CN104669255A - 螺旋推进易形蛇形机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种螺旋推进易形蛇形机器人，包括4个一组的螺旋壳体(1)，在每个螺旋壳体(1)上设置有螺旋齿，位于中间的两个螺旋壳体(1)上的螺旋齿旋转方向相同，位于两侧的螺旋壳体(1)上的螺旋齿旋转方向与位于中间的两个螺旋壳体(1)上的螺旋齿旋转方向相反；相邻的两个螺旋壳体(1)之间设置有全向关节；每个螺旋壳体(1)内部设置有中空轴(9)，中空轴(9)的端部通过中空连接轴(10)与舵机支架(11)相连；在中空轴(9)上固定有减速电机(7)，由减速电机(7)驱动的外齿轮(6)与固定在螺旋壳体(1)内壁上的内齿轮(8)相啮合。本发明的机器人可以在不同环境中高效的运动，有极强的通过性，且消耗更少的能量。
Description
技术领域
本发明属于特种机器人领域，具体涉及一种蛇形机器人。
背景技术
当前已有的蛇形机器人基本上都是由相互垂直的舵机组合，而形成一种正交万向结构的蛇形机器人，其运动基本上限于横摆、纵摆、组合摆动等形式，如专利CN201320573824.9即提供了此种类型的蛇形机器人。对一些复杂地形的适应有一定的局限性，效率低，且消耗功率较大。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种能够在各种复杂环境里灵活、高效行进的蛇形机器人。相比之前的蛇形机器人，本发明提供的机器人可以降低功耗，适应了孔洞、平整地面的高效率的行进。本发明的技术方案如下：
一种螺旋推进易形蛇形机器人，包括4个一组的螺旋壳体(1)，在每个螺旋壳体(1)上设置有螺旋齿，其特征在于，位于中间的两个螺旋壳体(1)上的螺旋齿旋转方向相同，位于两侧的螺旋壳体(1)上的螺旋齿旋转方向与位于中间的两个螺旋壳体(1)上的螺旋齿旋转方向相反；
相邻的两个螺旋壳体(1)之间设置有全向关节，每个全向关节包括两个U型连杆(12)，两个舵机(4)，两个舵机支架(11)，两个舵机盘(2)。两个U型连杆(12)以相互垂直的方式通过配合孔固定连接；舵机(4)固定安装在舵机支架(11)上，舵机盘(2)固定安装在舵机的旋转轴上；U型连杆(12)的一端固定有舵机盘(2)，另一端设有一个轴孔，固定在舵机支架(11)底部的轴配合在所述轴孔中，舵机支架(11)能够绕U型连杆旋转，舵机(4)旋转轴旋转，使U型连杆(12)与舵机支架(11)产生相对旋转的运动，以上结构组成一个全向关节；
每个螺旋壳体(1)内部设置有中空轴(9)，中空轴(9)的端部通过中空连接轴(10)与舵机支架(11)相连；在中空轴(9)上固定有减速电机(7)，由减速电机(7)驱动的外齿轮(6)与固定在螺旋壳体(1)内壁上的内齿轮(8)相啮合。
本发明的技术特点在于：利用螺旋壳体和全向关节的融合，使旋转壳体与全向结构交互连接，实现在狭窄、不平整环境中蛇形前进；平坦路面车形高速前进；泥泞环境车形螺旋前进；树木、柱体缠绕攀行；变化外形以攀爬楼梯、翻越障碍等功能。与普通横摆、纵摆、组合摆动蛇形机器人相比，螺旋推进可以在更小的孔洞中前进，平坦路面更高效快速前进，且有高效缠绕攀爬的功能，适应环境范围更广。在刚性螺旋壳体上设置螺旋齿，类似于螺钉，或者利用软体弹簧的结构，依靠螺旋转动时，螺旋齿与地面凸起作用的向前分力产生前进力，同时每一节的螺旋齿的旋向并不相同，且按一定的规律布置，这样可以避免蛇体原地打转。
总之，本发明将螺旋推进原理用到蛇形机器人上，改进后，使能够穿过狭窄空间；其次通过控制关节和螺旋壳体的运动，使蛇形机器人变化成不同的运动形态，从而使一种机器人，可以在不同环境中高效的运动，有极强的通过性，且消耗更少的能量，延长工作时间。
附图说明
附图1是结构、控制、功能间关系说明。
附图2是蛇形机器人整体结构图。
附图3是壳体内外结构图。
附图4是全向关节方案图。
附图5是本发明的蛇形机器人的平坦路面行进姿态示意图。
附图中：1-螺旋壳体 2-舵机盘 3-螺旋齿(左旋) 4-舵机 5-螺旋齿(右旋) 6-外齿轮7-减速电机 8-内齿轮8 9-中空轴(走线、支撑) 10-中空连接轴 11-舵机支架 12-正交连接件
具体实施方式
图1直观展示了蛇形机器人的结构、功能、控制方式。控制器发出控制信号，控制关节和螺旋壳体进入不同的姿态和运动状态，使整条蛇形机器人实现多种形态和运动模式，从而在不同环境中高效率地运动。图1列出了控制关节使蛇形机器人产生的4种姿态，以适应4种典型的环境，另外通过姿态和运动的适当变换，实现攀爬楼梯、越障等更多功能。
整条蛇形机器人的关键部件是：舵机支架11上固定安装有舵机4，U型连杆12的一端固定有舵机盘2，舵机盘2固定在舵机4的旋转轴上，U型连杆12的另一端有一个轴孔，固定在舵机支架11底部的轴配合在所述轴孔中，舵机支架11可以绕U型连杆旋转，舵机4旋转轴旋转，使U型连杆12与舵机支架11产生相对旋转的运动，两个U型连杆12以相互垂直的方式通过配合孔固定连接，即正交方式固定连接，以上结构组成一个全向关节；减速电机7固定安装在中空轴9上，安装在减速电机7上的外齿轮6与螺旋壳体1上的内齿轮8啮合；中空轴9固定安装在中空连接轴10上，中空连接轴10与舵机支架固定连接；螺旋壳体1架在中空轴9上，螺旋壳体1可以绕中空轴9旋转，螺旋齿(左旋)3与螺旋齿(右旋)5附着在螺旋壳体1表面上；螺旋壳体为4的倍数，并且螺旋壳体至少为4个。
第一种姿态，在孔洞中，全向关节在舵机4的控制下保持直线形态，安装在中空轴9的减速电机7上的外齿轮6与螺旋壳体1上的内齿轮8啮合，带动螺旋壳体1单独旋转，使3-螺旋齿(左旋)逆时针旋转，5-螺旋齿(右旋)顺时针旋转，通过螺旋齿与接触面的摩擦力，3-螺旋齿(左旋)逆时针旋转与5-螺旋齿(右旋)顺时针旋转产生的左右的力抵消，最终两个螺旋齿只有一个向前的合力，这就是驱动力，使其向前行进。
第二种姿态，在不平整路面上，全向关节在舵机4的控制下保持折线形态，折线的角度视地面的不平整而定，角度范围为90度到180度，由于全向关节是由两个舵机4控制的，因此这个角度是空间三维形态的，存在水平面的角度与竖直平面的角度，这样，使螺旋壳体1上的3-螺旋齿(左旋)或者5-螺旋齿(右旋)与地面接触，安装在9-中空轴的减速电机7上的外齿轮6与螺旋壳体1上的内齿轮8啮合，带动螺旋壳体1旋转，通过螺旋壳体1的旋转产生向前的合力，向前行进。
第三种姿态：在平坦的路面上，本发明的蛇形机器人的姿态如图5所示，全向关节在两个舵机4的控制下使每对位于全向关节两侧的相邻的螺旋壳体1位于不同的水平面上并相互垂直，平行着地的两个螺旋壳体1上的螺旋齿的旋转方向相同，其他结构架在这两个螺旋壳体上面。固定在中空轴9的减速电机7上的外齿轮6与螺旋壳体1上的内齿轮8啮合，带动平行着地的两个螺旋壳体1旋转，最终使其向前行进，这样就跟小车一样在平坦的路面上行进了。
第四种姿态，在树木等柱体上，通过全向关节在舵机4的控制下使螺旋壳体1呈一定角度，使整条蛇形机器人缠绕在柱体上，安装在9-中空轴的减速电机7上的外齿轮6与内齿轮8啮合，带动螺旋壳体1旋转，通过螺旋壳体1的旋转与柱体表面产生的摩擦力产生驱动力，在柱体上行进。
Claims (1)
1.一种螺旋推进易形蛇形机器人，包括4个一组的螺旋壳体(1)，在每个螺旋壳体(1)上设置有螺旋齿，其特征在于，位于中间的两个螺旋壳体(1)上的螺旋齿旋转方向相同，位于两侧的螺旋壳体(1)上的螺旋齿旋转方向与位于中间的两个螺旋壳体(1)上的螺旋齿旋转方向相反；
相邻的两个螺旋壳体(1)之间设置有全向关节，每个全向关节包括两个U型连杆(12)，两个舵机(4)，两个舵机支架(11)，两个舵机盘(2)。两个U型连杆(12)以相互垂直的方式通过配合孔固定连接；舵机(4)固定安装在舵机支架(11)上，舵机盘(2)固定安装在舵机的旋转轴上；U型连杆(12)的一端固定有舵机盘(2)，另一端设有一个轴孔，固定在舵机支架(11)底部的轴配合在所述轴孔中，舵机支架(11)能够绕U型连杆旋转，舵机(4)旋转轴旋转，使U型连杆(12)与舵机支架(11)产生相对旋转的运动，以上结构组成一个全向关节；
每个螺旋壳体(1)内部设置有中空轴(9)，中空轴(9)的端部通过中空连接轴(10)与舵机支架(11)相连；在中空轴(9)上固定有减速电机(7)，由减速电机(7)驱动的外齿轮(6)与固定在螺旋壳体(1)内壁上的内齿轮(8)相啮合。
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