專利名稱：模塊化可變結(jié)構(gòu)蛇形機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及機(jī)器人研究和工程領(lǐng)域，具體是一種模塊化可變結(jié)構(gòu)蛇形機(jī)器人。
背景技術(shù)：
蛇形機(jī)器人具有穩(wěn)定性好、橫截面小、柔性等特點(diǎn)，能在各種粗糙、陡峭、崎嶇的復(fù)雜地形上行走，并可攀爬障礙物，這是以輪子或腿作為行走工具的機(jī)器人難以做到的。目前，蛇形機(jī)器人一般由多個(gè)關(guān)節(jié)模塊組成，關(guān)節(jié)模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為液壓或電動(dòng)，具有單自由度或多自由度運(yùn)動(dòng)方式，雖關(guān)節(jié)模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能各有不同，但由于關(guān)節(jié)模塊間的連接方式只有一種，只能構(gòu)成一種結(jié)構(gòu)的蛇形機(jī)器人。這種單一的構(gòu)成方式使蛇形機(jī)器人的應(yīng)用受到很大限制，即具有三維運(yùn)動(dòng)功能的蛇形機(jī)器人雖適用于三維空間，但在平面運(yùn)動(dòng)時(shí)造成垂直運(yùn)動(dòng)部分的浪費(fèi)。具有二維運(yùn)動(dòng)功能的蛇形機(jī)器人不適用于三維空間運(yùn)動(dòng)。
實(shí)用新型內(nèi)容為了克服上述由于蛇形機(jī)器人構(gòu)成方式使應(yīng)用受限的不足，本實(shí)用新型的目的是提出一種模塊化可變結(jié)構(gòu)蛇形機(jī)器人。它改善了適應(yīng)能力，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是由多個(gè)相同結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)模塊組成，每個(gè)關(guān)節(jié)模塊為單自由度，具有伺服控制器、活動(dòng)板、連接板，所述關(guān)節(jié)模塊通過(guò)活動(dòng)板、連接板依次相連，其特征在于還包括控制板、主控計(jì)算機(jī)，通過(guò)相鄰關(guān)節(jié)模塊方向差為0和/或90度的連接方式構(gòu)成蛇體結(jié)構(gòu)，每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的伺服控制器分別與控制板相連，再通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RS232串口與主控計(jì)算機(jī)中控制程序信號(hào)相通；所述關(guān)節(jié)模塊按方向相同的方式首尾依次連接，構(gòu)成二維運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)；所述關(guān)節(jié)模塊按相鄰的關(guān)節(jié)模塊方向差90度方式首尾依次連接，而相間隔的兩個(gè)關(guān)節(jié)模塊方向相同，構(gòu)成三維運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)；關(guān)節(jié)模塊連接結(jié)構(gòu)為二維運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)與三維運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)相結(jié)合方式，即所述一部分關(guān)節(jié)模塊按方向相同的方式首尾依次連接，構(gòu)成二維運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)；所述另一部分關(guān)節(jié)模塊按相鄰的關(guān)節(jié)模塊方向差90度方式首尾依次連接，而相間隔的兩個(gè)關(guān)節(jié)模塊方向相同，構(gòu)成三維運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。
本實(shí)用新型具有如下有益效果1.具有模塊化、可變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。本實(shí)用新型模塊化的設(shè)計(jì)使得每個(gè)關(guān)節(jié)模塊結(jié)構(gòu)相同，便于加工、制造、調(diào)試，同時(shí)也易于維護(hù)和更換。
2.改善了適應(yīng)能力，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。本實(shí)用新型可變結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使用戶可以根據(jù)應(yīng)用背景構(gòu)造蛇形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展了蛇形機(jī)器人的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍；如本實(shí)用新型蛇形機(jī)器人適用于三維空間，而且也適用于平面運(yùn)動(dòng)方式，在平面運(yùn)動(dòng)時(shí)可以采用二維運(yùn)動(dòng)功能的蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)，避免了垂直運(yùn)動(dòng)部分的浪費(fèi)。


圖1為單自由度的關(guān)節(jié)模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為兩個(gè)關(guān)節(jié)模塊按相同方向連接的連接示意圖。
圖3-1為二維運(yùn)動(dòng)的蛇形機(jī)器人構(gòu)形圖。
圖3-2為二維運(yùn)動(dòng)的蛇形機(jī)器人示意圖。
圖4-1為主控計(jì)算機(jī)與控制板控制8個(gè)關(guān)節(jié)模塊實(shí)施例電控原理圖。
圖4-2為主控計(jì)算機(jī)、控制板、伺服控制器之間連接線路圖。
圖5為主控計(jì)算機(jī)的程序流程圖。
圖6-1為兩個(gè)關(guān)節(jié)模塊按相差90度方向連接的連接示意圖。
圖6-2為由多個(gè)關(guān)節(jié)模塊按相差90度方向連接的三維運(yùn)動(dòng)的蛇形機(jī)器人示意圖。
圖7為二維運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)與三維運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的另一實(shí)施例蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1由多個(gè)相同的單自由度的關(guān)節(jié)模塊組成，每個(gè)單自由度的關(guān)節(jié)模塊具有伺服控制器、活動(dòng)板、連接板，所述關(guān)節(jié)模塊通過(guò)活動(dòng)板、連接板依次相連，其中所述關(guān)節(jié)模塊如圖1所示，包括連接板1、固定板2、伺服控制器3、轉(zhuǎn)軸4、活動(dòng)板5、仿蛇皮材料的底面7，所述底面7安裝在活動(dòng)板5的底部，活動(dòng)板5為凵形，開(kāi)口朝一側(cè)，水平放置，其位于上、下方的兩側(cè)壁通過(guò)轉(zhuǎn)軸4與伺服控制器3活動(dòng)連接，活動(dòng)板5可隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，伺服控制器3與固定板2相連接，固定板2為凵形，開(kāi)口朝向與活動(dòng)板5開(kāi)口朝向相反，水平放置，底部與連接板1固連，至少由8個(gè)關(guān)節(jié)模塊組成一個(gè)蛇形機(jī)器人，行走路線為S形；轉(zhuǎn)軸4為關(guān)節(jié)模塊的關(guān)節(jié)；一個(gè)單自由度的關(guān)節(jié)模塊與另一個(gè)單自由度的關(guān)節(jié)模塊通過(guò)連接板1、活動(dòng)板5相連，具體說(shuō)是連接板1、活動(dòng)板5上有四個(gè)對(duì)稱分布的連接孔，通過(guò)螺絲可以將兩個(gè)關(guān)節(jié)模塊按相同方向連接起來(lái)，如圖2、3-1、3-2所示。本實(shí)施例尺寸為640×36×60mm。
每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的伺服控制器3(通過(guò)三芯接插件)分別與控制板相連，再通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RS232串口與主控計(jì)算機(jī)中控制程序信號(hào)相通；具體是每個(gè)關(guān)節(jié)模塊有一個(gè)伺服控制器(為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，型號(hào)為JR4721，產(chǎn)地為日本，也可自制)，其電器接口為三根線(控制信號(hào)、電源、地)，通過(guò)三芯接插件與控制板相連，由控制板控制(圖1中標(biāo)號(hào)6為來(lái)自伺服控制器3的接線)。其中每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的電器接口相同，可以互換。
所述安裝在活動(dòng)板5下部的仿蛇皮材料底面7，具有橫向磨擦系數(shù)和縱向磨擦系數(shù)相差很大的特性，其橫向磨擦系數(shù)比縱向磨擦系數(shù)大10～100倍。
控制板為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，型號(hào)為SSCII，一塊控制板可以控制8個(gè)伺服控制器。主控計(jì)算機(jī)與控制板通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RS232串口相連。
在本實(shí)施例中，采用一塊控制板(分別接5V、9V電源)，通過(guò)8個(gè)伺服控制器3控制8個(gè)關(guān)節(jié)模塊，其電控原理圖如圖4-1所示；主控計(jì)算機(jī)、控制板、伺服控制器之間具體的連接線路如圖4-2所示。
如圖5所示，所述主控計(jì)算機(jī)中控制程序，用于將每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的位置量傳給控制板，由控制板將位置量分別送給相應(yīng)的關(guān)節(jié)模塊上的伺服控制器3，從而使由關(guān)節(jié)模塊構(gòu)成的蛇體實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)方式；具體流程為首先初始化，使每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的位置處于零位，讓蛇體成一條直線，然后判斷蛇體運(yùn)動(dòng)方式(平面蜿蜒運(yùn)動(dòng)、翻滾運(yùn)動(dòng)、側(cè)動(dòng)等)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式計(jì)算每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的位置值，具體為是平面蜿蜒運(yùn)動(dòng)時(shí)，則計(jì)算每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的位置值，向控制板傳送每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的位置值；不是平面蜿蜒運(yùn)動(dòng)，再判斷是翻滾運(yùn)動(dòng)否，是翻滾運(yùn)動(dòng)時(shí)，計(jì)算每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的位置值，向控制板傳送每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的位置值；不是翻滾運(yùn)動(dòng)，再判斷是否是側(cè)動(dòng)，是側(cè)動(dòng)，則計(jì)算每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的位置值，向控制板傳送每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的位置值；然后再判斷是否運(yùn)動(dòng)？結(jié)果為“是”，則返回重新判斷關(guān)節(jié)模塊運(yùn)動(dòng)方式；否則結(jié)束程序。其中1)平面蜿蜒運(yùn)動(dòng)控制水平軸上關(guān)節(jié)模塊的關(guān)節(jié)保持直線，而垂直軸上關(guān)節(jié)模塊的關(guān)節(jié)呈正弦變化；采用的算法公式為θ1(s)=-2α0sin(Knπn)·sin(2KnπLs+2Knπni)+K1l]]>；使每個(gè)做平面運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊的轉(zhuǎn)動(dòng)位置呈正弦變化，相鄰的、做平面運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)模塊的轉(zhuǎn)動(dòng)位置相差一定的相位(如JI/4)。
其中α0是蛇體運(yùn)動(dòng)的初始彎角，Kn是在蛇體內(nèi)傳播的正弦波的個(gè)數(shù)，L是蛇體長(zhǎng)，s是尾部關(guān)節(jié)模塊沿蛇形曲線軸線方向的虛位移，l是每一關(guān)節(jié)模塊的長(zhǎng)度，i代表任意一個(gè)關(guān)節(jié)模塊，K1是曲率。
2)側(cè)向運(yùn)動(dòng)控制垂直軸上關(guān)節(jié)模塊的關(guān)節(jié)和水平軸上關(guān)節(jié)模塊的關(guān)節(jié)都呈正弦變化，兩個(gè)曲線之間有一個(gè)相位差δφ；側(cè)向運(yùn)動(dòng)采用的算法公式為 其中 蛇體水平平面內(nèi)正弦波的初始彎角， 蛇體垂直平面內(nèi)正弦波的初始彎角，Kn是蛇體內(nèi)傳播正弦波的個(gè)數(shù)，nθ為垂直平面運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)模塊數(shù)，nφ為水平平面運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)模塊數(shù)，L是蛇體長(zhǎng)，s是尾部關(guān)節(jié)模塊沿蛇形曲線軸線方向的虛位移，l是每一關(guān)節(jié)模塊的長(zhǎng)度，i代表任意一個(gè)關(guān)節(jié)模塊，δφ為兩個(gè)關(guān)節(jié)模塊運(yùn)動(dòng)曲線的相位差，K1是曲率；翻滾運(yùn)動(dòng)控制垂直軸上關(guān)節(jié)模塊的關(guān)節(jié)和水平軸上關(guān)節(jié)模塊的關(guān)節(jié)變化，使其每一方向的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角度沿蛇體軸線無(wú)變化，垂直軸與水平軸構(gòu)成的兩個(gè)互相垂直平面內(nèi)的一段弧的合成作用使整個(gè)蛇體處于力不平衡狀態(tài)，兩個(gè)曲線之間有一個(gè)相位差為π/2；所述翻滾運(yùn)動(dòng)采用的算法公式為
其中 蛇體水平平面內(nèi)正弦波的初始彎角， 蛇體垂直平面內(nèi)正弦波的初始彎角，Kn是蛇體內(nèi)傳播波的正弦波個(gè)數(shù)，nθ為垂直平面運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)模塊數(shù)，nφ為水平平面運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)模塊數(shù)，L是蛇體長(zhǎng)，s是尾部關(guān)節(jié)模塊沿蛇形曲線軸線方向的虛位移，l是每一關(guān)節(jié)模塊的長(zhǎng)度，i代表任意一個(gè)關(guān)節(jié)模塊，K1是曲率。
主控計(jì)算機(jī)與控制板之間通過(guò)RS232串口將每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的位置量傳給控制板，位置量的數(shù)據(jù)傳送方法是第一個(gè)字節(jié)為同步字(255)，第二個(gè)字節(jié)為關(guān)節(jié)模塊號(hào)(0-7)，第三個(gè)字節(jié)為位置值(0-254)，例如，讓第二個(gè)關(guān)節(jié)模塊位置為45度，應(yīng)送255，1，63，由控制板將位置量分別送給相應(yīng)的關(guān)節(jié)模塊，從而使本實(shí)用新型蛇形機(jī)器人實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)。其中平面蜿蜒運(yùn)動(dòng)包括轉(zhuǎn)向、前進(jìn)或后退。
實(shí)施例2所述多個(gè)單自由度的關(guān)節(jié)模塊，按應(yīng)用的需要，都可互換，組成許多種結(jié)構(gòu)的蛇形機(jī)器人，如圖6-1、6-2所示，通過(guò)螺絲采用活動(dòng)板5、連接板1將每個(gè)單自由度的關(guān)節(jié)模塊按相鄰的關(guān)節(jié)模塊方向差90度、間隔的兩個(gè)關(guān)節(jié)模塊方向相同的方式連接，構(gòu)成三維運(yùn)動(dòng)的蛇形機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)方式亦為平面蜿蜒運(yùn)動(dòng)、翻滾運(yùn)動(dòng)、側(cè)動(dòng)等。
實(shí)施例3本實(shí)用新型還可以組成三維運(yùn)動(dòng)與二維運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，如前部是三維運(yùn)動(dòng)，后部是二維運(yùn)動(dòng)的蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)，或后部是三維運(yùn)動(dòng)，前部是二維運(yùn)動(dòng)的蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)，或前后部是三維運(yùn)動(dòng)，中部是二維運(yùn)動(dòng)的蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)；本實(shí)施例采用前部是三維運(yùn)動(dòng)，后部是二維運(yùn)動(dòng)的蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)，如圖7所示，運(yùn)動(dòng)方式亦為平面蜿蜒運(yùn)動(dòng)、翻滾運(yùn)動(dòng)、側(cè)動(dòng)等。
上列詳細(xì)說(shuō)明是針對(duì)本實(shí)用新型之可行實(shí)施例的具體說(shuō)明，并非用以限制本實(shí)用新型的專利保護(hù)范圍，凡未脫離本實(shí)用新型技藝精神所為的等效實(shí)施或變更如組合成其它結(jié)構(gòu)的蛇形機(jī)器人，均應(yīng)包含于本申請(qǐng)案的專利保護(hù)范圍中。
權(quán)利要求1.一種模塊化可變結(jié)構(gòu)蛇形機(jī)器人，由多個(gè)相同結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)模塊組成，每個(gè)關(guān)節(jié)模塊為單自由度，具有伺服控制器、活動(dòng)板、連接板，所述關(guān)節(jié)模塊通過(guò)活動(dòng)板、連接板依次相連，其特征在于還包括控制板、主控計(jì)算機(jī)，通過(guò)相鄰關(guān)節(jié)模塊方向差為0和/或90度的連接方式構(gòu)成蛇體結(jié)構(gòu)，每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的伺服控制器分別與控制板相連，再通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RS232串口與主控計(jì)算機(jī)中控制程序信號(hào)相通。
2.按照權(quán)利要求1所述模塊化可變結(jié)構(gòu)蛇形機(jī)器人，其特征在于所述關(guān)節(jié)模塊按方向相同的方式首尾依次連接，構(gòu)成二維運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。
3.按照權(quán)利要求1所述模塊化可變結(jié)構(gòu)蛇形機(jī)器人，其特征在于所述關(guān)節(jié)模塊按相鄰的關(guān)節(jié)模塊方向差90度方式首尾依次連接，而相間隔的兩個(gè)關(guān)節(jié)模塊方向相同，構(gòu)成三維運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。
4.按照權(quán)利要求1所述模塊化可變結(jié)構(gòu)蛇形機(jī)器人，其特征在于關(guān)節(jié)模塊連接結(jié)構(gòu)為二維運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)與三維運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)相結(jié)合方式，即所述一部分關(guān)節(jié)模塊按方向相同的方式首尾依次連接，構(gòu)成二維運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)；所述另一部分關(guān)節(jié)模塊按相鄰的關(guān)節(jié)模塊方向差90度方式首尾依次連接，而相間隔的兩個(gè)關(guān)節(jié)模塊方向相同，構(gòu)成三維運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)一種模塊化可變結(jié)構(gòu)蛇形機(jī)器人。它由多個(gè)相同結(jié)構(gòu)的單自由度的關(guān)節(jié)模塊組成，每個(gè)關(guān)節(jié)模塊具有伺服控制器、活動(dòng)板、連接板，所述關(guān)節(jié)模塊通過(guò)活動(dòng)板、連接板依次相連，通過(guò)相鄰關(guān)節(jié)模塊的方向差為0和/或90度的連接方式構(gòu)成蛇體結(jié)構(gòu)，每個(gè)關(guān)節(jié)模塊的伺服控制器分別與控制板相連，再與主控計(jì)算機(jī)中控制程序信號(hào)相通。根據(jù)應(yīng)用背景需要，本實(shí)用新型可用同樣數(shù)量的關(guān)節(jié)模塊組成能實(shí)現(xiàn)兩維運(yùn)動(dòng)的蛇形機(jī)器人，也可組成能實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)的蛇形機(jī)器人。它具有模塊化、可變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，便于加工、制造、調(diào)試，易于維護(hù)和更換，擴(kuò)展了蛇形機(jī)器人的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)B25J7/00GK2576433SQ0228091
公開(kāi)日2003年10月1日 申請(qǐng)日期2002年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月6日
發(fā)明者李斌, 陳麗, 王越超, 汪洋 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所