CN115783077A - 一种基于虚拟球铰的双轮模块化蛇形机器人 - Google Patents
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Abstract
一种基于虚拟球铰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，虚拟球铰的双轮模块顺次连接，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，一组虚拟球铰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，且一组虚拟球铰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
技术领域
本发明涉及一种蛇形机器人，具体涉及一种基于虚拟球铰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。
虚拟球铰是一种灵活度高，结构紧凑的一种关节结构，目前用于仿人机械臂手腕关节，可以实现空间弯曲的灵活运动。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，相较于单一自由度的关节模块机器人，具有较高的灵活度，但由于并联结构的局限，每个模块的最大翻转角度有限，远达不到90°。但机器人的运动依靠每个高自由度运动模块改变形态，组合发生蠕动、扭曲运动，相较于轮式结构，依然存在运动效率低和运动速度低的问题。
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，进而提供一种基于虚拟球铰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：
一种基于虚拟球铰的双轮模块化蛇形机器人，它包括N个虚拟球铰和N+1个双轮模块，N+1个双轮模块和N个虚拟球铰交替连接设置，双轮模块包括外麦克纳姆轮和内麦克纳姆轮；虚拟球铰包括动平台、一组第一驱动装置、一组虚拟球铰连接组件、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，一组虚拟球铰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，且一组虚拟球铰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；
虚拟球铰是由三个曲杆、动平台、静平台组成，在静平台上沿周向均布固定三个驱动装置，驱动装置通过摆杆与曲杆连接，曲杆另一端通过摆杆与动平台连接，动平台和静平台之间的摆杆连接相邻位置相差60°。由三个曲杆、动平台、静平台的结构在空间上具有椭球的效应，动平台和静平台之间的运动轨迹在瞬时运动平面内是椭圆相互滚动的轨迹。同时，固定静平台后，动平台可以在空间中与静平台平面实现钝角偏转。
本发明的有益效果：
1、本申请公开的虚拟球铰是一种灵活度高，结构紧凑的一种关节结构，可以实现空间弯曲的灵活运动。本申请公开的虚拟球铰的双轮模块由三个曲杆支撑，特殊的曲杆形状使得三个曲杆在狭小空间下紧凑配合，是一种蛇形机器人关节的理想结构。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、本申请将虚拟球铰和麦克纳姆轮应用于蛇形机器人。虚拟球铰结构作为蛇形机器人的关节，可以在空间内实现钝角偏转，使得该结构的机器人比并联结构蛇形机器人姿态更加灵活。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、本申请是一种具有灵活、运动速度快的新型模块蛇形机器人。机器人的关节采用虚拟球铰，由于虚拟球铰高自由度，使得机器人每一个单元都可以发生空间弯曲，具有高灵活性。同时关节两端均采用轴线方向与蛇本体平行的方向的双麦克纳姆轮，通过多个麦克纳姆轮转动协调，使得机器人可以沿轴线方向进行快速运动。
附图说明
图1是本发明结构的蛇形机器人示意图。
图2是虚拟球铰与两个双轮模块连接的主视图。
图3是三个曲杆6安装位置侧向示意图，图中动平台3安装一个曲杆6的一端与静平台9安装相邻一个曲杆6的一端侧向观测所成的角度为a，a的竖直为60°。
图4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与两个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5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与两个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6是蛇形机器人弯曲示意图。
图7是动平台3与麦克纳姆轮芯轴10和连杆11连接示意图。
图8是静平台9与麦克纳姆轮芯轴10和连杆11连接示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-6说明本实施方式，本实施方式所述一种基于虚拟球铰的双轮模块化蛇形机器人，它包括N个虚拟球铰和N+1个双轮模块，N+1个双轮模块和N个虚拟球铰交替连接设置，双轮模块包括外麦克纳姆轮1和内麦克纳姆轮2；虚拟球铰包括动平台3、一组第一驱动装置4、一组虚拟球铰连接组件、一组第二驱动装置8和静平台9，动平台3和静平台9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9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9的另一端安装有一组第二驱动装置8，一组虚拟球铰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8之间，且一组虚拟球铰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8连接。N的取值范围为大于2。
具体实施方式二：结合图1-2说明本实施方式，本实施方式所述一种基于虚拟球铰的双轮模块化蛇形机器人，一组虚拟球铰连接组件包括一组第一摆杆5、一组曲杆6和一组第二摆杆7；第一驱动装置4通过一组第一摆杆5与一组曲杆6的一端连接，第二驱动装置8通过一组第二摆杆7与一组曲杆6的另一端连接。其它方法与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1-2说明本实施方式，本实施方式所述一种基于虚拟球铰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，第二驱动装置8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9的端面上。其它方法与具体实施方二相同。
具体实施方式四：结合图1-2说明本实施方式，本实施方式所述一种基于虚拟球铰的双轮模块化蛇形机器人，一组第一摆杆5包括三个第一摆杆5，一组曲杆6包括三个曲杆6，一组第二摆杆7包括三个第二摆杆7；每个第一舵机通过一个第一摆杆5与一个曲杆6的一端转动连接，且曲杆6的另一端通过第二摆杆7与一个第二舵机转动连接，且一个曲杆6上的第一摆杆5与其相邻曲杆6上的第二摆杆7之间位置偏转角度为60°，动平台3、静平台9和三个曲杆6的结构在空间上具有椭球的效应，动平台3和静平台9之间的运动轨迹在瞬时运动平面内是椭圆相互滚动的轨迹。同时固定静平台9后，动平台3可以实现在空间中与静平台平面夹角最大为110°的任意偏转。其它方法与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式所述一种基于虚拟球铰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9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9上两个第二舵机中间位置相对设置。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虚拟球铰的双轮模块化蛇形机器人，曲杆6包括两个连接端和弯曲杆体，弯曲杆体的两端分别设有一个连接端，且弯曲杆体和两个连接端一体连接，弯曲杆体上每个连接端分别与第一摆杆5和第二摆杆7转动连接，且弯曲杆的凸起部向外设置。其它方法与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图1-2说明本实施方式，本实施方式所述一种基于虚拟球铰的双轮模块化蛇形机器人，弯曲杆体包括凸起杆体和两个倾斜杆体；两个倾斜杆体对称设置在凸起杆体的两端，且凸起杆体和两个倾斜杆体一体连接设置。其它方法与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：结合图2、7和8说明本实施方式，本实施方式所述一种基于虚拟球铰的双轮模块化蛇形机器人，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,麦克纳姆轮通过驱动装置与虚拟球铰连接组件连接。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虚拟球铰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远离虚拟球铰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远离虚拟球铰的一端端面平行设置，动平台3远离虚拟球铰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远离虚拟球铰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远离虚拟球铰的一端端面平行设置，动平台3远离虚拟球铰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七相同。
具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种基于虚拟球铰的双轮模块化蛇形机器人，多个虚拟球铰的双轮模块沿直线方向串联连接。其它结构和方法与具体实施方式八相同。
Claims (7)
1.一种基于虚拟球铰的双轮模块化蛇形机器人，其特征在于：它包括N个虚拟球铰和N+1个双轮模块，N+1个双轮模块和N个虚拟球铰交替连接设置，双轮模块包括外麦克纳姆轮(1)和内麦克纳姆轮(2)；虚拟球铰包括动平台(3)、一组第一驱动装置(4)、一组虚拟球铰连接组件、一组第二驱动装置(8)和静平台(9)，动平台(3)和静平台(9)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(9)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(9)的另一端安装有一组第二驱动装置(8)，一组虚拟球铰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(8)之间，且一组虚拟球铰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(8)连接。
2.根据权利要求1所述一种基于虚拟球铰的双轮模块化蛇形机器人，其特征在于：一组虚拟球铰连接组件包括一组第一摆杆(5)、一组曲杆(6)和一组第二摆杆(7)；第一驱动装置(4)通过一组第一摆杆(5)与一组曲杆(6)的一端连接，第二驱动装置(8)通过一组第二摆杆(7)与一组曲杆(6)的另一端连接。
3.根据权利要求1所述一种基于虚拟球铰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，第二驱动装置(8)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(9)的端面上。
4.根据权利要求3所述一种基于虚拟球铰的双轮模块化蛇形机器人，其特征在于：一组第一摆杆(5)包括三个第一摆杆(5)，一组曲杆(6)包括三个曲杆(6)，一组第二摆杆(7)包括三个第二摆杆(7)；每个第一舵机通过一个第一摆杆(5)与一个曲杆(6)的一端转动连接，且曲杆(6)的另一端通过第二摆杆(7)与一个第二舵机转动连接。
5.根据权利要求4所述一种基于虚拟球铰的双轮模块化蛇形机器人，其特征在于：一个曲杆(6)上的第一摆杆(5)与其相邻曲杆(6)上的第二摆杆(7)之间位置偏转角度为60°。
6.根据权利要求5所述一种基于虚拟球铰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)远离虚拟球铰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)远离虚拟球铰的一端端面平行设置，动平台(3)远离虚拟球铰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)远离虚拟球铰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)远离虚拟球铰的一端端面平行设置，动平台(3)远离虚拟球铰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。
7.根据权利要求1所述一种基于虚拟球铰的双轮模块化蛇形机器人，其特征在于：多个虚拟球铰的双轮模块沿直线方向串联连接。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202211461330.1A CN115783077A (zh) | 2022-11-21 | 2022-11-21 | 一种基于虚拟球铰的双轮模块化蛇形机器人 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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ID=85439710
Family Applications (1)
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| CN202211461330.1A Pending CN115783077A (zh) | 2022-11-21 | 2022-11-21 | 一种基于虚拟球铰的双轮模块化蛇形机器人 |
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2022
- 2022-11-21 CN CN202211461330.1A patent/CN115783077A/zh active Pending
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Legal Events
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