多自由度柔性关节的蛇形机器人

技术领域：

本实用新型涉及多自由度柔性关节的蛇形机器人，这种蛇形机器人具有 稳定性好、横截面小、柔性等特点，能在各种粗糙、陡峭、崎岖的复杂地形 上行走，亦可攀爬障碍物，这是以轮子或腿作为行走工具的机器人难以做到 的，因此，在救援、探查、星球探测等方面具有广阔的应用前景，并为研究 蛇类运动的运动机理、动力学、运动控制方法等提供实验本体，属于机器人 应用技术领域。

背景技术：

本实用新型作出以前，在已有技术中，对于机器蛇形机器人来说，按照 结构形式的不同，可分为两类：第一类是由带有轮子的模块串连而成，运动 直接由轮子驱动或蛇体波的传播产生，缺点是只能在平面内运动。第二类是 刚性杆组成的链状结构，运动由关节之间的扭转作用产生，可实现多种平面 和空间运动，相对第一类蛇形机器人其缺点是运动速度低。上述两类蛇形机 器人均以各类电机为动力，采用的是各种纯机械结构，是刚性结构，不能较 好地模仿蛇类的运动特征，动作不够灵活。

发明内容：

本实用新型的目的在于克服上述不足之处，本实用蛇形机器人在仿照蛇 的结构特点和运动机理的基础上，构思了蛇的基本单元——柔性关节模块， 该关节模块有多自由度气动式柔性关节、微型步进电机、微型步进电机驱动 器、旋转配气阀组成；以此关节模块为蛇的主干，连接成如蛇的脊椎骨式的 结构，并同蛇头的接收与控制装置和蛇尾的微型气泵连接一体，构成蛇形机 器人；以主控计算机发出的遥控信号，控制蛇形机器人的运动。多自由度柔 性关节采用球形万向节为骨架，波壳受气体压力后轴向膨胀作为肌肉动力， 可实现多种平面和空间运动，如蜿蜒、行波、爬坡、滚动、侧向运动等，动 作灵活，耗能小，控制简单。

本实用新型的主要解决方案是这样实现的：

蛇的头部有带天线地接收与控制装置1、中部的多个柔性关节模块6、尾 部的微型气泵7，它们连接成如蛇的脊椎骨式的结构，外部有发出遥控信号 的主控计算机8；考虑到重量均衡、重心要低，在关节模块连接处的下面分 散地装有电池3，最后由电源线2串联成电池组，气动软总管4、数据总线5 安排在蛇的上部；电源线2、电池3、气动软总管4、数据总线5的安装均 在蛇的中心垂直平面上。

本实用新型与已有技术相比具有以下优点：

本实用新型蛇形机器人由蛇的基本单元——柔性关节模块构成，根据工 作要求，模块数量可多可少；多自由度柔性关节采用球形万向节为骨架，波 壳受气体压力后轴向膨胀作为肌肉动力，可实现多种平面和空间运动；具有 稳定性好、横截面小、柔性等特点。

附图说明：

图1为本实用新型蛇形机器人的主视图

图2为本实用新型蛇形机器人的俯视图

图3为本实用新型蛇形机器人柔性关节的B-B剖视图

图4为本实用新型蛇形机器人柔性关节的A-A剖视旋转图

图5为本实用新型蛇形机器人转动配气阀的A-A剖视图

图6为本实用新型蛇形机器人转动配气阀的主剖视图

图7为本实用新型蛇形机器人转动配气阀的E-E剖视图

图8为本实用新型蛇形机器人转动配气阀的D-D剖视图

图9为本实用新型蛇形机器人转动配气阀的C-C剖视图

图10为本实用新型蛇形机器人转动配气阀的B-B剖视图

图11为本实用新型蛇形机器人转动配气阀的I-I剖视图

图12为本实用新型蛇形机器人转动配气阀的H-H剖视图

图13为本实用新型蛇形机器人转动配气阀的G-G剖视图

图14为本实用新型蛇形机器人转动配气阀的F-F剖视图

图15为本实用新型蛇形机器人柔性关节模块气动连接图

具体实施方式：

下面本实用新型将结合附图中的实施例作进一步描述：

如附图1、2所示的蛇形机器人的基本构造是：接收与控制装置1、电源 线2、电池3、气动软总管4、数据总线5、柔性关节模块6、微型气泵7、主 控计算机8等组成。

蛇的柔性关节模块6的结构如附图3、4所示：波壳11(单节波壳的纵 截面形状是“V”、“U”、“Ω”等形状的橡胶波纹管)靠卡箍10夹紧在头座 9和尾座12的卡口上，波壳11、头座9和尾座12构成的封闭空腔；气体通 过软管15和接头14进入关节空腔，接头14与尾座12间有密封圈13密封； 由上述零件构成了一个独立的气体驱动肌肉组件。气体驱动肌肉组件的两端 由导向块17定位头座9、尾座12和两端的正多边形座19的导向方槽内，再 由内六角螺栓16固定在两端的正多边形座19上，球形万向节18的两端由螺 母与与两端的正多边形座19紧固，并且球形万向节18两端的轴颈与正多边 形座19中间孔的配合是间隙配合。微型步进电机21驱动旋转配气阀22转动 或定位，微型步进电机21的驱动器20、微型步进电机21、旋转配气阀22 均安装在支架23上，支架23可以将多个柔性关节模块6串联连接。

本实用新型所述波壳11的单节波壳的纵截面形状是“V”、“U”、“Ω” 等形状的橡胶波纹管。

转动配气阀22的结构如附图5～14所示：焊接结构的阀芯24靠滚针轴 承29支撑在前盖25和后盖30上，前盖25和后盖30靠轴向凸缘止口与阀壳 体27的中孔定位，并用沉头螺钉连接，前盖25和后盖30的侧面嵌有密封圈 26，阀壳体27中孔内用胶粘接弹性密封衬套28。

下面为本实用新型仿生机器蛇形机器人的工作原理及工作过程：

如附图15所示，柔性关节模块中的波壳I-O1口相连、波壳IV-O2 口相连，它们起水平弯曲作用，且O1、O2口相邻，水平弯曲反应快，蛇的游 动速度快；因上下弯曲时受力较大，关节的波壳中II、III、V、VI两两并联 后，再与旋转配气阀的阀口连接，即形成II-III-O3、V-VI-O4的连接， 这样也减少了旋转配气阀的轴向尺寸。

由微型步进电机21驱动的旋转配气阀22，旋转配气阀22的阀芯24是 由无缝钢管两端焊接轴颈后加工而成的，这样既可以减少重量、加工简单， 其空腔与气动软总管4组合起来，又可以起到储气罐的作用；弹性密封衬套 28靠胶水粘在阀壳体上。微型气泵泵出的气体从气动软总管4进入旋转配气 阀22的P口、由环槽、经阀芯中空腔、再从小半环窄槽到O1口、进入柔性 关节的波壳I；此时，柔性关节的波壳II-III经O3口、大半环宽槽后，由出 口通大气；柔性关节的其它波壳IV、V-VI此时同样也通大气。阀芯转动后， 经转换，波壳的接通泵出气体的次序依次是：IV、II-III、V-VI，实现转 动配气作用；微型步进电机可以停在某一位置，保持相应波壳冲气或闭气状 态；关节水平面横向弯曲摆动时，相对方向的波壳I、IV反复冲气、闭气、 放气，由微型步进电机正、定位停转和反转来实现。