一种可灵活转向的蚯蚓仿生机器人的制作方法

本实用新型涉及机器人技术设备领域，特别涉及一种可灵活转向的蚯蚓仿生机器人。

背景技术：

随着人类活动的越来越频繁，在地震带上居住的人类均有遭遇地震等自然灾害的危险，而发生地震后，由于瓦砾废墟等覆盖了地面，复杂的地形使得救援探测变得格外的困难。并且地震过后余震频发，让救援工作的危险系数也大大增加。这对能够在山洞、管道、瓦墟、山石等复杂恶劣的地形环境下进行生命探测等活动的机器人提出了更高的要求。

仿生软体机器人是机器人技术领域中的一个新兴的发展分支，是当前国内外研究的热点。现有的蛇形机器人属于仿生软体机器人的一种，其通过腹部安装的滚动轮蜿蜒前行，在恶劣的地形移动与前行时，腹部下面的滚动轮时常会出现打滑以及滚动轮发生堵塞的情况，因此无法达到顺畅移动，影响了使用效果。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种可灵活转向的蚯蚓仿生机器人，通过舵机驱动运动部旋转，同时运动轮本身又发生自转，结合舵机的牵引力以及运动轮的转动力，推动头部向前移动，第一电动推杆配合发生伸长和收缩，拉动中部，第二电动推杆同步的发生伸长和收缩，拉动第二躯干部和尾部，从而在地面上进行类似蚯蚓的蠕动，柔软性好，能够在山洞、管道、瓦墟、山石等复杂恶劣的地形环境下顺畅移动，同时进行生命探测等活动。

(二)技术方案

一种可灵活转向的蚯蚓仿生机器人，包括机器人本体，所述机器人本体包括头部、第一躯干部、中部、第二躯干部和尾部，所述头部与所述第一躯干部通过第一伸缩部相连接，所述第一躯干部和所述中部通过第二伸缩部相连接，所述中部和所述第二躯干部通过第三伸缩部相连接，所述第二躯干部和所述尾部通过第四伸缩部相连接，所述头部的内腔与所述第一伸缩部的内腔相连通，所述第一躯干部的正面外侧居中的设有微型电机，所述微型电机的底部固定于所述第一躯干部的正面外侧，所述微型电机的输出轴的端部连接转向部，所述转向部包括拨杆，所述输出轴的端部与所述拨杆相连接，所述拨杆的底部分别设有第一弹簧和第二弹簧，所述第一弹簧的一端与所述拨杆相连接，所述第一弹簧的另一端连接于所述头部的左下端内侧，所述第二弹簧的一端与所述拨杆相连接，所述第二弹簧的另一端连接于所述头部的右下端内侧，所述第一躯干部的正面内侧居中的设有舵机，所述舵机的传动轴的端部连接运动部，所述运动部包括上夹板和下夹板，所述上夹板包括第一固定板和第二固定板，所述传动轴的端部固定于所述第一固定板的中心，所述第一固定板和所述第二固定板之间设有若干上螺旋叶片，所述上螺旋叶片固定于所述第一固定板和所述第二固定板之间，所述下夹板包括第三固定板和第四固定板，所述第三固定板和所述第四固定板之间设有若干下螺旋叶片，所述下螺旋叶片固定于所述第三固定板和所述第四固定板之间，所述上螺旋叶片和所述下螺旋叶片的位置一一对应，所述上螺旋叶片和所述下螺旋叶片之间设有运动轮，所述运动轮可转动的连接于所述上螺旋叶片和所述下螺旋叶片之间，所述运动轮的外侧与所述第一躯干部的侧面内壁相切，所述第二伸缩部的内腔与所述第一躯干部的内腔相连通，所述第二伸缩部内设有第一电动推杆，所述第一电动推杆的一端与所述第四固定板相连接，所述第一电动推杆的另一端与所述中部的正面相连接，所述尾部与所述头部具有相同的结构且呈镜面对称，所述第四伸缩部与所述第一伸缩部具有相同的结构且呈镜面对称，所述第二躯干部与所述第一躯干部具有相同的结构且呈镜面对称，所述第三伸缩部与所述第二伸缩部具有相同的结构且呈镜面对称，所述第三伸缩部内设有第二电动推杆，所述第二电动推杆的一端与所述中部的背面相连接，所述第二电动推杆的另一端连接所述第二躯干部内的运动部，所述中部内设有控制模块、图像处理模块、GPS定位模块、无线通信模块和蓄电池，所述头部和所述尾部的表面居中的设有热红外生命探测仪，所述热红外生命探测仪的上方设有摄像头，所述热红外生命探测仪的下方设有第一红外线距离传感器和第二红外线距离传感器，所述第一红外线距离传感器和所述第二红外线距离传感器呈水平对称分布，所述热红外生命探测仪、所述摄像头、所述第一红外线距离传感器和所述第二红外线距离传感器连接所述控制模块的输入端，所述控制模块的输出端分别连接所述微型电机、所述舵机、所述第一电动推杆、所述第二电动推杆和所述图像处理模块，所述控制模块通过所述GPS定位模块与GPS定位卫星相连接，所述控制模块通过所述无线通信模块与监控中心相连接，所述蓄电池为所述机器人本体提供工作电压。

进一步的，所述头部、所述第一躯干部、所述中部、所述第二躯干部和所述尾部均由硅胶材料制成。

进一步的，所述第一伸缩部、所述第二伸缩部、所述第三伸缩部和所述第四伸缩部均由硬氯乙烯材料制成。

进一步的，所述上螺旋叶片和所述下螺旋叶片的数量至少为6组。

进一步的，所述摄像头选用3D高清夜视摄像头。

进一步的，所述GPS定位模块选用ET-318SiRF Star III GPS芯片组。

进一步的，所述无线通信模块为2G、3G或4G通信模组。

进一步的，所述控制模块选用32位ARM控制器LPC1768。

进一步的，所述蓄电池为锂离子蓄电池。

(三)有益效果

本实用新型提供了一种可灵活转向的蚯蚓仿生机器人，通过舵机驱动运动部旋转，同时运动轮本身又发生自转，从而使第一躯干部的底部与地面之间发生侧移，结合舵机的牵引力以及运动轮的转动力，推动头部向前移动，第一电动推杆配合发生伸长和收缩，拉动中部，第二电动推杆同步的发生伸长和收缩，拉动第二躯干部和尾部，从而在地面上进行类似蚯蚓的蠕动，头部、第一躯干部、中部、第二躯干部和尾部均由硅胶材料制成，柔软性好，同时具有较高的机械强度，能够在山洞、管道、瓦墟、山石等复杂恶劣的地形环境下顺畅移动，头部和尾部表面均设有热红外生命探测仪，可对复杂恶劣地形环境下的生命特征进行准确探测，3D高清夜视摄像头能让机器人本体在光线较差的情况下也能精确识别所处的地形环境特征，第一红外线距离传感器和第二红外线距离传感器能精确定位机器人本体前进路线上的障碍物及障碍物的宽度，控制模块控制微型电机输出扭转功率，通过拨杆拉扯第一弹簧或第二弹簧，实现头部的灵活转向，从而使机器人本体避开障碍物，机器人本体通过无线网络与远端的监控中心进行通讯，将图像信息以及待救援对象所在的GPS数据发送给监控中心，实现了远程智能化监控管理，当需要调转方向时，暂停头部的舵机，使尾部的舵机工作，从而由尾部进行牵引，非常方便高效，其结构简单，体积小巧，设计巧妙，系统功耗低，检测精度高，响应速度快，稳定性和可靠性好，具有良好的实用性和可扩展性，可广泛应用于复杂恶劣地形环境下的生命探测以及科学探索等场合。

附图说明

图1为本实用新型所涉及的一种可灵活转向的蚯蚓仿生机器人的外部结构示意图。

图2为本实用新型所涉及的一种可灵活转向的蚯蚓仿生机器人的内部结构示意图。

图3为本实用新型所涉及的一种可灵活转向的蚯蚓仿生机器人的转向部的结构示意图。

图4为本实用新型所涉及的一种可灵活转向的蚯蚓仿生机器人的运动部的结构示意图。

图5为本实用新型所涉及的一种可灵活转向的蚯蚓仿生机器人的头部的外部结构示意图。

图6为本实用新型所涉及的一种可灵活转向的蚯蚓仿生机器人的系统工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型所涉及的实施例做进一步详细说明。

结合图1～图6，一种可灵活转向的蚯蚓仿生机器人，包括机器人本体，机器人本体包括头部1、第一躯干部2、中部3、第二躯干部4和尾部5，头部1与第一躯干部2通过第一伸缩部6相连接，第一躯干部2和中部3通过第二伸缩部7相连接，中部3和第二躯干部4通过第三伸缩部8相连接，第二躯干部4和尾部5通过第四伸缩部9相连接，头部1的内腔与第一伸缩部6的内腔相连通，第一躯干部2的正面外侧居中的设有微型电机10，微型电机10的底部固定于第一躯干部2的正面外侧，微型电机10的输出轴11的端部连接转向部，转向部包括拨杆12，输出轴11的端部与拨杆12相连接，拨杆12的底部分别设有第一弹簧13和第二弹簧14，第一弹簧13的一端与拨杆12相连接，第一弹簧13的另一端连接于头部1的左下端内侧，第二弹簧14的一端与拨杆12相连接，第二弹簧14的另一端连接于头部1的右下端内侧，第一躯干部2的正面内侧居中的设有舵机15，舵机15的传动轴16的端部连接运动部，运动部包括上夹板和下夹板，上夹板包括第一固定板17和第二固定板18，传动轴16的端部固定于第一固定板17的中心，第一固定板17和第二固定板18之间设有若干上螺旋叶片19，上螺旋叶片19固定于第一固定板17和第二固定板18之间，下夹板包括第三固定板20和第四固定板21，第三固定板20和第四固定板21之间设有若干下螺旋叶片22，下螺旋叶片22固定于第三固定板20和第四固定板21之间，上螺旋叶片19和下螺旋叶片22的位置一一对应，上螺旋叶片19和下螺旋叶片22之间设有运动轮23，运动轮23可转动的连接于上螺旋叶片19和下螺旋叶片22之间，运动轮23的外侧与第一躯干部2的侧面内壁相切，第二伸缩部7的内腔与第一躯干部2的内腔相连通，第二伸缩部7内设有第一电动推杆24，第一电动推杆24的一端与第四固定板21相连接，第一电动推杆24的另一端与中部3的正面相连接，尾部5与头部1具有相同的结构且呈镜面对称，第四伸缩部9与第一伸缩部6具有相同的结构且呈镜面对称，第二躯干部4与第一躯干部2具有相同的结构且呈镜面对称，第三伸缩部8与第二伸缩部7具有相同的结构且呈镜面对称，第三伸缩部8内设有第二电动推杆25，第二电动推杆25的一端与中部3的背面相连接，第二电动推杆25的另一端连接第二躯干部4内的运动部，中部3内设有控制模块、图像处理模块、GPS定位模块、无线通信模块和蓄电池，头部1和尾部5的表面居中的设有热红外生命探测仪26，热红外生命探测仪26的上方设有摄像头27，热红外生命探测仪26的下方设有第一红外线距离传感器28和第二红外线距离传感器29，第一红外线距离传感器28和第二红外线距离传感器29呈水平对称分布，热红外生命探测仪26、摄像头27、第一红外线距离传感器28和第二红外线距离传感器29连接控制模块的输入端，控制模块的输出端分别连接微型电机10、舵机15、第一电动推杆24、第二电动推杆25和图像处理模块，控制模块通过GPS定位模块与GPS定位卫星相连接，控制模块通过无线通信模块与监控中心相连接，蓄电池为机器人本体提供工作电压。

第一躯干部2的舵机15工作，舵机15通过传动轴16驱动运动部旋转，带动上螺旋叶片19和下螺旋叶片22之间的运动轮23旋转。由于运动轮23的外侧与第一躯干部2的侧面内壁相切，因此运动轮23本身又做自转运动，而最底端的运动轮23会通过第一躯干部2的底部与相接触的地面之间产生切线方向的作用力，结合舵机15的牵引力以及运动轮23产生的切线方向作用力，推动头部1向前移动。上螺旋叶片19和下螺旋叶片22的数量至少为6组，即运动轮23的数量至少为6个，使得运动轮23通过第一躯干部2的底部与相接触的地面之间产生切线方向作用力的频率增加，从而使机器人本体的移动速率增加。

第一躯干部2推动头部1向前移动，第一电动推杆24先伸长，使中部3保持原来的位置，然后第一电动推杆24缩短恢复至原来的长度，从而拉动中部3，使其向前移动。同理，第二电动推杆25先伸长，使第二躯干部4和尾部5保持原来的位置，然后第二电动推杆25缩短恢复至原来的长度，从而拉动第二躯干部4和尾部5，使其向前移动，从而使机器人本体在地面上进行类似蚯蚓的蠕动。

头部1和尾部5的表面均设有热红外生命探测仪26、摄像头27、第一红外线距离传感器28和第二红外线距离传感器29。热红外生命探测仪26通过感知人体向外辐射出的热红外线与周围环境向外辐射出的热红外线的差异，从而判定生命特征的具体位置。摄像头27采集机器人本体所处的环境图像，摄像头27选用3D高清夜视摄像头，能让机器人本体在光线较差的情况下也能精确识别所处的地形环境特征。第一红外线距离传感器28和第二红外线距离传感器29检测机器人本体与障碍物之间的距离并对障碍物的位置进行准确定位，同时可计算出障碍物的宽度。当需要转向时，根据计算得到的障碍物的宽度，控制模块控制微型电机10的输出扭转功率，输出轴11转动，带动端部的拨杆12转动，从而拉扯第一弹簧13或第二弹簧14。当需要左转时，微型电机10输出向左的扭转功率，输出轴11向左转动，拨杆12拉扯第二弹簧14使其伸长，第一弹簧13压缩，从而使头部1向左摆动，实现机器人本体的向左转向。同理，当需要右转时，微型电机10输出向右的扭转功率，输出轴11向右转动，拨杆12拉扯第一弹簧13使其伸长，第二弹簧14压缩，从而使头部1向右摆动，实现机器人本体的向右转向。实现机器人本体的头部1的灵活转向，从而使机器人本体避开障碍物。

机器人本体在移动过程中，能对头部1侧和尾部5侧的情况同时监测，监测范围广。当需要调转方向时，控制模块在第一躯干部2的舵机15和第二躯干部4的舵机之间进行切换，使第一躯干部2的舵机15暂停工作，而使第二躯干部4的舵机开始工作，推动尾部5向前移动，从而牵引中部3、第一躯干部2和头部1一起向前移动，非常方便高效。头部1、第一躯干部2、中部3、第二躯干部4和尾部5均由硅胶材料制成，柔软性好，同时具有较高的机械强度，使机器人本体能够在山洞、管道、瓦墟、山石等复杂恶劣的地形环境下顺畅移动。第一伸缩部6、第二伸缩部7、第三伸缩部8和第四伸缩部9均由硬氯乙烯材料制成，具有较好的抗拉、抗弯、抗压和抗冲击能力，具有较强的耐性，使用寿命长，使得第二伸缩部7和第三伸缩部8能适应性的分别跟随第一电动推杆24和第二电动推杆25进行伸缩，同时在转向时，第一伸缩部6和第二伸缩部9能提供较大的自由度。

图像处理模块对摄像头27采集的环境图像进行处理，并通过无线通信模块传送给远端的监控中心，实现了远程智能化监控管理。

机器人本体通过GPS定位模块接收来自GPS定位卫星的导航电文，GPS定位模块选用ET-318SiRF Star III GPS芯片组，SiRF StarIII GPS芯片组具有灵敏度高，低信号下快速TTFF(首次定位时间)，20通道全视野跟踪，跟踪速度精度为0.1m/s，支持NMEA0183和SiRF二进位协议，通过串口固定输出NMEA0183规定的数据信息。控制模块接收其中的推荐定位信息，获得时间、经纬度等信息。同时控制模块通过无线通信模块将生命特征的位置参数发送给远端的监控中心，方便准确快速的进行救援。

无线通信模块为2G、3G或4G通信模组，移动网络信号覆盖范围广，信号幅度强，具有极高的性价比，保证了机器人本体的无线传输效率，实现了智能化的远程监控。

控制模块对热红外生命探测仪26、摄像头27、第一红外线距离传感器28和第二红外线距离传感器29的输入信号进行处理，同时输出控制信号分别控制微型电机10、舵机15、第一电动推杆24、第二电动推杆25和图像处理模块工作，同时通过GPS定位模块与GPS定位卫星建立通信互连以及通过无线通信模块与远端的监控中心通信。由于控制模块需要对多路数据和多个进程进行快速处理，工作量较大，因此要求控制模块具备较强的数据处理能力的同时还要保证控制精度和图像传输的同步性。控制模块选用32位ARM控制器LPC1768，基于ARM Cortex-M3内核，操作频率高达120MHz，代码执行速度高达1.25MIPS/MHz，并具有丰富的外围接口部件，大大简化了电路。LPC1768自身的高速处理技术将有助于提高控制精度，同时也保证了数据传输的实时性。

机器人本体由蓄电池进行供电，蓄电池选用锂离子蓄电池，具有反复充放电次数高，使用寿命长，且转化效率高的特点，体现了节能环保的设计理念。

本实用新型提供了一种可灵活转向的蚯蚓仿生机器人，通过舵机驱动运动部旋转，同时运动轮本身又发生自转，从而使第一躯干部的底部与地面之间发生侧移，结合舵机的牵引力以及运动轮的转动力，推动头部向前移动，第一电动推杆配合发生伸长和收缩，拉动中部，第二电动推杆同步的发生伸长和收缩，拉动第二躯干部和尾部，从而在地面上进行类似蚯蚓的蠕动，头部、第一躯干部、中部、第二躯干部和尾部均由硅胶材料制成，柔软性好，同时具有较高的机械强度，能够在山洞、管道、瓦墟、山石等复杂恶劣的地形环境下顺畅移动，头部和尾部表面均设有热红外生命探测仪，可对复杂恶劣地形环境下的生命特征进行准确探测，3D高清夜视摄像头能让机器人本体在光线较差的情况下也能精确识别所处的地形环境特征，第一红外线距离传感器和第二红外线距离传感器能精确定位机器人本体前进路线上的障碍物及障碍物的宽度，控制模块控制微型电机输出扭转功率，通过拨杆拉扯第一弹簧或第二弹簧，实现头部的灵活转向，从而使机器人本体避开障碍物，机器人本体通过无线网络与远端的监控中心进行通讯，将图像信息以及待救援对象所在的GPS数据发送给监控中心，实现了远程智能化监控管理，当需要调转方向时，暂停头部的舵机，使尾部的舵机工作，从而由尾部进行牵引，非常方便高效，其结构简单，体积小巧，设计巧妙，系统功耗低，检测精度高，响应速度快，稳定性和可靠性好，具有良好的实用性和可扩展性，可广泛应用于复杂恶劣地形环境下的生命探测以及科学探索等场合。

上面所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定。在不脱离本实用新型设计构思的前提下，本领域普通人员对本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本实用新型的保护范围，本实用新型请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。