CN107671885A - 蛇形机器人关节模块和蛇形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种蛇形机器人关节模块和蛇形机器人，本发明的蛇形机器人关节模块包括一端设有壳体连接部的壳体，转动设于所述壳体中的轴体，设于所述壳体与所述轴体之间的驱动单元、旋转位移检测单元和制动单元，以及一端枢转设置于所述壳体上的关节连接块，和设于所述壳体中，并位于所述轴体和所述关节连接块之间的传动单元。本发明所述的蛇形机器人关节模块可通过各部件在壳体中的集成，实现机器人关节的模块化，同时也能够便于在多个关节模块连接后对其中的关节模块进行替换，使其具有较好的可替换性，而提高由关节模块所制成的机器人的实用性。

Description

蛇形机器人关节模块和蛇形机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种蛇形机器人关节模块，本发明还涉及一种具有该蛇形机器人关节模块的蛇形机器人。

背景技术

蛇形机器人是一种新型的仿生机器人，它能够实现像蛇一样的无肢体运动，其在诸如自动成像、仿生实验、电动汽车自动充电，以及有辐射、剧毒区域或是狭小管道等需要多自由度运动且空间有限的领域中得到了很好的应用。目前，蛇形机器人已出现了多种结构形式，不过现有的蛇形机器人在不同方向的转动仍需由多个不同关节实现，传动环节较多，结构复杂，关节可替换性及模块化程度均不高，并且单个关节尺寸较大且定位精度不高，从而极大的限制蛇形机器人的推广应用。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种蛇形机器人关节模块，以能够实现蛇形机器人关节的模块化，并可使之具有较好的可替换性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种蛇形机器人关节模块，其包括：

壳体，于所述壳体的一端设有壳体连接部；

轴体，转动设于所述壳体中，且所述轴体的轴线被设置为沿蛇形机器人的长度方向布置；

驱动单元，设于所述壳体与所述轴体之间，以可驱使所述轴体相对于所述壳体转动；

关节连接块，一端枢转设置于所述壳体上，且所述关节连接块的枢转轴线被设置为与所述轴体的轴线垂直，并在所述关节连接块的另一端设有适配于所述壳体连接部设置的连接块连接部；

传动单元，设于所述壳体中，并位于所述轴体和所述关节连接块之间，以可承接所述轴体的转动驱使、而使所述关节连接块具有相对于所述壳体的转动；

旋转位移检测单元，设于所述壳体与所述轴体之间，以可形成对所述轴体相对于所述壳体的转动量的检测；

制动单元，设于所述壳体与所述轴体之间，以可响应于外部使能信号，而形成施加于所述轴体上的制动力。

进一步的，还包括设于所述壳体上的与所述驱动单元、所述旋转位移检测单元及所述制动单元联接的控制单元，所述控制单元用于控制所述蛇形机器人关节模块动作的执行。

进一步的，所述驱动单元包括套装于所述轴体上的具有永磁体的转子，以及对应于所述转子，固定于所述壳体上的具有定子铁芯、并绕制有线圈的定子。

进一步的，于所述壳体上转动设有枢转轴体，所述关节连接块固定连接于所述枢转轴体上；所述传动单元包括分别设置于所述轴体及所述枢转轴体上、并啮合相连的第一齿轮和第二齿轮。

进一步的，所述第一齿轮与所述第二齿轮为适配设置的一对螺旋伞齿轮或直齿锥齿轮。

进一步的，所述旋转位移检测额单元包括固定于所述壳体上的与所述轴体连接的旋转编码器。

进一步的，所述制动单元为断电锁死机构。

进一步的，所述壳体连接部包括设于所述壳体端部的四个第一连接单元，且四个所述第一连接单元之间的连线形成一正方形；所述连接块连接部包括设于所述关节连接块端部的、与所述第一连接单元一一对应布置的四个第二连接单元。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本发明的蛇形机器人关节模块中，通过将驱动单元、关节连接块、传动单元以及旋转位移检测单元和制动单元于壳体中的设置，可通过各部件在壳体中的集成，实现机器人关节的模块化；同时，利用在壳体以及关节连接块上分别设置的相适配的壳体连接部与连接块连接部，能够在实现不同关节模块之间连接的基础上，也能够便于在多个关节模块连接后对其中的关节模块进行替换，使其具有较好的可替换性，而提高由关节模块所制成的机器人的实用性。

本发明的另一目的在于提出一种蛇形机器人，以可使其内的关节实现模块化，并具有良好的可替换性，而能够提升机器人的实用性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种蛇形机器人，其包括安装基座，以及连接于所述安装基座上的、串接在一起的多个如上所述的蛇形机器人关节模块，相邻所述蛇形机器人关节模块间的所述壳体连接部与所述连接块连接部相连，并在最外端的所述蛇形机器人关节模块的所述关节连接块上连接有执行模块；还包括固定于所述安装基座上的、与各所述蛇形机器人关节模块相联接的中央控制模块。

进一步的，于各所述蛇形机器人关节模块中，至少有一个所述蛇形机器人关节模块中的所述关节连接块的枢转轴轴线方向与其它所述蛇形机器人关节模块中的所述关节连接块(2)的枢转轴轴线方向正交设置。

本发明的蛇形机器人通过应用如上的蛇形机器人关节模块，可通过各部件在壳体中的集成，实现机器人关节的模块化，各关节模块的结构相同，仅通过各关节模块间不同的安装角度，即可实现不同关节模块之间绕不同轴线悬置，以实现机器人的多自由度运动。而且利用壳体以及关节连接块上相适配的壳体连接部与连接块连接部的设置，也能够在多个关节模块连接后便于对其中的关节模块进行替换，可替换性好，模块化程度高，适应于大批量工业化生产及应用。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例一所述的蛇形机器人关节模块的结构示意图；

图2为本发明实施例一所述的蛇形机器人关节模块的另一视角下的结构示意图；

图3为本发明实施例一所述的蛇形机器人关节模块的爆炸图；

图4为本发明实施例一所述的螺旋伞齿轮的结构示意图；

图5为本发明实施例一所述的直齿锥齿轮的结构示意图；

图6为本发明实施例二所述的蛇形机器人的结构示意图；

附图标记说明：

1-壳体；11-壳本体；12-端盖；13-底座；131-轴承安装孔；132-齿轮容纳槽；133-齿轮容纳槽；14-支撑板；141-凹槽；15-顶板；16-第一连接单元；2-关节连接块；21-竖板；22-横板；221-花键孔；222-凹槽；23-第二连接单元；3-轴体；4-转子；5-枢转轴体；6-第一齿轮；7-第二齿轮；8-滚动轴承；9-推力轴承；10-旋转编码器；20-断电锁死机构；30-安装基座；40-中央控制模块；50-执行模块。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例一

本实施例涉及一种蛇形机器人关节模块，该蛇形机器人关节模块整体结构上包括一端设有壳体连接部的壳体，转动设于该壳体中的轴体，位于壳体与轴体之间的用于驱使轴体转动驱动单元，对轴体相对于壳体的转动量进行检测的旋转位移检测单元，以及用于对轴体施加制动力、以使轴体相对于壳体停止转动的制动单元。

本实施例的蛇形机器人关节模块还进一步包括一端枢转设置于壳体上的关节连接块，和设于壳体中、并位于轴体和该关节连接块之间的传动单元。其中，传动单元用于实现轴体转动向关节连接块的船体，而在壳体及关节连接块上也分别设置有适配设计的壳体连接部与连接块连接部，该两个连接部即可用于不同关节模块之间的相互连接，亦或者也可用于实现关节模块与下文所述的安装基座或执行模块的连接。

基于如上的整体结构设计，本实施例的蛇形机器人关节模块的一种示例性结构由图1、图2并结合图3所示，其中，壳体1具体由壳本体11、端盖12、底座13以及支撑板14和顶板15构成，壳本体11呈筒状，轴体3即位于壳本体11中，前述的壳体连接部位于壳本体11的一端，端盖12相对于壳体连接部、固定在壳本体11的另一端，底座13及顶板15固定在端盖12上，而支撑板14则固定在底座13上，上述各部件之间的固定连接具体采用螺钉便可。

本实施例中，轴体3具体通过图中未示出的轴承转动设置在壳本体11内，其一端也穿设端盖12及底座13设置，并且轴体3在布置上，其轴体方向也为沿蛇形机器人的长度方向布置。前述的驱动单元则具体包括套装于轴体3上的转子4，以及对应于该转子4设置在壳本体11内壁处的图中同样未示出的定子。在转子4上沿其圆周方向间隔布置有多对永磁体，壳本体11内壁上的定子则由定子铁芯以及绕制在该定子铁芯中的多组线圈构成。使用时，通过使定子中的线圈通电，使之产生磁场，便可由转子4实现轴体3相对于壳本体11的转动。

将转子4设置在轴体3上，同时使相应的定子布置于壳本体11上，如此设置可将构成驱动单元的电机结构与壳体1及轴体3集成在一起，从而相比于采用独立电机驱动轴体3的结构，能够大大减小结构尺寸，而利于模块的轻量化和小型化设计。

本实施例中，在壳体1中转动设置有枢转轴体5，关节连接块2则通过该枢转轴体5转动布置在壳体1上。具体结构上，该枢转轴体5由位于其两端的滚动轴承8转动布置在底座13以及顶板15上，在底座13上设置有轴承安装孔131用于承装枢转轴体5一端的滚动轴承8，同样的，在顶板15上也设置有用于承装位于枢转轴体5另一端的滚动轴承8的轴承安装孔。

本实施例的枢转轴体5在布置上，其轴线方向为与上述轴体3的轴线方向垂直。而关节连接块2具体由与枢转轴体5连接的横板22，以及与横板垂直固连的竖板23构成，在横板22的自由端设置有花键孔221，对应的，在枢转轴体5的外周面上也设置有花键齿，关节连接块2即通过该花键孔221实现与枢转轴体5的传动连接，以可由枢转轴体5带动关节连接块2运动。前述的设于关节连接块2上的连接块连接部则位于竖板21上。

本实施例中前述的传动单元则包括连接在轴体3端部的第一齿轮6，以及转动布置于底座13中的第二齿轮7，第二齿轮7具体固定套装在枢转轴体5上，并与第一齿轮6之间相啮合，以此可承接轴体3的转动驱使，而由枢转轴体5带动关节连接块2进行转动。而为便于第一齿轮6与第二齿轮7的设置，在底座13上于轴承安装孔131的顶部设置有齿轮容纳槽132，对应于该齿轮容纳槽132，在底座13与端盖12连接的一侧也设置有齿轮容纳槽133，第一齿轮6和第二齿轮7即分别位于两个容纳槽内，同时，前述的固定于底座13上的支撑板14则可形成对齿轮容纳槽132的封盖。

对于啮合传动的第一齿轮6及第二齿轮7，本实施例中两者优选的可采用适配设置的如图4中所示的一对螺旋伞齿轮，以能够获得更好的传动精度，同时采用一对螺旋伞齿轮传动，也可将关节连接块2及滚动轴承8等布置于传动齿轮的上方，以此可使得关节模块结构紧凑，缩短关节模块长度方向尺寸，减少关节模块的空间占用。当然，除了为螺旋伞齿轮，第一齿轮6与第二齿轮7采用如图5中所示的直齿锥齿轮也是可以的，但其传动精度会较低。

而在关节连接块2的具体布置上，为保证关节连接块2相对于壳体1的自由转动，本实施例中在关节连接块2与枢转轴体5连接的横板22的两相对也分别设置有推力轴承9。同时，在横板22的两相对侧端面上，以及支撑板14上还分别设置有凹槽222及凹槽141，位于横板22两侧的推力轴承9即容置在上述凹槽222和凹槽141中，以可由支撑板14实现对关节连接块2的支撑。

本实施例中，前述的旋转位移检测单元具体可为固定在壳本体11具有壳体连接部的一端处旋转编码器10，该旋转编码器10与轴体3连接，以可实现对轴体3转动量的检测。而制动单元则可为设置于壳本体11和轴体3之间的断电锁死机构20，该断电锁死机构20具体可采用电磁离合器或者断电刹车器等现有结构，且需要说明的是在本实施例中电磁离合器与断电刹车器应选择尺寸规格较小的型号，以适于在壳本体11和轴体3之间的装设。

本实施例在具体结构上，前述的位于壳本体11一端的壳体连接部包括设置在壳本体11上的四个第一连接单元16，且在布置上四个第一连接单元16之间的连线也形成一正方形，也即四个第一连接单元16间布置成“十”字形。而适配于壳体连接部的连接块连接部则包括设置在关节连接块2中的竖板21端部的四个第二连接单元23，四个第二连接单元23与第一连接单元16一一对应，而使得四个第二连接单元23之间的连线也为一正方形。

通过使各第一连接单元16及各第二连接单元23均设置有四个，且使其均为呈正方形排布，在两个蛇形机器人关节模块通过第一连接单元16和第二连接单元23进行连接时，不仅可保证两者之间连接的可靠性，而且也可便于对其中的一个关节模块进行±90°的翻转设置，以能够使得两个不同关节模块中的关节连接块2的转动轴线方向不同，由此在多个关节模块进行连接时，即可通过将不同关节模块中的关节连接块2的转动轴线方向调整为不同，实现多个关节模块连接后的多自由度。

本实施例中，上述第一连接单元16和第二连接单元23具体可分别为设置于壳本体11端部的键槽，以及设置于关节连接块2上的键块，进行连接时，键块嵌装于键槽内，并能够卡紧在键槽内。当然，除了采用键槽与键块的配合结构，第一连接单元16及第二连接单元23也可为其它能够进行可靠连接的配合结构，并且各连接单元的数量，以及其在壳体1或关节连接块2上的位置摆布也可视需要而进行改变，从而由此也能够使得关节模块的翻转角度不仅限于如上的90°。此外，除了由如上所述的多个第一连接单元或第二连接单元构成，设置于壳体1与关节连接块2上的适配设计的两个连接部当然亦可为其它能够实现壳体1和关节连接块2之间连接的结构形式。

而本实施例的蛇形关节模块进一步的还包括设置在壳体1上的分别与前述的驱动单元、旋转位移检测单元以及制动单元联接的控制单元，该控制单元具体可为固定在壳体1中的控制电路板，以用于控制关节模块动作的执行。通过各关节模块中控制单元的设置，可实现对各关节模块中定子线圈电流、轴体3转动位置以及轴体3制动的单独控制，能够使得各关节模块间相互独立，而也利于对关节模块的自由更换。不过，除了设置控制单元，本实施例中亦可选择省去该控制单元，而可由机器人中的总控制器实现对各关节模块的控制。

此外，本实施例中为在实际使用中便于蛇形机器人的行走，在壳体1中的壳本体11的外侧端面上还可设置耐磨3M胶带，以减少壳体1自身的磨损。而本实施例的蛇形机器人关节模块的具体使用可参见如下实施例二中的描述。

实施例二

本实施例涉及一种蛇形机器人，由图6所示，其包括安装基座30，以及连接于安装基座30上的、串接在一起的多个如实施例一中的蛇形机器人关节模块100，相邻的蛇形机器人关节模块100间的壳体连接部与连接块连接部相连，并且在最外端的蛇形机器人关节模块100的关节连接块2也连接有执行模块50。此外，在安装基座30上还设置有与各蛇形机器人关节模块100相联接的中央控制模块40，而在各蛇形机器人关节模块100中，相邻的蛇形机器人关节模块100中的关节连接块2的枢转轴轴线方向间也为正交布置。

本实施例中，安装基座30和执行模块50分别可通过设置与连接块连接部及壳体连接部相同的结构，以实现与对应的蛇形机器人关节模块100的连接。中央控制模块40作为机器人的总控制器，其与设置在各蛇形机器人关节模块100中的控制单元连接，以可向各模块的控制单元发送指令。而执行模块50则可根据实际需要为摄像头、充电头或其他应用组件。

此外，需要说明的是，本实施例中除了使得相邻的蛇形机器人关节模块100中的关节连接块2的枢转轴线方向正交设置，当然也可根据需要而采用其它设计方式，如可使得各蛇形机器人关节模块100中的关节连接块2的枢转轴线方向均相同，或者使得各蛇形机器人关节模块100中至少有一个模块的关节连接块2的枢转轴线的方向与其它模块中的关节连接块2的枢转轴线的方向正交设置，以此可使得由多个蛇形机器人关节模块100构成的机器人具有不同的运动自由度。

本实施例的蛇形机器人在使用时，中央控制模块40根据预设的动作路径，向各蛇形机器人关节模块100发送动作执行指令，各蛇形机器人关节模块100中的控制单元根据所获指令，控制定子中的线圈得电，以此使得轴体3运动，轴体3的运动通过相啮合的第一齿轮6和第二齿轮7传递至枢转轴体5，并由枢转轴体5带动关节连接块2转动，最终实现关节连接块2的动作。在轴体3转动时，通过旋转编码器10实时检测其转动量，在转动到位后，便可由断电锁死机构20进行制动，停止轴体3以及关节连接块2的动作。

各蛇形机器人关节模块100中的关节连接块2的动作，可带动连接于其上的其它各模块的对应运动，从而通过各蛇形机器人关节模块100的协同动作，便可实现该蛇形机器人整体的可控动作，以实现预设的运动目的。

本实施例的蛇形机器人通过应用实施例一的蛇形机器人关节模块100，可实现机器人关节的模块化，并可通过调整不同蛇形机器人关节模块100中的关节连接块2的枢转轴线方向，实现机器人的多自由度运动。而且利用各关节模块结构相同，可便于不同模块之间的连接，也能够根据实际需要调整关节模块的数量，以改变机器人的整体长度，并能够在多个蛇形机器人关节模块100连接后对其中的蛇形机器人关节模块100进行替换，使之具有较好的可替换性，从而能够提升机器人的实用性。

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

Claims (10)

1.一种蛇形机器人关节模块，其特征在于包括：

壳体(1)，于所述壳体(1)的一端设有壳体连接部；

轴体(3)，转动设于所述壳体(1)中，且所述轴体(3)的轴线被设置为沿蛇形机器人的长度方向布置；

驱动单元，设于所述壳体(1)与所述轴体(3)之间，以可驱使所述轴体(3)相对于所述壳体(1)转动；

关节连接块(2)，一端枢转设置于所述壳体(1)上，且所述关节连接块(2)的枢转轴线被设置为与所述轴体(3)的轴线垂直，并在所述关节连接块(2)的另一端设有适配于所述壳体连接部设置的连接块连接部；

传动单元，设于所述壳体(1)中，并位于所述轴体(3)和所述关节连接块(2)之间，以可承接所述轴体(3)的转动驱使、而使所述关节连接块(2)具有相对于所述壳体(1)的转动；

旋转位移检测单元，设于所述壳体(1)与所述轴体(3)之间，以可形成对所述轴体(3)相对于所述壳体(1)的转动量的检测；

制动单元，设于所述壳体(1)与所述轴体(3)之间，以可响应于外部使能信号，而形成施加于所述轴体(3)上的制动力。

2.根据权利要求1所述的蛇形机器人关节模块，其特征在于：还包括设于所述壳体(1)上的与所述驱动单元、所述旋转位移检测单元及所述制动单元联接的控制单元，所述控制单元用于控制所述蛇形机器人关节模块动作的执行。

3.根据权利要求1或2所述的蛇形机器人关节模块，其特征在于：所述驱动单元包括套装于所述轴体(3)上的具有永磁体的转子(4)，以及对应于所述转子(4)，固定于所述壳体(1)上的具有定子铁芯、并绕制有线圈的定子。

4.根据权利要求1或2所述的蛇形机器人关节模块，其特征在于：于所述壳体(1)上转动设有枢转轴体(5)，所述关节连接块(2)固定连接于所述枢转轴体(5)上；所述传动单元包括分别设置于所述轴体(3)及所述枢转轴体(5)上、并啮合相连的第一齿轮(6)和第二齿轮(7)。

5.根据权利要求4所述的蛇形机器人关节模块，其特征在于：所述第一齿轮(6)与所述第二齿轮(7)为适配设置的一对螺旋伞齿轮或直齿锥齿轮。

6.根据权利要求1或2所述的蛇形机器人关节模块，其特征在于：所述旋转位移检测额单元包括固定于所述壳体(1)上的与所述轴体(3)连接的旋转编码器(10)。

7.根据权利要求1或2所述的蛇形机器人关节模块，其特征在于：所述制动单元为断电锁死机构(20)。

8.根据权利要求1或2所述的蛇形机器人关节模块，其特征在于：所述壳体连接部包括设于所述壳体(1)端部的四个第一连接单元(16)，且四个所述第一连接单元(16)之间的连线形成一正方形；所述连接块连接部包括设于所述关节连接块(2)端部的、与所述第一连接单元(16)一一对应布置的四个第二连接单元(23)。

9.一种蛇形机器人，其特征在于：包括安装基座(30)，以及连接于所述安装基座(30)上的、串接在一起的多个如权利要求1至8中任一项所述的蛇形机器人关节模块(100)，相邻所述蛇形机器人关节模块(100)间的所述壳体连接部与所述连接块连接部相连，并在最外端的所述蛇形机器人关节模块(100)的所述关节连接块(2)上连接有执行模块(50)；还包括固定于所述安装基座(30)上的、与各所述蛇形机器人关节模块(100)相联接的中央控制模块(40)。

10.根据权利要求9所述的蛇形机器人，其特征在于：于各所述蛇形机器人关节模块(100)中，至少有一个所述蛇形机器人关节模块(100)中的所述关节连接块(2)的枢转轴轴线方向与其它所述蛇形机器人关节模块(100)中的所述关节连接块(2)的枢转轴轴线方向正交设置。