一种模块化正交结构蛇形机器人的制作方法

本发明涉及机器人研究和工程领域，更具体地，涉及一种模块化正交结构蛇形机器人。

背景技术：

授权公告号：cn1251841c，公开了一种模块化可变结构蛇形机器人，它由多个相同结构的单自由度的关节模块组成，每个关节模块具有伺服控制器、活动板、连接板，所述关节模块通过活动板、连接板依次相连，通过相邻关节模块的方向差为0和/或90度的连接方式构成蛇体结构，每个关节模块的伺服控制器分别与控制板相连，再与主控计算机中控制程序信号相通。该发明可以根据应用背景需要，用同样数量的关节模块组成能实现两维运动的蛇形机器人，也可组成能实现三维运动的蛇形机器人。它具有模块化、可变结构的特点，便于加工、制造、调试。

该发明比较完整的提出了蛇形机器人的设计结构，并且设计出可用于应用的蛇形机器人实体。但是该发明也存在一些不足，如结构相对简单，部分组件暴露在外易损坏、通信系统相对简单等。

由于是对蛇形机器人初步研究及设计，上述发明存在一些不足：

1、关节结构相对简单。每个关节主要包括伺服控制器、活动板、连接板，这种结构恰好满足每个关节的活动需要，不适合高强度运动；且关节结构呈长方体状，在做三维运动时，关节体与地面及周围环境不能平滑接触。

2、部分部件暴露在外易损坏。由于关节结构设计相对简单，且没有加外壳保护，导致关节间连接线暴露在外，在强运动场景下，容易与周围环境接触致使损坏。

3、功率相对较低。伺服控制器功率的限制及关节结构比较脆弱，会影响蛇体整体的功率，即性能表现。

4、通信系统稳定性相对不足。该专利没有标明通信系统细节，认为其通信系统还处于刚好够用的阶段，稳定性、可靠性相对不足。

5、传感器系统简单。该专利传感器相对简单，对周围环境感知不足。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种模块化正交结构蛇形机器人，设计模块化的关节，增加关节强度、可靠性，且设计圆柱形外壳。设计稳定的传动系统确保高强度作业；采用舵机提供动力，保证蛇体整体功率输出；外部设计圆柱形外壳并以轻型材质加工，保障蛇体与周围环境的圆滑接触，且将关节内部件封装，避免暴露损坏。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种模块化正交结构蛇形机器人，由若干个关节模块组成，每个关节模块内设有驱动系统和控制系统，关节模块之间相对旋转90度首尾连接，所述的控制系统与驱动系统电连接，相邻的关节模块通过驱动系统驱动旋转。

相邻两个关节模块之间相对旋转90度首尾连接，因此，将多个关节模块依次连接起来时，各个关节模块之间的输出轴可形成90度交错布置，因而使蛇形机器人具有3d空间的运动能力，通过控制模块控制驱动模块使蛇形机器人运动。

进一步的，蛇形机器人还设有外壳，所述的各关节模块依次相连时能形成连续平滑的圆柱外形，所述的驱动系统和控制系统设于外壳内，关节模块连接处的缺口较窄，把各关节模块依次相连时能形成连续的，平滑的圆柱外形。主框架尾部与上一关节相连部分尺寸紧凑，因此在旋转运动时不会破坏外形的完整性。对蛇形机器人在地面上运动的平顺性，稳定性均有正面效果。

进一步的，所述的外壳包括下盖、主框架，所述的主框架下端设有连接孔，下盖上端与主框架上端之间有空隙。

进一步的，所述的驱动系统包括电机、输出轴、减速器，电机与减速器上的小齿连接，减速器上的大齿和小齿咬合，输出轴一端与大齿连接，另一端露出于下盖与主框架之间的空隙。

进一步的，所述的输出轴为中空结构的阶梯轴，关节模块内的数据线与电源线可以穿过轴的中空圆孔到达下一关节。

进一步的，所述的电机、输出轴、减速器安装在主框架上，使得各部件具有共同的定位基准面，提高了定位精度，特别是传动部分，同时也方便了各部件的安装；使得各受力部件均固定在同一高强度框架上，提高了整体刚性，也为后续轻量化设计提供更大空间；使得关节功能性实现不依赖于外壳，方便了蛇形机器人的现场调试。

进一步的，相邻的关节模块上的输出轴的角度为90度，相邻关节模块之间的旋转角度范围为0度-180度，输出轴角度呈90度实现了相邻两关节模块的二维空间活动，多个关节模块连接在一起便实现了三维空间活动，相邻关节模块之间的旋转角度为0度-180度，可以最大限度的扩大蛇形机器人的活动范围，也避免了蛇形机器人由于旋转过度导致卡死的现象发生。

进一步的，所述的输出轴末端设有固定销，所述固定销与相邻关节模块上的连接孔配合连接，相邻关节模块通过输出轴带动旋转。

进一步的，所述的控制系统由通信系统、传感器系统、电源、稳压模块、控制器电连接组成，传感器系统将数据传输至通信系统，通信系统接收控制信号传输至控制器控制控制驱动系统实现对蛇形机器人运动控制，稳压模块起电源稳压作用，通信系统稳定性高，改善通信效率低、抗干扰能力低、容易崩溃不稳定的问题，传感器系统包括多种传感器，增加对周围环境及自身运动状态的感知。

与现有技术相比，有益效果是：

1、本发明为全封闭式外形设计，除控制系统程序下载口外，所有内部部件均未暴露在外部环境中。程序下载口在完成调试后也可用橡胶塞封闭。因此蛇形机器人具有很好的防尘，防沙能力，扩展了其工作的环境。同时，也为实现蛇形机器人的防水提供了可能性。

2、本发明外形为标准圆柱形，关节连接处之缺口较窄。把各关节依次相连时能形成连续的，平滑的圆柱外形。主框架尾部与上一关节相连部分尺寸紧凑，因此在旋转运动时不会破坏外形的完整性。对蛇形机器人在地面上运动的平顺性，稳定性均有正面效果。

3、本关节外形紧凑小巧，有利于蛇形机器人完成更高难度的形状动作。

4、本发明主要部件均安装在主框架上，使得各部件具有共同的定位基准面，提高了定位精度，特别是传动部分，同时也方便了各部件的安装；使得各受力部件均固定在同一高强度框架上，提高了整体刚性，也为后续轻量化设计提供更大空间；使得关节功能性实现不依赖于外壳，方便了蛇形机器人的现场调试。

附图说明

图1是本发明在一个实施例中单个关节模块的爆炸图；

图2是本发明在一个实施例中单个关节模块的组合示意图；

图3是本发明在一个实施例中的主框架示意图；

图4是图1中部件4的结构示意图；

图5是本发明在一个实施例中多关节拼接成整体的示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1：如图1所示，本发明单个关节的主框架3上端和轴承盖板6上设有通孔，通孔内设有轴承401，输出轴4一端安装在主框架3上端的轴承内，另一端穿过减速器5上的大齿501，安装在轴承盖板6上的轴承内。轴承端盖6与主框架3连接，将轴承401、输出轴4、减速器5包在主框架3内，控制系统7通过安装在轴承端盖6上，传感器系统701与控制系统7电连接。电机2安装主框架3中部，电机2与小齿502连接，电机2置于下盖1下端的中空位置，下盖1上端设有稳定隔仓101，下盖仓板102将稳定隔仓101盖住。上盖8、下盖1分别通过主框架3上的螺孔与主框架3连接，形成全密封外壳，使蛇形机器人具有良好的防尘防沙能力，扩展了其工作的环境，同时也为蛇形机器人提供了防水的可能性。

其中，主框架是每个关节模块的受力部件，其固定在上一个关节模块的输出轴4上并安装本关节的输出轴4。每个关节模块上的上盖8、下盖1，电机2，减速器5，控制系统7都安装在主框架3上，使得各部件具有共同的定位基准面，提高了定位精度，特别是传动部分，同时也方便了各部件的安装；使得各受力部件均固定在同一高强度主框架3上，提高了整体刚性，也为后续轻量化设计提供更大空间；使得关节功能性实现不依赖于外壳，方便了蛇形机器人的现场调试。

其中，控制系统由通信系统、传感器系统701、电源、稳压模块、控制器电连接组成，传感器系统将数据传输至通信系统，通信系统接收控制信号传输至控制器控制控制驱动系统实现对蛇形机器人运动控制，稳压模块起电源稳压作用，通信系统稳定性高，改善通信效率低、抗干扰能力低、容易崩溃不稳定的问题，传感器系统包括角度传感器、陀螺仪、加速度计、温度传感器、电流传感器，可以增加蛇形机器人对周围环境以及自身状态的感知，并反馈给操作人员进行实时调节。

其中，输出轴4上设有固定销402，固定销402与相邻的关节模块上的连接孔301配合连接，两关节模块之间通过螺钉进行连接。控制系统7接收远端控制信号控制电机2，电机2通过减速器5驱动输出轴4，输出轴4带动另一关节模块转动，传感器系统701将运动数据反馈至控制器7发送给远端操作台。

其中，关节模块连接处的缺口较窄，把各关节模块依次相连时能形成连续平滑的圆柱外形，主框架下端与上一关节模块连接部分尺寸紧凑，因此在旋转运动时不会破坏外形的完整性，对蛇形机器人的在地面上运动的平顺性，稳定性均有正面效果。将多个关节模块依次连接起来时，各个关节模块之间的输出轴可形成90度交错布置，因而使蛇形机器人具有3d空间的运动能力，通过控制模块控制驱动模块使蛇形机器人运动。

其中，如图5所示为多个关节拼接组成的完成蛇形机器人结构示意图，相邻的关节模块上的输出轴的角度为90度，相邻关节模块之间的旋转角度范围为0度-180度，输出轴角度呈90度实现了相邻两关节模块的二维空间活动，多个关节模块连接在一起便实现了三维空间活动，相邻关节模块之间的旋转角度为0度-180度，可以最大限度的扩大蛇形机器人的活动范围，也避免了蛇形机器人由于旋转过度导致卡死的现象发生，通过在垂直方向上和水平方向上的运动，可以模拟蛇行走的轨迹，实现蛇形机器人的前进、缠绕、盘旋动作。

其中，如图2所示为蛇形机器人中单个关节模块的组合视图，上盖8、主框架3、下盖1组成密闭的外壳，主框架3末端与下盖1之间有一定的间隙，输出轴4尾端的固定销402和连接电源线、数据线的电气连接弹针304均露出于间隙间。

其中，如图4所示为输出轴4的示意图，输出轴4为阶梯轴，输出轴中部中空，关节模块内的数据线与电源线可以穿过轴的中空圆孔到达下一关节。

实施例2：本实施例与实施例1相似，不同之处在于，通信系统采用can总线协议设计控制系统，采用本系统从通信结构出发，改善了原有普通通信系统存在的通信效率低，抗干扰能力差，容易崩溃不稳定的问题。

实施例3：本实施例与实施例2相似，不同之处在于，如图3所示，主框架下端的用于固定相邻两关节模块的螺孔303进行了沉孔处理，螺钉头部埋在主框架3表面下，从而使得主框架3与上一节下盖稳定隔仓盖板相对于平面维持平整无突起，防止他们之间的干涉。

实施例4：本实施例与实施例1相似，不同之处在于，本实施例中的电机采用型号为ds1509mg的舵机。该舵机内部结构和电子元件均经过定制改装，使其能360度连续旋转并改变速度。

实施例5：本实施例与实施例1相似，不同之处在于，本实施例中减速器5中小齿502与大齿501由一对齿比为22：76的直齿圆柱齿轮组成，且相邻两关节模块上的输入轴之间距离仅为63mm，减小了蛇形机器人身体弯曲的半径，使得其能在更细的管道，树木等物体上爬行。关节模块外形剖面为直径60mm的圆形，减小了体积和重量，为蛇形机器人在更细的管道内爬行提供了可能。

实施例6：本实施例与实施例1相似，不同之处在于，本实施例中主框架3，上盖8、下盖1，轴承盖板6，输出轴4材料均为高强度铝合金，兼顾了结构强度和轻量化。因主框架3需承受弯矩，扭矩，拉力等各种负载，其强度要求较高，这导致其重量较大。本发明对其下端采用了到倒圆角，上端减少主框架3的厚度进行轻量化设计，在强度满足的基础上，尽可能减小或者去除与其基本功能无关部分所占重量，只保留其连接、定位的基本属性。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。