[发明专利]一种基于虚拟球铰的双轮模块化蛇形机器人

说明书

一种基于虚拟球铰的双轮模块化蛇形机器人，本发明涉及一种蛇形机器人，本发明为克服现有蛇形机器人所存在的结构本体灵活性不足、运动速度低、运动效率不高的问题，虚拟球铰的双轮模块顺次连接，动平台和静平台相对设置，动平台的一端分别与一个外麦克纳姆轮和一个内麦克纳姆轮连接，静平台的一端分别与一个外麦克纳姆轮和一个内麦克纳姆轮连接，动平台的另一端安装有一组第一驱动装置，静平台的另一端安装有一组第二驱动装置，一组虚拟球铰连接组件设置在一组第一驱动装置和一组第二驱动装置之间，且一组虚拟球铰连接组件的两端分别端与一组第一驱动装置和一组第二驱动装置连接。本发明属于仿生机器人领域。

技术领域

本发明涉及一种蛇形机器人，具体涉及一种基于虚拟球铰的双轮模块化蛇形机器人,属于仿生机器人领域。

背景技术

蛇形机器人，是一种能够模仿生物蛇运动的新型仿生机器人，由于能像生物一样实现“无肢运动”，因而被国际机器人业界称为“最富于现实感的机器人。蛇形机器人的身躯具有很多关节，可以实现多种形式的运动，具有很强的环境适应能力，能在人类难以到达的未知环境或不适宜人类工作的场合下替代人类进行工作。因此它在核电环境、科学探险、救灾抢险、生命搜寻等多个领域有着广泛的应用前景。

虚拟球铰是一种灵活度高，结构紧凑的一种关节结构，目前用于仿人机械臂手腕关节，可以实现空间弯曲的灵活运动。麦克纳姆轮是一种全方位移动轮式结构，具有很强的运动性能，相较于普通轮子，它可以摆脱轮子轴线对运动的限制，配备麦克纳姆轮的小车可以实现在平面任意方向的运动。

目前蛇形机器人关节模块结构多为单一方向的转动，相邻两个关节模块的运动轴线相互垂直，通过多个关节的耦合运动实现身体的摆动，导致机器人运动不灵活，空间自由度不足。此外机器人通过左右摆动的运动形式前进，相对于轮式运动结构，存在运动效率低和运动速度低的问题。

有研究提出基于并联构型结构的模块化蛇形机器人，每个运动模块均采用具有三个自由度的并联机构，每个模块可以实现空间弯曲多种运动，相较于单一自由度的关节模块机器人，具有较高的灵活度，但由于并联结构的局限，每个模块的最大翻转角度有限，远达不到90°。但机器人的运动依靠每个高自由度运动模块改变形态，组合发生蠕动、扭曲运动，相较于轮式结构，依然存在运动效率低和运动速度低的问题。

有研究提出结合轮式结合的蛇形机器人，在运动关节旋转的轴线两侧加上轮式结构，在保持蛇形灵活本体结构的基础上，使得机器人具有一定的运动速度。但当关节发生弯曲时，轮子位置轴线发生变化，轮子运动方向发生变化，在一定程度上会阻碍机器人运动。此外，轮子尺寸大于蛇形直径，不利于复杂地形的运动。

为使蛇形机器人在核电环境、科学探险、救灾抢险、生命搜寻等多个领域发挥实际作用，最基本的就是要结构方面进行创新突破，探索研制运动能力强，适应环境能力强的新型蛇形机器人。

发明内容

本发明为克服现有蛇形机器人所存在的结构本体灵活性不足、运动速度低、运动效率不高的问题，进而提供一种基于虚拟球铰的双轮模块化蛇形机器人。

本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：

一种基于虚拟球铰的双轮模块化蛇形机器人，它包括N个虚拟球铰和N+1个双轮模块，N+1个双轮模块和N个虚拟球铰交替连接设置，双轮模块包括外麦克纳姆轮和内麦克纳姆轮；虚拟球铰包括动平台、一组第一驱动装置、一组虚拟球铰连接组件、一组第二驱动装置和静平台，动平台和静平台相对设置，动平台的一端分别与一个外麦克纳姆轮和一个内麦克纳姆轮连接，静平台的一端分别与一个外麦克纳姆轮和一个内麦克纳姆轮连接，动平台的另一端安装有一组第一驱动装置，静平台的另一端安装有一组第二驱动装置，一组虚拟球铰连接组件设置在一组第一驱动装置和一组第二驱动装置之间，且一组虚拟球铰连接组件的两端分别端与一组第一驱动装置和一组第二驱动装置连接；