[發(fā)明專利]一種可伸縮蛇形機器人

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310220074.1
• 申請日: 2013-06-05
• 公開（公告）號: CN103341855A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發(fā)明（設計）人: 邊輝;劉曉;苑飛虎;耿明超
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: B25J9/06
• 分類號: B25J9/06
• 代理公司: 石家莊一誠知識產(chǎn)權事務所 13116
• 代理人: 崔鳳英

技術領域

本發(fā)明屬于仿生機器人領域，特別涉及一種蛇形機器人。

背景技術

蛇形機器人是一種模仿生物蛇的構造和運動形態(tài)制成的機器人裝置，具有運動穩(wěn)定性好、適應地形能力強、方便整體密封等優(yōu)點，在其誕生之初就備受關注，用其擴展人類的活動空間：進入地震、火災后的廢墟中尋找傷員，在存在毒氣、粉塵或輻射等對人體有害物質(zhì)的環(huán)境中完成偵察任務，在狹小和危險條件下進行探測或管道疏通等。

現(xiàn)有蛇形機器人通常由8-15節(jié)結構相同的僅具有轉(zhuǎn)動自由度的單元模塊串接而成，雖然驅(qū)動方式各異，有電機直接驅(qū)動、繩索驅(qū)動，氣彈簧等彈性元件驅(qū)動等不同方式，且驅(qū)動位置有直接驅(qū)動或通過連桿進行間接驅(qū)動的，然而根據(jù)連接關節(jié)類型及布置方式的不同基本上可以將已有蛇形機器人分為平行連接、垂直連接、PR（Pitch-Roll）連接、萬向節(jié)連接等四種典型類型。采用平行連接方式的蛇形機器人只能在一個平面內(nèi)運動，對復雜地形的適應能力差，嚴重制約其應用。采用垂直連接的日本工業(yè)大學的Shigeo?Hirose團隊對ACMⅢ進行升級改造之后的蛇形機器人ACM-R3和ACM-R4，美國NASA研制的蛇形機器人，采用PR連接方式的瑞典Martin?Nilsson研制的名為Dragon1Joint的關節(jié)和上海交通大學馬培蓀等人所研究的CSR蛇形機器人，采用萬向節(jié)連接方式的日本工業(yè)大學的Shigeo?Hirose團隊設計的可在水陸自由運動的ACM-R5、德國Ralf?Linnemann等人研制的GMD-Snake2以及國內(nèi)沈陽自動化研究所葉長龍等人研制的蛇形機器人，可以實現(xiàn)空間三維蜿蜒運動，在一定程度上能夠適應多種不同地形。然而由于其單元模塊長度固定而不能像蟒蛇等大型蛇類一樣實現(xiàn)直線伸縮運動，僅通過蜿蜒運動方式難以通過與其自身直徑相當?shù)膱A管或窄縫環(huán)境，另外由于其纏繞力僅來源于關節(jié)的回轉(zhuǎn)使其較難實現(xiàn)垂直樹干的攀爬動作，導致上述蛇形機器人對于上述地形的適應能力不足，而且其結構中心為運動副，不方便控制線纜的布置。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種結構簡單、適應能力強、微動精度高、具有移動自由度的可伸縮蛇形機器人。

本發(fā)明主要由8-15個結構完全相同的連接板及連接它們的串聯(lián)分支組成，相鄰兩個連接板通過呈三角形分布的結構相同的3個串聯(lián)分支連接構成并聯(lián)機構單元模塊。每個串聯(lián)分支均包含舵機架、舵機、驅(qū)動桿和從動桿，舵機與舵機架固連，舵機輸出軸與驅(qū)動桿的一端固連，該驅(qū)動桿的另一端通過轉(zhuǎn)動副與從動桿的一端連接，其中第一分支和第二分支的舵機架與連接板固連、第三分支的從動桿的另一端通過萬向鉸與上述連接板連接，上述第一分支和第二分支的從動桿的另一端通過萬向鉸與另一個連接板連接、第三分支的舵機架與上述另一個連接板固連。每個單元模塊交錯連接，相鄰兩個模塊中第三分支中的舵機輸出軸布置方向相反，以實現(xiàn)機器人整體平衡。每個分支中舵機輸出軸軸線、轉(zhuǎn)動副軸線以及萬向鉸動軸軸線平行，且第一分支和第二分支的舵機輸出軸軸線相互平行、萬向鉸定軸同軸，第三分支舵機輸出軸軸線與第一分支和第二分支萬向鉸中心連線垂直相交、萬向鉸固定軸與第一分支和第二分支舵機輸出軸軸線垂直共面。

蛇形機器人每個并聯(lián)機構單元模塊具有兩個轉(zhuǎn)動自由度和一個移動自由度，與第一分支和第二分支通過萬向鉸連接的連接板可以實現(xiàn)繞第一分支和第二分支萬向鉸定軸以及第三分支萬向鉸定軸的回轉(zhuǎn)運動，兩個轉(zhuǎn)軸空間垂直異面使得該蛇形機器人類似垂直連接的串聯(lián)蛇形機器人能夠?qū)崿F(xiàn)三維運動；另外，兩個連接板間的距離可以通過調(diào)整三個舵機的輸入進行調(diào)整，使得該蛇形機器人可以通過控制不同模塊的伸長和縮短實現(xiàn)直線伸縮運動，同時在對物體進行纏繞的時候可以通過縮短每個模塊的長度來增大纏繞力。驅(qū)動桿和從動桿采用轉(zhuǎn)動副進行連接可有效提高每個分支的伸縮比，使每個模塊具有較大的工作空間，一方面可以有效提高蛇形機器人的靈活性，另一方面在完全縮短的情況下方便蛇形機器人的存儲。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點：

1、結構簡單、地形適應能力強、可實現(xiàn)對物體的緊密纏繞。

2、本發(fā)明為中空結構，可方便控制線纜的布置，提高其安全可靠性。

3、具有直線伸縮運動功能，能夠在狹窄空間中靈活運動，并可提高機器人在平整地面的運動速度。

4、將具有移動自由度的并聯(lián)機構引入蛇形機器人的設計當中，對促進蛇形仿生機器人的理論發(fā)展具有促進作用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明立體示意簡圖。

圖2為本發(fā)明單元模塊連接示意簡圖。

圖3為本發(fā)明單元模塊結構示意簡圖。

具體實施方式

在圖1、2和3所示的可伸縮蛇形機器人示意圖中，包含10個結構完全相同的連接板及連接它們的串聯(lián)分支，相鄰兩個連接板1通過呈三角形分布的結構相同的3個串聯(lián)分支連接構成并聯(lián)機構單元模塊。每個串聯(lián)分支中的舵機8與舵機架7固連，舵機輸出軸與驅(qū)動桿6的一端固連，該驅(qū)動桿的另一端通過轉(zhuǎn)動副與從動桿5的一端連接，其中第一分支2和第二分支3的舵機架與連接板固連、第三分支4的從動桿的另一端通過萬向鉸與上述連接板連接，上述第一分支和第二分支的從動桿的另一端通過萬向鉸與另一個連接板連接、第三分支的舵機架與上述另一個連接板固連。每個單元模塊交錯連接，相鄰兩個模塊中第三分支中的舵機輸出軸布置方向相反，以實現(xiàn)機器人整體平衡。每個分支中舵機輸出軸軸線、轉(zhuǎn)動副軸線以及萬向鉸動軸軸線平行，且第一分支和第二分支的舵機輸出軸軸線相互平行、萬向鉸定軸同軸，第三分支舵機輸出軸軸線與第一分支和第二分支萬向鉸中心連線垂直相交、萬向鉸固定軸與第一分支和第二分支舵機輸出軸軸線垂直共面。