CN115488868B - 一种自主重组蛇形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自主重组蛇形机器人，包括：第一壳体、第二壳体、以及连接第一壳体和第二壳体的自动重组机构；其中：自动重组机构包括Z形槽、第一自动销头和第二自动销头，Z形槽外侧曲线为偏心设计，在第一自动销头和第二自动销头与Z形槽外侧曲线接触时产生有效力矩，使Z形槽带动第一壳体发生旋转，从而改变蛇形机器人的结构，实现蛇形机器人自动完成平行结构和正交结构之间的转换。本发明通过控制蛇形机器人结构，实现了平行、正交自由转换，保证了蛇形机器人三维平面内运动的同时，通过改变结构优化二维动作，解决了仿生蛇形机器人的前进速度缓慢问题的问题。

Description

一种自主重组蛇形机器人

技术领域

本发明涉及仿生蛇形消防机器人技术领域，具体而言，尤其涉及一种自主重组蛇形机器人。

背景技术

仿生蛇形机器人由于其多关节、多自由度的特点，可以在二维空间：实现生物蛇蜿蜒、蠕动等动作，又可在三维空间内实现多种复杂运动方式：行波运动、翻滚运动等，常规生物蛇无法实现的动作。有优良的环境适应能力。因此蛇形机器人可以在诸多领域得到广泛应用，如地震等自然灾害形成的复杂环境进行勘探、火灾发生时的消防灭火工作、以及复杂管道内的检修工作等都可发挥极大作用。

目前，蛇形机器人主要通过主控板控制多路舵机实现蜿蜒运动实现前进动作，但普通正交式蛇形机器人蜿蜒运动时只有奇数关节摆动，有效运动关节距离较大，无法更好的拟合蜿蜒运动曲线。此外，由于其特殊的蜿蜒运动方式：需与接触面间有较大法向摩擦，较小的切向摩擦蛇形机器人才能实现较快的运动速度。较大的有效运动关节长度会更容易使蛇形机器人发生横移，运动效率大大减小，前进运动速度缓慢。在一些特定场合需要较大的运动速度时无法有效达到目标要求。

目前针对现有正交结构的蛇形机器人的实际工作需求，亟需一种新型的蛇形机器人结构在满足蛇形机器人三维动作的同时，又可以更好的优化二维运动效率，有效利用蛇形机器人与接触面的摩擦力，更好的拟合serpenoid曲线，提高前进速度，有效避免侧移。

发明内容

根据上述提出的技术问题，提供一种自主重组蛇形机器人。本发明通过控制蛇形机器人结构，实现了平行、正交自由转换，保证了蛇形机器人三维平面内运动的同时，通过改变结构优化二维动作，解决了仿生蛇形机器人的前进速度缓慢问题的问题。

本发明采用的技术手段如下：

一种自主重组蛇形机器人，包括：第一壳体、第二壳体、以及连接第一壳体和第二壳体的自动重组机构；其中：

自动重组机构包括Z形槽、第一自动销头和第二自动销头，Z形槽外侧曲线为偏心设计，在第一自动销头和第二自动销头与Z形槽外侧曲线接触时产生有效力矩，使Z形槽带动第一壳体发生旋转，从而改变蛇形机器人的结构，实现蛇形机器人自动完成平行结构和正交结构之间的转换。

进一步地，所述第一壳体上开设有舵机安装孔，舵机通过舵机安装孔与所述第一壳体固定连接。

进一步地，所述第二壳体上连接开设有关节连接孔，舵机与关节连接孔通过螺栓相连接构成蛇形机器人结构。

进一步地，所述第二壳体的外壁开设有自动销头装配孔，用于装设第一自动销头和第二自动销头。

进一步地，所述第一自动销头和第二自动销头之间的角度为90°，所述第一自动销头和第二自动销头之间交替动作，实现自动变形。

进一步地，所述第一自动销头和第二自动销头之间交替动作，实现自动变形，包括：

当需要蛇形机器人关节正交连接时，第一自动销头通电，压缩弹簧，使第一自动销头脱离Z形槽，同时第二自动销头断电，受弹簧弹力销头被弹起，进入Z形槽实现两壳体之间结构的固定；

当需要蛇形机器人变形为平行结构时，第二自动销头通电，吸引第二自动销头上升压缩弹簧，使第二自动销头脱离Z形槽，避免阻碍壳体转动，随后第一自动销头断电，弹簧弹力向下推动Z形槽外侧曲线，曲线为偏心轮，在第一自动销头方向向圆心的作用力下，Z形槽发生顺时针转动，当旋转90度时，第一自动销头进入Z形槽的固定槽口内，使整个第一壳体带动舵机发生旋转，整个变形动作完成。

进一步地，所述第一自动销头处于紧张状态时，与Z形槽的外曲线相切，第一壳体与第二壳体之间为同心结构，方便壳体的有效转动。

进一步地，所述第一自动销头和第二自动销头由蛇形机器人主控板直接控制，不再单独供电。

进一步地，所述舵机的外部为塑料外壳，内部为铝合金齿轮，所述第一壳体和第二壳体采用为塑料结构。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的自主重组蛇形机器人，由两部分壳体组装而成，壳体间结合形成自动变形装置使蛇形机器人可以自动完成平行结构和正交结构之间的转换，在兼顾二维平面和三维空间的运动的同时实现自动化，智能化。

2、本发明提供的自主重组蛇形机器人，其两壳体间的自动重组机构由Z形槽和自动销头组成，Z形槽外侧曲线为偏心设计，在自动销头与Z形槽外侧曲线接触时产生有效力矩，使Z形槽带动第一壳体发生旋转，从而改变蛇形机器人的结构，优化二维平面运动效率。

基于上述理由本发明可在仿生蛇形消防机器人等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明自主重组蛇形机器人的整体结构示意图。

图2为本发明自主重组蛇形机器人的整体结构剖面图。

图3为本发明自主重组蛇形机器人的自动变形结构示意图。

图中：1、舵机；2、第一壳体；3、第二壳体；4、舵机安装孔；5、自动销头装配孔；6、关节连接孔；7、第一自动销头；8、第二自动销头；9、Z形槽。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种自主重组蛇形机器人，包括：第一壳体2、第二壳体3、以及连接第一壳体2和第二壳体3的自动重组机构；其中：

自动重组机构包括Z形槽9、第一自动销头7和第二自动销头8，Z形槽9外侧曲线为偏心设计，在第一自动销头7和第二自动销头8与Z形槽9外侧曲线接触时产生有效力矩，使Z形槽9带动第一壳体2发生旋转，从而改变蛇形机器人的结构，实现蛇形机器人自动完成平行结构和正交结构之间的转换，优化二维平面运动效率。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，继续参见图1，所述第一壳体2上开设有舵机安装孔4，舵机1通过舵机安装孔4与所述第一壳体2固定连接。所述第二壳体3上连接开设有关节连接孔6，舵机1与关节连接孔6通过螺栓相连接构成蛇形机器人结构。所述第二壳体3的外壁开设有自动销头装配孔5，用于装设第一自动销头7和第二自动销头8。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图3所示，所述第一自动销头7和第二自动销头8之间的角度为90°，所述第一自动销头7和第二自动销头8之间交替动作，实现自动变形。具体包括：

当需要蛇形机器人关节正交连接时，第一自动销头7通电，压缩弹簧，使第一自动销头7脱离Z形槽9，同时第二自动销头8断电，受弹簧弹力销头被弹起，进入Z形槽9实现两壳体之间结构的固定；

当需要蛇形机器人变形为平行结构时，第二自动销头8通电，吸引第二自动销头8上升压缩弹簧，使第二自动销头8脱离Z形槽9，避免阻碍壳体转动，随后第一自动销头7断电，弹簧弹力向下推动Z形槽9外侧曲线，曲线为偏心轮，在第一自动销头7方向向圆心的作用力下，Z形槽9发生顺时针转动，当旋转90度时，第一自动销头7进入Z形槽9的固定槽口内，使整个第一壳体2带动舵机发生旋转，整个变形动作完成。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图2所示，所述第一自动销头7处于紧张状态时，与Z形槽9的外曲线相切，第一壳体2与第二壳体3之间为同心结构，方便壳体的有效转动。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述第一自动销头7和第二自动销头8由蛇形机器人主控板直接控制，不再单独供电，使整体结构更加轻量化。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述舵机1的外部为塑料外壳，内部为铝合金齿轮，所述第一壳体2和第二壳体3采用为塑料结构。

综上，由于蛇形机器人本身的运动性质导致前进速度较为慢，而且通过各舵机拟合serpenoid曲线实现蜿蜒运动前进时，关节间距过长，拟合效果差，会造成严重的运动损失，使得蛇形机器人发生横移，前进速度极为缓慢。本发明中两壳体间的自动重组机构由Z形槽9和自动销头组成，Z形槽9外侧曲线为偏心设计，在自动销头与Z形槽9外侧曲线接触时产生有效力矩，使Z形槽9带动第一壳体1发生旋转，从而改变蛇形机器人的结构，优化二维平面运动效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种自主重组蛇形机器人，其特征在于，包括：第一壳体（2）、第二壳体（3）、以及连接第一壳体（2）和第二壳体（3）的自动重组机构；其中：

自动重组机构包括Z形槽（9）、第一自动销头（7）和第二自动销头（8），Z形槽（9）外侧曲线为偏心设计，在第一自动销头（7）和第二自动销头（8）与Z形槽（9）外侧曲线接触时产生有效力矩，使Z形槽（9）带动第一壳体（2）发生旋转，从而改变蛇形机器人的结构，实现蛇形机器人自动完成平行结构和正交结构之间的转换；

第一自动销头（7）和第二自动销头（8）之间的角度为90°，第一自动销头（7）和第二自动销头（8）之间交替动作，实现自动变形；

第一自动销头（7）和第二自动销头（8）之间交替动作，实现自动变形，包括：

当需要蛇形机器人关节正交连接时，第一自动销头（7）通电，压缩弹簧，使第一自动销头（7）脱离Z形槽（9），同时第二自动销头（8）断电，受弹簧弹力销头被弹起，进入Z形槽（9）实现两壳体之间结构的固定；

当需要蛇形机器人变形为平行结构时，第二自动销头（8）通电，吸引第二自动销头（8）上升压缩弹簧，使第二自动销头（8）脱离Z形槽（9），避免阻碍壳体转动，随后第一自动销头（7）断电，弹簧弹力向下推动Z形槽（9）外侧曲线，曲线为偏心轮，在第一自动销头（7）方向向圆心的作用力下，Z形槽（9）发生顺时针转动，当旋转90度时，第一自动销头（7）进入Z形槽（9）的固定槽口内，使整个第一壳体（2）带动舵机发生旋转，整个变形动作完成；

第一自动销头（7）处于紧张状态时，与Z形槽（9）的外曲线相切，第一壳体（2）与第二壳体（3）之间为同心结构，方便壳体的有效转动。

2.根据权利要求1所述的自主重组蛇形机器人，其特征在于，所述第一壳体（2）上开设有舵机安装孔（4），舵机（1）通过舵机安装孔（4）与所述第一壳体（2）固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种自主重组蛇形机器人，其特征在于，所述第二壳体（3）上连接开设有关节连接孔（6），舵机（1）与关节连接孔（6）通过螺栓相连接构成蛇形机器人结构。

4.根据权利要求2所述的一种自主重组蛇形机器人，其特征在于，所述第二壳体（3）的外壁开设有自动销头装配孔（5），用于装设第一自动销头（7）和第二自动销头（8）。

5.根据权利要求1所述的一种自主重组蛇形机器人，其特征在于，所述第一自动销头（7）和第二自动销头（8）由蛇形机器人主控板直接控制，不再单独供电。

6.根据权利要求2所述的一种自主重组蛇形机器人，其特征在于，所述舵机（1）的外部为塑料外壳，内部为铝合金齿轮，所述第一壳体（2）和第二壳体（3）采用为塑料结构。