專利名稱：葉片輪式蛇形機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人技術(shù)，尤其涉及一種葉片輪式蛇形機(jī)器人。
背景技術(shù)：
2000年以來，仿生機(jī)器人學(xué)正在機(jī)器人領(lǐng)域占有越來越重要的位置，蛇形機(jī)器人是近年來興起的仿生機(jī)器人的一個(gè)分支。蛇形機(jī)器人就是一種模仿蛇的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和行為方式研制出的仿生機(jī)器人，蛇形機(jī)器人在很多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。 蛇形機(jī)器人由于自身形狀和運(yùn)動(dòng)方式的特點(diǎn)使其適于在狹小空間和狹長管道以
及各種地面運(yùn)動(dòng)，它能夠進(jìn)入因地震或火災(zāi)等災(zāi)害而倒塌的建筑物內(nèi)部以及原子反應(yīng)堆和
石油化工等領(lǐng)域的裝置內(nèi)部等人們不能涉足的危險(xiǎn)場所執(zhí)行搜尋和檢測維護(hù)任務(wù)，不僅使
人更安全，也使探測、救援或維護(hù)更有效；其模塊化結(jié)構(gòu)和高冗余度非常適應(yīng)于條件非常惡
劣而又可靠性要求高的戰(zhàn)場、外層空間等環(huán)境，可用于戰(zhàn)場上的掃雷，爆破，空間站的柔性
機(jī)械手臂，通過能力很強(qiáng)的行星地表探測器等。 按照結(jié)構(gòu)形式的不同，目前的蛇形機(jī)器人可以分為兩類 第1類是由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，很多此類蛇形機(jī)器人安裝了無動(dòng)力的從動(dòng)輪來增加運(yùn)動(dòng)速度；第2類是由帶有輪子或者履帶的模塊串連而成，運(yùn)動(dòng)直接由輪子、履帶驅(qū)動(dòng)或其他機(jī)構(gòu)產(chǎn)生，即前進(jìn)依靠動(dòng)力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，而不是關(guān)節(jié)的扭動(dòng)。 如圖1所示，日本的Hirose教授研制出的世界第一臺(tái)蛇形機(jī)器人，其研制的另一種救援蛇形機(jī)器人如圖2所示，該機(jī)器人長1. 2米，由3節(jié)組成，用6個(gè)履帶爬行。美國宇航局于1999年開始研究多關(guān)節(jié)的蛇形機(jī)器人，希望在其太空計(jì)劃中用于行星地表探測以及空間站維護(hù)工作，其第三代蛇形機(jī)器人如圖3所示，該機(jī)器人能完成蠕動(dòng)、游動(dòng)前進(jìn)，翻越簡單障礙物等功能。德國人Gavin. H從1997年開始從事蛇形機(jī)器人的研究工作，到目前為止共設(shè)計(jì)并制作了 Sl S7七代蛇形機(jī)器人，圖4為S5，圖5為S7。 S5已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，特點(diǎn)是各個(gè)關(guān)節(jié)形狀尺寸不同，高度模擬生物蛇；但只能在二維空間運(yùn)動(dòng)，無法在三維空間運(yùn)動(dòng)；依靠從動(dòng)輪而不是摩擦運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度較高。挪威SINTEF研究基金會(huì)的波爾，利爾杰貝克等人日前研制成功了一種形似蟒蛇的消防機(jī)器人，這種被稱為的"安娜*康達(dá)"(圖6)的蛇形機(jī)器人長度為3米，重量約70公斤。該機(jī)器人的能量供給方式也非常奇特一它能夠直接從消防水帶中獲取前進(jìn)的動(dòng)力，使得機(jī)器人能夠像蛇一樣移動(dòng)。近年來，國內(nèi)也開展了對(duì)蛇形機(jī)器人的研究工作，國防科大的RoboSnake(圖7)是國內(nèi)最早報(bào)道的蛇形機(jī)器人，最初為二維運(yùn)動(dòng)，依靠從動(dòng)輪前進(jìn)，長約1.5米，重約3Kg，目前發(fā)展為三維運(yùn)動(dòng)，但是依然使用從動(dòng)輪。中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化所開發(fā)出了一種實(shí)現(xiàn)三維空間運(yùn)動(dòng)的蛇形機(jī)器人(圖8)，同樣采用正交串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以完成蠕動(dòng)前進(jìn)、游動(dòng)前進(jìn)、滾轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。
對(duì)比以上各種蛇形機(jī)器人，目前的第1類和第2類蛇形機(jī)器人都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn) 第1類蛇形機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是能夠在平坦地面實(shí)現(xiàn)仿蛇運(yùn)動(dòng)，還能實(shí)現(xiàn)翻滾動(dòng)作，巻住柱狀物蜿蜒而上，穿上外衣能在水中游泳等；缺點(diǎn)是大多只能實(shí)現(xiàn)平面二維運(yùn)動(dòng)，而不能實(shí)現(xiàn)翻越障礙物等功能，適應(yīng)自然環(huán)境運(yùn)動(dòng)的能力不強(qiáng)且控制復(fù)雜。 第2類蛇形機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是越障能力強(qiáng)，控制簡單，但不易實(shí)現(xiàn)第1類蛇形機(jī)器人的某些動(dòng)作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種葉片輪式蛇形機(jī)器人，它包括葉片輪、機(jī)身、萬向關(guān)節(jié)、電機(jī)；兩個(gè)機(jī)身之間通過萬向關(guān)節(jié)連接，多個(gè)機(jī)身串接在一起組成機(jī)器人的蛇身；每個(gè)機(jī)身內(nèi)水平兩側(cè)各設(shè)置有一電機(jī)，在每個(gè)機(jī)身兩側(cè)各設(shè)置有一個(gè)葉片輪，電機(jī)與葉片輪傳動(dòng)連接。
所述的萬向關(guān)節(jié)可供選用的結(jié)構(gòu)有兩種 第一種結(jié)構(gòu)的萬向關(guān)節(jié)，也可稱為"兩舵機(jī)聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)"，它包括兩個(gè)舵機(jī)、兩個(gè)橫向錐齒輪、兩個(gè)縱向錐齒輪、橫向連接軸、縱向連接軸；橫向連接軸沿縱向連接軸徑向貫穿縱向連接軸，且橫向連接軸和縱向連接軸的中軸線垂直相交；兩個(gè)橫向錐齒輪錐面相對(duì)套在橫向連接軸上同軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接，形成橫向錐齒輪組；兩個(gè)縱向錐齒輪錐面相對(duì)套在縱向連接軸上同軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接，形成縱向錐齒輪組；橫向錐齒輪組和縱向錐齒輪組之間相互嚙合，形成四錐齒齒輪組；兩個(gè)舵機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)橫向錐齒輪；沿機(jī)器人行進(jìn)方向順次相連的前、后兩個(gè)機(jī)身，萬向關(guān)節(jié)設(shè)置在后一機(jī)身的前端，兩個(gè)舵機(jī)設(shè)置在后一機(jī)身內(nèi)萬向關(guān)節(jié)位置處的水平兩側(cè)；前一機(jī)身末端與縱向錐齒輪組下方的縱向錐齒輪底部固定；
第二種結(jié)構(gòu)的萬向關(guān)節(jié)，也可叫作"三自由度關(guān)節(jié)"，它由兩個(gè)縱截面成"門"型的連接片、滾珠軸承、兩個(gè)復(fù)位彈簧和兩個(gè)舵機(jī)組成；沿機(jī)器人行進(jìn)方向順次相連的前、后兩個(gè)機(jī)身，前一機(jī)身術(shù)端和后一機(jī)身前端各設(shè)置有一舵機(jī)，其中一個(gè)舵機(jī)的動(dòng)力輸出軸與同一機(jī)身上的電機(jī)的動(dòng)力輸出軸平行，另一個(gè)舵機(jī)的動(dòng)力輸出軸的中心軸與機(jī)身水平面垂直；其中一個(gè)連接片按縱截面與機(jī)身水平方向垂直設(shè)置，形成縱向連接片，另一個(gè)連接片形成橫向連接片；兩個(gè)連接片的橫梁上端面中部都開有孔，兩個(gè)連接片橫梁上端面相對(duì)，通過滾珠軸承在開孔處轉(zhuǎn)動(dòng)連接；橫向連接片兩側(cè)的"門"型轉(zhuǎn)角處分別與一個(gè)復(fù)位彈簧的一端相連，兩個(gè)復(fù)位彈簧的另一端都與縱向連接片上側(cè)的"門"型轉(zhuǎn)角處連接，使兩個(gè)連接片的縱截面在不受力狀態(tài)時(shí)互相垂直；連接片下端的兩個(gè)支架與機(jī)身上的舵機(jī)的兩個(gè)動(dòng)力輸出軸傳動(dòng)連接；兩個(gè)連接片分別與兩個(gè)機(jī)身連接端的兩個(gè)舵機(jī)連接。 所述的葉片輪，它包括葉片、葉片夾、葉片膠套；葉片夾中部為圓塊，圓塊的圓周面上按圓周對(duì)稱設(shè)置有多個(gè)葉片卡槽，圓塊中心與電機(jī)傳動(dòng)連接；葉片側(cè)面成一定角度的弧型，多個(gè)葉片一一對(duì)應(yīng)的同向設(shè)置在葉片卡槽上，葉片膠套套在葉片上，葉片設(shè)置的方向按機(jī)器人行進(jìn)方向葉片向后彎曲。 為了適應(yīng)不同地形的需要，前述的葉片輪還可以采用另外一種結(jié)構(gòu)來適應(yīng)普通地形，它的結(jié)構(gòu)為葉片、葉片夾、葉片輪套環(huán)；葉片夾中部為圓塊，圓塊的圓周面上按圓周對(duì)稱設(shè)置有多個(gè)葉片卡槽，圓塊中心與電機(jī)傳動(dòng)連接；葉片側(cè)面成一定角度的弧型，多個(gè)葉片一一對(duì)應(yīng)的設(shè)置在葉片卡槽上，各個(gè)葉片的端部卡在葉片輪套環(huán)內(nèi)，葉片與葉片輪套環(huán)無相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 本發(fā)明選用的一種較優(yōu)設(shè)計(jì)的葉片輪數(shù)量為在圓塊的圓周面上按圓周對(duì)稱設(shè)置有3個(gè)葉片卡槽，3個(gè)葉片一一對(duì)應(yīng)的設(shè)置在葉片卡槽上。CN 本發(fā)明的有益技術(shù)效果是提供了一種越障能力強(qiáng)、地形適應(yīng)能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單的 蛇形機(jī)器人。


圖1至圖8 :國內(nèi)外現(xiàn)有蛇形機(jī)器人實(shí)物照片； 圖9、本發(fā)明蛇形機(jī)器人工作流程圖； 圖10、四錐齒齒輪組結(jié)構(gòu)示意圖； 圖11、四錐齒齒輪組實(shí)物照片； 圖12、采用兩舵機(jī)聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)的機(jī)身側(cè)視圖； 圖13、采用兩舵機(jī)聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)的機(jī)身俯視圖； 圖14、采用兩舵機(jī)聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)的機(jī)身前視圖； 圖15、采用兩舵機(jī)聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)的機(jī)身實(shí)物照片； 圖16、采用三自由度關(guān)節(jié)的機(jī)身側(cè)視圖； 圖17、采用三自由度關(guān)節(jié)的機(jī)身俯視圖； 圖18、采用三自由度關(guān)節(jié)的機(jī)身前視圖； 圖19、連接片實(shí)物照片； 圖20、三自由度關(guān)節(jié)實(shí)物照片； 圖21、套裝有葉片輪套環(huán)的葉片輪側(cè)視圖； 圖22、制作葉片的材料實(shí)物照片； 圖23、套裝有葉片輪套環(huán)的葉片輪實(shí)物照片； 圖24、未套裝葉片輪套環(huán)的葉片輪實(shí)物照片；
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的蛇形機(jī)器人具體結(jié)構(gòu)如"發(fā)明內(nèi)容"中所述，相較于現(xiàn)有的蛇形機(jī)器人， 其最大的改進(jìn)之處有兩點(diǎn)1)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)采用葉片輪2 ;2)機(jī)器人關(guān)節(jié)之間的連接 機(jī)構(gòu)采用萬向關(guān)節(jié)4(即可采用兩舵機(jī)1聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)或三自由度關(guān)節(jié))。
從圖1至圖8的照片以及各種資料中可以看出，現(xiàn)有的蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)依靠身體 的扭動(dòng)或者采用輪式、履帶式驅(qū)動(dòng)；這些結(jié)構(gòu)形式的行走機(jī)構(gòu)使得蛇形機(jī)器人對(duì)地形的適 應(yīng)性不夠強(qiáng)，輪式行走機(jī)構(gòu)比較適合在平整的表面行進(jìn)，履帶式行走機(jī)構(gòu)比較適合在摩擦 力相對(duì)較大的表面行進(jìn)，這兩種行走機(jī)構(gòu)難于適應(yīng)某些松軟、崎嶇的特殊地形(如垃圾堆、 枯葉堆、建筑物廢墟等)的要求；在采用相同舵機(jī)1驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的情況下，本發(fā)明的萬向關(guān)節(jié) 4比現(xiàn)有的蛇形機(jī)器人的正交關(guān)節(jié)更具優(yōu)勢(shì)，本發(fā)明的萬向關(guān)節(jié)4比現(xiàn)有的蛇形機(jī)器人的 正交關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)舵機(jī)1單獨(dú)驅(qū)動(dòng)所產(chǎn)生的力矩要大一倍，所以能夠抬 起更多節(jié)數(shù)的機(jī)身3，達(dá)到翻越更高障礙物的目的。 本發(fā)明蛇形機(jī)器人中采用的葉片輪2和萬向關(guān)節(jié)4的設(shè)計(jì)，使得機(jī)器人的地形適 應(yīng)能力和翻越障礙的能力大大提升，下面具體分析葉片輪2和萬向關(guān)節(jié)4在機(jī)器人行進(jìn)中 所起的作用 本發(fā)明的蛇形機(jī)器人葉片輪2在平坦地形運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以將葉片2-1卡入葉片輪套 環(huán)2-4中，形成圓輪運(yùn)動(dòng)，可以提高運(yùn)動(dòng)速度；在特殊地形運(yùn)動(dòng)時(shí)，又可將葉片輪套環(huán)2-4從葉片2-1上取下(見圖24)，這種可變形的行走機(jī)構(gòu)提高了本發(fā)明的蛇形機(jī)器人對(duì)多種地形 的適應(yīng)能力。且葉片輪2的直徑大于機(jī)身3的高度，葉片2-1的長度超出機(jī)身3的上表面 和下表面，即使本發(fā)明的蛇形機(jī)器人發(fā)生翻轉(zhuǎn)也不影響行走。
( — )對(duì)特殊地形的適應(yīng)性 1、在崎嶇不平的地形(如亂石堆、樓梯等)行進(jìn)時(shí)，葉片輪2能夠?qū)⒙访嫱蛊鸹蛘?小的障礙物卡在兩葉片2-1之間(比如能夠?qū)翘莸睦饨强ㄔ趦扇~片2-1之間，實(shí)現(xiàn)鉤掛； 而輪式和履帶式行走機(jī)構(gòu)在棱角處卻容易打滑)，產(chǎn)生很大的摩擦力驅(qū)動(dòng)蛇形機(jī)器人前進(jìn)。 在運(yùn)動(dòng)過程中，葉片輪2不能都接觸到地面，三自由度關(guān)節(jié)能夠使機(jī)身3在自身重力的作用 下發(fā)生扭轉(zhuǎn)，使得更多的葉片輪2接觸地面，產(chǎn)生更大的摩擦力，同時(shí)葉片2-1上的葉片膠 套2-3也能為增加摩擦力提供很大幫助。滾珠軸承4-6能夠保證機(jī)身3扭轉(zhuǎn)的順暢，復(fù)位 彈簧4-7能限定扭轉(zhuǎn)的角度和使機(jī)身3扭轉(zhuǎn)復(fù)位。這個(gè)扭轉(zhuǎn)自由度的作用類似于越野汽車 的懸掛系統(tǒng)。 2、從機(jī)器人頭部來看，葉片輪2的葉片2-1都是向后彎曲的，這種設(shè)計(jì)的好處是當(dāng) 在雜物較多的地形上行進(jìn)時(shí)，不易巻起地上的雜物。 3、在某些光滑地形上行進(jìn)時(shí)，由于多個(gè)機(jī)身3上的葉片輪2的動(dòng)作不一致，各個(gè)機(jī) 身3的重心沿機(jī)器人行進(jìn)方向上、下參差排列，不易出現(xiàn)打滑。 4、在松軟的表面行進(jìn)時(shí)，輪式和履帶式行走機(jī)構(gòu)最容易出現(xiàn)的情況是，由于松軟 的表面無法承受機(jī)器人的重量，機(jī)器人前段陷入預(yù)定的行走表面以下，使機(jī)器人行走方向 偏移，對(duì)于某些地形，這種偏移甚至是致命的，機(jī)器人最終無法走出陷坑，而葉片輪2顯然 不會(huì)出現(xiàn)這種情況，由于葉片輪2外端可以對(duì)行走表面的突出物進(jìn)行鉤掛，機(jī)器人的重量 并不是由行走表面完全承擔(dān)，所以本發(fā)明的蛇形機(jī)器人可以很好的避免出現(xiàn)掉入陷坑的情 況。同時(shí)機(jī)器人在行走過程中，葉片輪2的特殊結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人的重心是不斷上下變化的， 當(dāng)運(yùn)動(dòng)到重心處于最低點(diǎn)時(shí)，由于慣性，機(jī)身3趨于保持重心處于最低點(diǎn)這個(gè)狀態(tài)，但此時(shí) 葉片輪2在繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，這時(shí)就會(huì)使和地面接觸的那個(gè)葉片2-1發(fā)生彎曲，儲(chǔ)存一部分彈性勢(shì) 能，葉片輪2繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，這部分彈性勢(shì)能釋放，會(huì)使機(jī)器人彈起很小一個(gè)高度后很快落到下 一個(gè)著力點(diǎn)。在這個(gè)過程中，機(jī)器人對(duì)地面的壓力是先大于機(jī)器人的重力再小于機(jī)器人的 重力，由于松軟表面的下陷都有一個(gè)時(shí)間，這種一壓一彈的方式能夠很好地避開這個(gè)下陷 時(shí)間，能夠比一般的行走機(jī)構(gòu)一直對(duì)地面產(chǎn)生壓力的方式更好地適應(yīng)松軟地面。這種情況 和人在較松軟的地面走會(huì)下陷，而采用跑跳的方式前進(jìn)卻能夠通過的情況一樣。
( 二 )較強(qiáng)的翻越障礙的能力 本發(fā)明的蛇形機(jī)器人相較于輪式和履帶式的蛇形機(jī)器人，在翻越障礙能力上得到 了很大程度的提升，這不僅僅是因?yàn)槿~片輪2，其中萬向關(guān)節(jié)4也發(fā)揮了致關(guān)重要的作用， 下面分別就兩種結(jié)構(gòu)的萬向關(guān)節(jié)4進(jìn)行闡述 1)參見圖10、圖11、圖12、圖13、圖14、圖15，萬向關(guān)節(jié)4采用"發(fā)明內(nèi)容"中所述 的"第一種結(jié)構(gòu)方式"時(shí)，橫向連接軸4-3沿縱向連接軸4-4徑向貫穿縱向連接軸4-4，且橫 向連接軸4-3和縱向連接軸4-4的中軸線垂直相交；兩個(gè)橫向錐齒輪4-1錐面相對(duì)套在橫 向連接軸4-3上同軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接，形成橫向錐齒輪組；兩個(gè)縱向錐齒輪4-2錐面相對(duì)套在縱向 連接軸4-4上同軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接，形成縱向錐齒輪組；橫向錐齒輪組和縱向錐齒輪組之間齒輪 相互嚙合，形成四錐齒齒輪組；兩個(gè)舵機(jī)1分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)橫向錐齒輪4-1 ;沿機(jī)器人行進(jìn)方向順次相連的前、后兩個(gè)機(jī)身3，兩舵機(jī)1聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)設(shè)置在后一機(jī)身3的前端，兩個(gè) 舵機(jī)1設(shè)置在后一機(jī)身3內(nèi)兩舵機(jī)1聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)位置處的水平兩側(cè)；前一機(jī)身3末端 與縱向錐齒輪組中下方的縱向錐齒輪4-2底部固定，與縱向錐齒輪組中上方的縱向錐齒輪 4-2不固定； 要解釋為什么本發(fā)明蛇形機(jī)器人的翻越能力會(huì)得到提升，就先要了解一下兩舵機(jī) 1聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)的工作過程當(dāng)兩舵機(jī)1驅(qū)動(dòng)兩個(gè)橫向錐齒輪4-1向同一方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩 個(gè)橫向錐齒輪4-1是不會(huì)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的，這時(shí)由于兩個(gè)橫向錐齒輪4-1的作用力，和其嚙 合的縱向錐齒輪4-2就可以繞橫向連接軸4-3軸心上下轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)前一個(gè)機(jī)身3轉(zhuǎn)動(dòng)， 也可形象的稱為抬頭、低頭；當(dāng)兩舵機(jī)1驅(qū)動(dòng)兩個(gè)橫向錐齒輪4-l向相反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng) 縱向錐齒輪4-2繞縱向連接軸4-4的軸心橫向轉(zhuǎn)動(dòng)，上方和下方的縱向錐齒輪4-2轉(zhuǎn)動(dòng)方 向相反，其中與前一機(jī)身3末端固定的下方縱向錐齒輪4-2帶動(dòng)前一個(gè)機(jī)身3左、右擺動(dòng)， 與前一機(jī)身3末端不固定的上方縱向錐齒輪4-2不帶動(dòng)任何部件，只起穩(wěn)定四錐齒齒輪組 的作用。 從而，當(dāng)蛇形機(jī)器人需要翻越障礙時(shí)，就通過兩舵機(jī)1驅(qū)動(dòng)兩個(gè)橫向錐齒輪4-1向 同一方向旋轉(zhuǎn)，控制最前端的機(jī)身3抬頭，如果最前端機(jī)身3上的葉片輪2達(dá)到或超過障礙 物的高度(在翻越時(shí)，葉片輪2起到了鉤掛的作用)，即可啟動(dòng)葉片輪2進(jìn)行翻越操作；如 果最前端機(jī)身3上的葉片輪2還未達(dá)到或超過障礙物的高度，則繼續(xù)調(diào)整第2節(jié)(最前端 的機(jī)身3計(jì)為第1節(jié)機(jī)身3)和第3節(jié)機(jī)身3之間的兩舵機(jī)1聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)，同時(shí)也調(diào)整 第1節(jié)和第2節(jié)機(jī)身3之間的兩舵機(jī)1聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)，使第1節(jié)和第2節(jié)機(jī)身3都豎立 起來；同理，如果前2節(jié)機(jī)身3都豎立起來了還無法達(dá)到翻越高度，則繼續(xù)對(duì)后續(xù)機(jī)身3之 間的兩舵機(jī)1聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至達(dá)到翻越高度。這時(shí)本發(fā)明的兩舵機(jī)1聯(lián)動(dòng) 驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來了，在采用相同舵機(jī)1驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的情況下，本發(fā)明的兩舵機(jī)1 聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)任一方向的運(yùn)動(dòng)都是兩個(gè)舵機(jī)1 一起驅(qū)動(dòng)，這種方式比現(xiàn)有的蛇形機(jī) 器人的正交關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)舵機(jī)1單獨(dú)驅(qū)動(dòng)所產(chǎn)生的力矩要大一倍，所以 能夠抬起更多節(jié)數(shù)的機(jī)身3，達(dá)到翻越更高障礙物的目的。 1)參見圖16、圖17、圖18、圖19、圖20，萬向關(guān)節(jié)4采用"發(fā)明內(nèi)容"中所述的"第 二種結(jié)構(gòu)方式"時(shí)，沿機(jī)器人行進(jìn)方向順次相連的前、后兩個(gè)機(jī)身3，前一機(jī)身3末端和后一 機(jī)身3前端各設(shè)置有一舵機(jī)l，其中一個(gè)舵機(jī)1的動(dòng)力輸出軸與同一機(jī)身3上的電機(jī)5的 動(dòng)力輸出軸平行，另一個(gè)舵機(jī)1的動(dòng)力輸出軸的中心軸與機(jī)身3水平面垂直；其中一個(gè)連接 片4-5按縱截面與機(jī)身3水平方向垂直設(shè)置，形成縱向連接片，另一個(gè)連接片4-5形成橫向 連接片；兩個(gè)連接片4-5的橫梁上端面中部都開有孔，兩個(gè)連接片4-5橫梁上端面相對(duì)，通 過滾珠軸承4-6在開孔處轉(zhuǎn)動(dòng)連接，橫向連接片兩側(cè)的"門"型轉(zhuǎn)角處分別與一個(gè)復(fù)位彈簧 4-7的一端相連，兩個(gè)復(fù)位彈簧4-7的另一端都與縱向連接片上側(cè)的"門"型轉(zhuǎn)角處連接，使 兩個(gè)連接片4-5的縱截面在不受力狀態(tài)時(shí)互相垂直；連接片4-5下端的兩個(gè)支架與機(jī)身3 上的舵機(jī)1的兩個(gè)動(dòng)力輸出軸傳動(dòng)連接；兩個(gè)連接片4-5分別與兩個(gè)機(jī)身3連接端的兩個(gè) 舵機(jī)1連接。 其工作過程為兩個(gè)舵機(jī)l的兩個(gè)動(dòng)力輸出軸分別帶動(dòng)兩個(gè)連接片4-5轉(zhuǎn)動(dòng)，從而 使得蛇形機(jī)器人可水平或上下轉(zhuǎn)動(dòng)。在翻越障礙的過程中，可能發(fā)生機(jī)身3傾斜的情況，如 果沒有設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)自由度(即兩個(gè)復(fù)位彈簧4-7和滾珠軸承4-6構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)、復(fù)位設(shè)計(jì))，則接觸障礙物的機(jī)身3的兩個(gè)葉片輪2就很可能只有一個(gè)與障礙物接觸，而另一個(gè)懸空，這 樣產(chǎn)生的攀附力就會(huì)大大降低；而設(shè)計(jì)了這個(gè)類似于越野汽車的懸掛系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)自由度， 就能夠使機(jī)身3在自身重力的作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)，使更多的葉片輪2接觸到障礙物，產(chǎn)生更大 的攀附力，提高翻越障礙物的能力，同時(shí)葉片2-1上的葉片膠套2-3也能為增加攀附力提供 很大幫助。滾珠軸承4-6能夠保證機(jī)身3扭轉(zhuǎn)的順暢，復(fù)位彈簧4-7能限定扭轉(zhuǎn)的角度和 使機(jī)身3扭轉(zhuǎn)復(fù)位。其翻越的過程與"第一種結(jié)構(gòu)方式"的蛇形機(jī)器人類似，在此不再贅述。
參見圖21、圖22、圖23，發(fā)明人選用的葉片輪2尺寸為葉片輪2的葉片2_1采用 厚度為0.28mm，寬為10mm的鬧鐘發(fā)條來制作，優(yōu)點(diǎn)是重量輕，彈性好。將葉片2-1頂部彎 成一定的彎度，這個(gè)彎度能夠防止前進(jìn)時(shí)將雜物巻起卡住葉片輪2 ;將三片葉片2-1按圓塊 2-5圓周對(duì)稱、同向固定在葉片卡槽2-6中，圓塊2-5圓心與電機(jī)5 (直流減速電機(jī))的動(dòng)力 輸出軸固定，由電機(jī)5通過圓塊2-5帶動(dòng)葉片2-1轉(zhuǎn)動(dòng)。 舵機(jī)1是一種角度伺服電機(jī)，能夠精確控制其轉(zhuǎn)動(dòng)角度。舵機(jī)1主要是由外殼、電 路板、電動(dòng)機(jī)、齒輪與位置檢測器所構(gòu)成，位置檢測器一般是可變電位器，當(dāng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 時(shí)電阻值也會(huì)隨之改變，檢測電阻值便可知轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。 舵機(jī)1可采用機(jī)器人專用的舵機(jī)l，這種專用舵機(jī)1與普通舵機(jī)1的不同之處在 于普通舵機(jī)1只有一個(gè)動(dòng)力輸出軸，而機(jī)器人專用舵機(jī)1有兩個(gè)動(dòng)力輸出軸，兩個(gè)動(dòng)力輸 出軸可以使機(jī)器人的連接部位更加牢固。
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權(quán)利要求
一種葉片輪式蛇形機(jī)器人，其特征在于它包括葉片輪(2)、機(jī)身(3)、萬向關(guān)節(jié)(4)、電機(jī)(5)；兩個(gè)機(jī)身(3)之間通過萬向關(guān)節(jié)(4)連接，多個(gè)機(jī)身(3)串接在一起組成機(jī)器人的蛇身；每個(gè)機(jī)身(3)內(nèi)水平兩側(cè)各設(shè)置有一電機(jī)(5)，在每個(gè)機(jī)身(3)兩側(cè)各設(shè)置有一個(gè)葉片輪(2)，電機(jī)(5)與葉片輪(2)傳動(dòng)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的葉片輪式蛇形機(jī)器人，其特征在于所述的萬向關(guān)節(jié)(4)，它包括兩個(gè)舵機(jī)(1)、兩個(gè)橫向錐齒輪(4-l)、兩個(gè)縱向錐齒輪(4-2)、橫向連接軸(4-3)、縱向連接軸(4-4);橫向連接軸(4-3)沿縱向連接軸(4-4)徑向貫穿縱向連接軸(4-4)，且橫向連接軸(4-3)和縱向連接軸(4-4)的中軸線垂直相交；兩個(gè)橫向錐齒輪(4-1)錐面相對(duì)套在橫向連接軸(4-3)上同軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接，形成橫向錐齒輪組；兩個(gè)縱向錐齒輪(4-2)錐面相對(duì)套在縱向連接軸(4-4)上同軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接，形成縱向錐齒輪組；橫向錐齒輪組和縱向錐齒輪組之間相互嚙合，形成四錐齒齒輪組；兩個(gè)舵機(jī)(1)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)橫向錐齒輪(4-1);沿機(jī)器人行進(jìn)方向順次相連的前、后兩個(gè)機(jī)身(3)，萬向關(guān)節(jié)(4)設(shè)置在后一機(jī)身(3)的前端，兩個(gè)舵機(jī)(1)設(shè)置在后一機(jī)身(3)內(nèi)萬向關(guān)節(jié)(4)位置處的水平兩側(cè)；前一機(jī)身(3)末端與縱向錐齒輪組下方的縱向錐齒輪(4-2)底部固定。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片輪式蛇形機(jī)器人，其特征在于所述的萬向關(guān)節(jié)(4)，它由兩個(gè)縱截面成"門"型的連接片(4-5)、滾珠軸承(4-6)、兩個(gè)復(fù)位彈簧(4-7)和兩個(gè)舵機(jī)(1)組成;沿機(jī)器人行進(jìn)方向順次相連的前、后兩個(gè)機(jī)身(3)，前一機(jī)身(3)末端和后一機(jī)身(3)前端各設(shè)置有一舵機(jī)(l)，其中一個(gè)舵機(jī)(1)的動(dòng)力輸出軸與同一機(jī)身(3)上的電機(jī)(5)的動(dòng)力輸出軸平行，另一個(gè)舵機(jī)(1)的動(dòng)力輸出軸的中心軸與機(jī)身(3)水平面垂直；其中一個(gè)連接片(4-5)按縱截面與機(jī)身(3)水平方向垂直設(shè)置，形成縱向連接片，另一個(gè)連接片(4-5)形成橫向連接片；兩個(gè)連接片(4-5)的橫梁上端面中部都開有孔，兩個(gè)連接片(4-5)橫梁上端面相對(duì)，通過滾珠軸承(4-6)在開孔處轉(zhuǎn)動(dòng)連接，橫向連接片兩側(cè)的"門"型轉(zhuǎn)角處分別與一個(gè)復(fù)位彈簧(4-7)的一端相連，兩個(gè)復(fù)位彈簧(4-7)的另一端都與縱向連接片上側(cè)的"門"型轉(zhuǎn)角處連接，使兩個(gè)連接片(4-5)的縱截面在不受力狀態(tài)時(shí)互相垂直；連接片(4-5)下端的兩個(gè)支架與機(jī)身(3)上的舵機(jī)(1)的兩個(gè)動(dòng)力輸出軸傳動(dòng)連接；兩個(gè)連接片(4-5)分別與兩個(gè)機(jī)身(3)連接端的兩個(gè)舵機(jī)(1)連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片輪式蛇形機(jī)器人，其特征在于所述的葉片輪(2)，它包括葉片(2-1)、葉片夾(2-2)、葉片膠套(2-3);葉片夾(2-2)中部為圓塊(2-5)，圓塊(2-5)的圓周面上按圓周對(duì)稱設(shè)置有多個(gè)葉片卡槽(2-6)，圓塊(2-5)中心與電機(jī)(5)傳動(dòng)連接；葉片(2-1)側(cè)面成一定角度的弧型，多個(gè)葉片(2-1) —一對(duì)應(yīng)的同向設(shè)置在葉片卡槽(2-6)上，葉片膠套(2-3)套在葉片(2-1)上，葉片(2-1)設(shè)置的方向按機(jī)器人行進(jìn)方向葉片(2-1)向后彎曲。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的葉片輪式蛇形機(jī)器人，其特征在于所述的葉片輪(2)，它包括葉片(2-l)、葉片夾(2-2)、葉片輪套環(huán)(2-4);葉片夾(2-2)中部為圓塊(2-5)，圓塊(2-5)的圓周面上按圓周對(duì)稱設(shè)置有多個(gè)葉片卡槽(2-6)，圓塊(2-5)中心與電機(jī)(5)傳動(dòng)連接；葉片(2-1)側(cè)面成一定角度的弧型，多個(gè)葉片(2-1) —一對(duì)應(yīng)的設(shè)置在葉片卡槽(2-6)上，各個(gè)葉片(2-1)的端部卡在葉片輪套環(huán)(2-4)內(nèi)，葉片(2-1)與葉片輪套環(huán)(2-4)無相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的葉片輪式蛇形機(jī)器人，其特征在于圓塊(2-5)的圓周面上按圓周對(duì)稱設(shè)置有3個(gè)葉片卡槽(2-6)，3個(gè)葉片(2-1) —一對(duì)應(yīng)的設(shè)置在葉片卡槽(2-6)上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種葉片輪式蛇形機(jī)器人，它包括葉片輪、機(jī)身、萬向關(guān)節(jié)、電機(jī)；兩個(gè)機(jī)身之間通過萬向關(guān)節(jié)連接，多個(gè)機(jī)身串接在一起組成機(jī)器人的蛇身；每個(gè)機(jī)身內(nèi)水平兩側(cè)各設(shè)置有一電機(jī)，在每個(gè)機(jī)身兩側(cè)各設(shè)置有一個(gè)葉片輪，電機(jī)與葉片輪傳動(dòng)連接。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是提供了一種越障能力強(qiáng)、地形適應(yīng)能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單的蛇形機(jī)器人。
文檔編號(hào)B25J5/00GK101695833SQ200910191180
公開日2010年4月21日 申請(qǐng)日期2009年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月22日
發(fā)明者劉朝濤, 吳雙杰, 羅紅, 謝敬濤 申請(qǐng)人:重慶交通大學(xué);