一种具有正交关节结构的蛇形机器人的制作方法

本发明属于仿生机器人技术领域，涉及一种蛇形机器人，特别是涉及一种具有正交关节结构的蛇形机器人。

背景技术：

蛇形机器人具有易于伪装、隐蔽性强等特点，复杂地形通过能力强，能够代替或部分代替操作人员完成危险的工作，如侦查、搜救、巡逻、管道检测和空间探索等。然而，现有的蛇形机器人通常存在结构设计不合理、质量分布不均匀，体型笨重、不够灵活，空间自由度不够好、冗余度不够高等缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种体积小巧、结构简洁、操作简单、运动灵活、空间自由度高的具有正交关节结构的蛇形机器人。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种具有正交关节结构的蛇形机器人，包括通过多个关节连接件4依次首尾连接的一个蛇头关节1、多个蛇身关节2和一个蛇尾关节3。每个所述蛇身关节2上均设有水平转动输出的横向舵机51和竖直转动输出的纵向舵机52；所述关节连接件4为平板折成的u形结构，包括水平板41和位于水平板41两侧并与水平板41垂直的两个纵向板42；所述纵向板42与相邻两个蛇身关节2中前方蛇身关节2的纵向舵机52输出轴50固定连接，所述水平板41与相邻两个蛇身关节2中后方蛇身关节2的横向舵机51输出轴50固定连接。

进一步，所述蛇身关节2包括设置在蛇身支架21上用于与前方相邻关节连接的横向舵机51、与后方相邻关节连接的纵向舵机52，以及用于供电的电池6和用于控制的电路板7；所述电池6与电路板7电连接，所述电路板7与横向舵机51和纵向舵机52电连接。

进一步，所述蛇头关节1包括设置在蛇头支架11上用于与后方相邻关节连接的纵向舵机52，用于供电的电池6和用于控制的电路板7，以及设置在蛇头支架11前端的蛇头盖12；所述电池6与电路板7电连接，所述电路板7与纵向舵机52电连接。

进一步，所述蛇尾关节3包括设置在蛇尾支架31上用于与前方相邻关节连接的横向舵机51，用于供电的电池6和用于控制的电路板7，以及设置在蛇尾支架31后端的蛇尾盖32；所述电池6与电路板7电连接，所述电路板7与横向舵机51电连接。

进一步，所述关节连接件4包括水平板41和位于水平板41两侧并与水平板41垂直的两个纵向板42；所述水平板41上设有用于连接横向舵机51的第三通孔43，所述纵向板42上设有用于连接纵向舵机52的第四通孔44；所述横向舵机51、纵向舵机52的输出轴50通过连接盘8实现与水平板41的第三通孔43和纵向板42的第四通孔44实现连接固定。

进一步，所述横向舵机51和纵向舵机52为结构相同的长方体结构，横向舵机51和纵向舵机52的前、后表面53均为矩形，相对的两个侧面54均设有输出轴50。

本发明提供的一种具有正交关节结构的蛇形机器人，各个关节采用正交驱动结构，可以提高蛇形机器人的灵活性和可操作性，能够同时进行蜿蜒运动(即水平面s形运动)和蠕动(即竖直面s形运动)动作。蛇身关节采用双舵机正交驱动结构，体积小巧，运动灵活，提高了复杂环境的通过性和操控性。蛇形机器人采用模块化设计，可任意增加或减少蛇身模块，拓展了蛇形机器人的应用范围；不同关节组件采用相同的舵机、关节连接件等部件，采用了减少了维修难度。

附图说明

图1是蛇形机器人的整体结构示意图；

图2是蛇身关节整体结构示意图；

图3是蛇身关节主视图；

图4是蛇身关节俯视图；

图5是蛇身关节右视图；

图6是蛇身支架结构示意图；

图7是关节连接件结构示意图；

图8是舵机结构示意图；

图9是舵机连接盘结构示意图；

图10是电池结构示意图；

图11是控制板结构示意图；

图12是蛇头关节整体结构示意图；

图13是蛇头关节主视图；

图14是蛇头关节俯视图；

图15是蛇头关节左视图；

图16是蛇头支架结构示意图；

图17是蛇头盖结构示意图；

图18是蛇尾关节整体结构示意图；

图19是蛇尾关节主视图；

图20是蛇尾关节俯视图；

图21是蛇尾关节左视图；

图22是蛇尾支架结构示意图；

图23是蛇尾盖结构示意图；

图24是控制系统原理框图；

图25是主控系统的电路结构示意图；

图26是从控系统的电路结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图1至26，进一步说明本发明一种具有正交关节结构的蛇形机器人的具体实施方式。特别说明的是：实施例中所述“前”、“前方”或“后”、“后方”等表述，仅表示当蛇形机器人为直线状态时的蛇尾至蛇头方向或反方向，并不表示蛇形机器人前进的方向；所述“蛇头”和“蛇尾”仅为组件的名称，并不表示蛇形机器人前进时“蛇头”必须向前。本发明一种具有正交关节结构的蛇形机器人不限于以下实施例的描述。

实施例1：

本实施例给出一种具有正交关节结构蛇形机器人的具体实施方式。

如图1所示，是一种具有正交关节结构的蛇形机器人，包括通过多个关节连接件4依次首尾连接的一个蛇头关节1、多个蛇身关节2和一个蛇尾关节3。所述蛇头关节1、蛇身关节2和蛇尾关节3均为近似长方体结构，各关节沿垂直蛇身方向的纵截面的形状基本一致，均为正方形或矩形，从而在确保狭窄空间的通过性。优选的，为了保持稳定减少侧翻，截面为宽度大于高度的矩形。

如图2至5所示，蛇身关节2的蛇身支架21中设置有水平转动输出的横向舵机51和竖直转动输出的纵向舵机52。所述横向舵机51纵向舵机52的输出方向在空间中垂直正交。优选的，横向舵机51和纵向舵机52可以采用结构相同的舵机5，根据安装位置和角度的不同，从功能上区分为横向舵机51和纵向舵机52。如图8所示，舵机5为长方体结构，舵机5的前、后表面53为矩形，相对的两个侧面54均设有输出轴50。

如图7所示，所述关节连接件4为平板折成的u形结构，包括水平板41和位于水平板41两侧并与水平板41垂直的两个纵向板42。所述纵向板42与相邻两个蛇身关节2中前方蛇身关节2的纵向舵机52输出轴50固定连接，所述水平板41与相邻两个蛇身关节2中后方蛇身关节2的横向舵机51输出轴50固定连接。优选的，所述水平板41上设有用于连接横向舵机51的第三通孔43，所述纵向板42上设有用于连接纵向舵机52的第四通孔44；所述横向舵机51、纵向舵机52的输出轴50通过的连接盘8实现与水平板41的第三通孔43和纵向板42的第四通孔44实现连接固定。所述水平板41和纵向板42上还设有用于安装连接盘8的连接盘螺丝孔45，通过螺丝实现各部件的连接固定。通过关节连接件4，各关节之间在横向和纵向两个方向上均能够在-135至135度之间双向自由转动，从而使各关节间具有较大的运动范围，提高了蛇形机器人的灵活性。

如图9所示，是连接盘8的结构示意图。连接盘8的主要作用，是实现舵机输出轴50与关节连接件4之间的连接固定和传动驱动。

如图12至23所示，蛇头关节1上还设有纵向舵机52，蛇尾关节3上还设有纵向舵机，采用与蛇身关节2上的两种舵机相同的方式，分别连接在由蛇身关节2组成的蛇身的前端和末端。

本实施例的益处在于：蛇形机器人的各个关节采用正交驱动结构，可以提高蛇形机器人的灵活性和可操作性，能够同时进行蜿蜒运动(即水平面s形运动)和蠕动(即竖直面s形运动)动作。同时，蛇身关节采用双舵机正交驱动结构，体积小巧，运动灵活，提高了复杂环境的通过性和操控性。以及，蛇形机器人采用模块化设计，可任意增加或减少蛇身模块，拓展了蛇形机器人的应用范围；不同关节组件采用相同的舵机、关节连接件等部件，采用了减少了维修难度。

实施例2：

根据实施例1所述的蛇形机器人，本实施例给出所述蛇身关节的进一步实施方式。

如图2至7所示，一种蛇形机器人的蛇身关节，包括设置在蛇身支架21上用于与前方相邻关节连接的横向舵机51、与后方相邻关节连接的纵向舵机52，以及用于供电的电池6和用于控制的电路板7。所述电池6与电路板7电连接，所述电路板7与横向舵机51和纵向舵机52电连接。

如图6所示，所述蛇身支架21为前、后方开放的立方体框架结构，居中位置设有用于安装横向舵机51、电池6和电路板7的矩形结构的第一仓体211，靠后位置设有用于安装纵向舵机52的u形结构的第二仓体212；所述蛇身支架21底部的蛇身底板213为矩形结构，上面设有用于安装横向舵机51输出轴50的第二通孔214；所述蛇身支架的第一仓体211、第二仓体212、蛇身底板213上还设有用于安装固定横向舵机51、电池6和电路板7的多个第二螺丝孔215。优选的，所示所述蛇身支架21可由金属板弯折而成，也可通过3d打印成型。

如图2至5所示，蛇身支架21上设置有横向舵机51和纵向舵机52。所述横向舵机51通过螺丝纵向安装固定在第一仓体211内部，横向舵机51的一个输出轴50为竖直向上方向，可沿水平平面双向转动，另一个输出轴50容纳在于蛇身底板213的第二通孔214中；所述纵向舵机52通过螺丝横向安装固定在第二仓体212中，纵向舵机52的输出轴50为水平且垂直于蛇身方向，可沿竖直平面双向转动。所述电池6紧邻横向舵机51竖直安装在第一仓体211中。所述电路板7安装在第一仓体211中位于横向舵机51后方。

本实施例的益处在于：每个所述蛇身关节2同时具有基于正交方向的两个输出轴，不仅可以同时完成两个自由度的运动驱动，具有较高的灵活性，同时还进一步缩小了蛇身关节的体积，结构简单、可靠性高，易于维修和拓展。

实施例3：

根据实施例1所述的蛇形机器人，本实施例给出所述蛇头关节结构的进一步实施方式。

如图12至17所示，所述蛇形机器人的蛇头关节包括设置在蛇头支架11上用于与后方相邻关节连接的纵向舵机52，用于供电的电池6和用于控制的电路板7，以及设置在蛇头支架11前端的蛇头盖12。所述电池6与电路板7电连接，所述电路板7与纵向舵机52电连接。

如图16所示，所述头部支架11为前、后方开放的立方体框架结构，前部设有用于安装电池6和电路板7并连接蛇头盖12的矩形结构的第三仓体111，后部设有用于安装纵向舵机的u形结构的第四仓体112。所述第三仓体111和第四仓体112的底部为头部支架11矩形结构的底板11为矩形结构。所述第三仓体111前方还设有支撑固定电路板7的第一挡板114。所述头部支架的第三仓体111、第四仓体112、头部底板113上还设有用于安装固定纵向舵机52、电池6、电路板7和蛇头盖的多个第一螺丝孔116，以实现各部件的连接固定。

如图18至21所示，所述横向舵机51通过螺丝横向安装固定在第五仓体311中，横向舵机51的输出轴50为水平且垂直于蛇尾方向，可沿竖直平面双向转动。所述电池6安装在第五仓体311中。

如图11所示，所述电路板7为矩形结构，上面设有摄像头模块和照明模块，以实现照明和获取现场视频的功能。同时，所述第一挡板114上设有与摄像头位置一致用于辅助支撑固定摄像头的凹槽115，加强对摄像头模块的固定支撑。所述蛇头盖12上设有与摄像头模块和照明模块位置一致的摄像头通孔123和照明通孔124。

如图17所示，所述蛇头盖12的前部为弧形流线结构，摄像头模块和照明模块位于蛇头盖12的中央位置，可以获得最佳的视频拍摄视角，同时还提高了黑暗环境中的视频质量。

本实施例的益处在于：所述蛇头关节1的纵向舵机52可以驱动蛇头关节1向上或向下转动，相邻的蛇身关节2的横向舵机51可以驱动蛇头关节1向左或向右转动，从而使蛇头具备了很高的灵活性。通过设置摄像头模块和照明模块，可以实时获取并回传现场视频。蛇头关节具备的流线造型，提高了蛇形机器人在复杂地形的通过性能。

实施例4：

根据实施例1所述的蛇形机器人，本实施例给出所述蛇尾关节结构的进一步实施方式。

如图18至23所示，所述蛇形机器人的蛇尾关节包括设置在蛇尾支架31上用于与前方相邻关节连接的横向舵机51，用于供电的电池6和用于控制的电路板7，以及设置在蛇尾支架31后端的蛇尾盖32。所述电池6与电路板7电连接，所述电路板7与横向舵机51电连接。

如图22所示，所述尾部支架31为前、后方开放的立方体框架结构，中间设有用于安装横向舵机51、电池6并连接蛇尾盖32的矩形结构的第五仓体311。所述尾部支架31底部的蛇尾底板312上设有用于安装横向舵机51输出轴50的第五通孔313。所述尾部支架31的第五仓体311、蛇尾底板312上设有用于安装固定横向舵机51、电池6，以及连接蛇尾盖31的多个第三螺丝孔215。

如图18至21所示，所述横向舵机51通过螺丝横向安装固定在第五仓体311中，横向舵机51的输出轴50为水平且垂直于蛇尾方向，可沿竖直平面双向转动。所述电池6安装在第五仓体311中。

如图11所示，所述电路板7为矩形结构。所述电路板7安装在蛇尾盖31内部，电路板7上还设有激光测距传感器、红外热源传感器、温湿度传感器、大气压强传感器和/或co传感器等模块，以实现外部环境感知功能。

如图18和23所示，给出了所述蛇尾盖31的两种具体实施方式。所述蛇尾盖31为后端开放的矩形结构，通过螺丝实现与尾部支架31的连接。所述蛇尾盖31前端设有多个与摄像头模块、激光测距模块、温湿度传感器、气压传感器、热成像传感器和/或co传感器等模块匹配的多个第六通孔321。

本实施例的益处在于：所述蛇尾关节3的横向舵机51可驱动蛇尾关节向左或向右转动，相邻的蛇身关节2的纵向舵机52可以驱动蛇尾关节3向上或向下转动，从而使蛇尾具备了很高的灵活性。通过设置多种传感器，使蛇形机器人具备多种现场环境的感知获取能力。

实施例5：

根据实施例1至4所述蛇形机器人及其关节组件结构，本实施例给出一种具有分布式电源结构的蛇形机器人的具体实施方式。

如图1至23所示，一种具有分布式电源结构的蛇形机器人，包括首尾依次连接的一个蛇头关节1、多个蛇身关节2和一个蛇尾关节3。所述蛇头关节1、蛇身关节2和蛇尾关节上各自设有用于驱动蛇形机器人动作的横向舵机51和/或纵向舵机52、用于与其他关节组件电路板进行无线通信并控制、驱动舵机5工作的电路板7，以及用于为本关节组件的电路板7和舵机5供电的电池6。

本实施例的益处在于：通过在每个蛇头关节、蛇身关节和蛇尾关节上分别设置独立的用于供电的电池和用于控制、稳压、驱动的电路板7，形成了分布式的供电结构，不仅可以将电池的重量均匀分布在全部蛇身，结构合理，易于驱动控制，避免了独立电源供电时电池不易安放、重量不均衡的问题；而且还提高了蛇形机器人各组件之间的冗余度，当一个或部分关节组件故障失效时，不影响蛇形机器人的整体功能。

实施例6：

根据实施例1至5所述的蛇形机器人及其关节结构，本实施例给出所述蛇形机器人控制系统的具体实施例。

如图24所示，蛇形机器人的控制系统主要由主控系统、从控系统和监控系统组成。所述主控系统包括摄像头模块、激光测距模块、温湿度传感器、气压传感器、热成像传感器和co传感器。其中，摄像头模块和热成像传感器以视频形式展现在监控系统中，可以实时采集到环境信息和人体感知信息。从控系统属于运动控制系统，可配合主控系统的自主探测功能，进行运动步态的控制和调节，并采用zigbee无线传输方式与主控进行通信，通过pwm信号控制舵机角度完成关节机构的运动。监控系统属于上层控制系统，主要负责蛇形机器人的整体控制和监测，配有wifi和蓝牙模块，能够与主控系统进行图像实时传输和多传感器信息显示。

在蛇身机器人的多个关节中，所述主控系统仅设置一套，优选可以安装在蛇头关节或蛇尾关节中，当然也可以根据需要安装在蛇身关节中。所述从控系统安装在主控系统所在关节之外的其他每一个关节。实施例中所述的“电路板”，是主控系统和从控系统的主要载体，其物理形式可以是一块独立的电路板，也可以是多块独立电路板的组合，具体可以根据所在关节的空间形状灵活设计。实施例中给出的多种类型的传感器，可根据使用需要，灵活设置在不同的关节上，或者在多个关节上设置同一类型的传感器，以实现冗余检测，提高设备工作的可靠性。

如图25所示，是所述主控系统电路结构示意图。主控系统主要由核心处理器、无线通信模块、摄像头和各类传感器组成。主控系统通过蓝牙模块来接收监控系统的控制指令和获取各传感器的参数，同时监控系统根据发出的指令确定蛇形机器人的运动步态并将传感器参数显示在app上。主控系统采用wifi模块与监控系统进行通信，可实时采集到摄像头的图像信息，系统为摄像头配备了照明电路以便于在黑暗的环境下能够获取高清的图像。具体的，主控板集成了核心处理器stm32f103和co传感器、温湿度传感器、大气压强传感器、红外热源传感器以及激光传感器，同时采用cc2530协调器与从控制器进行zigbee通信，利用cc2541蓝牙模块对各个传感器参数进行传输。供电系统由可充放电锂电池模块和稳压模块组成，为整个蛇形机器人提供能量需求，并分布于蛇形机器人的每一个关节之中。

如图26所示，是所述从控系统的电路结构示意图。采用意法半导体公司推出的一款成本低、引脚少、低功耗的stm8s003f3p6作为从控系统的核心处理器，采用hitec公司推出的6v供电的大扭矩舵机，采用7.4v、250mah的锂电池，确保蛇形机器人能够连续工作1h以上。在从控系统运行过程中，主控系统通过cc2530协调器以无线传输方式向从控系统中的cc2530终端节点下发指令，并经过终端节点以串口通讯方式将指令传达给核心处理器来驱动舵机完成相应的步态操作。为了便于蛇形机器人的移动和满足供电需求，采用7.4v锂电池供电方案，经过rt9193电压转换芯片将电压转换为3.3v为从控板供电，并通过串联一个二极管将7.4v电压降为6v，以保证舵机的可靠运行。

所述监控系统以app形式集成在手持终端上，完成采集信息的监测与显示功能。

本实施例所述的蛇形机器人的控制系统，可采用多种运动控制方式进行驱动，包括基于机器人的运动步态控制方式、日本hirose教授提出的基于serpenoid控制函数的控制方式，以及基于cpg中枢模式发生器的控制方式等。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。