蛇形機(jī)器人的不平整路面姿態(tài)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利屬于特種機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及一種蛇形機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前已有的蛇形機(jī)器人基本上都是由相互垂直的舵機(jī)組合，而形成一種正交萬向結(jié)構(gòu)的蛇形機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)形式基本上限于俯仰運(yùn)動(dòng)、蜿蜒運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)或者兩種運(yùn)動(dòng)的組合，如專利CN201320573824.9即提供了此種類型的蛇形機(jī)器人。對(duì)一些復(fù)雜地形的適應(yīng)有一定的局限性，效率低，且消耗功率較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是基于新提出的一種能夠在各種復(fù)雜環(huán)境里靈活、高效行進(jìn)的蛇形機(jī)器人，給出其在不平整路面上的姿態(tài)控制方法，相比之前的蛇形機(jī)器人，可以降低功耗，更為穩(wěn)定地行進(jìn)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0004]一種蛇形機(jī)器人的不平整路面姿態(tài)控制方法，所述的蛇形機(jī)器人包括(4)個(gè)一組的螺旋殼體(I)、在每個(gè)螺旋殼體(I)上設(shè)置有螺旋齒，位于中間的兩個(gè)螺旋殼體(I)上的螺旋齒旋轉(zhuǎn)方向相同，位于兩側(cè)的螺旋殼體(I)上的螺旋齒旋轉(zhuǎn)方向與位于中間的兩個(gè)螺旋殼體(I)上的螺旋齒旋轉(zhuǎn)方向相反；
[0005]相鄰的兩個(gè)螺旋殼體(I)之間設(shè)置有全向關(guān)節(jié)，每個(gè)全向關(guān)節(jié)包括兩個(gè)U型連桿
(12)，兩個(gè)舵機(jī)(4)，兩個(gè)舵機(jī)支架(11)，兩個(gè)舵機(jī)盤(2)，兩個(gè)U型連桿(12)以相互垂直的方式通過配合孔固定連接；舵機(jī)(4)固定安裝在舵機(jī)支架(11)上，舵機(jī)盤(2)固定安裝在舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上；U型連桿(12)的一端固定有舵機(jī)盤(2)，另一端設(shè)有一個(gè)軸孔，固定在舵機(jī)支架(11)底部的軸配合在所述軸孔中，舵機(jī)支架(11)能夠繞U型連桿旋轉(zhuǎn)，舵機(jī)(4)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，使U型連桿(12)與舵機(jī)支架(11)產(chǎn)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，以上結(jié)構(gòu)組成一個(gè)全向
-U.-K-
夫.ρ ；
[0006]每個(gè)螺旋殼體(I)內(nèi)部設(shè)置有中空軸(9)，中空軸(9)的端部通過中空連接軸
(10)與舵機(jī)支架(11)相連；在中空軸(9)上固定有減速電機(jī)(7)，由減速電機(jī)(7)驅(qū)動(dòng)的外齒輪(6)與固定在螺旋殼體(I)內(nèi)壁上的內(nèi)齒輪(8)相嚙合，其在不平整路面的姿態(tài)控制方法如下:
[0007]全向關(guān)節(jié)在舵機(jī)(4)的控制下保持折線形態(tài)，折線的角度視地面的不平整而定，使螺旋殼體(I)上螺旋齒與地面接觸，減速電機(jī)帶動(dòng)螺旋殼體(I)旋轉(zhuǎn)，螺旋齒旋轉(zhuǎn)方向不同的相鄰一對(duì)螺旋殼體的螺旋齒與接觸面的左右摩擦力相抵消，最終相鄰的兩個(gè)螺旋殼體
(I)上的螺旋齒只有一個(gè)向前的合力，使其向前行進(jìn)。
[0008]本發(fā)明的姿態(tài)控制方式所適用的蛇形機(jī)器人，利用螺旋殼體和全向關(guān)節(jié)的融合，使旋轉(zhuǎn)殼體與全向結(jié)構(gòu)交互連接，實(shí)現(xiàn)在不平整環(huán)境中蛇形前進(jìn)。在剛性螺旋殼體上設(shè)置螺旋齒，類似于螺釘，或者利用軟體彈簧的結(jié)構(gòu)，依靠螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺旋齒與地面凸起作用的向前分力產(chǎn)生前進(jìn)力，同時(shí)每一節(jié)的螺旋齒的旋向并不相同，且按一定的規(guī)律布置，這樣可以避免蛇體原地打轉(zhuǎn)?？傊?，本發(fā)明將螺旋推進(jìn)原理用到蛇形機(jī)器人，使能夠在不平整環(huán)境中蛇形穩(wěn)定前進(jìn)，有極強(qiáng)的通過性，且消耗更少的能量。
【附圖說明】
[0009]附圖1是結(jié)構(gòu)、控制、功能間關(guān)系說明。
[0010]附圖2是蛇形機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖。
[0011]附圖3是殼體內(nèi)外結(jié)構(gòu)圖。
[0012]附圖4是全向關(guān)節(jié)方案圖。
[0013]附圖5是本發(fā)明的蛇形機(jī)器人的平坦路面行進(jìn)姿態(tài)示意圖。
[0014]附圖中:1-螺旋殼體2-舵機(jī)盤3-螺旋齒(左旋)4-舵機(jī)5-螺旋齒(右旋)6-外齒輪7-減速電機(jī) 8-內(nèi)齒輪8 9-中空軸(走線、支撐)10-中空連接軸11-舵機(jī)支架12-正交連接件
【具體實(shí)施方式】
[0015]圖1直觀展示了本發(fā)明采用的蛇形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、功能、控制方式。控制器發(fā)出控制信號(hào)，控制關(guān)節(jié)和螺旋殼體進(jìn)入不同的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使整條蛇形機(jī)器人實(shí)現(xiàn)多種形態(tài)和運(yùn)動(dòng)模式，從而在不同環(huán)境中高效率地運(yùn)動(dòng)。圖1列出了控制關(guān)節(jié)使蛇形機(jī)器人產(chǎn)生的4種姿態(tài)，以適應(yīng)4種典型的環(huán)境，另外通過姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)的適當(dāng)變換，實(shí)現(xiàn)攀爬樓梯、越障等更多功能。
[0016]整條蛇形機(jī)器人的關(guān)鍵部件是:舵機(jī)支架11上固定安裝有舵機(jī)4，U型連桿12的一端固定有舵機(jī)盤2，舵機(jī)盤2固定在舵機(jī)4的旋轉(zhuǎn)軸上，U型連桿12的另一端有一個(gè)軸孔，固定在舵機(jī)支架11底部的軸配合在所述軸孔中，舵機(jī)支架11可以繞U型連桿旋轉(zhuǎn)，舵機(jī)4旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，使U型連桿12與舵機(jī)支架11產(chǎn)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)U型連桿12以相互垂直的方式通過配合孔固定連接，即正交方式固定連接，以上結(jié)構(gòu)組成一個(gè)全向關(guān)節(jié)；減速電機(jī)7固定安裝在中空軸9上，安裝在減速電機(jī)7上的外齒輪6與螺旋殼體I上的內(nèi)齒輪嚙合8 ;中空軸9固定安裝在中空連接軸10上，中空連接軸10與舵機(jī)支架固定連接；螺旋殼體I架在中空軸9上，螺旋殼體I可以繞中空軸9旋轉(zhuǎn)，螺旋齒(左旋)3與螺旋齒(右旋)5附著在螺旋殼體I表面上。；螺旋殼體為4的倍數(shù)，并且螺旋殼體至少為4個(gè)。
[0017]在不平整路面上，全向關(guān)節(jié)在舵機(jī)4的控制下保持折線形態(tài)，折線的角度視地面的不平整而定，角度范圍為90度到180度，由于全向關(guān)節(jié)是由兩個(gè)舵機(jī)4控制的，因此這個(gè)角度是空間三維形態(tài)的，存在水平面的角度與豎直平面的角度，這樣，使螺旋殼體I上的3-螺旋齒(左旋)或者5-螺旋齒(右旋)與地面接觸，安裝在9-中空軸的減速電機(jī)7上的外齒輪6與螺旋殼體I上的內(nèi)齒輪8嚙合，帶動(dòng)螺旋殼體I旋轉(zhuǎn)，通過螺旋殼體I的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生向前的合力，向前行進(jìn)。
[0018]在平坦的路面上，本發(fā)明的蛇形機(jī)器人的姿態(tài)如圖5所示，全向關(guān)節(jié)在兩個(gè)舵機(jī)4的控制下使每對(duì)位于全向關(guān)節(jié)兩側(cè)的相鄰的螺旋殼體I位于不同的水平面上并相互垂直，平行著地的兩個(gè)螺旋殼體I上的螺旋齒的旋轉(zhuǎn)方向相同，其他結(jié)構(gòu)架在這兩個(gè)螺旋殼體上面。固定在中空軸9的減速電機(jī)7上的外齒輪6與螺旋殼體I上的內(nèi)齒輪8嚙合，帶動(dòng)平行著地的兩個(gè)螺旋殼體I旋轉(zhuǎn)，最終使其向前行進(jìn)，這樣就跟小車一樣在平坦的路面上行進(jìn)了。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種蛇形機(jī)器人的不平整路面姿態(tài)控制方法，所述的蛇形機(jī)器人包括(4)個(gè)一組的螺旋殼體(I)、在每個(gè)螺旋殼體(I)上設(shè)置有螺旋齒，位于中間的兩個(gè)螺旋殼體(I)上的螺旋齒旋轉(zhuǎn)方向相同，位于兩側(cè)的螺旋殼體(I)上的螺旋齒旋轉(zhuǎn)方向與位于中間的兩個(gè)螺旋殼體(I)上的螺旋齒旋轉(zhuǎn)方向相反； 相鄰的兩個(gè)螺旋殼體(I)之間設(shè)置有全向關(guān)節(jié)，每個(gè)全向關(guān)節(jié)包括兩個(gè)U型連桿(12)，兩個(gè)舵機(jī)(4)，兩個(gè)舵機(jī)支架(11)，兩個(gè)舵機(jī)盤(2)，兩個(gè)U型連桿(12)以相互垂直的方式通過配合孔固定連接；舵機(jī)(4)固定安裝在舵機(jī)支架(11)上，舵機(jī)盤(2)固定安裝在舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上；U型連桿(12)的一端固定有舵機(jī)盤(2)，另一端設(shè)有一個(gè)軸孔，固定在舵機(jī)支架(11)底部的軸配合在所述軸孔中，舵機(jī)支架(11)能夠繞U型連桿旋轉(zhuǎn)，舵機(jī)(4)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，使U型連桿(12)與舵機(jī)支架(11)產(chǎn)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，以上結(jié)構(gòu)組成一個(gè)全向關(guān)-K-T ； 每個(gè)螺旋殼體(I)內(nèi)部設(shè)置有中空軸(9)，中空軸(9)的端部通過中空連接軸(10)與舵機(jī)支架(11)相連；在中空軸(9)上固定有減速電機(jī)(7)，由減速電機(jī)(7)驅(qū)動(dòng)的外齒輪(6)與固定在螺旋殼體(I)內(nèi)壁上的內(nèi)齒輪(8)相嚙合，其在不平整路面的姿態(tài)控制方法如下: 全向關(guān)節(jié)在舵機(jī)(4)的控制下保持折線形態(tài)，折線的角度視地面的不平整而定，使螺旋殼體(I)上螺旋齒與地面接觸，減速電機(jī)帶動(dòng)螺旋殼體(I)旋轉(zhuǎn)，螺旋齒旋轉(zhuǎn)方向不同的相鄰一對(duì)螺旋殼體的螺旋齒與接觸面的左右摩擦力相抵消，最終相鄰的兩個(gè)螺旋殼體(I)上的螺旋齒只有一個(gè)向前的合力，使其向前行進(jìn)。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種蛇形機(jī)器人的不平整路面姿態(tài)控制方法，所述的蛇形機(jī)器人包括(4)個(gè)一組的螺旋殼體(1)、在每個(gè)螺旋殼體(1)上設(shè)置有螺旋齒，位于中間的兩個(gè)螺旋殼體(1)上的螺旋齒旋轉(zhuǎn)方向相同，位于兩側(cè)的螺旋殼體(1)上的螺旋齒旋轉(zhuǎn)方向與位于中間的兩個(gè)螺旋殼體(1)上的螺旋齒旋轉(zhuǎn)方向相反；相鄰的兩個(gè)螺旋殼體(1)之間設(shè)置有全向關(guān)節(jié)，其在不平整路面的姿態(tài)控制方法如下：全向關(guān)節(jié)在舵機(jī)(4)的控制下保持折線形態(tài)，折線的角度視地面的不平整而定，使螺旋殼體(1)上螺旋齒與地面接觸，減速電機(jī)帶動(dòng)螺旋殼體(1)旋轉(zhuǎn)，相鄰的兩個(gè)螺旋殼體(1)上的螺旋齒只有一個(gè)向前的合力。本發(fā)明使機(jī)器人可在不平整環(huán)境中蛇形穩(wěn)定前進(jìn)。
【IPC分類】B62D57-036
【公開號(hào)】CN104691649
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510005967
【發(fā)明人】丁承君, 劉詠名, 馬汶鍇
【申請(qǐng)人】泰華宏業(yè)（天津）機(jī)器人技術(shù)研究院有限責(zé)任公司
【公開日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2015年1月6日