CN104742151B - 模块化双自由度球形关节及蛇形机器人及运动控制方法 - Google Patents

Abstract

一种蛇形机器人包括若干个球形关节（100）以及用于连接相邻两个球形关节（100）的连接件（200），该球形关节（100）包括外框（10）、第一运动摆件（20）和第二运动摆件（30），第一运动摆件（20）的铰轴中心线与第二运动摆件（30）的铰轴中心线位于同一平面并相互垂直，本发明采用圆形结构，结构紧凑；蛇形机器人一级采用齿轮传动，末级采用蜗轮蜗杆传动进行关节力矩输出，实现机器人总体输出力矩提高数倍，提高关节驱动能力；蛇形机器人总体自由度数为20个，冗余性极高，运动能力强。

Description

模块化双自由度球形关节及蛇形机器人及运动控制方法

技术领域

本发明涉及机器人技术，特别涉及蛇形机器人关节结构设计及控制。

背景技术

随着现代科学技术的发展，机器人技术作为一种由机械、电气、控制等学科交叉而成的高新技术也得到了全速发展，仿生类机器人作为机器人技术工程应用领域的重要分支也备受关注，目前已有很多仿生类机器人应用到各领域，如军事上应用运物资的仿生四足机器人BigDog、仿生人形机器人等。

蛇形机器人作为一种新兴仿生类机器人越来越受到重视，蛇形机器人的设计基于模块化关节设计思想，机器人总体体积较小，各关节串联组成多自由度冗余本体结构，运动过程中机器人大部分机体与地面接触，机器人重心极低，运动稳定性高，而且运动形式多，这使得蛇形机器人的应用领域极广：(1)管道检测，传统机器人由于体积较大，无法执行直径较小的管道检测任务，而蛇形机器人结构直径小，可以容易在管道空间内运动以执行任务；(2)地震废墟救援，废墟环境复杂，空间狭小，障碍物多，传统机器人难以进入，蛇形机器人横向直径小、运动形式多，完全可以在此类环境下执行任务(3)星球表面探测，星球表面地形复杂，多崎岖、柔软路面，传统轮机器人运动受限，蛇形机器人运用本体冗余特性、机体体积小，可以很容易适应此类路面环境。

目前有关开展仿生蛇形机器人的研究方案中，模块化关节总体采用三种方案，目前蛇形机器人的关节采用三种方案，方案一为机器人单关节单自由度，相邻关节轴线平行布置，机器人具有二维空间运动能力，难以适应复杂的三维空间环境，相邻关节轴线垂直布置，机器人具有空间三维运动能力，但由于机器人长度限制运动能力不强。方案二为机器人单关节具有两个自由度，但目前设计的关节是驱动直接接到输出，驱动能力不强。而且关节的轴线相互错开，使得关节轴向长度较大，机体不紧凑。方案三为单关节具有三个自由度，关节驱动采用三驱动输入或耦合驱动，关节结构过于复杂，而且关节重量增幅较大，会导致驱动能力不足。

比较典型的蛇形机器人有美国卡内基-梅隆大学(Carnegie MellonUniversity—CMU)生物机器人技术实验室(Biorobotics Lab)的Howie Choset研制的蛇形机器人

。该机器人具有16关节组成其中包括尾部、头部关节，根据任务的需要可以增减关节的数量，单关节具有1个自由度，相邻关节的轴线相差90°，每个关节允许180°的转动。关节主要由外壳(Housing)、电机齿轮箱、报闸装置、关节内部连接器件等零部件组成。外壳结构总体为圆形结构，材料采用铝合金，主要由3部分组成，下部外壳主要用于安装所有内部构件。该蛇形机器人单关节具有一个自由度，为实现三维空间运动，需较多关节串联，通体长度较长(C.Wright,A.Johnson,A.Peck,Z.McCord,A.Naaktgeboren,P.Gianfortoni,M.Gonzalez-Rivero,R.Hatton,and H.Choset,“Design of a modular snake robot,”inIntelligent Robots and Systems,2007.IROS 2007.IEEE/RSJ InternationalConference on,pp.2609–2614,2007.)。Hirose教授团队研制出的最新一代ACM-R7(ActiveCord Mechanism)蛇形机器人，ACM-R7共有18个关节组成，每个关节具有一个自由度，机器人的总体外围尺寸为1589×140×74mm，总体长度为1.6m，总重量为11.8kg。关节结构采用对称结构设计，每侧有两个连杆结构连杆A和连杆B，两个连杆A分别有两个电机进行独立驱动。连杆A通过球关节与连杆B连接进行力矩的输出。当两个连杆A以相同方向运动时，机器人关节实现俯仰(pitch)运动。当两个连杆A以不同方向运动时，机器人关节实现偏航(yaw)运动。

当两个连杆A以相同方向运动时，机器人关节实现俯仰(pitch)运动。当两个连杆A以不同方向运动时，机器人关节实现偏航(yaw)运动。该机器人采用耦合驱动方式，单关节两个自由度，通过连杆进行传递动力，结构较复杂。(T.Ohashi,H.Yamada and S.Hirose,“Loop Forming Snake-like Robot ACM-R7and Its Serpenoid Oval Control”,Intelligent Robots and Systems(IROS),2010 IEEE/RSJ International Conference,18-22Oct.2010.)沈阳自动化研究所研制出的巡视者二代仿生蛇形机器人，该机器人单关节具有3个自由度(Pitch,Yaw and Rol l)关节内部设计有3个锥齿轮，关节采用采用三个FutabaS3305伺服电机进行驱动，电机与锥齿轮之间采用齿轮进行传动，齿轮减速比2:1，关节内部集成锂电池进行单关节能量提供。该机器人单关节具有三个自由度，但结构过于复杂，而且重量增加较多。(Changlong Ye,Shugen Ma,Bin Li,Hongjun Liu,Hequan Wang,“Development of a 3D Snake-like Robot:Perambulator-II”,2007 IEEEInternational Conference on Mechatronics and Automation,August 5-8,2007,Harbin,China)

专利申请方面，申请号为02144565.6提出一种模块化可变结构的蛇形机器人，该机器人的关节设计采用一个自由度，通过相邻关节呈90°连接，可实现机器人的三维空间运动，若要求运动能力强，机器人需较多关节进行串联，总体结构会较长。专利申请号为201410217818.9的专利公开了一种单关节两个自由度的蛇形机器人，该机器人的驱动伺服舵机直接与输出轴进行连接，舵机的驱动能力有限蛇形机器人的关节驱动能力受到限制。

现有的有关蛇形机器人的设计，关节驱动伺服舵机直接作为输出，这样由于驱动伺服舵机驱动能力的限制，导致蛇形机器人的总体运动能力受限，而单关节三个自由度的蛇形机器人，三维空间运动能力提高不大，而且结构增重较大。

发明内容

本发明公开一种双自由度球形关节的蛇形机器人，关节内部采用齿轮传动、蜗轮蜗杆传动，通过调节总传动比，实现机器人的关节力矩放大若干倍，有效的解决了关节驱动能力不足的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供的这种蛇形机器人包括若干个球形关节以及用于连接相邻两个球形关节的连接件，还包括敷设在所述球形关节外面的外壳。这种双自由度的球形关节包括环形的外框，两端铰接在该外框上、半圆形的第一运动摆件和第二运动摆件，第一运动摆件的铰轴中心线与第二运动摆件的铰轴中心线位于同一平面并相互垂直，该球形关节还包括两组同样结构分别用于驱动所述第一运动摆件和第二运动摆件摆动的驱动机构。

所述驱动机构包括固定在外框内的舵机、第一传动系统和第二传动系统，该舵机通过第一传动系统和第二传动系统控制所述第一运动摆件或第二运动摆件摆动。所述第一传动系统为齿轮传动系统，包括固设于舵机输出端的主动齿轮、驱动第二传动系统的被动齿轮以及两者之间设置的中介齿轮。所述第二传动系统为蜗轮蜗杆传动系统，包括连接所述被动齿轮的蜗杆以及固设于第一运动摆件或第二运动摆件铰轴上的蜗轮。

这种蛇形机器人以Serpenoid曲线蠕动前行，通过调整Serpenoid曲线前行的加速度值来控制蛇形机器人的前行速度。

本发明蛇形机器人关节采用圆形结构，通过内部连接件固定所有安装部件，结构紧凑；蛇形机器人中间传动采用两级传动装置，一级采用齿轮传动，末级采用蜗轮蜗杆传动进行关节力矩输出，通过驱动部件和蜗杆之间的中间齿轮传动调节总传动比，实现机器人总体输出力矩提高相应倍数，提高关节驱动能力；蛇形机器人单关节两个自由度，机器人本体结构由10个关节串联而成，机器人总体自由度数为20个，冗余性极高，运动能力强；蛇形机器人大部分部件采用轻质铝合金加工制作，有效减轻单关节质量；蛇形机器人运动规划采用将蛇形Serpenoid曲线离散化的计算方法，离散杆件数量为蛇形机器人关节数量，计算分析，最终得到蛇形机器人相邻关节间角度，用于控制机器人运动。

附图说明

图1是本发明双自由度球形关节正面的立体示意图。

图2是本发明双自由度球形关节背面的立体示意图。

图3是本发明蛇形机器人的立体示意图。

图4是本发明蛇形机器人各关节运动模式的示意图。

图5是Serpenoid曲线图。

具体实施方式

结合上述附图说明本发明的具体实施例。

由图3和图4中可知，本发明蛇形机器人包括若干个球形关节100以及用于连接相邻两个球形关节100的连接件200，还包括敷设在所述球形关节100外面的外壳。所述连接件200包括第一连接板210以及一端带叉形连接头的第二连接板220，所述第一连接板210的一端与第二连接板220的叉形连接头铰接，第一连接板210的另一端以及第二连接板220的另一端分别连接相邻的两个球形关节100，该蛇形机器人优选由10个球形关节100串联而成。本发明机器人关节完全模块化，安装时不用考虑考虑安装正反面问题，使得安装时方便，蛇形机器人单关节2个自由度，总体结构20个自由度。

由图1和图2中可知，本发明中的球形关节100包括环形的外框10，两端铰接在该外框上、半圆形的第一运动摆件20和第二运动摆件30，第一运动摆件20的铰轴中心线与第二运动摆件30的铰轴中心线位于同一平面并相互垂直，该球形关节还包括两组同样结构分别用于驱动所述第一运动摆件20和第二运动摆件30摆动的驱动机构40。本发明通过控制两个轴线垂直的运动摆件，来实现多自由度的控制。

由图1和图2中可知，本发明中的重点为—驱动机构40，其包括固定在外框10内的舵机41、第一传动系统42和第二传动系统43，该舵机41通过第一传动系统42和第二传动系统43控制所述第一运动摆件20或第二运动摆件30摆动。所述第一传动系统42为齿轮传动系统，包括固设于舵机41输出端的主动齿轮421、驱动第二传动系统43的被动齿轮422以及两者之间设置的中介齿轮423。所述第二传动系统43为蜗轮蜗杆传动系统，包括连接所述被动齿轮422的蜗杆431以及固设于第一运动摆件20或第二运动摆件30铰轴上的蜗轮432。

本发明双自由度球形关节中外框为圆形外框结构，外框部件的主要作用是为内部零部件的安装、定位等提供准确的位置信息。外框的设计我们设计为两面对称结构，外框的最大外径为138mm，框架总厚度为8mm，框架上设计打有一定的螺纹孔和通孔，为后面的零件的准确定位提供基础。内部框架设计有两个支撑框架11和12，支撑框架11的主要作用是为驱动部件舵机41提供安装定位孔、支撑以及相邻关节的第一运动摆件20或第二运动摆件30提供定位轴的安装孔。支撑框架12的主要作用一是为舵机41的另一侧安装提供安装定位孔；二是为中介齿轮423、蜗杆431以及蜗轮432的安装轴提供定位孔。第一运动摆件20或第二运动摆件30通过紧定螺钉进行连接后的总体通过M3螺栓与外框进行连接，构成机器人关节的总体支撑部件。蛇形机器人双自由度球形关节的舵机41采用Power HD 1501MG金属齿轮舵机，与支撑框架11和12的定位孔通过螺栓进行连接。伺服舵机输出力矩依次通过主动齿轮421、中介齿轮423和被动齿轮422的啮合传递，主动齿轮421通过螺栓与舵机末端安装舵盘进行连接，通过中介齿轮423进行驱动的变向与传递将动力传递至被动齿轮422，被动齿轮422内部设计为D形孔与蜗杆431的D形末端轴进行配合连接。主动齿轮421、中介齿轮423和被动齿轮422模数设计为0.8，标准压力角20°，主动齿轮421为31齿，中介齿轮423为18齿、被动齿轮422为20齿。舵机41通过主动齿轮421、中介齿轮423和被动齿轮422将动力传递至蜗杆431，蜗杆431通过支撑部件与外框进行连接，实现准确定位。蜗杆431与蜗轮432通过啮合传动，蜗轮432设计采用端面模数为2，标准压力角20°，蜗轮432整周齿数为38齿。考虑到双自由度球形关节的总传动比，以及蜗杆431及蜗轮432运动过程中只有部分齿参与啮合，对蜗轮432采用线切割进行切割为扇形齿轮。蜗轮432通过内孔与轴进行配合，轴一端与安装在支撑框架11中的单列滚动轴承685zz进行配合固定，另一端与安装在外框中的法兰轴承mf105zz进行配合。连接件、蜗轮432和轴通过螺栓进行连接。蜗轮432通过连接件与第一运动摆件20通过M2紧定螺钉进行连接。舵机41通过主动齿轮421、中介齿轮423和被动齿轮422及蜗杆431、蜗轮432将动力最终传递到双自由度球形关节的第一运动摆件20，实现机器人双自由度球形关节的一个自由度的输出。另一侧以同样机构和原理将动力传递到双自由度球形关节的第二运动摆件30，实现双自由度球形关节的第二个自由度的输出，蛇形机器人相邻关节通过第一运动摆件20与第二运动摆件30实现连接。

本发明这种蛇形机器人的运动控制方法是采用该蛇形机器人以Serpenoid曲线蠕动前行，通过控制蛇形机器人相邻关节间角度，实现控制机器人运动以及调整Serpenoid曲线前行的加速度值来控制蛇形机器人的前行速度。

具体计算分析的方式如下：

蛇形Serpenoid曲线是通过曲率方程(1)定义

式中：

K_n：曲线在传播过程中“S”型的个数；

α₀：初始弯角；

L：蛇形机器人总体长度；

S_p：蛇形机器人沿曲线的长度。

式(1)在直角坐标系中可表示为：

其中，ξ_σ＝acos(bσ)+cσ。

a----决定曲线的幅值；

b----决定曲线移动的周期；

c----决定曲线的运动方向。

若假设蛇形机器人的总体长度为L，将蛇形机器人进行等分为n段，则每段的长度为也即是蛇形机器人单关节的长度，并将机器人头部的编号为1。则从蛇形机器人头部至第i关节的总长度为则分段后式(2)、(3)可表示为：

点(x_i,y_i),i＝0,1,2…n为第i条杆长与第i+1条的交点，另第i个杆与蛇形机器人运动方向之间的夹角为φ_i,i＝0,1,2…n，则我们可以得到：

则可以得到，各杆件与运动方向X轴间的夹角为：

在进行机器人的步态研究分析时，实际应用的为相邻关节之间的夹角θ_i，则有式(7)，可得：

其中：为关节角度的幅值；

为相邻关节之间运动时的相位差；

为运动方向控制参数。

当蛇形曲线Serpenoid曲线以加速度ω向前传播时，则式(7)可表示为：

相邻关节间的夹角θ_i可表示为：

相邻关节间的角速度为可表示为：

由式(11)可知，通过改变ω的值可以改变蛇形机器人相邻关节间的相对角速度，从而改变蛇形机器人拟合Serpenoid曲线的各杆件的速度，进而改变蛇形机器人的前进运动速度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种模块化双自由度的球形关节，其特征在于：该球形关节（100）包括环形的外框（10），两端铰接在该外框上、半圆形的第一运动摆件（20）和第二运动摆件（30），第一运动摆件（20）的铰轴中心线与第二运动摆件（30）的铰轴中心线位于同一平面并相互垂直，该球形关节还包括两组同样结构分别用于驱动所述第一运动摆件（20）和第二运动摆件（30）摆动的驱动机构（40），所述驱动机构（40）包括固定在外框（10）内的舵机（41）、第一传动系统（42）和第二传动系统（43），该舵机（41）通过第一传动系统（42）和第二传动系统（43）控制所述第一运动摆件（20）或第二运动摆件（30）摆动。

2.根据权利要求1所述模块化双自由度的球形关节，其特征在于：所述第一传动系统（42）为齿轮传动系统，包括固设于舵机（41）输出端的主动齿轮（421）、驱动第二传动系统（43）的被动齿轮（422）以及两者之间设置的中介齿轮（423）。

3.根据权利要求2所述模块化双自由度的球形关节，其特征在于：所述第二传动系统（43）为蜗轮蜗杆传动系统，包括连接所述被动齿轮（422）的蜗杆（431）以及固设于第一运动摆件（20）或第二运动摆件（30）铰轴上的蜗轮（432）。

4.根据权利要求2所述模块化双自由度的球形关节，其特征在于：所述第一传动系统（42）中主动齿轮（421）、被动齿轮（422）以及中介齿轮（423）的模数为0.8，齿数比为31:18:20。

5.根据权利要求3所述模块化双自由度的球形关节，其特征在于：所述第二传动系统（43）中蜗轮（432）的端面模数为2，整周齿数为38。

6.一种采用权利要求1至5中任一项所述模块化双自由度的球形关节制成的蛇形机器人，其特征在于：该蛇形机器人包括若干个球形关节（100）以及用于连接相邻两个球形关节（100）的连接件（200），还包括敷设在所述球形关节（100）外面的外壳。

7.根据权利要求6所述的蛇形机器人，其特征在于：所述连接件（200）包括第一连接板（210）以及一端带叉形连接头的第二连接板（220），所述第一连接板（210）的一端与第二连接板（220）的叉形连接头铰接，第一连接板（210）的另一端以及第二连接板（220）的另一端分别连接相邻的两个球形关节（100）。

8.根据权利要求6或7所述的蛇形机器人，其特征在于：该蛇形机器人由10个球形关节（100）串联而成。

9.一种如权利要求6至8中任一项所述蛇形机器人的运动控制方法，其特征在于：该蛇形机器人以Serpenoid曲线蠕动前行，通过调整Serpenoid曲线前行的加速度值来控制蛇形机器人的前行速度。