CN203920959U - 蚯蚓式爬行机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种蚯蚓式爬行机器人。所述的机器人包括一个中间模块和位于中间模块两端的两个端部模块，以及连接中间模块和端部模块的两个可伸缩段。机器人通过电磁铁产生的电磁力驱动，采用液压机构作为传动装置，从而实现机器人相关结构的屈伸。机器人爬行中，橡胶外皮与其所在平面接触，提供前进所需的摩擦力。控制电磁铁带动的液压机构，协调可伸缩段的伸缩方式，可以满足机器人直线爬行，转向，障碍应对等功能。机器人可加载通讯模块以及控制模块，进行测距以及遥控。本实用新型具有灵活性好，运动平稳，高动力性能，适应性强的特点，能够实现多种路况的运动，可应用于仿生学研究和多种环境勘测。

Description

蚯蚓式爬行机器人

技术领域

本实用新型涉及一种以蚯蚓的运动方式进行爬行的机器人。具体涉及一种机器人，通过电磁铁产生的电磁力驱动，采用液压机构作为传动装置，从而实现机器人相关结构的屈伸。机器人爬行中，橡胶外皮与其所在平面接触，提供前进所需的摩擦力。

背景技术

近年来，仿生学是现代科技发展中的及其重要的一部分。人们通过研究一些动物的运动方式，从中汲取灵感，并将其与用到设计之中，从而解决一些生活当中的问题。

蚯蚓的运动方式非常独特。这种环节动物可以进行躯体伸缩，并通过各个环节有规律的伸缩实现运动。蚯蚓的身上遍布刚毛，当其部分环节与地面接触时，便能够通过刚毛增大这些环节与地面间的摩擦力，保证其躯体伸缩时不会打滑。

通过效仿蚯蚓的运动方式而设计出来的机器人拥有一定的实用价值。这种机器人可以在平面及管道中爬行，并且克服一定大小的阻力作用。通过其特殊的运动方式，可以在绝大多数路况环境(包括沙地，泥地，斜坡等)实现运动功能。在遇到障碍物时，该机器人可以提供平面力，具有一定的挣脱能力。因此蚯蚓机器人胜任人难以踏足的环境(例如管道，洞穴)的遥控勘测工作。

目前已经研制出几种不同的蚯蚓式爬行机器人，机器人所依据的原理也各有所不同。通过传统机械元件，例如电机驱动连杆的蚯蚓机器人，在运动过程中存在比较大的冲击，并且不易实现灵活的转向功能。此外还有通过记忆合金励磁方式驱动的蚯蚓机器人，但是其本身机体太轻，且动力性能有所不足。

发明内容

本实用新型提供一种通过电磁力及液压机构，实现具有平面直线运动及转向功能的，并能够提供一定工作动力的蚯蚓式爬行机器人。该机器人具有灵活性好，运动平稳，高动力性能，适应性强的特点，能够实现多种路况(包括沙地，泥地，斜坡等)的运动，并具有遥控和勘测的功能。

实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种蚯蚓式爬行机器人，其特征在于，所述的机器人包括一个中间模块和位于中间模块两端的两个端部模块，以及连接中间模块和端部模块的两个可伸缩段；

所述的中间模块包括：一个环形的中间电磁铁15套装在中间套筒14内，中间磁铁15的两侧有两个后液缸5固定，两个前液缸18与后液缸5连接；

两个端部模块具有相同结构，每个端部模块包括：一个端部电磁铁11，其两侧由后液缸5和电池套筒7固定，后液缸5与前液缸18配合连接，电池10装在电池套筒7内；

一个端部模块的顶端安装有尾套筒9，蓝牙模块8设置于尾套筒9内；另一个端部模块的顶端安装有电子元器件套筒1，一个处理电路模块19安装于电子元器件套筒1内，两个端部模块上的电池10相互串联；

在中间模块和端部模块的每个后液缸中，分别设置了一块移动电磁铁6，一个缓冲垫圈4置于移动电磁铁6和后液缸5之间；

所述的可伸缩段位于中间模块和端部模块之间，每个可伸缩段包括：一根两端由挡圈12卡住的龙骨弹簧13，挡圈12分别固定在两两相对前液缸18上，8根伸缩软管16单向开口，开口端与前液缸18的通孔相连，闭口端与相对的前液缸的沉孔相配合，伸缩软管16也用挡圈定位在前液缸18上；

两个端部模块由两块端部接触外皮2包覆，中间模块由中间接触外皮包覆，中间接触外皮与端部接触外皮中间通过伸缩外皮21相连。

机器人的外皮的最上部位还设有上翘弹簧17。

所述的伸缩软管为折叠管。

所述的龙骨弹簧长度为弹簧压紧至最短状态与拉伸至最长状态时长度的平均值。

所述的电磁铁无特定规格，本实用新型专利所采用电磁铁的参考兴达电器XDA型磁铁，其型号格式：XDA‐直径(mm)/长度(mm)。其中，移动电磁铁6型号为XDA‐38/10，端部电磁铁11型号为XDA‐49/20，中间电磁铁15型号为XDA‐50/30，工作电压均为12V左右，电流0.07A。一对互相作用的磁铁之间可以提供30N左右的最大吸力或斥力。

所述的沟槽为内部电子元器件所需用的导线的沟槽。

本蚯蚓式爬行机器人通过电磁铁提供动力，电磁铁可以定制。其中利用到不同型号的电磁铁，按从小到大的方式排序分别为移动电磁铁、端部电磁铁、中间电磁铁。其中移动电磁铁用于驱动液压机构，一共有4块移动电磁铁，每两块分别负责一块伸缩结构。

机器人拥有两块串联的电池，给电磁铁及其他电子元件供电。

移动电磁铁由于缓冲要求，需要在其后设置缓冲垫圈4。由于其运动时挤压液体，因此要采用密封，方式不限。本设计拟采用天然胶乳制的隔膜，做成杯状，边沿粘结于前液缸上，并由后液缸)螺旋连接时压紧粘结部分，留有一定伸缩量，使磁铁可以伸缩。

所有套筒件材料均为ABS工程塑料，之间通过粗牙螺纹连接。螺纹处由图7打圈处所示。

接触外皮采用TPU橡胶，要求进行纹路勾勒，并且设有安装配重，以及缓冲牙的部分，大致如图1示。伸缩软管采用TPE橡胶，要求做成折叠管，可伸缩，需保证最多4倍长度差距的无内力弹性伸缩。伸缩外皮采用TPR橡胶，要求做成折叠管，可伸缩，需保证最多4倍长度差距的无内力弹性伸缩。

机器人中所有弹簧原长都为各个伸缩段的最短与最长状态的平均值，材料都为热轧弹簧钢。

缓冲垫圈4的材料为聚氨酯软发泡橡胶。

零件的装配方式见图2,3,4,5,7,9。零件中设计了进行走线的沟槽结构，其对齐方式见图8。

有益效果

本发明采用上述技术方案，与现有蚯蚓式爬行机器人技术相比具有如下优点：

1.本发明的机器人采用电磁铁驱动，可以提供非常可观的动力，从而应对工作中遇到的诸多障碍及紧急情况。

2.本发明的机器人安置了多种缓冲装置，接触外皮采用的TPR橡胶属于弹性材料，可以吸收运动过程中的冲击。

3.本发明的机器人具有安置配重结构，可以按照不同的工作环境进行配重调整，调节运动性能，并且保证机器人的稳定性，不至于倾翻。

4.本发明的机器人安装蓝牙，可以进行遥控以及测距。

5.本发明的机器人通过液压系统传动，可以较为精确的控制伸缩量，满足控制需求。

6.本发明的机器人安置的上翘弹簧，在伸缩段伸长时提供拉力，导致移动段翘起一定的距离，提高运动的效率。

附图说明

图1是本发明的立体图。

其中：2：端部接触外皮，3：中间接触外皮，17：上翘弹簧，21：伸缩外皮。

图2是本发明的装配图主视图，视图由于效果要求隐藏了螺钉20以及伸缩外皮21。

其中，1：电子元器件套筒，2：端部接触外皮，3：中间接触外皮，4：缓冲垫圈，5：后液缸，6：移动电磁铁，7:电池套筒，8：蓝牙模块，9：尾套筒，10：电池，11：端部电磁铁,12：挡圈，13：龙骨弹簧，14：中间套筒，15：中间电磁铁，16：伸缩软管，17：上翘弹簧，18：前液缸，19：处理电路模块。

图3是本发明的装配图上视图。

其中，2：端部接触外皮，3：中间接触外皮，17：上翘弹簧，21：伸缩外皮。

图4是本发明的装配图中伸缩段伸缩方向的向视图。

其中，2：端部接触外皮，5：后液缸，12：挡圈，13：龙骨弹簧，17：上翘弹簧，20：螺钉。

图5是本发明伸缩部分与移动磁铁部分的局部放大图。

其中，4：缓冲垫圈，5：后液缸，6：移动电磁铁，12：挡圈，13：龙骨弹簧，16：伸缩软管，18：前液缸。

图6是本发明中套筒连接示意图，螺纹联接处已经用粗线标出。

其中：设计螺纹连接的部件有：1：电子元器件套筒，5：后液缸，7:电池套筒，9：尾套筒，18：前液缸。

此外，图中其他零件：4：缓冲垫圈，6：移动电磁铁，12：挡圈，19：处理电路模块。

图7是本发明机器人去除外皮的立体图，由图可见为走线所设计的沟槽结构，由虚线标注出。

其中：1：电子元器件套筒，5：后液缸，7:电池套筒，14：中间套筒，18：前液缸。

图8是本发明装配图中前液缸处剖开的剖视图，给出软管，螺钉的参考安装方式，以及沟槽的参考宽度。

其中：14：中间套筒，18：前液缸。

图9为本发明中前液缸18的立体图，方便读者进行外形参考。

图10为本发明机器人爬行的过程示意图。其中，从一端至另一端分别将不可伸缩段定为A,B,C。由上自下四个步骤，表现出机器人的运动方式，在下一节中有详细的说明。

图11为本发明机器人转向的简要示意图。X为沿运动方向的前一节不可伸缩段，Y为沿运动方向的后一节不可收缩段。中间的折线表示龙骨弹簧，用于结构的稳固，两端的折线表示伸缩不同的软管，体现其转向的原理，在下一节有详细说明。

具体实施方式

下面结合附图、具体实施方式及实施例对本发明作进一步阐述：

如图5所示，为伸缩部分与移动磁铁部分的局部放大图。安装时，将8个伸缩软管16、1个龙骨弹簧13与2个前液缸18配合。伸缩软管16单向开口，开口端与前液缸18的通孔相连，闭口端配对相对的前液缸件18的沉孔。将龙骨弹簧13用两个挡圈12卡住两段，再将挡圈件12利用4个螺钉20分别固定到各自的前液缸上。像前液缸中注入所需液压液体，之后利用天然胶乳隔膜进行密封，将移动电磁铁6与缓冲垫圈4依次放入，将电路线从开槽中引出，最后将后液缸5与前液缸18螺纹连接。如是，进行两部分伸缩段的连接。

安装时，首先将端部电磁铁11置入，之后配合后液缸5，将电池套筒件7螺旋安装并顶住磁铁。再将电池放入，以同样的方法装入尾套筒9。之后将电子元器件蓝牙模块8与处理电路模块19装入，通过电子元器件套筒1以同方式装入后抵住。如是，安装两块端部不可伸缩部分内部结构。整个过程中，保证引线，并且保证开槽连在一起。

以类似方法，对中间不可伸缩部分内部结构进行安装，将中间电磁铁15置于两块已经做好的内部结构部分之间，并且通过中间套筒14将其相连。同理，整个过程中，保证引线，并且保证开槽连在一起。值得注意的是，需留意安装电磁铁的正相工作方向。

之后将接触外皮2,3及伸缩外皮21装入固定位置，并进行胶合。最后将上翘弹簧17胶合至合适的工作位置。至此安装完成。

图8是本发明装配图中前液缸处剖开的剖视图，给出软管，螺钉的参考安装方式，以及沟槽的参考宽度。

机器人的工作方式如下：

1.伸缩段的伸长与缩短：首先给固定不动的电磁铁通电，产生磁场方向同向，以便之后的控制。接下来，给移动磁铁通电，依照环境磁场，在伸长时产生导致斥力的磁场，缩短时导致产生吸力的磁场，从而实现移动磁铁的移动，带动液缸中的液体，实现伸缩软管，即整个伸缩段的伸长及缩短。

2.机器人的直线爬行：以图10为例，从一端至另一端分别将不可伸缩段定为A,B,C。第一步，A,B之间的伸缩段伸长，A移动，B,C不动。第二步，A,B之间的伸缩段缩短，B,C之间的伸缩段伸长，B向A的方向移动，A,C不动。第三步，B,C之间的伸长段缩短，C向A,B方向移动，A,B不动。移动的全程如图11所示。运动过程中满足伸缩力大于移动不可伸缩段与地面之间的静摩擦力，且小于不运动的不可伸缩段静摩擦力之合

3.机器人的转向：图9所示为前液缸的结构可知，安装之后，一个伸缩段中每一侧各有4个伸缩软管，且受控于不同的电磁铁。因此，转向时，利用两侧软管的伸缩量不同，产生弧度，如图11所示。整个过程中，龙骨弹簧保证软管形变有序。过程中所满足的力学条件与工作方式2一致。

4.障碍应对功能：对于障碍，机器人可以通过运行中的测距功能进行检测，之后，进行应对尝试。应对时，机器人伸缩段同时伸长及缩短，尝试挪动障碍，或进行挣脱。期间，给予最大的许用工作电压。

5.配重：机器人在转向和运动过程中需要配重，配重调整方式由实际情况而定，实现增加摩擦力以及稳定机体的结构。安装配重后，机器人不易倾翻，且由于增加了摩擦力，能够允许更大的工作动力。

机器人的控制通过处理电路与通讯设备完成，具体控制方式由实际情况而定。

实施例：

实施环境：平面上的长1M，15°弧形KD板跑道，尾端有1块0.5kg小物块。

工作目的：使蚯蚓式爬行机器人在3kg的负重下沿跑道爬行，并最后顶开小物块。

工作参数：实验用蚯蚓式爬行机器人的磁铁为XDA兴达电器生产的电磁铁，移动电磁铁型号为XDA‐38/10，端部电磁铁型号为XDA‐49/20，中间电磁铁型号为XDA‐50/30，工作电压均为12V。2块电池串联，提供总电压14.4V，最大输出功率大于50W。据计算，伸缩段提供最大伸缩力大小为30N。机器人的长度变化范围：30cm至42cm。

工作过程：蚯蚓式爬行机器人原重2公斤，对机器人进行配重，总配重为3公斤。KD板与机器人之间的摩擦系数约为0.6，机器人每一块不可伸缩段与地面的摩擦力为10N，因此提供满足伸缩力15N的PWM波进行爬行过程控制。通电后，进行预运行，检测个工作部件状态，得出正常的结果，再控制机器人伸缩段使之全长缩为最短，进入预备状态。之后按照工作方式2,3所述，使机器人沿铺设轨道爬行，转角控制在5～20°之间，工作状态稳定。经过30秒，机器人抵达终点。此时机器人按照工作方式4所述，现将长度缩短，最后双向伸长，满足伸缩力30N，成功将小物块顶出约0.7M的距离。

Claims (4)

1.一种蚯蚓式爬行机器人，其特征在于，所述的机器人包括一个中间模块和位于中间模块两端的两个端部模块，以及连接中间模块和端部模块的两个可伸缩段；

所述的中间模块包括：一个环形的中间电磁铁套装在中间套筒内，中间磁铁的两侧有两个后液缸固定，两个前液缸与后液缸连接；

两个端部模块具有相同结构，每个端部模块包括：一个端部电磁铁，其两侧有后液缸和电池套筒固定，后液缸与前液缸配合连接，电池装在电池套筒内；

一个端部模块的顶端安装有尾套筒，蓝牙模块设置于尾套筒内；另一个端部模块的顶端安装有电子元器件套筒，一个处理电路模块安装于电子元器件套筒内，两个端部模块上的电池相互串联；

在中间模块和端部模块的每个后液缸中，分别设置了一块移动电磁铁，一个缓冲垫圈置于移动电磁铁和后液缸之间；

所述的可伸缩段位于中间模块和端部模块之间，每个可伸缩段包括：一根两端由挡圈卡住的龙骨弹簧，挡圈分别固定在两两相对前液缸上，根伸缩软管单向开口，开口端与前液缸的通孔相连，闭口端与相对的前液缸的沉孔相配合，伸缩软管也用挡圈定位在前液缸上；

两个端部模块由两块端部接触外皮包覆，中间模块由中间接触外皮包覆，中间接触外皮与端部接触外皮中间通过伸缩外皮相连。

2.如权利要求1所述的一种蚯蚓式爬行机器人，其特征在于，机器人的外皮的最上部位设有上翘弹簧。

3.如权利要求1所述的一种蚯蚓式爬行机器人，其特征在于，所述的伸缩软管为折叠管。

4.如权利要求1所述的一种蚯蚓式爬行机器人，其特征在于，所述的龙骨弹簧长度为弹簧压紧至最短状态与拉伸至最长状态时长度的平均值。