一种蛇形机器人

1.本发明涉及仿生机器人技术领域，具体涉及一种蛇形机器人。


背景技术：

2.随着生产的需要和科学技术的发展，从20世纪50年代以来，人们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一，自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉。人们用化学、物理学、数学以及技术模型对生物系统开展着深入的研究，促进了生物学的极大发展，对生物体内功能机理的研究也取得了迅速的进展。此时模拟生物不再是引人入胜的幻想，而成了可以做到的事实。生物学家和工程师们积极合作，开始将从生物界获得的知识用来改善旧的或创造新的工程技术设备。生物学开始跨入各行各业技术革新和技术革命的行列，而且首先在自动控制、航空、航海等军事部门取得了成功。于是生物学和工程技术学科结合在一起，互相渗透孕育出一门新生的科学——仿生学。仿生蛇，它根据蛇的生理结构和运动特点，设计和研究蛇形机器人的结构和运动，是从仿生学的角度出发研制有利于人类社会的机器人。
3.蛇形机器人本体横截面明显小于总长度，这使它们能够进入小管道或孔口，能够弯曲并适应不规则的地形，从而到达其他机器人无法到达的地方。根据机器人的辅助运动结构将蛇形机器人分为无轮式、被动轮式和主动轮式。如中国专利申请号为202210203020.3，公布日为2022.06.14的专利文献中公开了一种蛇形管道疏通机器人。该发明所述的一种蛇形管道疏通机器人，包括蛇头部、躯干单元、蛇尾部、图像识别单元和控制单元；该文献正是采用了从动轮式的运动结构。但是，该文献中是通过每个躯体上设置有上下摆动的驱动电机以及左右摆动的驱动电机实现移动，这样结构比较复杂，且每个驱动在不同方向上设置有两个机电使得平衡性不好。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种蛇形机器人，通过多个传动结构组成蛇身，在移动时能够模仿蛇的姿态进行运动，同时传动结构在移动时可以改变它们的重心使得支撑点转移，由此保证蛇身在运动时保持平稳。
5.为达到上述目的，一种蛇形机器人，包括蛇头机构、蛇身机构和清洁机构，所述蛇头机构设置在蛇身机构的前端，在蛇身机构上设有清洁机构，所述蛇身机构包括两个以上的爬行组件和一个以上的拼接组件，所述拼接组件设置在相邻的爬行组件之间，所述拼接组件和爬行组件依次相连形成蛇身，在蛇身前端的拼接组件上设有蛇头机构，在蛇身中部的拼接组件上设有清洁机构；所述蛇头机构包括控制单元和摄像部件，所述摄像部件和控制单元设置在拼接组件上，所述控制单元与爬行组件和拼接组件电连接且控制单元驱动爬行组件和拼接组件动作设置。
6.所述爬行组件包括爬行主板、爬行固定板、爬行驱动安装板、爬行舵机和爬行底板，所述爬行固定板安装在爬行主板的顶端且爬行固定板向爬行主板的一侧延伸，所述爬
行固定板连接位于爬行主板一侧的拼接组件；在爬行主板的另一侧设有爬行驱动安转板，在爬行驱动安装板上设有爬行舵机，所述爬行舵机的驱动端与位于爬行主板另一侧的拼接组件连接，在爬行主板的底端设有爬行底板，在爬行底板的底部设有一个以上的摩擦部件；所述爬行舵机带动拼接组件向蛇身的两侧方向摆动；所述爬行舵机与控制单元电连接。
7.所述拼接组件包括拼接主板、拼接固定板、拼接驱动安装板和拼接驱动舵机，所述拼接固定板安装在拼接主板的顶端且拼接固定板向拼接主板的一侧延伸，所述拼接固定板连接位于拼接主板一侧的爬行舵机的驱动端上；在拼接主板的另一侧设有拼接驱动安装板，在拼接驱动安装板上设有拼接驱动舵机，所述拼接驱动舵机的驱动端连接位于拼接主板另一侧的爬行固定板上；所述拼接驱动舵机带动爬行固定板向蛇身的两侧方向摆动；所述拼接驱动舵机与控制单元电连接。以上设置，当前一个爬行舵机驱动后一个拼接组件进行摆动时，拼接驱动舵机同步驱动下一个爬行组件进行摆动，由此使得蛇身能够进行摆动进而驱动蛇身向前移动。
8.上述结构，通过两个以上的爬行组件和设置在相邻爬行组件之间的拼接组件组成蛇身，在移动时能够模仿蛇的姿态进行运动，同时爬行组件和拼接组件在移动时可以改变它们的重心使得支撑点转移，由此保证蛇身在运动时保持平稳；爬行时，爬行舵机驱动拼接组件向蛇身的一侧方向摆动，蛇身在摆动时，从而使得前一个爬行组件在摆动后，与该爬行组件连接的拼接组件即可拱起形成一个波峰，拼接组件拱起时带动蛇身的尾部向前移动，蛇身的后端相对蛇身前端的摆动而向前移动一定的距离，爬行舵机继续带动爬行组件向蛇身另一侧的方向摆动，由此即可推动蛇身向前移动，由于拼接组件通过爬行舵机的带动进行摆动，从而使得爬行组件的重心始终保持在爬行舵机上，因此，当爬行舵机在摆动时，蛇身的支撑点会跟随爬行组件的摆动而转移，由此保证了蛇身在运动时能够保持平稳；同时，由于在爬行底板上设有摩擦部件，通过摩擦部件可以增加爬行组件与管道底面的摩擦力，从而使得蛇身对底面的附着力更好，防止蛇身打滑而难以移动；且通过设置清洁机构，当爬行机器人在管道内移动时，通过蛇头机构的摄像部件对管道的内壁进行观察检测，当发现管道的内壁出现异物时，可以通过清洁机构对异物进行清除。
9.进一步的，清洁机构包括清洁安装板、旋转舵机、清洁连接板、清洁电机和清洁部件，所述清洁安装板固定在拼接组件的拼接固定板上，清洁安装板的两端向蛇身的两侧延伸，在清洁安装板的两端设有旋转舵机，所述旋转舵机的驱动端上设有清洁连接板，在清洁连接板上设有清洁电机，所述清洁部件设置在清洁电机的驱动轴上。
10.以上设置，通过清洁机构，当蛇形机器人在管道内移动时可以同步对管道的内壁进行清洁。
11.进一步的，所述清洁部件包括清洁筒和清洁刷，所述清洁筒设置在清洁电机的驱动轴上，所述清洁刷设置在清洁筒内，在清洁筒的侧壁上设有沿清洁筒的长度方向延伸设置的调整槽，所述调整槽的底端设有沿清洁筒的宽度方向延伸设置的限位槽，在调整槽的顶端设有沿清洁筒的宽度方向延伸设置的固定槽，在清洁刷的底部设有沿着调整槽滑动的限位杆，所述限位杆与限位槽和固定槽相对应设置。
12.以上设置，通过带动清洁刷向上移动，使得限位杆沿着调整槽的长度方向移动，当限位杆移动到调整槽的顶端时，将限位杆卡入固定槽内即可将清洁刷固定，从而即可使得
蛇形机器人在管道内移动时进行清洁工作。
13.进一步的，所述蛇头机构还包括蛇头安装板，所述蛇头安装板固定在拼接固定板上，在蛇头安装板的前端设有摄像部件，在蛇头安装板上设有控制单元。由此设置，通过控制单元控制蛇身的移动，从而实现蛇身移动的同步，使得蛇形机器人能够稳定向前移动。
14.进一步的，所述摄像部件为摄像头，所述摄像头连接控制单元。通过摄像头对管道的内壁进行检测，从而即可控制蛇形机器人进行清洁。
15.进一步的，所述摩擦部件包括连接部和摩擦部，所述摩擦部通过连接部固定在爬行底板上，所述摩擦部后端的底部自连接部向上向后倾斜延伸至摩擦部的顶端。
16.以上设置，当蛇身在摆动后，由于摩擦部后端的底部自连接部向上向后倾斜延伸至摩擦部的顶端而形成了倾斜面，当蛇身在摆动时，由于摩擦部后端的倾斜设置，使得摩擦部后端的顶端面与后壁面形成一定的尖角，由此蛇身向后的作用力会被尖角抵消，从而使得蛇身向后的摩擦力大于向前的摩擦力，从而使得蛇身在摆动向前移动时能够带动蛇身后端向前移动而不会向后移动。
17.进一步的，所述摩擦部的前端自摩擦部的顶端向下向前弧形延伸至连接部设置。以上设置，通过摩擦部前端弧形的设置，可以减小摩擦部前端与管道底面的摩擦力，使得蛇身前进的摩擦力小于蛇身后退的摩擦力，由此保证蛇身能够向前进行移动。
附图说明
18.图1为本发明的蛇形机器人的结构示意图。
19.图2为本发明的爬行组件的结构示意图。
20.图3为本发明蛇形机器人的俯视示意图。
21.图4为本发明的拼接组件的结构示意图。
22.图5为图1中a处的放大图。
23.图6为本发明的爬行组件和拼接组件连接的示意图。
24.图7为图6中b处的放大图。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
26.如图1至图7所示，一种蛇形机器人，包括蛇头机构1、蛇身机构2和清洁机构3，所述蛇头机构1设置在蛇身机构2的前端，在蛇身机构2上设有清洁机构3，所述蛇身机构2包括两个以上的爬行组件4和一个以上的拼接组件5，所述拼接组件5设置在相邻的爬行组件4之间，所述拼接组件5和爬行组件4依次相连形成蛇身，在蛇身前端的拼接组件5上设有蛇头机构1，在蛇身中部的拼接组件5上设有清洁机构3；所述蛇头机构1包括控制单元11和摄像部件12，所述摄像部件12和控制单元11设置在拼接组件5上，所述控制单元11与爬行组件4和拼接组件5电连接且控制单元11驱动爬行组件4和拼接组件5动作设置。
27.在本实施例中，所述控制单元为arduino微处理器，通过arduino微处理器发送控制信号至爬行组件和拼接组件进行蛇形机器人的移动，具体的控制方法为现有技术，在此不再累述。
28.如图2所示，所述爬行组件4包括爬行主板41、爬行固定板42、爬行驱动安装板43、
爬行舵机44和爬行底板45，所述爬行固定板42安装在爬行主板41的顶端且爬行固定板42向爬行主板41的一侧延伸，所述爬行固定板42连接位于爬行主板4一侧的拼接组件5；在爬行主板41的另一侧设有爬行驱动安转板43，在爬行驱动安装板43上设有爬行舵机44，所述爬行舵机44的驱动端与位于爬行主板41另一侧的拼接组件5连接，在爬行主板41的底端设有爬行底板45，在爬行底板45的底部设有一个以上的摩擦部件46；所述爬行舵机44带动拼接组件5向蛇身的两侧方向摆动；所述爬行舵机44与控制单元11电连接。
29.上述结构，通过两个以上的爬行组件4和设置在相邻爬行组件4之间的拼接组件5组成蛇身，在移动时能够模仿蛇的姿态进行运动，同时爬行组件4和拼接组件5在移动时可以改变它们的重心使得支撑点转移，由此保证蛇身在运动时保持平稳；爬行时，爬行舵机44驱动拼接组件5向蛇身的一侧方向摆动，蛇身在摆动时，从而使得前一个爬行组件4在摆动后，与该爬行组件4连接的拼接组件5即可拱起形成一个波峰（如图3中箭头所述），拼接组件5拱起时带动蛇身的尾部向前移动，蛇身的后端相对蛇身前端的摆动而向前移动一定的距离，爬行舵机44继续带动爬行组件4向蛇身另一侧的方向摆动，由此即可推动蛇身向前移动，由于拼接组件5通过爬行舵机44的带动进行摆动，从而使得爬行组件4的重心始终保持在爬行舵机44上，因此，当爬行舵机44在摆动时，蛇身的支撑点会跟随爬行组件4的摆动而转移，由此保证了蛇身在运动时能够保持平稳；同时，由于在爬行底板45上设有摩擦部件46，通过摩擦部件46可以增加爬行组件4与管道底面的摩擦力，从而使得蛇身对底面的附着力更好，防止蛇身打滑而难以移动。
30.且通过设置清洁机构3，当爬行机器人在管道内移动时，通过蛇头机构1的摄像部件12对管道的内壁进行观察检测，当发现管道的内壁出现异物时，可以通过清洁机构3对异物进行清除。
31.如图4所示，所述拼接组件5包括拼接主板51、拼接固定板52、拼接驱动安装板53和拼接驱动舵机54，所述拼接固定板52安装在拼接主板51的顶端且拼接固定板52向拼接主板51的一侧延伸，所述拼接固定板52连接位于拼接主板51一侧的爬行舵机44的驱动端上；在拼接主板51的另一侧设有拼接驱动安装板53，在拼接驱动安装板53上设有拼接驱动舵机54，所述拼接驱动舵机54的驱动端连接位于拼接主板51另一侧的爬行固定板42上；所述拼接驱动舵机54带动爬行固定板42向蛇身的两侧方向摆动；所述拼接驱动舵机54与控制单元11电连接。
32.以上设置，当前一个爬行舵机44驱动后一个拼接组件5进行摆动时，拼接驱动舵机54同步驱动下一个爬行组件4进行摆动，由此使得蛇身能够进行摆动进而驱动蛇身向前移动。
33.如图1和图5所示，清洁机构3包括清洁安装板31、旋转舵机32、清洁连接板33、清洁电机34和清洁部件35，所述清洁安装板31固定在拼接组件5的拼接固定板52上，清洁安装板31的两端向蛇身的两侧延伸，在清洁安装板31的两端设有旋转舵机32，所述旋转舵机32的驱动端上设有清洁连接板33，在清洁连接板33上设有清洁电机34，所述清洁部件35设置在清洁电机34的驱动轴上。旋转舵机转动即可将驱动清洁连接板向蛇身的两侧移动，从而即可将清洁部件展开，清洁电机转动即可带动清洁部件进行清洁。以上设置，通过清洁机构，当蛇形机器人在管道内移动时可以同步对管道的内壁进行清洁。
34.在本实施例中，所述清洁部件35包括清洁筒351和清洁刷（图中未示出），所述清洁
筒351设置在清洁电机34的驱动轴上，所述清洁刷设置在清洁筒35内，在清洁筒351的侧壁上设有沿清洁筒351的长度方向延伸设置的调整槽352，所述调整槽352的底端设有沿清洁筒351的宽度方向延伸设置的限位槽353，在调整槽352的顶端设有沿清洁筒351的宽度方向延伸设置的固定槽354，在清洁刷的底部设有沿着调整槽352滑动的限位杆，所述限位杆与限位槽353和固定槽354相对应设置；所述限位杆与固定槽354为过盈配合，由此使得限位杆能卡在固定槽354内从而使得在清洁电机34转动时，清洁刷不会乱动。以上设置，通过带动清洁刷向上移动，使得限位杆沿着调整槽352的长度方向移动，当限位杆移动到调整槽352的顶端时，将限位杆卡入固定槽354内即可将清洁刷固定，从而即可使得蛇形机器人在管道内移动时进行清洁工作。
35.在本实施例中，所述清洁部件35与清洁电机34的驱动轴之间通过螺纹连接，所述清洁部件35可以根据管道内壁的宽度进行更换，从而使得清洁部件能够适应不同的管道，进而方便清洁。
36.在另一实施例中，所述清洁部件35还可以为高压水枪或破碎钻头，通过高压水枪可以在蛇身进行移动时同步对管道的内壁进行清洗，通过破碎钻头可以对管道内壁连接较为紧固的异物进行破碎清扫，所述高压水枪和破碎钻头均有现有技术，在此不再累述。
37.如图1所示，所述蛇头机构1还包括蛇头安装板13，所述蛇头安装板13固定在拼接固定板上，在蛇头安装板13的前端设有摄像部件12，在蛇头安装板13上设有控制单元11。由此设置，通过控制单元11控制蛇身的移动，从而实现蛇身移动的同步，使得蛇形机器人能够稳定向前移动。
38.所述摄像部件12为摄像头，所述摄像头连接控制单元。通过摄像头对管道的内壁进行检测，从而即可控制蛇形机器人进行清洁。
39.如图6和图7所示，所述摩擦部件46包括连接部461和摩擦部462，所述摩擦部462通过连接部461固定在爬行底板45上，所述摩擦部462后端的底部自连接部461向上向后倾斜延伸至摩擦部462的顶端。
40.以上设置，当蛇身在摆动后，由于摩擦部462后端的底部自连接部向上向后倾斜延伸至摩擦部的顶端而形成了倾斜面，当蛇身在摆动时，由于摩擦部462后端的倾斜设置，使得摩擦部462后端的顶端面与后壁面形成一定的尖角，由此蛇身向后的作用力会被尖角抵消，从而使得蛇身向后的摩擦力大于向前的摩擦力，从而使得蛇身在摆动向前移动时能够带动蛇身后端向前移动而不会向后移动。
41.所述摩擦部462的前端自摩擦部462的顶端向下向前弧形延伸至连接部461设置。以上设置，通过摩擦部462前端弧形的设置，可以减小摩擦部462前端与管道底面的摩擦力，使得蛇身前进的摩擦力小于蛇身后退的摩擦力，由此保证蛇身能够向前进行移动。

技术特征：
1.一种蛇形机器人，其特征在于：包括蛇头机构、蛇身机构和清洁机构，所述蛇头机构设置在蛇身机构的前端，在蛇身机构上设有清洁机构，所述蛇身机构包括两个以上的爬行组件和一个以上的拼接组件，所述拼接组件设置在相邻的爬行组件之间，所述拼接组件和爬行组件依次相连形成蛇身，在蛇身前端的拼接组件上设有蛇头机构，在蛇身中部的拼接组件上设有清洁机构；所述蛇头机构包括控制单元和摄像部件，所述摄像部件和控制单元设置在拼接组件上，所述控制单元与爬行组件和拼接组件电连接且控制单元驱动爬行组件和拼接组件动作设置；所述爬行组件包括爬行主板、爬行固定板、爬行驱动安装板、爬行舵机和爬行底板，所述爬行固定板安装在爬行主板的顶端且爬行固定板向爬行主板的一侧延伸，所述爬行固定板连接位于爬行主板一侧的拼接组件；在爬行主板的另一侧设有爬行驱动安转板，在爬行驱动安装板上设有爬行舵机，所述爬行舵机的驱动端与位于爬行主板另一侧的拼接组件连接，在爬行主板的底端设有爬行底板，在爬行底板的底部设有一个以上的摩擦部件；所述爬行舵机带动拼接组件向蛇身的两侧方向摆动；所述爬行舵机与控制单元电连接；所述拼接组件包括拼接主板、拼接固定板、拼接驱动安装板和拼接驱动舵机，所述拼接固定板安装在拼接主板的顶端且拼接固定板向拼接主板的一侧延伸，所述拼接固定板连接位于拼接主板一侧的爬行舵机的驱动端上；在拼接主板的另一侧设有拼接驱动安装板，在拼接驱动安装板上设有拼接驱动舵机，所述拼接驱动舵机的驱动端连接位于拼接主板另一侧的爬行固定板上；所述拼接驱动舵机带动爬行固定板向蛇身的两侧方向摆动；所述拼接驱动舵机与控制单元电连接。2.根据权利要求1所述的一种蛇形机器人，其特征在于：清洁机构包括清洁安装板、旋转舵机、清洁连接板、清洁电机和清洁部件，所述清洁安装板固定在拼接组件的拼接固定板上，清洁安装板的两端向蛇身的两侧延伸，在清洁安装板的两端设有旋转舵机，所述旋转舵机的驱动端上设有清洁连接板，在清洁连接板上设有清洁电机，所述清洁部件设置在清洁电机的驱动轴上。3.根据权利要求2所述的一种蛇形机器人，其特征在于：所述清洁部件包括清洁筒和清洁刷，所述清洁筒设置在清洁电机的驱动轴上，所述清洁刷设置在清洁筒内，在清洁筒的侧壁上设有沿清洁筒的长度方向延伸设置的调整槽，所述调整槽的底端设有沿清洁筒的宽度方向延伸设置的限位槽，在调整槽的顶端设有沿清洁筒的宽度方向延伸设置的固定槽，在清洁刷的底部设有沿着调整槽滑动的限位杆，所述限位杆与限位槽和固定槽相对应设置。4.根据权利要求1所述的一种蛇形机器人，其特征在于：所述蛇头机构还包括蛇头安装板，所述蛇头安装板固定在拼接固定板上，在蛇头安装板的前端设有摄像部件，在蛇头安装板上设有控制单元。5.根据权利要求4所述的一种蛇形机器人，其特征在于：所述摄像部件为摄像头，所述摄像头连接控制单元。6.根据权利要求1所述的一种蛇形机器人，其特征在于：所述摩擦部件包括连接部和摩擦部，所述摩擦部通过连接部固定在爬行底板上，所述摩擦部后端的底部自连接部向上向后倾斜延伸至摩擦部的顶端。7.根据权利要求6所述的一种蛇形机器人，其特征在于：所述摩擦部的前端自摩擦部的顶端向下向前弧形延伸至连接部设置。

技术总结
本发明提供一种蛇形机器人，包括蛇头机构、蛇身机构和清洁机构，所述蛇头机构设置在蛇身机构的前端，在蛇身机构上设有清洁机构，所述蛇身机构包括两个以上的爬行组件和一个以上的拼接组件，所述拼接组件设置在相邻的爬行组件之间，所述拼接组件和爬行组件依次相连形成蛇身，在蛇身前端的拼接组件上设有蛇头机构，在蛇身中部的拼接组件上设有清洁机构；所述蛇头机构包括控制单元和摄像部件，所述摄像部件和控制单元设置在拼接组件上，所述控制单元与爬行组件和拼接组件电连接且控制单元驱动爬行组件和拼接组件动作设置；通过爬行组件和拼接组件在移动时可以改变它们的重心使得支撑点转移，由此保证蛇身在运动时保持平稳。由此保证蛇身在运动时保持平稳。由此保证蛇身在运动时保持平稳。


技术研发人员：缪文南 陈晓江 许玥 严仲宇 钱伟琳 陈冠宇
受保护的技术使用者：广州城市理工学院
技术研发日：2023.07.31
技术公布日：2023/10/7