所述上主动轮轴的第一端，所述第一下链轮通过第二轴套设于所述下主动轮轴的第一端，且所述驱动链轮通过所述第一链条与所述第一上链轮以及第一下链轮传动连接，所述主动仓体的第二侧设有所述第二链条组件，且所述第二链条组件包括第二上链轮、第二链条和第二下链轮，所述第二上链轮通过第二轴套设于所述上主动轮轴的第二端，所述第二下链轮通过第二轴套设于所述下主动轮轴的第二端，且所述第二上链轮通过所述第二链条与所述第二下链轮传动连接，所述主动轮分别设于所述上主动轮轴以及下主动轮轴的第一端和第二端；

所述纵向关节单元设于所述主动关节单元的前端，且所述纵向关节单元中关节连接板凹槽通过连接件固定于所述主动关节单元的主动仓体连接板上，所述横向关节单元设于所述主动关节单元的后端，且所述纵向关节单元中第一舵机输出轴的中心轴线垂直于所述横向关节单元中第一舵机输出轴的中心轴线，所述横向关节单元中的仓体连接板通过连接件固定于所述主动关节单元的主动仓体连接凹槽上。

2.根据权利要求1所述的可重构的主动轮式关节模块，其特征在于，所述纵向关节单元和横向关节单元均包括旋转关节和连接关节，所述旋转关节包括第一仓体、第一仓体盖板和第一舵机，所述第一仓体的前端设有仓体连接板，且所述第一仓体中设有所述第一舵机，所述第一仓体盖板盖合于所述第一仓体上，且所述第一舵机的左右两侧分别与所述第一仓体及所述第一仓体盖板固定连接，所述旋转关节的后端转动设有所述连接关节，且所述连接关节包括对称设于所述旋转关节两侧的左连接关节板和右连接关节板，所述左连接关节板的前端通过左法兰盘与所述第一舵机的第一输出轴连接，所述右连接关节板的前端通过右法兰盘与所述第一舵机的第二输出轴连接，且所述左连接关节板和右连接关节板的后端均设有关节连接板，且所述关节连接板的各侧面均设有关节连接板凹槽。

3.根据权利要求2所述的可重构的主动轮式关节模块，其特征在于，所述左法兰盘设于所述第一仓体上的第一通孔处，且所述第一舵机的第一输出轴与所述左法兰盘中间处的轴孔连接，所述右法兰盘设于所述第一仓体盖板上的第二通孔处，且所述第一舵机中第二输出轴上的输出齿轮与所述右法兰盘中间处的齿轮孔通过轮齿啮合传动连接。

4.根据权利要求3所述的可重构的主动轮式关节模块，其特征在于，所述第一舵机呈长方体结构，所述第一舵机相对的两个侧面分别设有所述第一输出轴和第二输出轴，且所述第二输出轴上设有输出齿轮。

5.根据权利要求4所述的可重构的主动轮式关节模块，其特征在于，所述左连接关节板以及右连接关节板中的关节连接板上均设有关节连接孔，且所述主动仓体连接板的各侧面均设有第一连接孔，连接件穿过所述关节连接孔以及第一连接孔，将所述纵向关节单元中的左连接关节板以及右连接关节板与所述主动仓体连接板固定连接。

6.根据权利要求4所述的可重构的主动轮式关节模块，其特征在于，所述仓体连接板的各侧面均设有仓体连接孔，且所述主动仓体连接凹槽的侧面设有第二连接孔，连接件穿过所述第二连接孔以及仓体连接孔，将所述主动仓体与所述横向关节单元中的第一仓体固定连接。

7.根据权利要求1所述的可重构的主动轮式关节模块，其特征在于，所述上主动滚轮和下主动滚轮的外侧弧面上均设有滚轮外圈，且所述主动轮的外侧弧面上设有主动轮外圈。

8.根据权利要求1所述的可重构的主动轮式关节模块，其特征在于，所述主动轮上设有螺桨，且所述螺桨包括螺桨架和桨叶，所述螺桨架与所述主动轮固定连接，且所述螺桨架上设有所述桨叶。

9.一种包含权利要求1至8中任一项所述可重构的主动轮式关节模块的主动轮式蛇形机器人，其特征在于，其包括多个所述主动轮式关节模块及设置于首尾两端主动轮式关节模块上的头部模块和尾部模块，

所述头部模块包括第一外壳、第二外壳、开发板、IMU传感器、左连接板、右连接板和距离传感器单元，所述第一外壳扣合于所述第二外壳上且与所述第二外壳共同组成第二仓体，所述开发板设于所述第二仓体中，且所述IMU传感器设于所述第二仓体的上端，所述距离传感器单元设于所述第二仓体的前端，所述左连接板和右连接板对称设于所述第二仓体后端的两侧，且所述左连接板以及右连接板的前端分别与所述第一外壳以及第二外壳固定连接，所述左连接板以及右连接板的后端均设有连接侧板，且所述连接侧板的各侧面均设有连接侧板凹槽，所述尾部模块包括尾部仓体、锂电池和尾部仓体盖板，所述尾部仓体的前端设有尾部仓体连接板，且所述尾部仓体中设有所述锂电池，所述尾部仓体盖板盖合于所述尾部仓体上；

多个主动轮式关节模块首尾连接，所述头部模块设于所述多个主动轮式关节模块的首端，且所述头部模块中的连接侧板凹槽通过连接件固定于首端主动轮式关节模块中的主动仓体连接板上，所述尾部模块设于所述多个主动轮式关节模块的尾端，且所述尾部模块中的尾部仓体连接板通过连接件固定于尾端主动轮式关节模块中的主动仓体连接凹槽上。

10.根据权利要求9所述的主动轮式蛇形机器人，其特征在于，所述距离传感器单元包括距离传感器和支撑板，所述支撑板与所述第一外壳以及第二外壳的前端固定连接，且所述支撑板上对称设有两个距离传感器固定件，所述距离传感器固定件的左侧、前端以及右侧均设有距离传感器。

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