蛇形机器人的姿态控制方法
【技术领域】
[0001]本发明专利属于特种机器人领域，具体涉及一种蛇形机器人。
【背景技术】
[0002]当前已有的蛇形机器人基本上都是由相互垂直的舵机组合，而形成一种正交万向结构的蛇形机器人，其运动形式基本上限于俯仰运动、蜿蜒运动两种运动或者两种运动的组合，如专利CN201320573824.9即提供了此种类型的蛇形机器人。对一些复杂地形的适应有一定的局限性，效率低，且消耗功率较大。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是克服现有技术的上述不足，基于新提出的一种能够在各种复杂环境里灵活、高效行进的蛇形机器人，给出其在各种环境下的姿态控制方法。本发明的技术方案如下:
[0004]一种蛇形机器人的姿态控制方法，所述的蛇形机器人包括4个一组的螺旋壳体(I)、在每个螺旋壳体(I)上设置有螺旋齿，位于中间的两个螺旋壳体(I)上的螺旋齿旋转方向相同，位于两侧的螺旋壳体(I)上的螺旋齿旋转方向与位于中间的两个螺旋壳体(I)上的螺旋齿旋转方向相反；
[0005]相邻的两个螺旋壳体(I)之间设置有全向关节，每个全向关节包括两个U型连杆
(12)，两个舵机(4)，两个舵机支架(11)，两个舵机盘(2)。两个U型连杆(12)以相互垂直的方式通过配合孔固定连接；舵机(4)固定安装在舵机支架(11)上，舵机盘(2)固定安装在舵机的旋转轴上；U型连杆(12)的一端固定有舵机盘(2)，另一端设有一个轴孔，固定在舵机支架(11)底部的轴配合在所述轴孔中，舵机支架(11)能够绕U型连杆旋转，舵机(4)旋转轴旋转，使U型连杆(12)与舵机支架(11)产生相对旋转的运动，以上结构组成一个全向关节;
[0006]每个螺旋壳体(I)内部设置有中空轴(9)，中空轴(9)的端部通过中空连接轴
(10)与舵机支架(11)相连；在中空轴(9)上固定有减速电机(7)，由减速电机(7)驱动的外齿轮(6)与固定在螺旋壳体(I)内壁上的内齿轮(8)相啮合，其姿态控制方法如下:
[0007](I)第一种姿态，在孔洞中，全向关节在舵机(4)的控制下保持直线形态，减速电机带动螺旋壳体(I)旋转，使螺旋齿旋转方向不同的相邻一对螺旋壳体的螺旋齿与接触面的左右摩擦力相抵消，最终相邻的两个螺旋壳体(I)上的螺旋齿只有一个向前的合力，使其向前行进。
[0008]第二种姿态，在不平整路面上，全向关节在舵机(4)的控制下保持折线形态，折线的角度视地面的不平整而定，使螺旋壳体(I)上螺旋齿与地面接触，减速电机带动螺旋壳体(I)旋转，螺旋齿旋转方向不同的相邻一对螺旋壳体的螺旋齿与接触面的左右摩擦力相抵消，最终相邻的两个螺旋壳体(I)上的螺旋齿只有一个向前的合力，使其向前行进。
[0009]第三种姿态，在平坦的路面上，在两个舵机(4)的控制下使每对位于全向关节两侧的相邻的螺旋壳体(I)位于不同的水平面上并相互垂直，位于平行着地的两个螺旋壳体
(I)上的螺旋齿的旋转方向相同，其他结构架在这两个螺旋壳体上面；固定在中空轴(9)的减速电机(7)上的外齿轮6与螺旋壳体(I)上的内齿轮8啮合，带动平行着地的两个螺旋壳体(I)旋转，最终两个平行着地的螺旋壳体(I)向前滚动，使整个蛇形机器人如小车一样在平坦的路面上行进；
[0010]第四种姿态，在柱体上，全向关节在舵机(4)的控制下使螺旋壳体(I)之间呈一定角度，从而使整条蛇形机器人缠绕在柱体上，减速电机带动各个螺旋壳体(I)旋转，通过螺旋壳体(I)的旋转与柱体表面产生的摩擦力及驱动力，使其在柱体上行进。
[0011]本发明的姿态控制方式所适用的蛇形机器人，利用螺旋壳体和全向关节的融合，使旋转壳体与全向结构交互连接，实现在狭窄、不平整环境中蛇形前进；平坦路面车形高速前进；泥泞环境车形螺旋前进；树木、柱体缠绕攀行；变化外形以攀爬楼梯、翻越障碍等功能。与普通横摆、纵摆、组合摆动蛇形机器人相比，螺旋推进可以在更小的孔洞中前进，平坦路面更高效快速前进，且有高效缠绕攀爬的功能，适应环境范围更广。在刚性螺旋壳体上设置螺旋齿，类似于螺钉，或者利用软体弹簧的结构，依靠螺旋转动时，螺旋齿与地面凸起作用的向前分力产生前进力，同时每一节的螺旋齿的旋向并不相同，且按一定的规律布置，这样可以避免蛇体原地打转。总之，本发明提基于螺旋推进原理的蛇形机器人提出姿态控制方法，使其能够穿过狭窄空间；其次通过控制关节和螺旋壳体的运动，使蛇形机器人变化成不同的运动形态，从而使一种机器人可以在不同环境中高效的运动，有极强的通过性，且消耗更少的能量，延长工作时间。
【附图说明】
[0012]附图1是结构、控制、功能间关系说明。
[0013]附图2是蛇形机器人整体结构图。
[0014]附图3是壳体内外结构图。
[0015]附图4是全向关节方案图。
[0016]附图5是本发明的蛇形机器人的平坦路面行进姿态示意图。
[0017]附图中:1-螺旋壳体2-舵机盘3-螺旋齿(左旋)4-舵机5-螺旋齿(右旋)6-外齿轮7-减速电机 8-内齿轮8 9-中空轴(走线、支撑)10-中空连接轴11-舵机支架12-正交连接件
【具体实施方式】
[0018]图1直观展示了本发明采用的蛇形机器人的结构、功能、控制方式。控制器发出控制信号，控制关节和螺旋壳体进入不同的姿态和运动状态，使整条蛇形机器人实现多种形态和运动模式，从而在不同环境中高效率地运动。图1列出了控制关节使蛇形机器人产生的4种姿态，以适应4种典型的环境，另外通过姿态和运动的适当变换，实现攀爬楼梯、越障等更多功能。
[0019]整条蛇形机器人的关键部件是:舵机支架11上固定安装有舵机4，U型连杆12的一端固定有舵机盘2，舵机盘2固定在舵机4的旋转轴上，U型连杆12的另一端有一个轴孔，固定在舵机支架11底部的轴配合在所述轴孔中，舵机支架11可以绕U型连杆旋转，舵机4旋转轴旋转，使U型连杆12与舵机支架11产生相对旋转的运动，两个U型连杆12以相互垂直的方式通过配合孔固定连接，即正交方式