本實(shí)用新型涉及一種具有地形勘測(cè)的多種運(yùn)動(dòng)方式的生物仿真型機(jī)器人，具體是一種可翻滾的蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人。

背景技術(shù)：

隨著科技的不斷進(jìn)步，作為具有新型移動(dòng)方式的柔性機(jī)器人，蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人以其多步態(tài)運(yùn)動(dòng)能力和能夠適應(yīng)復(fù)雜多變環(huán)境的特點(diǎn)，成為機(jī)器人領(lǐng)域的研究新熱點(diǎn)。

傳統(tǒng)的移動(dòng)方式大多基于連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)原理，其運(yùn)動(dòng)比較靈活而且運(yùn)動(dòng)效率比較高，但它的缺點(diǎn)是對(duì)復(fù)雜的路面條件適應(yīng)能力差，后來出現(xiàn)了履帶式運(yùn)動(dòng)，其對(duì)地面的適應(yīng)能力有所提高，但其靈活性卻顯著降低。因此，科學(xué)家們一直致力于尋找一種既對(duì)地面適應(yīng)能力強(qiáng)，又具有較好靈活性的運(yùn)動(dòng)方式。近些年來，科學(xué)家紛紛把目光投向仿生學(xué)，較早出現(xiàn)的移動(dòng)式機(jī)器人是四足的，后來又逐漸出現(xiàn)了兩足，六足以及多足機(jī)器人，步型式機(jī)器人在一定程度上提高了機(jī)器人的地面適應(yīng)能力，但它的穩(wěn)定性及對(duì)松軟地面的適應(yīng)性比較差，于是科學(xué)家開始探索像蛇一樣靈活快速運(yùn)動(dòng)的蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人是否具有可行性。

在對(duì)不同的地形進(jìn)行勘察時(shí)，可能對(duì)蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)的要求不同，有些地形需要蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行直線快速的移動(dòng)，有些地形有需要蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人擁有能夠側(cè)向進(jìn)行翻滾以便翻越某些較為復(fù)雜的地形，但是大部分地形對(duì)翻滾的要求較少，所以一般的蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人并沒有配備翻滾的機(jī)能，而配備了翻滾機(jī)能的蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人售價(jià)較貴，同時(shí)使用翻滾作業(yè)較少這樣大量浪費(fèi)了資源。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是為了針對(duì)上述現(xiàn)狀設(shè)計(jì)了一種具有蠕動(dòng)和翻滾運(yùn)動(dòng)的可以進(jìn)行模塊化拆卸的蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人，提高了蛇形的工作效率。

為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：

一種可翻滾的蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人，其特征在于：由控制裝置和至少三個(gè)首尾相連的蠕動(dòng)模塊組成，所述蠕動(dòng)模塊包括三個(gè)關(guān)節(jié)、兩個(gè)舵機(jī)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)模塊，所述關(guān)節(jié)為一圓環(huán)形，所述圓環(huán)形的關(guān)節(jié)的兩側(cè)分別設(shè)有一對(duì)固定板，所述每一側(cè)的一對(duì)固定板均以關(guān)節(jié)的圓環(huán)中心對(duì)稱設(shè)置，關(guān)節(jié)一側(cè)的一對(duì)固定板與其另一側(cè)的一對(duì)固定板方向垂直交叉設(shè)置；

所述旋轉(zhuǎn)模塊包括旋轉(zhuǎn)外殼、設(shè)于旋轉(zhuǎn)外殼內(nèi)可自由旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)內(nèi)殼、以及驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)內(nèi)殼旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所述旋轉(zhuǎn)內(nèi)殼內(nèi)設(shè)有大齒輪，大齒輪與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸固定相連，旋轉(zhuǎn)內(nèi)殼壁上設(shè)有多個(gè)對(duì)稱分布的缺口，所述缺口內(nèi)設(shè)有與大齒輪咬合的小齒輪，所述旋轉(zhuǎn)外殼內(nèi)壁設(shè)有一圈能與小齒輪咬合的內(nèi)圈齒；

所述蠕動(dòng)模塊中前面兩個(gè)關(guān)節(jié)和兩個(gè)舵機(jī)的連接方式為：關(guān)節(jié)一側(cè)的一對(duì)固定板與舵機(jī)的機(jī)體固定相連，關(guān)節(jié)另一側(cè)的一對(duì)固定板與舵機(jī)的輸出軸固定相連，第一個(gè)舵機(jī)、第一個(gè)關(guān)節(jié)、第二個(gè)舵機(jī)和第二關(guān)節(jié)按照前述連接方式首尾相連，旋轉(zhuǎn)內(nèi)殼一端與第二個(gè)關(guān)節(jié)一側(cè)的固定板固定相連，旋轉(zhuǎn)內(nèi)殼另一端與第三個(gè)關(guān)節(jié)一側(cè)的固定板固定相連，第一個(gè)舵機(jī)、第一個(gè)關(guān)節(jié)、第二個(gè)舵機(jī)、第二關(guān)節(jié)、旋轉(zhuǎn)模塊和第三個(gè)關(guān)節(jié)的按照上述連接方式依次首尾連接組成蠕動(dòng)模塊，至少三個(gè)蠕動(dòng)模塊按照上述連接方式首尾相連組成可翻轉(zhuǎn)的蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人。

作為改進(jìn)，所述旋轉(zhuǎn)外殼內(nèi)壁設(shè)有一圈凹槽，所述凹槽內(nèi)設(shè)有與旋轉(zhuǎn)內(nèi)殼相接觸的滾動(dòng)體，所述滾動(dòng)體為滾珠。

作為改進(jìn)，所述旋轉(zhuǎn)內(nèi)殼兩端分別設(shè)有可拆卸的擋板，所述旋轉(zhuǎn)外殼設(shè)有方向與機(jī)器人方向相同的防滑板。

本實(shí)用新型有益效果是：在對(duì)不同的地形進(jìn)行勘察時(shí)，可能對(duì)蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)的要求不同，有些地形需要蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行直線移動(dòng)，有些地形有需要蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人擁有能夠側(cè)向進(jìn)行翻滾以便翻越某些較為復(fù)雜的地形，本實(shí)用新型蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人的翻滾運(yùn)動(dòng)構(gòu)件能夠根據(jù)需要進(jìn)行安裝或拆卸，能夠大大提升蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人使用壽命，避免不需要進(jìn)行翻滾運(yùn)動(dòng)是對(duì)旋轉(zhuǎn)模塊產(chǎn)生的磨損消耗。

附圖說明

圖1為蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人舵機(jī)和關(guān)節(jié)連接關(guān)系示意圖；

圖2為關(guān)節(jié)與舵機(jī)的裝配示意圖；

圖3為蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)內(nèi)膽轉(zhuǎn)配圖；

圖4為蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)外殼示意圖；

圖5為蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人蠕動(dòng)模塊示意圖；

圖6為蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人整體裝配圖；

圖7為蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理示意圖。

圖中：1-舵機(jī)，2-螺釘，3-關(guān)節(jié)，4-法蘭盤，5-旋轉(zhuǎn)內(nèi)殼，6-大齒輪，7-小齒輪，8-擋板，9-旋轉(zhuǎn)外殼，10-滾珠，,11-墊片，12-長螺釘，13-控制裝置，14-固定板，15-防滑板，16-內(nèi)圈齒。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行舉例說明。

根據(jù)本課題要求實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)的蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人的蠕動(dòng)模塊由三個(gè)個(gè)關(guān)節(jié)3、兩個(gè)舵機(jī)1和一個(gè)旋轉(zhuǎn)模塊首尾相連組成，如圖5所示；

如圖2所示，為關(guān)節(jié)3的具體外形，其中軸線水平的轉(zhuǎn)動(dòng)副成稱為水平關(guān)節(jié)，所述關(guān)節(jié)3為一圓環(huán)形，所述圓環(huán)形的關(guān)節(jié)3的兩側(cè)分別設(shè)有一對(duì)固定板14，所述每一側(cè)的一對(duì)固定板14均以關(guān)節(jié)3的圓環(huán)中心對(duì)稱設(shè)置，關(guān)節(jié)3一側(cè)的一對(duì)固定板14與其另一側(cè)的一對(duì)固定板14方向垂直交叉設(shè)置；

如圖3和圖4所示，所述旋轉(zhuǎn)模塊包括旋轉(zhuǎn)外殼9、設(shè)于旋轉(zhuǎn)外殼內(nèi)9可自由旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)內(nèi)殼5、以及驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)內(nèi)殼5旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所述旋轉(zhuǎn)內(nèi)殼5內(nèi)設(shè)有大齒輪6，驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在旋轉(zhuǎn)內(nèi)殼5內(nèi)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸與大齒輪6的軸固定相連，旋轉(zhuǎn)內(nèi)殼5壁上設(shè)有多個(gè)對(duì)稱分布的缺口，多個(gè)對(duì)稱分布的缺口與大齒輪6處于同一個(gè)平面，所述缺口內(nèi)設(shè)有與大齒輪6咬合的小齒輪7，所述旋轉(zhuǎn)外殼9內(nèi)壁設(shè)有一圈能與小齒輪7咬合的內(nèi)圈齒16；

如圖1所示，關(guān)節(jié)3和舵機(jī)的連接方式為：所述關(guān)節(jié)3一側(cè)的一對(duì)固定板14與舵機(jī)1的機(jī)體通過法蘭盤4與螺釘2固定相連，關(guān)節(jié)3另一側(cè)的一對(duì)固定板14與舵機(jī)1的輸出軸通過法蘭盤4與螺釘2相連，第一個(gè)舵機(jī)1、第一個(gè)關(guān)節(jié)3、第二個(gè)舵機(jī)1和第二個(gè)關(guān)節(jié)3按照上述連接方式順序首尾連接；

如圖1和圖5所示，旋轉(zhuǎn)內(nèi)殼5一端與第二個(gè)關(guān)節(jié)3一側(cè)的固定板14通過長螺釘12固定相連，旋轉(zhuǎn)內(nèi)殼5另一端與第三個(gè)關(guān)節(jié)3的固定板14通過長螺釘12固定相連，所述三個(gè)關(guān)節(jié)3、兩個(gè)舵機(jī)1和一個(gè)旋轉(zhuǎn)模塊按照上述結(jié)構(gòu)和順序首尾相連組成蠕動(dòng)模塊；多個(gè)蠕動(dòng)模塊首尾相連組成可翻轉(zhuǎn)的蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人。

如圖6所示，所述控制裝置13設(shè)于機(jī)器人最前端，控制裝置13控制上述所有舵機(jī)1的運(yùn)轉(zhuǎn)，本實(shí)施例蠕動(dòng)模塊有四個(gè)，蠕動(dòng)模塊數(shù)量至少三個(gè)，可以根據(jù)需要任意增加。由于關(guān)節(jié)3兩側(cè)的一對(duì)固定板方向互相垂直，因此該機(jī)器人即可上下蠕動(dòng)也可在平面內(nèi)左右蠕動(dòng)。

關(guān)節(jié)3采用鋁材材料，重量輕，強(qiáng)度合適，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，傳遞可靠。

為了保證旋轉(zhuǎn)外殼9在機(jī)器人軸向上面不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，在旋轉(zhuǎn)內(nèi)殼5兩端分別安裝了可拆卸的擋板8，為了支持旋轉(zhuǎn)外殼9不產(chǎn)生傾斜且保證正常的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在旋轉(zhuǎn)外殼9的內(nèi)壁兩端挖了一圈凹槽，在凹槽內(nèi)放入滾珠10，起到支撐作用。旋轉(zhuǎn)外殼9與地面產(chǎn)生摩擦力，使得整個(gè)機(jī)器人產(chǎn)生一個(gè)翻滾的運(yùn)動(dòng)。為了增加旋轉(zhuǎn)外殼9與地面產(chǎn)生摩擦力，在旋轉(zhuǎn)外殼9外表面設(shè)有多個(gè)防滑板15，防滑板15沿機(jī)器人軸向設(shè)置。

蠕動(dòng)模塊由三個(gè)關(guān)節(jié)3、兩個(gè)舵機(jī)1和一個(gè)旋轉(zhuǎn)模塊組成，每個(gè)與舵機(jī)1輸出軸相連的關(guān)節(jié)3均具有一個(gè)獨(dú)立的自由度，因此一個(gè)蠕動(dòng)模塊產(chǎn)生形成了俯仰和偏航兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，每個(gè)獨(dú)立自由度的關(guān)節(jié)3都需要能夠獨(dú)立控制，因此每個(gè)關(guān)節(jié)3均有一個(gè)獨(dú)立的電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器，產(chǎn)生一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度，通過多個(gè)關(guān)節(jié)3的相互配合，模擬蛇形蠕動(dòng)推動(dòng)整個(gè)機(jī)器人的前進(jìn)。當(dāng)需要機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)時(shí)，我們?cè)诿總€(gè)蠕動(dòng)模塊內(nèi)加入旋轉(zhuǎn)模塊和第三個(gè)關(guān)節(jié)3組成可翻轉(zhuǎn)的蠕動(dòng)模塊，通過墊片11與長螺釘12將兩個(gè)可翻轉(zhuǎn)的蠕動(dòng)模塊直接連接，提供給蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人一個(gè)專門用于旋轉(zhuǎn)的自由度。

在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇上，選用舵機(jī)1作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。舵機(jī)1是一種能夠直接提供位置控制的直流電機(jī)，其結(jié)構(gòu)緊湊，易于安裝，控制簡(jiǎn)單，大扭力，成本低。使用舵機(jī)1可以使每個(gè)關(guān)節(jié)做的結(jié)構(gòu)比較緊湊，減小整體的體積。

每個(gè)關(guān)節(jié)3的可活動(dòng)范圍為 180 度。旋轉(zhuǎn)模塊由旋轉(zhuǎn)內(nèi)膽和旋轉(zhuǎn)外殼構(gòu)成提供一個(gè)單獨(dú)用于翻滾的動(dòng)力，可以在機(jī)器人末端加上提供信息傳輸作用之類的裝置。

蠕動(dòng)是蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人部分結(jié)構(gòu)與地面保持靜止，另一部分憑借靜止部分與地面間形成的靜摩擦力實(shí)現(xiàn)的向前運(yùn)動(dòng)；根據(jù)蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人部關(guān)節(jié)軸與地面間的關(guān)系，可以將蠕動(dòng)分為關(guān)節(jié)軸與地面垂直的蠕動(dòng)和關(guān)節(jié)軸與地面平行的蠕動(dòng)。關(guān)節(jié)軸與地面垂直的蠕動(dòng)是蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人整個(gè)蛇體與地面接觸，此時(shí)運(yùn)動(dòng)部分與地面間不可避免的產(chǎn)生摩擦并損耗大量的能量，而對(duì)于關(guān)節(jié)軸與地面平行的蠕動(dòng)，沿地面行進(jìn)時(shí)，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)部分脫離地面不與地面接觸，運(yùn)動(dòng)部分與地面之間就不存在摩擦，因此它是一種比較節(jié)能的運(yùn)動(dòng)步態(tài)。

蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人的蠕動(dòng)過程其實(shí)是運(yùn)動(dòng)波依次傳遞的過程，我們將蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人簡(jiǎn)化成 N 節(jié)連桿首尾鉸接連接組成的連桿系統(tǒng)，其每個(gè)連接處的關(guān)節(jié)3都擁有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。給這種多連桿系統(tǒng)的蠕動(dòng)過程分為3個(gè)階段: 波形成型階段，波形傳遞階段，波形恢復(fù)階段。以及這一階段的不斷重復(fù)過程促成了連桿系統(tǒng)的不斷向前移動(dòng)。本實(shí)施例的蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理如圖7所示，我們用表示所對(duì)應(yīng)的某點(diǎn)n,具體如下：

1.波成形階段（即圖7a至圖7c）

初始狀態(tài)蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人是一條直線，啟動(dòng)后， ,,和同互相協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，其它點(diǎn)靜止不動(dòng)，運(yùn)動(dòng)波逐步形成，拖動(dòng)關(guān)節(jié)向前運(yùn)動(dòng)。

2.波形推進(jìn)階段（圖7c至圖7e）

運(yùn)動(dòng)波形成后，從圖7c至圖7e過程中，末端 點(diǎn)不動(dòng)，桿與地面夾角逐漸變?yōu)榱?，桿與地面夾角由 0°逐漸增大，中間的連桿 ， ， ， 協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，使新的運(yùn)動(dòng)波形成。此過程反復(fù)向前推進(jìn)，直到末端。

3.波結(jié)束階段（圖7f至圖7g）

此階段運(yùn)動(dòng)波的波浪已經(jīng)推進(jìn)到末端，運(yùn)動(dòng)波后面的連桿全部靜止不動(dòng), 運(yùn)動(dòng)波逐步恢復(fù)為直線，推動(dòng)關(guān)節(jié)向前滑動(dòng)，最后整個(gè)系統(tǒng)恢復(fù)為直線狀態(tài)。此時(shí)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)周期已經(jīng)完成，整個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)在水平X軸上產(chǎn)生一個(gè)位移。

當(dāng)蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人需要進(jìn)行翻滾作業(yè)時(shí)，在每個(gè)蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人的蠕動(dòng)模塊內(nèi)加入一個(gè)旋轉(zhuǎn)模塊（如圖5所示），兩個(gè)蠕動(dòng)模塊通過墊片11和長螺釘12相連接，這時(shí)旋轉(zhuǎn)內(nèi)殼5和與之相連的關(guān)節(jié)3相當(dāng)于一個(gè)整體，當(dāng)旋轉(zhuǎn)內(nèi)殼5里面的驅(qū)動(dòng)電機(jī)開始工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的軸帶著大齒輪6進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，大齒輪6與小齒輪7相嚙合，帶動(dòng)小齒輪7旋轉(zhuǎn)，同時(shí)小齒輪7與旋轉(zhuǎn)外殼9相嚙合，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)外殼9旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)外殼9內(nèi)壁的滾珠10提供支撐。由于蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人的主體較重，則旋轉(zhuǎn)外殼9相對(duì)主體產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)外殼9與地面產(chǎn)生摩擦力，從而使得蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人能夠進(jìn)行翻滾運(yùn)動(dòng)。最后的組裝圖如圖6所示主體兩端安裝有控制裝置13、以及提供信息傳輸作用之類的裝置，從而保證蛇形蠕動(dòng)機(jī)器人能夠進(jìn)行信息的傳輸作業(yè)。