CN115488866A - 一种自适应多功能蛇形机器人 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种自适应多功能蛇形机器人，包括多个蛇身单元、一个头部装置、一个尾部装置和电源模块；多个蛇身单元彼此连接形成蛇身；头部装置和尾部装置分别连接在蛇身的头部和尾部；蛇身单元包括可变径装置和关节装置；可变径装置和关节装置固定连接；可变径装置包括伸缩机构，伸缩机构连接在相邻两个关节装置之间，用于驱动蛇身的伸缩；关节装置包括舵机和齿轮传动机构，舵机与齿轮传动机构连接，齿轮传动机构连接在相邻两个可变径装置之间，用于驱动关节之间的俯仰和偏航动作；电源模块连接在蛇身上，用于提供动力源。本申请提高了蛇形机器人的运动效率和运行稳定性。
Description
技术领域
本申请涉及机器人技术领域，尤其涉及一种自适应多功能蛇形机器人。
背景技术
蛇形机器人由于特殊的模块结构和运动形式，可以在不同环境下灵活的调整自身运动模态以适应复杂环境，并且能够搭载多功能工具包模块和丰富的传感系统。蛇形机器人不仅能够进入复杂危险的作业场合，而且可以通过搭载的多功能工具包模块完成相应的工况检测以及维修作业等任务。因而具有一定的行业需求和社会价值。目前已有的蛇形机器人机构，大多基于蛇形的传统运动步态进行设计，从而在一定程度上限制了蛇形机器人的运动速度以及控制灵活性。随着仿生学与机器人学等学科的融合发展，蛇形机器人在躯干结构和实现功能上得到了迅速发展，各国现已研制的先进的蛇形机器人不仅具备生物蛇的运动能力，而且实现了生物蛇不具有的运动形式，这些特殊的蛇形运动在许多应用领域已经开展了相应的测试与试验。蛇形机器人大多将固定轮装配在蛇体周身边缘来提高蛇形机器人的蜿蜒运动效率，例如专利号为200810229974.1的水陆两栖蛇形机器人，专利号为201210564904.8的可伸缩轮式蛇形机器人，专利号为201610140174.7的多模态刚柔复合蛇形机器人，这些设计仅对传统的蛇形机器人运动起到了辅助作用，未能有效的通过狭窄的非结构特殊空间环境。
目前，蛇形机器人存在以下缺陷：在运动模态方面，蛇形机器人大多基于传统的蛇形运动形式，其运动效率低且运动步态单一，蛇形机器人在复杂的非结构环境条件下运行稳定性差；在实现功能方面，蛇形机器人主要针对单一工况下的单一工作任务，当蛇形机器人面对未知环境下的未知任务，难以完成集探测与维修一体化的多功能任务。
因此，目前亟需解决的技术问题是：如何提高蛇形机器人的环境适应能力、运动效率和运行稳定性。
发明内容
本申请的目的在于提供一种自适应多功能蛇形机器人，提高了蛇形机器人的环境适应能力、运动效率和运行稳定性。
为达到上述目的，本申请提供一种自适应多功能蛇形机器人，包括多个蛇身单元、一个头部装置、一个尾部装置和电源模块；多个所述蛇身单元彼此连接形成蛇身；所述头部装置和所述尾部装置分别连接在所述蛇身的头部和尾部；所述蛇身单元包括可变径装置和关节装置；所述可变径装置和所述关节装置固定连接；所述可变径装置包括伸缩机构，所述伸缩机构连接在相邻两个所述关节装置之间，用于驱动蛇身的伸缩；所述关节装置包括舵机和齿轮传动机构，所述舵机与所述齿轮传动机构连接，所述齿轮传动机构连接在相邻两个所述可变径装置之间，用于驱动关节之间的俯仰和偏航动作；所述电源模块连接在所述蛇身上，用于提供动力源。
如上的，其中，所述头部装置包括温度传感模块、湿度传感模块和/或距离传感模块；所述尾部装置包括温度传感模块、湿度传感模块和/或距离传感模块。
如上的，其中，所述可变径装置还包括多个自适应平衡机构、多个支撑架、第一内侧固定板和第二内侧固定板；
所述第一内侧固定板和所述第二内侧固定板均为圆盘状；
所述第一内侧固定板和所述第二内侧固定板平行设置在所述伸缩机构的两端；
多个所述支撑架的两端分别与所述第一内侧固定板和所述第二内侧固定板固定连接，且多个所述支撑架沿着所述第一内侧固定板的圆周方向均匀间隔开设置；
所述多个自适应平衡机构分别连接在多个所述支撑架上。
如上的，其中，所述伸缩机构包括凹形齿条轨道、凸形齿条、齿轮、驱动舵机和舵机固定架；
所述凹形齿条轨道具有滑槽，所述凸形齿条沿着所述凹形齿条轨道的长度方向滑移连接在所述滑槽内；
所述凹形齿条轨道的一端与所述第一内侧固定板垂直固定连接；所述凹形齿条轨道的另一端伸出有所述凸形齿条；
所述凸形齿条远离所述第一内侧固定板的一端与所述第二内侧固定板固定连接；
所述舵机固定架与所述凹形齿条轨道固定连接；
所述驱动舵机固定连接在所述舵机固定架上；
所述齿轮与所述驱动舵机的输出端连接，且所述齿轮与所述凸形齿条啮合连接，所述驱动舵机驱动所述齿轮转动，所述齿轮带动所述凸形齿条沿所述凹形齿条轨道滑动。
如上的，其中，所述自适应平衡机构包括平衡轮、平衡支架、T形支架、支撑弹簧和力传感器模块；
所述T形支架连接在所述支撑架上；
所述平衡支架中部连接在所述T形支架的端部；
所述平衡支架的两端分别通过两个所述支撑弹簧与所述T形支架连接；
所述力传感器模块连接在所述支撑弹簧与所述T形支架之间；
所述平衡轮连接在所述平衡支架的两端。
如上的，其中，所述支撑架包括第一支撑杆和第二支撑杆，所述第一支撑杆和所述第二支撑杆之间固定连接所述T形支架；
所述第一支撑杆远离所述T形支架的一端与所述第一内侧固定板固定连接；
所述第二支撑杆远离所述T形支架的一端与所述第二内侧固定板固定连接。
如上的，其中，所述第一支撑杆沿所述第一内侧固定板的边缘向外倾斜设置，且所述第一支撑杆朝向所述第二支撑杆倾斜；所述第二支撑杆沿所述第二内侧固定板的边缘向外倾斜设置，且所述第二支撑杆朝向所述第一支撑杆倾斜。
如上的，其中，所述关节装置包括第一齿轮支架、第一舵机、第一齿轮传动机构、第二齿轮支架、第二舵机和第二齿轮传动机构；
所述第一舵机和所述第一齿轮传动机构设置在所述第一齿轮支架内；所述第一舵机和所述第一齿轮传动机构连接；
所述第二舵机和所述第二齿轮传动机构设置在所述第二齿轮支架内；所述第二舵机和所述第二齿轮传动机构连接；
所述第一齿轮传动机构和所述第二齿轮传动机构通过十字轴传动连接；
所述第一齿轮支架和所述第二齿轮支架与所述可变径装置固定连接。
如上的，其中，所述第一齿轮传动机构垂直于所述第二齿轮传动机构设置。
如上的，其中，所述凹形齿条轨道的内侧开设有卡槽，所述凸形齿条的两侧边缘沿其长度方向设有凸条块，所述凸条块卡入所述卡槽内，并滑动连接在所述卡槽内。
本申请实现的有益效果如下：
(1)本申请头部装置和尾部装置包括多种传感装置，多种传感装置的多传感信号耦合，大大提高了蛇形机器人对周围所处环境的感知程度和自身状态检测的能力，控制方式采用反馈控制策略，优化了蛇形机器人在路径规划与定点作业的可靠性。根据头部装置和尾部装置实时反馈的环境信息进行适应性步态切换，提高蛇形机器人的环境适应能力。
(2)本申请通过自适应平衡机构与地面接触，平衡轮在地面滚动，通过平衡轮使蛇身单元具有更高的运动效率，利用自适应平衡机构提高了蛇形机器人运动的稳定性和适应性。
(3)本申请采用2-DOF(两个自由度)关节装置驱动与可变径装置驱动相结合的驱动形式，2-DOF(自由度)关节装置驱动实现了蛇形机器人的蜿蜒和侧行等蛇形运动形式，可变径装置中的伸缩机构通过不断收缩，从而产生蛇身与地面的摩擦力，作为蛇形机器人直线蠕动的推进力来源，提高了蛇形机器人运动的多样性。在多个串联连接的可变径装置节律性交替伸缩运动，并与地面的相互作用下，实现蛇形机器人的直线蠕动运动。通过多个关节装置的相互作用实现蛇形机器人多种运动步态，多样化的运动形式与多功能传感检测模块相结合，大大提高了蛇形机器人在复杂工况条件下的适应能力和作业能力。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例的一种自适应多功能蛇形机器人的结构示意图。
图2为本申请实施例的头部装置的结构示意图。
图3为本申请实施例的蛇身单元的结构示意图。
图4为本申请实施例的可变径装置的结构示意图。
图5为本申请实施例的伸缩机构的结构示意图。
图6为本申请实施例的舵机固定架的结构示意图。
图7为本申请实施例的自适应平衡机构的结构示意图。
图8为本申请实施例的关节装置的结构示意图。
图9为本申请实施例的舵机支架的结构示意图。
图10为本申请实施例的连接架的结构示意图。
图11为本申请实施例的第一齿轮传动机构与第二齿轮传动机构的连接结构示意图。
图12为本申请实施例的第二舵机与第二齿轮传动机构的连接结构示意图。
图13为本申请实施例的十字轴结构示意图。
图14为本申请实施例的关节装置的内部结构示意图。
图15为本申请实施例的蛇形机器人的通讯示意图。
图16为本申请实施例的蛇形机器人的控制过程示意图。
附图标记：1-头部装置；2-可变径装置；3-关节装置；4-尾部装置；11-防尘外壳；12-照明系统；13-无线通讯模块；14-距离测量模块；15-控制器；16-图像采集系统；17-固定底板；21-伸缩机构；22-自适应平衡机构；23-支撑架；24-第一内侧固定板；25-第二内侧固定板；26-第一外侧固定板；27-第二外侧固定板；31-第一齿轮支架；32-第一舵机；33-第一齿轮传动机构；34-第二齿轮支架；35-第二舵机；36-第二齿轮传动机构；37-舵机支架；38-连接架；39-十字轴；211-凹形齿条轨道；212-凸形齿条；213-舵机固定架；214-驱动舵机；215-齿轮；216-轨道固定连接部；217-齿条固定连接部；218-滑槽；221-T形支架；222-平衡轮；223-平衡支架；224-支撑弹簧；225-力传感器模块；226-枢转轴；231-第一支撑杆；232-第二支撑杆；331-主动轮；332-第一从动轮；333-第二从动轮；334-齿轮轴；351-舵机耳板；371-固定连接板；372-舵机支撑架；373-舵机连接板；381-侧板；382-舵机支架连接板；391-竖轴；392-横轴；2111-卡槽；2121-凸条块；2131-固定板；2132-横架；2133-竖架；2211-横杆；2212-纵杆。
具体实施方式
下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1所示，本申请提供一种自适应多功能蛇形机器人，包括多个蛇身单元、一个头部装置1、一个尾部装置4和电源模块；多个蛇身单元彼此连接形成蛇身；蛇身长度根据工况需求改变蛇身所包含的蛇身单元个数进行调整，头部装置1和尾部装置4分别连接在蛇身的头部和尾部；蛇身单元包括可变径装置2和关节装置3；可变径装置2和关节装置3通过固定板(开设有螺栓孔)和螺栓固定连接；可变径装置2包括伸缩机构21，伸缩机构21连接在相邻两个关节装置3之间，用于驱动蛇身的伸缩；关节装置3包括舵机和齿轮传动机构，舵机与齿轮传动机构连接，齿轮传动机构连接在相邻两个可变径装置2之间，用于驱动关节之间的俯仰和偏航动作；电源模块连接在蛇身上，用于提供动力源。本申请的可变径装置2和关节装置3使得蛇形机器人具有蜿蜒、直线、侧向等多种运动步态，同时可以根据头部装置1和尾部装置4实时反馈的环境信息进行适应性步态切换。蛇形机器人配备了各种功能模块和传感系统，不仅利用反馈控制策略实时感知周围环境变化来调整为高效的运动步态实现了自主适应未知的非结构环境，各种功能模块实现了多任务工作需求。
作为本发明的一个具体实施例，头部装置1包括温度传感模块、湿度传感模块和/或距离传感模块；尾部装置4包括温度传感模块、湿度传感模块和/或距离传感模块，温度传感模块用于检测环境温度，湿度传感模块用于检测环境湿度，距离传感模块用于检测机器人与物体的距离。
如图2所示，头部装置1包括防尘外壳11、照明系统12、无线通讯模块13、距离测量模块14、控制器15、图像采集系统16和固定底板17；固定底板17固定在可变径装置2的端部，照明系统12、无线通讯模块13、距离测量模块14、控制器15和图像采集系统16均固定在固定底板17上，防尘外壳11为半球装壳体，防尘外壳11盖设在照明系统12、无线通讯模块13、距离测量模块14、控制器15和图像采集系统16的外侧，并与固定底板17固定连接。照明系统12、无线通讯模块13、距离测量模块14和图像采集系统16均与控制器15电连接。控制器15控制照明系统12、无线通讯模块13、距离测量模块14和图像采集系统16启用。防尘外壳11为透明材质制成，照明系统12为照明灯，照明灯可透过防尘外壳11照明，图像采集系统16为摄像机，摄像机可透过防尘外壳11采集图像；距离测量模块14为距离传感器，距离传感器可透过防尘外壳11测距。尾部装置4与头部装置1的结构相同。
如图3和4所示，可变径装置2还包括多个自适应平衡机构22、多个支撑架23、第一内侧固定板24和第二内侧固定板25；第一内侧固定板24和第二内侧固定板25均为圆盘状；第一内侧固定板24和第二内侧固定板25平行设置在伸缩机构21的两端；伸缩机构21伸缩后改变第一内侧固定板24和第二内侧固定板25之间的具体，多个支撑架23的两端分别与第一内侧固定板24和第二内侧固定板25固定连接，且多个支撑架23沿着第一内侧固定板24的圆周方向均匀间隔开设置；多个自适应平衡机构22分别连接在多个支撑架23上。
如图3和4所示，第一内侧固定板24和第二内侧固定板25的外侧分别固定连接有第一外侧固定板26和第二外侧固定板27；第一外侧固定板26通过螺栓平行间隔开固定连接在第一内侧固定板24的旁侧；第二外侧固定板27间隔开固定连接在第二内侧固定板25的旁侧。第一外侧固定板26和第二外侧固定板27均用于固定连接关节装置3。
优选的，电源模块固定连接在第一内侧固定板24和第一外侧固定板26之间，以及第二内侧固定板25与第二外侧固定板27之间，用于为关节装置3和可变径装置2提供动力源。
如图5所示，伸缩机构21包括凹形齿条轨道211、凸形齿条212、齿轮215、驱动舵机214和舵机固定架213；凹形齿条轨道211具有滑槽；凸形齿条212沿着凹形齿条轨道211的长度方向滑移连接在滑槽218内；凹形齿条轨道211的一端通过轨道固定连接部216与第一内侧固定板24垂直固定连接；凹形齿条轨道211的另一端伸出有凸形齿条212；凸形齿条212远离第一内侧固定板24的一端通过齿条固定连接部217与第二内侧固定板25固定连接；舵机固定架213通过螺栓与凹形齿条轨道211固定连接；驱动舵机214通过螺栓固定连接在舵机固定架213上；齿轮215与驱动舵机214的输出端连接，且齿轮215与凸形齿条212啮合连接，驱动舵机214驱动齿轮215转动，齿轮215带动凸形齿条212沿凹形齿条轨道211滑动。利用驱动舵机214的正向或反向转动来驱动凸形齿条212往复运动，完成伸缩动作，从而使可变径装置2实现尺寸的轴向伸缩和横向缩放运动。
优选的，轨道固定连接部216和齿条固定连接部217均为螺栓连接件，凹形齿条轨道211的侧部伸出有螺栓，螺栓穿过第一内侧固定板24的螺栓孔，然后通过螺栓螺纹连接在螺栓上，防止螺栓从螺栓孔内脱出，从而实现凹形齿条轨道211的侧部与第一内侧固定板24固定连接。凸形齿条212通过齿条固定连接部217与第二内侧固定板25的固定连接方式与凹形齿条轨道211通过轨道固定连接部216与第一内侧固定板24的固定连接方式相同。
如图5所示，凹形齿条轨道211的内侧开设有卡槽2111，凸形齿条212的两侧边缘沿其长度方向设有凸条块2121，凸条块2121卡入卡槽2111内，并滑动连接在卡槽2111内，从而避免凸形齿条212发生脱轨。
如图6所示，舵机固定架213包括固定板2131、横架2132和竖架2133，固定板2131用于固定连接在凹形齿条轨道211的侧部，横架2132垂直固定连接在固定板2131上，且横架2132设置在凹形齿条轨道211上方，竖架2133固定连接在横架2132远离固定板2131的一端，竖架2133用于连接驱动舵机214，驱动舵机214通过螺栓固定连接在竖架2133上，且位于横架2132和凹形齿条轨道211之间。
如图7所示，自适应平衡机构22包括平衡轮222、平衡支架223、T形支架221、支撑弹簧224和力传感器模块225；T形支架221连接在支撑架23上；平衡支架223中部通过枢转轴226转动连接在T形支架221的端部；平衡支架223的两端分别通过两个支撑弹簧224与T形支架221连接；力传感器模块225连接在支撑弹簧224与T形支架221之间，支撑弹簧224处于拉伸状态，力传感器模块225用于检测支撑弹簧224的弹力大小；平衡轮222连接在平衡支架223的两端。靠近地面的自适应平衡机构22与地面接触，平衡轮222在地面滚动，通过平衡轮222使蛇身单元具有更高的运动效率，利用自适应平衡机构22提高了蛇形机器人运动的稳定性和适应性。在多个串联连接的可变径装置2节律性交替伸缩运动，并与地面的相互作用下，实现蛇形机器人的直线蠕动运动。
如图4所示，支撑架23包括第一支撑杆231和第二支撑杆232，第一支撑杆231和第二支撑杆232之间连接T形支架221；第一支撑杆231远离T形支架221的一端与第一内侧固定板24转动连接；第二支撑杆232远离T形支架221的一端与第二内侧固定板25转动连接。
如图4所示，第一支撑杆231沿第一内侧固定板24的边缘向外倾斜设置，且第一支撑杆231朝向第二支撑杆232倾斜；第二支撑杆232沿第二内侧固定板25的边缘向外倾斜设置，且第二支撑杆232朝向第一支撑杆231倾斜。
如图4所示，凸形齿条212在凹形齿条轨道211上滑动后，凸形齿条212带动第二内侧固定板25向靠近或远离第一内侧固定板24的方向移动，进而使得第二外侧固定板27向靠近或远离第一外侧固定板26的方向移动，第二内侧固定板25和第一内侧固定板24之间的距离改变后，使得第一支撑杆231和第二支撑杆232的倾斜角度发生改变，进而改变自适应平衡机构22与伸缩机构21之间的距离，伸缩机构21反复伸缩，带动第一支撑杆231和第二支撑杆232的倾斜角度由大到小反复变化，进而使得自适应平衡机构22与伸缩机构21之间的距离由大到小反复变化，并通过平衡轮222与地面接触，实现蠕动。
如图7所示，T形支架221包括：横杆2211和纵杆2212；横杆2211的一端与第一支撑杆231转动连接，另一端与第二支撑杆232转动连接；纵杆2212的底端垂直固定连接在横杆2211的中间部位；纵杆2212设置在横杆2211远离伸缩机构21的一端，纵杆2212远离横杆2211的一端与平衡支架223连接，平衡支架223的两端分别连接一个平衡轮222，支撑弹簧224包括两个，两个支撑弹簧224分别连接在横杆2211的两端，且平行设置在纵杆2212的两侧，支撑弹簧224的一端与平衡支架223连接，另一端与横杆2211连接。
如图8所示，关节装置3包括第一齿轮支架31、第一舵机32、第一齿轮传动机构33、第二齿轮支架34、第二舵机35和第二齿轮传动机构36；第一舵机32和第一齿轮传动机构33设置在第一齿轮支架31内；第一舵机32和第一齿轮传动机构33连接；第二舵机35和第二齿轮传动机构36设置在第二齿轮支架34内；第二舵机35和第二齿轮传动机构36连接；第一齿轮传动机构33和第二齿轮传动机构36通过十字轴39传动连接；第一齿轮支架31和第二齿轮支架34与可变径装置2固定连接。第一齿轮传动机构33垂直于第二齿轮传动机构36设置。关节装置3通过采用两舵机驱动齿轮传动机构实现蛇形机器人关节之间的俯仰和偏航动作，通过多个关节装置3的相互作用实现蛇形机器人多种运动步态。
如图8所示，第一舵机32通过舵机支架37和连接架38固定连接在第一齿轮支架31内；第二舵机35通过通过舵机支架37和连接架38固定连接在第二齿轮支架34内。第二齿轮支架34用于与第二外侧固定板27固定连接；第一齿轮支架31用于与第一外侧固定板26固定连接，进而实现将关节装置3连接在相邻两个可变径装置之间。
如图8-10和14所示，连接架38包括两个，两个连接架38分别固定在第二齿轮支架34和第一齿轮支架31内，舵机支架37包括两个，两个舵机支架37分别固定在第二齿轮支架34和第一齿轮支架31内，且舵机支架37与连接架38固定连接，连接架38与第一齿轮支架31或第二齿轮支架34固定连接，舵机支架37用于固定舵机。具体的，连接架38包括侧板381和舵机支架连接板382，侧板381垂直固定连接在舵机支架连接板382的两侧，侧板381与第一齿轮支架31内壁固定连接，舵机支架连接板382用于连接舵机支架37。舵机支架37包括固定连接板371、舵机支撑架372和舵机连接板373，固定连接板371固定连接在舵机支架连接板382上，舵机支撑板372垂直固定连接在固定连接板371的两侧，舵机连接板373垂直固定连接在舵机支撑板372上；第二舵机35设置在舵机支撑板372上，第二舵机35具有舵机耳板351，舵机耳板351与舵机连接板373固定连接，从而实现将第二舵机35固定连接在第二固定支架34上；第一舵机32与舵机支架37的连接方式与第二舵机35相同，在此不再赘述。
如图11-14所示，第一齿轮传动机构33包括主动轮331、第一从动轮332、第二从动轮333和齿轮轴334；第一舵机32的输出轴与主动轮331连接；主动轮331与第一从动轮332啮合连接；第一从动轮332固定连接在齿轮轴334的端部；齿轮轴334的外齿圈与第二从动轮333啮合连接；第二从动轮333固定连接在十字轴39的端部；第一舵机32启动后，带动主动轮331转动，主动轮331带动第一从动轮332转动；第一从动轮332带动齿轮轴334转动；齿轮轴334带动第二从动轮333转动；第二从动轮333带动十字轴39转动。优选的，第一齿轮传动机构33和第二齿轮传动机构36的结构相同。
如图13所示，十字轴39包括竖轴391和横轴392，竖轴391和横轴392呈十字状固定连接在一起；第一齿轮传动机构33的第二从动轮333包括两个，第一齿轮传动机构33的两个第二从动轮333分别固定连接在横轴392的两端；第二齿轮传动机构36的第二从动轮333包括两个，第二齿轮传动机构36的两个第二从动轮333分别固定连接在竖轴391的两端。第一齿轮传动机构33通过十字轴39带动第二齿轮传动机构36在竖直面内转动；第二齿轮传动机构36通过十字轴39带动第一齿轮传动机构33在水平面内转动，进而实现两个自由度方向的转动。
作为本发明的具体实施例，蛇形机器人具有智能自主作业与远程遥控作业两种功能模式，通过丰富的传感设备感知周围环境信息，利用反馈控制策略，实时调整为最优运动步态，并搭载丰富的功能模块完成相应的数据采集和相关作业任务。
如图15所示，蛇形机器人包括多传感器信息耦合系统与控制单元；图像采集系统、压力传感器、红外传感器、感光传感器、限位触点传感器和无线通讯模块均将采集的信息反馈至多传感器信息耦合系统与控制单元；多传感器信息耦合系统与控制单元根据获取的反馈信息驱动伸缩舵机、关节舵机、照明系统和其他相关工作模块启动；供电电源向多传感器信息耦合系统与控制单元供电；多传感器信息耦合系统与控制单元通过无线通讯模块向管理平台传递信息；管理平台通过无线通讯模块向多传感器信息耦合系统与控制单元传递指令信息。
作为本发明的具体实施例，蛇形机器人通过自身状态信息感知与外部环境信息探测相结合，可以实时探测外部信息与自身状态信息，有利于及时发现故障问题并做出适当调整，既增加了蛇形机器人工作的可靠性，又降低了故障检修成本和时间。
如图16所示，蛇形机器人的控制流程包括如下步骤：
步骤S1，蛇形机器人运行启动；
步骤S2，多种传感器实时采集环境参数信息进行融合并分析；
步骤S3，判断蛇形机器人当前是否为最优行进方式，例如蜿蜒、直线或侧行等，若是，则根据最优路径和运动方式向目标位置行进，否则，返回执行步骤S2；
步骤S4，检测蛇形机器人自身运行状态是否良好，若是，则执行下一步，否则，返回执行步骤S2；
步骤S5，判断蛇形机器人是否到达指定位置，若是，则相关探测类功能模块开始采集故障信息，然后执行下一步，若否，执行下一步；
步骤S6，进行多传感器检测信息的融合与处理，生成检测分析报告；
步骤S7，将检测分析报告上传控制平台，并制定相应解决方案。
本申请蛇形机器人的结构紧凑，控制精度高，并且可以搭载多功能工具包和丰富的传感设备，其作业环境也由单一的陆地环境向水陆两栖环境方向逐步发展和完善。本申请蛇形机器人将会在检测、灾后搜救等领域广泛应用。
本申请实现的有益效果如下：
(1)本申请头部装置和尾部装置包括多种传感装置，多种传感装置的多传感信号耦合，大大提高了蛇形机器人对周围所处环境的感知程度和自身状态检测的能力，控制方式采用反馈控制策略，优化了蛇形机器人在路径规划与定点作业的可靠性。根据头部装置和尾部装置实时反馈的环境信息进行适应性步态切换，提高蛇形机器人的环境适应能力。
(2)本申请通过自适应平衡机构与地面接触，平衡轮在地面滚动，通过平衡轮使蛇身单元具有更高的运动效率，利用自适应平衡机构提高了蛇形机器人运动的稳定性和适应性。
(3)本申请采用2-DOF(两个自由度)关节装置驱动与可变径装置驱动相结合的驱动形式，2-DOF(自由度)关节装置驱动实现了蛇形机器人的蜿蜒和侧行等蛇形运动形式，可变径装置中的伸缩机构通过不断收缩，从而产生蛇身与地面的摩擦力，作为蛇形机器人直线蠕动的推进力来源，提高了蛇形机器人运动的多样性。在多个串联连接的可变径装置节律性交替伸缩运动，并与地面的相互作用下，实现蛇形机器人的直线蠕动运动。通过多个关节装置的相互作用实现蛇形机器人多种运动步态，多样化的运动形式与多功能传感检测模块相结合，大大提高了蛇形机器人在复杂工况条件下的适应能力和作业能力。
以上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种自适应多功能蛇形机器人，其特征在于，包括多个蛇身单元、一个头部装置、一个尾部装置和电源模块；
多个所述蛇身单元彼此连接形成蛇身；
所述头部装置和所述尾部装置分别连接在所述蛇身的头部和尾部；
所述蛇身单元包括可变径装置和关节装置；所述可变径装置和所述关节装置固定连接；
所述可变径装置包括伸缩机构，所述伸缩机构连接在相邻两个所述关节装置之间，用于驱动蛇身的伸缩；
所述关节装置包括舵机和齿轮传动机构，所述舵机与所述齿轮传动机构连接，所述齿轮传动机构连接在相邻两个所述可变径装置之间，用于驱动关节之间的俯仰和偏航动作；
所述电源模块连接在所述蛇身上，用于提供动力源。
2.根据权利要求1所述的自适应多功能蛇形机器人，其特征在于，所述头部装置包括温度传感模块、湿度传感模块和/或距离传感模块；所述尾部装置包括温度传感模块、湿度传感模块和/或距离传感模块。
3.根据权利要求1所述的自适应多功能蛇形机器人，其特征在于，所述可变径装置还包括多个自适应平衡机构、多个支撑架、第一内侧固定板和第二内侧固定板；
所述第一内侧固定板和所述第二内侧固定板均为圆盘状；
所述第一内侧固定板和所述第二内侧固定板平行设置在所述伸缩机构的两端；
多个所述支撑架的两端分别与所述第一内侧固定板和所述第二内侧固定板固定连接，且多个所述支撑架沿着所述第一内侧固定板的圆周方向均匀间隔开设置；
所述多个自适应平衡机构分别连接在多个所述支撑架上。
4.据权利要求3所述的自适应多功能蛇形机器人，其特征在于，所述伸缩机构包括凹形齿条轨道、凸形齿条、齿轮、驱动舵机和舵机固定架；
所述凹形齿条轨道具有滑槽，所述凸形齿条沿着所述凹形齿条轨道的长度方向滑移连接在所述滑槽内；
所述凹形齿条轨道的一端与所述第一内侧固定板垂直固定连接；所述凹形齿条轨道的另一端伸出有所述凸形齿条；
所述凸形齿条远离所述第一内侧固定板的一端与所述第二内侧固定板固定连接；
所述舵机固定架与所述凹形齿条轨道固定连接；
所述驱动舵机固定连接在所述舵机固定架上；
所述齿轮与所述驱动舵机的输出端连接，且所述齿轮与所述凸形齿条啮合连接，所述驱动舵机驱动所述齿轮转动，所述齿轮带动所述凸形齿条沿所述凹形齿条轨道滑动。
5.根据权利要求3所述的自适应多功能蛇形机器人，其特征在于，所述自适应平衡机构包括平衡轮、平衡支架、T形支架、支撑弹簧和力传感器模块；
所述T形支架连接在所述支撑架上；
所述平衡支架中部连接在所述T形支架的端部；
所述平衡支架的两端分别通过两个所述支撑弹簧与所述T形支架连接；
所述力传感器模块连接在所述支撑弹簧与所述T形支架之间；
所述平衡轮连接在所述平衡支架的两端。
6.根据权利要求5所述的自适应多功能蛇形机器人，其特征在于，所述支撑架包括第一支撑杆和第二支撑杆，所述第一支撑杆和所述第二支撑杆之间固定连接所述T形支架；
所述第一支撑杆远离所述T形支架的一端与所述第一内侧固定板固定连接；
所述第二支撑杆远离所述T形支架的一端与所述第二内侧固定板固定连接。
7.根据权利要求6所述的自适应多功能蛇形机器人，其特征在于，所述第一支撑杆沿所述第一内侧固定板的边缘向外倾斜设置，且所述第一支撑杆朝向所述第二支撑杆倾斜；所述第二支撑杆沿所述第二内侧固定板的边缘向外倾斜设置，且所述第二支撑杆朝向所述第一支撑杆倾斜。
8.根据权利要求1所述的自适应多功能蛇形机器人，其特征在于，所述关节装置包括第一齿轮支架、第一舵机、第一齿轮传动机构、第二齿轮支架、第二舵机和第二齿轮传动机构；
所述第一舵机和所述第一齿轮传动机构设置在所述第一齿轮支架内；所述第一舵机和所述第一齿轮传动机构连接；
所述第二舵机和所述第二齿轮传动机构设置在所述第二齿轮支架内；所述第二舵机和所述第二齿轮传动机构连接；
所述第一齿轮传动机构和所述第二齿轮传动机构通过十字轴传动连接；
所述第一齿轮支架和所述第二齿轮支架与所述可变径装置固定连接。
9.根据权利要求8所述的自适应多功能蛇形机器人，其特征在于，所述第一齿轮传动机构垂直于所述第二齿轮传动机构设置。
10.根据权利要求4所述的自适应多功能蛇形机器人，其特征在于，所述凹形齿条轨道的内侧开设有卡槽，所述凸形齿条的两侧边缘沿其长度方向设有凸条块，所述凸条块卡入所述卡槽内，并滑动连接在所述卡槽内。
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Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101746237A (zh) * | 2008-12-19 | 2010-06-23 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种水陆两栖蛇形机器人 |
| CN103010326A (zh) * | 2012-12-19 | 2013-04-03 | 北京信息科技大学 | 一种蛇形机器人的电磁式八向独立可伸缩轮式机构 |
| CN105539619A (zh) * | 2015-12-16 | 2016-05-04 | 安徽工业大学 | 带有万向关节的蜗杆传动的主动多轮蛇形机器人 |
| CN108843892A (zh) * | 2018-07-12 | 2018-11-20 | 浙江大学 | 一种多方向管道检测及自适应管径的螺旋驱动管道机器人 |
| CN208123736U (zh) * | 2018-03-07 | 2018-11-20 | 上海工程技术大学 | 一种基于棘轮的液压驱动双向式蠕动行走机构 |
| CN208495265U (zh) * | 2018-05-15 | 2019-02-15 | 浙江工业大学 | 一种管道可变径清洗机器人 |
| CN208614784U (zh) * | 2018-08-13 | 2019-03-19 | 吉林农业大学 | 一种拉线控制式蛇形机器人 |
| US20210078165A1 (en) * | 2017-05-24 | 2021-03-18 | China University Of Mining And Technology | Serpentine inspection robot mechanism for lifting cage guide driven by magnetic wheels |
| CN113211423A (zh) * | 2021-04-21 | 2021-08-06 | 河海大学 | 一种球铰拉线可变辅助轮式蛇形机器人 |
| CN113374986A (zh) * | 2021-06-11 | 2021-09-10 | 南京信息职业技术学院 | 一种管道机器人的可变径伸缩机构 |
| CN216555977U (zh) * | 2022-01-12 | 2022-05-17 | 吉林大学 | 用于地下管道清理自平衡自适应机器人的可变径行走机构 |
| CN115076512A (zh) * | 2022-07-07 | 2022-09-20 | 中北大学 | 一种高驱动力的自适应管道检测清理装置 |
-
2022
- 2022-10-11 CN CN202211243041.4A patent/CN115488866B/zh active Active
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101746237A (zh) * | 2008-12-19 | 2010-06-23 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种水陆两栖蛇形机器人 |
| CN103010326A (zh) * | 2012-12-19 | 2013-04-03 | 北京信息科技大学 | 一种蛇形机器人的电磁式八向独立可伸缩轮式机构 |
| CN105539619A (zh) * | 2015-12-16 | 2016-05-04 | 安徽工业大学 | 带有万向关节的蜗杆传动的主动多轮蛇形机器人 |
| US20210078165A1 (en) * | 2017-05-24 | 2021-03-18 | China University Of Mining And Technology | Serpentine inspection robot mechanism for lifting cage guide driven by magnetic wheels |
| CN208123736U (zh) * | 2018-03-07 | 2018-11-20 | 上海工程技术大学 | 一种基于棘轮的液压驱动双向式蠕动行走机构 |
| CN208495265U (zh) * | 2018-05-15 | 2019-02-15 | 浙江工业大学 | 一种管道可变径清洗机器人 |
| CN108843892A (zh) * | 2018-07-12 | 2018-11-20 | 浙江大学 | 一种多方向管道检测及自适应管径的螺旋驱动管道机器人 |
| CN208614784U (zh) * | 2018-08-13 | 2019-03-19 | 吉林农业大学 | 一种拉线控制式蛇形机器人 |
| CN113211423A (zh) * | 2021-04-21 | 2021-08-06 | 河海大学 | 一种球铰拉线可变辅助轮式蛇形机器人 |
| CN113374986A (zh) * | 2021-06-11 | 2021-09-10 | 南京信息职业技术学院 | 一种管道机器人的可变径伸缩机构 |
| CN216555977U (zh) * | 2022-01-12 | 2022-05-17 | 吉林大学 | 用于地下管道清理自平衡自适应机器人的可变径行走机构 |
| CN115076512A (zh) * | 2022-07-07 | 2022-09-20 | 中北大学 | 一种高驱动力的自适应管道检测清理装置 |
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| Publication number | Publication date |
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| CN115488866B (zh) | 2024-08-09 |
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