CN107416057B - 模块化网状蠕虫机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模块化网状蠕虫机器人，属于仿生机器人技术领域，由多个身部模块串联形成，单个身部模块由若干3D打印的转动关节、V型轴承、电表螺栓及螺母构成的结点组成，各个结点之间由聚碳酸酯棒或尼龙管链接，形成圆柱体网状结构，整机由各段网状结构级联组成。各结点上的轴承以及电表螺栓用于缠绕氟碳线，在各段网状结构上有固定点安置电机，电机通过方形法兰盘、绕线轮，支架与固定点相连。电机作为作动器缠绕绳索，使得各段在绳索驱动下实现收缩和舒张运动，每个绕线轮缠绕有4根绳索，利用正反转分别驱动其中两根，使得控制收缩和舒张两种运动状态。在整机末端有控制器，控制器控制各个电机产生节律性运动，可实现机器人的蠕虫式前行后退运动。

Description

模块化网状蠕虫机器人

技术领域

本发明设计属于仿生机器人技术领域，提供一种以蠕动方式运动的机器人，具体来说，是一种模块化网状蠕虫机器人。

背景技术

仿生学是一门模仿生物的特殊本领，利用生物的结构和功能原理来研制机械或各种新技术的科学技术。现代机器人运动方式一般分为轮式，腿式，仿生类机器人。仿生类机器人仿照生物的运动结构原理，实现特殊的功能，对于人们的生产起一定指导作用。蠕虫作为一种地面生物，具有柔性，适应能力强的特点。相比轮式，腿式机器人，虫式机器人更能适应狭小，曲折的环境，适合进行特种作业；传统的虫形机器人，大多数是舵机级联的尺蠖式机器人，身体缺乏柔性，对于蠕虫的蠕动运动方式较少；平行四边形结构具有两个正交方向的变形能力，变形而产生的形变与蠕虫身体在流体静力学上相似，通过构造空间的平行四边形网状结构，可以实现模仿蠕虫的身体结构。

发明内容

针对现有的研究情况，本发明提出一种利用空间网状结构的模块化的蠕虫机器人，以其特殊设计的结构，利用聚碳酸酯棒和尼龙管等棒状物体作为主要骨架，依靠聚碳酸酯棒和尼龙管的挠性变形，构造出具有柔性形变能力又有一定刚性的蠕虫结构，利用线驱动，实现蚯蚓等身部模块动物的身部模块扩大缩小的形态仿生。

本发明模块化网状蠕虫机器人，由身部模块串联构成，每个身部模块为由18个节点组成6个环节，18个节点包括12个A型节点、5个B型节点与1个C型节点以及一套绳驱动设备。

所述A型节点、B型节点与C型节点均具有两个十字交叉设置的转动关节，形成定轴旋转的平面副。转动关节的两端安装有接头；A型节点中还具有一个与转动关节同轴安装的V型轴承，用于绕线。B型节点还具有一个轴线垂直转动关节转轴的穿绳通道，用于穿线。C型节点中还具有一个电机支架。

上述18个节点分三层布置，其中，第一层与第三层周向均布有6个A型节点，且周向位置相对。第二层周向均布6个节点，分别为1个C型节点与5个B型节点。第二层6个节点与第一层和第三层的6个A型节点间交错布置。相邻两层节点的转动关节端部接头间通过连接杆相连，使周向上形成6个平行四边形环节。

绳驱动设备包括绕线轮、驱动电机、纵向控制绕线与周向控制绕线。其中，绕线轮具有上下两层绕线位置；安装于C型节点上，与C型节点的转动关节同轴设置。驱动电机采用带编码器的直流减速电机，蜗轮蜗杆减速传动，安装于C型节点的电机支架上；所述纵向控制绕线与周向控制绕线均为两条，分别在绕线轮的下层与上层缠绕。纵向控制绕线连接了身部模块周向各个环节的纵向对角线，形成N字型的穿线方式。周向控制绕线连接了身部模块周向各个环节的横向对角线，形成一字型绕线方式。

本发明模块化网状蠕虫机器人，至少由3个身部模块间同轴，相互连接形成；相邻两身部模块周向交错设置，将前一身部模块第三层与后一身部模块第一层通过连接杆相连，使相邻两身部模块间同样形成6个平行四边形。

本发明模块化网状蠕虫机器人运动控制方式为：初始状态使各个身部模块中所有环节均处于最大内径状态；首先控制第一身部模块的驱动电机反转，使第一身部模块半径缩小，之后控制驱动电机正转使身部模块半径增大，同时控制第二身部模块的驱动电机反转，使第二身部模块半径缩小；随后控制第二身部模块的驱动电机正转，使第二身部模块半径扩大，同时控制第三身部模块的驱动电机反转，控制第三身部模块半径缩小，依次类推，最后控制最后一个身部模块的驱动电机正转，使最后一个身部模块半径增大，同时控制第一身部模块的驱动电机反转，使第一身部模块半径缩小，形成循环，实现蠕虫机器人的向前蠕动。

本发明的优点在于：

1、本发明模块化网状蠕虫机器人，结构模块化，可重构性强，便于调试和修改；2、本发明模块化网状蠕虫机器人，具有一定柔性的同时具有一定的刚性，半径变化大，收缩率高，环境适应性强，可以通行管道的范围广；

3、本发明模块化网状蠕虫机器人，利用线驱动，保证机器具有的柔性，减轻机械重量，提高了机器的机动性；

4、本发明模块化网状蠕虫机器人，采用的蠕动式运动方式，节律性强，可以依靠中枢模式发生器控制，可应用于管道探测，救援等特种作业中，应用范围广；

5、本发明模块化网状蠕虫机器人，采用带编码器的直流减速电机，蜗轮蜗杆减速传动，自锁性使得控制简单；编码器反馈精确控制直流电机的位置和速度，实现整机的可控性强；

6、本发明模块化网状蠕虫机器人，基本运动为蠕动，可以适应轮式或者腿式机器人无法适应的环境，适应力极强。

附图说明

图1为本发明模块化网状蠕虫机器人A型节点装配图；

图2为本发明模块化网状蠕虫机器人A型节点的***图；

图3为本发明模块化网状蠕虫机器人B型节点B装配图；

图4为本发明模块化网状蠕虫机器人B型节点的三维***图；

图5为本发明模块化网状蠕虫机器人C型节点装配图。

图6为本发明模块化网状蠕虫机器人C型节点的三维***图；

图7为本发明模块化网状蠕虫机器人中转动关节结构示意图；

图8为本发明模块化网状蠕虫机器人中轴承盖结构示意图；

图9为本发明模块化网状蠕虫机器人中穿孔圆柱结构示意图；

图10为C型节点中电机支架结构示意图；

图11为C形节点中节点轴结构示意图；

图12为本发明模块化网状蠕虫机器人中一个身部模块的结构示意图；

图13为本发明模块化网状蠕虫机器人中驱动电机安装方式示意图；

图14为本发明模块化网状蠕虫机器人中绕线轮结构示意图；

图15为本发明模块化网状蠕虫机器人中身部模块的各节点定义方式示意图；

图16为本发明模块化网状蠕虫机器人中纵向与周向驱动线绳绕线方式示意图；

图17为本发明模块化网状蠕虫机器人的相邻身部模块间连接方式示意图。

图中：

1-转动关节 2-快速气动接头 3-电表螺栓

4-轴承盖 5-V形非标轴承 6-穿孔圆柱

7-电机支架 8-节点轴 9-连接杆

10-绕线轮 11-驱动电机 12-纵向控制绕线

13-周向控制绕线 14-电机安装法兰盘 101-连接头

102-连接台 103-导气孔A 104-连接台螺栓孔

105-导气孔B 106-导气槽 401-轴承盖中心孔

402-轴承盖缺口 501-轴承中心孔 601-穿绳通道

602-穿孔圆柱中心孔 701-支架底座 702-支架中心孔

703-支臂 704-穿绳孔 705-支撑台

10a-三层圆形挡板 10b-中心绕线轴

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明模块化网状蠕虫机器人，包括多个身部模块串联构成，每个身部模块为由18个节点组成6个环节，18个节点包括12个A型节点、5个B型节点与1个C型节点以及一套绳驱动设备。

所述A型节点由2个转动关节1、4个快速气动接头2、电表螺栓3、轴承盖4、V形非标轴承5组成，如图1、图2所示。其中，转动关节1具有位于两侧的圆柱形连接头101，以及中部的圆柱形连接台102，如图7所示；两侧连接头101轴线重合并与连接台102轴线垂直。两侧连接头101外端开有气动接头安装槽，且连接头101侧壁周向上开有与气动接头安装槽相通的导气孔A103，便于快速气动接头2的安装。连接台102端面较光滑，便于两个转动关节1间的接触。连接台102上，沿连接台102轴向开有连接台螺栓孔104，用来穿过电表螺栓3。同时连接台102周向上开有导气孔B105，导气孔B105与连接台螺栓孔105连通，便于电表螺栓3的转动。上述结构的两个转动关节1呈十字交叉，上下同轴设置，使连接台102内侧端面相对并贴合，两者间形成定轴旋转的平面副；且在连接台102内侧端面上沿连接台102直径开有导气槽106，导气槽106两端分别与两侧连接头101上的气动接头安装槽连通，便与两个转动关节1间的安装。4个快速气动接头2为圆柱形结构，配合插接于两个转动关节1中连接头101外端的气动接头安装槽，并通过粘合剂固定。轴承盖4为筒状结构，端面中心开有轴承盖中心孔401，且一侧开设有轴承盖缺口402，用于走线，如图8所示。轴承盖4内部同轴安装有V型非标轴承5，V型非标轴承5中心具有轴承中心孔501。电表螺栓3依次穿过轴承盖中心孔401、轴承中心孔501以及2个转动关节1的连接台螺栓孔105后，与螺母配合定位，实现各部分间的连接固定。

B型节点由2个转动关节1、4个快速气动接头2、电表螺栓3、穿孔圆柱6组成，如图3、图4所示。其中，2个转动关节1与4个快速气动接头2的结构与A型节点相同，且2个转动关节1之间的连接方式，以及与4个快速气动接头2的连接方式与A型节点相同。穿孔圆柱6中部上开设有贯通穿孔圆柱6侧壁相对位置的矩形截面穿绳通道601，且具有沿轴线开设的穿孔圆柱中心孔602，如图9所示；通过电表螺栓3依次穿过穿孔圆柱中心孔602以及2个转动关节1的连接台螺栓孔105后，与螺母配合定位，实现各部分间的连接固定。

C型节点由电机支架7、4个快速气动接头2、2个转动关节1与节点轴8组成，如图5、6所示。其中，2个转动关节1与4个快速气动接头2的结构与A型节点相同，且2个转动关节1之间的连接方式，以及与4个快速气动接头2的连接方式与A型节点相同。电机支架7具有十字型支架底座701，如图10所示，支架底座701中心位置开有支架中心孔702；支架底座701的三个端部设计有垂直于支架底座701的三个支臂703，支臂侧壁上开有穿绳孔704，且支臂703的上部侧壁上设计有支撑台705。节点轴8为中空轴，如图11所示，底端具有圆形限位座801，且限位座801上沿其直径设计有凹槽802，凹槽802与节点轴8内部连通；同时节点轴8顶端侧壁上开有节点轴通孔803，节点轴通孔803与节点轴8内部连通。节点轴8依次穿过2个转动关节1的连接台螺栓孔105后，并穿过电机支架7中支架底座701上的支架中心孔702。

如图12所示，上述结构的3种类型的共18个节点分三层布置，之间通过连接杆9相连。其中，第一层与第三层周向均布有6个A型节点，且周向位置相对；第二层周向均布6个节点，分别为1个C型节点与5个B型节点；第二层6个节点与第一层和第三层的6个A型节点间交错布置，且第二层的各个节点到第一层与第三层中与之相邻的A型节点距离相等，使整体圆柱状结构周向上形成6个平行四边形环节。上述方式排布方式的各个节点中，第一层各节点之间、第二节各点之间以及第三层各节点之间无连接，而第一层与第二层相邻节点间通过连接杆9相连，第二层与第三层相邻节点间通过连接杆9相连，即将连接杆9的两端与相邻节点中的快速气动接头2相连，且其中C型节点与相邻4个A型节点间连接的连接杆9采用尼龙管，尼龙管的挠性较强，容易弯曲，使得身部模块周向上的多个平行四边形平面可卷曲；可以提供沿着尼龙管轴向的压力和拉力，并且使得扩张节与收缩节连接之间约束力稍小，保证两节之间的运动干涉较小。而其余连接杆9均采用PC棒，PC棒弹性较好，挠性差，不产生塑性变形，在运动中由配合中产生的缝隙以及其余环节对它的约束力而弯曲，内应力较大，使得蠕虫机器人可以抵抗外界的压力。上述各节点中快速气动接头2的内径为4mm，与尼龙管和PC棒的外径相当，尼龙管内径3mm，壁厚0.5mm，使挠度尽量增加。尼龙管与PC棒长度均为80mm。

所述绳驱动设备包括绕线轮10、驱动电机11、纵向控制绕线12、周向控制绕线13，如图13所示。其中，绕线轮10为由三层圆形挡板10a及中心绕线轴10b构成的一体结构的上下双层绕线轮，如图14所示，采用光敏树脂打印技术成形，保证表面精度。上述绕线轮10的绕线槽需具有一定深度，防止电机转动中，被放松的线脱离绕线轮10。绕线轮10一侧面上同轴开有插孔。绕线轮10的绕线轴10b端部设计有插孔，插接于C型节点中节点轴8顶端。驱动电机11通过电机安装法兰盘14安装于C型节点中支臂703上；其中，电机安装法兰盘14为矩形结构，搭接在电机支架7上三个支臂上部的支撑台上，并通过螺钉将两者固定。驱动电机11固定安装于C型节点的电机安装法兰盘14上，输出轴与绕线轮10的绕线轴10b固定；通过驱动电机控制纵向控制绕线12、周向控制绕线13的收放，驱动身部模块运动。

所述纵向控制绕线12有两条，在绕线轮10的下层同相缠绕，并且末端均固定于绕线轴10上的固定孔A处。周向控制绕线13有两条，在绕线轮10的上层同相缠绕，并且末端分别固定于绕线轴10上位置相对的两个的固定孔B处。两条纵控制绕线12与周向控制绕线13的绕线方式为：

如图15所示，令C型节点两侧的第一层A型节点中，由靠近C型节点的A型节点开始依次为1A₁、1A₂、1A₃；令C型节点两侧的第三层A型节点中，由靠近C型节点的A型节点开始依次为3A₁、3A₂、3A₃；令C型节点两侧的第二层B型节点中，由靠近C型节点的B型节点开始一次为2B₁、2B₂、2B₃。则：

如图16所示，两条纵向控制绕线12从电机支架7的中的一个支臂703上穿孔穿出，由C型节点两侧依次绕过3A₁、1A₁、2B₁、3A₂、1A₂、2B₂、3A₃、1A₃后，在2B₃处汇合。由此，使纵向控制绕线12连接了身部模块周向各个环节的纵向对角线，形成N字型的穿线方式。其中，纵向控制绕线12在各个A型节点上的绕线方式相同，均绕过A型节点中的V形轴承后，由轴承盖4上的缺口穿出。纵向控制绕线12在B型节点上的绕线方式相同，由穿孔圆柱6上的穿绳孔601一端穿过，另一端穿出即可，且两条纵向控制绕线12在节点2B₃处汇合后，缠绕于节点2B₃上，最终系于2B₃的电表螺栓3顶部通孔处。

两条周向控制绕线13分别从电机支架7的另两个相对的支臂703上的穿孔穿出，由C型节点两侧依次穿过2B₁、2B₂后，在2B₃处汇合。周向控制绕线13在各个B型节点穿过方式相同直接由B型节点中电表螺栓3顶部通孔直接穿过即可，最终在节点2B₃处汇合后，系于节点2B₃的电表螺栓3顶部通孔处。

由此，当驱动电机11正向转动时，收紧纵向控制绕线12，使机器人周向上各平行四边形沿着纵向宽度减小，同时在空间中使得整个身部模块的周径增加。当驱动电机11反转时，使得纵向控制绕线12从绕线轮10上被释放的同时，将周向控制绕线13以反向绕线方式绕入绕线轮10上，使得身部模块在周向收到约束力，身部模块的半径减小，同时身部模块的纵向长度伸长。之后电机再次正转时，周向控制绕线13被释放，纵向控制绕线12被收紧，使得一个驱动电机11的正反转可以控制身部模块运动的两个状态，并且两个状态之间不发生干涉。

本发明蠕虫机器人，整体由至少3个上述结构的身部模块间同轴，相互连接形成；相邻两身部模块周向交错设置，将前一身部模块第三层与后一身部模块第一层通过连接杆相连，使相邻两身部模块间同样形成6个平行四边形，如图17所示。同时在本发明蠕虫机器人的每个身部模块周向上还可以继续扩展，通过增加各层中的A型节点与B型节点，使身部模块周向具有更多环节。由此，本发明蠕虫机器人可以实现蠕虫的运动方式，具体操作如下：初始状态使各个身部模块中6个环节均处于最大内径状态；首先控制第一身部模块的驱动电机11反转，使第一身部模块半径缩小，之后控制驱动电机11正转使身部模块半径增大，同时控制第二身部模块的驱动电机11反转，使第二身部模块半径缩小；随后控制第二身部模块的驱动电机11正转，使第二身部模块半径扩大，同时控制第三身部模块的驱动电机反转，控制第三身部模块半径缩小，依次类推，最后控制最后一个身部模块的驱动电机11正转，使最后一个身部模块半径增大，同时控制第一身部模块的驱动电机11反转，使第一身部模块半径缩小，形成循环，实现蠕虫机器人的向前蠕动。在蠕虫机器人运动过程中，每一步均需要检测各个驱动电机11的运行状态和电机转动的位置，进而可以实现蠕虫机器人从任意状态开始前行。

本发明中，转动关节1、轴承盖4、穿孔圆柱6、节点轴8、绕线轮10均采用3D打印成型，纵向控制绕线12与周向控制绕线13采用14号氟碳线。驱动电机11选取370直流减速电机，蜗轮蜗杆传动，额定电压24V，空载转速180r/min，减速比1比65，额定扭矩3.6kg·cm。驱动电机11采用L298N驱动模块驱动，输入电压24V，驱动电流最大2A，由直流稳压电源供电，驱动模块输出电压24V，通过杜邦线给驱动电机11供电。同时采用霍尔编码器作为位置伺服，记录下电机转过的圈数，速度，作为反馈信号给主控芯片，主控芯片依靠反馈信号对电机的停机，转向，转速进行控制，形成位置环和速度环的闭环反馈控制。控制部分选择STM32F103ZET6作为主控芯片，5V锂电池供电，使用STM32自带硬件编码器接口，接收六路编码器反馈数据，编码器由STM32输出3.3V电平供电，编码器输出脉冲幅值为3.3V。通过接收编码器反馈的信息，判断驱动电机11的位置，转速，以及是否堵转，保证驱动电机11堵转时间短，转动圈数固定，转动速度稳定，驱动电路简单，控制简单。全部驱动电机11连接于主控芯片STM32F103ZET6上，由STM32F103ZET6对6个直流减速电机产生节律性控制命令，依靠蠕虫的蠕虫规律实现前进和后退运动。本发明蠕虫机器人的模块化设计使得机器人便于修改，测试，更换零部件，并且实现蠕虫节数的拓展；机器人的收缩比例可使最大外径为最小外径的1.5倍，机器人内部空余大量空间，可以实现携带多种传感器，如多个无线摄像头，多机之间同时工作，将信息传给上位机，由上位机处理实现对于未知环境的探测。

Claims (7)

1.模块化网状蠕虫机器人，其特征在于：由身部模块串联构成，每个身部模块为由18个节点组成6个环节，18个节点包括12个A型节点、5个B型节点与1个C型节点以及一套绳驱动设备；

所述A型节点、B型节点与C型节点均具有两个十字交叉设置的转动关节，形成定轴旋转的平面副；转动关节的两端安装有接头；A型节点中还具有一个与转动关节同轴安装的V形轴承，用于绕线；B型节点还具有一个轴线垂直转动关节转轴的穿绳通道，用于穿线；C型节点中还具有一个电机支架；

上述18个节点分三层布置，其中，第一层与第三层周向均布有6个A型节点，且周向位置相对；第二层周向均布6个节点，分别为1个C型节点与5个B型节点；第二层6个节点与第一层和第三层的6个A型节点间交错布置；相邻两层节点的转动关节端部接头间通过连接杆相连，使周向上形成6个平行四边形环节；

绳驱动设备包括绕线轮、驱动电机、纵向控制绕线与周向控制绕线；其中，绕线轮具有上下两层绕线位置；安装于C型节点上，与C型节点的转动关节同轴设置；驱动电机安装于C型节点的电机支架上；所述纵向控制绕线与周向控制绕线均为两条，分别在绕线轮的下层与上层缠绕；纵向控制绕线连接了身部模块周向各个环节的纵向对角线，形成N字型的穿线方式；周向控制绕线连接了身部模块周向各个环节的横向对角线，形成一字型绕线方式。

2.如权利要求1所述模块化网状蠕虫机器人，其特征在于：至少由3个身部模块同轴，相互连接形成；相邻两身部模块周向交错设置，将前一身部模块第三层与后一身部模块第一层通过连接杆相连，使相邻两身部模块间同样形成6个平行四边形。

3.如权利要求1所述模块化网状蠕虫机器人，其特征在于：通过增加身部模块周向上的A型节点与B型节点，增加身部模块周向环节数量。

4.如权利要求1所述模块化网状蠕虫机器人，其特征在于：运动控制方式为：初始状态使各个身部模块中所有环节均处于最大内径状态；首先控制第一身部模块的驱动电机反转，使第一身部模块半径缩小，之后控制驱动电机正转使身部模块半径增大，同时控制第二身部模块的驱动电机反转，使第二身部模块半径缩小；随后控制第二身部模块的驱动电机正转，使第二身部模块半径扩大，同时控制第三身部模块的驱动电机反转，控制第三身部模块半径缩小，依次类推，最后控制最后一个身部模块的驱动电机正转，使最后一个身部模块半径增大，同时控制第一身部模块的驱动电机反转，使第一身部模块半径缩小，形成循环，实现蠕虫机器人的向前蠕动。

5.如权利要求1所述模块化网状蠕虫机器人，其特征在于：其中，纵向控制绕线在绕线时，由A型节点中的V形轴承绕过；由B型节点中的穿绳通道穿过；周向控制绕线在绕线时，由B型节点上设计的通孔直接穿过即可。

6.如权利要求1所述模块化网状蠕虫机器人，其特征在于：C型节点与相邻的4个A型节点间连接的连接杆采用尼龙管，其余连接杆均采用PC棒。

7.如权利要求1所述模块化网状蠕虫机器人，其特征在于：驱动电机采用带编码器的直流减速电机，通过蜗轮蜗杆减速传动。