一种仿生机械蛇

技术领域

本发明涉及仿生机械技术领域，具体涉及一种仿生机械蛇。

背景技术

随着科学的日益进步和人们生活水平的不断提高，机器人作为21世纪人类的伟大发明之一，已经逐步地进入了生产和生活领域：工业生产中的用力进行超精密加工的并联机器人，海洋勘探领域中的水下机器人，太空探索领域中的行星探测器如美国的火星车，流水线上代替人工的工业机器人，类人机器人和仿生机器人。这些机器人的出现并逐步应用，使我们能强烈地感受到机器人应用范围之广，影响程度之深。

在21世纪的今天，随着自然灾害，各种突发事件，以及区域恐怖活动的事件越来越多，产生许多狭小而又未知的空间，在这种情况下，救援人员在短时间内从这种恶劣的环境中寻找到生存者的几率比较小，且突发状况下产生的环境是一个未知状态，救援人员和搜救人员在不了解内部环境的情况下随时都可能给他们造成危险。因此，一款能够适应复杂的环境，能够适应不同的地形，能在狭小空间内进行搜救的机械仿生设备就显得尤为重要。

考虑到市场上现有的搜救机械设备，都或多或少不太适用于这种复杂而又狭小的地形。而自然界的蛇的运动是一种“无肢运动”,它不需要轮子和腿。蛇由于在结构上无肢，可以爬树、游水、钻洞、绕过障碍物、穿越沙漠，在平坦的地面爬行更是能达到行动如飞。蛇的身体，虽然只不过像一条绳子，但具有多种运动变化方式，功能强大：在前行的时候可以当“腿脚”，在攀爬的时候可以当“手臂”，而在攫取东西的时候又可以当“手指”。

仿生机械蛇模拟自然界蛇的无肢结构，具有多关节、多自由度，多冗余自由度的特点，可以有多种运动模式，良好的地面适应性和运动稳定性，在许多领域具有广泛的应用前景：如在有辐射、有毒等危险环境下的侦察和搜索；在地震、塌方及火灾后的废墟中搜寻灾难幸存者；在狭小和危险条件下探测和疏通管道；在航空航天领域可用其作为行星表面探测器，轨道卫星的柔性手臂。蛇形机器人具有稳定性好、横截面小、柔性等特点，能在各种粗糙、陡峭、崎岖的复杂地形上行走，并可攀爬障碍物，这是以轮子或腿作为行走工具的仿生机械难以做到的。由于其环境适应能力强，因此，在废墟搜索救援工作中，具有广阔的应用前景。

市面上存在的搜救蛇普遍体型庞大，价格昂贵，且实现的功能以及适应的环境比较单一，仅仅适用于空旷的陆地进行搜索。并且市面上机械蛇产品较少，也缺少一种能够实现多功能，能适用于多种地形，工作稳定且成本相对便宜的智能搜救蛇。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种仿生机械蛇一种仿生机械蛇，包括蛇头部分、蛇身部分和蛇尾部分，

蛇头部分包括蛇头和蛇信子，蛇信子连接有可使蛇信子做伸缩运动的蛇信子机构，蛇头连接有蛇头摆动机构；

蛇身部分包括：保证机械蛇整体持续向前运动的主动轮带动机构，蛇身及使蛇身左右摆动的蛇身摆动机构，保证机械蛇整体持续向前运动的主动轮带动机构；

蛇尾部分包括：包括蛇尾及使蛇尾摆动的蛇尾摆动机构。

进一步的，蛇信子机构包括蛇头外壳，蛇头外壳的一端固定有玻璃罩，蛇头外壳内安装有电机，电机的输出端连接有偏心凸轮，偏心凸轮的一侧设置有垫片，垫片远离偏心凸轮的一端固定有延伸至玻璃罩内的蛇信子，垫片和蛇头外壳靠近玻璃罩一端的内壁之间固定有回位弹簧。

进一步的，蛇身部分靠近蛇头部分的一端设置有蛇身外壳，主动轮带动机构包括转动连接于蛇身外壳下方两端的主动轮，蛇身外壳中转动连接有连接轴，连接轴的两端分别与两个主动轮连接，蛇身外壳内安装有电机，电机的输出端和连接轴的外侧面均固定有主动辊轮，两个主动辊轮的外侧面绕卷有传动带。

进一步的，蛇头摆动部件包括安装于蛇身外壳靠近蛇头部分一端的电机，蛇头部分靠近蛇身外壳的一端固定有呈U形的连接板，电机的输出端连接有连杆，连杆的另一端与连接板的内侧壁相固定。

进一步的，蛇身部分还包括多节蛇壳，蛇壳为间隔设置且相连的多个连接长壳和连接短壳，蛇身摆动机构安装于连接长壳和连接短壳的衔接端；蛇身摆动机构包括不完全齿轮A，不完全齿轮A的另一端啮合有不完全齿轮B，不完全齿轮A和不完全齿轮B分别安装于相邻的连接长壳和连接短壳内，不完全齿轮A和不完全齿轮B的非啮合端均固定有延伸板，不完全齿轮A的延伸板上贯穿开设有衔接槽，不完全齿轮A的下方设置有转盘，转盘顶部非中心端固定有伸入衔接槽内的曲柄，转盘的底部连接有电机。

进一步的，蛇尾摆动部件包括蛇尾外壳，蛇尾外壳内设置有延伸至蛇尾下方的尾轮，尾轮的侧壁固定有螺旋盘，尾轮的一端连接有电机，尾轮端部的非中心端固定有偏心杆，偏心杆的外侧设置有摆动片，摆动片上开设有滑动槽，偏心杆穿设于滑动槽内，摆动片的较上一端固定有L形板，L形板的另一端延伸至蛇尾外壳外侧，且该端固定有呈锥形的摆动块，L形板的外侧贯穿固定有延伸至蛇尾外壳外侧的横杆。

进一步的，蛇身部分和蛇尾部分的外壳下端均转动连接有从动轮。

进一步的，蛇头部分、蛇身部分和蛇尾部分的外壳之间通过螺栓螺母进行连接。

进一步的，上述电机采用无刷直流电机。

附图说明

图1为本发明的整体装配结构示意图；

图2为本发明中蛇头部分的外部结构示意图；

图3为本发明中蛇信子机构的内部结构示意图；

图4为本发明中主动轮带动机构的结构示意图；

图5为本发明中蛇身摆动机构的结构示意图；

图6为本发明中蛇尾部分的机构示意图；

图7为本发明中蛇尾摆动机构的结构示意图；

图8为本发明中动载荷系数K

图9为本发明中接触疲劳强度极限取值的参考图；

图10为本发明中接触疲劳寿命系数取值的参考图；

图11为本发明中弯曲疲劳强度寿命系数K

附图标记说明如下：101、蛇头外壳；102、玻璃罩；103、偏心凸轮；104、垫片；105、蛇信子；106、回位弹簧；201、主动轮；202、连接轴；203、主动辊轮；204、传动带；301、连接板；302、连杆；401、不完全齿轮A；402、不完全齿轮B；403、延伸板；404、衔接槽；405、转盘；406、曲柄；501、蛇尾外壳；502、尾轮；503、螺旋盘；504、偏心杆；505、摆动片；506、滑动槽；507、L形板；508、摆动块；509、横杆；6、蛇身外壳；7、连接长壳；8、连接短壳；9、从动轮。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相正对地重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合说明书附图对本发明做进一步说明：

实施例1

一种仿生机械蛇，包括蛇头部分、蛇身部分和蛇尾部分，蛇头部分包括蛇头和蛇信子，蛇信子连接有可使蛇信子做伸缩运动的蛇信子机构，蛇头连接有蛇头摆动机构；蛇身部分包括：保证机械蛇整体持续向前运动的主动轮带动机构，蛇身及使蛇身左右摆动的蛇身摆动机构，保证机械蛇整体持续向前运动的主动轮带动机构；蛇尾部分包括：包括蛇尾及使蛇尾摆动的蛇尾摆动机构。

蛇信子机构包括蛇头外壳101，蛇头外壳101的一端固定有玻璃罩102，蛇头外壳101内安装有电机，电机的输出端连接有偏心凸轮103，偏心凸轮103的一侧设置有垫片104，垫片104远离偏心凸轮103的一端固定有延伸至玻璃罩102内的蛇信子105，垫片104和蛇头外壳101靠近玻璃罩102一端的内壁之间固定有回位弹簧106。

通过无刷直流电机的旋转为该机构的伸缩运动提供动力，垫片104随着直流电机的旋转进行360°的旋转运动，利用偏心凸轮103机构的高度差加上旋转进而实现蛇信子的伸缩运动，此外，该机构减少了齿轮，电动机等装置的使用，减轻了整个机械的重量。

蛇身部分靠近蛇头部分的一端设置有蛇身外壳6，主动轮带动机构包括转动连接于蛇身外壳6下方两端的主动轮201，蛇身外壳6中转动连接有连接轴202，连接轴202的两端分别与两个主动轮201连接，蛇身外壳6内安装有电机，电机的输出端和连接轴202的外侧面均固定有主动辊轮203，两个主动辊轮203的外侧面绕卷有传动带204。

该部分采用舵机来控制旋转，采用两侧安装主动轮201的，使得装置整体更加平稳，保证传动的稳定性，主动轮201直接与连接轴202相连接固定为一个整体，利用主动辊轮203和传动带204整体中已安装的内置螺栓对其进行与轴的固定，实现三者的协同运动，保证装置的持续向前运动。

蛇头摆动部件包括安装于蛇身外壳6靠近蛇头部分一端的电机，蛇头部分靠近蛇身外壳6的一端固定有呈U形的连接板301，电机的输出端连接有连杆302，连杆302的另一端与连接板301的内侧壁相固定。

通过无刷直流电机的顺逆时针的旋转，来实现蛇头前端的左右摆动。

蛇身部分还包括多节蛇壳，蛇壳为间隔设置且相连的多个连接长壳7和连接短壳8，蛇身摆动机构安装于连接长壳7和连接短壳8的衔接端；蛇身摆动机构包括不完全齿轮A401，不完全齿轮A401的另一端啮合有不完全齿轮B402，不完全齿轮A401和不完全齿轮B402分别安装于相邻的连接长壳7和连接短壳8内，不完全齿轮A401和不完全齿轮B402的非啮合端均固定有延伸板403，不完全齿轮A401的延伸板403上贯穿开设有衔接槽404，不完全齿轮A401的下方设置有转盘405，转盘405顶部非中心端固定有伸入衔接槽404内的曲柄406，转盘405的底部连接有电机。

采用不完全齿轮进行啮合，通过与曲柄406和转盘405等部件的配合进而实现左右运动，不完全齿轮一方面减轻了整体的重量，另一方面也降低了由于齿轮啮合带来的卡死的概率；通过无刷直流电机的控制实现摆动的角度以及速率，进而模拟蛇的运动方式，实现有规律的、可控制的运动；此外蛇身部分由多节连接长壳7和连接短壳8组成，模拟蛇的众多节的特点，连接长壳7和连接短壳8的下面都安装了一个从动轮9，保证了整个蛇的运动的顺畅；各个壳之间用螺栓螺母进行连接，保证了连接的稳定性以及灵活性。

蛇尾摆动部件包括蛇尾外壳501，蛇尾外壳501内设置有延伸至蛇尾下方的尾轮502，尾轮502的侧壁固定有螺旋盘503，尾轮502的一端连接有电机，尾轮502端部的非中心端固定有偏心杆504，偏心杆504的外侧设置有摆动片505，摆动片505上开设有滑动槽506，偏心杆504穿设于滑动槽506内，摆动片505的较上一端固定有L形板507，L形板507的另一端延伸至蛇尾外壳501外侧，且该端固定有呈锥形的摆动块508，L形板507的外侧贯穿固定有延伸至蛇尾外壳501外侧的横杆509。

尾部单独设置一个无刷直流电机控制尾巴的摆动，同时在尾部的上端安装了一个螺旋盘503，在陆地上蛇尾部分不进行旋转以及摆动，给整个机械蛇体起到支撑以及提供摩擦力的作用，当进行海洋搜索时，无刷直流电机进行旋转控制带动尾部开始进行摆动，为整体部分产生推力，使其能更好的在水中进行搜索。

其中，蛇头部分、蛇身部分和蛇尾部分的外壳之间通过螺栓螺母进行连接，上述电机采用无刷直流电机。

实施例2

上述仿生机械蛇的控制系统，包括：LED照明模块、WiFi网络监控摄像机模块、舵机和航模遥控器接收机。

LED照明模块：将LED小灯并联接入电池输入上，LED小灯安装于蛇信子机构的玻璃罩中。

WiFi网络监控摄像机模块：包括通过无线传输的无线网络摄像机，无线网络摄像机包括镜头、图像传感器、声音传感器、A/D转换器、图像、声音、控制器网络服务器、外部报警和控制接口；WiFi网络监控摄像机模块安装于蛇信子机构的玻璃罩中。

舵机：舵机上安装有上述蛇头部分、蛇身部分和蛇尾部分各个电机的控制器；20ms的时基脉冲，该脉冲的高电平部分为0.5ms-2.5ms范围内的角度控制脉冲部分，0.5ms时脉冲对应角度为0度，每增加0.5ms对应角度增加45度。

2.4g航模遥控器接收机上安装舵机、仿生中控端和显示屏，LED小灯与WiFi网络监控摄像机模块的控制器网络服务器连接，使得仿生中控端可对LED小灯的启闭进行远程控制，航模遥控器上安装LED照明模块开关，通过航模遥控器上安装的LED照明模块开关实现LED小灯的亮灭；通过WiFi网络和移动数据网络将数据传输至舵机的仿生中控端中，仿生中控端将影像数据同步至显示屏，以显示LED小灯的亮灭情况、无线网络摄像机的工作状态以及数据分析显示，当WiFi网络监控摄像机模块的声音模块检测到人声或人身图像(可修改筛选对象)时，通过WiFi网络监控摄像机模块将外部报警信号传输至航模遥控器；通过舵机的控制器对机械蛇整体进行操控，以实现机械蛇整体的运动和转向，以适应不同的地形和环境，并实时监控摄像机传输的图像。

集摄像机模块、网络编码模块和网卡于一体，即插即用；支持Web浏览，直接通过IE浏览器即可进行影像浏览；强大的网络客户端功能，可根据需要选择单机版客户端或分布式网络视频集中监控管理系统进行远程管理；支持动态IP，不受网络环境限制；带SD闪存卡插槽，可以插SD卡(SanDisk)进行本地录像；带报警接口，可管理连接报警设备。

齿轮参数的确定：

确定转速：齿轮马达虽然属于高转速低转矩的液压原件，但转速过高由于离心力的作用，高转速液体不能充满整个齿间，以至流量减小并引起气蚀，增大噪声和磨损，对高粘性液体的输送影响更大，本设计采用最常用的45mm

工业齿轮油粘度与节圆极限速度关系

根据表格数据，由插补法可得液体粘度为45mm

节圆线速度：

式中：D—节圆直径(mm)，其值为115mm。

由上式可知：

其最大转速为849r/min，结合该设计取其转速n＝800 r/min。

确定齿数：齿数的确定，应根据齿轮马达的设计要求从流量、压力脉动、机械效率等各方面综合考虑。从马达的流量方面来看，在齿轮分度圆不变的情况下，齿数越少，模数越大，泵的流量就越大。从马达的性能抗，齿数减少后，对改善困油及提高机械效率有利，但使马达的流量及压力脉动增加。为减少转矩的脉动，齿轮马达的齿数相对于齿轮泵的齿数较多。结合齿轮马达的发展现状及其综合性能选其齿数Z＝18。

确定齿轮马达排量，由能量守恒定理可知：

式中：由于该设计的齿轮马达的回油压力为大气压，所以ΔP

所以由上式可得：

确定齿轮模数：对于低压齿轮马达来说，确定模数主要不是从强度方面着眼，而是从马达的流量、压力脉动、噪声以及结构尺寸大小等方面。因为齿轮的齿数为18不会发生根切现象，所以在这里不考虑修正，以下关于齿轮参数的计算均按标准齿轮参数经行。

本发明中采用的分度圆直径取d＝90，计算得出齿轮齿数取Z＝18，故齿轮模数

确定齿宽：

/>

因该齿轮马达所用的两个齿轮等大，固传动比i＝1所以Z

齿面接触强度校核：

齿轮马达在入口高压液体的压力下，由于液压力的作用下齿轮相互啮合向相反的方向转动。齿轮之间相互啮合故需对其进行校核。

使用系数K

使用系数K

齿轮装置一般属于轻微振动的执行元件所以按上表中可查得K

齿轮精度的确定

各种机器所用齿轮传动的精度等级范围：

齿轮马达为精一般的执行元件其振动轻微及速度一般故此处取其精度为7。

动载系数K

动载系数表示由于齿轮造及装配误差造成的不定常传动引起的动载荷或冲击造成的影响。动载系数的实用值应按实践要求确定，考虑到以上确定的精度和轮齿速度，偏于安全考虑，参考说明书附图8，此设计中K

齿向载荷分布系数K

齿向载荷分布系数是由于齿轮作不对称配置、轴的扭转变形、轴承、支座的变形以及制造、装配的误差等影响齿向载荷分布而添加的系数，根据《机械设计》P

齿间载荷分配系数的确定

一对相互啮合的齿轮当在啮合区有两对或以上齿同时工作时，载荷应分配在这两对或多对齿上。但载荷的分配并不平均，因此引进齿间载荷分配系数K

弹性系数Z

此设计中齿轮材料选为45刚(其含碳量为0.37％-0.44％，锻钢含碳量在0.15％-0.6％)，调质后表面淬火，由《机械设计》可取

动载系数K

K

齿宽系数φ

接触疲劳强度极限由《机械设计》图10-21(参考说明书附图9)按齿面硬度差得齿轮的接触疲劳强度极限σ

计算循环应力次数

N＝60njl

其中：n为齿轮的转速(单位是r/min)；j为齿轮每转一圈，同一齿面啮合次数；L

接触疲劳寿命系数

由《机械设计》图6-7(参考说明书附图10)取接触疲劳寿命系数K

弯曲疲劳寿命系数

齿轮的输入功率

设齿轮马达功率为P

P

所以每个齿轮的功率为：

齿轮传递的转矩

由已知可得该设计的齿轮转矩为：

计算接触疲劳强度

载荷系数k

径向力

因为齿数比u＝1

所以齿轮的劫持疲劳强度满足要求。

齿面弯曲强度校核：

弯曲疲劳强度极限

由《机械设计》图10-20c查得齿轮的弯曲疲劳强度极限σ

弯曲疲劳寿命系数

由《机械设计》图10-18(参考说明书附图11)取弯曲疲劳寿命系数:K

计算弯曲疲劳许用应力

取弯曲疲劳安全系数S＝1.3则：

载荷系数

K＝K

齿形系数及应力校正系数

由《机械设计》表10—5查取齿形系数Y

计算齿根危险截面弯曲强度

所以，按齿面接触疲劳强度校核，所选齿轮参数符合要求，按齿根弯曲疲劳强度校核亦符合。此齿轮的设计符合强度要求。

电机类型选择：

步进电机

步进电机具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点，能够快速起动与停止。它通常不需要反馈就能对位移或速度进行精确控制，控制系统结构简单，维修方便。但是步进电机能耗太大，速度也不高，且存在一个固有缺点，即在低速转动时振动和噪声大，不利于整个装置的稳定。

直流电机

直流电机具有良好的起动、制动和调速特性，具有很宽的调速范围，且易于平滑调节。它具有控制特性好、响应速度快等优点，满足装置对突发情况做出反应的灵敏性要求；而且低速时平稳性好，满足了装置在爬楼运动时低速稳定性的要求；起动转矩大、过载能力强，可以满足装置爬坡、翻越台阶的性能要求。但是传统的直流电机均采用换相器和电刷以机械方法进行换相，因而存在相对的机械摩擦，由此带来噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等问题，需要经常维护。

无刷直流电机

针对传统直流电机的上述弊病，无刷直流电机采用电子换相电路取代了机械换相装置，不仅继承了直流电机的优点，且具有无噪音、免维护、可靠性高的优越特性。

因此选用无刷直流电机作为装置的驱动电机，前轮驱动和后轮转向各采用两个普通的无刷直流电机驱动。

由上，本发明采用普通无刷直流电机作为动力源，平地最大速度为1.5km/h，车体及电池重量大约为15KG。

电机选型

功率计算：P＝Fv＝mgv＝15×9.8×0.42＝61.14w

根据以上计算及各个参数，本发明选择济南科亚电子科技有限公司生产的ZW57BL90-230型直流无刷电机作为驱动电机，ZW57BL90-230型直流无刷电机参数下表所示。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。