一种仿蛇形巡检机器人的制作方法

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种仿蛇形巡检机器人。

背景技术：

仿蛇形巡检机器人是一种仿照生物蛇的结构特点与运动机理研制出一种仿生机器人。与其他电路巡检机器人相比，仿蛇形巡检机器人能更加灵活可靠地穿过地下管道，翻越管道内的各种障碍物，可携带可见光摄像头，将图像传回地面站，以便电力工作人员对机器人进行控制，顺利完成巡检工作。

目前，国内外虽有蛇形机器人相关的研究，但始终没有出现与电缆沟巡检相关的蛇形机器人的出现。电缆沟内空间狭小，环境复杂多变，要实现电缆沟的巡检，则必须要求该机器人可在狭小复杂的空间中实现灵活运动，并及时传输图像，实现对机器的精准控制，以期完成巡检工作。因此，本领域急需一种新型的仿蛇形巡检机器人来解决上述现有技术的难题。

技术实现要素：

有鉴于此，为解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种仿蛇形巡检机器人，仿照蛇的结构特点和运动机理，能够很好地完成电缆沟的巡检工作。灵活小巧，来解决电路巡检过程中的难题，在具有探测视野的功能的同时，又可在复杂的电缆环境中灵活运动，确保实现其电路巡检工作的完成。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种仿蛇形巡检机器人，包括相配合的本体结构和电气控制部分，所述本体结构包括采用正交结构依次连接的蛇头、蛇身和蛇尾；

所述蛇头设有相连的摄像头模块和树莓派部分，所述摄像头模块通过云台固定在蛇头中央的第一隔板的上方，所述树莓派部分固定设在蛇头中央的第一隔板上，所述第一隔板靠近蛇身一侧设有相连的第一数字舵机、第二数字舵机和第三数字舵机；

所述蛇身包括主动轮、从动轮、以及多个通过正交结构连接的机身和关节，单个所述的机身包括用于控制正交结构下蛇身不同维度运动的第四数字舵机、第五数字舵机，第四数字舵机连接设有相配合的第四舵机模型，第五数字舵机连接设有相配合的第五舵机模型，第四数字舵机、第五数字舵机均与关节相连，关节上设有多个与机身相配合的螺孔；

所述蛇尾设有相连的步进电机、电气控制部分和电源模块，所述电气控制部分由相配合的电机控制模块和舵机控制板组成。

进一步的，所述摄像头模块与用于呈现探测画面的pc端连接，摄像头模块通过树莓派部分控制数字舵机转动进而实现自由转向来探测不同方位视野，并传输至pc端。

进一步的，所述步进电机为双轴步进电机，步进电机连接且驱动主动轮。

进一步的，单个所述的关节底部设有两个与主动轮连接的从动轮。

进一步的，所述从动轮为牛眼轮。

进一步的，所述第一数字舵机、第二数字舵机、第三数字舵机、第四数字舵机、第五数字舵机均与电气控制部分的舵机控制板电连接，所述摄像头模块与电气控制部分电连接。

进一步的，所述第四数字舵机、第四舵机模型相配合地位于机身后部的左右侧，所述第五数字舵机、第五舵机模型相配合地位于机身前部的上下侧。

进一步的，所述蛇头通过相配合的第五数字舵机、第五舵机模型与靠近蛇头一端的机身相连，所述蛇尾通过相配合的第四数字舵机、第四舵机模型与靠近蛇尾一端的机身相连。

进一步的，所述蛇尾设有第二隔板，第二隔板上设置所述舵机控制板。

进一步的，所述第一数字舵机、第二数字舵机、第三数字舵机分别设有相配合的第一舵机模型、第二舵机模型、第三舵机模型。

本发明的有益效果是：

本发明的一种仿蛇形巡检机器人，仿照蛇的结构特点和运动机理，能够很好地完成电缆沟的巡检工作。灵活小巧，来解决电路巡检过程中的难题，在具有探测视野的功能的同时，又可在复杂的电缆环境中灵活运动，确保实现其电路巡检工作的完成；本发明主要完成仿蛇形结构的设计、实现机器人的运动控制、获取及分析视觉图像，并使各部分之间有效配合，实现仿蛇形巡检机器人的一体化、仿生化、智能化；仿照生物蛇的结构特点与运动机理研制出一种高冗余度的仿蛇形巡检机器人，旨在解决电缆管道巡检工作中巡检环境复杂、巡检难度大、巡检工作标准化等问题。具体表现在：

其一，采用数字舵机实现机体的控制。数字舵机相比于模拟舵机，可以提供更高的精度和更好的固定力量，此外还有防抖动，响应速度快的优点，而相比于伺服电机，数字舵机更易于实现控制。因此，采用数字舵机作为蛇形机器人的主要控制模块可以更好地实现蛇形机器人的控制功能；数字舵机有足够的扭矩保证机体动作的形成，舵机模型使机体同轴度更高；

其二，树莓派部分一方面调控摄像头模块的转向，同时抓取图像并形成pc端的数据反馈，另一方面控制摄像头模块旋转一定角度，保证摄像头探测到全方位的视野；

其三，采用双轴步进电机，相比于单轴电机，结构更加一体化，且步进电机既可调节速度，也可实现正反转；

其四，采用舵机控制板，使机体动作精确可调。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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为本发明的整体结构示意图；

图2为蛇头的结构示意图；

图3为关节的结构示意图；

图4为机身的结构示意图；

图5为蛇尾的结构示意图；

图6为第四舵机模型或第五舵机模型的结构示意图；

图7为从动轮的结构示意图；

图8为第四数字舵机以及第五数字舵机与机身和关节的连接结构俯视图；

图9为第四数字舵机以及第五数字舵机与机身和关节的连接结构示意图；

图10为机身与蛇头的连接示意图；

图11为机身与蛇尾的连接示意图；

图中标记：1、蛇头，2、蛇身，3、蛇尾，4、第一隔板，5、第一数字舵机，6、第二数字舵机，7、第三数字舵机，8、机身，9、关节，10、第四数字舵机，11、第五数字舵机，12、第四舵机模型，13、第五舵机模型，14、螺孔，15、第二隔板。

具体实施方式

下面给出具体实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整、详细地说明。本实施例是以本发明技术方案为前提的最佳实施例，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种仿蛇形巡检机器人，包括相配合的本体结构和电气控制部分，所述本体结构包括采用正交结构依次连接的蛇头1、蛇身2和蛇尾3；

所述蛇头1设有相连的摄像头模块和树莓派部分raspberrypi，树莓派部分作为机体的大脑，负责图像识别和处理。通过电机控制模块和舵机控制板的有效结合，实现巡检机器人的智能化灵活转动和全方位视野探测，完成电缆管道的巡检工作；所述摄像头模块通过云台固定在蛇头1中央的第一隔板4的上方，所述树莓派部分固定设在蛇头1中央的第一隔板4上，所述第一隔板4靠近蛇身2一侧设有相连的第一数字舵机5、第二数字舵机6和第三数字舵机7；蛇头1搭载摄像头模块，其功能与蛇眼相似，用于探测周围视野；树莓派部分一方面调控摄像头模块成像，另一方面控制数字舵机旋转一定角度，间接控制摄像头模块转动，以便于探测全方位视野。另外，本发明中的数字舵机均有足够的扭矩保证本体结构动作的形成，舵机模型均使本体结构同轴度更高。

蛇身2由多个结构相同的模块及机身和关节连接组成，各个模块之间通过正交结构连接，保证机体实现“仿蛇形”上下左右自由动作；每个模块包括机身和关节，机身前后装载数字舵机，用于控制驱动；使蛇身2拥有多自由度特点，与自然界的蛇类一样，可以实现平面上的二维运动和空间内的三维运动，从而能够适应各种作业环境，在电缆管道狭窄、地形复杂的情况下工作具有较大优势；所述蛇身2包括主动轮、从动轮、以及多个通过正交结构连接的机身8和关节9，单个所述的机身8包括用于控制正交结构下蛇身2不同维度运动的第四数字舵机10、第五数字舵机11，第四数字舵机10连接设有相配合的第四舵机模型12，第五数字舵机11连接设有相配合的第五舵机模型13，第四数字舵机10、第五数字舵机11均与关节9相连，关节9上设有多个与机身8相配合的螺孔14；第四数字舵机10、第五数字舵机11用来控制正交结构下蛇身不同维度的运动；同时配合数字舵机设计安装两个舵机模型，使得蛇体更加对称，结构更加稳固；

所述蛇尾3设有相连的步进电机、电气控制部分和电源模块，所述电气控制部分由相配合的电机控制模块和舵机控制板组成，共同实现机体的运动和动作。通过舵机控制板设计动作组，另外可增加远程遥控单元，实现蛇形机器人直行、转向、避障等功能。

进一步的，所述蛇尾3设有第二隔板15，第二隔板15上设置所述舵机控制板。舵机控制板搭载在蛇尾3，作为机体动作的机械总控，控制相关舵机调整角度，实现机体在巡检过程中的有效避障，完成电缆沟内检测。

进一步的，所述第一数字舵机5、第二数字舵机6、第三数字舵机7、第四数字舵机10、第五数字舵机11均与电气控制部分的舵机控制板电连接，所述摄像头模块与电气控制部分电连接。采用舵机控制板，使机体动作精确可调。

进一步的，所述第一数字舵机5、第二数字舵机6、第三数字舵机7分别设有相配合的第一舵机模型、第二舵机模型、第三舵机模型。

进一步的，所述第四数字舵机10、第四舵机模型12相配合地位于机身8后部的左右侧，所述第五数字舵机11、第五舵机模型13相配合地位于机身8前部的上下侧。数字舵机可在舵机控制板的控制下调节机体的运动，完成相关复杂动作；舵机模型保整了机体架构的平衡型、对称性。

进一步的，结合上述，本实施例中，对于机身8来讲，上侧装载第五舵机模型13，下侧装载第五数字舵机11，由于数字舵机较重，可保证机身8整体重心靠下，更加稳定；对于机身8左右侧，采用相邻机身8左右侧数字舵机和舵机模型交叉装载的方法，如图8所示，相邻的两个机身8通过关节9相连，若位于前方的机身8上，第四数字舵机10设在机身8后部的左侧，第四舵机模型12设在机身8后部的右侧；则位于后方的机身8上，第四数字舵机10则设在机身8后部的右侧，第四舵机模型12设在机身8后部的左侧，以此保持蛇身2的左右平衡，保证了机身8左右侧承重基本相同，运行更加稳定。

更进一步的，如图9所示，当第四数字舵机10转动时，带动蛇身2以及本体结构前方部分在平面运动，当第五数字舵机11转动时，带动蛇身2在竖直面运动。通过数字舵机转动带动蛇身2与舵机模型以及关节9运动，从而形成整个机体的运动。

进一步的，所述蛇头1通过相配合的第五数字舵机11、第五舵机模型13与靠近蛇头1一端的机身8相连，所述蛇尾3通过相配合的第四数字舵机10、第四舵机模型12与靠近蛇尾3一端的机身8相连。蛇头1和蛇尾3分别通过一个数字舵机和一个舵机模型与机身8相连，有效控制对应的上下左右转向。

进一步的，所述蛇尾还设有遥控器模块。电机控制模块和舵机控制板设计动作组，另外可增加遥控模块，进行远程遥控，实现蛇形机器人直行、转向、避障等功能。

进一步的，所述摄像头模块与用于呈现探测画面的pc端连接，摄像头模块通过树莓派部分控制数字舵机转动进而实现自由转向来探测不同方位视野，并传输至pc端。实时捕捉电缆沟内的复杂情况，并传送至技术人员的pc端，技术人员通过图像分析，一方面可通过远程的遥控模块调整机器人的运动，另一方面，如发现缆沟内有异常情况，可及时形成对应解决措施，有效实现电缆沟检测工作。

进一步的，所述步进电机为双轴步进电机，步进电机连接且驱动主动轮。步进电机安装在蛇尾3，既有足够大的扭矩，又可调节机体整体速度与方向，方便在不同的环境中不同运动状态的切换。采用双轴步进电机，相比于单轴电机，结构更加一体化，且步进电机既可调节速度，也可实现正反转。

进一步的，单个所述的关节9底部设有两个与主动轮连接的从动轮。步进电机驱动主动轮运动，在从动轮的配合下，实现本体结构整体动作。

进一步的，所述从动轮为牛眼轮。关节9底部设计有两个牛眼轮，作为从动轮，保障机体二维平面的运动，保证转向灵活，行走顺畅。

进一步的，本发明中采用数字舵机实现机体的控制。数字舵机相比于模拟舵机，可以提供更高的精度和更好的固定力量，此外还有防抖动，响应速度快的优点，而相比于伺服电机，数字舵机更易于实现控制。因此，采用数字舵机作为蛇形机器人的主要控制模块可以更好地实现蛇形机器人的控制功能；数字舵机有足够的扭矩保证机体动作的形成，舵机模型使机体同轴度更高。另外，树莓派部分一方面调控摄像头模块的转向，同时抓取图像并形成pc端的数据反馈，另一方面控制摄像头模块旋转一定角度，保证摄像头探测到全方位的视野。

综上所述，本发明的一种仿蛇形巡检机器人，仿照蛇的结构特点和运动机理，能够很好地完成电缆沟的巡检工作。灵活小巧，来解决电路巡检过程中的难题，在具有探测视野的功能的同时，又可在复杂的电缆环境中灵活运动，确保实现其电路巡检工作的完成；本发明主要完成仿蛇形结构的设计、实现机器人的运动控制、获取及分析视觉图像，并使各部分之间有效配合，实现仿蛇形巡检机器人的一体化、仿生化、智能化；仿照生物蛇的结构特点与运动机理研制出一种高冗余度的仿蛇形巡检机器人，旨在解决电缆管道巡检工作中巡检环境复杂、巡检难度大、巡检工作标准化等问题。

以上显示和描述了本发明的主要特征、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。