專(zhuān)利名稱(chēng)：仿飛蛇骨骼空間擴(kuò)展掘進(jìn)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到機(jī)構(gòu)仿生學(xué)，以及機(jī)械設(shè)計(jì)和制造等學(xué)科領(lǐng)域，尤其是針對(duì)一種實(shí)現(xiàn)仿生擴(kuò)展和仿生掘進(jìn)功能的裝置研究。
背景技術(shù)：
仿爬行類(lèi)蛇形機(jī)器人在陸地或樹(shù)上可以實(shí)現(xiàn)螺旋運(yùn)動(dòng)、蜿蜒運(yùn)動(dòng)、伸縮運(yùn)動(dòng)、側(cè)向盤(pán)旋運(yùn)動(dòng)、蠕動(dòng)與攀緣等，在叢林或城市建筑群等高空復(fù)雜非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的大間距移動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)空間與速度上受到了一定的限制。飛蛇具有搖鼓肋骨實(shí)現(xiàn)滑翔的奇異功能，于樹(shù)枝末端通過(guò)瞬間彈起或俯沖獲得飛行的動(dòng)能與勢(shì)能，搖鼓肋骨變成類(lèi)似于“S”形扁平薄帶，通過(guò)頭部擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)大間距快速精確滑翔，降落后可以再攀爬到高處續(xù)航。本發(fā)明深入研究飛蛇搖鼓肋骨實(shí)現(xiàn)空中滑翔的運(yùn)動(dòng)機(jī)理及肌肉生物力學(xué)特性和頭部對(duì)滑翔姿態(tài)的調(diào)整特性，研制了具有空間擴(kuò)展功能的掘進(jìn)器，拓展了蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間和功能前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決雪崩、礦難被填埋巷道的疏通與擴(kuò)展，為救援人員贏得了時(shí)間，為被困人員拓展了救援通道，為救援增加了一種新手段，而提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工、裝配和仿生效果好的仿飛蛇骨骼空間擴(kuò)展掘進(jìn)器。本發(fā)明的技術(shù)方案是構(gòu)造仿飛蛇骨骼空間擴(kuò)展掘進(jìn)器，仿飛蛇骨骼本體由若干個(gè)飛蛇機(jī)架單元組成，每個(gè)單元之間通過(guò)類(lèi)萬(wàn)向鉸接的方式連接在一起，單元之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有兩組同步帶傳動(dòng)，從而使飛蛇機(jī)架單元能實(shí)現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)，仿飛蛇傳動(dòng)單元的動(dòng)力是通過(guò)安裝在飛蛇傳動(dòng)單元內(nèi)部的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。具體技術(shù)方案如下一種仿飛蛇骨骼空間擴(kuò)展掘進(jìn)器，包括作為頭部的掘進(jìn)單元、 作為蛇身的3 10個(gè)飛蛇機(jī)架單元和蛇尾，所述飛蛇機(jī)架單元之間通過(guò)十字軸正交連接結(jié)構(gòu)連接，飛蛇機(jī)架單元具有機(jī)架本體，機(jī)架本體中部設(shè)有能夠向兩側(cè)展開(kāi)的肋骨結(jié)構(gòu)；上述飛蛇機(jī)架單元的機(jī)架本體上設(shè)有傳動(dòng)組件和擴(kuò)展組件，上述傳動(dòng)組件包括分別設(shè)在機(jī)架本體前、后部的電機(jī)、傳動(dòng)齒輪和同步傳動(dòng)件；所述擴(kuò)展組件包括舵機(jī)、與舵機(jī)輸出端配合的一級(jí)磁力傳動(dòng)輪和與一級(jí)磁力傳動(dòng)輪配合、且位于一級(jí)磁力傳動(dòng)輪兩側(cè)的兩個(gè)二級(jí)磁力傳動(dòng)輪，上述二級(jí)磁力傳動(dòng)輪與肋骨結(jié)構(gòu)耦合。上述十字軸正交連接結(jié)構(gòu)上有軸銷(xiāo)，機(jī)架本體一端凸耳上設(shè)有連接孔，十字軸正交連接結(jié)構(gòu)上軸銷(xiāo)和機(jī)架本體凸耳兩個(gè)連接孔相互配合。上述傳動(dòng)組件的傳動(dòng)齒輪為與電機(jī)輸出端連接的小錐齒輪和大錐齒輪，同步傳動(dòng)件為與大錐齒輪同軸設(shè)置的主動(dòng)同步輪和設(shè)置在十字軸正交連接結(jié)構(gòu)上的被動(dòng)同步輪，上述主、被動(dòng)同步輪通過(guò)同步帶傳動(dòng)連接。上述掘進(jìn)單元由截割部分和電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分組成，上述截割部分上焊接有截割塊。本發(fā)明有益效果本發(fā)明將行走功能、擴(kuò)展功能和掘進(jìn)功能集中一體，飛蛇機(jī)架單元本體為整個(gè)掘進(jìn)器提供陸地行走功能和姿態(tài)控制，獨(dú)特設(shè)計(jì)的十字正交連接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)相鄰兩個(gè)關(guān)節(jié)的兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)；機(jī)架單元內(nèi)的擴(kuò)展組件運(yùn)用磁力傳遞方式，控制仿飛蛇骨骼擴(kuò)展掘進(jìn)器上的肋骨結(jié)構(gòu)開(kāi)合，能使仿飛蛇骨骼擴(kuò)展，掘進(jìn)器最終實(shí)現(xiàn)空間擴(kuò)展的功能，肋骨結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)輕量化的處理，輕便實(shí)用；掘進(jìn)單元給仿飛蛇骨骼擴(kuò)展掘進(jìn)器提供挖掘功能，本掘進(jìn)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)仿飛蛇骨骼擴(kuò)展掘進(jìn)器的多種功能任務(wù)，可以應(yīng)對(duì)不同的外界環(huán)境的挑戰(zhàn)。


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I為本發(fā)明仿飛蛇骨骼空間擴(kuò)展掘進(jìn)器的整體結(jié)構(gòu)示意圖。 2為圖I中飛蛇機(jī)架單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
3為圖2中機(jī)架單元內(nèi)傳動(dòng)組件結(jié)構(gòu)示意圖。
4為相鄰兩個(gè)飛蛇機(jī)架單元之間傳動(dòng)組件示意圖。
5為相鄰兩個(gè)飛蛇機(jī)架單元之間結(jié)構(gòu)示意圖。
6為飛蛇機(jī)架單元內(nèi)擴(kuò)展組件示意圖。
7為圖6中十字軸正交連接結(jié)構(gòu)示意圖。
8為圖6中擴(kuò)展組件的磁力傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖。
9為圖6中肋骨結(jié)構(gòu)處于展開(kāi)狀態(tài)示意圖。
10為本發(fā)明掘進(jìn)單元結(jié)構(gòu)示意圖。
11為相鄰飛蛇機(jī)架單元之間關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)發(fā)明作更詳盡的說(shuō)明。請(qǐng)參閱圖I至圖5，本發(fā)明仿飛蛇骨骼空間擴(kuò)展掘進(jìn)器包括位于前方的掘進(jìn)單元 1，掘進(jìn)單元后面為6個(gè)飛蛇機(jī)架單元2以及蛇尾3。上述飛蛇機(jī)架單元2之間通過(guò)十字軸正交連接結(jié)構(gòu)20連接。也就是說(shuō)仿飛蛇骨骼空間擴(kuò)展掘進(jìn)器由若干段組成，每段機(jī)架單元通過(guò)十字正交連接結(jié)構(gòu)連接，運(yùn)動(dòng)時(shí)各段機(jī)架單元通過(guò)十字正交連接結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一定角度的偏轉(zhuǎn)，從而不僅實(shí)現(xiàn)仿飛蛇骨骼空間擴(kuò)展掘進(jìn)器的彎曲、伸直姿態(tài)的變化，更能通過(guò)控制實(shí)現(xiàn)行走功能。仿飛蛇骨骼空間擴(kuò)展掘進(jìn)器蛇尾3擁有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，它用于調(diào)節(jié)整個(gè)身體的平衡，作為調(diào)整仿飛蛇骨骼空間擴(kuò)展掘進(jìn)器姿態(tài)的輔助結(jié)構(gòu)。本發(fā)明仿飛蛇骨骼空間擴(kuò)展掘進(jìn)器的飛蛇機(jī)架單元2具有機(jī)架本體21和肋骨結(jié)構(gòu)22。上述機(jī)架本體數(shù)量也有6個(gè)，每個(gè)機(jī)架本體之間正是通過(guò)十字軸正交連接結(jié)構(gòu)20 鉸接在一起，十字軸正交連接結(jié)構(gòu)20上有軸銷(xiāo)20-1，機(jī)架本體21 —端凸耳上設(shè)有連接孔 21-1，十字軸正交連接結(jié)構(gòu)上軸銷(xiāo)和機(jī)架本體凸耳兩個(gè)連接孔21-1相互配合，使仿飛蛇骨骼空間擴(kuò)展掘進(jìn)器機(jī)架單元有兩個(gè)自由度，這兩個(gè)自由度是正交的，帶動(dòng)飛蛇骨架彎曲運(yùn)動(dòng)。上述飛蛇機(jī)架單元包括傳動(dòng)組件4和擴(kuò)展組件5，上述傳動(dòng)組件分別設(shè)置在機(jī)架單元的前、后部位，分別包括電機(jī)41,小錐齒輪42,大錐齒輪43、主動(dòng)同步輪44、被動(dòng)同步輪 45和同步帶46，上述小錐齒輪與電機(jī)輸出端耦合，大錐齒輪43和主動(dòng)同步輪44同軸設(shè)置， 兩者的轉(zhuǎn)速相同，被動(dòng)同步輪45設(shè)置在十字軸正交連接結(jié)構(gòu)20上，主動(dòng)同步輪44和被動(dòng)同步輪45之間有同步帶46傳動(dòng)。這樣，當(dāng)位于機(jī)架單元一側(cè)電機(jī)41轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，仿飛蛇骨骼空間擴(kuò)展掘進(jìn)器機(jī)架單元即可實(shí)現(xiàn)繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)(見(jiàn)圖3示)。而機(jī)架單元另一側(cè)的傳動(dòng)部件發(fā)生作用時(shí)，電機(jī)仿飛蛇骨骼空間擴(kuò)展掘進(jìn)器機(jī)架單元可以繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。因此兩相鄰的仿飛蛇骨骼空間擴(kuò)展掘進(jìn)器的飛蛇機(jī)架單元2’、2有兩個(gè)自由度，兩個(gè)電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)， 產(chǎn)生復(fù)合運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)骨架發(fā)生扭動(dòng)，實(shí)現(xiàn)行走與多種姿態(tài)展現(xiàn)(見(jiàn)圖5示)。請(qǐng)參閱圖6至圖11，本發(fā)明仿飛蛇骨骼空間擴(kuò)展掘進(jìn)器的擴(kuò)展組件5包括舵機(jī) 51、一級(jí)磁力傳動(dòng)輪52和二級(jí)磁力傳動(dòng)輪53。上述舵機(jī)51安裝在機(jī)架本體21中，舵機(jī)51 輸出端連接一級(jí)磁力傳動(dòng)輪52，運(yùn)用磁吸引力原理實(shí)現(xiàn)非接觸力的傳遞，一級(jí)磁力傳動(dòng)輪 52把動(dòng)力傳送到位于兩側(cè)的二級(jí)磁力傳動(dòng)輪53 ;且上述二級(jí)磁力傳動(dòng)輪53與肋骨結(jié)構(gòu)22 同軸耦合，當(dāng)二級(jí)磁力傳動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以驅(qū)動(dòng)肋骨結(jié)構(gòu)22轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣當(dāng)舵機(jī)51轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以將力矩傳遞到肋骨結(jié)構(gòu)22，從而驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)仿飛蛇的肋骨結(jié)構(gòu)開(kāi)合(見(jiàn)圖9示)，且由于肋骨結(jié)構(gòu)由同一個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳送比相等，所以肋骨結(jié)構(gòu)22的動(dòng)作一致，仿飛蛇的肋骨結(jié)構(gòu) 22開(kāi)合可以達(dá)到空間擴(kuò)展的目的，同時(shí)肋骨結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)輕量化處理，輕便可靠。本發(fā)明掘進(jìn)單元I由截割部分11和電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分12組成，截割部分11上焊接有若干個(gè)截割塊13，截割塊13能有效地截割障礙物，整個(gè)截割部分由電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分驅(qū)動(dòng)， 此掘進(jìn)單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，目的明確，能輕松地實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)功能，能用于在雪崩、地震、塌方及火災(zāi)后的廢墟中幸存者的搜尋；且能夠在狹小而且危險(xiǎn)的環(huán)境下順利開(kāi)展探測(cè)和疏通管道等工作。圖11為本發(fā)明仿飛蛇骨骼空間擴(kuò)展掘進(jìn)器的兩相鄰關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)原理簡(jiǎn)圖，兩組大、小同步帶輪A、B與十字軸正交連接結(jié)構(gòu)固定在一起，且兩組同步帶輪安裝位置是正交的，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)小同步帶輪A轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),通過(guò)同步帶傳動(dòng),小同步帶輪A與大同步帶輪A P齒合, 由于大同步帶輪A是與十字軸正交連接結(jié)構(gòu)是固定的，不能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)小同步帶輪A所在的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)；同理，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)小同步帶輪B轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),通過(guò)同步帶傳動(dòng)，小同步帶輪B與大同步帶輪B P齒合，由于大同步帶輪B是與十字軸正交連接結(jié)構(gòu)是固定的，不能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)小同步帶輪B所在的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)大同步帶輪A、B與十字軸正交連接結(jié)構(gòu)固定在一起，且兩個(gè)同步帶輪安裝位置是正交的，因此相鄰的關(guān)節(jié)就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，且兩個(gè)自由度是正交的，這兩個(gè)自由度驅(qū)動(dòng)飛蛇在陸地行走和各種姿態(tài)的變換。顯然，本發(fā)明的上述具體實(shí)施方式
僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以容易的做出其它形式上的變化或者替代，而這些改變或者替代也將包含在本發(fā)明確定的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種仿飛蛇骨骼空間擴(kuò)展掘進(jìn)器，包括作為頭部的掘進(jìn)單元(I)、作為蛇身的3 10 個(gè)飛蛇機(jī)架單元(2)和蛇尾(3)，其特征在于所述飛蛇機(jī)架單元之間通過(guò)十字軸正交連接結(jié)構(gòu)(20)連接，飛蛇機(jī)架單元具有機(jī)架本體(21)，機(jī)架本體中部設(shè)有能夠向兩側(cè)展開(kāi)的肋骨結(jié)構(gòu)(22);上述飛蛇機(jī)架單元的機(jī)架本體上設(shè)有傳動(dòng)組件(4)和擴(kuò)展組件(5)，上述傳動(dòng)組件(4)包括分別設(shè)在機(jī)架本體前、后部的電機(jī)(41)、傳動(dòng)齒輪和同步傳動(dòng)件；所述擴(kuò)展組件(5)包括舵機(jī)(51)、與舵機(jī)輸出端配合的一級(jí)磁力傳動(dòng)輪(52)和與一級(jí)磁力傳動(dòng)輪配合、且位于一級(jí)磁力傳動(dòng)輪兩側(cè)的兩個(gè)二級(jí)磁力傳動(dòng)輪(53)，上述二級(jí)磁力傳動(dòng)輪與肋骨結(jié)構(gòu)耦合。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的仿飛蛇骨骼空間擴(kuò)展掘進(jìn)器，其特征在于上述傳動(dòng)組件的傳動(dòng)齒輪為與電機(jī)輸出端連接的小錐齒輪(42)和大錐齒輪(43)，同步傳動(dòng)件為與大錐齒輪同軸設(shè)置的主動(dòng)同步輪(44)和設(shè)置在十字軸正交連接結(jié)構(gòu)(20)上的被動(dòng)同步輪(45)， 上述主、被動(dòng)同步輪通過(guò)同步帶(46)傳動(dòng)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的仿飛蛇骨骼空間擴(kuò)展掘進(jìn)器，其特征在于上述掘進(jìn)單元(I) 由截割部分(11)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分(12)組成，上述截割部分上焊接有截割塊(13)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的仿飛蛇骨骼空間擴(kuò)展掘進(jìn)器，其特征在于上述十字軸正交連接結(jié)構(gòu)(20)上有軸銷(xiāo)(20-1)，機(jī)架本體(21) —端凸耳上設(shè)有連接孔(21-1)，十字軸正交連接結(jié)構(gòu)上軸銷(xiāo)和機(jī)架本體凸耳兩個(gè)連接孔相互配合。
全文摘要
本發(fā)明涉及到機(jī)構(gòu)仿生學(xué)，以及機(jī)械設(shè)計(jì)和制造等學(xué)科領(lǐng)域，尤其是針對(duì)一種實(shí)現(xiàn)仿生擴(kuò)展和仿生掘進(jìn)功能的裝置研究。目的是為了解決雪崩、礦難被填埋巷道的疏通與擴(kuò)展，為救援人員贏得了時(shí)間，為被困人員拓展了救援通道，為救援增加了一種新手段，而提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工、裝配和仿生效果好的仿飛蛇骨骼空間擴(kuò)展掘進(jìn)器。本發(fā)明的技術(shù)方案是構(gòu)造仿飛蛇骨骼空間擴(kuò)展掘進(jìn)器，仿飛蛇骨骼本體由若干個(gè)飛蛇機(jī)架單元組成，每個(gè)單元之間通過(guò)類(lèi)萬(wàn)向鉸接的方式連接在一起，單元之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有兩組同步帶傳動(dòng)，從而使飛蛇機(jī)架單元能實(shí)現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)，仿飛蛇傳動(dòng)單元的動(dòng)力是通過(guò)安裝在飛蛇傳動(dòng)單元內(nèi)部的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
文檔編號(hào)E02F5/16GK102587436SQ20121006024
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月8日
發(fā)明者馮寶林, 時(shí)張杰, 李?lèi)?ài)成, 梅濤, 畢詩(shī)書(shū), 牛曉慶, 王美玲, 趙賢相, 駱敏舟 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院