[发明专利]一种可伸缩蛇形机器人

说明书

技术领域

本发明属于仿生机器人领域，特别涉及一种蛇形机器人。

背景技术

蛇形机器人是一种模仿生物蛇的构造和运动形态制成的机器人装置，具有运动稳定性好、适应地形能力强、方便整体密封等优点，在其诞生之初就备受关注，用其扩展人类的活动空间：进入地震、火灾后的废墟中寻找伤员，在存在毒气、粉尘或辐射等对人体有害物质的环境中完成侦察任务，在狭小和危险条件下进行探测或管道疏通等。

现有蛇形机器人通常由8-15节结构相同的仅具有转动自由度的单元模块串接而成，虽然驱动方式各异，有电机直接驱动、绳索驱动，气弹簧等弹性元件驱动等不同方式，且驱动位置有直接驱动或通过连杆进行间接驱动的，然而根据连接关节类型及布置方式的不同基本上可以将已有蛇形机器人分为平行连接、垂直连接、PR（Pitch-Roll）连接、万向节连接等四种典型类型。采用平行连接方式的蛇形机器人只能在一个平面内运动，对复杂地形的适应能力差，严重制约其应用。采用垂直连接的日本工业大学的Shigeo Hirose团队对ACMⅢ进行升级改造之后的蛇形机器人ACM-R3和ACM-R4，美国NASA研制的蛇形机器人，采用PR连接方式的瑞典Martin Nilsson研制的名为Dragon1Joint的关节和上海交通大学马培荪等人所研究的CSR蛇形机器人，采用万向节连接方式的日本工业大学的Shigeo Hirose团队设计的可在水陆自由运动的ACM-R5、德国Ralf Linnemann等人研制的GMD-Snake2以及国内沈阳自动化研究所叶长龙等人研制的蛇形机器人，可以实现空间三维蜿蜒运动，在一定程度上能够适应多种不同地形。然而由于其单元模块长度固定而不能像蟒蛇等大型蛇类一样实现直线伸缩运动，仅通过蜿蜒运动方式难以通过与其自身直径相当的圆管或窄缝环境，另外由于其缠绕力仅来源于关节的回转使其较难实现垂直树干的攀爬动作，导致上述蛇形机器人对于上述地形的适应能力不足，而且其结构中心为运动副，不方便控制线缆的布置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、适应能力强、微动精度高、具有移动自由度的可伸缩蛇形机器人。

本发明主要由8-15个结构完全相同的连接板及连接它们的串联分支组成，相邻两个连接板通过呈三角形分布的结构相同的3个串联分支连接构成并联机构单元模块。每个串联分支均包含舵机架、舵机、驱动杆和从动杆，舵机与舵机架固连，舵机输出轴与驱动杆的一端固连，该驱动杆的另一端通过转动副与从动杆的一端连接，其中第一分支和第二分支的舵机架与连接板固连、第三分支的从动杆的另一端通过万向铰与上述连接板连接，上述第一分支和第二分支的从动杆的另一端通过万向铰与另一个连接板连接、第三分支的舵机架与上述另一个连接板固连。每个单元模块交错连接，相邻两个模块中第三分支中的舵机输出轴布置方向相反，以实现机器人整体平衡。每个分支中舵机输出轴轴线、转动副轴线以及万向铰动轴轴线平行，且第一分支和第二分支的舵机输出轴轴线相互平行、万向铰定轴同轴，第三分支舵机输出轴轴线与第一分支和第二分支万向铰中心连线垂直相交、万向铰固定轴与第一分支和第二分支舵机输出轴轴线垂直共面。

蛇形机器人每个并联机构单元模块具有两个转动自由度和一个移动自由度，与第一分支和第二分支通过万向铰连接的连接板可以实现绕第一分支和第二分支万向铰定轴以及第三分支万向铰定轴的回转运动，两个转轴空间垂直异面使得该蛇形机器人类似垂直连接的串联蛇形机器人能够实现三维运动；另外，两个连接板间的距离可以通过调整三个舵机的输入进行调整，使得该蛇形机器人可以通过控制不同模块的伸长和缩短实现直线伸缩运动，同时在对物体进行缠绕的时候可以通过缩短每个模块的长度来增大缠绕力。驱动杆和从动杆采用转动副进行连接可有效提高每个分支的伸缩比，使每个模块具有较大的工作空间，一方面可以有效提高蛇形机器人的灵活性，另一方面在完全缩短的情况下方便蛇形机器人的存储。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、结构简单、地形适应能力强、可实现对物体的紧密缠绕。

2、本发明为中空结构，可方便控制线缆的布置，提高其安全可靠性。

3、具有直线伸缩运动功能，能够在狭窄空间中灵活运动，并可提高机器人在平整地面的运动速度。

4、将具有移动自由度的并联机构引入蛇形机器人的设计当中，对促进蛇形仿生机器人的理论发展具有促进作用。

附图说明

图1为本发明立体示意简图。

图2为本发明单元模块连接示意简图。

图3为本发明单元模块结构示意简图。

具体实施方式

在图1、2和3所示的可伸缩蛇形机器人示意图中，包含10个结构完全相同的连接板及连接它们的串联分支，相邻两个连接板1通过呈三角形分布的结构相同的3个串联分支连接构成并联机构单元模块。每个串联分支中的舵机8与舵机架7固连，舵机输出轴与驱动杆6的一端固连，该驱动杆的另一端通过转动副与从动杆5的一端连接，其中第一分支2和第二分支3的舵机架与连接板固连、第三分支4的从动杆的另一端通过万向铰与上述连接板连接，上述第一分支和第二分支的从动杆的另一端通过万向铰与另一个连接板连接、第三分支的舵机架与上述另一个连接板固连。每个单元模块交错连接，相邻两个模块中第三分支中的舵机输出轴布置方向相反，以实现机器人整体平衡。每个分支中舵机输出轴轴线、转动副轴线以及万向铰动轴轴线平行，且第一分支和第二分支的舵机输出轴轴线相互平行、万向铰定轴同轴，第三分支舵机输出轴轴线与第一分支和第二分支万向铰中心连线垂直相交、万向铰固定轴与第一分支和第二分支舵机输出轴轴线垂直共面。