一种高机动性的尺蠖式蠕动机器人制造技术

本发明专利技术提出一种高机动性的尺蠖式蠕动机器人，能够同时进行蠕动运动和尺蠖式运动。所述蠕动机器人包括位于两端的头部和尾部，内部包含电源，控制器和传感器模块。在头部和尾部段之间由柔性皮肤覆盖的驱动部分是由至少4个相同的驱动机构组成的。所述驱动机构是一个特别设计的3自由度机构，该驱动机构不仅能够快速地向前运动，而且其所具有的全半球转动能力使得机器人能够以更小的半径急剧转向和提升躯体。因此，本发明专利技术非常有益于穿过较小的间隙，并且可以通过急转弯或爬行而避开障碍物。这种运动方式使得该蠕动机器人能够应用于多种领域，包括手术内窥镜检查，石油和天然气行业管道检查，以及洪水、地震或核事故等灾害的搜救行动。

A highly maneuverable inchworm type peristaltic robot

The invention proposes a highly maneuverable inchworm type peristaltic robot capable of peristaltic motion and inchworm motion simultaneously. The peristaltic robot includes the head and tail at both ends, which contain power, controller and sensor module. The driving part covered by the flexible skin between the head and the tail section is composed of at least 4 identical driving mechanisms. The driving mechanism is a specially designed 3 degree of freedom mechanism. The driving mechanism can not only move forward quickly, but also has the ability of hemispherical rotation, enabling the robot to turn and improve the body with a smaller radius. Therefore, the invention is very useful for passing through smaller gaps and avoiding obstacles by turning or crawling. This way of motion enables the peristaltic robot to be applied to many fields, including surgical endoscopy, pipeline inspection in oil and natural gas industry, and search and rescue operations such as floods, earthquakes or nuclear accidents.

【技术实现步骤摘要】
一种高机动性的尺蠖式蠕动机器人
本专利技术涉及一种仿生尺蠖式蠕动机器人，属于机器人

技术介绍
石油和天然气行业中，对于直径较宽的管道维护方法很多，但对于直径较小的管道来说，需要开发可在这些小空间内移动或爬行的高机动性机器人。在医学领域，对于人体食管、肠和尿道等较小的管道，可以使用这种类型的微生物机器人进行人体检查。如内窥镜技术可通过微机器人介入，还可用于消除不同身体部位如尿管等的堵塞。在洪水，地震，爆发火灾，核事故等灾害中，可以通过这种蠕动机器人寻找被困在障碍物、残骸中的人。高机动性蠕动机器人的专利技术具有重要意义。基于此，研究人员给出了如波动、爬行、匍匐和游动等形式的仿生机器人。多段式多驱动结构的设计方法可以在其中任一驱动机构发生故障时提升机器人的鲁棒性，同时，采用相同的驱动机构串联减少了设计和实现的复杂性。这些机器人可工作在完全自主、半自主或人工控制状态下。一般来说，由于智能仿生机器人设计要求尺寸紧凑，较大驱动功率，高机动性，以及对技术和材料的要求限制，新型机器人研发是一个需多学科紧密合作的领域。为了模拟仿生机器人的运动模式，提出了很多技术方案，如基于形状记忆合金SMA的驱动方案。由于SMA蠕动机器人采用微型直流电机、伺服电机，气动功率微型泵，或特定情况下的外磁场驱动方案，在机器人机动性和控制性能上有很多局限性。仿生机器人采用单一运动模式不能满足应用要求。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的问题，使蠕动机器人具有更好的环境适应性，本专利技术提出一种高机动性的尺蠖式蠕动机器人，采用特别设计的3自由度机构作为驱动机构，同时实现蠕动运动(仿蚕)和尺蠖式运动(仿尺蠖)。本专利技术实现的机器人具有高的机动性，其驱动结构具有全半球转动能力，能够进行灵敏转向，并以较小半径实现躯体提升。本专利技术给出一种多段式高机动性尺蠖式蠕动机器人，其主体结构包括前侧的头部、后段的尾部、以及中间被柔性皮肤覆盖的驱动结构部分。头尾部分在结构上是对称的。蠕动机器人可以在前后两个方向上移动，但是为了简化路径计算，将运动方向设为固定。头部和尾部还包含用于机器人自主操作的控制器，电源和传感器模块。头部和尾部都具有一组四个仿生吸盘，在移动时可以粘附到接触表面。可以根据应用要求选择吸盘的类型。在玻璃上移动可采用真空垫；在金属表面移动可采用电磁垫；在粗糙表面可以采用摩擦垫等。当需要与接触面粘附时，机器人对吸盘进行激励，但是当需要运动时，相应的吸盘必须通过自身提升或者逐个卸下吸盘而脱离与地面的接触。可以根据机器人的运动所需的保持力来增加或减少仿生吸盘的数量。在头部和尾部之间通过柔性皮肤覆盖着驱动结构部分。柔性皮肤不仅使得机器人拥有毛毛虫一样的形状，还可以保护驱动部分的内部部件免受恶劣环境中的灰尘和液体的污染。驱动部分主要负责机器人的蠕动，转向，提升，收缩和伸长等运动。驱动结构部分由4个串联连接的驱动机构组成。驱动机构是在美国专利US569969基础上的改进设计。专利US569969给出的空间机器结构，也称为坎菲尔德结构，改进设计后作为驱动结构应用在本专利技术所设计的蠕动机器人中。本专利技术所设计的三自由度驱动机构不仅能够实现快速的蠕动运动，而且具有全半球转动能力，使得机器人能够以更小的半径进行大幅度转向以及躯体提升。每个驱动部分都由顶部连杆和底部连杆构成，通过连杆和旋转关节组成的臂链连接在一起。顶部连杆和底部连杆都具有3个间隔120°成Y形结构的臂杆。底部连杆上安装有电机，当电机旋转主动连杆时，被动连杆相应地旋转，从而驱动结构顶部连杆移动。通过这种控制方式形成驱动结构的俯仰，横滚和升降运动。本专利技术的机器人可以进行蠕动运动和尺蠖式运动，也可以进行复杂的复合运动，如沿着其长度轴爬升、扭曲、换向。机器人可按既定的节奏移动。基于上述原理，本专利技术的技术方案为：所述一种高机动性的尺蠖式蠕动机器人，其特征在于：包括头部、中部和尾部；头部和尾部具有用于粘附到接触表面的吸盘，且在头部和尾部内包含控制器，电源和传感器模块；中部由柔性材料和驱动部分组成，驱动部分两端连接头部和尾部，柔性材料为可变性的套筒结构，两端连接头部和尾部，并将驱动部分整体包覆在柔性材料套筒结构内部。进一步的优选方案，所述一种高机动性的尺蠖式蠕动机器人，其特征在于：所述吸盘为真空垫，电磁垫或摩擦垫，分别对应在玻璃表面，金属表面或粗糙表面移动。进一步的优选方案，所述一种高机动性的尺蠖式蠕动机器人，其特征在于：所述驱动部分包括至少四个相同的驱动机构；所述驱动机构包括顶部连杆、底部连杆、驱动电机以及三组臂链；所述顶部连杆和底部连杆均为Y形结构，Y形结构的三个臂杆处于同一平面内，且相互成120°夹角；每组所述臂链由两根臂连杆组成；两根臂连杆在一端相连且能够转动配合，两根臂连杆整体的外端分别与顶部连杆的一个臂杆外端以及底部连杆的一个臂杆外端连接，且能够转动配合，并且同一组臂链两端以及中部的三个转轴相互平行；所述底部连杆的三个臂杆外端均固定安装有驱动电机；所述驱动电机能够驱动与底部连杆臂杆外端转动连接的臂链端部绕转轴转动；相邻两个驱动机构通过一个驱动机构的顶部连杆中心与另一个驱动机构的底部连杆中心同轴固定连接，且一个驱动机构顶部连杆的三个臂杆与另一个驱动机构底部连杆的三个臂杆交错布置。进一步的优选方案，所述一种高机动性的尺蠖式蠕动机器人，其特征在于：同一组臂链的两个臂连杆之间通过销轴转动配合；同一组臂链两个臂连杆的外端端面开有轴向盲孔，轴向盲孔内安装有短连杆，短连杆通过臂连杆外端侧壁的销孔与臂连杆固定连接；顶部连杆以及底部连杆的臂杆外端均采用U形结构，短连杆插入对应臂杆外端的U形结构内，并在U形结构侧壁和短连杆侧面开有同轴通孔；所述驱动电机固定安装在臂杆外端U形结构的侧壁上，驱动电机的输出轴穿过U形结构侧壁和短连杆侧面的同轴通孔，其中驱动电机的输出轴与U形结构转动配合，驱动电机的输出轴与短连杆固定连接。有益效果与现有技术相比，本专利技术同时具有蠕动运动和尺蠖式运动的能力，具有以下优点：1.多段驱动机构的设计使得蠕动机器人可以实现蠕动运动(如蚯蚓)以及尺蠖式运动(如尺蠖)，同时可以结合爬升、转向、扭转和伸缩来完成复杂运动。由于这种高机动性和急转弯能力使其成为具有广泛应用的多功能蠕动机器人。2.能够快速的向前进行蠕动运动，同时具有全半球转动能力，能够以更小的半径进行大幅度转向以及躯体提升。另外，能够通过急转弯或攀爬来避开障碍物。3.采用串联驱动机构的方法使机器人能够承载较大负载。具有定位精度高，可控性强等诸多优点。4.基于多段相同驱动机构串联的设计方法，增加了设计的简单性，提高机器人的鲁棒性，驱动部分中一个驱动机构出现故障时，其它驱动机构仍然能够完成运动。5.头部和尾部包含控制器，动力源，仿生吸盘和传感器模块，因此机器人能够实现自动控制。6.选择各种不同材料的仿生吸盘可使机器人在不同类型的地面上运动。7.头部和尾部的对称性设计使得机器人具有改变运动方向的能力。8.驱动机构的无填充空间可用于吸入不需要的颗粒或运输东西。9.蠕动机器人的伸缩、偏转和俯仰多个组合运动，以及平滑，快速和稳定运动特性，使其在现有的蠕动机器人中占有重要优势。10.蠕动机器人可用于石油化工行业的U，V，L型接头管道检查。适用于管道急转弯检查中。11.蠕本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高机动性的尺蠖式蠕动机器人，其特征在于：包括头部、中部和尾部；头部和尾部具有用于粘附到接触表面的吸盘，且在头部和尾部内包含控制器，电源和传感器模块；中部由柔性材料和驱动部分组成，驱动部分两端连接头部和尾部，柔性材料为可变性的套筒结构，两端连接头部和尾部，并将驱动部分整体包覆在柔性材料套筒结构内部。

【技术特征摘要】
1.一种高机动性的尺蠖式蠕动机器人，其特征在于：包括头部、中部和尾部；头部和尾部具有用于粘附到接触表面的吸盘，且在头部和尾部内包含控制器，电源和传感器模块；中部由柔性材料和驱动部分组成，驱动部分两端连接头部和尾部，柔性材料为可变性的套筒结构，两端连接头部和尾部，并将驱动部分整体包覆在柔性材料套筒结构内部。2.根据权利要求1所述一种高机动性的尺蠖式蠕动机器人，其特征在于：所述吸盘为真空垫，电磁垫或摩擦垫，分别对应在玻璃表面，金属表面或粗糙表面移动。3.根据权利要求1所述一种高机动性的尺蠖式蠕动机器人，其特征在于：所述驱动部分包括至少四个相同的驱动机构；所述驱动机构包括顶部连杆、底部连杆、驱动电机以及三组臂链；所述顶部连杆和底部连杆均为Y形结构，Y形结构的三个臂杆处于同一平面内，且相互成120°夹角；每组所述臂链由两根臂连杆组成；两根臂连杆在一端相连且能够转动配合，两根臂连杆整体的外端分别与顶部连杆的一个臂杆外端以及底部连杆的一个臂杆外端连接，且能够转动...

【专利技术属性】
技术研发人员：哈亚特·默罕默德·可汗，杨建华，姜霞兵，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61