CN214293117U - 一种基于绳牵引的仿生海蛇机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种水下机器人。目的是提供一种基于绳牵引的仿生海蛇机器人，该机器人应具有形态小、结构紧凑、工作可靠以及运动灵活的特点。技术方案是：一种基于绳牵引的仿生海蛇机器人，包括依次连接且分别用防水薄膜密封包裹的蛇头、若干蛇身关节以及蛇尾；其特征在于：所述蛇头为中空结构，内装有控制板和摄像头；每节蛇身关节包括关节机架、连接相邻关节机架的柔性杆件、安装在关节机架上且均布在柔性杆件四周的若干电机以及若干牵引绳；每根牵引绳的一端分别由一个电机轴牵拉，另一端固定在相邻的下一个关节机架上。

Description

一种基于绳牵引的仿生海蛇机器人

技术领域

本实用新型涉及一种水下机器人，具体是涉及基于绳牵引的仿生海蛇机器人。

背景技术

我国的海洋资源极为丰富，许多能源亟待开发。但是海下的环境复杂多变，如何巧妙地设计并利用海洋机器人完成水下作业就显得尤为重要。5G技术的普及拓宽了移动机器人的应用领域，使其具有广泛的应用前景，特别是海下侦察与能源探索，更是当下机器人研究的热门方向。

虽然目前可执行水下任务的机器人种类多种多样，却缺乏一种可以在海下复杂狭长的环境中长时间执行任务的机器人，海下探索依旧存在盲区。

蛇的身躯柔软细长并且具有多种独特的运动形式以适应多变的环境，因而可以在复杂狭长的海下环境中前行。仿生海蛇机器人能够像生物蛇一样，具有蜿蜒、伸缩和侧向等多种运动方式，且驱动来源于每一节蛇身的扭转，因此其可控性非常强，对于执行海下侦察探索具有十分重要的意义。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于绳牵引的仿生海蛇机器人，该机器人应具有形态小、结构紧凑、工作可靠以及运动灵活的特点。

本实用新型的技术方案是：

一种基于绳牵引的仿生海蛇机器人，包括依次连接且分别用防水薄膜密封包裹的蛇头、若干蛇身关节以及蛇尾；其特征在于：

所述蛇头为中空结构，内装有控制板和摄像头；

每节蛇身关节包括关节机架、连接相邻关节机架的柔性杆件、安装在关节机架上且均布在柔性杆件四周的若干电机以及若干牵引绳；每根牵引绳的一端分别由一个电机轴牵拉，另一端固定在相邻的下一个关节机架上。

所述关节机架为固定四个电机且呈圆形的片状，所述柔性杆件连接于关节机架中心处且连接部位的柔性杆件轴线与关节机架的平面垂直布置。

所述四个电机分别通过电机支架固定在关节机架上，并且放射状分布在柔性杆件的四周；各电机分别通过导线与所述控制板电连接以接受控制命令。

所述蛇头中还安装有电池，电池通过电源线连通各个电机。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型采用绳结构模仿海蛇前进、摆动的运动方式，通过每节海蛇关节中的卷轴转动来驱动牵引绳，使得仿生海蛇每节产生动力，具有形态小巧、结构紧凑、运动灵活、实用性强的特点，既实现了机器人在水下的高速行进移动的目标，也达能够深入复杂狭小空间内，有利于完成侦察勘探工作。

附图说明

图1是本实用新型实施例的立体结构示意图。

图2是本实用新型实施例中两节蛇身关节的立体结构示意图(为显示清楚，移走了第一节蛇身关节的关节机架)。

图3是本实用新型实施例中蛇身关节的工作状态示意图。

图4是本实用新型的某节蛇身关节左侧转向结构示意图。

图5是本实用新型的某节蛇身关节右侧转向结构示意图。

其中：1、蛇头，2、关节机架，3、电机，4、电机支架，5、卷轴，6、牵引绳，7、柔性杆件，8、蛇尾。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本实用新型作进一步说明，但本实用新型并不局限于以下实例。

图1所示的基于绳牵引的仿生海蛇机器人，包括蛇头以及若干(图中显示有七节)蛇身关节。蛇头为中空的壳体，其中安装有控制板(优选STM32)和摄像头；蛇头前方开设有摄像头观察用的摄像孔(摄像孔部位安装有防水用的透明玻璃)。蛇头以及每节蛇身均分别采用防水薄膜密封包裹，在防止渗水的同时，还可提供相应的浮力。每节蛇身关节包括关节机架2、柔性杆件7和驱动机构；

所述关节机架2为呈圆形的片状，用于固定四个电机支座4，关节机架2可为内部的驱动机构提供一个稳定的工作环境。

所述柔性杆件7连接于关节机架2中心处且连接部位的柔性杆件轴线与关节机架的平面垂直布置；不仅可对关节机架2起到连接支撑作用，而且因为柔性杆件(优选橡胶材料)可伸缩变形的特性以达到改变蛇身关节长短的效果。每个柔性杆件的一端与本节蛇身关节的关节机架固定，另一端与下一节蛇身关节的关节机架固定；四个电机支座4均匀分布在柔性杆件的四周。蛇身外面还包裹具有较大弹性的防水薄膜；防水薄膜密封包裹时，沿着本节蛇身关节的关节机架周边以及下一节蛇身关节的关节机架的周边粘结，从而在两节蛇身关节的关节机架之间形成密封空间；既可防水保护空间的元器件，也可使蛇身关节产生浮力。

蛇尾8制作成类似鱼尾的扁平形状，可在蛇身关节的摆动下控制方向。

所述驱动机构包括电机3(预选伺服电机)、电机支架4、卷轴5和牵引绳6。每一关节机架2内部固定有四个电机支架4，每个电机支架固定一个电机；四个电机轴均朝外布置，以柔性杆件为中心发射状布置。所述电机3固定于电机支架4上且电机轴上装套有卷轴5；每一关节共有四段牵引绳6，所述牵引绳6的一端缠绕于卷轴5之上，另一端固定于相邻的下一关节机架。

所述驱动机构工作时，电机3由电池(位于蛇头内部)通过电源线供能带动卷轴5进行转动，牵引绳随卷轴的转动实现收放，同时下一蛇身关节结构由牵引绳收放产生的力靠近或远离该关节进而产生向前的驱动力，配以柔性杆件7连接利于达到关节间距离的灵活变化。

所述电机3转速均由STM32板控制，各关节的四个电机3的转速在前进和各向转弯时的工作状态均有所不同，根据蛇头1结构内的摄像头探测的环境而决定采取何种的工作状态。

各个电机分别通过导线与控制板电连接(均位于蛇头内部，图中省略)，所述电机均采用防水电机，所述蛇头内还配有电池作为供电电源(图中省略)。

下面对本实用新型的工作状态过程进行详细说明：

1、初始状态：仿生海蛇机器人各关节平展悬浮于水中；

2、前进：控制板控制电机工作，实现蛇身关节的蜿蜒前行。某一蛇身关节的运动关系是(参见图3)：电机3.1带动卷轴高速转动，以实现牵引绳6.1的快速收拉，同时其他三个电机(3.2、3.3、3.4)均低速转动，此时关节机架B(位于图3的顶部，为图面清晰被移走)的同侧(牵引绳6.1一侧)收向关节机架A；靠近该侧的柔性杆件7也被压缩，实现整节蛇身关节的左侧(牵引绳6.1一侧)的距离(即A、B两个关节机架在牵引绳6.1一侧)比其他三个方向(其它三个牵引绳所述位置)要近，即关节Ⅰ会向左弯曲(图4所示)；若对关节B中的电机加以反向的控制(电机3.4带动卷轴高速转动，以实现牵引绳6.4的快速收拉，同时其他三个电机(3.2、3.3、3.1)均低速转动)，即关节B向右弯曲(图5所示)。因而，在某一时刻，所有相邻的蛇身关节在同一侧均做反向弯曲运动(蛇身关节中相邻两段偏向相反的方向)，并且反复进行控制；仿生海蛇机器人就会产生向前扭动的驱动力，实现蜿蜒前行的运动效果，运动轨迹同正弦波一般。

3、左右单侧转向：控制板控制电机的工作，实现蛇身的转向。所述仿生海蛇实现左侧转向时，需控制七节蛇身结构同时向左侧弯曲。具体的，以图3的某节蛇身关节为例；当关节向左侧转向(电机3.1方向一侧)时，电机3.1带动卷轴高速转动，以实现绳6.1的快速收拉，同时其他三个电机(3.3、3.2、3.4)均低速转动，此时关节机架B的同侧收向关节机架A，靠近该侧的柔性杆件7也被压缩，实现整个蛇身关节下侧(电机3.1一侧)的距离比其他三个方向要近，即该关节会向左偏转(图4所示)，所述仿生海蛇整体呈半弧形，产生扭转的驱动力，实现左侧的转向。

4、上浮、下潜：所述仿生海蛇实现上浮(或下潜)的运动原理同单侧转向时相似，需控制蛇身关节内靠近水面一侧(或靠近水底)的电机高速转动，即可实现该关节向上(或下)侧偏转，控制七个蛇身关节同时向上(或下)侧偏转，所述海蛇机器人产生上浮(或下潜)的驱动力，实现上浮(或下潜)的运动形式。

所述仿生海蛇机器人除实现上述运动形式外，还可以实现斜侧方转向前进的运动效果，即同时控制两个电机的高速转动，实现蛇身关节的斜侧方转向，蛇身整体即可实现向斜侧方前进运动。

5、行进速度说明：通过控制板调节电机工作时的转速大小，所述仿生海蛇机器人可以获得不同大小的驱动力，具有工作过程中的高速、低速前进效果。

Claims (4)

1.一种基于绳牵引的仿生海蛇机器人，包括依次连接且分别用防水薄膜密封包裹的蛇头(1)、若干蛇身关节以及蛇尾(8)；其特征在于：

所述蛇头为中空结构，内装有控制板和摄像头；

每节蛇身关节包括关节机架(2)、连接相邻关节机架的柔性杆件(7)、安装在关节机架上且均布在柔性杆件四周的若干电机(3)以及若干牵引绳(6)；每根牵引绳的一端分别由一个电机轴牵拉，另一端固定在相邻的下一个关节机架上。

2.根据权利要求1所述的基于绳牵引的仿生海蛇机器人，其特征在于：

所述关节机架为固定四个电机且呈圆形的片状，所述柔性杆件连接于关节机架(2)中心处且连接部位的柔性杆件轴线与关节机架的平面垂直布置。

3.根据权利要求2所述的基于绳牵引的仿生海蛇机器人，其特征在于：

所述四个电机分别通过电机支架(4)固定在关节机架上，并且放射状分布在柔性杆件的四周；各电机分别通过导线与所述控制板电连接以接受控制命令。

4.根据权利要求3所述的基于绳牵引的仿生海蛇机器人，其特征在于：所述蛇头中还安装有电池，电池通过电源线连通各个电机。

Images