一种具有横向收缩功能的关节结构及由其构成的救援蛇形机器人的制作方法

本发明涉及救援技术领域，尤其是一种具有横向收缩功能的关节结构及由其构成的救援蛇形机器人。

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，具有体积小、灵活性强等优点，在科学探险、灾难救援、医疗探测、航天技术等领域具有广阔的市场前景。随着蛇形机器人研究的不断深入，为了适应严苛环境的环境，对蛇形机器人提出了更高的要求。救援蛇形机器人主要用于抢险救灾现场，由于救援现场的地形较为复杂，各种缝隙大小不均，需要采用更为灵活多变的救援蛇形机器人以应对严苛的环境。目前，传统的救援蛇形机器人只能进行水平移动和横向弯曲折叠，其弯曲的角度受各关节外形和节间缝隙影响，并且救援蛇形机器人的蛇身直径固定，无法应对救援环境孔径较小的缝隙，使得救援蛇形机器人的使用环境有限。另外，传统的救援蛇形机器人无论是增加关节长度还是增加节间缝隙宽度，均会影响救援蛇形机器人的弯曲角度，在蛇形机器人的设计中，无法解决蛇形机器人弯曲角度的困难。

与此同时，为了采集救援探测数据，需要设置检测的传感器或摄像头，本发明的软性材质的蛇身皮肤采用3D打印技术，并采用专利申请号为：201410742521.4，专利名称为“传感器嵌入式服务压力测试用仿真软体假人的构思方法”的构思，将传感器设置在蛇身皮肤内，一方面可以起到有效的防水，还能保护各救援探测的传感器免受损害。

因此，急需要对救援蛇形机器人进行改进，使其具备横向收缩功能，以满足不同孔径的缝隙，保证救援蛇形机器人的弯曲角度，降低关节长度和节间缝隙宽度对救援蛇形机器人使用限制，应对严苛、复杂的救援环境，使救援蛇形机器人在缝隙内灵活穿梭。

技术实现要素：

针对上述不足之处，本发明的目的在于提供一种具有横向收缩功能的关节结构及由其构成的救援蛇形机器人，主要解决现有技术中存在的救援蛇形机器人弯曲角度小，蛇身直径固定，无法适应较小孔径缝隙救援等问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种具有横向收缩功能的关节结构，包括软性材质并且为环形闭合形状的蛇身皮肤，与蛇身皮肤一体成型的上支撑衬板、右支撑衬板、底部支撑衬板和左支撑衬板，固定在底部支撑衬板上的底座，与底座连接并与蛇身皮肤内壁之间保持一收缩间隙的支撑衬体，三台固定在支撑衬体上的步进电机，三组设置在支撑衬体侧边缘并且分别与上支撑衬板、右支撑衬板和左支撑衬板连接的第二伸缩杆，一端分别与上支撑衬板、右支撑衬板和左支撑衬板连接的三组第一伸缩杆，与第一伸缩杆的另一端连接的支撑环，设置在支撑环内且与该支撑环滑动匹配的驱动球，贴合在支撑环上的两组电磁制动器，与驱动球连接的前端杆，设置在支撑衬体底部中央的后端杆，以及设置步进电机轴承上且与驱动球摩擦接触的摩擦轮，其中，摩擦轮环形均匀贴合在驱动球表面。所述第一伸缩杆与第二伸缩杆的位置对应。

进一步地，所述支撑衬体为绝缘材质，并且该支撑衬体内嵌设有控制所述步进电机旋转和电磁制动器制动的控制电路。所述支撑衬体上还开设有一凹槽。

进一步地，所述支撑环上固定设置有与底座滑动接触的滑动部。

优选地，所述前端杆上设有与该后端杆匹配的第一盲孔。

更进一步地，所述电磁制动器内设置电磁操作杆，所述支撑环上设有与电磁操作杆的位置相对匹配的通孔，所述通孔内设有与电磁操作杆连接的摩擦片。

进一步地，所述控制电路包括分别与步进电机连接的驱动器和电源模块，与驱动器连接的中央处理器MCU，与中央处理器MCU连接的AD转换器，与AD转换器连接的距离传感器、位置传感器、压力传感器和湿度传感器，以及与电源模块连接的LED灯。其中，位置传感器用于控制关节间相对角度。电源模块安装在凹槽内。

巧妙地，所述第一伸缩杆包括伸缩底座，一端与伸缩底座连接的伸缩支撑杆，设置在伸缩底座内的锥形孔，设置在锥形孔内且与伸缩底座连接的圆形凸部，设置在伸缩支撑杆一端且与锥形孔匹配的椎体，设置在椎体内的第二盲孔，以及设置在锥形孔内、一端与圆形凸部连接且另一端穿入第二盲孔内的弹簧。其中，伸缩支撑杆的另一端与上支撑衬板或右支撑衬板或左支撑衬板连接，通过挤压第一伸缩杆和第二伸缩杆的弹簧，实现该关机机构横向收缩。

进一步地，所述第一盲孔设有内螺纹，并且后端杆上设有与该内螺纹匹配的外螺纹。

另外，本发明还提供了一种救援蛇形机器人，包括由前至后依次连接的至少2个上述具有横向收缩功能的关节结构，其中，前一个所述关节结构的后端杆与后一个所述关节结构的第一盲孔通过螺纹相互连接，第一个所述关节结构的前端、最后一个所述关节结构的后端、以及相邻所述关节结构之间均采用软性材质的蛇身皮肤包覆连接，使该救援蛇形机器人的外表面构成封闭结构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明巧妙地设置一体成型的蛇身皮肤、上支撑衬板、右支撑衬板、底部支撑衬板和左支撑衬板，为救援蛇形机器人提供了行进的蛇身。并且设置三组第一伸缩杆和第二伸缩杆，保持支撑衬体与上支撑衬板、右支撑衬板和左支撑衬板固定连接。一方面，为软性材质的蛇身皮肤提供支撑保障，有效防止蛇身皮肤塌陷。另外一方面，作为支撑衬体的支撑平台，为步进电机旋转工作提供了支撑。由蛇身皮肤、上支撑衬板、右支撑衬板、底部支撑衬板、左支撑衬板、支撑衬体、底座和第二伸缩杆共同组成了支撑平台，为关节结构的横向收缩提供保障。当救援环境的缝隙较小时，通过挤压蛇身皮肤，使第一伸缩杆和第二伸缩杆受力收缩，在缝隙较为宽裕的区域，第一伸缩杆和第二伸缩杆又能自动恢复，使救援蛇形机器人灵活的通过狭窄的缝隙，拓宽救援蛇形机器人适用范围。

(2)本发明在支撑衬体上固定安装步进电机，通过在步进电机轴承上安装摩擦轮，并与驱动球配合，由步进电机驱动摩擦轮旋转，控制驱动球旋转，进而，改变救援蛇形机器人的移动方向。另外，在电磁制动器的作用下，使驱动球固定，保证救援蛇形机器人探测固定。当任意步进电机继续驱动摩擦轮旋转时，第一伸缩杆压缩弹簧，使救援蛇形机器人的弯曲角度进一步增大，提高救援蛇形机器人救援使用能力。

(3)本发明的第一伸缩杆和第二伸缩杆巧妙地采用锥形孔的伸缩底座和椎体的伸缩支撑杆，将伸缩底座固定在支撑环上，并且伸缩支撑杆与上支撑衬板、右支撑衬板、和左支撑衬板连接，在提供蛇身皮肤支撑的同时，也能缓解救援蛇形机器人在行进过程中产生的振动，使救援蛇形机器人运行更平稳，探测数据更准确。另外，第一伸缩杆和第二伸缩杆内设有弹簧，并由第二盲孔和圆形凸部共同提供弹簧压缩路径，解决因弹簧距离较长压缩过程中产生的摆动问题，使救援蛇形机器人横向收缩更稳定。

(4)不仅如此，本发明设置贴合在支撑环上的电磁制动器，通过在支撑环上开设通孔，当电磁制动器接收到制动信号时，使电磁操作杆压向驱动球，将摩擦片挤压贴合在驱动球上，保持救援蛇形机器人的关节结构固定。该制动控制方式简单、制动可靠，有效地防止救援蛇形机器人关节任意摆动。

(5)本发明通过在绝缘材料的支撑衬体内嵌设控制步进电机旋转和电磁制动器制动的控制电路，并且通过距离传感器、位置传感器、压力传感器和湿度传感器将所需采集的数据传输至中央处理器MCU，保证救援蛇形机器人在缝隙中准确探测，使救援蛇形机器人行进灵活。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的主视图。

图3为本发明的后视图。

图4为图2中的A-A剖面示意图。

图5为图2中的B-B剖面示意图。

图6为第一伸缩杆的剖面示意图。

图7为电磁制动器的剖面示意图。

图8为本发明的控制电路结构框图。

图9为本发明在狭窄缝隙内受力图。

图10为本发明制动后弯曲受力图。

图11为救援蛇形机器人结构示意图。

上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：

1-蛇身皮肤，2-支撑衬体，3-上支撑衬板，4-右支撑衬板，5-底部支撑衬板，6-左支撑衬板，7-底座，8-驱动球，9-支撑环，10-电磁制动器，11-第一伸缩杆，12-前端杆，13-步进电机，14-凹槽，15-摩擦轮，16-第一盲孔，17-滑动部，18-后端杆，19-第二伸缩杆，20-通孔，21-摩擦片，22-前端，23-后端，101-电磁操作杆，111-伸缩底座，112-伸缩支撑杆，113-弹簧，1101-锥形孔，1102-圆形凸部，1103-椎体，1104-第二盲孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1至图11所示，本发明提供了一种救援蛇形机器人，包括由前至后依次连接的至少2个上述具有横向收缩功能的关节结构，其中，前一个所述关节结构的后端杆18与后一个所述关节结构的第一盲孔16通过螺纹相互连接，第一个所述关节结构的前端22、最后一个所述关节结构的后端23、以及相邻所述关节结构之间均采用软性材质的蛇身皮肤1包覆连接，使该救援蛇形机器人的外表面构成封闭结构。其中，任意一个具有横向收缩功能的关节结构包括软性材质并且为环形闭合形状的蛇身皮肤1，采用3D打印技术与蛇身皮肤1一体成型的上支撑衬板3、右支撑衬板4、底部支撑衬板5和左支撑衬板6，固定在底部支撑衬板5上的底座7，与底座7连接并与蛇身皮肤内壁之间保持一收缩间隙的支撑衬体2，三台固定在支撑衬体2上的步进电机13，三组设置在支撑衬体2侧边缘并且分别与上支撑衬板3、右支撑衬板4和左支撑衬板6连接的第二伸缩杆19，一端分别与上支撑衬板3、右支撑衬板4和左支撑衬板6连接的三组第一伸缩杆11，与第一伸缩杆11另一端连接的支撑环9，设置在支撑环9内且与该支撑环9滑动匹配的驱动球8，贴合在支撑环9上的两组电磁制动器10，与驱动球8连接的前端杆12，设置在支撑衬体2底部中央的后端杆18，设置步进电机轴承上且与驱动球8摩擦接触的摩擦轮15，以及固定设置支撑环9上且与底座7滑动接触的滑动部17。三组步进电机13环形均匀设置在驱动球8的下部，摩擦轮15环形均匀贴合在驱动球8表面，并由任意步进电机13驱动摩擦轮15旋转，带动固定在驱动球8上的前端杆12，保证驱动球8受力均匀。另外，前端杆12上设有与后端杆18匹配的第一盲孔16，第一盲孔16设有内螺纹，并且后端杆18上设有与该内螺纹匹配的外螺纹。救援蛇形机器人通过第一盲孔16的内螺纹与后端杆18的外螺纹依次连接。

该支撑衬体2为绝缘材质，具体设置为板状形式，其板面布置的方向垂直于蛇身的轴线方向，其板面边缘与蛇身皮肤内壁之间保持一收缩间隙，该收缩间隙使得所述救援蛇形机器人在进入狭窄缝隙时，可以为蛇身皮肤1提供压缩的空间。该支撑衬体2内嵌设有控制所述步进电机13旋转和电磁制动器10制动的控制电路。控制电路包括分别与步进电机13连接的驱动器和电源模块，与驱动器连接的中央处理器MCU，与中央处理器MCU连接的AD转换器，与AD转换器连接的距离传感器、位置传感器、压力传感器和湿度传感器，以及与电源模块连接的LED灯。

该关节结构的电磁制动器10内设置电磁操作杆101，支撑环9上设有与电磁操作杆101相对匹配的通孔20，通孔20内设有与电磁操作杆101连接的摩擦片21。当电磁制动器10接收制动信号时，通过驱动电磁操作杆101向驱动球8移动，并将摩擦片21挤压在驱动球8上，实现驱动球8的制动。

不仅如此，具有横向收缩功能的关节结构的第一伸缩杆11均包括伸缩底座111，一端与伸缩底座111连接的伸缩支撑杆112，设置在伸缩底座111内的锥形孔1101，设置在锥形孔1101内且与伸缩底座111连接的圆形凸部1102，设置在伸缩支撑杆112一端且与锥形孔1101匹配的椎体1103，设置在椎体1103内的第二盲孔1104，以及设置在锥形孔1101内、一端与圆形凸部1102连接且另一端穿入第二盲孔1104内的弹簧113。其中，所述伸缩底座111与支撑环9连接，所述伸缩支撑杆112与上支撑衬板3、右支撑衬板4或左支撑衬板6连接，或者，所述伸缩支撑杆112与支撑环9连接，所述伸缩底座111与上支撑衬板3、右支撑衬板4或左支撑衬板6连接。所述第二伸缩杆19的结构与第一伸缩杆11的结构相同，该第二伸缩杆19的伸缩底座111与支撑衬体2连接，该第二伸缩杆19的伸缩支撑杆112与上支撑衬板3、右支撑衬板4或左支撑衬板6连接，或者，该第二伸缩杆19的伸缩支撑杆112与支撑衬体2连接，该第二伸缩杆19的伸缩底座111与上支撑衬板3、右支撑衬板4或左支撑衬板6连接。

本发明巧妙的设置第一伸缩杆和第二伸缩杆，并在步进电机的作用下，带动驱动球旋转，实现救援蛇形机器人的行进方向改变。在不规则的救援缝隙中，当缝隙较小时，某关节受缝隙挤压力F1、F2和F3，通过压缩第一伸缩杆和第二伸缩杆的方式，使AB、AC之间的蛇身皮肤收缩，在缝隙较为宽裕的区域，第一伸缩杆和第二伸缩杆又能自动舒展，使救援蛇形机器人在不同孔径的缝隙中灵活穿梭。另外，当救援环境的缝隙弯曲度较大时，步进电机控制驱动球旋转到最大弯曲度，再由电磁制动器制动固定驱动球，步进电机驱动控制驱动球继续弯曲，此时，第一伸缩杆受力为F4，压缩第一伸缩杆，使软性材质的蛇身皮肤拉伸，救援蛇形机器人的弯曲角度进一步增大。综上所述，本发明的救援蛇形机器人不仅具有较大的弯曲度，而且，还能适用于孔径较小的缝隙，在救援缝隙中灵活穿梭。可以说，本发明具有结构简单、弯曲角度较大、适应较小孔径缝隙、控制简便等优点，与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，在救援技术领域具有很高的实用价值和推广价值。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。