一种蛇形仿生机器人及其控制系统的制作方法

本发明属于仿生机器人技术领域，特别是涉及一种蛇形仿生机器人以及一种蛇形仿生机器人的控制系统。

背景技术：

本发明属于蛇类机器人，目前主要在学术研究领域有涉及，其中主要有：1、国际研究机构：德国国家信息技术研究中心研制的gmd-snake搭载压力传感器、摄像传感器等；密西根大学的omniteadot系列，采用气动多自由度关节；卡内基梅隆大学的unclesam，模块化机器人；挪威科技大学的annakonda，用于救火。2、国内主要研究：沈阳自动化研究所研制的巡视者系列机器人；上海交大研制的适用于爬行的csr机器人；国防科技大学的nudtsr机器人和北京信息科技大学研发的“中国龙”。上述学术领域的蛇形机器人形态各异，主要用于技术研究，有的仅为原型产品。本发明与卡内基梅隆大学的蛇形机器人最为接近，都是模块化关节，但无论从规格尺寸、外观形态，还是内部组件，均有不同，差异很大。3、产品化的蛇类机器人有：ocrobotics公司的蛇型机械臂，festo仿生机器人bionicmotionrobot和新松公司的蛇型机械臂。这三家机器人产品属于类蛇形的机械臂，其和蛇形机器人最大区别，在于其末端固定，不能独立运行，仅在动作形态上与蛇的动作相似。与本发明差别很大。

学术领域的蛇形机器人从外观形态和运动方式，都与本发明接近，但主要用于技术研究，一般为机器人原型，产品化不足，可靠性较差，另外，学术研究用的机器人往往成本较高，可复制性差。

对于商用蛇型机械臂产品，虽然已有一些公司产品化，但该类产品和本发明差异较大，仅在动作形态上与蛇的动作相似。其末端一般固定，不能独立移动，应用场景和应用方式与本发明不同，机器人作业范围受限机器人的尺寸，应用场景有限，因此针对以上问题，本发明提供的一种蛇形仿生机器人及其控制系统具有重要意义。

技术实现要素：

本发明为一种蛇形仿生机器人及其控制系统，属于一项仿生机器人产品发明；该机器人从外观样式以及运动形式与蛇相似，故可称为认为是一种蛇类型的机器人；该机器人可以也归属为特种机器人中的一种，适用于空间狭小、环境复杂、人不易到达的应用场景，例如可在狭窄管道、电缆沟道、大型设备腔体内部作业，也可应用于地震救援、军事巡检等场景，具有复杂环境适应能力强的特点。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明是一种蛇形仿生机器人及其控制系统，包括由头部关节、尾部关节以及连接于头部关节和尾部关节之间的至少八个通用关节活动连接构成；

所述头部关节包括圆筒型的第一壳体、环绕安装于第一壳体前端部的一圈led照明灯以及位于中间位置的相机、安装于第一壳体内部的用于控制led照明灯和相机的功能模块控制电路、安装于第一壳体内部的功能模块通信电路、分别位于头部关节“凵”型连接基座上两侧的第一关节安装机械接口和第一轴承；所述功能模块通信电路上设置有用于显示头部关节工作状态的第一指示灯、连接led照明灯与相机的功能模块通信接口、用于传导关节控制信号实现基座连接控制通信以及用于传输数据的第一模拟通信接口；

所述尾部关节包括圆筒型的第二壳体、安装于第二壳体内的蛇体尾部关节控制电路、设置于第二壳体尾部与尾部关节控制电路相连供电电路、设置于第二壳体尾端与蛇体尾部关节控制电路相连的线缆接插口、设置于连供电电路上的用于显示尾部关节供电状态的第二指示灯、设置于蛇体尾部关节控制电路上用于显示蛇形机器人关节整体通信状态的第三指示灯、对称设置于第二壳体顶端“凵”型连接基座上两侧的第二轴承和第二关节安装机械接口、设置于尾部关节末端与线缆接插口相对应的用于限位控制线的第二轴承以及设置于第二轴承与蛇体尾部关节控制电路之间的滑环结构；

所述通用关节包括圆筒型的第三壳体、安装于第三壳体内的关节接插电路、安装于第三壳体内顶部且外两侧分别对称伸出设置有舵盘和第三轴承的舵机、连接于关节接插电路与舵机之间用于传导关节控制信号实现舵机连接控制通信、插接于关节接插电路上并与舵机电性相连的关节控制电路、设置于关节接插电路上用于传输数据的第二通信接口、对称设置于通用关节底端“凵”型连接基座上的第三关节安装机械接口和第三轴承、安装于关节接插电路上的第四指示灯；

所述尾部关节的尾部通过控制线经滑环结构与蛇体尾部关节控制电路电性相连后接电源控制器，所述电源控制器由电池电源供电，并由usb线连接至上位机控制台以及通过遥控手柄对蛇形仿生机器人进行控制；相邻所述头部关节与通用关节之间通过舵盘与第一关节安装机械接口以及第一轴承与第三关节安装机械接口转动相连、相邻两所述通用关节之间通过交叉的第三关节安装机械接口和舵盘转动相连、相邻所述通用关节与尾部关节之间通过舵盘与第二关节安装机械接口以及第二轴承与第三关节安装机械接口转动相连.

进一步地，相邻所述头部关节、通用关节和尾部关节之间呈相互90°交错串联安装。

进一步地，所述相机采用可见光相机或红外相机。

进一步地，相邻所述尾部关节、通用关节、头部关节之间最大转角180°。

进一步地，关节接插电路上设置有铜制定制插针，所述关节控制电路上设置有与铜制定制插针相对且插接配合的铜制插针筒，通过插接电路串联实现通讯。

一种蛇形仿生机器人的控制系统，包括：

头部电路，由与led照明灯和相机电性相连的功能模块通信电路与功能模块控制电路构成；

通用关节电路，由与舵机电性相连的关节控制电路以及与关节控制电路插接电性相连的关节接插电路构成；

尾部电路，由供电电路以及与供电电路电性相连的蛇体尾部关节控制电路构成；

所述头部电路与通用关节电路之间通过穿插于“凵”型连接基座的转轴孔以及第一壳体、第三壳体内走线槽实现线路相连；

相邻两所述通用关节电路之间通过穿插于“凵”型连接基座的转轴孔以及第三壳体内走线槽实现线路相连；

所述尾部电路与通用关节电路之间通过穿插于“凵”型连接基座的转轴孔以及第二壳体、第三壳体内走线槽实现线路相连，导线连接于蛇体尾部关节控制电路上；

所述头部电路、通用关节电路、尾部电路依次由导线相连后由控制线经尾部关节控制电路输出与电源控制器相连，所述电源控制器由电池电源供电，并由usb线连接至上位机控制台以及通过遥控手柄对蛇形仿生机器人进行控制。

进一步地，所述尾部关节中与蛇体尾部关节控制电路相连的控制线采用485通讯方式与电源控制器电性相连，所述电源控制器采用24-60v电源供电。

进一步地，所述上位机控制台端的ui界面，设置有相机前端视频图像显示区、蛇形仿生机器人各关节状态指示灯、蛇形仿生机器人运行状态指示区。

本发明具有以下有益效果：

1、基于自身尺寸，可以钻入狭小空间中运动，同时可以搭载可见光摄像机或红外相机实时拍摄图像或视频，是其它机器人不具备的能力；

2、该机器人的运动特点可以适应复杂地形，是传统轮式机器人不具备的能力，其简易的结构，大范围运动能力，和低成本是多足机器人不具备的优势；

3、本产品采用模块化设计，可以方便增加、减少、替换模块，可根据应用场景调整机器人长度，以适应不同应用需求；

4、本产品采用极简化设计，零部件较少，相较有相似应用的其它机器人产品，具有较大的价格优势；

5、本产品的各个关节之间的连接控制精准高效、结构设计灵活精妙、控制通信效率高。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种蛇形仿生机器人的整体结构示意图；

图2为图1的结构右视图；

图3为本发明的头部关节的结构示意图；

图4为图3的结构右视图；

图5为图3的结构主视图；

图6为头部关节、两个通用关节以及尾部关节相连的结构示意图；

图7为本发明的通用关节的结构示意图；

图8为相邻两通用关节的连接结构示意图；

图9图8的结构右视图；

图10为关节接插电路与关节控制电路的连接结构示意图；

图11为本发明的尾部关节的结构示意图；

图12为本发明的一种蛇形仿生机器人控制系统的原理图；

图13为本发明的一种蛇形仿生机器人控制系统的结构示意图；

图14为本发明的控制台端上的ui端界面图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-头部关节，101-led照明灯，102-相机，103-第一关节安装机械接口，104-第一壳体，105-功能模块通信电路，107-第一指示灯，108-功能模块通信接口，109-第一模拟通信接口，111-第一轴承，2-尾部关节，201-第二壳体，202-第二指示灯，203-供电电路，204-线缆接插口，205-第二轴承，206-蛇体尾部关节控制电路，207-尾部关节控制电路，208-滑环结构，209-第二轴承，210-第二关节安装机械接口，3-通用关节，301-第三壳体，302-舵盘，303-关节控制电路，3031-铜制插针筒，304-第三轴承，306-第四指示灯，307-关节接插电路，3071-铜制定制插针，308-第二通信接口，309-第三关节安装机械接口，310-第三轴承。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前端部”、“内部”、“两侧”、“尾部”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1-11所示，本发明为一种蛇形仿生机器人及其控制系统，由包括头部关节1、尾部关节2以及连接于头部关节1和尾部关节2之间的十四个通用关节3活动连接构成；

头部关节1包括圆筒型的第一壳体104、环绕安装于第一壳体104前端部的一圈led照明灯101以及位于中间位置的相机102、安装于第一壳体104内部的用于控制led照明灯101和相机102的功能模块控制电路106、安装于第一壳体104内部的功能模块通信电路105、分别设置于头部关节1“凵”型连接基座上两侧的第一关节安装机械接口103和第一轴承111；功能模块通信电路105上设置有用于显示头部关节1工作状态的第一指示灯107、连接led照明灯101与相机102的功能模块通信接口108、用于传导关节控制信号实现基座连接控制通信接口(110)以及用于传输数据的第一模拟通信接口109，功能模块控制电路106在第一壳体104内部；

尾部关节2包括圆筒型的第二壳体201、安装于第二壳体201内的蛇体尾部关节控制电路206、设置于第二壳体201尾部与尾部关节控制电路207相连供电电路203、设置于第二壳体201尾端与蛇体尾部关节控制电路206相连的线缆接插口204、设置于连供电电路203上的用于显示尾部关节2供电状态的第二指示灯202、设置于蛇体尾部关节控制电路206上用于显示蛇形机器人关节整体通信状态的第三指示灯、对称设置于第二壳体201顶端“凵”型连接基座上两侧的第二轴承205和第二关节安装机械接口210、设置于尾部关节2末端与线缆接插口204相对应的用于限位控制线的第二轴承209以及设置于第二轴承209与蛇体尾部关节控制电路206之间的滑环结构208；

通用关节3包括圆筒型的第三壳体301、安装于第三壳体301内的关节接插电路307、安装于第三壳体301内顶部且外两侧分别对称伸出设置有舵盘302和第三轴承304的舵机、插接于关节接插电路307上并与舵机电性相连的关节控制电路303、设置于关节接插电路307上用于传输数据的第二通信接口308、对称设置于通用关节3底端“凵”型连接基座上的第三关节安装机械接口309和第三轴承310、安装于关节接插电路307上的第四指示灯306)；

尾部关节2的尾部通过控制线经滑环结构208与蛇体尾部关节控制电路206电性相连后接电源控制器，电源控制器由电池电源供电，并由usb线连接至上位机控制台以及通过遥控手柄对蛇形仿生机器人进行控制；相邻头部关节1与通用关节3之间通过舵盘302与第一关节安装机械接口103以及第一轴承111与第三关节安装机械接口309转动相连、相邻两通用关节3之间通过交叉的第三关节安装机械接口309和舵盘302转动相连、相邻通用关节3与尾部关节2之间通过舵盘302与第二关节安装机械接口210以及第二轴承209与第三关节安装机械接口309转动相连。

其中，相邻头部关节1、通用关节3和尾部关节2之间呈相互90°交错串联安装。

其中，相机102采用可见光相机或红外相机中的任意一种，用于进行图像捕获，视频录制。

其中，相邻尾部关节2、通用关节3、头部关节1之间最大转角180°。

其中，关节接插电路307上设置有铜制定制插针3071，关节控制电路303上设置有与铜制定制插针3071相对且插接配合的铜制插针筒3031，通过插接电路串联实现通讯，该种通信结构设计，有效解决关节间相对运动导致的电线缠绕，可能存在的拉扯，相对运动造成的磨损，运动造成的接插松动等问题。

如图11-14所示，一种蛇形仿生机器人的控制系统，包括：

头部电路，由与led照明灯101和相机102电性相连的功能模块通信电路105与功能模块控制电路106构成；

通用关节电路，由与舵机电性相连的关节控制电路303以及与关节控制电路303插接电性相连的关节接插电路307构成；

尾部电路，由供电电路203以及与供电电路203电性相连的蛇体尾部关节控制电路206构成；

头部电路与通用关节电路之间通过穿插于“凵”型连接基座的转轴孔以及第一壳体104、第三壳体301内走线槽实现线路相连，导线连接上一关节关节控制电路303与下一关节的关节接插电路307；

相邻两通用关节电路之间通过插于“凵”型连接基座的转轴孔以及第三壳体301内走线槽实现线路相连；尾部电路与通用关节电路之间通过穿插于“凵”型连接基座的转轴孔以及第二壳体201、第三壳体301内走线槽实现线路相连；

头部电路、通用关节电路、尾部电路依次由导线相连后由控制线经尾部关节控制电路206输出与电源控制器相连，电源控制器由电池电源供电，并由usb线连接至上位机控制台以及通过遥控手柄对蛇形仿生机器人进行控制。

其中，尾部关节2中与蛇体尾部关节控制电路206相连的控制线采用485通讯方式与电源控制器电性相连，电源控制器采用24—60v电源供电。

其中，上位机控制台端的ui界面上，设置有相机前端视频图像显示区、蛇形仿生机器人各关节状态指示灯、蛇形仿生机器人运行状态指示区。

本发明属于一项仿生机器人产品发明；该机器人从外观样式以及运动形式与蛇相似，故可认为是一种蛇类型的机器人。该机器人可以也归属为特种机器人中的一种，适用于空间狭小、环境复杂、人不易到达的应用场景，例如可在狭窄管道、电缆沟道、大型设备腔体内部作业，也可应用于地震救援、军事巡检等场景。具有复杂环境适应能力强的特点；本发明重点在于将该类机器人产品化，结合实际应用场景，开发实用性功能。该产品设计研发综合考虑了技术难点、工业设计、bom成本和产品可靠性等多方面要素，实现高性能、高可靠性的同时，极大简化系统结构，降低成本，提高产品的产品化程度。

本发明的蛇形机器人产品组成包括：

1、机器人机械硬件结构(包含控制电路)；2、机器人上位机控制系统及交互界面；3、配件(电源控制器、通信线)；本发明的蛇形机器人的主要尺寸规格：工作电压：24～60v；峰值功率：240w；包络直径：70mm；长度：大于300mm(根据安装关节数量，长度不等)；材料：金属；

产品功能：

1、运动功能，前、后爬行，横向移动，原地旋转转弯，垂直爬杆，管道内爬行；2、支持可见光视频拍摄；3、支持红外视频拍摄；4、具有补光灯，亮度可调；5、无线遥控。

使用方式如下图12所示：

1.机器人通过控制线和电源控制器连接，电源控制器，支持直流电池或稳压源提供24-60v电压；2.通过usb数据线连接电源控制器和上位机控制台(电脑)；3.打开上位机控制台，插入遥控器；4.进入机器人系统，弹出应用界面，如图14所示；5.打开电池控制器开关，机器人接通电源，此时可通过手柄遥控机器人动作；

本发明的控制系统设计介绍：

1、系统框架：与如图12-13所示。在机器蛇本体内，采用can总线，可以控制通用关节的舵机，采用模拟信号传输方式获取头部关节的视频信息；尾部电路与电源控制器及上位机控制台之间采用485通讯，因此，手柄的控制信号经电脑解析之后，再通过485通讯发送至蛇的尾部关节；尾部关节根据控制信号，再具体分解为各个关节的运动参数，控制各个通用关节的舵机转动。

2、动力系统：该蛇形机器人动力单元为舵机，舵机位于关节内部，带动串联在该关节的下一个关节运动，舵机为can通信控制。

3、视频采集系统：传感器采用红外相机或可见光相机；视频信号采用模拟信号传输，由蛇头电路接收模拟视频信号，通过中间通信线路传输，经过每个关节，最后传输到上位机系统，在ui端显示画面。

4、通信系统：与上位机通信采用485通信协议，关节控制采用can通信控制舵机运动。

5、故障指示：每个关节均有状态指示灯，正常工作为蓝色，当关节故障，显示红色，未成功供电启动则不亮，同时ui界面也提供各个关节状态指示(这个指示主要关节是否正常工作，绿色为正常工作，红色为不正常)，故障发生，关节由绿色状态转变为灰色。

6、运动指示：考虑狭小空间内，人无法直接看到机器人的运动，在ui界面上显示当前机器人的运动状态，如前进、后退。

本发明产品具有如下特点及优点：

1、基于自身尺寸，可以钻入狭小空间中运动，同时可以搭载可见光摄像机或红外相机实时拍摄图像或视频，是其它机器人不具备的能力；

2、该机器人的运动特点可以适应复杂地形，是传统轮式机器人不具备的能力，其简易的结构，大范围运动能力，和低成本是多足机器人不具备的优势；

3、本产品采用模块化设计，可以方便增加、减少、替换模块，可根据应用场景调整机器人长度，以适应不同应用需求；

4、本产品采用极简化设计，零部件较少，相较有相似应用的其它机器人产品，具有较大的价格优势；

5、本产品的各个关节之间的连接控制精准高效、结构设计灵活精妙、控制通信效率高。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。