一种蠕动类多步态机器人制造技术

本实用新型专利技术涉及一种蠕动类多步态机器人，属于蠕动机器人领域。包括一个头部模块、三个或三个以上相同的三自由度连接关节和运动模块，其中一个三自由度连接关节两端分别与该头部模块和运动模块连接，其余三自由度连接关节两端分别与两个运动模块连接。优点是结构新颖，从仿生角度入手，以生物完成动作所需的功能单元展开设计，结合蛇类蜿蜒和蚯蚓蠕动两种步态，因此机器人可根据实际的工作环境切换选择最适步态，提高了机器人对狭小复杂空间的适应能力。

【技术实现步骤摘要】
一种蠕动类多步态机器人
本技术属于蠕动机器人领域。
技术介绍
蠕动机器人是当今研究的热点之一，其基于蛇类、蚯蚓、尺蠖等生物的运动原理，运动较为灵活，对复杂环境的适应性更强，相对于传统的轮式、履带式等机器人可以进入更为狭小的空间作业，因此更适合于地震废墟探测救援等狭小复杂的工况，有着十分广阔的应用前景和开发潜力。目前主流的适应狭小空间作业的机器人依据其仿生的生物种类可以分为三类：仿蛇形机器人、仿尺蠖机器人和仿蚯蚓机器人。对于仿蛇形机器人，其最典型的蜿蜒运动是蛇类常见运动形式中效率最高速度最快的一种，但对于小于自身弯曲所需空间的狭窄路径，步态无法开展，其运动速率和效率便会大大下降。而蚯蚓的伸缩运动方式，在机器人同等大小尺寸下其适应的运动空间更小，运动效率较高，但在较为开阔的环境下，其运动速率却不如蛇类蜿蜒运动。现阶段，一些仿蛇形机器人已经用于灾害救援中，但由于其运动原理的固有约束，在一些狭小工况下无法高效工作。而由于设计等问题，仿蚯蚓式蠕动机器人系统的应用价值还仍停留在人工特定规则环境的层面上，主要集中在管道探测和医疗上，并没有应用于较为复杂恶劣的工况下。总的来说，仿蚯蚓机器人和仿蛇形机器人两者在各自步态下均存在着一定的局限性，无法适应更为苛刻复杂的工作环境，而将蛇类步态与蚯蚓蠕动步态两者综合应用是解决上述问题的有效方法。中国专利《具有蠕动和摆动功能的蛇形机器人》，专利号201410075903.6，在蛇形摆动运动基础上增加了类似蚯蚓的蠕动运动功能，蠕动运动由中间蠕动部的伸缩运动实现。但从仿生学角度入手，蚯蚓蠕动运动需要纵环肌与刚毛的相互配合，纵环肌实现伸缩，刚毛提供摩擦制动，反观该专利提出的具有蠕动和摆动功能的蛇形机器人，只有对应伸缩运动的蠕动部，而没有提供摩擦制动的单元，由此会使机器人在蠕动运动过程中出现打滑甚至无法行走的可能。《一种可伸缩蛇形机器人》公开号CN103341855A，提出机器人可完成蛇类的蜿蜒运动，也可实现大型蟒蛇的伸缩蠕动，但大型蟒蛇的伸缩运动同样需要身体撑地提供的摩擦制动，此功能在机器人中被没有体现，所以同样存在伸缩运动无法实现的可能性。
技术实现思路
本技术提供一种蠕动类多步态机器人，结合蛇形机器人蜿蜒运动和仿蚯蚓机器人伸缩运动，可在对应的工况下采取相应的优势步态，并且结构稳定易于控制。并且从仿生角度入手，分析蛇类和蚯蚓运动的共同特点，提取完成动作所需的功能单元，据此展开机械装置设计，以保证所设计机器人运动的有效性。本技术采取的技术方案是：包括一个头部模块、三个或三个以上相同的三自由度连接关节和运动模块，其中一个三自由度连接关节两端分别与该头部模块和运动模块连接，其余三自由度连接关节两端分别与两个运动模块连接，其中：所述头部模块包括头部透明壳、头部电路单元、头部摩擦制动单元、头部前壳体、头部电机支架、头部后壳体和头部底壳；所述头部摩擦制动单元通过头部电机支架和头部后壳体相连接，所述头部透明壳、头部前壳体、头部后壳体与头部底壳相连接；所述头部电路单元直接放置于头部透明壳与头部前壳体中；所述运动模块包括伸缩单元、前壳体、电机支架、后壳体、底壳、摩擦制动单元和电池二；所述伸缩单元、摩擦制动单元通过底壳相互连接，所述电机支架嵌入前壳体中，所述前壳体与后壳体相连接，后壳体与底壳相连接，电池二固定连接在摩擦制动单元中；所述三自由度连接关节包括U型舵机支架I，U型舵机支架II，U型舵机支架III，十字舵机支架，俯仰舵机，偏航舵机，回转舵机，金属舵盘；其中俯仰舵机通过U型舵机支架III与头部底壳或底壳固定连接，偏航舵机通过十字舵机支架与俯仰舵机固定连接，并通过U型舵机支架II与回转舵机固定连接，回转舵机通过U型舵机支架I与后一运动模块的滑动内壳固定连接。本技术所述头部电路单元包括：摄像头、控制板I、控制板II、红外传感器、蓝牙模块、电池一；其中摄像头、红外传感器固定于头部模块前端位于头部前壳体中，控制板I、控制板II、蓝牙模块固定于头部模块中部位于头部前壳体，两个电池一沿壳体轴线对称固定连接在控制板I和控制板II两侧。本技术所述摩擦制动单元包括：摩擦制动单元直流减速电机、螺线盘、滚子、摩擦板、制动板和铰链连接杆；其中摩擦板和制动板通过铰链连接杆构成铰链连接，制动板直接嵌入在底壳的矩形槽中构成滑动约束，滚子一端插入固定在制动板上的圆孔中，另一端嵌入在螺线盘的螺线形槽中，该螺线盘的凸台位于底壳上的圆孔中构成转动约束，螺线盘的中心孔与摩擦制动单元直流减速电机的转动轴共轴并固连，摩擦制动单元直流减速电机嵌入电机支架的电机槽中固定。本技术所述伸缩单元包括：丝杆I、丝杆II、丝杆螺母I、丝杆螺母II、伸缩单元直流减速电机I、伸缩单元直流减速电机II、滑动内壳；其中伸缩单元直流减速电机I、伸缩单元直流减速电机II嵌入电机支架的电机槽中固定，丝杆I、丝杆II通过一端圆孔分别与伸缩单元直流减速电机I、伸缩单元直流减速电机II的转动轴过盈配合固定，丝杆螺母I、丝杆螺母II通过内侧螺纹分别与丝杆I、丝杆II外螺纹啮合连接，并与滑动内壳固定连接，滑动内壳嵌于前壳体内部的滑动槽中构成滑动约束。本技术优点是结构新颖，从仿生角度入手，在分析蛇类和蚯蚓运动的共同特点基础上，以生物完成动作所需的功能单元展开设计，结合蛇类蜿蜒和蚯蚓蠕动两种步态，因此机器人可根据实际的工作环境可切换选择最适步态，提高了机器人对狭小复杂空间的适应能力。相较于技术背景中的两篇专利，增加摩擦制动单元等，运动更加高效。其中伸缩单元与摩擦制动单元相配合实现伸缩步态，可在与机器人自身截面相近的孔洞中高效行进；三自由度连接关节与摩擦制动单元相配合实现蜿蜒步态，可在满足蜿蜒运动有效开展的空间内高速行进；同时结合优势步态的思想也为后续发展优化蠕动类机器人提供了一种全新的更广阔思路。本技术采用的三自由度连接关节具有俯仰、偏航和回转三个自由度，更好的模拟了蛇类关节的“球铰”连接，使整体形成高冗余度结构体，提了高机器人的灵活性，可支持机器人在三维空间内实现行进和各种避障的动作；伸缩单元采用双丝杆螺母设计，增大了机器人的驱动力，保证了机器内部结构中心对称，不容易发生翻滚，滑动内壳的设计使外界的径向作用力分散于滑动内壳与外壳之间，保护了内部结构不受损坏；摩擦制动单元为运动辅助单元，其中磨擦板置于头部和身体模块整节支撑外壳表面，增加了所产生的摩擦力，磨擦板与制动板共同作用可达到较好的制动效果；同时机器人整体设计结构紧凑。稳定性高，对狭小复杂工况具有良好适应性。本技术采用模块化设计，保证了两种步态的实施，同时使减少了设计和制造的成本保证在机械制造和装配过程中具有良好的互换性同时易于装配，提高了机器人的鲁棒性，还可以根据实际情况增减组件来改变机器人的长度，扩大了机器人的适用范围。附图说明图1是本技术的结构示意图；图2是本技术时蠕动状态的示意图；图3是本技术头部模块的结构示意图；图4是本技术头部模块的装配图；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种蠕动类多步态机器人，其特征在于：包括一个头部模块、三个或三个以上相同的三自由度连接关节和运动模块，其中一个三自由度连接关节两端分别与该头部模块和运动模块连接，其余三自由度连接关节两端分别与两个运动模块连接，其中：/n所述头部模块包括头部透明壳、头部电路单元、头部摩擦制动单元、头部前壳体、头部电机支架、头部后壳体和头部底壳；所述头部摩擦制动单元通过头部电机支架和头部后壳体相连接，所述头部透明壳、头部前壳体、头部后壳体与头部底壳相连接；所述头部电路单元直接放置于头部透明壳与头部前壳体中；/n所述运动模块包括伸缩单元、前壳体、电机支架、后壳体、底壳、摩擦制动单元和电池二；所述伸缩单元、摩擦制动单元通过底壳相互连接，所述电机支架嵌入前壳体中，所述前壳体与后壳体相连接，后壳体与底壳相连接，电池二固定连接在摩擦制动单元中；/n所述三自由度连接关节包括U型舵机支架I，U型舵机支架II，U型舵机支架III，十字舵机支架，俯仰舵机，偏航舵机，回转舵机，金属舵盘；其中俯仰舵机通过U型舵机支架III与头部底壳或底壳固定连接，偏航舵机通过十字舵机支架与俯仰舵机固定连接，并通过U型舵机支架II与回转舵机固定连接，回转舵机通过U型舵机支架I与后一运动模块的滑动内壳固定连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种蠕动类多步态机器人，其特征在于：包括一个头部模块、三个或三个以上相同的三自由度连接关节和运动模块，其中一个三自由度连接关节两端分别与该头部模块和运动模块连接，其余三自由度连接关节两端分别与两个运动模块连接，其中：
所述头部模块包括头部透明壳、头部电路单元、头部摩擦制动单元、头部前壳体、头部电机支架、头部后壳体和头部底壳；所述头部摩擦制动单元通过头部电机支架和头部后壳体相连接，所述头部透明壳、头部前壳体、头部后壳体与头部底壳相连接；所述头部电路单元直接放置于头部透明壳与头部前壳体中；
所述运动模块包括伸缩单元、前壳体、电机支架、后壳体、底壳、摩擦制动单元和电池二；所述伸缩单元、摩擦制动单元通过底壳相互连接，所述电机支架嵌入前壳体中，所述前壳体与后壳体相连接，后壳体与底壳相连接，电池二固定连接在摩擦制动单元中；
所述三自由度连接关节包括U型舵机支架I，U型舵机支架II，U型舵机支架III，十字舵机支架，俯仰舵机，偏航舵机，回转舵机，金属舵盘；其中俯仰舵机通过U型舵机支架III与头部底壳或底壳固定连接，偏航舵机通过十字舵机支架与俯仰舵机固定连接，并通过U型舵机支架II与回转舵机固定连接，回转舵机通过U型舵机支架I与后一运动模块的滑动内壳固定连接。


2.根据权利要求1所述的一种蠕动类多步态机器人，其特征在于：所述头部电路单元包括：摄像头、控制板I、控制板II、红外传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：王东方，王轶睿，张军，王昕远，师国伟，朱要杰，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：新型
国别省市：吉林;22