一种仿生机械蛇及其控制方法

1.本发明涉及仿生机器人技术领域，具体涉及一种仿生机械蛇及其控制方法。

背景技术：

2.仿生机械蛇具有体型小，灵活的特点，在太空领域、危险狭小环境中具有一定应用。目前市面上的仿生蛇对于蛇类特有的蜿蜒、抬头、侧滚等动作难以实现，且采用的是车轮驱动或者令蛇整体侧向滚动，具有运动能力差、不灵活的缺点，难以实现对生物蛇的有效模仿。

技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种仿生机械蛇及其控制方法。
4.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
5.一种仿生机械蛇，包括多个蛇身节，多个蛇身节之间通过节间连接装置连接；
6.蛇身节包含连接轴，连接轴的两端分别设置有输出轴与连接轴轴向平行的驱动电机，每个驱动电机的输出轴上设置有第一齿轮；
7.蛇身节还包含两个麦克纳姆轮，每个麦克纳姆轮包含轮毂和多个辊子，轮毂的一侧设置有内齿轮；两个麦克纳姆轮的轮毂分别转动连接在连接轴的两端，两个麦克纳姆轮的辊子的轴向与连接轴的轴向的夹角均为45
°
，两个麦克纳姆轮的辊子的轴向相互垂直；每个麦克纳姆轮设置有内齿轮的轮毂的一侧远离连接轴的中心，内齿轮与第一齿轮啮合；
8.节间连接装置包含输出轴竖直的第一双输出轴舵机，第一双输出轴舵机的机壳固定在前一个蛇身节的连接轴后端；还包含第一槽型板，第一槽型板的两个侧板分别与第一双输出轴舵机的两个输出轴垂直固定连接；还包含输出轴与第一双输出轴舵机的输出轴垂直的第二双输出轴舵机，第二双输出轴舵机的机壳固定在后一个蛇身节的连接轴前端；还包含第二槽型板，第二槽型板的两个侧板分别与第二双输出轴舵机的两个输出轴垂直固定连接；第一槽型板的底板与第二槽型板的底板固定连接；
9.还包括控制模块，控制模块分别与每个驱动电机、每个第一双输出轴舵机、每个第二双输出轴舵机电连接；所述控制模块用于根据外部指令控制驱动电机、第一双输出轴舵机和第二双输出轴舵机，使仿真机械蛇运动。
10.一种仿生机械蛇的控制方法，基于上述的仿生机械蛇，包括以下步骤：
11.步骤1，启动仿生机械蛇，控制模块处于外部指令接收状态；
12.步骤2，控制模块接收外部指令后，根据外部指令分别控制每个麦克纳姆轮、每个第一双输出轴舵机、每个第二双输出轴舵机，使仿真机械蛇进行运动；
13.当外部指令为直线前进时，控制模块控制每个蛇身节前端的麦克纳姆轮顺时针转动、每个蛇身节后端的麦克纳姆轮逆时针转动，并保持两个麦克纳姆轮的转速相同，使仿生机械蛇进行直线前进；
14.当外部指令为蜿蜒前进时，控制模块控制每个蛇身节前端的麦克纳姆轮顺时针转动、每个蛇身节后端的麦克纳姆轮逆时针转动，并保持两个麦克纳姆轮的转速相同，同时控制每个第一双输出轴舵机的输出轴转动使仿生机械蛇符合serpenoid蜿蜒运动曲线，使仿生机械蛇进行蜿蜒前进；
15.当外部指令为向左转弯时，控制模块控制每个蛇身节前端的麦克纳姆轮顺时针转动、每个蛇身节后端的麦克纳姆轮逆时针转动，并保持两个麦克纳姆轮的转速相同，同时控制从前往后第一个节间连接装置的第一双输出轴舵机的输出轴正转使第一个蛇身节向左转动，使仿生机械蛇进行向左转弯；
16.当外部指令为向右转弯时，控制模块控制每个蛇身节前端的麦克纳姆轮顺时针转动、每个蛇身节后端的麦克纳姆轮逆时针转动，并保持两个麦克纳姆轮的转速相同，同时控制从前往后第一个节间连接装置的第一双输出轴舵机的输出轴反转使第一个蛇身节向右转动，使仿生机械蛇进行向右转弯；
17.当外部指令为向左横向移动时，控制模块控制每个蛇身节的两个麦克纳姆轮均逆时针转动，并保持两个麦克纳姆轮的转速相同，同时控制每个第一双输出轴舵机转动，使仿生机械蛇符合serpenoid蜿蜒运动曲线，使仿生机械蛇进行向左横向移动；
18.当外部指令为向右横向移动时，控制模块控制每个蛇身节的两个麦克纳姆轮均顺时针转动，并保持两个麦克纳姆轮的转速相同，同时控制每个第一双输出轴舵机转动，使仿生机械蛇符合serpenoid蜿蜒运动曲线，使仿生机械蛇进行向右横向移动；
19.当外部指令为抬起前n个蛇身节时，控制模块控制仿真机械蛇从前往后第n个节间连接装置的第二双输出轴舵机输出轴正转，使前n个蛇身节抬起；
20.当外部指令为放下前n个蛇身节时，控制模块控制仿真机械蛇从前往后第n个节间连接装置的第二双输出轴舵机输出轴反转，使前n个蛇身节落下。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果为：使用带有麦克纳姆轮的蛇身节和双自由度的节间连接装置实现了仿生机械蛇的各种运动动作，运动能力强、灵活度高，实现了对生物蛇的高效模仿。
附图说明
22.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
23.图1为本发明仿生机械蛇实施例的整体结构示意图；
24.图2为本发明仿生机械蛇实施例的蛇身节结构示意图；
25.图3为本发明仿生机械蛇实施例的麦克纳姆轮结构示意图；
26.图4为本发明仿生机械蛇实施例的节间连接装置结构示意图。
27.附图标记说明：1蛇身节，101连接轴，102驱动电机，103第一齿轮，104麦克纳姆轮，105内齿轮，106转轴，107滚轮；2节间连接装置，201第一双输出轴舵机，202第一槽型板，203第二双输出轴舵机,204第二槽型板，3控制模块，4摄像头及蓝牙模块。
具体实施方式
28.下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
29.参考图1，一种仿生机械蛇，包括4个蛇身节1，4个蛇身节1之间通过节间连接装置2连接；
30.参考图2、图3，蛇身节1包含连接轴101，连接轴101的两端分别设置有输出轴与连接轴101轴向平行的驱动电机102，每个驱动电机102的输出轴上设置有第一齿轮103；
31.参考图2、图3，蛇身节1还包含两个麦克纳姆轮104，每个麦克纳姆轮104包含轮毂和多个辊子，轮毂的一侧设置有内齿轮105；两个麦克纳姆轮104的轮毂分别转动连接在连接轴101的两端，两个麦克纳姆轮104的辊子的轴向与连接轴的轴向的夹角均为45
°
，两个麦克纳姆轮104的辊子的轴向相互垂直；每个麦克纳姆轮104设置有内齿轮105的轮毂的一侧远离连接轴101的中心，内齿轮105与第一齿轮103啮合；
32.参考图4，节间连接装置2包含输出轴竖直的第一双输出轴舵机201，第一双输出轴舵机201的机壳与前一个蛇身节1的连接轴101后端固定连接；还包含第一槽型板202，第一槽型板202的两个侧板分别与第一双输出轴舵机201的两个输出轴垂直固定连接；还包含输出轴与第一双输出轴舵机201的输出轴垂直的第二双输出轴舵机203，第二双输出轴舵机203的机壳与后一个蛇身节1的连接轴101前端固定连接；还包含第二槽型板204，第二槽型板204的两个侧板分别与第二双输出轴舵机203的两个输出轴垂直固定连接；第一槽型板202的底板与第二槽型板204的底板固定连接；
33.参考图1，还包括控制模块3，控制模块3设置在最前端蛇身节1的前端，控制模块3分别与每个驱动电机102、每个第一双输出轴舵机201、每个第二双输出轴舵机203电连接；所述控制模块3用于根据外部指令控制驱动电机102、第一双输出轴舵机201和第二双输出轴舵机203，使仿真机械蛇运动。
34.进一步的，参考图2，连接轴101的两端分别设置有多个凹槽，凹槽内设置有固定连接的与连接轴101轴向平行的转轴106，转轴106上转动连接有多个滚轮107。
35.进一步的，参考图1，控制模块3前端设置有摄像头及蓝牙模块4；摄像头及蓝牙模块4用于采集前方环境视频、接收外部指令并发送给控制模块3。
36.一种仿生机械蛇的控制方法，基于上述的仿生机械蛇，包括以下步骤：
37.步骤1，启动仿生机械蛇，控制模块处于外部指令接收状态；
38.步骤2，控制模块接收外部指令后，根据外部指令分别控制每个麦克纳姆轮、每个第一双输出轴舵机、每个第二双输出轴舵机，使仿真机械蛇进行运动；
39.当外部指令为直线前进时，控制模块控制每个蛇身节前端的麦克纳姆轮逆时针转动、每个蛇身节后端的麦克纳姆轮顺时针转动，并保持两个麦克纳姆轮的转速相同，使仿生机械蛇进行直线前进；每个蛇身节的两个麦克纳姆轮的转动方向相反，使两个麦克纳姆轮与地面的摩擦力的合力方向沿蛇身节轴向向后，从而使仿生机械蛇向前移动。
40.当外部指令为蜿蜒前进时，控制模块控制每个蛇身节前端的麦克纳姆轮逆时针转动、每个蛇身节后端的麦克纳姆轮顺时针转动，并保持两个麦克纳姆轮的转速相同，同时控制每个第一双输出轴舵机转动，使仿生机械蛇符合serpenoid蜿蜒运动曲线，使仿生机械蛇进行蜿蜒前进；在serpenoid蜿蜒运动曲线下，每个蛇身节与地面的摩擦力的合力方向沿自己的轴向向后，所有蛇身节与地面的摩擦力的合力方向为向后，从而使仿生机械蛇蜿蜒向前移动。
41.serpenoid蜿蜒运动曲线的定义：在x-y平面内，有一条通过坐标原点的曲线，假如
该曲线上的任意一点可以表达为下式的形式，那么该曲线称为蜿蜒运动曲线。
[0042][0043]
式中，s为蛇体弧长的总长度。
[0044]
serpenoid蜿蜒运动曲线由三个参数a、b、c确定，a、b、c取不同的值可以得到不同的serpenoid蜿蜒运动曲线。
[0045]
当外部指令为向左转弯时，控制模块控制每个蛇身节前端的麦克纳姆轮逆时针转动、每个蛇身节后端的麦克纳姆轮顺时针转动，并保持两个麦克纳姆轮的转速相同，同时控制从前往后第一个节间连接装置的第一双输出轴舵机的正转使第一个蛇身节向左转动，使仿生机械蛇进行向左转弯；
[0046]
当外部指令为向右转弯时，控制模块控制每个蛇身节前端的麦克纳姆轮逆时针转动、每个蛇身节后端的麦克纳姆轮顺时针转动，并保持两个麦克纳姆轮的转速相同，同时控制从前往后第一个节间
·
连接装置的第一双输出轴舵机的反转使第一个蛇身节向右转动，使仿生机械蛇进行向右转弯；
[0047]
当外部指令为向左横向移动时，控制模块控制每个蛇身节的两个麦克纳姆轮均逆时针转动，并保持两个麦克纳姆轮的转速相同，同时控制每个第一双输出轴舵机转动，使仿生机械蛇符合serpenoid蜿蜒运动曲线，使仿生机械蛇进行向左横向移动；在serpenoid蜿蜒运动曲线下，每个蛇身节与地面的摩擦力的合力方向垂直于自己的轴向，所有蛇身节与地面的摩擦力的合力方向为向右，从而使仿生机械蛇向左横向移动。
[0048]
当外部指令为向右横向移动时，控制模块控制每个蛇身节的两个麦克纳姆轮均顺时针转动，并保持两个麦克纳姆轮的转速相同，同时控制每个第一双输出轴舵机转动，使仿生机械蛇符合serpenoid蜿蜒运动曲线，使仿生机械蛇进行向右横向移动；在serpenoid蜿蜒运动曲线下，每个蛇身节与地面的摩擦力的合力方向垂直于自己的轴向，所有蛇身节与地面的摩擦力的合力方向为向左，从而使仿生机械蛇向右横向移动。
[0049]
当外部指令为抬起前n个蛇身节时，控制模块控制仿真机械蛇从前往后第n个节间连接装置的第二双输出轴舵机正转，使前n个蛇身节抬起；
[0050]
当外部指令为放下前n个蛇身节时，控制模块控制仿真机械蛇从前往后第n个节间连接装置的第二双输出轴舵机反转，使前n个蛇身节落下。
[0051]
进一步的，所述步骤2中，直接抬起前n个蛇身节的方法虽然简单，但所需要的第二双输出轴舵机的驱动力矩也是最大的，由于受到电机最大力矩的限制，这种抬头的方法并不能抬起较多的关节。因此，必须对仿生机械蛇的抬头运动做出规划以使其抬起更多关节。当外部指令为抬起前n个蛇身节时，控制模块还可以控制仿真机械蛇从前往后前n个节间连接装置的第二双输出轴舵机依次正转，使前n个蛇身节依次抬起。
[0052]
假设蛇身节的长度为l，质量为m，此时仿生机械蛇抬头运动可采用如下的过程：
[0053]
第一个节间连接装置的第二双输出轴舵机首先将第一个蛇身节抬起到最大角δ的位置，此时抬起头部关节所需要的最大力矩为平衡时的力矩为
[0054]
第一个蛇身节被抬起至最大角δ后，将第二个蛇身节抬起到最大角δ，此时，可以通过重心公式求得第一个蛇身节和第二个蛇身节重心所在位置为：
[0055][0056]
因此，此时抬起第二个蛇身节所需要的最大力矩为：
[0057][0058]
这种抬头运动所需的最大力矩小于无规划所需的最大力矩，而且，最大关节角δ越大，所需的最大力矩越小。
[0059]
进一步的，所述步骤2中，当外部指令为抬起前n个蛇身节时，控制模块还可以控制仿真机械蛇从前往后前n个节间连接装置的第二双输出轴舵机由后往前依次反转，使前n个蛇身节由后往前依次落下。
[0060]
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

技术特征：

1.一种仿生机械蛇，其特征在于，包括多个蛇身节(1)，多个蛇身节(1)之间通过节间连接装置(2)连接；蛇身节(1)包含连接轴(101)，连接轴(101)的两端分别设置有输出轴与连接轴(101)轴向平行的驱动电机(102)，每个驱动电机(102)的输出轴上设置有第一齿轮(103)；蛇身节(1)还包含两个麦克纳姆轮(104)，每个麦克纳姆轮(104)包含轮毂和多个辊子，轮毂的一侧设置有内齿轮(105)；两个麦克纳姆轮(104)的轮毂分别转动连接在连接轴(101)的两端，两个麦克纳姆轮(104)的辊子的轴向与连接轴的轴向的夹角均为45
°
，两个麦克纳姆轮(104)的辊子的轴向相互垂直；每个麦克纳姆轮(104)设置有内齿轮(105)的轮毂的一侧远离连接轴(101)的中心，内齿轮(105)与第一齿轮(103)啮合；节间连接装置(2)包含输出轴竖直的第一双输出轴舵机(201)，第一双输出轴舵机(201)的机壳与前一个蛇身节(1)的连接轴(101)后端固定连接；还包含第一槽型板(202)，第一槽型板(202)的两个侧板分别与第一双输出轴舵机(201)的两个输出轴垂直固定连接；还包含输出轴与第一双输出轴舵机(201)的输出轴垂直的第二双输出轴舵机(203)，第二双输出轴舵机(203)的机壳与后一个蛇身节(1)的连接轴(101)前端固定连接；还包含第二槽型板(204)，第二槽型板(204)的两个侧板分别与第二双输出轴舵机(203)的两个输出轴垂直固定连接；第一槽型板(202)的底板与第二槽型板(204)的底板固定连接；还包括控制模块(3)，控制模块(3)设置在最前端蛇身节(1)的前端，控制模块(3)分别与每个驱动电机(102)、每个第一双输出轴舵机(201)、每个第二双输出轴舵机(203)电连接；所述控制模块(3)用于根据外部指令控制驱动电机(102)、第一双输出轴舵机(201)和第二双输出轴舵机(203)，使仿真机械蛇运动。2.根据权利要求1所述的仿生机械蛇，其特征在于，连接轴(101)的两端分别设置有多个凹槽，凹槽内设置有固定连接的与连接轴(101)轴向平行的转轴(106)，转轴(106)上转动连接有多个滚轮(107)。3.根据权利要求1所述的仿生机械蛇，其特征在于，控制模块(3)前端设置有摄像头及蓝牙模块(4)；摄像头及蓝牙模块(4)用于采集前方环境视频、接收外部指令并发送给控制模块(3)。4.一种仿生机械蛇的控制方法，基于上述的仿生机械蛇，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，启动仿生机械蛇，控制模块处于外部指令接收状态；步骤2，控制模块接收外部指令后，根据外部指令分别控制每个麦克纳姆轮、每个第一双输出轴舵机、每个第二双输出轴舵机，使仿真机械蛇进行运动；当外部指令为直线前进时，控制模块控制每个蛇身节前端的麦克纳姆轮顺时针转动、每个蛇身节后端的麦克纳姆轮逆时针转动，并保持两个麦克纳姆轮的转速相同，使仿生机械蛇进行直线前进；当外部指令为蜿蜒前进时，控制模块控制每个蛇身节前端的麦克纳姆轮顺时针转动、每个蛇身节后端的麦克纳姆轮逆时针转动，并保持两个麦克纳姆轮的转速相同，同时控制每个第一双输出轴舵机的输出轴转动使仿生机械蛇符合serpenoid蜿蜒运动曲线，使仿生机械蛇进行蜿蜒前进；当外部指令为向左转弯时，控制模块控制每个蛇身节前端的麦克纳姆轮顺时针转动、每个蛇身节后端的麦克纳姆轮逆时针转动，并保持两个麦克纳姆轮的转速相同，同时控制
从前往后第一个节间连接装置的第一双输出轴舵机的输出轴正转使第一个蛇身节向左转动，使仿生机械蛇进行向左转弯；当外部指令为向右转弯时，控制模块控制每个蛇身节前端的麦克纳姆轮顺时针转动、每个蛇身节后端的麦克纳姆轮逆时针转动，并保持两个麦克纳姆轮的转速相同，同时控制从前往后第一个节间连接装置的第一双输出轴舵机的输出轴反转使第一个蛇身节向右转动，使仿生机械蛇进行向右转弯；当外部指令为向左横向移动时，控制模块控制每个蛇身节的两个麦克纳姆轮均逆时针转动，并保持两个麦克纳姆轮的转速相同，同时控制每个第一双输出轴舵机转动，使仿生机械蛇符合serpenoid蜿蜒运动曲线，使仿生机械蛇进行向左横向移动；当外部指令为向右横向移动时，控制模块控制每个蛇身节的两个麦克纳姆轮均顺时针转动，并保持两个麦克纳姆轮的转速相同，同时控制每个第一双输出轴舵机转动，使仿生机械蛇符合serpenoid蜿蜒运动曲线，使仿生机械蛇进行向右横向移动；当外部指令为抬起前n个蛇身节时，控制模块控制仿真机械蛇从前往后第n个节间连接装置的第二双输出轴舵机输出轴正转，使前n个蛇身节抬起；当外部指令为放下前n个蛇身节时，控制模块控制仿真机械蛇从前往后第n个节间连接装置的第二双输出轴舵机输出轴反转，使前n个蛇身节落下。5.根据权利要求4所述的仿生机械蛇的控制方法，其特征在于，所述步骤2中，当外部指令为抬起前n个蛇身节时，控制模块还可以控制仿真机械蛇从前往后前n个节间连接装置的第二双输出轴舵机的输出轴依次正转，使前n个蛇身节依次抬起。6.根据权利要求4所述的仿生机械蛇的控制方法，其特征在于，所述步骤2中，当外部指令为抬起前n个蛇身节时，控制模块还可以控制仿真机械蛇从前往后前n个节间连接装置的第二双输出轴舵机的输出轴由后往前依次反转，使前n个蛇身节由后往前依次落下。

技术总结

本发明涉及仿生机器人技术领域，具体涉及一种仿生机械蛇及其控制方法。本发明的仿生机械蛇使用带有麦克纳姆轮的蛇身节和双自由度的节间连接装置实现了仿生机械蛇的各种运动动作，运动能力强、灵活度高，实现了对生物蛇的高效模仿。高效模仿。高效模仿。

技术研发人员：

瞿珏 黄昱谋 李昕洋 麻本瀚 张锦 连耀宗 郭浩

受保护的技术使用者：

中国人民解放军空军工程大学

技术研发日：

2022.08.18

技术公布日：

2022/11/18