CN1251841C - 一种模块化可变结构蛇形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模块化可变结构蛇形机器人。它由多个相同结构的单自由度的关节模块组成，每个关节模块具有伺服控制器、活动板、连接板，所述关节模块通过活动板、连接板依次相连，通过相邻关节模块的方向差为0和/或90度的连接方式构成蛇体结构，每个关节模块的伺服控制器分别与控制板相连，再与主控计算机中控制程序信号相通。根据应用背景需要，本发明可用同样数量的关节模块组成能实现两维运动的蛇形机器人，也可组成能实现三维运动的蛇形机器人。它具有模块化、可变结构的特点，便于加工、制造、调试，易于维护和更换，扩展了蛇形机器人的适应能力和应用范围。

Description

一种模块化可变结构蛇形机器人

技术领域

本发明涉及机器人研究和工程领域，具体是一种模块化可变结构蛇形机器人。

背景技术

蛇形机器人具有稳定性好、横截面小、柔性等特点，能在各种粗糙、陡峭、崎岖的复杂地形上行走，并可攀爬障碍物，这是以轮子或腿作为行走工具的机器人难以做到的。目前，蛇形机器人一般由多个关节模块组成，关节模块的内部结构为液压或电动，具有单自由度或多自由度运动方式，虽关节模块的内部结构和功能各有不同，但由于关节模块间的连接方式只有一种，只能构成一种结构的蛇形机器人。这种单一的构成方式使蛇形机器人的应用受到很大限制，即具有三维运动功能的蛇形机器人虽适用于三维空间，但在平面运动时造成垂直运动部分的浪费。具有二维运动功能的蛇形机器人不适用于三维空间运动。

发明内容

为了克服上述由于蛇形机器人构成方式使应用受限的不足，本发明的目的是提出一种模块化可变结构蛇形机器人。它改善了适应能力，扩大了应用范围。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：由多个相同结构的关节模块组成，每个关节模块为单自由度，具有伺服控制器、活动板、连接板，所述关节模块通过活动板、连接板依次相连，还包括控制板、主控计算机，通过相邻关节模块方向差至少有一个为90度的连接方式构成三维运动蛇体结构，每个关节模块的伺服控制器分别与控制板相连，再通过标准的RS232串口与主控计算机中控制程序信号相通；

所述关节模块按相邻的关节模块方向差90度方式首尾依次连接，而相间隔的两个关节模块方向相同，构成三维运动结构；关节模块连接结构为二维运动结构与三维运动结构相结合方式，即所述一部分关节模块按方向相同的方式首尾依次连接，构成二维运动结构；所述另一部分关节模块按相邻的关节模块方向差90度方式首尾依次连接，而相间隔的两个关节模块方向相同，构成三维运动结构；

所述主控计算机中控制程序，用于将每个关节模块的位置量传给控制板，由控制板将位置量分别送给相应的关节模块上的伺服控制器，从而使由关节模块构成的蛇体实现多种运动方式；具体流程为：首先初始化，使每个关节模块的位置处于零位，让蛇体成一条直线，然后判断蛇体运动方式，根据运动方式计算每个关节模块的位置值，具体为：是平面蜿蜒运动时，计算每个关节模块的位置值，向控制板传送每个关节模块的位置值；不是平面蜿蜒运动，再判断是翻滚运动否，是翻滚运动时，计算每个关节模块的位置值，向控制板传送每个关节模块的位置值；不是翻滚运动，再判断是否是侧动，是侧动，则计算每个关节模块的位置值，向控制板传送每个关节模块的位置值；然后再判断是否运动？结果为“是”，则返回重新判断关节模块运动方式；否则结束程序；

所述平面蜿蜒运动是控制水平轴上关节模块的关节保持直线，而垂直轴上关节模块的关节呈正弦变化；采用的算法公式为：

${\mathrm{\θ}}_l\left(s\right)=-{2\mathrm{\α}}_0\sin \left(\frac{K_n\mathrm{\π}}{n}\right)\·\sin (\frac{{2K}_n\mathrm{\π}}{L}s+\frac{{2K}_n\mathrm{\π}}{n}i)+K_{1}l;$

其中：α₀是蛇体运动的初始弯角，K_n是在蛇体内传播的正弦波的个数，L是蛇体长，s是尾部关节模块沿蛇形曲线轴线方向的虚位移，l是每一关节模块的长度，i代表任意一个关节模块，K₁是曲率；

所述侧向运动是控制垂直轴上关节模块的关节和水平轴上关节模块的关节都呈正弦变化，两个曲线之间有一个相位差δφ；侧向运动采用的算法公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_l\left(s\right)={-2\mathrm{\α}}_{\mathrm{\θ}0}\sin \left(\frac{K_n\mathrm{\π}}{n}\right)\·\sin (\frac{{2K}_n\mathrm{\π}}{L}s+\frac{{2K}_n\mathrm{\π}}{n}i)+K_{1}l\\ {\mathrm{\φ}}_1\left(s\right)={-2\mathrm{\α}}_{\mathrm{\φ}0}\left(\frac{K_n\mathrm{\π}}{n}\right)\·\sin (\frac{{2K}_n\mathrm{\π}}{L}s+\frac{{2K}_n\mathrm{\π}}{n}i+\mathrm{\δ}\mathrm{\φ})+K_{1}l\end{array}\right.;$

其中：α_θ0蛇体水平平面内正弦波的初始弯角，α_φ0蛇体垂直平面内正弦波的初始弯角，K_n是蛇体内传播正弦波的个数，n_θ为垂直平面运动的关节模块数，n_φ为水平平面运动的关节模块数，L是蛇体长，s是尾部关节模块沿蛇形曲线轴线方向的虚位移，l是每一关节模块的长度，i代表任意一个关节模块，δ为两个关节模块运动曲线的相位差，K₁是曲率；

所述翻滚运动是控制垂直轴上关节模块的关节和水平轴上关节模块的关节变化，使其每一方向的关节运动的角度沿蛇体轴线无变化，垂直轴与水平轴构成的两个互相垂直平面内的一段弧的合成作用使整个蛇体处于力不平衡状态，两个曲线之间有一个相位差为π/2；所述翻滚运动采用的算法公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_l\left(s\right)={-2\mathrm{\α}}_{\mathrm{\θ}0}\sin \left(\frac{K_n\mathrm{\π}}{n_{\mathrm{\θ}}}\right)\·\sin \left(\frac{{2K}_n\mathrm{\π}}{L}s\right)+K_{1}l\\ {\mathrm{\φ}}_l\left(s\right)={-2\mathrm{\α}}_{\mathrm{\φ}0}\left(\frac{K_n\mathrm{\π}}{n_{\mathrm{\φ}}}\right)\·\cos \left(\frac{{2K}_n\mathrm{\π}}{L}s\right)+K_{1}l\end{array}\right.$

其中：α_θ0蛇体水平平面内正弦波的初始弯角，α_φ0蛇体垂直平面内正弦波的初始弯角，K_n是蛇体内传播波的正弦波个数，n_θ为垂直平面运动的关节模块数，n_φ为水平平面运动的关节模块数，L是蛇体长，s是尾部关节模块沿蛇形曲线轴线方向的虚位移，l是每一关节模块的长度，i代表任意一个关节模块，K₁是曲率。

本发明具有如下有益效果：

1.具有模块化、可变结构的特点。本发明模块化的设计使得每个关节模块结构相同，便于加工、制造、调试，同时也易于维护和更换。

2.改善了适应能力，扩大了应用范围。本发明可变结构的设计，使用户可以根据应用背景构造蛇形机器人的结构，扩展了蛇形机器人的适应能力和应用范围；如：本发明蛇形机器人适用于三维空间，而且也适用于平面运动方式，在平面运动时可以采用二维运动功能的蛇形机器人结构，避免了垂直运动部分的浪费。

附图说明

图1为单自由度的关节模块结构示意图。

图2为两个关节模块按相同方向连接的连接示意图。

图3-1为二维运动的蛇形机器人构形图。

图3-2为二维运动的蛇形机器人示意图。

图4-1为主控计算机与控制板控制8个关节模块实施例电控原理图。

图4-2为主控计算机、控制板、伺服控制器之间连接线路图。

图5为主控计算机的程序流程图。

图6-1为两个关节模块按相差90度方向连接的连接示意图。

图6-2为由多个关节模块按相差90度方向连接的三维运动的蛇形机器人示意图。

图7为二维运动结构与三维运动结构相结合的另一实施例蛇形机器人结构示意图。

具体实施方式

实施例1

由多个相同的单自由度的关节模块组成，每个单自由度的关节模块具有伺服控制器、活动板、连接板，所述关节模块通过活动板、连接板依次相连，其中所述关节模块如图1所示，包括连接板1、固定板2、伺服控制器3、转轴4、活动板5、仿蛇皮材料的底面7，所述底面7安装在活动板5的底部，活动板5为凵形，开口朝一侧，水平放置，其位于上、下方的两侧壁通过转轴4与伺服控制器3活动连接，活动板5可随转轴转动，伺服控制器3与固定板2相连接，固定板2为凵形，开口朝向与活动板5开口朝向相反，水平放置，底部与连接板1固连，至少由8个关节模块组成一个蛇形机器人，行走路线为S形；转轴4为关节模块的关节；

一个单自由度的关节模块与另一个单自由度的关节模块通过连接板1、活动板5相连，具体说是连接板1、活动板5上有四个对称分布的连接孔，通过螺丝可以将两个关节模块按相同方向连接起来，如图2、3-1、3-2所示。本实施例尺寸为640×36×60mm。

每个关节模块的伺服控制器3(通过三芯接插件)分别与控制板相连，再通过标准的RS232串口与主控计算机中控制程序信号相通；具体是每个关节模块有一个伺服控制器(为标准产品，型号为JR4721，产地为日本，也可自制)，其电器接口为三根线(控制信号、电源、地)，通过三芯接插件与控制板相连，由控制板控制(图1中标号6为来自伺服控制器3的接线)。其中：每个关节模块的电器接口相同，可以互换。

所述安装在活动板5下部的仿蛇皮材料底面7，具有横向磨擦系数和纵向磨擦系数相差很大的特性，其横向磨擦系数比纵向磨擦系数大10～100倍。

控制板为标准产品，型号为SSC II，一块控制板可以控制8个伺服控制器。主控计算机与控制板通过标准的RS232串口相连。

在本实施例中，采用一块控制板(分别接5V、9V电源)，通过8个伺服控制器3控制8个关节模块，其电控原理图如图4-1所示；主控计算机、控制板、伺服控制器之间具体的连接线路如图4-2所示。

如图5所示，所述主控计算机中控制程序，用于将每个关节模块的位置量传给控制板，由控制板将位置量分别送给相应的关节模块上的伺服控制器3，从而使由关节模块构成的蛇体实现多种运动方式；具体流程为：首先初始化，使每个关节模块的位置处于零位，让蛇体成一条直线，然后判断蛇体运动方式(平面蜿蜒运动、翻滚运动、侧动等)，根据运动方式计算每个关节模块的位置值，具体为：是平面蜿蜒运动时，则计算每个关节模块的位置值，向控制板传送每个关节模块的位置值；不是平面蜿蜒运动，再判断是翻滚运动否，是翻滚运动时，计算每个关节模块的位置值，向控制板传送每个关节模块的位置值；不是翻滚运动，再判断是否是侧动，是侧动，则计算每个关节模块的位置值，向控制板传送每个关节模块的位置值；然后再判断是否运动？结果为“是”，则返回重新判断关节模块运动方式；否则结束程序。其中：

1)平面蜿蜒运动：控制水平轴上关节模块的关节保持直线，而垂直轴上关节模块的关节呈正弦变化；采用的算法公式为：

${\mathrm{\θ}}_l\left(s\right)=-{2\mathrm{\α}}_0\sin \left(\frac{K_n\mathrm{\π}}{n}\right)\·\sin (\frac{{2K}_n\mathrm{\π}}{L}s+\frac{{2K}_n\mathrm{\π}}{n}i)+K_{1}l;$ 使每个做平面运动关节模块的转动位置呈正弦变化，相邻的、做平面运动的关节模块的转动位置相差一定的相位(如Л/4)。

其中：α₀是蛇体运动的初始弯角，K_n是在蛇体内传播的正弦波的个数，L是蛇体长，s是尾部关节模块沿蛇形曲线轴线方向的虚位移，l是每一关节模块的长度，i代表任意一个关节模块，K₁是曲率。

2)侧向运动：控制垂直轴上关节模块的关节和水平轴上关节模块的关节都呈正弦变化，两个曲线之间有一个相位差δφ；侧向运动采用的算法公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_l\left(s\right)=-{2\mathrm{\α}}_{\mathrm{\θ}0}\sin \left(\frac{K_n\mathrm{\π}}{n}\right)\·(\frac{{2k}_n\mathrm{\π}}{L}s+\frac{{2K}_n\mathrm{\π}}{n}i)+K_{1}l\\ {\mathrm{\φ}}_l\left(s\right)={-2\mathrm{\α}}_{\mathrm{\φ}0}\sin \left(\frac{K_n\mathrm{\π}}{n}\right)\·\sin (\frac{{2K}_n\mathrm{\π}}{L}s+\frac{{2K}_n\mathrm{\π}}{n}i+\mathrm{\δ\φ})+K_{1}l\end{array}\right.;$

其中：α_θ0蛇体水平平面内正弦波的初始弯角，α_φ0蛇体垂直平面内正弦波的初始弯角，K_n是蛇体内传播正弦波的个数，n_θ为垂直平面运动的关节模块数，n_φ为水平平面运动的关节模块数，L是蛇体长，s是尾部关节模块沿蛇形曲线轴线方向的虚位移，l是每一关节模块的长度，i代表任意一个关节模块，δφ为两个关节模块运动曲线的相位差，K₁是曲率；

3)翻滚运动：控制垂直轴上关节模块的关节和水平轴上关节模块的关节变化，使其每一方向的关节运动的角度沿蛇体轴线无变化，垂直轴与水平轴构成的两个互相垂直平面内的一段弧的合成作用使整个蛇体处于力不平衡状态，两个曲线之间有一个相位差为π/2；所述翻滚运动采用的算法公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_l\left(s\right)={-2\mathrm{\α}}_{\mathrm{\θ}0}\sin \left(\frac{K_n\mathrm{\π}}{n_{\mathrm{\θ}}}\right)\·\sin \left(\frac{{2K}_n\mathrm{\π}}{L}s\right)+K_{1}l\\ {\mathrm{\φ}}_l\left(s\right)={2\mathrm{\α}}_{\mathrm{\φ}0}\sin \left(\frac{K_n\mathrm{\π}}{n_{\mathrm{\φ}}}\right)\·\cos \left(\frac{{2K}_n\mathrm{\π}}{L}s\right)+K_{1}l\end{array}\right.;$

其中：α_θ0蛇体水平平面内正弦波的初始弯角，α_φ0蛇体垂直平面内正弦波的初始弯角，K_n是蛇体内传播波的正弦波个数，n_θ为垂直平面运动的关节模块数，n_φ为水平平面运动的关节模块数，L是蛇体长，s是尾部关节模块沿蛇形曲线轴线方向的虚位移，l是每一关节模块的长度，i代表任意一个关节模块，K₁是曲率。

主控计算机与控制板之间通过RS232串口将每个关节模块的位置量传给控制板，位置量的数据传送方法是：第一个字节为同步字(255)，第二个字节为关节模块号(0-7)，第三个字节为位置值(0-254)，例如，让第二个关节模块位置为45度，应送255，1，63，由控制板将位置量分别送给相应的关节模块，从而使本发明蛇形机器人实现各种运动。其中：平面蜿蜒运动包括转向、前进或后退。

实施例2

所述多个单自由度的关节模块，按应用的需要，都可互换，组成许多种结构的蛇形机器人，如图6-1、6-2所示，通过螺丝采用活动板5、连接板1将每个单自由度的关节模块按相邻的关节模块方向差90度、间隔的两个关节模块方向相同的方式连接，构成三维运动的蛇形机器人；运动方式亦为平面蜿蜒运动、翻滚运动、侧动等。

实施例3

本发明还可以组成三维运动与二维运动相结合的结构，如前部是三维运动，后部是二维运动的蛇形机器人结构，或后部是三维运动，前部是二维运动的蛇形机器人结构，或前后部是三维运动，中部是二维运动的蛇形机器人结构；本实施例采用前部是三维运动，后部是二维运动的蛇形机器人结构，如图7所示，运动方式亦为平面蜿蜒运动、翻滚运动、侧动等。

上列详细说明是针对本发明之可行实施例的具体说明，并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更如组合成其它结构的蛇形机器人，均应包含于本申请案的专利保护范围中。

Claims (7)

1.一种模块化可变结构蛇形机器人，由多个相同结构的关节模块组成，每个关节模块为单自由度，具有伺服控制器、活动板、连接板，所述关节模块通过活动板、连接板依次相连，还包括控制板、主控计算机，每个关节模块的伺服控制器分别与控制板相连，再通过标准的RS232串口与主控计算机中控制程序信号相通；其特征在于：通过相邻关节模块方向差至少有一个为90度的连接方式构成三维运动蛇体结构。

2.按照权利要求1所述模块化可变结构蛇形机器人，其特征在于：所述关节模块按相邻的关节模块方向差90度方式首尾依次连接，而相间隔的两个关节模块方向相同，构成三维运动结构。

3.按照权利要求1所述模块化可变结构蛇形机器人，其特征在于：关节模块连接结构为二维运动结构与三维运动结构相结合方式，即所述一部分关节模块按方向相同的方式首尾依次连接，构成二维运动结构；所述另一部分关节模块按相邻的关节模块方向差90度方式首尾依次连接，而相间隔的两个关节模块方向相同，构成三维运动结构。

4.按照权利要求1所述模块化可变结构蛇形机器人，其特征在于：所述主控计算机中控制程序，用于将每个关节模块的位置量传给控制板，由控制板将位置量分别送给相应的关节模块上的伺服控制器，从而使由关节模块构成的蛇体实现多种运动方式；具体流程为：首先初始化，使每个关节模块的位置处于零位，让蛇体成一条直线，然后判断蛇体运动方式，根据运动方式计算每个关节模块的位置值，具体为：是平面蜿蜒运动时，计算每个关节模块的位置值，向控制板传送每个关节模块的位置值；不是平面蜿蜒运动，再判断是翻滚运动否，是翻滚运动时，计算每个关节模块的位置值，向控制板传送每个关节模块的位置值；不是翻滚运动，再判断是否是侧动，是侧动，则计算每个关节模块的位置值，向控制板传送每个关节模块的位置值；然后再判断是否运动？结果为“是”，则返回重新判断关节模块运动方式；否则结束程序。

5.按照权利要求4所述模块化可变结构蛇形机器人，其特征在于：所述平面蜿蜒运动是控制水平轴上关节模块的关节保持直线，而垂直轴上关节模块的关节呈正弦变化；采用的算法公式为：

${\mathrm{\θ}}_i\left(s\right)=-{2\mathrm{\α}}_0\sin \left(\frac{K_n\mathrm{\π}}{n}\right)\·\sin (\frac{{2K}_n\mathrm{\π}}{L}s+\frac{2K_n\mathrm{\π}}{n}i)+K_{1}l;$

其中：α₀是蛇体运动的初始弯角，K_n是在蛇体内传播的正弦波的个数，L是蛇体长，s是尾部关节模块沿蛇形曲线轴线方向的虚位移，l是每一关节模块的长度，i代表任意一个关节模块，K₁是曲率。

6.按照权利要求4所述模块化可变结构蛇形机器人，其特征在于：所述侧向运动是控制垂直轴上关节模块的关节和水平轴上关节模块的关节都呈正弦变化，两个曲线之间有一个相位差δφ；侧向运动采用的算法公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_i\left(s\right)=-{2\mathrm{\α}}_{\mathrm{\θ}0}\sin \left(\frac{K_n\mathrm{\π}}{n}\right)\·\sin (\frac{K_n\mathrm{\π}}{L}s+\frac{{2K}_n\mathrm{\π}}{n}i)+K_{1}l\\ {\mathrm{\φ}}_i\left(s\right)=-{2\mathrm{\α}}_{\mathrm{\φ}0}\sin \left(\frac{K_n\mathrm{\π}}{n}\right)\·\sin (\frac{{2K}_n\mathrm{\π}}{L}s+\frac{{2K}_n\mathrm{\π}}{n}i+\mathrm{\δ\φ})+K_{1}l\end{array}\right.;$

其中：α_θ0蛇体水平平面内正弦波的初始弯角，α_φ0蛇体垂直平面内正弦波的初始弯角，K_n是蛇体内传播正弦波的个数，n_θ为垂直平面运动的关节模块数，n_φ为水平平面运动的关节模块数，L是蛇体长，s是尾部关节模块沿蛇形曲线轴线方向的虚位移，l是每一关节模块的长度，i代表任意一个关节模块，δ为两个关节模块运动曲线的相位差，K₁是曲率。

7.按照权利要求4所述模块化可变结构蛇形机器人，其特征在于：所述翻滚运动是控制垂直轴上关节模块的关节和水平轴上关节模块的关节变化，使其每一方向的关节运动的角度沿蛇体轴线无变化，垂直轴与水平轴构成的两个互相垂直平面内的一段弧的合成作用使整个蛇体处于力不平衡状态，两个曲线之间有一个相位差为π/2；所述翻滚运动采用的算法公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_i\left(s\right)=-{2\mathrm{\α}}_{\mathrm{\θ}0}\sin \left(\frac{K_n\mathrm{\π}}{n_{\mathrm{\θ}}}\right)\·\sin \left(\frac{{2K}_2\mathrm{\π}}{L}s\right)+K_{1}l\\ {\mathrm{\φ}}_i\left(s\right)=-2{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\φ}0}\sin \left(\frac{K_n\mathrm{\π}}{n_{\mathrm{\φ}}}\right)\·\cos \left(\frac{{2K}_n\mathrm{\π}}{L}s\right)+K_{1}l\end{array}\right.;$

其中：α_θ0蛇体水平平面内正弦波的初始弯角，α_φ0蛇体垂直平面内正弦波的初始弯角，K_n是蛇体内传播波的正弦波个数，n_θ为垂直平面运动的关节模块数，n_φ为水平平面运动的关节模块数，L是蛇体长，s是尾部关节模块沿蛇形曲线轴线方向的虚位移，l是每一关节模块的长度，i代表任意一个关节模块，K₁是曲率。

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