一种具有横向收缩功能的关节结构及由其构成的救援蛇形机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种具有横向收缩功能的关节结构及由其构成的救援蛇形机器人，主要解决现有技术中存在的救援蛇形机器人弯曲角度小，无法适应较小孔径缝隙救援等问题。该关节结构包括与蛇身皮肤一体成型的上支撑衬板、右支撑衬板、底部支撑衬板和左支撑衬板，固定在底部支撑衬板上的底座，与底座连接的支撑衬体，固定在支撑衬体上的步进电机，与支撑衬体连接的第二伸缩杆，设置步进电机轴承上的摩擦轮，与摩擦轮接触的驱动球，与驱动球滚动接触的支撑环，与支撑环连接的第一伸缩杆，贴合在支撑环上的电磁制动器，与驱动球连接的前端杆，以及与支撑衬体连接的后端杆。本发明专利技术具有结构简单、弯曲角度较大、适应较小孔径缝隙、控制简便等优点。

A joint structure with transverse contraction function and a rescue snake like robot.

The invention discloses a joint structure with transverse contraction function and a rescue snake shaped robot composed of it. It mainly solves the problem of small bending angle of the rescue snake like robot existing in the existing technology, and can not adapt to the small aperture crevice rescue. The joint structure consists of the upper support lining board, the right support lining board, the bottom support liner and the left support lining plate, the support liner fixed on the bottom support liner, the supporting lining connected with the base, the step motor fixed on the supporting lining, the second telescopic rod connected to the supporting lining, and the step forward. The friction wheel on the motor bearing, the driving ball contact with the friction wheel, the supporting ring that is in contact with the ball rolling, the first telescopic rod connected to the supporting ring, the electromagnetic brake attached to the supporting ring, the front end connecting with the drive ball, and the rear end connected with the supporting liner. The invention has the advantages of simple structure, large bending angle, small aperture gap and simple control.

【技术实现步骤摘要】
一种具有横向收缩功能的关节结构及由其构成的救援蛇形机器人
本专利技术涉及救援
，尤其是一种具有横向收缩功能的关节结构及由其构成的救援蛇形机器人。
技术介绍
蛇形机器人是一种能够模仿生物蛇运动的新型仿生机器人，具有体积小、灵活性强等优点，在科学探险、灾难救援、医疗探测、航天技术等领域具有广阔的市场前景。随着蛇形机器人研究的不断深入，为了适应严苛环境的环境，对蛇形机器人提出了更高的要求。救援蛇形机器人主要用于抢险救灾现场，由于救援现场的地形较为复杂，各种缝隙大小不均，需要采用更为灵活多变的救援蛇形机器人以应对严苛的环境。目前，传统的救援蛇形机器人只能进行水平移动和横向弯曲折叠，其弯曲的角度受各关节外形和节间缝隙影响，并且救援蛇形机器人的蛇身直径固定，无法应对救援环境孔径较小的缝隙，使得救援蛇形机器人的使用环境有限。另外，传统的救援蛇形机器人无论是增加关节长度还是增加节间缝隙宽度，均会影响救援蛇形机器人的弯曲角度，在蛇形机器人的设计中，无法解决蛇形机器人弯曲角度的困难。与此同时，为了采集救援探测数据，需要设置检测的传感器或摄像头，本专利技术的软性材质的蛇身皮肤采用3D打印技术，并采用专利申请号为：201410742521.4，专利名称为“传感器嵌入式服务压力测试用仿真软体假人的构思方法”的构思，将传感器设置在蛇身皮肤内，一方面可以起到有效的防水，还能保护各救援探测的传感器免受损害。因此，急需要对救援蛇形机器人进行改进，使其具备横向收缩功能，以满足不同孔径的缝隙，保证救援蛇形机器人的弯曲角度，降低关节长度和节间缝隙宽度对救援蛇形机器人使用限制，应对严苛、复杂的救援环境，使救援蛇形机器人在缝隙内灵活穿梭。
技术实现思路
针对上述不足之处，本专利技术的目的在于提供一种具有横向收缩功能的关节结构及由其构成的救援蛇形机器人，主要解决现有技术中存在的救援蛇形机器人弯曲角度小，蛇身直径固定，无法适应较小孔径缝隙救援等问题。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种具有横向收缩功能的关节结构，包括软性材质并且为环形闭合形状的蛇身皮肤，与蛇身皮肤一体成型的上支撑衬板、右支撑衬板、底部支撑衬板和左支撑衬板，固定在底部支撑衬板上的底座，与底座连接并与蛇身皮肤内壁之间保持一收缩间隙的支撑衬体，三台固定在支撑衬体上的步进电机，三组设置在支撑衬体侧边缘并且分别与上支撑衬板、右支撑衬板和左支撑衬板连接的第二伸缩杆，一端分别与上支撑衬板、右支撑衬板和左支撑衬板连接的三组第一伸缩杆，与第一伸缩杆的另一端连接的支撑环，设置在支撑环内且与该支撑环滑动匹配的驱动球，贴合在支撑环上的两组电磁制动器，与驱动球连接的前端杆，设置在支撑衬体底部中央的后端杆，以及设置步进电机轴承上且与驱动球摩擦接触的摩擦轮，其中，摩擦轮环形均匀贴合在驱动球表面。所述第一伸缩杆与第二伸缩杆的位置对应。进一步地，所述支撑衬体为绝缘材质，并且该支撑衬体内嵌设有控制所述步进电机旋转和电磁制动器制动的控制电路。所述支撑衬体上还开设有一凹槽。进一步地，所述支撑环上固定设置有与底座滑动接触的滑动部。优选地，所述前端杆上设有与该后端杆匹配的第一盲孔。更进一步地，所述电磁制动器内设置电磁操作杆，所述支撑环上设有与电磁操作杆的位置相对匹配的通孔，所述通孔内设有与电磁操作杆连接的摩擦片。进一步地，所述控制电路包括分别与步进电机连接的驱动器和电源模块，与驱动器连接的中央处理器MCU，与中央处理器MCU连接的AD转换器，与AD转换器连接的距离传感器、位置传感器、压力传感器和湿度传感器，以及与电源模块连接的LED灯。其中，位置传感器用于控制关节间相对角度。电源模块安装在凹槽内。巧妙地，所述第一伸缩杆包括伸缩底座，一端与伸缩底座连接的伸缩支撑杆，设置在伸缩底座内的锥形孔，设置在锥形孔内且与伸缩底座连接的圆形凸部，设置在伸缩支撑杆一端且与锥形孔匹配的椎体，设置在椎体内的第二盲孔，以及设置在锥形孔内、一端与圆形凸部连接且另一端穿入第二盲孔内的弹簧。其中，伸缩支撑杆的另一端与上支撑衬板或右支撑衬板或左支撑衬板连接，通过挤压第一伸缩杆和第二伸缩杆的弹簧，实现该关机机构横向收缩。进一步地，所述第一盲孔设有内螺纹，并且后端杆上设有与该内螺纹匹配的外螺纹。另外，本专利技术还提供了一种救援蛇形机器人，包括由前至后依次连接的至少2个上述具有横向收缩功能的关节结构，其中，前一个所述关节结构的后端杆与后一个所述关节结构的第一盲孔通过螺纹相互连接，第一个所述关节结构的前端、最后一个所述关节结构的后端、以及相邻所述关节结构之间均采用软性材质的蛇身皮肤包覆连接，使该救援蛇形机器人的外表面构成封闭结构。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术巧妙地设置一体成型的蛇身皮肤、上支撑衬板、右支撑衬板、底部支撑衬板和左支撑衬板，为救援蛇形机器人提供了行进的蛇身。并且设置三组第一伸缩杆和第二伸缩杆，保持支撑衬体与上支撑衬板、右支撑衬板和左支撑衬板固定连接。一方面，为软性材质的蛇身皮肤提供支撑保障，有效防止蛇身皮肤塌陷。另外一方面，作为支撑衬体的支撑平台，为步进电机旋转工作提供了支撑。由蛇身皮肤、上支撑衬板、右支撑衬板、底部支撑衬板、左支撑衬板、支撑衬体、底座和第二伸缩杆共同组成了支撑平台，为关节结构的横向收缩提供保障。当救援环境的缝隙较小时，通过挤压蛇身皮肤，使第一伸缩杆和第二伸缩杆受力收缩，在缝隙较为宽裕的区域，第一伸缩杆和第二伸缩杆又能自动恢复，使救援蛇形机器人灵活的通过狭窄的缝隙，拓宽救援蛇形机器人适用范围。(2)本专利技术在支撑衬体上固定安装步进电机，通过在步进电机轴承上安装摩擦轮，并与驱动球配合，由步进电机驱动摩擦轮旋转，控制驱动球旋转，进而，改变救援蛇形机器人的移动方向。另外，在电磁制动器的作用下，使驱动球固定，保证救援蛇形机器人探测固定。当任意步进电机继续驱动摩擦轮旋转时，第一伸缩杆压缩弹簧，使救援蛇形机器人的弯曲角度进一步增大，提高救援蛇形机器人救援使用能力。(3)本专利技术的第一伸缩杆和第二伸缩杆巧妙地采用锥形孔的伸缩底座和椎体的伸缩支撑杆，将伸缩底座固定在支撑环上，并且伸缩支撑杆与上支撑衬板、右支撑衬板、和左支撑衬板连接，在提供蛇身皮肤支撑的同时，也能缓解救援蛇形机器人在行进过程中产生的振动，使救援蛇形机器人运行更平稳，探测数据更准确。另外，第一伸缩杆和第二伸缩杆内设有弹簧，并由第二盲孔和圆形凸部共同提供弹簧压缩路径，解决因弹簧距离较长压缩过程中产生的摆动问题，使救援蛇形机器人横向收缩更稳定。(4)不仅如此，本专利技术设置贴合在支撑环上的电磁制动器，通过在支撑环上开设通孔，当电磁制动器接收到制动信号时，使电磁操作杆压向驱动球，将摩擦片挤压贴合在驱动球上，保持救援蛇形机器人的关节结构固定。该制动控制方式简单、制动可靠，有效地防止救援蛇形机器人关节任意摆动。(5)本专利技术通过在绝缘材料的支撑衬体内嵌设控制步进电机旋转和电磁制动器制动的控制电路，并且通过距离传感器、位置传感器、压力传感器和湿度传感器将所需采集的数据传输至中央处理器MCU，保证救援蛇形机器人在缝隙中准确探测，使救援蛇形机器人行进灵活。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。图2为本专利技术的主视图。图3为本专利技术的后视图。图4为图2中的A-A剖面示意图。图5为图2中的B本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有横向收缩功能的关节结构，包括软性材质并且为环形闭合形状的蛇身皮肤(1)，其特征在于，还包括与蛇身皮肤(1)一体成型的上支撑衬板(3)、右支撑衬板(4)、底部支撑衬板(5)和左支撑衬板(6)，固定在底部支撑衬板(5)上的底座(7)，与底座(7)连接并与蛇身皮肤(1)内壁之间保持一收缩间隙的支撑衬体(2)，三台固定在支撑衬体(2)上的步进电机(13)，三组设置在支撑衬体(2)侧边缘并且分别与上支撑衬板(3)、右支撑衬板(4)和左支撑衬板(6)连接的第二伸缩杆(19)，一端分别与上支撑衬板(3)、右支撑衬板(4)和左支撑衬板(6)连接的三组第一伸缩杆(11)，与第一伸缩杆(11)另一端连接的支撑环(9)，设置在支撑环(9)内且与该支撑环(9)滑动匹配的驱动球(8)，贴合在支撑环(9)上的两组电磁制动器(10)，与驱动球(8)连接的前端杆(12)，设置在支撑衬体(2)底部中央的后端杆(18)，以及设置步进电机(13)轴承上且与驱动球(8)摩擦接触的摩擦轮(15)，其中，摩擦轮(15)环形均匀贴合在驱动球(8)表面；所述第一伸缩杆(11)与第二伸缩杆(19)的位置对应。

【技术特征摘要】
1.一种具有横向收缩功能的关节结构，包括软性材质并且为环形闭合形状的蛇身皮肤(1)，其特征在于，还包括与蛇身皮肤(1)一体成型的上支撑衬板(3)、右支撑衬板(4)、底部支撑衬板(5)和左支撑衬板(6)，固定在底部支撑衬板(5)上的底座(7)，与底座(7)连接并与蛇身皮肤(1)内壁之间保持一收缩间隙的支撑衬体(2)，三台固定在支撑衬体(2)上的步进电机(13)，三组设置在支撑衬体(2)侧边缘并且分别与上支撑衬板(3)、右支撑衬板(4)和左支撑衬板(6)连接的第二伸缩杆(19)，一端分别与上支撑衬板(3)、右支撑衬板(4)和左支撑衬板(6)连接的三组第一伸缩杆(11)，与第一伸缩杆(11)另一端连接的支撑环(9)，设置在支撑环(9)内且与该支撑环(9)滑动匹配的驱动球(8)，贴合在支撑环(9)上的两组电磁制动器(10)，与驱动球(8)连接的前端杆(12)，设置在支撑衬体(2)底部中央的后端杆(18)，以及设置步进电机(13)轴承上且与驱动球(8)摩擦接触的摩擦轮(15)，其中，摩擦轮(15)环形均匀贴合在驱动球(8)表面；所述第一伸缩杆(11)与第二伸缩杆(19)的位置对应。2.根据权利要求1所述的具有横向收缩功能的关节结构，其特征在于，所述支撑衬体(2)为绝缘材质，并且该支撑衬体(2)内嵌设有控制所述步进电机(13)旋转和电磁制动器(10)制动的控制电路；所述支撑衬体(2)上还开设有一凹槽(14)。3.根据权利要求1所述的具有横向收缩功能的关节结构，其特征在于，所述支撑环(9)上固定设置有与底座(7)滑动接触的滑动部(17)。4.根据权利要求1所述的具有横向收缩功能的关节结构，其特征在于，所述前端杆(12)上设有与所述后端杆(18)匹配的第一盲孔(16)。5.根据权利要求1所述的具有横向收缩功能的关节结构，其特征在于，所述电磁制动器...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘明哲，王兴，刘艳华，蒋鑫，柳炳琦，成毅，
申请(专利权)人：成都理工大学，
类型：发明
国别省市：四川,51