CN208614784U - 一种拉线控制式蛇形机器人 - Google Patents
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Abstract
一种拉线控制式蛇形机器人涉及蛇形机器人技术领域，包括多个机器人控制器和蛇体单元节，每段蛇体单元节包括壳体、由行走总成和驱动总成构成的蛇体模块、多根拉线和十字轴关节；十字轴关节绕各自销轴实现水平和竖直两个方向旋转，所有蛇体模块间通过十字轴关节首尾顺次串联，各个蛇体模块均配备独立的驱动装置；多根拉线圆周对称布置在十字轴关节外侧，拉线的后端与后一个蛇体模块内部的驱动装置依次对应连接，拉线的前端与前一个蛇体模块连接；通过控制多根拉线的长度，即可实现十字轴关节的两个方向转动角度。本实用新型增强了单个关节的空间运动能力，驱动装置分散置于各个蛇体模块内部，使关节间耦合控制简单，避免了质量集中蛇尾。
Description
技术领域
本实用新型涉及蛇形机器人技术领域，具体涉及一种拉线控制式蛇形机器人。
背景技术
蛇形机器人是以生物蛇为仿生原型的一种智能机器人，其独特的细长形体结构及其独特运行方式越来越受到当代工业的青睐。此种机器人的超冗余自由度特性使其具备较大柔性和灵活性，改变自身的关节角度实现各种步态方式爬行，爬行过程中大部分机体均与地面接触而使重心低，具备较强的运动稳定性，能够适应狭小危险复杂的地形环境去完成不同的工作任务。因此，被广泛应用到科学探险、救灾抢险、生命搜寻等多个领域，具有广泛的应用前景。
目前，国内外已经研制出多种类型的蛇形机器人，虽然整体机都具备三维空间运动能力，但机器人的单个连接关节通常只有一个自由度只能实现二维空间运动，关节驱动多采用舵机减速器齿轮组等机构且置于关节内部，造成关节结构设计过于复杂，响应偏慢，效率较低。并且，部分蛇形机器人在进行蛇抬头动作时，面临关节转矩动力不足的缺点。其他拉线控制形式的蛇形机器人，驱动装置集中布置在最后一个蛇体模块，即蛇尾部分，造成机器人尾部过重，质量分布不均，影响运动平稳性。
实用新型内容
为了解决现有拉线控制式蛇形机器人因驱动装置集中布置在蛇尾而造成机器人尾部过重，质量分布不均，影响运动平稳性的技术问题，本实用新型提供一种拉线控制式蛇形机器人。
本实用新型解决技术问题所采取的技术方案如下：
一种拉线控制式蛇形机器人，包括多个机器人控制器和多段蛇体单元节，每段蛇体单元节包括壳体、由行走总成和驱动总成构成的蛇体模块、多根拉线和十字轴关节；行走总成通过螺钉固连在壳体的外圆表面上，驱动总成中的安装环座和紧固环座通过螺钉固连在壳体的内圆表面上，十字轴关节的前布线圆盘、后布线圆盘分别通过螺钉固连在壳体的两端；多根拉线等圆周布置在十字轴关节的外侧，每根拉线均穿过前布线圆盘和后布线圆盘上的布线孔；多根拉线的后端分别通过锁定头与驱动总成中的多个驱动装置的动端一一对应固连，多根拉线的前端分别通过预紧螺母固连在十字轴关节的前布线圆盘上。
上述行走总成包括多个被动轮、多个长条状轮架、多个套筒和两个环状轮架，环状轮架由多个带有连接耳的弧形段合围构成，环状轮架通过多个螺钉固连在壳体上；每个被动轮夹在两个长条状轮架之间，并与其转动连接；两个长条状轮架的两端分别通过两个套筒分隔开，并通过两个铆钉与两个环状轮架的弧形段铆接在一起。
上述驱动总成包括安装环座、多个驱动装置、电池托架、紧固环座、三个电路板、三组短套筒和电池；多个驱动装置的后端通过多个螺钉与安装环座固连，多个驱动装置的前端对应穿过紧固环座的通孔后，通过锁定头与多个拉线一一对应固连；多个螺栓将电池托架、紧固环座、三个电路板、三组短套筒顺次串联后与螺母固连；电池安装在电池托架内。
上述所述驱动装置为直流电机电动推杆。
上述十字轴关节包括后锁紧螺母、后布线圆盘、后U型连杆、十字方块、四个短销轴、四个滑动轴承回转副、前U型连杆、前布线圆盘和前锁紧螺母；后U型连杆通过两个短销轴和两个滑动轴承回转副的配合转动连接于十字方块左右两侧面的中心位置，前U型连杆通过另外两个短销轴和两个滑动轴承回转副的配合转动连接于十字方块上下两侧面的中心位置，后U型连杆和前U型连杆位于十字方块的前后两侧呈十字正交方向布置；后U型连杆的外圆螺纹与后布线圆盘的内圆螺纹连接，后锁紧螺母的外圆螺纹与后布线圆盘的内圆螺纹连接，三者旋紧后，后U型连杆与后锁紧螺母之间形成对顶力；前U型连杆的外圆螺纹与前布线圆盘的内圆螺纹连接，前锁紧螺母的外圆螺纹与前布线圆盘的内圆螺纹连接，三者旋紧后，前U型连杆与前锁紧螺母之间形成对顶力。
上述壳体为圆柱筒状结构，其上设有多个后布线盘连接孔、多个环状轮架和安装环座连接孔、多个紧固环座连接孔、多个环状轮架连接孔和多个前布线盘连接孔，后布线圆盘通过螺钉和后布线盘连接孔与壳体固连，安装环座通过螺钉及环状轮架和安装环座连接孔与壳体固连，紧固环座通过螺钉和紧固环座连接孔与壳体固连，环状轮架通过螺钉及环状轮架和安装环座连接孔、环状轮架连接孔与壳体固连，前布线圆盘通过螺钉和前布线盘连接孔与壳体固连。
上述拉线的数量为至少三根。
本实用新型的有益效果如下：
1、采用两个自由度的十字轴关节更加接近生物蛇关节的仿生性，以实现单个关节三维工作空间运动并简化结构，降低设计制造维修成本。
2、关节的两个方向转动采用多根拉线驱动，大幅度提高关节动力输入。
3、驱动装置分散置于各个蛇体模块内部，使整个蛇形机器人质量分布均匀，提高其越障避障、爬行等运动能力；以此，各个十字轴关节转动能够进行独立控制，多个关节之间耦合控制简单可靠。
4、驱动装置、电路板、电池、连接件等零部件均置于蛇体模块内部，结构紧凑；蛇体模块与十字轴关节可构成一体单元，根据实际工作要求，可增加或减少单元数量，具备模块化设计单一性、互换性等优点。
附图说明
图1是本实用新型一种拉线控制式蛇形机器人将中间段蛇体单元节的壳体和行走总成去掉一半之后的结构示意图。
图2是本实用新型中的壳体结构示意图。
图3是本实用新型中的拉线和十字轴关节的结构示意图。
图4是本实用新型中的十字轴关节的爆炸结构示意图。
图5是本实用新型中的驱动总成的爆炸结构示意图。
图6是本实用新型中的行走总成的结构示意图。
图7是本实用新型一种拉线控制式蛇形机器人的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明。
如图1至图7所示，本实用新型一种拉线控制式蛇形机器人，包括多个机器人控制器和多段蛇体单元节，机器人控制器按照文献【Hirose S.Biologically inspiredrobots:snake-like locomotors and manipulators[M].Oxford:Oxford UniversityPress,1993.】中Hirose提出的Serpenoid曲线运动规律控制机器人的多段蛇体单元节协同摆动，使得蛇身发生S型蠕动变化，产生前进及转向的动力，进而使蛇形机器人在地面爬行。每段蛇体单元节包括壳体1、由行走总成2和驱动总成3构成的蛇体模块、多根拉线5和十字轴关节6；行走总成2通过螺钉固连在壳体1的外圆表面上，驱动总成3中的安装环座3-2和紧固环座3-6通过螺钉固连在壳体1的内圆表面上，十字轴关节6的前布线圆盘6-8、后布线圆盘6-2分别通过螺钉固连在壳体1的两端；多根拉线5等圆周布置在十字轴关节6的外侧，每根拉线5均穿过前布线圆盘6-8和后布线圆盘6-2上的布线孔；多根拉线5的后端分别通过锁定头4与驱动总成3中的多个驱动装置3-3的动端一一对应固连，多根拉线5的前端分别通过预紧螺母7固连在十字轴关节6的前布线圆盘6-8上。
行走总成2包括多个被动轮2-1、多个长条状轮架2-2、多个套筒2-3和两个环状轮架2-5，环状轮架2-5由多个带有连接耳的弧形段合围构成，环状轮架2-5通过多个螺钉固连在壳体1上；每个被动轮2-1夹在两个长条状轮架2-2之间，并与其转动连接；两个长条状轮架2-2的两端分别通过两个套筒2-3分隔开，并通过两个铆钉2-4与两个环状轮架2-5的弧形段铆接在一起。为了满足使用环境需要，改变环状轮架2-5的弧长，即可在壳体1的外圆周上阵列布置多组被动轮2-1，以改变蛇体模块与地面接触的径向与法向摩擦系数比，使整个蛇身在摆动过程中实现爬行。
驱动总成3包括安装环座3-2、多个驱动装置3-3、电池托架3-5、紧固环座3-6、三个电路板3-7、三组短套筒3-8和电池3-10；多个驱动装置3-3的后端通过多个螺钉3-1与安装环座3-2固连，多个驱动装置3-3的前端对应穿过紧固环座3-6的通孔3-6-1后，通过锁定头4与多个拉线5一一对应固连；多个螺栓3-4将电池托架3-5、紧固环座3-6、三个电路板3-7、三组短套筒3-8顺次串联后与螺母3-9固连；电池3-10安装在电池托架3-5内。驱动装置3-3采用浙江雷科NKLA22型号微型直流电机电动推杆，具备输出距离和速度的检测反馈功能，实时检测输出量。三组短套筒3-8用于分隔三块电路板3-7，防止三块电路板3-7相互接触而产生短路。
十字轴关节6包括后锁紧螺母6-1、后布线圆盘6-2、后U型连杆6-3、十字方块6-4、四个短销轴6-5、四个滑动轴承回转副6-6、前U型连杆6-7、前布线圆盘6-8和前锁紧螺母6-9；后U型连杆6-3通过两个短销轴6-5和两个滑动轴承回转副6-6的配合转动连接于十字方块6-4左右两侧面的中心位置，前U型连杆6-7通过另外两个短销轴6-5和两个滑动轴承回转副6-6的配合转动连接于十字方块6-4上下两侧面的中心位置，后U型连杆6-3和前U型连杆6-7位于十字方块6-4的前后两侧呈十字正交方向布置；以此，前U型连杆6-7绕着各自短销轴6-5相对后U型连杆6-3实现水平和竖直两个方向旋转。后U型连杆6-3的外圆螺纹与后布线圆盘6-2的内圆螺纹连接，后锁紧螺母6-1的外圆螺纹与后布线圆盘6-2的内圆螺纹连接，三者旋紧后，后U型连杆6-3与后锁紧螺母6-1之间形成对顶力；前U型连杆6-7的外圆螺纹与前布线圆盘6-8的内圆螺纹连接，前锁紧螺母6-9的外圆螺纹与前布线圆盘6-8的内圆螺纹连接，三者旋紧后，前U型连杆6-7与前锁紧螺母6-9之间形成对顶力。
壳体1为圆柱筒状结构，其上设有多个后布线盘连接孔1-1、多个环状轮架和安装环座连接孔1-2、多个紧固环座连接孔1-3、多个环状轮架连接孔1-4和多个前布线盘连接孔1-5，后布线圆盘6-2通过螺钉和后布线盘连接孔1-1与壳体1固连，安装环座3-2通过螺钉及环状轮架和安装环座连接孔1-2与壳体1固连，紧固环座3-6通过螺钉和紧固环座连接孔1-3与壳体1固连，环状轮架2-5通过螺钉及环状轮架和安装环座连接孔1-2、环状轮架连接孔1-4与壳体1固连，前布线圆盘6-8通过螺钉和前布线盘连接孔1-5与壳体1固连。
本实用新型蛇体单元节的数量可以根据实际使用情况进行增减，进而改变蛇体长度，每节蛇体单元节的结构组成相同，每节蛇体单元节内部安装独立的驱动装置和控制器，两节蛇体单元节之间通过十字轴关节相连。各蛇体模块之间至少配备三根拉线，依据三点定一平面原理，改变三根拉线的长度即可控制十字轴关节两个自由度方向上的旋转，依此，可实现两节蛇体单元节之间任意方向和任意角度大小的输出或定位；另外，根据实际工作需求，可增加拉线数量以提高关节动力。
如图7所示，本实用新型的蛇形机器人选用十一节蛇体模块，十个十字轴关节6，四条拉线5间距90°对称布置，每根拉线5均先穿过后布线圆盘6-2上的布线孔，其投影均各自通过短销轴6-5的回转中心，再穿过前布线圆盘6-8上的布线孔，再通过预紧螺母7以校对各个拉线5使其长度相等，并与前布线圆盘6-8固连。由此，利用对称的两条拉线5一拉一松相等的长度输出量以控制一个方向自由度旋转，四条拉线5即可控制竖直和水平两个方向上的旋转。
本实用新型的拉线控制式机器人增强了单个关节空间运动能力，简化了关节结构，提高了关节刚度性。驱动装置分散置于各个蛇体模块内部，使关节之间耦合控制简单，并且避免了质量集中蛇尾。根据实际工作要求，增加拉线数量可大幅度提高单个关节的输入动力，机器人可用于科学探险、救灾抢险、生命搜寻等多个领域。
Claims (7)
1.一种拉线控制式蛇形机器人，包括多个机器人控制器和多段蛇体单元节，其特征在于，每段蛇体单元节包括壳体(1)、由行走总成(2)和驱动总成(3)构成的蛇体模块、多根拉线(5)和十字轴关节(6)；行走总成(2)通过螺钉固连在壳体(1)的外圆表面上，驱动总成(3)中的安装环座(3-2)和紧固环座(3-6)通过螺钉固连在壳体(1)的内圆表面上，十字轴关节(6)的前布线圆盘(6-8)、后布线圆盘(6-2)分别通过螺钉固连在壳体(1)的两端；多根拉线(5)等圆周布置在十字轴关节(6)的外侧，每根拉线(5)均穿过前布线圆盘(6-8)和后布线圆盘(6-2)上的布线孔；多根拉线(5)的后端分别通过锁定头(4)与驱动总成(3)中的多个驱动装置(3-3)的动端一一对应固连，多根拉线(5)的前端分别通过预紧螺母(7)固连在十字轴关节(6)的前布线圆盘(6-8)上。
2.如权利要求1所述的一种拉线控制式蛇形机器人，其特征在于，所述行走总成(2)包括多个被动轮(2-1)、多个长条状轮架(2-2)、多个套筒(2-3)和两个环状轮架(2-5)，环状轮架(2-5)由多个带有连接耳的弧形段合围构成，环状轮架(2-5)通过多个螺钉固连在壳体(1)上；每个被动轮(2-1)夹在两个长条状轮架(2-2)之间，并与其转动连接；两个长条状轮架(2-2)的两端分别通过两个套筒(2-3)分隔开，并通过两个铆钉(2-4)与两个环状轮架(2-5)的弧形段铆接在一起。
3.如权利要求1所述的一种拉线控制式蛇形机器人，其特征在于，所述驱动总成(3)包括安装环座(3-2)、多个驱动装置(3-3)、电池托架(3-5)、紧固环座(3-6)、三个电路板(3-7)、三组短套筒(3-8)和电池(3-10)；多个驱动装置(3-3)的后端通过多个螺钉(3-1)与安装环座(3-2)固连，多个驱动装置(3-3)的前端对应穿过紧固环座(3-6)的通孔(3-6-1)后，通过锁定头(4)与多个拉线(5)一一对应固连；多个螺栓(3-4)将电池托架(3-5)、紧固环座(3-6)、三个电路板(3-7)、三组短套筒(3-8)顺次串联后与螺母(3-9)固连；电池(3-10)安装在电池托架(3-5)内。
4.如权利要求3所述的一种拉线控制式蛇形机器人，其特征在于，所述驱动装置(3-3)为直流电机电动推杆。
5.如权利要求1所述的一种拉线控制式蛇形机器人，其特征在于，所述十字轴关节(6)包括后锁紧螺母(6-1)、后布线圆盘(6-2)、后U型连杆(6-3)、十字方块(6-4)、四个短销轴(6-5)、四个滑动轴承回转副(6-6)、前U型连杆(6-7)、前布线圆盘(6-8)和前锁紧螺母(6-9)；后U型连杆(6-3)通过两个短销轴(6-5)和两个滑动轴承回转副(6-6)的配合转动连接于十字方块(6-4)左右两侧面的中心位置，前U型连杆(6-7)通过另外两个短销轴(6-5)和两个滑动轴承回转副(6-6)的配合转动连接于十字方块(6-4)上下两侧面的中心位置，后U型连杆(6-3)和前U型连杆(6-7)位于十字方块(6-4)的前后两侧呈十字正交方向布置；后U型连杆(6-3)的外圆螺纹与后布线圆盘(6-2)的内圆螺纹连接，后锁紧螺母(6-1)的外圆螺纹与后布线圆盘(6-2)的内圆螺纹连接，三者旋紧后，后U型连杆(6-3)与后锁紧螺母(6-1)之间形成对顶力；前U型连杆(6-7)的外圆螺纹与前布线圆盘(6-8)的内圆螺纹连接，前锁紧螺母(6-9)的外圆螺纹与前布线圆盘(6-8)的内圆螺纹连接，三者旋紧后，前U型连杆(6-7)与前锁紧螺母(6-9)之间形成对顶力。
6.如权利要求1所述的一种拉线控制式蛇形机器人，其特征在于，所述壳体(1)为圆柱筒状结构，其上设有多个后布线盘连接孔(1-1)、多个环状轮架和安装环座连接孔(1-2)、多个紧固环座连接孔(1-3)、多个环状轮架连接孔(1-4)和多个前布线盘连接孔(1-5)，后布线圆盘(6-2)通过螺钉和后布线盘连接孔(1-1)与壳体(1)固连，安装环座(3-2)通过螺钉及环状轮架和安装环座连接孔(1-2)与壳体(1)固连，紧固环座(3-6)通过螺钉和紧固环座连接孔(1-3)与壳体(1)固连，环状轮架(2-5)通过螺钉及环状轮架和安装环座连接孔(1-2)、环状轮架连接孔(1-4)与壳体(1)固连，前布线圆盘(6-8)通过螺钉和前布线盘连接孔(1-5)与壳体(1)固连。
7.如权利要求1-6任一项所述的一种拉线控制式蛇形机器人，其特征在于，所述拉线(5)的数量为至少三根。
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