一种磁驱微动放大的机器蛇的制作方法

本实用新型属于机器蛇设计领域，具体涉及一种磁驱微动放大的机器蛇。

背景技术：

蛇形机器人由于其具有多关节，多冗余自由度等特点，可以形成多种运动模式，非常适用于在复杂环境中，如有辐射、有粉尘、有毒及倒塌建筑物环境下进行搜救、侦查、排除爆炸物等抢险救灾任务。另外随着软体技术的发展，还能够随着环境的形状进行自适应变形，从而顺利地进入到狭窄区域作业，这类新型的仿生机器人为高度非结构化空间中的机械臂作业提供了一种新思路，尤其是在机器人救援领域有着广阔的应用空间。但是现有的机器蛇有很多都是用电机作为动力源，这样不仅体积比较庞大，控制结构相当复杂，成本和制造技术要求很高，例如中国专利 CN205415622U公开了一种多关节机器蛇，设置了十二组减速电机和电池组，结构较为复杂，重量较重，功能单一，蛇身容易倾覆。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷和不足，本实用新型提供了一种磁驱微动放大的机器蛇，克服现有机器蛇结构复杂、成本和技术要求很高的缺陷。

为达到上述目的，本实用新型采取如下的技术方案：

一种磁驱微动放大的机器蛇，包括相互连接的蛇头、蛇身和蛇尾，其特征在于，所述蛇头与蛇身之间以及蛇身与蛇尾之间均通过十字轴连接；

所述蛇头包括流线型的蛇头前部、安装在蛇头前部两侧的双目视觉摄像头、连接蛇头前部的水平的蛇头顶板、垂直连接蛇头顶板后端的蛇头后板和垂直连接蛇头后板且位于蛇头顶板下方的蛇头底板，在所述蛇头顶板和蛇头底板上均设有连接蛇头后板的扭转驱动单元；

所述蛇身包括多个蛇身机构，蛇身机构之间通过十字轴连接；所述蛇身机构包括竖向的蛇身前板、连接蛇身前板上端的水平的蛇身顶板、垂直连接蛇身顶板后端的蛇身后板、垂直连接蛇身后板且位于蛇身顶板下方的第一蛇身底板、垂直连接蛇身顶板的两个相互平行的蛇身侧板、位于两个蛇身侧板下方且通过支撑立柱连接蛇身顶板的第二蛇身底板以及蛇身驱动单元；所述蛇身驱动单元安装在第二蛇身底板和蛇身侧板上；在所述蛇身顶板和第一蛇身底板上均设有连接蛇身后板的扭转驱动单元；

所述扭转驱动单元包括直线磁伺服器和第一微动比例放大组件，所述蛇身驱动单元包括直线磁伺服器组和第二微动比例放大组件。

本实用新型还具有如下技术特征：

可选地，所述支撑立柱和蛇身顶板之间连接有竖向的弹簧；

所述直线磁伺服器组包括安装在第二蛇身底板前部两侧的两个第一直线磁伺服器、安装在蛇身侧板外壁后部上端的第二直线磁伺服器以及第三直线磁伺服器；

所述第二微动比例放大组件包括内部组件和外部组件。

可选地，所述内部组件包括在第二蛇身底板上方从前到后依次布设的：分别连接所述第一直线磁伺服器的推杆的两个平行水平的压杆、分别垂直连接压杆且设有滑槽的两个内部竖杆、分别垂直连接内部竖杆的内部横杆和连接两个内部横杆的倒置的U形架；所述压杆的端部位于内部竖杆的滑槽端部；

在所述U形架的顶杆上垂直设有两个相互平行的L形杆，两个L形杆的水平杆位于第一直线磁伺服器、压杆、内部竖杆和内部横杆上方，L形杆的竖杆向下且位于第一直线磁伺服器和第二蛇身底板前方；两个L形杆的竖杆下端铰接有水平的大横杆；所述大横杆两端均铰接有支撑臂；所述L 形杆的水平杆上铰接有平行于所述大横杆且两端垂直连接蛇身侧板的轴；两个所述内部竖杆的上端部之间连接有轴。

可选地，所述外部组件包括设于蛇身侧板外壁的摆动臂和固定在蛇身侧板外壁中心且与所述摆动臂可转动连接的定位销；所述摆动臂为按照钝角固定连接的两个杆，且两个杆的连接处与所述定位销可转动连接；

在第二直线磁伺服器的推杆和摆动臂的上端之间依次设有：外部横杆、侧壁设有滑槽的外部竖杆、外部水平杆、侧壁设有滑槽的外部杠杆和压缩弹簧；所述外部竖杆和外部杠杆平行于摆动臂的上部，所述第二直线磁伺服器的推杆、外部横杆、外部水平杆和压缩弹簧均垂直于摆动臂的上部；

所述第二直线磁伺服器的推杆连接所述外部横杆的一端，所述外部横杆的另一端安装在外部竖杆的滑槽内，所述外部竖杆远离外部横杆的端部连接第三固定轴，所述外部水平杆的一端连接外部竖杆，外部水平杆的另一端安装在外部杠杆的滑槽内，所述外部杠杆远离外部水平杆的端部连接有第四固定轴，所述外部杠杆的一端连接所述压缩弹簧，另一端连接有短杆，所述短杆和第四固定轴位于所述外部水平杆的一侧；所述压缩弹簧和短杆的另一端均连接所述摆动臂的上部；所述第三固定轴和第四固定轴均垂直安装在蛇身侧板上；

所述摆动臂的下部内壁连接有弯曲弹簧，弯曲弹簧位于设在蛇身侧板外壁上的弧形槽内。

可选地，与所述支撑臂与所述摆动臂的下端通过扭簧连接。

可选地，在所述蛇身侧板内壁和蛇身顶板上设有水平的相对的伺服器槽，在相对的伺服器槽之间设有剪叉单元，剪叉单元上部两端分别连接两个位于蛇身顶板上的伺服器槽内两端的所述第三直线磁伺服器，剪叉单元下部两端分别连接两个位于蛇身侧板内壁上的伺服器槽内两端的所述第三直线磁伺服器。

可选地，所述第一微动比例放大组件包括从前到后依次连接的第一摆动杆、设有滑槽的第一杠杆、第二摆动杆、设有滑槽的第二杠杆和压缩弹簧；所述直线磁伺服器的推杆、第一摆动杆、第二摆动杆和压缩弹簧均垂直于蛇头后板或蛇身后板；所述第一杠杆和第二杠杆均平行于蛇头后板或蛇身后板；

所述直线磁伺服器的推杆连接所述第一摆动杆的一端，所述第一摆动杆的另一端安装在第一杠杆前壁的滑槽内，所述第一杠杆远离第一摆动杆的端部连接竖向的第一固定轴，所述第二摆动杆的一端连接第一杠杆的后壁，第二摆动杆的另一端安装在第二杠杆前壁的滑槽内，所述第二杠杆远离第二摆动杆的端部连接有竖向的第二固定轴，所述第二杠杆的后壁一端连接所述压缩弹簧，另一端连接有短杆，所述短杆和第二固定轴位于所述第二摆动杆的一侧；所述压缩弹簧和短杆的另一端均连接所述蛇头后板或蛇身后板；所述第一固定轴和第二固定轴均安装在蛇头底板或第一蛇身底板上。

可选地，在所述蛇头顶板后部的两侧与蛇头后板之间安装两个所述扭转驱动单元，在所述蛇头底板的两侧与蛇头后板之间安装两个所述扭转驱动单元；

在所述蛇身顶板后部的两侧与蛇身后板之间安装两个所述扭转驱动单元，在所述第一蛇身底板的两侧与蛇身后板之间安装两个所述扭转驱动单元。

可选地，在所述蛇头前部与蛇头底板之间设有连接蛇头顶板的头部万向轮；所述蛇尾包括竖向的蛇尾前板、连接蛇尾前板上端的水平的蛇尾顶板、连接蛇尾顶板的斜向的蛇尾斜板、连接蛇尾斜板的竖向的蛇尾后板以及顶部连接在蛇尾斜板上的尾部万向轮。

本实用新型与现有技术相比，有益的技术效果是：

(Ⅰ)本实用新型结构简单、紧凑，成本以及制造技术要求低，实现蛇形运动模式，且具有感知和双目视觉识别等功能，且便于工业上进行量产。

(Ⅱ)本实用新型替换了传统的电机作为动力源的控制方案，简化了执行机构，主要应用场合确立在低制造成本和简单蛇形运动仿生模拟等场合，其动作的执行速度和精度也取决于直线磁伺服器的动作频率以及连接部分的制造和装配精度，所以随着加工和制造技术的进步，在动作执行效率和灵敏度方面，本设计有着很大的发展空间。

(Ⅲ)采用双目视觉的检测原理，将硬件的采集简化到使用双目摄像头和相关控制电路就可以实现，而更多的处理过程使用软件和算法进行，这样在结构上减轻了机器蛇的空间体积和重量，使得它能够应用在更加特殊的场合，同时蛇身每一个驱动单元底部都装有电橡胶组成的传感器，这样子在蛇的行进过程中，可以实时监测和判断蛇的运行状态，然后反馈到蛇形机器人的处理部分，处理部分再次对蛇要执行的动作进行控制输出，使得蛇在行动的过程中时时刻刻处于一个运动的闭环控制系统之中。

(Ⅳ)机器蛇在驱动上使用一些基本的运动控制结构，比如连接杆，微动比例放大组件、压缩弹簧、扭簧和剪叉机单元等，这些结构在实现自身单一功能的同时，经过特殊的组合和配合使用，就能够完成一种复杂的运动功能。而这些机构本身发轻巧和适用性就有决定了其组成的蛇形机器人在结构上轻巧和功能上具有很强的适用性。

(Ⅴ)在各个部件的连接方面采用了十字轴万向节，这种连接机构不同于水平连接和正交连接的方式，它实现空间的弯曲运动，体现在机器蛇上就是实现平面的弯曲运动和空间的扭转运动，在本设计中主要利用了这个机构本身的运动特性，辅助导向装置和驱动单元实现蛇的弯曲功能。这样减轻了连接之间由于机构多而造成的结构冗余的弊端，既节省了成本又减小了空间。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图。

图2为本实用新型主视图。

图3为本实用新型蛇头结构示意图。

图4为本实用新型扭转驱动单元结构示意图。

图5为本实用新型的蛇身结构示意图。

图6为本实用新型的蛇身俯视图。

图7为本实用新型的蛇身驱动单元结构示意图。

图8为本实用新型的外部组件结构示意图。

图9为本实用新型的内部组件结构示意图。

图10为本实用新型的蛇尾结构示意图。

图11为本实用新型的蛇尾结构示意图。

图12为本实用新型的前进动作过程示意图。

图13为本实用新型的弯曲动作过程示意图。

图中各标号表示为:1-蛇头，2-蛇身，3-蛇尾，4-十字轴，5-扭转驱动单元，6-蛇身驱动单元；

11-蛇头前部，111-双目视觉摄像头，12-蛇头顶板，13-蛇头后板，14- 蛇头底板，15-头部万向轮；

21-蛇身机构，22-蛇身前板，23-蛇身顶板，24-蛇身后板，25-第一蛇身底板，26-蛇身侧板，27-支撑立柱，28-第二蛇身底板；

31-蛇尾前板，32-蛇尾顶板，33-蛇尾斜板，34-蛇尾后板，35-尾部万向轮；

51-直线磁伺服器，52-第一微动比例放大组件；

521-第一摆动杆，522-第一杠杆，523-第二摆动杆，524-第二杠杆；

61-第一直线磁伺服器，62-第二直线磁伺服器，63-第三直线磁伺服器， 64-第二微动比例放大组件，65-内部组件，66-外部组件，67-剪叉单元；

651-压杆，652-内部竖杆，653-内部横杆，654-U形架，655-L形杆，656-大横杆，657-支撑臂；

661-摆动臂，662-外部竖杆，663-外部水平杆，664-外部杠杆，665-弯曲弹簧；

671-伺服器槽。

具体实施方式

遵从上述技术方案，以下给出本实用新型的具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。下面结合实施例对本实用新型做进一步详细说明。

实施例1：

如图1至13所示，本实施例提供一种磁驱微动放大的机器蛇，包括相互连接的蛇头1、蛇身2和蛇尾3，蛇头1与蛇身2之间以及蛇身2与蛇尾 3之间均通过十字轴4连接；蛇头1包括流线型的蛇头前部11、安装在蛇头前部11两侧的双目视觉摄像头111、连接蛇头前部11的水平的蛇头顶板 12、垂直连接蛇头顶板12后端的蛇头后板13和垂直连接蛇头后板13且位于蛇头顶板12下方的蛇头底板14，在所述蛇头顶板12和蛇头底板14上均设有连接蛇头后板13的扭转驱动单元5；所述蛇身2包括多个蛇身机构21，蛇身机构21之间通过十字轴4连接；所述蛇身机构21包括竖向的蛇身前板22、连接蛇身前板22上端的水平的蛇身顶板23、垂直连接蛇身顶板23 后端的蛇身后板24、垂直连接蛇身后板24且位于蛇身顶板23下方的第一蛇身底板25、垂直连接蛇身顶板23的两个相互平行的蛇身侧板26、位于两个蛇身侧板26下方且通过支撑立柱27连接蛇身顶板23的第二蛇身底板28以及蛇身驱动单元6；所述蛇身驱动单元6安装在第二蛇身底板28和蛇身侧板26上；在所述蛇身顶板23和第一蛇身底板25上均设有连接蛇身后板24的扭转驱动单元5；所述扭转驱动单元5包括直线磁伺服器51和第一微动比例放大组件52，所述蛇身驱动单元6包括直线磁伺服器组和第二微动比例放大组件64。扭转驱动单元5的动力源是直线磁伺服器，直线磁伺服器是将电控信号转化为机械位移的控制装置，通过给直线磁伺服器施加电压就可以控制它的往复直线运动；同时蛇身机构21的底部都装有导电橡胶组成的传感器，以感知接触，实现接地面的判断。

具体的，支撑立柱27和蛇身顶板23之间连接有竖向的弹簧；直线磁伺服器组包括安装在第二蛇身底板28前部两侧的两个第一直线磁伺服器 61、安装在蛇身侧板26外壁后部上端的第二直线磁伺服器62以及第三直线磁伺服器63；第二微动比例放大组件64包括内部组件65和外部组件66。

本实施例中，内部组件65包括在第二蛇身底板28上方从前到后依次布设的：分别连接所述第一直线磁伺服器61的推杆的两个平行水平的压杆 651、分别垂直连接压杆651且设有滑槽的两个内部竖杆652、分别垂直连接内部竖杆652的内部横杆653和连接两个内部横杆653的倒置的U形架 654；所述压杆651的端部位于内部竖杆652的滑槽端部；在所述U形架 654的顶杆上垂直设有两个相互平行的L形杆655，两个L形杆655的水平杆位于第一直线磁伺服器61、压杆651、内部竖杆652和内部横杆653上方，L形杆655的竖杆向下且位于第一直线磁伺服器61和第二蛇身底板28 前方；两个L形杆655的竖杆下端铰接有水平的大横杆656；所述大横杆 656两端均铰接有支撑臂657；所述L形杆655的水平杆上铰接有平行于所述大横杆656且两端垂直连接蛇身侧板26的轴；两个所述内部竖杆652的上端部之间连接有轴。

本实施例中，外部组件66包括设于蛇身侧板26外壁的摆动臂661和固定在蛇身侧板26外壁中心且与所述摆动臂661可转动连接的定位销；所述摆动臂661为按照钝角固定连接的两个杆，且两个杆的连接处与所述定位销可转动连接；在第二直线磁伺服器62的推杆和摆动臂661的上端之间依次设有：外部横杆、侧壁设有滑槽的外部竖杆662、外部水平杆663、侧壁设有滑槽的外部杠杆664和压缩弹簧；所述外部竖杆662和外部杠杆664 平行于摆动臂661的上部，所述第二直线磁伺服器62的推杆、外部横杆、外部水平杆663和压缩弹簧均垂直于摆动臂661的上部；所述第二直线磁伺服器62的推杆连接所述外部横杆的一端，所述外部横杆的另一端安装在外部竖杆662的滑槽内，所述外部竖杆662远离外部横杆的端部连接第三固定轴，所述外部水平杆663的一端连接外部竖杆662，外部水平杆663的另一端安装在外部杠杆664的滑槽内，所述外部杠杆664远离外部水平杆 663的端部连接有第四固定轴，所述外部杠杆664的一端连接所述压缩弹簧，另一端连接有短杆，所述短杆和第四固定轴位于所述外部水平杆663的一侧；所述压缩弹簧和短杆的另一端均连接所述摆动臂661的上部；所述第三固定轴和第四固定轴均垂直安装在蛇身侧板26上；所述摆动臂661的下部内壁连接有弯曲弹簧665，弯曲弹簧665位于设在蛇身侧板26外壁上的弧形槽内。

更具体的，与所述支撑臂657与所述摆动臂661的下端通过扭簧连接。

在所述蛇身侧板26内壁和蛇身顶板23上设有水平的相对的伺服器槽671，在相对的伺服器槽671之间设有剪叉单元67，剪叉单元67上部两端分别连接两个位于蛇身顶板23上的伺服器槽671内两端的所述第三直线磁伺服器63，剪叉单元67下部两端分别连接两个位于蛇身侧板26内壁上的伺服器槽671内两端的所述第三直线磁伺服器63。

第一微动比例放大组件52包括从前到后依次连接的第一摆动杆521、设有滑槽的第一杠杆522、第二摆动杆523、设有滑槽的第二杠杆524和压缩弹簧；所述直线磁伺服器51的推杆、第一摆动杆521、第二摆动杆523 和压缩弹簧均垂直于蛇头后板13或蛇身后板24；所述第一杠杆522和第二杠杆524均平行于蛇头后板13或蛇身后板24；所述直线磁伺服器51的推杆连接所述第一摆动杆521的一端，所述第一摆动杆521的另一端安装在第一杠杆522前壁的滑槽内，所述第一杠杆522远离第一摆动杆521的端部连接竖向的第一固定轴，所述第二摆动杆523的一端连接第一杠杆522 的后壁，第二摆动杆523的另一端安装在第二杠杆524前壁的滑槽内，所述第二杠杆524远离第二摆动杆523的端部连接有竖向的第二固定轴，所述第二杠杆524的后壁一端连接所述压缩弹簧，另一端连接有短杆，所述短杆和第二固定轴位于所述第二摆动杆523的一侧；所述压缩弹簧和短杆的另一端均连接所述蛇头后板13或蛇身后板24；所述第一固定轴和第二固定轴均安装在蛇头底板14或第一蛇身底板25上。

在所述蛇头顶板12后部的两侧与蛇头后板13之间安装两个所述扭转驱动单元5，在所述蛇头底板14的两侧与蛇头后板13之间安装两个所述扭转驱动单元5；在所述蛇身顶板23后部的两侧与蛇身后板24之间安装两个所述扭转驱动单元5，在所述第一蛇身底板25的两侧与蛇身后板24之间安装两个所述扭转驱动单元5。

在所述蛇头前部11与蛇头底板14之间设有连接蛇头顶板12的头部万向轮15，头部万向轮15作为导向机构，它的导向驱动力来源于蛇头后端连接的扭转驱动单元5，它的前进驱动力来源于蛇身驱动单元6；所述蛇尾3 包括竖向的蛇尾前板31、连接蛇尾前板31上端的水平的蛇尾顶板32、连接蛇尾顶板32的斜向的蛇尾斜板33、连接蛇尾斜板33的竖向的蛇尾后板 34以及顶部连接在蛇尾斜板33上的尾部万向轮35；在蛇尾3上还设有供电口。

本实用新型的前进动作：如图12中，机器蛇的所有蛇身驱动单元6是同时动作的，同时向前进给一步，每向前进给一步，蛇身驱动单元6要分成10个子动作来完成，这10个子动作也就是机器蛇向前进给一部的动作周期，10个子动作之间有时间上的先后顺序，一次执行10个子动作，完成一个前进的执行动作，当向前进给的动作连续执行的时候，蛇就实现了向前蠕动，蠕动的速度取决于其前进动作周期的长短。如图12所示，用机构运动简图表示出了机器蛇在前进动作中的10个子动作。图12.1是静止状态下的机器蛇，经过动作1，在第一直线磁伺服器61的推动下，经过内部组件65(内部组件65工作原理：61推动压杆651，压杆651推动内部竖杆 652，内部竖杆652推动内部横杆653，从而使L形杆655的水平杆向上运动，L形杆655的竖杆向下运动，推动大横杆656向下运动)输出的摆动力驱动支撑臂657向下运动，由于在静止的时候蛇身直接和地面作用，在压力的作用下，连接在支撑臂657和支撑臂两侧的扭簧处于受扭转的状态，当摆动力向下驱动的时候，同时也是扭簧回复的时候，在扭力和驱动力的双作用下，支撑臂657向下撑开直到扭簧复位，与摆动臂661下部共线，如图12.2所示。经过动作2，第二直线磁伺服器62的推杆伸出，推动外部横杆向前运动，外部竖杆662和外部杠杆664之间的距离变小，外部水平杆663在外部杠杆664的滑槽内滑动，压缩弹簧伸长，带动摆动臂661发生偏转运动，从而向前摆动，同时与摆动臂661相连的压缩弹簧处于拉伸状态。如图12.3是处于摆动的最值点，也就是机器蛇被支撑臂657撑起的最高的地方。经过动作3，摆动臂661在外部杠杆664进而压缩弹簧的带动下继续摆动，达到极限位置，如图12.4，此时压缩弹簧也被拉伸到最大长度，蛇身向前运动了一步，经过动作4，微动比例放大机构的推动力释放，在蛇身向下的压力作用下，支撑臂657被向后压缩，同时扭簧也被压缩如图12.5所示。经过动作5，第三直线磁伺服器63向前推动剪叉单元67底端，剪叉单元67压缩，向上撑起蛇身顶板23，同时蛇身顶板23拉伸与第二蛇身底板28相互连接的升降弹簧，蛇身向上升高，提升摆动臂661和支撑臂657如图12.6所示。经过动作6扭簧复位，与摆动臂661连接成一条杆如图12.7所示。经过动作7，第二直线磁伺服器62收缩，同时压缩弹簧具有复位力，在复位力和摆动回程力的作用下动连杆和摆动杆收缩到最值点如图12.8所示。经过动作8摆动臂661复位，如图12.9所示。经过动作 9，第三直线磁伺服器63收缩，剪叉单元67在收缩力和升降弹簧回复力的作用下蛇身降低如图12.10所示。经过动作10，支撑臂657在压力和微动比例放大机构收缩力的作用下回复到最初向前的位置，如图12.11所示，经过10个动作，实现了蛇身驱动单元向前运动一步，同时杆件回复原位置状态，接下来重复10个动作，继续向前运动。

本实用新型的弯曲动作：如图13所示，机器蛇的弯曲动作是分成两个子动作完成的。蛇的弯曲和向前进给运动在时间上不冲突，可以同时进行。图13.1表示了两个蛇身驱动单元6通过十字轴4万向节连接在一起，经过头部万向轮15导向和扭转驱动单元5(扭转驱动单元5的工作原理：直线磁伺服器51的推杆推动第一摆动杆521，第一摆动杆521推动第一杠杆522 并在第一杠杆522滑槽内移动，使第一杠杆522和第二杠杆524之间的距离变小，从而使第二摆动杆523在第二杠杆524的滑槽内移动并使压缩弹簧伸长，第一微动比例放大组件52作用在十字轴4万向节的传动叉上)带动十字轴4万向节发生一个角度偏转，其中偏转的角度根据第一直线磁伺服器51的推杆推动的位移转化而来(将第一直线磁伺服器51的推杆输出的力和位移通过第一微动比例放大组件52传递并转化为偏转位移，再经过第一微动比例放大组件52将推动力放大，同时将偏转位移通过第一微动比例放大组件52作用在十字轴4万向节上，进而推动的位移和力就决定了十字轴万向节的偏转角度大小)如图13.2所示。其中扭转驱动单元5直行时候的机构运动简图如图13.3所示，弯曲前行的机构运动简图如图13.4所示。后面的每个单元依次在蛇头1导向和扭转驱动单元5的带动下配合蛇身驱动单元的前进驱动力的作用下依次发生偏转。通过左右两侧扭转驱动单元5 的间歇性控制，就可以将单向偏转运动转化为机器蛇向前进的蜿蜒运动。