本發(fā)明涉及機器人研究與工程領(lǐng)域，具體是指一種融合輪式機器人與蛇形機器人優(yōu)點，能夠適應(yīng)復(fù)雜地形的仿蛇搜救機器人關(guān)節(jié)機構(gòu)。

技術(shù)背景

近年來，人類經(jīng)濟與科技飛速發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程逐步完善，生產(chǎn)規(guī)模日益增大，與此同時，化學(xué)品爆炸、礦井坍塌等生產(chǎn)事故發(fā)生的頻率也越來越高，造成巨大的人員傷亡與經(jīng)濟損失。災(zāi)后第一時間的現(xiàn)場救援至關(guān)重要，然而災(zāi)害現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，救援人員無法進(jìn)入災(zāi)害現(xiàn)場，給救援工作帶來巨大的挑戰(zhàn)。與此同時，全球政治格局復(fù)雜，爆發(fā)局部戰(zhàn)爭的可能性依然存在，恐怖主義威脅日益增長。在戰(zhàn)爭、反恐等特種作戰(zhàn)任務(wù)中，最快的潛入敵方陣地進(jìn)行有效偵查往往能夠占領(lǐng)信息制高點，奪取主動權(quán)，為取得作戰(zhàn)的勝利起到至關(guān)重要的作用。而特種任務(wù)中地形復(fù)雜，給偵查任務(wù)帶來了巨大風(fēng)險和難以預(yù)測的阻力。因此研究能夠代替人類執(zhí)行災(zāi)害救援、特種任務(wù)信息偵查的機器人具有巨大的現(xiàn)實意義。生物蛇沒有腿卻可以在各種地形中自由運動，展現(xiàn)出超強的環(huán)境適應(yīng)能力，人類以生物蛇為靈感研制了仿蛇搜救機器人，仿蛇搜救機器人可以模仿生物蛇的運動方式在各種環(huán)境中運動，且運動過程中隱蔽性強，這些特性使得仿蛇搜救機器人能夠在軍事偵查、災(zāi)害搜集、管線巡檢等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

目前仿蛇搜救機器人的驅(qū)動方式主要分為輪式驅(qū)動、履帶式驅(qū)動和舵機驅(qū)動，三種驅(qū)動方式各有優(yōu)缺點。輪式驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單、平滑地面行走速度快，然而在崎嶇地形和面臨障礙物時驅(qū)動效果無法滿足要求；履帶式驅(qū)動地面壓力小，地形適應(yīng)能力強，能夠在平滑地面、松軟地面運動，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大，且機械磨損嚴(yán)重，驅(qū)動速度與輪式驅(qū)動差距較大；舵機驅(qū)動能夠適用于各種地形，且能夠進(jìn)行多樣化運動形式擴展，但是控制復(fù)雜，計算量大，無法實現(xiàn)靈活運動。

一款能夠滿足人類需求的仿蛇搜救機器人關(guān)節(jié)應(yīng)該在具備輪式驅(qū)動機器人的快速運動能力、履帶式驅(qū)動機器人的地面適應(yīng)能力以及舵機驅(qū)動機器人多姿態(tài)運動特點的同時，實現(xiàn)模塊化機構(gòu)設(shè)計與運動控制，然而目前尚未有充分滿足以上要求的仿蛇搜救機器人關(guān)節(jié)出現(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種仿蛇搜救機器人關(guān)節(jié)機構(gòu)，解決目前輪式仿蛇搜救機器人環(huán)境適應(yīng)能力不足、履帶蛇形機器人速度慢、舵機蛇形機器人靈活性差等問題。把多自由度并聯(lián)關(guān)節(jié)機構(gòu)與正交主動全向輪結(jié)合起來，關(guān)節(jié)中全向輪既能整體作為正交主動輪，全向輪中的小輪又能作為仿蛇搜救機器人機體表面上的被動輪。當(dāng)全向輪圍繞模塊中軸線轉(zhuǎn)動時，仿蛇搜救機器人能夠?qū)崿F(xiàn)輪式運動；當(dāng)關(guān)節(jié)中的并聯(lián)直線驅(qū)動器伸縮時，全向輪中的各個小被動輪與地面接觸產(chǎn)生各向異性摩擦力，使得仿蛇搜救機器人能夠模仿生物蛇各種運動步態(tài)。仿蛇搜救機器人關(guān)節(jié)機構(gòu)除了能夠?qū)崿F(xiàn)輪式機器人和傳統(tǒng)仿蛇搜救機器人的運動步態(tài)以外，通過多種改進(jìn)姿態(tài)描述函數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)快速攀爬、越障，使得仿蛇搜救機器人環(huán)境適應(yīng)能力大幅度提升，適合執(zhí)行地震、礦難搜救、管線檢巡、戰(zhàn)場情報偵查等任務(wù)。

本發(fā)明除了將并聯(lián)關(guān)節(jié)組與全向輪串聯(lián)起來以外，還進(jìn)行模塊化設(shè)計。每個模塊由兩個全向輪和一個并聯(lián)關(guān)節(jié)組組成，組合方式為中間為并聯(lián)關(guān)節(jié)組，兩邊為全向輪，每個模塊裝配獨立的控制器與驅(qū)動裝置。模塊化設(shè)計能夠保證在部分模塊出現(xiàn)故障時迅速的替換，也可以根據(jù)任務(wù)的需求調(diào)整關(guān)節(jié)的數(shù)量。每個模塊中配備獨立的控制器和驅(qū)動器，而且并聯(lián)關(guān)節(jié)兩邊裝配全向輪，使得每個模塊都能獨立的作為一個輪式機器人，并能夠完成直線運動、零半徑轉(zhuǎn)彎和非零半徑轉(zhuǎn)彎運動。

本發(fā)明仿蛇搜救機器人關(guān)節(jié)機構(gòu)，是采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

所述仿蛇搜救機器人關(guān)節(jié)機構(gòu)由第一全向輪Ⅰ、并聯(lián)關(guān)節(jié)組Ⅱ和第二全向輪Ⅲ串聯(lián)組成，第一全向輪Ⅰ和第二全向輪Ⅲ的結(jié)構(gòu)完全相同，第一全向輪Ⅰ、第二全向輪Ⅲ的兩個支輪同軸心固定安裝，且旋轉(zhuǎn)一定角度，保證被動輪覆蓋整個全向輪圓周，兩個全向輪連接軸24上的第十三旋轉(zhuǎn)副R13分別與并聯(lián)關(guān)節(jié)組的固定平臺和活動平臺連接，第十三旋轉(zhuǎn)副R13上安裝有旋轉(zhuǎn)電機，通過控制旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)動速度控制第一全向輪Ⅰ和第二全向輪Ⅲ的轉(zhuǎn)速。并聯(lián)關(guān)節(jié)組Ⅱ由固定平臺、第一直線驅(qū)動器Ⅳ、第二直線驅(qū)動器Ⅴ、第三直線驅(qū)動器Ⅵ和動平臺組成。三條直線驅(qū)動器的第一直線驅(qū)動P1、第二直線驅(qū)動副P2、第三直線驅(qū)動副P3上安裝有獨立的直線驅(qū)動電機，通過對三條運動支鏈伸縮長度的控制，實現(xiàn)并聯(lián)關(guān)節(jié)組伸縮、俯仰和偏航。

所述固定平臺由圓形端蓋基座1、運動支鏈套筒4、第一虎克鉸基座2、第一虎克鉸基座3組成，運動支鏈套筒4、第一虎克鉸基座2、第一虎克鉸基座3分別與圓形端蓋基座1固定在一起。

所述動平臺是由圓形端蓋基座5、第三虎克鉸基座6、第四虎克鉸基座7、第五虎克鉸基座8組成，第三虎克鉸基座6、第四虎克鉸基座7、第五虎克鉸基座8分別與圓形端蓋基座5固定在一起。

所述第一直線驅(qū)動器Ⅳ與第二直線驅(qū)動器Ⅵ是相同的UPS支鏈，直線驅(qū)動器Ⅳ包含第一球型連接軸9、第四球型連接軸17、第一直線驅(qū)動P1、第一運動支鏈套筒17、第一旋轉(zhuǎn)虎克鉸基座12、第一旋轉(zhuǎn)副R1、第二旋轉(zhuǎn)副R2、第五旋轉(zhuǎn)副R9、第六旋轉(zhuǎn)副R6、第十一旋轉(zhuǎn)副R11；第一直線運動副P1的上、下端分別連接第一運動支鏈套筒15、第十一旋轉(zhuǎn)副R11，第一運動支鏈套筒15下端的第二轉(zhuǎn)動副R2與第四球型連接軸21相連，第一直線驅(qū)動副P1上端的第十一轉(zhuǎn)動副R11與第一旋轉(zhuǎn)虎克鉸基座12相連，第一旋轉(zhuǎn)虎克鉸基座12上端的第六轉(zhuǎn)動副R6與第一球型連接軸9相連。

所述第二直線驅(qū)動器Ⅵ是UPS支鏈，第二直線驅(qū)動器Ⅵ包含第三球型連接軸11、第五球型連接軸18、第二直線驅(qū)動P2、第二運動支鏈套筒16、第三旋轉(zhuǎn)虎克鉸基座14、第三旋轉(zhuǎn)副R3、第四旋轉(zhuǎn)副R4、第七旋轉(zhuǎn)副R7、第八旋轉(zhuǎn)副R8、第十二旋轉(zhuǎn)副R12；第二直線運動副P2的上、下端分別連接第二運動支鏈套筒16、第十二旋轉(zhuǎn)副R12，第二運動支鏈套筒16下端的第四轉(zhuǎn)動副R4與第五球型連接軸18相連，第二直線驅(qū)動副P2上端的第十二轉(zhuǎn)動副R12與第三旋轉(zhuǎn)虎克鉸基座14相連，第三旋轉(zhuǎn)虎克鉸基座14上端的第八轉(zhuǎn)動副R8與第三球型連接軸11相連。

所述第三直線驅(qū)動器Ⅴ是PU支鏈，直線驅(qū)動器Ⅴ包含第二球型連接軸10、第三直線驅(qū)動P3、第二旋轉(zhuǎn)虎克鉸基座13、第九旋轉(zhuǎn)副R9、第十旋轉(zhuǎn)副R10、第十三旋轉(zhuǎn)副R13；第三直線驅(qū)動副P3上端的第十三轉(zhuǎn)動副R13與第二旋轉(zhuǎn)虎克鉸基座13相連，第二旋轉(zhuǎn)虎克鉸基座13上端的第十轉(zhuǎn)動副R10與第二球型連接軸10相連。

第一直線驅(qū)動器Ⅳ上端的第五旋轉(zhuǎn)副R5與活動平臺的第三固定虎克鉸基座8連接，第一直線驅(qū)動器Ⅳ下端的第一旋轉(zhuǎn)副R1與固定平臺的第一固定虎克鉸基座2連接。

第二直線驅(qū)動器Ⅵ上端的第七旋轉(zhuǎn)副R7與活動平臺的第一固定虎克鉸基座6連接，第二直線驅(qū)動器Ⅵ下端的第三旋轉(zhuǎn)副R3與固定平臺的第二固定虎克鉸基座3連接。第三直線驅(qū)動器Ⅴ上端的第九旋轉(zhuǎn)副R9與活動平臺的第二固定虎克鉸基座7連接。

第三直線驅(qū)動器Ⅴ下端的第三直線運動副P3與固定平臺的第一固定支鏈套筒4連接。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明每個運動模塊有一組并聯(lián)關(guān)節(jié)與兩個全向輪組成，每個模塊有四個自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)俯仰、偏航、伸縮和繞中心軸轉(zhuǎn)動，進(jìn)一步提升靈活性、增大活動空間。通過控制三個運動支鏈直線驅(qū)動器的伸縮長度與全向輪轉(zhuǎn)動速度，實現(xiàn)對仿蛇搜救機器人的運動控制，減少了運算量，簡化了機器人的控制過程，便于后續(xù)運動控制算法的設(shè)計與優(yōu)化。全向輪與并聯(lián)關(guān)節(jié)的結(jié)合，使新型仿蛇搜救機器人集輪式機器人與傳統(tǒng)仿蛇機器人的優(yōu)勢于一體，增強其環(huán)境適應(yīng)能力，使之能夠勝任復(fù)雜環(huán)境下的多任務(wù)工作。

模塊化的設(shè)計能夠根據(jù)不同任務(wù)的需求改變仿蛇機器人的模塊數(shù)量，在機器人出現(xiàn)故障時進(jìn)行高效的檢測與維修，在執(zhí)行情報偵察工作時，可以分解為多個模塊獨立偵察，隱蔽性更強，獲取信息量更大。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的仿蛇搜救機器人關(guān)節(jié)機構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的全向輪示意圖；

圖3.1是本發(fā)明的并聯(lián)關(guān)節(jié)組示意圖；

圖3.2是本發(fā)明的固定平臺示意圖；

圖3.3是本發(fā)明的動平臺示意圖；

圖3.4是本發(fā)明的直線驅(qū)動器示意圖；

圖4.1是本發(fā)明的伸縮運動示意圖；

圖4.2是本發(fā)明的俯仰運動示意圖；

圖4.3是本發(fā)明的偏航運動示意圖；

圖5是是采用本發(fā)明仿蛇搜救機器人關(guān)節(jié)機構(gòu)的仿蛇搜救機器人示意圖；

圖中：Ⅰ為上全向輪，Ⅱ為并聯(lián)關(guān)節(jié)組，Ⅲ為下全向輪，Ⅳ為第一直線驅(qū)動器、Ⅴ為第二直線驅(qū)動器、Ⅵ為第三直線驅(qū)動器，1為固定平臺圓形端蓋基座，2為第一固定虎克鉸基座、3為第二固定虎克鉸基座，4為固定運動支鏈套筒，5為動平臺圓端基座，6為第三固定虎克鉸基座，7為第四固定虎克鉸基座，8為第五固定虎克鉸基座，9為第一球型連接軸，10為第二球型連接軸，11為第三球型連接軸，12為第一旋轉(zhuǎn)虎克鉸基座，13為第二旋轉(zhuǎn)虎克鉸基座，14為第三旋轉(zhuǎn)虎克鉸基座，15為第一運動支鏈套筒，16為第二運動支鏈套筒，17為第四球型連接軸，18為第五球型連接軸，19為全向輪上支輪從動輪，20為全向輪上支輪輪軸，21為全向輪下支輪從動輪，22為全向輪下支輪輪軸，23、24為全向輪連接軸，25為蛇頭，26為蛇尾，R1為第一轉(zhuǎn)動副，R2為第二轉(zhuǎn)動副，R3為第三轉(zhuǎn)動副，R4為第四轉(zhuǎn)動副，R5為第五轉(zhuǎn)動副，R6為第六轉(zhuǎn)動副，R7為第七轉(zhuǎn)動副，R8為第八轉(zhuǎn)動副，R9為第九轉(zhuǎn)動副，R10為第十轉(zhuǎn)動副，R11為第十一轉(zhuǎn)動副，R12為第十二轉(zhuǎn)動副，R13為第十三轉(zhuǎn)動副，R14為第十四轉(zhuǎn)動副，P1為第一直線驅(qū)動副，P2為第二直線驅(qū)動副，P3為第三直線驅(qū)動副。

具體實施方式

下圖結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

參見圖1，本發(fā)明提供的仿蛇搜救機器人關(guān)節(jié)機構(gòu)包含上全向輪Ⅰ、并聯(lián)關(guān)節(jié)組Ⅱ、下全向輪Ⅲ，上全向輪的連接軸23和下全向輪的連接軸24分別與并聯(lián)關(guān)節(jié)組的動平臺圓形端蓋基座5和固定平臺圓形端蓋基座1固定連接。

參見圖2，所述全向輪Ⅰ由兩個全向輪支輪和一個全向輪連接軸23組成，每個全向輪支輪由一個全向輪輪軸20和八個被動輪19組成，被動輪19上的第十四旋轉(zhuǎn)副R14與全向輪輪軸連接。

參見圖3.1-3.4，所述并聯(lián)關(guān)節(jié)組Ⅱ包含固定平臺(固定平臺圓端基座1、第一固定虎克鉸基座2、第二固定虎克鉸基座3、固定運動支鏈套筒4)、第一直線驅(qū)動器Ⅳ、第二直線驅(qū)動器Ⅴ、第三直線驅(qū)動器Ⅵ和動平臺(動平臺圓端基座5、第三固定虎克鉸基座6、第四固定虎克鉸基座7，第五固定虎克鉸基座8)；固定平臺的第一固定虎克鉸基座2、第二固定虎克鉸基座3分別與第一直線驅(qū)動器Ⅳ上的第四球型連接軸17和第三直線驅(qū)動器Ⅵ上的第五球型連接軸3通過旋轉(zhuǎn)副R9連接，固定平臺上的運動支鏈套筒4與直線驅(qū)動器上的第二旋轉(zhuǎn)虎克鉸基座13通過直線運動副P3連接。動平臺上的第三固定虎克鉸基座6、第四固定虎克鉸基座7，第五固定虎克鉸基座8分別與第一直線驅(qū)動器Ⅳ上的第一球型連接軸9、第二直線驅(qū)動器Ⅴ上的第二球型連接軸10、第三直線驅(qū)動器Ⅵ上的第三球型連接軸11通過旋轉(zhuǎn)副R5、R10、R7連接。

參見圖3.2,所述固定平臺由固定平臺圓形端蓋基座1、第一固定虎克鉸基座2、第二固定虎克鉸基座3和固定運動支鏈套筒4組成；第一固定虎克鉸基座2、第二固定虎克鉸基座3和固定運動支鏈套筒4固定在固定平臺圓形端蓋基座1上。

參見圖3.3,所述動平臺由動平臺圓形端蓋基座5、第三固定虎克鉸基座6、第四固定虎克鉸基座7、第五固定虎克鉸基座8組成；第三固定虎克鉸基座6、第四固定虎克鉸基座7、第五固定虎克鉸基座8固定在動平臺圓形端蓋基座5上。

參見圖3.4，所述第一直線驅(qū)動器Ⅳ與第二直線驅(qū)動器Ⅵ是相同的UPS支鏈，直線驅(qū)動器Ⅳ包含第一球型連接軸9、第四球型連接軸17、第一直線驅(qū)動P1、第一運動支鏈套筒17、第一旋轉(zhuǎn)虎克鉸基座12、第一旋轉(zhuǎn)副R1、第二旋轉(zhuǎn)副R2、第五旋轉(zhuǎn)副R9、第六旋轉(zhuǎn)副R6、第十一旋轉(zhuǎn)副R11；第一直線運動副P1上、下端分別連接第一運動支鏈套筒15、第十一旋轉(zhuǎn)副R11，第一運動支鏈套筒15下端的第二轉(zhuǎn)動副R2與第四球型連接軸21相連，第一直線驅(qū)動副P1上端的第十一轉(zhuǎn)動副R11與第一旋轉(zhuǎn)虎克鉸基座12相連，第一旋轉(zhuǎn)虎克鉸基座12上端的第六轉(zhuǎn)動副R6與第一球型連接軸9相連。

所述第二直線驅(qū)動器Ⅵ是UPS支鏈，直線驅(qū)動器Ⅵ包含第三球型連接軸11、第五球型連接軸18、第二直線驅(qū)動P2、第二運動支鏈套筒16、第三旋轉(zhuǎn)虎克鉸基座14、第三旋轉(zhuǎn)副R3、第四旋轉(zhuǎn)副R4、第七旋轉(zhuǎn)副R7、第八旋轉(zhuǎn)副R8、第十二旋轉(zhuǎn)副R12；第二直線運動副P2上、下端分別連接第二運動支鏈套筒16、第十二旋轉(zhuǎn)副R12，第二運動支鏈套筒16下端的第四轉(zhuǎn)動副R4與第五球型連接軸18相連，第二直線驅(qū)動副P2上端的第十二轉(zhuǎn)動副R12與第三旋轉(zhuǎn)虎克鉸基座14相連，第三旋轉(zhuǎn)虎克鉸基座14上端的第八轉(zhuǎn)動副R8與第三球型連接軸11相連。

所述第三直線驅(qū)動器Ⅴ是PU支鏈，直線驅(qū)動器Ⅴ包含第二球型連接軸10、第三直線驅(qū)動P3、第二旋轉(zhuǎn)虎克鉸基座13、第九旋轉(zhuǎn)副R9、第十旋轉(zhuǎn)副R10、第十三旋轉(zhuǎn)副R13；第三直線驅(qū)動副P3上端的第十三轉(zhuǎn)動副R13與第二旋轉(zhuǎn)虎克鉸基座13相連，第二旋轉(zhuǎn)虎克鉸基座13上端的第十轉(zhuǎn)動副R10與第二球型連接軸10相連。

參見4.1-4.3，所述仿蛇搜救機器人關(guān)節(jié)機構(gòu)的并聯(lián)關(guān)節(jié)組工作原理為：

參見圖4.1，左圖為并聯(lián)關(guān)節(jié)組初始狀態(tài)；中間圖為第一直線驅(qū)動器Ⅳ、第二直線驅(qū)動器Ⅴ、第三直線驅(qū)動器Ⅵ同時伸長20mm時，并聯(lián)關(guān)節(jié)組進(jìn)行伸長運動；右圖為第一直線驅(qū)動器Ⅳ、第二直線驅(qū)動器Ⅴ、第三直線驅(qū)動器Ⅵ同時收縮20mm時，并聯(lián)關(guān)節(jié)組進(jìn)行收縮運動。

參見圖4.2，左圖為并聯(lián)關(guān)節(jié)組初始狀態(tài)；中間圖為第一直線驅(qū)動器Ⅳ、第三直線驅(qū)動器Ⅵ同時伸長20mm，第二直線驅(qū)動器Ⅴ長度保持不變時，并聯(lián)關(guān)節(jié)組進(jìn)行俯運動；右圖為第一直線驅(qū)動器Ⅳ、第三直線驅(qū)動器Ⅵ同時收縮20mm，第二直線驅(qū)動器Ⅴ長度保持不變時，并聯(lián)關(guān)節(jié)組進(jìn)行仰運動。

參見圖4.3，左圖為并聯(lián)關(guān)節(jié)組初始狀態(tài)；中間圖為第一直線驅(qū)動器Ⅳ、第二直線驅(qū)動器Ⅴ長度保持不變，第三直線驅(qū)動器Ⅵ伸長20mm時，并聯(lián)關(guān)節(jié)組進(jìn)行左偏航運動；右圖為第二直線驅(qū)動器Ⅴ、第三直線驅(qū)動器Ⅵ長度保持不變，第一直線驅(qū)動器Ⅳ伸長20mm時，并聯(lián)關(guān)節(jié)組進(jìn)行右偏航運動。

參見圖4，各仿蛇搜救機器人關(guān)節(jié)機構(gòu)通過首尾相連組成仿蛇搜救機器人，在第一個仿蛇搜救機器人關(guān)節(jié)機構(gòu)外端連接蛇頭25，最后一個仿蛇搜救機器人關(guān)節(jié)機構(gòu)外端連接蛇尾26。