CN115056875A - 一种蚯蚓仿生机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种蚯蚓仿生机器人。蚯蚓仿生机器人包括形成躯干的中部以及形成头部与尾部的两个端部，两个端部通过介于二者之间的中部进行装配；中部用以进行轴向伸缩运动，端部用以进行径向膨胀与收缩运动；端部包括柔性套和用于使得柔性套膨胀与收缩的驱动机构，驱动机构包括中空状的固定壳体、套环和外周表面具有第一凸轮槽的凸轮体；中部包括支撑壳体、凸轮轴、中轴、连接在中轴两端的连接铰链、连接套以及可产生轴向伸缩配合的两个中壳。本发明可以交替实现头部和尾部的径向膨胀与收缩运动以及中部的轴向伸缩运动，从而实现爬行，具有体积小、适用性好的优点。

Description

一种蚯蚓仿生机器人
技术领域
本发明属于机器人领域，具体涉及一种蚯蚓仿生机器人。
背景技术
管道机器人在如原油管道、天然气管道等在大型的管道内的结构安全检测有着较为频繁的运用。一般的管道机器人由移动机构部分、检测部分和控制部分组成。
传统的管道机器人以轮式、履带式为主，它们相应面临着体积庞大的问题。此外在非结构性的狭小场景领域，例如垂直度较大管道内或者自然环境非平整狭窄通道中，轮式、履带式的环境适应能力较差。
因此，需要对现有技术进行改进。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种体积小、适应性好的蚯蚓仿生机器人。
为了实现上述主要目的，本发明提供了一种蚯蚓仿生机器人，包括形成躯干的中部以及形成头部与尾部的两个端部，两个端部通过介于二者之间的中部进行装配；中部用以进行轴向伸缩运动，端部用以进行径向膨胀与收缩运动；
端部包括柔性套和用于使得柔性套膨胀与收缩的驱动机构；
驱动机构包括中空状的固定壳体、套环和外周表面具有第一凸轮槽的凸轮体；柔性套设置在固定壳体的外周；凸轮体转动设置在固定壳体内；固定壳体具有沿前后方向设置的一个或多个导向槽，套环具有向外凸出以与导向槽配合的导向凸起和向内凸出以与第一凸轮槽配合的第一滑动凸起；
导向凸起上设有用于挤压柔性套以使其产生径向形变的挤压部，凸轮体转动时能带动套环在导向槽内滑动，并通过挤压部挤压柔性套使其进行膨胀与收缩运动；
中部包括支撑壳体、凸轮轴、中轴、连接在中轴两端的连接铰链、连接套以及可产生轴向伸缩配合的两个中壳；
支撑壳体设置在头部的固定壳体上，支撑壳体内设有第二滑动凸起；凸轮轴的前端与凸轮体滑动配合，凸轮轴的后端设有与第二滑动凸起相适配的第二凸轮槽，以使得在凸轮体转动时凸轮轴产生轴向滑动；
中轴通过其中一个连接铰链与头部的凸轮轴相连接，中轴通过另外一个连接铰链与尾部的凸轮体相连接；其中中轴与其中一个中壳固定连接，并与另外一个中壳滑动连接以在中轴产生轴向运动时驱使两个中壳产生轴向伸缩；
两个中壳分别通过连接套与头部的支撑壳体、尾部的固定壳体相连接。
作为本发明的一种具体实施方案，凸轮体和固定壳体中的一个设有回转槽，凸轮体和固定壳体中的另一个设有回转凸台，以将凸轮体转动连接在固定壳体上。
作为本发明的一种具体实施方案，套环具有多个导向凸起，多个导向凸起沿周向方向阵列并分别滑动设置在不同的导向槽内。
作为本发明的一种具体实施方案，柔性套为硅胶套，挤压部与柔性套之间抵接或固定连接。
作为本发明的一种具体实施方案，凸轮体上设有沿前后方向设置的一个或多个滑槽，凸轮轴的前端设有与滑槽相配合的滑块，以使得凸轮轴在与凸轮体同步转动的过程中能产生轴向滑动。
作为本发明的一种具体实施方案，连接铰链为万向节。
作为本发明的一种具体实施方案，连接套为可产生形变的柔性材料制成的筒状套，以使得仿生机器人可以产生整体弯曲。
作为本发明的一种具体实施方案，两个中壳之间互相嵌套并通过键槽方式形成滑动配合连接。
作为本发明的一种具体实施方案，第一凸轮槽和第二凸轮槽是基于正弦加速度运动规律的螺旋槽。
作为本发明的一种具体实施方案，在头部或尾部的驱动机构中设置有驱动用的电机，电机设置在固定壳体上以驱动凸轮体进行转动。
本发明具备以下有益效果：
本发明可以交替实现头部和尾部的径向膨胀与收缩运动以及中部的轴向伸缩运动，从而实现爬行，具有体积小、适用性好的优点。
本发明还可以实现整体弯曲，满足在较大范围管径内的管道内进行爬行，尤其适用于弯曲管道内的自适应行进。
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1是本发明蚯蚓仿生机器人实施例1的结构示意图；
图2是本发明蚯蚓仿生机器人实施例1的分解图；
图3是本发明蚯蚓仿生机器人实施例1的剖面图；
图4是本发明蚯蚓仿生机器人实施例1的头部的内部图；
图5是本发明蚯蚓仿生机器人实施例1中柔性套的简化图；
图6是本发明蚯蚓仿生机器人实施例1中第一凸轮槽上从动件的运动轨迹图；
图7是本发明蚯蚓仿生机器人实施例1中第二凸轮槽上从动件的运动轨迹图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。
蚯蚓能够在泥土中的狭小缝隙中随意穿梭，通过观察发现，蚯蚓的移动有两个特点：一是蚯蚓躯干轴向的伸缩，帮助蚯蚓向前移动；二是蚯蚓躯干径向的膨胀与收缩。通过前端膨胀与四周土壤壁紧密相贴，同时躯干缩短；紧接着膨胀的前端收缩脱离土壤壁，躯干后端径向膨胀，躯干伸长，从而达到蚯蚓整体前进的运动。
实施例1
如图1-4所示，实施例1的蚯蚓仿生机器人，包括形成躯干E2的中部10以及形成头部E1与尾部E3的两个端部20，两个端部20通过介于二者之间的中部10进行装配；中部10用以进行轴向伸缩运动，端部20用以进行径向膨胀与收缩运动。具体的，头部E1和尾部E3的径向膨胀交替进行，并在头部E1膨胀的同时躯干E2缩短，尾部E3膨胀的同时躯干E2伸长，以进行整体的向前运动。
端部20包括柔性套21和用于使得柔性套21膨胀与收缩的驱动机构22，柔性套21优选为能够产生形变的硅胶套，以便于膨胀与收缩。
驱动机构22包括固定壳体221、凸轮体222和套环223。
固定壳体221呈中空状，柔性套21具体以包裹形成设置在固定壳体221的外周。具体的，固定壳体221具有沿前后方向设置的一个或多个导向槽2211，例如设置四个导向槽2211，四个导向槽2211沿周向均匀分布。
凸轮体222转动设置在固定壳体221内，如图3所示，凸轮体222和固定壳体221中的一个设有回转槽2221，凸轮体222和固定壳体221中的另一个设有回转凸台2212，以将凸轮体222转动连接在固定壳体221上。其中，凸轮体222的外周表面具有第一凸轮槽2222。
套环223设置在凸轮体222的外周，在套环223具有向内凸出以与第一凸轮槽2222配合的第一滑动凸起2231；并且，套环223具有向外凸出以与导向槽2211配合的导向凸起2232，导向凸起2232限制套环223只沿导向槽2211进行滑动；利用第一滑动凸起2231与第一凸轮槽2222之间的配合以及导向凸起2232与导向槽2211之间的配合，在凸轮体222转动时，套环223产生滑动。
进一步地，导向凸起2232上设有用于挤压柔性套21以使其产生径向形变的挤压部2233，凸轮体222转动时能带动套环223在导向槽2211内滑动，并通过挤压部2233挤压柔性套21使其进行膨胀与收缩运动。
如图5所示，柔性套21的膨胀收缩过程可以简化为一个RRRⅡ级杆组，其中A、B、C均代表转动副，其中C转动副所在的滑动块对应挤压部2233，随着挤压部2233的往复，对应的柔性套21受挤压与放松进行膨胀与收缩。具体的，挤压部2233与柔性套21之间可以是抵接，也可以是固定连接。
中部10包括支撑壳体11、凸轮轴12、中轴13、连接铰链14、连接套15和两个中壳16；本实施例中，头部E1和尾部E3的结构基本一致，下面以支撑壳体11连接在头部E1为例进行详细介绍。
支撑壳体11连接在固定壳体221上，优选的，支撑壳体11与固定壳体221可以预制为一体。其中，支撑壳体11内设有第二滑动凸起111。
具体的，凸轮轴12的前端与凸轮体222滑动配合；优选的，凸轮体222上设有沿前后方向设置的一个或多个滑槽2223，凸轮轴12的前端设有与滑槽2223相配合的滑块121，以使得凸轮轴12在与凸轮体222同步转动的过程中能产生轴向滑动。
再具体的，凸轮轴12的后端设有与第二滑动凸起111相适配的第二凸轮槽122，在凸轮体222转动时，利用第二滑动凸起111于第二凸轮槽122之间的配合以及滑块121与滑槽2223之间的配合，使得凸轮轴12产生轴向滑动。
中轴13的两端均设有连接铰链14，连接铰链14优选为万向节；中轴13通过其中一个连接铰链14与头部E1的凸轮轴12相连接，中轴13通过另外一个连接铰链14与尾部E3的凸轮体222相连接。
进一步地，两个中壳16之间可产生轴向伸缩配合，以适配凸轮轴12的轴向滑动。其中，中轴13与其中一个中壳16固定连接，并与另外一个中壳16滑动连接以在中轴13产生轴向运动时驱使两个中壳16产生轴向伸缩。
优选的，两个中壳16之间互相嵌套并通过键槽方式(见图2中的连接槽161、连接键162)形成滑动配合连接。
两个中壳16分别通过连接套15与头部E1的支撑壳体11、尾部E3的固定壳体221相连接，连接套15为可产生形变的柔性材料制成的筒状套，由于连接铰链14采用万向节这种进行弯曲的连接形式，则使得仿生机器人可以产生整体弯曲。
本实施例中，在头部E1的驱动机构22中设置有驱动用的电机224，电机224设置在固定壳体221上以驱动凸轮体222进行转动。具体的，电机224通过安装座225设置在固定壳体221上。在本发明的其他实施例中，还可以将电机224设置在尾部E3。
其中，凸轮体222、凸轮轴12、中轴13以及连接铰链14在轴线上互相连接以形成整体传动轴，仅通过单个电机作为动力，即可实现多部件的转动和滑动，实现头部E1和尾部E3的径向膨胀与收缩以及躯干E2的轴向伸缩。
本实施例中固定壳体221不参与旋转，具有良好的稳定性，因而可以与多种微型检测仪良好适配，例如，可以在头部E1前端搭配定位跟踪器探寻管道分布范围，以及使用微型相机实时影像观察管道环境状况，具有优异的实用性与可操作性。
本实施例中，第一凸轮槽2222和第二凸轮槽122是基于正弦加速度运动规律的螺旋槽。一种具体的设计方式以及对应位置角度如下：
第一凸轮槽
正弦加速度推程运动规律：
Figure BDA0003768154530000071
Figure BDA0003768154530000072
正弦加速度回程运动规律：
Figure BDA0003768154530000081
Figure BDA0003768154530000082
其中，推程角度Φ0＝90°；远休程角度Φs＝180°；回程角度Φ′0＝90°；无近休角度；具体如图6所示出的第一凸轮槽上从动件的运动轨迹图。
具体的，远休程位置对应头部和尾部膨胀状态，推、回程过程对应头部和尾部收缩阶段。而头部和尾部的膨胀收缩在同一时间段内交替进行。
第二凸轮槽
与第一凸轮槽的运动规律同理，采用加速度运动规律设计，如图7所示出的第二凸轮槽上从动件的运动轨迹图，其中推程角度Φ0＝120°；远休程角度Φs＝60°；回程角度Φ′0＝60°；近休角度Φ′0＝120°。
虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种蚯蚓仿生机器人，其特征在于：包括形成躯干的中部以及形成头部与尾部的两个端部，两个所述端部通过介于二者之间的所述中部进行装配；所述中部用以进行轴向伸缩运动，所述端部用以进行径向膨胀与收缩运动；
所述端部包括柔性套和用于使得所述柔性套膨胀与收缩的驱动机构；
所述驱动机构包括中空状的固定壳体、套环和外周表面具有第一凸轮槽的凸轮体；所述柔性套设置在所述固定壳体的外周；所述凸轮体转动设置在所述固定壳体内；所述固定壳体具有沿前后方向设置的一个或多个导向槽，所述套环具有向外凸出以与所述导向槽配合的导向凸起和向内凸出以与所述第一凸轮槽配合的第一滑动凸起；
所述导向凸起上设有用于挤压所述柔性套以使其产生径向形变的挤压部，所述凸轮体转动时能带动所述套环在所述导向槽内滑动，并通过所述挤压部挤压所述柔性套使其进行膨胀与收缩运动；
所述中部包括支撑壳体、凸轮轴、中轴、连接在所述中轴两端的连接铰链、连接套以及可产生轴向伸缩配合的两个中壳；
所述支撑壳体设置在所述头部的所述固定壳体上，所述支撑壳体内设有第二滑动凸起；所述凸轮轴的前端与所述凸轮体滑动配合，所述凸轮轴的后端设有与所述第二滑动凸起相适配的第二凸轮槽，以使得在所述凸轮体转动时所述凸轮轴产生轴向滑动；
所述中轴通过其中一个所述连接铰链与所述头部的所述凸轮轴相连接，所述中轴通过另外一个所述连接铰链与所述尾部的所述凸轮体相连接；其中所述中轴与其中一个所述中壳固定连接，并与另外一个所述中壳滑动连接以在所述中轴产生轴向运动时驱使两个所述中壳产生轴向伸缩；
两个所述中壳分别通过连接套与所述头部的支撑壳体、所述尾部的固定壳体相连接。
2.如权利要求1所述的蚯蚓仿生机器人，其特征在于：所述凸轮体和所述固定壳体中的一个设有回转槽，所述凸轮体和所述固定壳体中的另一个设有回转凸台，以将所述凸轮体转动连接在所述固定壳体上。
3.如权利要求1所述的蚯蚓仿生机器人，其特征在于：所述套环具有多个所述导向凸起，多个所述导向凸起沿周向方向阵列并分别滑动设置在不同的所述导向槽内。
4.如权利要求1所述的蚯蚓仿生机器人，其特征在于：所述柔性套为硅胶套，所述挤压部与所述柔性套之间抵接或固定连接。
5.如权利要求1所述的蚯蚓仿生机器人，其特征在于：所述凸轮体上设有沿前后方向设置的一个或多个滑槽，所述凸轮轴的前端设有与所述滑槽相配合的滑块，以使得所述凸轮轴在与所述凸轮体同步转动的过程中能产生轴向滑动。
6.如权利要求1所述的蚯蚓仿生机器人，其特征在于：所述连接铰链为万向节。
7.如权利要求6所述的蚯蚓仿生机器人，其特征在于：所述连接套为可产生形变的柔性材料制成的筒状套，以使得所述仿生机器人可以产生整体弯曲。
8.如权利要求1所述的蚯蚓仿生机器人，其特征在于：两个所述中壳之间互相嵌套并通过键槽方式形成滑动配合连接。
9.如权利要求1所述的蚯蚓仿生机器人，其特征在于：所述第一凸轮槽和所述第二凸轮槽是基于正弦加速度运动规律的螺旋槽。
10.如权利要求1所述的蚯蚓仿生机器人，其特征在于：在所述头部或所述尾部的所述驱动机构中设置有驱动用的电机，所述电机设置在所述固定壳体上以驱动所述凸轮体进行转动。
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