CN115783076A - 一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人 - Google Patents

Abstract

一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人，本发明涉及一种蛇形机器人，本发明为克服现有蛇形机器人所存在的结构本体灵活性不足、运动速度低、运动效率不高的问题，双轮模块和内凹并联结构交替连接设置，动平台和静平台相对设置，动平台的一端分别与一个外麦克纳姆轮和一个内麦克纳姆轮连接，静平台的一端分别与一个外麦克纳姆轮和一个内麦克纳姆轮连接，动平台的另一端安装有一组第一驱动装置，静平台的另一端安装有一组第二驱动装置，一组内凹并联结构连接组件设置在一组第一驱动装置和一组第二驱动装置之间，且一组内凹并联结构连接组件的两端分别端与一组第一驱动装置和一组第二驱动装置连接。本发明属于仿生机器人领域。

Description

一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人

技术领域

本发明涉及一种蛇形机器人，具体涉及一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人,属于仿生机器人领域。

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"。蛇形机器人的身躯具有很多关节，可以实现多种形式的运动，具有很强的环境适应能力，能在人类难以到达的未知环境或不适宜人类工作的场合下替代人类进行工作。因此它在核电环境、科学探险、救灾抢险、生命搜寻等多个领域有着广泛的应用前景。

并联机器人凭借其速度快、动态性能好，承载能力强，刚度强等优势备受青睐。机器人并联构型，可以实现动平台相对于静平台空间偏转和伸缩。麦克纳姆轮是一种全方位移动轮式结构，具有很强的运动性能，相较于普通轮子，它可以摆脱轮子轴线对运动的限制，配备麦克纳姆轮的小车可以实现在平面任意方向的运动。

目前蛇形机器人关节模块结构多为单一方向的转动，相邻两个关节模块的运动轴线相互垂直，通过多个关节的耦合运动实现身体的摆动，导致机器人运动不灵活，空间自由度不足。此外机器人通过左右摆动的运动形式前进，相对于轮式运动结构，存在运动效率低和运动速度低的问题。

有研究提出基于并联构型结构的模块化蛇形机器人，每个运动模块均采用具有三个自由度的并联机构，每个模块可以实现空间弯曲多种运动，由于并联机构支链向外凸起，导致模块结构占空间大，不紧凑，不符合蛇形机器人结构紧凑的特性。有研究提出基于折纸机构的模块化机器人，运动模块采用向内折叠的折纸机构作为并联结构的支链，这样可以实现模块具有空间弯曲的功能，同时结构更加紧凑。

有研究提出结合轮式结合的蛇形机器人，在运动关节旋转的轴线两侧加上轮式结构，在保持蛇形灵活本体结构的基础上，使得机器人具有一定的运动速度。但当关节发生弯曲时，轮子位置轴线发生变化，轮子运动方向发生变化，在一定程度上会阻碍机器人运动。此外，轮子尺寸大于蛇形直径，不利于复杂地形的运动。

为使蛇形机器人在核电环境、科学探险、救灾抢险、生命搜寻等多个领域发挥实际作用，最基本的就是要结构方面进行创新突破，探索研制运动能力强，适应环境能力强的新型蛇形机器人。

发明内容

本发明为克服现有蛇形机器人所存在的结构本体灵活性不足、运动速度低、运动效率不高的问题，进而提供一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人。

本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：

一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人，它包括N个内凹并联结构和N+1个双轮模块，N+1个双轮模块和N个内凹并联结构交替连接设置，双轮模块包括外麦克纳姆轮和内麦克纳姆轮；内凹并联结构包括动平台、一组第一驱动装置、一组内凹并联结构连接组件、一组第二驱动装置和静平台；动平台和静平台相对设置，动平台的一端分别与一个外麦克纳姆轮和一个内麦克纳姆轮连接，静平台的一端分别与一个外麦克纳姆轮和一个内麦克纳姆轮连接，动平台的另一端安装有一组第一驱动装置，静平台的另一端安装有一组第二驱动装置，一组内凹并联结构连接组件设置在一组第一驱动装置和一组第二驱动装置之间，且一组内凹并联结构连接组件的两端分别端与一组第一驱动装置和一组第二驱动装置连接。

本发明的有益效果：

1、本申请公开的蛇形机器人凭借其速度快、动态性能好，承载能力强，刚度强等优势备受青睐。机器人采用内凹并联结构可以实现动平台相对于静平台空间偏转和伸缩。麦克纳姆轮是一种全方位移动轮式结构，具有很强的运动性能，相较于普通轮子，它可以摆脱轮子轴线对运动的限制，配备麦克纳姆轮的小车可以实现在平面任意方向的运动。

2、本申请将内凹并联结构和麦克纳姆轮组合应用于蛇形机器人。内凹并联结构作为蛇形机器人的关节，可以使得机器人的关节实现空间弯曲和伸长缩短运动。同时内凹支链使得运动模块更加紧凑，使得该结构的机器人比普通并联结构蛇形机器人尺寸更小，从而更灵活。全方位移动的麦克纳姆轮用于蛇形机器人运动模块，使得机器人各部分可以实现更加复杂的运动，在地面依靠轮子旋转可以实现快速移动，运动速度大大提高。

3、内凹并联机构为三个自由度，内凹并联机构由三条结构相同且沿周向均布的向轴心内凹的第一主杆5与第二主杆6串联实现并采用对称结构设计增强并联机构的动力，第一主杆5的长度数值小于第一舵机的中心至动平台3中心的距离数值，防止发生干涉问题，在保证结构紧凑的条件下，最大程度实现动平台3和静平台8之间的收缩。通过控制第一主杆5与第二主杆6的运动角度实现动平台3和静平台8发生偏转和伸缩进而实现运动模块的偏转和伸缩。

4、在蛇形机器人的中部部分，内凹并联机构的两端各连接外麦克纳姆轮1和内麦克纳姆轮2，麦克纳姆轮辊子轴线与麦克纳姆轮轴线夹角为45°，同侧相邻外麦克纳姆轮1的棍子轴线和内麦克纳姆轮2的辊子轴线相互垂直，麦克纳姆轮与内凹并联机构的平台连接。外麦克纳姆轮1和内麦克纳姆轮2同速反向转动，可以实现沿麦克纳姆轮轴向运动，外麦克纳姆轮1和内麦克纳姆轮2同速同向转动，可以实现沿垂直于麦克纳姆轮轴线方向的移动。通过外麦克纳姆轮1和内麦克纳姆轮2组合运动，实现运动模块沿任意方向移动。不同运动模块空间的偏转使得整个蛇形呈现复杂姿态，通过控制N个内凹并联结构和N+1个双轮模块转动情况共同作用可实现蛇形机器人在复杂姿态下的任意移动。

附图说明

图1是本发明结构的蛇形机器人示意图。

图2是两个双轮模块和内凹并联结构连接主视图。

图3是两个双轮模块和内凹并联结构连接后内凹并联结构弯曲示意图。

图4是两个双轮模块和内凹并联结构连接后内凹并联结构收缩示意图。

图5是两个双轮模块和内凹并联结构连接后内凹并联结构伸展示意图。

图6是相邻外麦克纳姆轮1和内麦克纳姆轮2同速反向旋转时虚拟球铰的双轮模块轴向移动示意图，图中空心箭头方向为运动方向，实心箭头方向为麦克纳姆轮转动方向。

图7是相邻外麦克纳姆轮1和内麦克纳姆轮2同速同向旋转时虚拟球铰的双轮模块横向移动示意图，图中空心箭头方向为运动方向，实心箭头方向为麦克纳姆轮转动方向。

图8是蛇形机器人弯曲示意图。

图9是动平台3与麦克纳姆轮芯轴9和连杆10连接示意图。

图10是静平台8与麦克纳姆轮芯轴9和连杆10连接示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-8说明本实施方式，本实施方式所述一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人，它包括N个内凹并联结构和N+1个双轮模块，N+1个双轮模块和N个内凹并联结构交替连接设置，双轮模块包括外麦克纳姆轮1和内麦克纳姆轮2；内凹并联结构包括动平台3、一组第一驱动装置4、一组内凹并联结构连接组件、一组第二驱动装置7和静平台8；动平台3和静平台8相对设置，动平台3的一端分别与一个外麦克纳姆轮1和一个内麦克纳姆轮2连接，静平台8的一端分别与一个外麦克纳姆轮1和一个内麦克纳姆轮2连接，动平台3的另一端安装有一组第一驱动装置4，静平台8的另一端安装有一组第二驱动装置7，一组内凹并联结构连接组件设置在一组第一驱动装置4和一组第二驱动装置7之间，且一组内凹并联结构连接组件的两端分别端与一组第一驱动装置4和一组第二驱动装置7连接。N的取值范围为大于2。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人，一组内凹并联结构连接组件包括三个第一主杆5和三个第二主杆6；每个第一主杆5的一端和一个第二主杆6的一端转动连接。其它方法与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人，一组第一驱动装置4包括三个第一舵机，一组第二驱动装置7包括三个第二舵机，三个第一舵机沿径向均布安装在动平台3的端面上，三个第二舵机沿径向均布安装在静平台8的端面上。其它方法与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图2-4说明本实施方式，本实施方式所述一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人，每个第一舵机与一个第一主杆5的另一端转动连接，每个第二舵机与一个第二主杆6的另一端转动连接。其它方法与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图2和5说明本实施方式，本实施方式所述一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人，第一舵机与第一主杆5通过转动副转动连接，第二舵机与第二主杆6通过转动副转动连接，第一主杆5与第二主杆6转动副转动连接，转动副的轴线与动平台3上第一舵机的轴线和静平台8上第二舵机的轴线平行。其它方法与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人，动平台3和静平台8为相同结构的圆形板体。其它方法与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图2和5说明本实施方式，本实施方式所述一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人，第一主杆5的长度与第二主杆6的长度相同，第一主杆5的长度数值小于第一舵机的中心至动平台3中心的距离数值。其它方法与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图4和5说明本实施方式，本实施方式所述一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人，动平台3安装三个第一舵机的端面与静平台8安装三个第二舵机的端面相对设置，且动平台3上每个第一舵机安装位置与对面静平台8上一个第二舵机安装位置相对设置。其它方法与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图1-10说明本实施方式，本实施方式所述一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人，内麦克纳姆轮2与外麦克纳姆轮1对称设置，且内麦克纳姆轮2上棍子的轴线与内麦克纳姆轮2轴线夹角为45°，且外麦克纳姆轮1上棍子的轴线和相邻内麦克纳姆轮1上棍子的轴线垂直设置。麦克纳姆轮通过驱动装置与内凹并联结构连接组件连接。内麦克纳姆轮2和外麦克纳姆轮1同速同向转动，可以实现沿垂直于麦克纳姆轮轴线方向的移动。内麦克纳姆轮2和外麦克纳姆轮1同速反向转动，可以实现沿麦克纳姆轮轴向运动。通过两麦克纳姆轮组合运动，实现运动模块沿任意方向移动。不同运动模块空间的偏转使得整个蛇形呈现复杂姿态，通过控制多个模块两麦克纳姆轮转动情况共同作用可实现蛇形机器人在复杂姿态下的任意移动；

本实施方式中提供的一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人，其中动平台3与对应的内麦克纳姆轮2和外麦克纳姆轮1通过麦克纳姆轮芯轴9和连杆10进行连接，动平台3远离内凹并联结构连接组件的一端上设有麦克纳姆轮芯轴9，且麦克纳姆轮芯轴9的轴线与动平台3的轴线共线设置，麦克纳姆轮芯轴9与内麦克纳姆轮2的中空电机内圈和外麦克纳姆轮1的中空电机内圈固定连接，麦克纳姆轮芯轴9与动平台3之间设有连杆10，连杆10与动平台3远离内凹并联结构连接组件的一端端面平行设置，动平台3远离内凹并联结构连接组件的一端端面上设有凸台，且凸台靠近动平台3的边缘处设置，连杆10一端远离动平台3的一侧与麦克纳姆轮芯轴9的一端固定连接，连杆10另一端靠近动平台3的一侧与凸台固定连接，静平台8与对应的内麦克纳姆轮2和外麦克纳姆轮1通过麦克纳姆轮芯轴9和连杆10进行连接，静平台8远离内凹并联结构连接组件的一端上设有麦克纳姆轮芯轴9，且麦克纳姆轮芯轴9的轴线与静平台8的轴线共线设置，麦克纳姆轮芯轴9与内麦克纳姆轮2的中空电机内圈和外麦克纳姆轮1的中空电机内圈固定连接，麦克纳姆轮芯轴9与静平台8之间设有连杆10，连杆10与动平台3远离内凹并联结构连接组件的一端端面平行设置，动平台3远离内凹并联结构连接组件的一端端面上设有凸台，且凸台靠近动平台3的边缘处设置，连杆10一端远离动平台3的一侧与麦克纳姆轮芯轴9的一端固定连接，连杆10另一端靠近动平台3的一侧与凸台固定连接。其它方法与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人，N+1个双轮模块和N个内凹并联结构沿直线方向交替连接设置。其它结构和方法与具体实施方式九相同。

Claims (9)

1.一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人，其特征在于：它包括N个内凹并联结构和N+1个双轮模块，N+1个双轮模块和N个内凹并联结构交替连接设置，双轮模块包括外麦克纳姆轮(1)和内麦克纳姆轮(2)；内凹并联结构包括动平台(3)、一组第一驱动装置(4)、一组内凹并联结构连接组件、一组第二驱动装置(7)和静平台(8)；动平台(3)和静平台(8)相对设置，动平台(3)的一端分别与一个外麦克纳姆轮(1)和一个内麦克纳姆轮(2)连接，静平台(8)的一端分别与一个外麦克纳姆轮(1)和一个内麦克纳姆轮(2)连接，动平台(3)的另一端安装有一组第一驱动装置(4)，静平台(8)的另一端安装有一组第二驱动装置(7)，一组内凹并联结构连接组件设置在一组第一驱动装置(4)和一组第二驱动装置(7)之间，且一组内凹并联结构连接组件的两端分别端与一组第一驱动装置(4)和一组第二驱动装置(7)连接。

2.根据权利要求1所述一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人，其特征在于：一组内凹并联结构连接组件包括三个第一主杆(5)和三个第二主杆(6)；每个第一主杆(5)的一端和一个第二主杆(6)的一端转动连接。

3.根据权利要求2所述一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人，其特征在于：一组第一驱动装置(4)包括三个第一舵机，一组第二驱动装置(7)包括三个第二舵机，三个第一舵机沿径向均布安装在动平台(3)的端面上，三个第二舵机沿径向均布安装在静平台(8)的端面上。

4.根据权利要求3所述一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人，其特征在于：每个第一舵机与一个第一主杆(5)的另一端转动连接，每个第二舵机与一个第二主杆(6)的另一端转动连接。

5.根据权利要求4所述一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人，其特征在于：第一舵机与第一主杆(5)通过转动副转动连接，第二舵机与第二主杆(6)通过转动副转动连接，第一主杆(5)与第二主杆(6)转动副转动连接，转动副的轴线与动平台(3)上第一舵机的轴线和静平台(8)上第二舵机的轴线平行。

6.根据权利要求5所述一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人，其特征在于：第一主杆(5)的长度与第二主杆(6)的长度相同，第一主杆(5)的长度数值小于第一舵机的中心至动平台(3)中心的距离数值。

7.根据权利要求6所述一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人，其特征在于：动平台(3)安装三个第一舵机的端面与静平台(8)安装三个第二舵机的端面相对设置，且动平台(3)上每个第一舵机安装位置与对面静平台(8)上一个第二舵机安装位置相对设置。

8.根据权利要求7所述一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人，其特征在于：所述内麦克纳姆轮(2)与外麦克纳姆轮(1)对称设置，且内麦克纳姆轮(2)上棍子的轴线与内麦克纳姆轮(2)轴线夹角为45°，外麦克纳姆轮(1)上棍子的轴线和相邻内麦克纳姆轮(2)上棍子的轴线垂直设置；

动平台(3)与对应的内麦克纳姆轮(2)和外麦克纳姆轮(1)通过麦克纳姆轮芯轴(9)和连杆(10)进行连接，动平台(3)远离内凹并联结构连接组件的一端上设有麦克纳姆轮芯轴(9)，且麦克纳姆轮芯轴(9)的轴线与动平台(3)的轴线共线设置，麦克纳姆轮芯轴(9)与内麦克纳姆轮(2)的中空电机内圈和外麦克纳姆轮(1)的中空电机内圈固定连接，麦克纳姆轮芯轴(9)与动平台(3)之间设有连杆(10)，连杆(10)与动平台(3)远离内凹并联结构连接组件的一端端面平行设置，动平台(3)远离内凹并联结构连接组件的一端端面上设有凸台，且凸台靠近动平台(3)的边缘处设置，连杆(10)一端远离动平台(3)的一侧与麦克纳姆轮芯轴(9)的一端固定连接，连杆(10)另一端靠近动平台(3)的一侧与凸台固定连接；

静平台(8)与对应的内麦克纳姆轮(2)和外麦克纳姆轮(1)通过麦克纳姆轮芯轴(9)和连杆(10)进行连接，静平台(8)远离内凹并联结构连接组件的一端上设有麦克纳姆轮芯轴(9)，且麦克纳姆轮芯轴(9)的轴线与静平台(8)的轴线共线设置，麦克纳姆轮芯轴(9)与内麦克纳姆轮(2)的中空电机内圈和外麦克纳姆轮(1)的中空电机内圈固定连接，麦克纳姆轮芯轴(9)与静平台(8)之间设有连杆(10)，连杆(10)与动平台(3)远离内凹并联结构连接组件的一端端面平行设置，动平台(3)远离内凹并联结构连接组件的一端端面上设有凸台，且凸台靠近动平台(3)的边缘处设置，连杆(10)一端远离动平台(3)的一侧与麦克纳姆轮芯轴(9)的一端固定连接，连杆(10)另一端靠近动平台(3)的一侧与凸台固定连接。

9.根据权利要求8所述一种基于内凹并联结构的双轮模块化蛇形机器人，其特征在于：N+1个双轮模块和N个内凹并联结构沿直线方向交替连接设置。

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