一种蛇形机器人驱动装置及蛇形机器人

摘要

本实用新型公开了一种蛇形机器人驱动装置及蛇形机器人，包括蛇头驱动装置、蛇身驱动装置和蛇身关节，蛇头驱动装置包括第一驱动电机和第二驱动电机，蛇身驱动装置包括第三驱动电机和第四驱动电机，第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机和第四驱动电机各自连接有绕线轮，绕线轮上均连接有绳索，绳索的一端均连接在各自绕线轮上，绳索的另一端分别与后端相邻的蛇身驱动装置连接。本实用新型通过在驱动电机上各自连接绕线轮，通过驱动电机分别控制各自绕线轮上绳索的收放量以控制蛇形机器人驱动装置的前进方向以及抬头、低头动作，并通过各个绳索的牵引作用逐渐达到向前行进时的蛇形姿态。

说明书

技术领域

本实用新型涉及机器人以及控制技术领域，特别涉及一种蛇形机器人驱动装置及蛇形机器人。

背景技术

蛇形机器人是一种能够模仿生物蛇运动的新型仿生机器人，由于它能像生物一样实现“无肢运动”，被应用于军事侦察中战场探测的军事用途、进行对树的攀爬、灾后进行对幸存者的搜救侦查工作等。

目前，现有的蛇形机器人的驱动方式有很多，如使用舵机进行驱动，两个舵机连接机器蛇的模块化单元蛇身，控制机器蛇进行俯仰和偏航的动作，利用舵机进行各个单元蛇身的摆动来实现自然界中蛇体的蜿蜒摆动前行。

随着机器人技术的不断进步，在使用舵机的基础上，还添加被动轮式结构来辅助运动。使用被动轮后可以有效避免法向位移，进而完成蛇形蜿蜒运动。还有使用了轮式结构进行驱动的蛇形机器人，这种蛇形机器人可以通过控制实现自然界中蛇的直线运动，前进过程中主要靠驱动轮提供动力，并通过差速的方法进行转弯。

舵机驱动的蛇形机器人的每个单位蛇身有两个舵机，分别控制机器蛇的俯仰和偏航两个自由度，这种转动方式在空间上有一定盲区，无法像万向联轴器那样达到空间任意位置。而主动轮或被动轮式蛇形机器人的环境适应性较差，在不平整地面、存在沟壑的地面上爬行时很容易卡住，使轮式结构功能失效。

实用新型内容

鉴于此，本实用新型提供一种蛇形机器人驱动装置及蛇形机器人，通过使用驱动电机控制绕线轮上绳索的收放量以实现达到蛇形姿态蜿蜒运动前进。

具体而言，包括以下的技术方案：

第一方面，本实用新型实施例提供了一种蛇形机器人驱动装置，包括蛇头驱动装置、蛇身驱动装置和蛇身关节，所述蛇头驱动装置和所述蛇身驱动装置通过所述蛇身关节连接；

所述蛇头驱动装置包括第一驱动电机、第一绕线轮和第一绳索，所述第一绕线轮与所述第一驱动电机连接，所述第一绳索的一端与所述第一绕线轮连接，所述第一绳索的另一端部与所述蛇身驱动装置连接；所述第一驱动电机用于控制所述第一绳索的收放量以控制所述蛇形机器人驱动装置的前进方向；

所述蛇头驱动装置还包括第二驱动电机、第一齿轮、第二齿轮和第三齿轮，所述第一齿轮与所述第二驱动电机连接，所述第二齿轮与所述第三齿轮均分别与所述第一齿轮相啮合；

所述第二齿轮上连接第二绕线轮，所述第二绕线轮上连接有第二绳索，所述第二绳索的一端与所述第二绕线轮连接，所述第二绳索的另一端与所述蛇身驱动装置连接；所述第三齿轮上连接第三绕线轮，所述第三绕线轮上连接有第三绳索，所述第三绳索的一端与所述第三绕线轮连接，所述第三绳索的另一端与所述蛇身驱动装置连接；所述第二驱动电机用于控制所述第二绳索和所述第三绳索的收放量以控制所述蛇形机器人驱动装置的抬头和低头动作；

所述蛇身驱动装置包括第三驱动电机和第四驱动电机，所述第三驱动电机和所述第四驱动电机上分别连接第四绕线轮，所述第四绕线轮上连接有第四绳索，所述第四绳索的一端与所述第四绕线轮连接，所述第四绳索的另一端与后端连接的所述蛇身驱动装置连接；所述第三驱动电机和所述第四驱动电机均用于控制所述第四绳索的收放量以分别控制所述蛇形机器人驱动装置的前进方向和抬头和低头动作。

可选地，所述第一驱动电机、所述第二驱动电机、所述第三驱动电机和所述第四驱动电机均为步进电机。

可选地，所述第一驱动电机、所述第三驱动电机和所述第四驱动电机的数量均为两个，所述第二驱动电机的数量为一个。

可选地，所述第一驱动电机和所述第一绕线轮之间满足蛇形函数，所述第三驱动电机和所述第四绕线轮之间满足蛇形函数；

所述第二绕线轮的直径大于所述第三绕线轮的直径。

可选地，所述蛇头驱动装置还包括第一壳体，所述蛇身驱动装置还包括第二壳体，所述第一壳体的后端部设置有第一连接孔，所述第二壳体的两端部均设置有第二连接孔，所述蛇身关节的两端部均设置有第三连接孔；

所述第一连接孔、所述第三连接孔和所述第二连接孔均对应设置并依次连接；

所述第一绳索的另一端部、所述第二绳索的另一端和所述第三绳索的另一端均分别与所述第二壳体的端部连接；

所述第四绳索的另一端均与后端连接的所述蛇身驱动装置的所述第二壳体连接。

可选地，所述蛇头驱动装置还包括多个第一插板，多个所述第一插板连接于所述第一壳体的内部形成第一框架结构；

所述第一插板的上设置有第一安装孔，所述第一安装孔与所述第一驱动电机相适配，所述第一驱动电机通过所述第一安装孔连接于所述第一壳体内；

所述第一壳体的端部设置有凹陷部，所述凹陷部与所述第二驱动电机相适配，所述第二驱动电机通过所述凹陷部连接于所述第一壳体内。

可选地，所述蛇身驱动装置还包括多个第二插板，多个所述第二插板连接于所述第二壳体的内部形成第二框架结构；

所述第二插板的上设置有第二安装孔，所述第二安装孔与所述第三驱动电机和所述第四驱动电机相适配；

所述第三驱动电机和所述第四驱动电机通过所述第二安装孔连接于所述第二壳体内。

可选地，所述第二绕线轮与所述第二齿轮为一体结构，所述第三绕线轮与所述第三齿轮为一体结构。

可选地，所述第一壳体和所述第二壳体均分别还包括第一连接盘、第二连接盘、拼接板和连接板；

所述拼接板和所述连接板彼此卡接形成空心柱体结构，所述第一连接盘和所述第二连接盘分别连接于所述拼接板和所述连接板卡接后的两个端部以形成封闭结构。

第二方面，本实用新型提供了一种蛇形机器人，包括如上所述的蛇形机器人驱动装置。

本实用新型实施例提供的技术方案的有益效果至少包括：

本实用新型通过设置蛇头驱动装置和蛇身驱动装置，并通过蛇身关节将蛇头驱动装置和蛇身驱动连接组成蛇形机器人驱动装置，并在蛇头驱动装置上设置第一驱动电机和第二驱动电机，在蛇身驱动装置上设置第三驱动电机和第四驱动电机，并在第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机和第四驱动电机的输出轴上均安装相对应的绕线轮，绕线轮上的绳索一端固定在绕线轮上，另一端均与其后端连接的蛇身驱动装置连接。第一驱动电机和第三驱动电机与各自连接的绕线轮之间均满足蛇形函数，以控制蛇形机器人驱动装置的前进方向，第二驱动电机和第四驱动电机同样通过控制其各自连接的绕线轮的收放量以控制蛇形机器人驱动装置的抬头和低头动作，并通过绳索的牵引作用逐渐达到向前行进时的蛇形姿态，使得蛇形机器人驱动装置行进时更加灵活，可在狭小空间进行作业并且整体结构简单、应用方便。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本实用新型实施例的蛇头驱动装置的结构示意图。

图2为根据本实用新型实施例的蛇头驱动装置的剖视图。

图3为根据本实用新型实施例的蛇头驱动装置的爆炸图。

图4为根据本实用新型实施例的蛇身驱动装置的结构示意图。

图5为根据本实用新型实施例的蛇身驱动装置的剖视图。

图6为根据本实用新型实施例的蛇身驱动装置的爆炸图。

图7为根据本实用新型实施例的蛇身关节的结构示意图。

图8为根据本实用新型实施例的蛇身关节的爆炸图。

图中的附图标记分别表示为：

1-蛇头驱动装置；11-第一驱动电机；12-第二驱动电机；13-第一壳体；131-第一连接孔；132-凹陷部；133-第一连接盘；134-第二连接盘；135-拼接板；136-连接板；14-第一插板；141-第一安装孔；2-蛇身驱动装置；21-第三驱动电机；22-第四驱动电机；23-第二壳体；231-第二连接孔；24-第二插板；241-第二安装孔；3-蛇身关节；31-第三连接孔；4-第一齿轮；5-第二齿轮；6-第三齿轮。

通过上述附图，已示出本实用新型明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本实用新型构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本实用新型的概念。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为使本实用新型的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

除非另作定义，本实用新型中使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域的普通技术人员所理解的意义。本实用新型中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

为了便于理解本实用新型，在此，示范性地描述了蛇形机器人驱动装置及蛇形机器人的一般结构及其应用。

图1为根据本实用新型实施例的蛇头驱动装置的结构示意图，图2为根据本实用新型实施例的蛇头驱动装置的剖视图，图3为根据本实用新型实施例的蛇头驱动装置的爆炸图，图4为根据本实用新型实施例的蛇身驱动装置的结构示意图，图5为根据本实用新型实施例的蛇身驱动装置的剖视图，图6为根据本实用新型实施例的蛇身驱动装置的爆炸图，图7为根据本实用新型实施例的蛇身关节的结构示意图，图8为根据本实用新型实施例的蛇身关节的爆炸图。

如图1至8所示，根据本实用新型实施例所述的蛇形机器人驱动装置，包括蛇头驱动装置1、蛇身驱动装置2和蛇身关节3，蛇头驱动装置1和蛇身驱动装置2通过蛇身关节3连接；蛇头驱动装置1包括第一驱动电机11、第一绕线轮和第一绳索，第一绕线轮与第一驱动电机11连接，第一绳索的一端与第一绕线轮连接，第一绳索的另一端部与蛇身驱动装置2连接；第一驱动电机11用于控制第一绳索的收放量以控制蛇形机器人驱动装置的前进方向；蛇头驱动装置1还包括第二驱动电机12、第一齿轮4、第二齿轮5和第三齿轮6，第一齿轮4与第二驱动电机12连接，第二齿轮5与第三齿轮6均分别与第一齿轮4相啮合；第二齿轮4上连接第二绕线轮，第二绕线轮上连接有第二绳索，第二绳索的一端与第二绕线轮连接，第二绳索的另一端与蛇身驱动装置2连接；第三齿轮6上连接第三绕线轮，第三绕线轮上连接有第三绳索，第三绳索的一端与第三绕线轮连接，第三绳索的另一端与蛇身驱动装置2连接；第二驱动电机12用于控制第二绳索和第三绳索的收放量以控制蛇形机器人驱动装置的抬头和低头动作；蛇身驱动装置2包括第三驱动电机21和第四驱动电机22，第三驱动电机21和第四驱动电机22上分别连接第四绕线轮，第四绕线轮上连接有第四绳索，第四绳索的一端与第四绕线轮连接，第四绳索的另一端与后端连接的蛇身驱动装置2连接；第三驱动电机21和第四驱动电机22均用于控制第四绳索的收放量以分别控制蛇形机器人驱动装置的前进方向和抬头和低头动作。

本实用新型通过设置蛇头驱动装置和蛇身驱动装置，并通过蛇身关节将蛇头驱动装置和蛇身驱动连接组成蛇形机器人驱动装置，并在蛇头驱动装置上设置第一驱动电机和第二驱动电机，在蛇身驱动装置上设置第三驱动电机和第四驱动电机，并在第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机和第四驱动电机的输出轴上均安装相对应的绕线轮，绕线轮上的绳索一端固定在绕线轮上，另一端均与其后端连接的蛇身驱动装置连接。第一驱动电机和第三驱动电机与各自连接的绕线轮之间均满足蛇形函数，以控制蛇形机器人驱动装置的前进方向，第二驱动电机和第四驱动电机同样通过控制其各自连接的绕线轮的收放量以控制蛇形机器人驱动装置的抬头和低头动作，并通过绳索的牵引作用逐渐达到向前行进时的蛇形姿态，使得蛇形机器人驱动装置行进时更加灵活，可在狭小空间进行作业并且整体结构简单、应用方便。

如图3和图6所示，第一驱动电机11、第二驱动电机12、第三驱动电机21和第四驱动电机22均为步进电机。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动进步电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

因此，根据所述的蛇形机器人驱动装置向前行进时的第一绳索、第二绳索、第三绳索和第四绳索的收放量以及蛇形函数，计算第一驱动电机11、第二驱动电机12、第三驱动电机21和第四驱动电机22的转数以精确的控制向前行进时的方向以及抬头和低头动作。

如图3和图6所示，第一驱动电机11、第三驱动电机21和第四驱动电机22的数量均为两个，第二驱动电机12的数量为一个。

第一驱动电机11和第一绕线轮之间满足蛇形函数，第三驱动电机21和第四绕线轮之间满足蛇形函数；第二绕线轮的直径大于第三绕线轮的直径。

第一驱动电机11设置为两个，两个第一驱动电机11均依据蛇形函数原理，控制蛇头驱动装置1向前行进时的方向，两个第一驱动电机11控制各自连接的第一绕线轮的绳索产生不同的收放量，而保证其前进时方向的灵活性。

第二驱动电机12设置为一个，通过在第二驱动电机12的输出轴上连接第一齿轮4，并在第一齿轮4上设置与其相互啮合的第二齿轮5和第三齿轮6，通过一个第二驱动电机12带动第二齿轮5和第三齿轮6同步转动。并且当蛇头驱动装置1转动目标角度不同时，第二绕线轮上的第二绳索和第三绕线轮上的第三绳索的收放量不同，将第二绕线轮的直径设置为大于第三绕线轮的直径，可以通过一个第二驱动电机控制其抬头和低头的动作，不仅控制准确而且结构简单。

第三驱动电机21设置为两个，两个第三驱动电机21均依据蛇形函数原理，用于控制蛇身驱动装置2向前行进时的方向，两个第三驱动电机21控制各自连接的第三绕线轮的绳索产生不同的收放量，而保证其前进时方向的灵活性。

在第一绳索、第二绳索、第三绳索和第四绳索的牵引作用下，最终实现所述的蛇形机器人驱动装置逐渐达到向前行进时的蛇形姿态。

在本实用新型所提供的实施例中，所述的蛇形机器人驱动装置设置为一个蛇头驱动装置1和多节蛇身驱动装置2，蛇头驱动装置1后面连接的部分蛇身驱动装置2需要跟随蛇头驱动装置1做抬头和低头动作，因此需要在蛇身驱动装置2内连接第四驱动电机22，由于做抬头和低头动作时第四绕线轮上第四绳索的收放量不相同，因此设置两个第四驱动电机22进行控制。

当所述的蛇形机器人驱动装置由多个蛇头驱动装置1和多个蛇身驱动装置2组成时，所述的蛇形机器人驱动装置的抬头和低头动作均可由蛇头驱动装置1完成，这时，蛇身驱动装置2只需要控制进行方向，可在蛇身驱动装置2内只连接第三驱动电机21，具体连接情况可根据实际情况做出选择，具体不做限定。

如图1、图5和图7所示，蛇头驱动装置1还包括第一壳体13，蛇身驱动装置2还包括第二壳体23，第一壳体13的后端部设置有第一连接孔131，第二壳体23的两端部均设置有第二连接孔231，蛇身关节3的两端部均设置有第三连接孔31；第一连接孔131、第三连接孔31和第二连接孔231均对应设置并依次连接；第一绳索的另一端部、第二绳索的另一端和第三绳索的另一端均分别与第二壳体23的端部连接；第四绳索的另一端均与后端连接的蛇身驱动装置2的第二壳体23连接。

为了便于蛇头驱动装置1、蛇身驱动装置2和蛇身关节3之间的彼此连接，而设置第一壳体13和第二壳体23，并在第一壳体13和第二壳体23的端部均设置多个均布的第一连接孔131和第二连接孔231，通过蛇身关节3的端部设置的第三连接孔31彼此连接，便于连接成稳定结构。同时，也便于增加或减少蛇头驱动装置1和蛇身驱动装置2的连接数量。

为了更好的带动所述的蛇形机器人驱动装置整体向前行进，将第一绳索的另一端部、第二绳索的另一端和第三绳索的另一端均与第二壳体23的端部连接；第四绳索的另一端均与后端连接的蛇身驱动装置2的第二壳体23连接，起到更好的传递牵引力的作用。

如图2和图3所示，蛇头驱动装置1还包括多个第一插板14，多个第一插板14连接于第一壳体13的内部形成第一框架结构；第一插板14的上设置有第一安装孔141，第一安装孔141与第一驱动电机11相适配，第一驱动电机11通过第一安装孔141连接于第一壳体13内；第一壳体13的端部设置有凹陷部132，凹陷部132与第二驱动电机12相适配，第二驱动电机12通过凹陷部132连接于第一壳体13内。

为了便于第一驱动电机11和第二驱动电机12的连接并保证其连接的稳定性，设置多个第一插板14并拼接成四面框架结构，并在第一插板14上设置第一安装孔141用于安装第一驱动装置11，在第一壳体13的端部设置有凹陷部132用于固定第二驱动装置12，便于安装的同时减轻了所述蛇形机器人的驱动装置整体的重量。

如图5和图6所示，蛇身驱动装置2还包括多个第二插板24，多个第二插板24连接于第二壳体23的内部形成第二框架结构；第二插板24的上设置有第二安装孔241，第二安装孔241与第三驱动电机21和第四驱动电机22相适配；第三驱动电机21和第四驱动电机22通过第二安装孔241连接于第二壳体23内。

为了便于第三驱动电机21和第四驱动电机22的连接并保证其连接的稳定性，设置多个第二插板24并拼接成四面框架结构，并在第二插板24上设置第二安装孔241用于安装第三驱动装置21和第四驱动电机22，便于安装的同时减轻了所述蛇形机器人的驱动装置整体的重量。

如图2和图3所示，第二绕线轮与第二齿轮5为一体结构，第三绕线轮与第三齿轮6为一体结构。

为了方便生产制造，应用3D打印技术将第二绕线轮与第二齿轮5打印为一体结构，将第三绕线轮与第三齿轮6打印为一体结构。

如图3和图6所示，第一壳体13和第二壳体23均分别还包括第一连接盘133、第二连接盘134、拼接板135和连接板136；拼接板135和连接板136彼此卡接形成空心柱体结构，第一连接盘133和第二连接盘134分别连接于拼接板135和连接板136卡接后的两个端部以形成封闭结构。拼接板135两侧边设置有燕尾型的凹槽，连接板136的两侧边设置有燕尾型的突出部，拼接板135和连接板136通过凹槽与突出部彼此卡接形成空心柱体结构，第一连接盘133和第二连接盘134的上均设置有T型槽，T型槽内设置有第一螺纹孔，连接板135的两端均设置有L型的外翻边，外翻边上设置有第二螺纹孔；将第一连接盘133和第二连接盘134分别连接于拼接板135和连接板136卡接后形成的空心柱体结构的两个端部并通过第一螺纹孔和第二螺纹孔连接形成封闭结构。

蛇头驱动装置1的第一壳体13和蛇身驱动装置2的第二壳体23分别通过第一连接盘133、第二连接盘134、拼接板135和连接板136连接构成封闭式结构，对内部的第一驱动电机11、第二驱动电机12、第三驱动电机21和第四驱动电机22起到良好的保护作用，拼接式结构更方便于后期的拆卸，进行维修、更换。

整体拼接结构保证了蛇头驱动装置1和蛇身驱动装置2结构的对称性，保证了重心的稳定性，运动时不易发生侧翻。

本实用新型实施例提供了一种蛇形机器人，该蛇形机器人包括根据上述实施例的蛇形机器人驱动装置，由于根据本实用新型实施例的蛇形机器人驱动装置具有上述技术效果，因此根据本实用新型的蛇形机器人也具有相应的技术效果，即本实用新型通过设置蛇头驱动装置和蛇身驱动装置，并通过蛇身关节将蛇头驱动装置和蛇身驱动连接组成蛇形机器人驱动装置，并在蛇头驱动装置上设置第一驱动电机和第二驱动电机，在蛇身驱动装置上设置第三驱动电机和第四驱动电机，并在第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机和第四驱动电机的输出轴上均安装相对应的绕线轮，绕线轮上的绳索一端固定在绕线轮上，另一端均与其后端连接的蛇身驱动装置连接。第一驱动电机和第三驱动电机与各自连接的绕线轮之间均满足蛇形函数，以控制蛇形机器人驱动装置的前进方向，第二驱动电机和第四驱动电机同样通过控制其各自连接的绕线轮的收放量以控制蛇形机器人驱动装置的抬头和低头动作，并通过绳索的牵引作用逐渐达到向前行进时的蛇形姿态，使得蛇形机器人驱动装置行进时更加灵活，可在狭小空间进行作业并且整体结构简单、应用方便。

本领域技术人员在考虑说明书并且实践这里所公开的本实用新型后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本实用新型旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。