CN107756386A - 一种齿轮式扭转工字轴蛇形机器人 - Google Patents

Abstract

一种齿轮式扭转工字轴蛇形机器人，该蛇形机器人由蛇身、蛇头和蛇尾组成，蛇身由第一关节和第二关节顺次重复连接而成；第一关节由第一电机、第一U型架、第二电机、第一齿轮、第一齿轮轴、第二齿轮、两个第三齿轮、扭转工字轴、两个第四齿轮和两个第五齿轮组成，第二关节由第二U型架、第三电机、第四电机、第六齿轮、第二齿轮轴、第七齿轮、两个第八齿轮、第九齿轮、轮轴、第十齿轮和两个轮子组成，蛇头和蛇身的第一个第一关节固连，蛇尾和蛇身的最后一个第二关节固连。该蛇形机器人结构简单，通过扭转工字轴连接而成的关节连接模块实现了类似球铰的功能，便于控制，通过控制不同位置、不同数量的电机工作，灵活地实现三维空间不同的运动，实现了控制和功能两方面的平衡。

Description

一种齿轮式扭转工字轴蛇形机器人

技术领域

本发明涉及船舰的蛇形机器人领域，特别是一种齿轮式扭转工字轴蛇形机器人。

背景技术

蛇形机器人是一种多关节、多自由度的链式柔性机器人，由多个相同或相似的单元模块连接在一起，没固定基座，蛇形机器人运动形式多变且运动稳定，有极强的环境适应能力，在战场突袭、搜救探险等许多领域都可适用。蛇形机器人在朝目标前进时，必然会遇到障碍物或者是行进方向和目标产生偏移，这就要求蛇形机器人根据自身结构和当前环境做出方向的调整或运动方式的改变，而蛇形机器人要实现***，其执行单元必须具备完整的三维工作空间，所以，蛇形机器人的关节连接结构对它自身的运动有着至关重要的影响。

蛇形机器人的关节连接方式主要有：平行连接、正交连接、万向节连接。平行连接为蛇形机器人单元模块之间以转动副连接，各转动副轴线平行且垂直于蛇体纵轴，平行连接便于控制，但工作空间仅为一个平面。正交连接为单元模块之间仍为转动副连接，但是相邻转动副轴线相互垂直，且均垂直于蛇体轴线，该连接方式便于控制，能实现三维运动，但是三维工作空间并不完备。万向节连接能实现完全的三维空间运动，但是控制起来较为麻烦。因此，一种既便于控制，又能实现完整的三维空间运动的蛇形机器人连接方式尤为重要，这样有利于蛇形机器人得到更广泛的应用，让蛇形机器人的优势得到最大的提升，使之更好地为人类社会服务。

目前尚未发现一种结构简单，既便于控制，又能实现完整的三维工作空间，空间灵活性好、适应性强的齿轮式扭转工字轴连接的蛇形机器人的发明。

发明内容

本发明的目的是提供一种既便于控制，又能实现完整的三维工作空间，空间灵活性好、适应性强的齿轮式扭转工字轴连接的蛇形机器人。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：一种齿轮式扭转工字轴蛇形机器人，由蛇身、蛇头和蛇尾组成，具体结构和连接关系为：

所述蛇身由第一关节和第二关节顺次重复连接而成；第一关节由第一电机、第一U型架、第二电机、第一齿轮、第一齿轮轴、第二齿轮、两个第三齿轮、扭转工字轴、两个第四齿轮和两个第五齿轮组成，第一电机安装在第一U型架底部的隔区中心位置，第二电机安装在隔板另一侧，第一齿轮安装在第二电机是主轴上，第二电机是旁边安装第一齿轮轴，第一齿轮轴上安装一个第二齿轮和两个第三齿轮，第二齿轮和第一齿轮啮合，第一U型架的开口端安装扭转工字轴，扭转工字轴由一根竖杆和两根横杆组成，竖杆的两端分别连接两根横杆，两根横杆的位置关系为空间垂直，其中一根横杆安装在第一U型架上，安装在第一U型架上的横杆安装着两个第四齿轮，两个第四齿轮与两个第三齿轮啮合，另一根横杆悬空，悬空横杆安装两个第五齿轮；第二关节由第二U型架、第三电机、第四电机、第六齿轮、第二齿轮轴、第七齿轮、两个第八齿轮、第九齿轮、轮轴、第十齿轮和两个轮子组成，在第二U型架半隔板的两侧安装着第三电机和第四电机，第三电机安装在半隔板靠近第二U型架开口端的一侧，第三电机主轴上安装一个第六齿轮，第三电机靠近开口端的一侧安装着第二齿轮轴，第二齿轮轴上安装一个第七齿轮和两个第八齿轮，其中，第七齿轮和第六齿轮啮合，第二U型架的最开口端开两侧板开有轴孔，第四电机安装在半隔板的另一侧，第四电机主轴上安装一个第九齿轮，第二U型架的底部安装轮轴，轮轴上安装一个第十齿轮和两个轮子，第十齿轮和第九齿轮啮合，轮子位于第二U型架外侧的两边；第一关节和第二关节连接时，第一关节扭转工字轴的悬空横杆连接在第二关节开口端的轴孔上，以转动副连接，第二关节和下一个第一关节连接时，下一个第一关节的第一电机的主轴直接与第二关节的第二U型架连接，第一关节、第二关节依次重复连接，

所述的蛇头和蛇身的第一个第一关节固连，所述的蛇尾和蛇身的最后一个第二关节固连。

工作原理及过程：

当第二关节的第四电机工作时，第四电机主轴上的第九齿轮转动，通过第九齿轮和第十齿轮的啮合传动，安装第十齿轮的轮轴跟着转动，安装在轮轴上的两个轮子转动，蛇形机器人保持直线向前运动。

当第二关节的第四电机工作时，会带动轮子转动，蛇形机器人保持前进运动，与此同时，蛇形机器人第一关节的第二电机主轴转动一定的角度，安装在第二电机主轴上的第一齿轮跟着转动相同的角度，通过第一齿轮和第二齿轮的啮合，第一齿轮轴和安装在第一齿轮轴上的两个第三齿轮同样转动一定的角度，又通过第三齿轮和第四齿轮的齿轮传动，连接第一U型架的扭转工字轴的横杆转动一定的角度，这就使得蛇形机器人的前进方向发生偏转，蛇形机器人曲线前进，此种情况有利于蛇形机器人绕过障碍物。

当第二关节的第四电机工作时，蛇形机器人保持前进运动，与此同时，蛇形机器人第二关节的第三电机主轴转动一定的角度时，安装在第三电机主轴上的第六齿轮转动一定的角度，通过第六齿轮和第七齿轮的啮合、第八齿轮和第一关节的第五齿轮的啮合，使得连接在第二关节上的扭转工字轴的横杆转动一定的角度，这样，蛇形机器人从头部开始向上抬起，远离地面，通过控制蛇形机器人各个第二关节第三电机主轴的转动角度来使蛇形机器人在竖直平面上沿曲线前进，此种情况有利于蛇形机器人越过障碍物。

当第二关节的第四电机工作时，蛇形机器人直线前进，当第一关节的第二电机工作时，蛇形机器人的前进方向在水平面上发生偏转，当第二关节的第三电机工作时，蛇形机器人的前进方向在竖直平面上发生偏转，当第一关节的第一电机工作时，蛇形机器人会发生翻滚，故当四个电机联合工作时，蛇形机器人基本可以实现攀爬树木等复杂动作。

本发明的突出优点为：

1.结构简单，便于控制，能实现完整的三维空间运动。

2.通过扭转工字轴连接而成的关节连接模块实现了类似球铰的功能，关节连接简单，此种结构实现了控制和功能两方面的平衡。

3.通过控制不同位置、不同数量的电机工作，灵活地实现不同的运动，即使中间的某一关节出了问题，仍不会对蛇形机器人的整体运动产生太大的影响。

附图说明

图1为本发明所述的齿轮式扭转工字轴蛇形机器人的总体结构示意图。

图2为本发明所述的齿轮式扭转工字轴蛇形机器人的第一关节-第二关节-第一关节连接的结构示意图。

图3为本发明所述的齿轮式扭转工字轴蛇形机器人的第一关节的结构示意图。

图4为本发明所述的齿轮式扭转工字轴蛇形机器人的第二关节结构示意图。

图5为本发明所述的齿轮式扭转工字轴蛇形机器人的扭转工字轴的结构示意图。

图6为本发明所述的齿轮式扭转工字轴蛇形机器人直线前进的示意图。

图7为本发明所述的齿轮式扭转工字轴蛇形机器人绕过障碍物的示意图。

图8为本发明所述的齿轮式扭转工字轴蛇形机器人越过障碍物的示意图。

图9为本发明所述的齿轮式扭转工字轴蛇形机器人攀爬物体的示意图。

图中所示：1.蛇头；2.第一关节；3.第二关节；4.蛇尾；201.第一U型架；202.第一电机；203.第二电机；204.第一齿轮；205.第二齿轮；206.第三齿轮；207.第五齿轮；208.扭转工字轴；209.第四齿轮；210.第一齿轮轴；301.第二U型架；302.第七齿轮；303.第八齿轮；304.第二齿轮轴；305.第六齿轮；306.轮子；307.轮轴；308.第四电机；309.第十齿轮；310.第九齿轮；311.第三电机；312.轴孔。

具体实施方式

下面为结合附图和实施案例对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图1至图5所示，本发明所述的齿轮式扭转工字轴蛇形机器人，由蛇身、蛇头1和蛇尾4组成，具体结构和连接关系为：

所述蛇身由六个第一关节2和六个第二关节3组成；第一关节2由第一电机203、第一U型架201、第二电机203、第一齿轮204、第一齿轮轴210、第二齿轮205、两个第三齿轮206、扭转工字轴208、两个第四齿轮209和两个第五齿轮207组成，第一电机202安装在第一U型架201底部的隔区中心位置，第二电机203安装在隔板另一侧，第一齿轮204安装在第二电机203是主轴上，第二电机203是旁边安装第一齿轮轴210，第一齿轮轴210上安装一个第二齿轮205和两个第三齿轮206，第二齿轮205和第一齿轮204啮合，第一U型架201的开口端安装扭转工字轴208，扭转工字轴208由一根竖杆和两根横杆组成，竖杆的两端分别连接两根横杆，两根横杆的位置关系为空间垂直，其中一根横杆安装在第一U型架201上，安装在第一U型架201上的横杆安装着两个第四齿轮209，两个第四齿轮209与两个第三齿轮206啮合，另一根横杆悬空，悬空横杆上安装两个第五齿轮207；第二关节3由第二U型架301、第三电机311、第四电机308、第六齿轮305、第二齿轮轴304、第七齿轮302、两个第八齿轮303、第九齿轮310、轮轴307、第十齿轮309和两个轮子306组成，在第二U型架301半隔板的两侧安装着第三电机311和第四电机308，第三电机311安装在半隔板靠近第二U型架301开口端的一侧，第三电机311主轴上安装一个第六齿轮305，第三电机311靠近开口端的一侧安装着第二齿轮轴304，第二齿轮轴304上安装一个第七齿轮302和两个第八齿轮303，其中，第七齿轮302和第六齿轮305啮合，第二U型架301的最开口端开两侧板开有轴孔312，第四电机308安装在半隔板的另一侧，第四电机308主轴上安装一个第九齿轮310，第二U型架301的底部安装轮轴307，轮轴307上安装一个第十齿轮309和两个轮子306，第十齿轮309和第九齿轮310啮合，轮子306位于第二U型架301外侧的两边；第一关节2和第二关节3连接时，第一关节2的扭转工字轴208的悬空横杆连接在第二关节3开口端的轴孔312上，以转动副连接，第二关节3和下一个第一关节2连接是，下一个第一关节2的第一电机202的主轴直接与第二关节3的第二U型架301连接，第一关节2、第二关节3依次重复连接。

所述的蛇头1和蛇身的第一个第一关节2固连，所述的蛇尾4和蛇身的最后一个第二关节3固连。

工作原理及过程：

如图6所示，当第二关节3的第四电机308工作时，第四电机308主轴上的第九齿轮310转动，通过第九齿轮310和第十齿轮309的啮合传动，安装第十齿轮309的轮轴307跟着转动，安装在轮轴307上的两个轮子306转动，蛇形机器人保持直线向前运动。

如图7所示，当第二关节3的第四电机308工作时，会带动轮子306转动，蛇形机器人保持前进运动，与此同时，蛇形机器人第一关节2的第二电机203主轴转动一定的角度，安装在第二电机203主轴上的第一齿轮204跟着转动相同的角度，通过第一齿轮204和第二齿轮205的啮合，第一齿轮轴210和安装在第一齿轮轴210上的两个第三齿轮206同样转动一定的角度，又通过第三齿轮206和第四齿轮209的齿轮传动，连接第一U型架201的扭转工字轴208的横杆转动一定的角度，这就使得蛇形机器人的前进方向发生偏转，蛇形机器人曲线前进，此种情况有利于蛇形机器人绕过障碍物。

如图8所示，当第二关节3的第四电机308工作时，蛇形机器人保持前进运动，与此同时，蛇形机器人第二关节3的第三电机311主轴转动一定的角度时，安装在第三电机311主轴上的第六齿轮305转动一定的角度，通过第六齿轮305和第七齿轮302的啮合、第八齿轮303和第一关节2的第五齿轮207的啮合，使得连接在第二关节3上的扭转工字轴208的横杆转动一定的角度，这样，蛇形机器人从头部开始向上抬起，远离地面，通过控制蛇形机器人各个第二关节3第三电机311主轴的转动角度来使蛇形机器人在竖直平面上沿曲线前进，此种情况有利于蛇形机器人越过障碍物。

如图9所示，当第二关节3的第四电机308工作时，蛇形机器人直线前进，当第一关节2的第二电机203工作时，蛇形机器人的前进方向在水平面上发生偏转，当第二关节3的第三电机311工作时，蛇形机器人的前进方向在竖直平面上发生偏转，当第一关节2的第一电机202工作时，蛇形机器人会发生翻滚，故当蛇形机器人的四个电机联合工作时，蛇形机器人基本可以实现攀爬树木等复杂动作。

Claims (3)

1.一种齿轮式扭转工字轴蛇形机器人，其特征在于，该蛇形机器人由蛇身、蛇头和蛇尾组成，具体结构和连接关系为：

所述蛇身由第一关节和第二关节顺次重复连接而成；第一关节由第一电机、第一U型架、第二电机、第一齿轮、第一齿轮轴、第二齿轮、两个第三齿轮、扭转工字轴、两个第四齿轮和两个第五齿轮组成，第一电机安装在第一U型架底部的隔区中心位置，第二电机安装在隔板另一侧，第一齿轮安装在第二电机是主轴上，第二电机是旁边安装第一齿轮轴，第一齿轮轴上安装一个第二齿轮和两个第三齿轮，第二齿轮和第一齿轮啮合，第一U型架的开口端安装扭转工字轴，扭转工字轴由一根竖杆和两根横杆组成，竖杆的两端分别连接两根横杆，两根横杆的位置关系为空间垂直，其中一根横杆安装在第一U型架上，安装在第一U型架上的横杆安装着两个第四齿轮，两个第四齿轮与两个第三齿轮啮合，另一根横杆悬空，悬空横杆上安装两个第五齿轮；第二关节由第二U型架、第三电机、第四电机、第六齿轮、第二齿轮轴、第七齿轮、两个第八齿轮、第九齿轮、轮轴、第十齿轮和两个轮子组成，在第二U型架半隔板的两侧安装着第三电机和第四电机，第三电机安装在半隔板靠近第二U型架开口端的一侧，第三电机主轴上安装一个第六齿轮，第三电机靠近开口端的一侧安装着第二齿轮轴，第二齿轮轴上安装一个第七齿轮和两个第八齿轮，其中，第七齿轮和第六齿轮啮合，第二U型架的最开口端开两侧板开有轴孔，第四电机安装在半隔板的另一侧，第四电机主轴上安装一个第九齿轮，第二U型架的底部安装轮轴，轮轴上安装一个第十齿轮和两个轮子，第十齿轮和第九齿轮啮合，轮子位于第二U型架外侧的两边；第一关节和第二关节连接时，第一关节扭转工字轴的悬空横杆连接在第二关节开口端的轴孔上，以转动副连接，第二关节和下一个第一关节连接时，下一个第一关节的第一电机的主轴直接与第二关节的第二U型架连接，第一关节、第二关节依次重复连接。

2.根据权利要求1所述的齿轮式扭转工字轴蛇形机器人，其特征在于，所述的蛇头和蛇身的第一个第一关节固连。

3.根据权利要求1所述的齿轮式扭转工字轴蛇形机器人，其特征在于，所述的蛇尾和蛇身的最后一个第二关节固连。