一种基于正交关节蛇形机器人的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种基于正交关节蛇形机器人，所述正交关节蛇形机器人包含多个相同结构的关节模块，所述关节模块分为头座和尾座，所述关节模块头座是由U型连杆构成。本实用新型具有实用性好，并可动态调节控制参数以实现改变蛇形机器人的攀爬姿态，灵活性高，真正实现蛇形机器人在三维空间的运动控制。
【专利说明】一种基于正交关节蛇形机器人
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及机器人及其运动控制领域，尤其涉及一种基于正交关节蛇形机器人。
【背景技术】
[0002]由于蛇形机器人类似生物蛇无肢无轮，运动时的力完全来源于其机体表面与接触对象之间的摩擦力，机体内部模块关节的转动，将使机体各部分产生的摩擦力大小和方向不同，力的不平衡产生运动趋势，形成各种运动模式，蛇形机器人能摹仿出某些生物蛇的运动，并且能创造出生物蛇没有的运动模式。目前，国内外学者制作对蛇形机器人的运动控制多在二维空间中研究，甚少涉及三维空间的运动控制研究。
[0003]现时，对蛇形机器人运动方式的控制实现方法包含:基于运动步态的控制实现，这种控制方法是预先根据机器人的运动路线进行适当的规划，然后设定舵机在某个特定时刻扭转特定的转角以实现机器人的运动，具有容易操作简便的特点，但对于不同的路径必须重新规划，严重缺乏灵活性；最近几年又提出了一中基于CPG(中枢模式发生器)原理的运动实现方法，该方法是以模仿生物的步态产生原理为基础，设计一种运动模式发生器来产生控制蛇形机器人运动的节律信号，用这种节律信号作为舵机的控制信号，实现蛇形机器人的运动，不过该CPG网络很难准确建模，实用性较差。
实用新型内容
[0004]为了克服现时蛇形机器人运动控制方法灵活性、实用性较差的缺点，以及突破实现蛇形机器人在三维空间中攀爬的技术难点，本实用新型提供一种便于在正交关节蛇形机器人上实现的螺旋攀爬控制方法，并可动态调节控制参数以实现改变蛇形机器人的攀爬姿态，真正实现蛇形机器人在三维空间的运动控制。
[0005]为达到上述目的 ，本实用新型采用如下的技术方案:
[0006]一种基于正交关节蛇形机器人，所述正交关节蛇形机器人包含多个相同结构的关节模块，所述关节模块分为头座和尾座，所述关节模块头座是由U形连杆构成，所述关节模块尾座由驱动器、电池和保护外壳构成，所述关节模块头座U形连杆通过配合孔连接在关节模块尾座驱动器的驱动轴，所述电池为驱动器供电，所述保护外壳由左半壳和右半壳通过配合孔连接构成，所述正交关节蛇形机器人的主体由多个关节模块相互拼接而成，相邻的两个关节模块以驱动轴相互垂直的方式连接，既正交方式连接，前一关节模块尾座与后一关节模块头座通过配合孔相连。
[0007]一种应用于基于正交关节蛇形机器人的螺旋攀爬运动控制方法，所述正交关节蛇形机器人的运动控制方程为:
[0008]Θ J=Ai.sin (ω.t+k.i) + Y j
[0009]其中，控制参数:
[0010]1:关节模块序号，i=l，2…N ;[0011]Θ 1:第i个关节模块转动角度；
[0012]A1:第i个关节模块最大转动角度；
[0013]ω:关节模块角度变化频率；
[0014]k:运动方式控制参数；
[0015]Y1:角度补偿量；
[0016]t:时间；
[0017]每个关节模块的时间t同步，角度变化频率ω相同，运动方式控制参数k相同且不等于零或η /2 ；
[0018]所述运动控制方程中的三角函数可以弧度或角度为单位计算，则相对应的关节模块转动角Θ 1、关节模块最大转动角度Ai和角度补偿量Y i都分别以弧度和角度为单位。
[0019]所述Ai和1^共同确定蛇形机器人的运动形状；ω决定蛇形机器人的运动速度；Yi对运动进行角度补偿。
[0020]所述运动控制方程中，改变Ai的正负符号，可以改变机器人的正反运动方向；当k不变时，改变Ai的绝对值大小， 可以调节蛇形机器人蛇体形成的螺距。
[0021]本实用新型的有益效果主要表现在:便于在正交关节蛇形机器人上实现的螺旋攀爬控制，实用性好，并可动态调节控制参数以实现改变蛇形机器人的攀爬姿态，灵活性高，真正实现蛇形机器人在三维空间的运动控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1正交关节蛇形机器人蛇体构造图。
[0023]图2正交关节蛇形机器人关节模块主视示意图。
[0024]图3正交关节蛇形机器人关节模块立体示意图。
[0025]图4正交关节蛇形机器人螺旋攀爬运动控制图。
【具体实施方式】
[0026]下面将结合附图对本实用新型作进一步详细的描述。
[0027]如图1、图2、图3所示，一种基于正交关节蛇形机器人，所述正交关节蛇形机器人包含多个相同结构的关节模块1，所述关节模块I分为头座4和尾座5，所述关节模块头座4是由U形连杆7构成，所述关节模块尾座5由驱动器8、电池9和保护外壳6构成，所述关节模块头座U形连杆7通过配合孔连接在关节模块尾座驱动器8的驱动轴10，所述电池9为驱动器8供电，所述保护外壳6由左半壳11和右半壳12通过配合孔连接构成，所述正交关节蛇形机器人的主体由多个关节模块I相互拼接而成，相邻的两个关节模块I以驱动轴10相互垂直的方式连接，既正交方式连接，前一关节模块尾座2与后一关节模块头座3通过配合孔相连。
[0028]一种应用于基于正交关节蛇形机器人的螺旋攀爬运动控制方法，所述正交关节蛇形机器人的运动控制方程为:
[0029]Θ J=Ai.sin (ω.t+k.i) + Y j
[0030]其中，控制参数:
[0031]1:关节模块序号，i=l，2…N;[0032]Θ 1:第i个关节模块转动角度；
[0033]A1:第i个关节模块最大转动角度；
[0034]ω:关节模块角度变化频率；
[0035]k:运动方式控制参数；
[0036]Y1:角度补偿量；
[0037]t:时间；
[0038]每个关节模块的时间t同步，角度变化频率ω相同，运动方式控制参数k相同且不等于零或η /2 ；
[0039]所述运动控制方程中的三角函数可以弧度或角度为单位计算，则相对应的关节模块转动角Θ 1、关节模块最大转动角度Ai和角度补偿量Y i都分别以弧度和角度为单位。
[0040]如图4所示，所述Ai和k共同确定蛇形机器人的运动形状；ω决定蛇形机器人的运动速度；Y i对运动进行角度补偿。
[0041]所述运动控制方程中，改变Ai的正负符号，可以改变机器人的正反运动方向；当k不变时，改变Ai的绝对值大小，可以调节蛇形机器人蛇体形成的螺距。
[0042]本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于正交关节蛇形机器人，其特征在于:所述正交关节蛇形机器人包含多个相同结构的关节模块，所述关节模块分为头座和尾座，所述关节模块头座是由U形连杆构成，所述关节模块尾座由驱动器、电池和保护外壳构成，所述关节模块头座U形连杆通过配合孔连接在关节模块尾座驱动器的驱动轴，所述电池为驱动器供电，所述保护外壳由左半壳和右半壳通过配合孔连接构成，所述正交关节蛇形机器人的主体由多个关节模块相互拼接而成，相邻的两个关节模块以驱动轴相互垂直的方式连接，既正交方式连接，前一关节模块尾座与后一关节模块头座通过配合孔相连。
【文档编号】B62D57/036GK203511816SQ201320573824
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】魏武, 任回兴, 何振勇, 林维河, 韩学伟, 张洪华, 马颖 申请人:华南理工大学, 中交公路养护工程技术有限公司