一种可翻滚的蛇形蠕动机器人的制作方法

本实用新型涉及一种具有地形勘测的多种运动方式的生物仿真型机器人，具体是一种可翻滚的蛇形蠕动机器人。

背景技术：

随着科技的不断进步，作为具有新型移动方式的柔性机器人，蛇形蠕动机器人以其多步态运动能力和能够适应复杂多变环境的特点，成为机器人领域的研究新热点。

传统的移动方式大多基于连续转动原理，其运动比较灵活而且运动效率比较高，但它的缺点是对复杂的路面条件适应能力差，后来出现了履带式运动，其对地面的适应能力有所提高，但其灵活性却显著降低。因此，科学家们一直致力于寻找一种既对地面适应能力强，又具有较好灵活性的运动方式。近些年来，科学家纷纷把目光投向仿生学，较早出现的移动式机器人是四足的，后来又逐渐出现了两足，六足以及多足机器人，步型式机器人在一定程度上提高了机器人的地面适应能力，但它的稳定性及对松软地面的适应性比较差，于是科学家开始探索像蛇一样灵活快速运动的蛇形蠕动机器人是否具有可行性。

在对不同的地形进行勘察时，可能对蛇形蠕动机器人的运动的要求不同，有些地形需要蛇形蠕动机器人进行直线快速的移动，有些地形有需要蛇形蠕动机器人拥有能够侧向进行翻滚以便翻越某些较为复杂的地形，但是大部分地形对翻滚的要求较少，所以一般的蛇形蠕动机器人并没有配备翻滚的机能，而配备了翻滚机能的蛇形蠕动机器人售价较贵，同时使用翻滚作业较少这样大量浪费了资源。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了针对上述现状设计了一种具有蠕动和翻滚运动的可以进行模块化拆卸的蛇形蠕动机器人，提高了蛇形的工作效率。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种可翻滚的蛇形蠕动机器人，其特征在于：由控制装置和至少三个首尾相连的蠕动模块组成，所述蠕动模块包括三个关节、两个舵机和一个旋转模块，所述关节为一圆环形，所述圆环形的关节的两侧分别设有一对固定板，所述每一侧的一对固定板均以关节的圆环中心对称设置，关节一侧的一对固定板与其另一侧的一对固定板方向垂直交叉设置；

所述旋转模块包括旋转外壳、设于旋转外壳内可自由旋转的旋转内壳、以及驱动旋转内壳旋转的驱动电机，所述旋转内壳内设有大齿轮，大齿轮与驱动电机的输出轴固定相连，旋转内壳壁上设有多个对称分布的缺口，所述缺口内设有与大齿轮咬合的小齿轮，所述旋转外壳内壁设有一圈能与小齿轮咬合的内圈齿；

所述蠕动模块中前面两个关节和两个舵机的连接方式为：关节一侧的一对固定板与舵机的机体固定相连，关节另一侧的一对固定板与舵机的输出轴固定相连，第一个舵机、第一个关节、第二个舵机和第二关节按照前述连接方式首尾相连，旋转内壳一端与第二个关节一侧的固定板固定相连，旋转内壳另一端与第三个关节一侧的固定板固定相连，第一个舵机、第一个关节、第二个舵机、第二关节、旋转模块和第三个关节的按照上述连接方式依次首尾连接组成蠕动模块，至少三个蠕动模块按照上述连接方式首尾相连组成可翻转的蛇形蠕动机器人。

作为改进，所述旋转外壳内壁设有一圈凹槽，所述凹槽内设有与旋转内壳相接触的滚动体，所述滚动体为滚珠。

作为改进，所述旋转内壳两端分别设有可拆卸的挡板，所述旋转外壳设有方向与机器人方向相同的防滑板。

本实用新型有益效果是：在对不同的地形进行勘察时，可能对蛇形蠕动机器人的运动的要求不同，有些地形需要蛇形蠕动机器人进行直线移动，有些地形有需要蛇形蠕动机器人拥有能够侧向进行翻滚以便翻越某些较为复杂的地形，本实用新型蛇形蠕动机器人的翻滚运动构件能够根据需要进行安装或拆卸，能够大大提升蛇形蠕动机器人使用寿命，避免不需要进行翻滚运动是对旋转模块产生的磨损消耗。

附图说明

图1为蛇形蠕动机器人舵机和关节连接关系示意图；

图2为关节与舵机的装配示意图；

图3为蛇形蠕动机器人旋转内胆转配图；

图4为蛇形蠕动机器人旋转外壳示意图；

图5为蛇形蠕动机器人蠕动模块示意图；

图6为蛇形蠕动机器人整体装配图；

图7为蛇形蠕动机器人运动原理示意图。

图中：1-舵机，2-螺钉，3-关节，4-法兰盘，5-旋转内壳，6-大齿轮，7-小齿轮，8-挡板，9-旋转外壳，10-滚珠，,11-垫片，12-长螺钉，13-控制装置，14-固定板，15-防滑板，16-内圈齿。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行举例说明。

根据本课题要求实现的功能，设计的蛇形蠕动机器人的蠕动模块由三个个关节3、两个舵机1和一个旋转模块首尾相连组成，如图5所示；

如图2所示，为关节3的具体外形，其中轴线水平的转动副成称为水平关节，所述关节3为一圆环形，所述圆环形的关节3的两侧分别设有一对固定板14，所述每一侧的一对固定板14均以关节3的圆环中心对称设置，关节3一侧的一对固定板14与其另一侧的一对固定板14方向垂直交叉设置；

如图3和图4所示，所述旋转模块包括旋转外壳9、设于旋转外壳内9可自由旋转的旋转内壳5、以及驱动旋转内壳5旋转的驱动电机，所述旋转内壳5内设有大齿轮6，驱动电机固定在旋转内壳5内，驱动电机的输出轴与大齿轮6的轴固定相连，旋转内壳5壁上设有多个对称分布的缺口，多个对称分布的缺口与大齿轮6处于同一个平面，所述缺口内设有与大齿轮6咬合的小齿轮7，所述旋转外壳9内壁设有一圈能与小齿轮7咬合的内圈齿16；

如图1所示，关节3和舵机的连接方式为：所述关节3一侧的一对固定板14与舵机1的机体通过法兰盘4与螺钉2固定相连，关节3另一侧的一对固定板14与舵机1的输出轴通过法兰盘4与螺钉2相连，第一个舵机1、第一个关节3、第二个舵机1和第二个关节3按照上述连接方式顺序首尾连接；

如图1和图5所示，旋转内壳5一端与第二个关节3一侧的固定板14通过长螺钉12固定相连，旋转内壳5另一端与第三个关节3的固定板14通过长螺钉12固定相连，所述三个关节3、两个舵机1和一个旋转模块按照上述结构和顺序首尾相连组成蠕动模块；多个蠕动模块首尾相连组成可翻转的蛇形蠕动机器人。

如图6所示，所述控制装置13设于机器人最前端，控制装置13控制上述所有舵机1的运转，本实施例蠕动模块有四个，蠕动模块数量至少三个，可以根据需要任意增加。由于关节3两侧的一对固定板方向互相垂直，因此该机器人即可上下蠕动也可在平面内左右蠕动。

关节3采用铝材材料，重量轻，强度合适，其特点是结构紧凑，体积小巧，传递可靠。

为了保证旋转外壳9在机器人轴向上面不会产生相对滑动，在旋转内壳5两端分别安装了可拆卸的挡板8，为了支持旋转外壳9不产生倾斜且保证正常的旋转运动，在旋转外壳9的内壁两端挖了一圈凹槽，在凹槽内放入滚珠10，起到支撑作用。旋转外壳9与地面产生摩擦力，使得整个机器人产生一个翻滚的运动。为了增加旋转外壳9与地面产生摩擦力，在旋转外壳9外表面设有多个防滑板15，防滑板15沿机器人轴向设置。

蠕动模块由三个关节3、两个舵机1和一个旋转模块组成，每个与舵机1输出轴相连的关节3均具有一个独立的自由度，因此一个蠕动模块产生形成了俯仰和偏航两个旋转自由度，每个独立自由度的关节3都需要能够独立控制，因此每个关节3均有一个独立的电机作为驱动器，产生一个回转自由度，通过多个关节3的相互配合，模拟蛇形蠕动推动整个机器人的前进。当需要机器人进行转动作业时，我们在每个蠕动模块内加入旋转模块和第三个关节3组成可翻转的蠕动模块，通过垫片11与长螺钉12将两个可翻转的蠕动模块直接连接，提供给蛇形蠕动机器人一个专门用于旋转的自由度。

在驱动电机的选择上，选用舵机1作为驱动电机。舵机1是一种能够直接提供位置控制的直流电机，其结构紧凑，易于安装，控制简单，大扭力，成本低。使用舵机1可以使每个关节做的结构比较紧凑，减小整体的体积。

每个关节3的可活动范围为 180 度。旋转模块由旋转内胆和旋转外壳构成提供一个单独用于翻滚的动力，可以在机器人末端加上提供信息传输作用之类的装置。

蠕动是蛇形蠕动机器人部分结构与地面保持静止，另一部分凭借静止部分与地面间形成的静摩擦力实现的向前运动；根据蛇形蠕动机器人部关节轴与地面间的关系，可以将蠕动分为关节轴与地面垂直的蠕动和关节轴与地面平行的蠕动。关节轴与地面垂直的蠕动是蛇形蠕动机器人整个蛇体与地面接触，此时运动部分与地面间不可避免的产生摩擦并损耗大量的能量，而对于关节轴与地面平行的蠕动，沿地面行进时，因为运动部分脱离地面不与地面接触，运动部分与地面之间就不存在摩擦，因此它是一种比较节能的运动步态。

蛇形蠕动机器人的蠕动过程其实是运动波依次传递的过程，我们将蛇形蠕动机器人简化成 N 节连杆首尾铰接连接组成的连杆系统，其每个连接处的关节3都拥有独立驱动。给这种多连杆系统的蠕动过程分为3个阶段: 波形成型阶段，波形传递阶段，波形恢复阶段。以及这一阶段的不断重复过程促成了连杆系统的不断向前移动。本实施例的蛇形蠕动机器人运动原理如图7所示，我们用表示所对应的某点n,具体如下：

1.波成形阶段（即图7a至图7c）

初始状态蛇形蠕动机器人是一条直线，启动后， ,,和同互相协调运动，其它点静止不动，运动波逐步形成，拖动关节向前运动。

2.波形推进阶段（图7c至图7e）

运动波形成后，从图7c至图7e过程中，末端 点不动，杆与地面夹角逐渐变为零，杆与地面夹角由 0°逐渐增大，中间的连杆 ， ， ， 协调运动，使新的运动波形成。此过程反复向前推进，直到末端。

3.波结束阶段（图7f至图7g）

此阶段运动波的波浪已经推进到末端，运动波后面的连杆全部静止不动, 运动波逐步恢复为直线，推动关节向前滑动，最后整个系统恢复为直线状态。此时运动的一个周期已经完成，整个系统已经在水平X轴上产生一个位移。

当蛇形蠕动机器人需要进行翻滚作业时，在每个蛇形蠕动机器人的蠕动模块内加入一个旋转模块（如图5所示），两个蠕动模块通过垫片11和长螺钉12相连接，这时旋转内壳5和与之相连的关节3相当于一个整体，当旋转内壳5里面的驱动电机开始工作时，驱动电机的轴带着大齿轮6进行旋转，大齿轮6与小齿轮7相啮合，带动小齿轮7旋转，同时小齿轮7与旋转外壳9相啮合，带动旋转外壳9旋转，旋转外壳9内壁的滚珠10提供支撑。由于蛇形蠕动机器人的主体较重，则旋转外壳9相对主体产生相对转动，旋转外壳9与地面产生摩擦力，从而使得蛇形蠕动机器人能够进行翻滚运动。最后的组装图如图6所示主体两端安装有控制装置13、以及提供信息传输作用之类的装置，从而保证蛇形蠕动机器人能够进行信息的传输作业。