專利名稱：多自由度柔性關(guān)節(jié)的蛇形機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及多自由度柔性關(guān)節(jié)的蛇形機(jī)器人，這種蛇形機(jī)器人具有穩(wěn)定性好、橫截面小、柔性等特點(diǎn)，能在各種粗糙、陡峭、崎嶇的復(fù)雜地形上行走，亦可攀爬障礙物，這是以輪子或腿作為行走工具的機(jī)器人難以做到的，因此，在救援、探查、星球探測(cè)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，并為研究蛇類運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)控制方法等提供實(shí)驗(yàn)本體，屬于機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
本實(shí)用新型作出以前，在已有技術(shù)中，對(duì)于機(jī)器蛇形機(jī)器人來(lái)說(shuō)，按照結(jié)構(gòu)形式的不同，可分為兩類第一類是由帶有輪子的模塊串連而成，運(yùn)動(dòng)直接由輪子驅(qū)動(dòng)或蛇體波的傳播產(chǎn)生，缺點(diǎn)是只能在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。第二類是剛性桿組成的鏈狀結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)由關(guān)節(jié)之間的扭轉(zhuǎn)作用產(chǎn)生，可實(shí)現(xiàn)多種平面和空間運(yùn)動(dòng)，相對(duì)第一類蛇形機(jī)器人其缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)速度低。上述兩類蛇形機(jī)器人均以各類電機(jī)為動(dòng)力，采用的是各種純機(jī)械結(jié)構(gòu)，是剛性結(jié)構(gòu)，不能較好地模仿蛇類的運(yùn)動(dòng)特征，動(dòng)作不夠靈活。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服上述不足之處，本實(shí)用蛇形機(jī)器人在仿照蛇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，構(gòu)思了蛇的基本單元——柔性關(guān)節(jié)模塊，該關(guān)節(jié)模塊有多自由度氣動(dòng)式柔性關(guān)節(jié)、微型步進(jìn)電機(jī)、微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、旋轉(zhuǎn)配氣閥組成；以此關(guān)節(jié)模塊為蛇的主干，連接成如蛇的脊椎骨式的結(jié)構(gòu)，并同蛇頭的接收與控制裝置和蛇尾的微型氣泵連接一體，構(gòu)成蛇形機(jī)器人；以主控計(jì)算機(jī)發(fā)出的遙控信號(hào)，控制蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。多自由度柔性關(guān)節(jié)采用球形萬(wàn)向節(jié)為骨架，波殼受氣體壓力后軸向膨脹作為肌肉動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)多種平面和空間運(yùn)動(dòng)，如蜿蜒、行波、爬坡、滾動(dòng)、側(cè)向運(yùn)動(dòng)等，動(dòng)作靈活，耗能小，控制簡(jiǎn)單。
本實(shí)用新型的主要解決方案是這樣實(shí)現(xiàn)的蛇的頭部有帶天線的接收與控制裝置1、中部的多個(gè)柔性關(guān)節(jié)模塊6、尾部的微型氣泵7，它們連接成如蛇的脊椎骨式的結(jié)構(gòu)，外部有發(fā)出遙控信號(hào)的主控計(jì)算機(jī)8；考慮到重量均衡、重心要低，在關(guān)節(jié)模塊連接處的下面分散地裝有電池3，最后由電源線2串聯(lián)成電池組，氣動(dòng)軟總管4、數(shù)據(jù)總線5安排在蛇的上部；電源線2、電池3、氣動(dòng)軟總管4、數(shù)據(jù)總線5的安裝均在蛇的中心垂直平面上。
本實(shí)用新型與已有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)本實(shí)用新型蛇形機(jī)器人由蛇的基本單元——柔性關(guān)節(jié)模塊構(gòu)成，根據(jù)工作要求，模塊數(shù)量可多可少；多自由度柔性關(guān)節(jié)采用球形萬(wàn)向節(jié)為骨架，波殼受氣體壓力后軸向膨脹作為肌肉動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)多種平面和空間運(yùn)動(dòng)；具有穩(wěn)定性好、橫截面小、柔性等特點(diǎn)。


圖1為本實(shí)用新型蛇形機(jī)器人的主視圖圖2為本實(shí)用新型蛇形機(jī)器人的俯視圖圖3為本實(shí)用新型蛇形機(jī)器人柔性關(guān)節(jié)的B-B剖視圖圖4為本實(shí)用新型蛇形機(jī)器人柔性關(guān)節(jié)的A-A剖視旋轉(zhuǎn)圖圖5為本實(shí)用新型蛇形機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)配氣閥的A-A剖視圖圖6為本實(shí)用新型蛇形機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)配氣閥的主剖視圖圖7為本實(shí)用新型蛇形機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)配氣閥的E-E剖視圖圖8為本實(shí)用新型蛇形機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)配氣閥的D-D剖視圖圖9為本實(shí)用新型蛇形機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)配氣閥的C-C剖視圖圖10為本實(shí)用新型蛇形機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)配氣閥的B-B剖視圖圖11為本實(shí)用新型蛇形機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)配氣閥的I-I剖視圖圖12為本實(shí)用新型蛇形機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)配氣閥的H-H剖視圖圖13為本實(shí)用新型蛇形機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)配氣閥的G-G剖視圖圖14為本實(shí)用新型蛇形機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)配氣閥的F-F剖視圖圖15為本實(shí)用新型蛇形機(jī)器人柔性關(guān)節(jié)模塊氣動(dòng)連接圖
具體實(shí)施方式
下面本實(shí)用新型將結(jié)合附圖中的實(shí)施例作進(jìn)一步描述如附圖1、2所示的蛇形機(jī)器人的基本構(gòu)造是接收與控制裝置1、電源線2、電池3、氣動(dòng)軟總管4、數(shù)據(jù)總線5、柔性關(guān)節(jié)模塊6、微型氣泵7、主控計(jì)算機(jī)8等組成。
蛇的柔性關(guān)節(jié)模塊6的結(jié)構(gòu)如附圖3、4所示波殼11(單節(jié)波殼的縱截面形狀是“V”、“U”、“Ω”等形狀的橡膠波紋管)靠卡箍10夾緊在頭座9和尾座12的卡口上，波殼11、頭座9和尾座12構(gòu)成的封閉空腔；氣體通過(guò)軟管15和接頭14進(jìn)入關(guān)節(jié)空腔，接頭14與尾座12間有密封圈13密封；由上述零件構(gòu)成了一個(gè)獨(dú)立的氣體驅(qū)動(dòng)肌肉組件。氣體驅(qū)動(dòng)肌肉組件的兩端由導(dǎo)向塊17定位頭座9、尾座12和兩端的正多邊形座19的導(dǎo)向方槽內(nèi)，再由內(nèi)六角螺栓16固定在兩端的正多邊形座19上，球形萬(wàn)向節(jié)18的兩端由螺母與與兩端的正多邊形座19緊固，并且球形萬(wàn)向節(jié)18兩端的軸頸與正多邊形座19中間孔的配合是間隙配合。微型步進(jìn)電機(jī)21驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)配氣閥22轉(zhuǎn)動(dòng)或定位，微型步進(jìn)電機(jī)21的驅(qū)動(dòng)器20、微型步進(jìn)電機(jī)21、旋轉(zhuǎn)配氣閥22均安裝在支架23上，支架23可以將多個(gè)柔性關(guān)節(jié)模塊6串聯(lián)連接。
本實(shí)用新型所述波殼11的單節(jié)波殼的縱截面形狀是“V”、“U”、“Ω”等形狀的橡膠波紋管。
轉(zhuǎn)動(dòng)配氣閥22的結(jié)構(gòu)如附圖5～14所示焊接結(jié)構(gòu)的閥芯24靠滾針軸承29支撐在前蓋25和后蓋30上，前蓋25和后蓋30靠軸向凸緣止口與閥殼體27的中孔定位，并用沉頭螺釘連接，前蓋25和后蓋30的側(cè)面嵌有密封圈26，閥殼體27中孔內(nèi)用膠粘接彈性密封襯套28。
下面為本實(shí)用新型仿生機(jī)器蛇形機(jī)器人的工作原理及工作過(guò)程如附圖15所示，柔性關(guān)節(jié)模塊中的波殼I-O1口相連、波殼IV-O2口相連，它們起水平彎曲作用，且O1、O2口相鄰，水平彎曲反應(yīng)快，蛇的游動(dòng)速度快；因上下彎曲時(shí)受力較大，關(guān)節(jié)的波殼中II、III、V、VI兩兩并聯(lián)后，再與旋轉(zhuǎn)配氣閥的閥口連接，即形成II-III-O3、V-VI-O4的連接，這樣也減少了旋轉(zhuǎn)配氣閥的軸向尺寸。
由微型步進(jìn)電機(jī)21驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)配氣閥22，旋轉(zhuǎn)配氣閥22的閥芯24是由無(wú)縫鋼管兩端焊接軸頸后加工而成的，這樣既可以減少重量、加工簡(jiǎn)單，其空腔與氣動(dòng)軟總管4組合起來(lái)，又可以起到儲(chǔ)氣罐的作用；彈性密封襯套28靠膠水粘在閥殼體上。微型氣泵泵出的氣體從氣動(dòng)軟總管4進(jìn)入旋轉(zhuǎn)配氣閥22的P口、由環(huán)槽、經(jīng)閥芯中空腔、再?gòu)男“氕h(huán)窄槽到O1口、進(jìn)入柔性關(guān)節(jié)的波殼I；此時(shí)，柔性關(guān)節(jié)的波殼II-III經(jīng)O3口、大半環(huán)寬槽后，由出口通大氣；柔性關(guān)節(jié)的其它波殼IV、V-VI此時(shí)同樣也通大氣。閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)后，經(jīng)轉(zhuǎn)換，波殼的接通泵出氣體的次序依次是IV、II-III、V-VI，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)配氣作用；微型步進(jìn)電機(jī)可以停在某一位置，保持相應(yīng)波殼沖氣或閉氣狀態(tài)；關(guān)節(jié)水平面橫向彎曲擺動(dòng)時(shí)，相對(duì)方向的波殼I、IV反復(fù)沖氣、閉氣、放氣，由微型步進(jìn)電機(jī)正、定位停轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求1.本實(shí)用新型涉及多自由度柔性關(guān)節(jié)的蛇形機(jī)器人，其特征是蛇的頭部有帶天線的接收與控制裝置(1)、中部的多個(gè)柔性關(guān)節(jié)模塊(6)、尾部的微型氣泵(7)，它們連接成如蛇的脊椎骨式的結(jié)構(gòu)，外部有發(fā)出遙控信號(hào)的主控計(jì)算機(jī)(8)；在柔性關(guān)節(jié)模塊(6)連接處的下面分散地裝有電池(3)，最后由電源線(2)串聯(lián)成電池組，氣動(dòng)軟總管(4)、數(shù)據(jù)總線(5)安排在蛇的上部；電源線(2)、電池(3)、氣動(dòng)軟總管(4)、數(shù)據(jù)總線(5)的安裝均在蛇的中心垂直平面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度柔性關(guān)節(jié)的蛇形機(jī)器人，其特征在于所述柔性關(guān)節(jié)模塊(6)的結(jié)構(gòu)如下波殼(11)靠卡箍(10)夾緊在頭座(9)和尾座(12)的卡口上，波殼(11)、頭座(9)和尾座(12)構(gòu)成的封閉空腔；氣體通過(guò)軟管(15)和接頭(14)進(jìn)入關(guān)節(jié)空腔，接頭(14)與尾座(12)間有密封圈(13)密封，由上述零件構(gòu)成了一個(gè)獨(dú)立的氣體驅(qū)動(dòng)肌肉組件；氣體驅(qū)動(dòng)肌肉組件的兩端由導(dǎo)向塊(17)定位頭座(9)、尾座(12)和兩端的正多邊形座(19)的導(dǎo)向方槽內(nèi)，再由內(nèi)六角螺栓(16)分別固定在兩端的正多邊形座(19)上，球形萬(wàn)向節(jié)(18)的兩端由螺母與兩端的正多邊形座(19)緊固，并且球形萬(wàn)向節(jié)(18)兩端的軸頸與兩端的正多邊形座(19)中間孔的配合是間隙配合；微型步進(jìn)電機(jī)(21)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)配氣閥(22)轉(zhuǎn)動(dòng)或定位，微型步進(jìn)電機(jī)(21)的驅(qū)動(dòng)器(20)、微型步進(jìn)電機(jī)(21)、旋轉(zhuǎn)配氣閥(22)均安裝在支架(23)上，支架(23)可以將多個(gè)柔性關(guān)節(jié)模塊(6)串聯(lián)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多自由度柔性關(guān)節(jié)的蛇形機(jī)器人的柔性關(guān)節(jié)模塊(6)，其特征在于所述的轉(zhuǎn)動(dòng)配氣閥(22)結(jié)構(gòu)如下閥芯(24)靠滾針軸承(29)支撐在前蓋(25)和后蓋(30)上，前蓋(25)和后蓋(30)靠軸向凸緣止口與閥殼體(27)的中孔定位，并用沉頭螺釘連接，前蓋(25)和后蓋(30)的側(cè)面嵌有密封圈(26)，閥殼體(27)中孔內(nèi)用膠粘接彈性密封襯套(28)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種擺動(dòng)式柔性關(guān)節(jié)的仿生機(jī)器魚的柔性關(guān)節(jié)模塊(6)，其特征在于所述的波殼(11)的單節(jié)波殼的縱截面形狀是“V”、“U”、“Ω”等形狀的橡膠波紋管。
專利摘要本實(shí)用新型涉及多自由度柔性關(guān)節(jié)的蛇形機(jī)器人，這種蛇形機(jī)器人具有穩(wěn)定性好、橫截面小、柔性等特點(diǎn)，能在各種粗糙、陡峭、崎嶇的復(fù)雜地形上行走，并可攀爬障礙物，因此，在救援、探查、星球探測(cè)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，并為研究蛇類運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)控制方法等提供實(shí)驗(yàn)本體，屬于機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。蛇的基本單元——柔性關(guān)節(jié)模塊，該關(guān)節(jié)模塊有多自由度氣動(dòng)式柔性關(guān)節(jié)、微型步進(jìn)電機(jī)、微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、旋轉(zhuǎn)配氣閥組成；以此關(guān)節(jié)模塊為蛇的主干，連接成如蛇的脊椎骨式的結(jié)構(gòu)，并同蛇頭的接收與控制裝置和蛇尾的微型氣泵連接一體，構(gòu)成蛇形機(jī)器人；以主控計(jì)算機(jī)發(fā)出的遙控信號(hào)，控制蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)B25J17/00GK2774717SQ20052006838
公開日2006年4月26日 申請(qǐng)日期2005年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月17日
發(fā)明者章軍, 須文波, 呂兵 申請(qǐng)人:江南大學(xué)