CN108638119A - 一种带自主分布动力的多关节仿生机械螯钳 - Google Patents

Abstract

一种带自主分布动力的多关节仿生机械螯钳，包括螯节、螯盾节，其特征在于，还设有连接架、动力装置、钳动机构、钳节、电控装置，所述连接架、螯节、螯盾节依次通过关节相连；动力系统固定在螯节或/和螯盾节的空腔内，电控装置固定在快装连接架或/和螯节或/和螯盾节的空腔内，电控装置分别与动力装置、关节电连接；所述钳节通过钳动机构与螯盾节相连。本发明结构简单，安装和拆卸方便；整机工作可靠性高。

Description

一种带自主分布动力的多关节仿生机械螯钳

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，具体涉及一种带自主分布动力的多关节仿生机械螯钳。

背景技术

仿生智能机械，顾名思义，是科技工作者仿照自然生物进化出的、具有独特特征的结构或构造，而研制出的智能机械或机器人。

蝎子的螯钳具有多自由度，灵活性好、大钳夹力，盾牌形防御结构，在日常的探测、采食、攻击、防御上具有明显的优势；这种经过上万年进化而成的生物结构，对人类活动，如地震救援，安保防护、水下施工、军事侦查、野外探险等领域，具有很强的仿生意义。

目前，在仿生机械研究和开发方面，仅有少量专利文献和论文涉及仿生螯钳的报道。

例如，2009年第12期《机械与电子》杂志上发表了一篇题名为 “仿生螃蟹机器人的设计与实现”的论文，该文报道了一种仿生螃蟹机器人，该仿生螃蟹机器人有2只螯，每只螯有3个关节，分别由3个伺服电机驱动，可实现拾取、搬运等功能；但该类仿生螯钳存在以下缺陷:一是这类仿生螯钳上仅模仿了螯钳的夹取等功能，未实现螯钳完全意义上的钳、防御多种功能仿生；二是这类仿生螯钳上无自身动力，动力集中在机器人主体框架上，需通过电缆将动力输送至仿生螯钳上，易因频繁运动导致连接电缆磨损而瘫痪；三是其整体式集中电源存在充电时间长、充电效率低的问题，四是这类仿生螯钳和主体框架上的动力相连，安装维护大多不便。

CN201610277479.2公开了一种多用途仿生螃蟹机器人，其中包含右侧钳模块和左侧钳模块；右侧钳模块由右侧钳驱动电机、右侧钳驱动小齿轮、右侧钳驱动大齿轮、右侧钳旋转臂、右侧钳第一级驱动液压杆、右侧转动销、右侧钳第一级驱动臂、右侧钳第二级驱动液压杆、右侧钳第二级驱动臂、右侧钳第三级驱动液压杆、右侧钳第三级驱动臂、旋切刀片、辅助摄像头、一字自动螺丝刀、十字自动螺丝刀、旋切刀片驱动偏心盘、旋切刀片驱动盘式电机、旋切刀片驱动第一连杆、旋切刀片驱动第二连杆、旋切刀齿组成；左侧钳模块采用类似结构实现拉伸锯刀功能；该专利采用机械和液压方式实现仿生螯钳的锯割等功能，具有钳夹力大、锯割能力强等特点，但其存在如下缺陷：第一，动力源集中在仿生机器主体框架上，需由机器人主体框架上的液压动力系统提供螯钳的关节液压动力，极易因连接线缆或液压管道磨损而瘫痪；第二，其整体式集中电源布置在仿生机器人主体上，存在充电时间长、充电效率低的问题；第三，采用直线油缸的关节运动和驱动器呈现非线性关系，导致控制系统复杂；第四，仿生螯钳及其中布置的连接线缆或/和液压管道与机器人主体框架须直接相连接，极不方便拆装维护。

CN201410581468.4公开了一种仿生螃蟹机器人，其中所述的钳螯系统包括齿条，在齿条的左右两侧对称位置各安装一个钳螯主体，每个钳螯主体都是由固定架、电机架、摆动舵机、两个连接卡、托盘、抓取舵机、两个钥匙型齿杆、两个爪杆和两个连杆组成，采用连杆机构的机械方式实现仿生螯钳的钳夹功能，存在以下问题：一是动力源集中在仿生机器主体框架上，采用多零件的机械结构传递动力，结构复杂，可靠性差；二是运动模式单一，自由度少，仅实现钳夹功能，适应复杂工况能力差；三是其整体式集中电源布置在仿生机器人主体上，存在充电时间长、充电效率低的问题；四是安装维护不方便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种结构简单，工作可靠、拆卸与装配方便，控制系统简单、充电效率高，带自主分布动力的多关节仿生螯钳。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带自主分布动力的多关节仿生机械螯钳，包括螯节、螯盾节，还设有连接架、动力装置、钳动机构、钳节、电控装置，所述连接架、螯节、螯盾节依次通过关节相连；动力系统固定在螯节或/和螯盾节的空腔内，电控装置固定在快装连接架或/和螯节或/和螯盾节的空腔内，电控装置分别与动力装置、关节电连接；所述钳节通过钳动机构与螯盾节相连。

进一步，所述连接架设有螺栓安装孔或/和插销孔或/和卡槽，用于将所述带自主分布动力的多关节螯钳快速连接固定在仿生机器人主体框架上。

进一步，所述螯节≥2个。

进一步，所述螯节、螯盾节、钳节为横断面为圆形或矩形或异形并具有空腔的框架构件，方便空腔内部布置动力装置、电控装置，螯节、螯盾节、钳节空腔内安装动力装置、电控装置后的剩余空间填充有浮力材料件或吸能材料件。

进一步，所述关节为三维关节和/或二维关节，所述三维关节包括关节架、两组减速机和两组驱动马达；驱动马达设置在减速机动力输入端；两组减速机呈相互非平行状态设置在所述关节架的两端；工作时，可使所述三维关节实现三维空间的摆动；所述二维关节包括减速机以及设置在减速机动力输入端的驱动马达，工作时，可使所述二维关节实现二维平面的摆动。

进一步，所述动力装置为电池组和/或太阳能薄膜件和/或压电材料件。

进一步，所述电池组为锂电池组或石墨烯电池组；所述太阳能薄膜件设置在所述螯节或/和螯盾节的外表面上；所述压电材料件设置在所述螯盾节或/和钳节上。

进一步，所述电控装置包括控制器、充电口和电插件，所述控制器设在所述螯节或/螯盾节内，用于控制所述关节和钳动机构的运动；所述充电口设置在所述螯盾节或钳节上，通过有线/无线连接方式对所述电池组充电；所述电插件设置在所述连接架上，通过有线/无线连接方式与仿生机器人通讯。

进一步，所述电控装置还设有用于提高仿生螯钳动作协调性和平稳性的辅助传感器。所述辅助传感器可为转角传感器、压力传感器、应力传感器、油温传感器、超声波传感器、激光传感器中的一种或多种；优选压力传感器安装在螯盾节上，用于监测螯盾节受到的冲击力或/和钳动力情况；优选应力传感器安装在连接架或/和螯节，用于监测结构件上应力的变化；优选超声波传感器和/或激光测距器安装在螯盾节或/和钳节上，用于探测障碍物或攻击物的位置及距离。

进一步，所述螯节、螯盾节优选轻质高强合金和/或钛材料制成；所述螯盾节上设有弹性防冲击材料构件或/和弹性蓄能材料构件或/和压电材料构件，以减缓防护过程中产生振动冲击并蓄集动能或压电发电。

进一步，所述减速机为具有大减速增扭特点的RV减速机，或者为直角行星减速机、谐波齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速机中的一种，或为所述减速机中两种以上的组合。

进一步，所述驱动马达为带制动功能、带编码器的伺服电机，或为步进电机并配置转角传感器。

所述螯节、螯盾节、螯钳的外廓设有加强筋和/或防护件；所述螯盾节、钳节设有齿形不同的钳齿，用于钳夹、剪断障碍物和攻击物；螯盾节上设有用于锯割障碍物的圆锯、摆锯或链锯。

本发明带自主分布动力的多关节仿生机械螯钳，自带电控装置和动力装置，可以自主控制仿生机械螯钳独立运动；仿生机械螯钳整体通过连接架可以快速地和仿生机器人主体框架固定连接，在需维修拆卸保养及更换时，亦可实现快速拆除及更换仿生机械螯钳。在仿生机器人运动过程中，每个仿生螯钳的控制器可作为二级控制器，可根据仿生机器人主体上的控制器（一级控制器）的模糊控制指令，计算确定仿生螯钳上精确运动参数。在电池组提供电力基础上，驱动马达驱动减速机转动，实现减速增扭及关节转动；同时每个关节也根据编码器或传感器反馈的转动角度及时调整正转、反转、加速、减速、停止等动作。当仿生螯钳的电池组电量不足时，可通过仿生螯钳自带的无充电口快速充电，同时也可利用仿生螯钳自带的太阳能发电薄膜件或温差发电片以及压电片，来实现自我充电，降低对外部电源的依赖性。

本发明具有以下有益效果： 1、带自主分布动力的多关节仿生机械螯钳，仅需连接架及电插件就可实现和仿生机器人主体固连及通讯，无需大量液压管路和电气线路的连接，结构简单，安装和拆卸方便；同时管线磨损故障大幅降低，整机工作可靠性提高；2、仿生螯钳的关节动作均通过分布式动力和分布式控制器控制，可实现分级式控制，相对于集中在仿生机器人主体上的集成控制，可大幅降低控制系统的复杂程度；3、采用驱动马达+减速机驱动关节转动，关节的转动角度和驱动马达呈现线性关系，程序编制简单，方便调试和运行；同时也可实现大角度转动；4、在每条仿生螯钳上设置分布式电池组和充电口，无需大量电气线路连接到主体上，即提高工作可靠性，又提高充电效率；同时每个仿生螯钳上设置的太阳能板或薄膜、温压发电片、压电发电片，可对所在的仿生螯钳上的电池组进行充电，减少对外部能量的依赖性；5、仿生螯钳上设置钳、锯、钻等工具，还可设置生命探测仪、摄像头、照明灯、激光枪、次声波发生器等器具，赋予其多种功能，方便仿生螯钳在地震救援、安保防护、军事侦查、野外探险等方面的多用途运用。

附图说明

图1 为本发明实施例1的三维结构结构示意图；

图2 为本发明实施例1的结构示意图；

图3 为本发明实施例2的三维结构示意图；

图4 为本发明实施例2的结构示意图；

图5 为本发明实施例3的三维结构示意图；

图6 为本发明实施例3的三维结构的俯视示意图；

图7 为本发明实施例3的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当指出，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参照图1、图2，本实施例带自主分布动力的多关节仿生机械螯钳，包括连接架1、三维关节2、螯节A、二维关节Ⅰ3、螯盾节C、钳节D、动力装置5、电控装置6；三维关节2固定在连接架1上并和螯节A相连，螯节A通过二维关节Ⅰ3和螯盾节C相连，钳节D固定在螯盾节C上，动力装置5包含电池组Ⅰ501、电池组Ⅱ502，分别固定在螯节A和螯盾节C的空腔内，电控装置6固定在螯盾节C的空腔内，电控装置6分别与动力装置5、三维关节2、二维关节Ⅰ3、钳节D电连接。

所述三维关节2包括减速机Ⅰ201、驱动马达Ⅰ202、关节架203、减速机Ⅱ204、驱动马达Ⅱ205、传感器206、传感器207，驱动马达Ⅰ202同轴固定在减速机Ⅰ201输入端，传感器206固定在减速机Ⅰ201输出端，驱动马达Ⅱ205同轴固定在减速机Ⅱ204输入端，传感器207固定在减速机Ⅱ204输出端，减速机Ⅰ201、减速机Ⅱ204以90度交错设置固定在关节架203的两端，可使三维关节2实现三维空间摆动；所述二维关节Ⅰ3包括减速机Ⅲ301、固定在其输入端的伺服电机Ⅲ302、固定在其输出入端的传感器303、可使二维关节Ⅰ3实现行二维平面摆动；其中驱动马达Ⅰ202、驱动马达Ⅱ205、驱动马达Ⅲ302采用普通直流电机，减速机Ⅰ201、减速机Ⅱ204、减速机Ⅲ301为RV减速机，传感器Ⅰ206、传感器Ⅱ207、传感器Ⅱ303为转角传感器。

所述连接架1设有插销孔，用于将带自主分布动力的多关节螯钳快速连接固定在仿生机器人主体框架上。所述螯节A、螯盾节C为具有空腔的框架构件，所述空腔内安装有动力装置5、电控装置6。所述钳节D为钻型钳，主要包含钻孔马达D1、钻孔减速机D2、固定钳D3、运动钳D4、钳动马达D5、传感器D6，其中固定钳D3、运动钳D4上设置有螺旋槽，两者合体具有钻、插等功能。

所述电控装置6包含控制器601、充电口602、电插件603；控制器601根据传感器Ⅰ206、传感器Ⅱ207、传感器303、传感器D6反馈的电信号，来控制仿生螯肢的关节精确运动以及钳节D的钻孔、钳夹功能；充电口602布置在螯盾节C上，用于对仿生螯钳内部的电池组Ⅰ501、电池组Ⅱ502充电，所述电插件603固定在连接架1处，用于连接控制器601和机器人主体。

所述螯节A、螯盾节C优选轻质高强合金制成，以降低仿生螯钳重量和运动能耗。所述螯盾节C设有防冲击螯盾C1、加强筋C2、弹性蓄能元件C3以减缓螯盾受到攻击时产生振动冲击。

实施例2

参照图3、图4，本实施例带自主分布动力的多关节仿生机械螯钳，包括连接架1、三维关节2、螯节A、二维关节Ⅰ3、螯节B、二维关节Ⅱ4、螯盾节C、钳动机构7、钳节D、动力装置5、电控装置6；三维关节2固定在连接架1上并和螯节A相连，螯节A通过二维关节Ⅰ3和螯节B相连，螯节B通过二维关节Ⅱ4和螯盾节C相连，螯盾节C通过钳动机构7和钳节D相连，动力装置5主要包含电池组Ⅰ501、电池组Ⅱ502，分别固定在螯节B和螯盾节C的空腔内，电控装置6固定在螯节A的空腔内，电控装置6分别与动力装置5、三维关节2、二维关节Ⅰ3、二维关节Ⅱ4、钳动机构7电连接。

所述三维关节2主要包括谐波减速机Ⅰ201、伺服电机Ⅰ202、关节架203、谐波减速机Ⅱ204、伺服电机Ⅱ205，伺服电机Ⅰ202同轴固定在谐波减速机Ⅰ201输入端，伺服电机Ⅱ205同轴固定在谐波减速机Ⅱ204输入端，谐波减速机Ⅰ201、谐波减速机Ⅱ204以90度交错设置固定在关节架203的两端，可使三维关节2实现三维空间摆动；所述二维关节Ⅰ3主要包括谐波减速机Ⅲ301及固定在其输入端的伺服电机Ⅲ302；所述二维关节Ⅱ4主要包括谐波减速机Ⅳ401及固定在其输入端的伺服电机Ⅳ402，亦使二维关节Ⅰ3、二维关节Ⅱ4实现行二维平面摆动；所述钳动机构7包含钳动液压缸701、销轴Ⅰ702、销轴Ⅱ703、销轴Ⅲ704，钳动液压缸701的两端分别通过销轴Ⅰ702、销轴Ⅲ704和螯盾节C、钳节D铰接相连，所述销轴Ⅱ703用于将螯盾节C、钳节D铰接相连；其中钳动液压缸701采用伺服液压缸，用来驱动钳节运动。

所述连接架1设有卡槽101及插销孔102，用于将带自主分布动力的多关节螯钳快速连接固定在仿生机器人主体框架上。所述的螯节A、螯节B、螯盾节C、钳节D为具有空腔的框架构件，方便空腔内部布置动力装置5、电控装置6。

所述电控装置6主要包含控制器601、充电口602、电插件603；控制器601根据伺服电机Ⅰ202、伺服电机Ⅱ205、伺服电机Ⅲ302、伺服电机Ⅳ402、伺服电动缸701反馈的电信号，来控制仿生螯钳的3个关节精确运动；充电口602布置在螯盾节C的上钳节C4上，用于对仿生螯钳内部的电池组Ⅰ501、电池组Ⅱ502充电，所述的电插件603固定在连接架处，用于连接控制器601和机器人主体。

所述螯节A、螯节B、螯盾节C优选轻质高强合金制成具有空腔的异形构件，以降低仿生螯钳重量和运动能耗。所述的螯盾节C设有防冲击螯盾C1、弹性蓄能元件C2以减缓螯盾收到攻击时产生振动冲击所述的钳节D和上钳节C3采用剪刀形状，方便剪断相关障碍物。

本实施例带自主分布动力的多关节仿生机械螯钳，自带电控装置6和动力装置5，可以自主控制仿生机械螯钳独立运动；仿生机械螯钳整体通过快装连接架1可以快速地和仿生机器人主体框架固定连接，在需维修拆卸保养及更换时，亦可实现快速拆除及更换仿生机械螯钳。在仿生机器人运动过程中，仿生螯钳的控制器601可作为二级控制器，可根据仿生机器人主体上（一级）控制器的控制指令，计算确定仿生螯钳上三维关节2、二维关节Ⅰ3、二维关节Ⅱ4、钳动机构7的运动参数和运动轨迹。

实施例3

参照图5、图6、图7，本实施例带自主分布动力的多关节仿生机械螯钳与实施例2的区别是：所述机械螯钳上增设有摆锯8，固定在螯盾节C的中上部；摆锯8包括驱动电机801、摆锯片802；所述钳节D采用锯齿形钳口；所述充电口602采用无线感应充电口，所述电插件603采用无线蓝牙式进行通讯，所述的减速机采用多级行星减速机，所述驱动马达采用步进电机马达。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种带自主分布动力的多关节仿生机械螯钳，包括螯节、螯盾节，其特征在于，还设有连接架、动力装置、钳动机构、钳节、电控装置，所述连接架、螯节、螯盾节依次通过关节相连；动力系统固定在螯节或/和螯盾节的空腔内，电控装置固定在连接架或/和螯节或/和螯盾节的空腔内，电控装置分别与动力装置、关节电连接；所述钳节通过钳动机构与螯盾节相连。

2.如权利要求1所述的带自主分布动力的多关节仿生机械螯钳，其特征在于，所述连接架设有螺栓安装孔或/和插销孔或/和卡槽，用于将带自主分布动力的多关节螯钳快速连接固定在仿生机器人主体框架上。

3.如权利要求1或2所述的带自主分布动力的多关节仿生机械螯钳，其特征在于，所述关节为三维关节和/或二维关节，所述三维关节包括关节架、两组减速机和两组驱动马达；驱动马达设置在减速机动力输入端；两组减速机呈相互非平行状态设置在所述关节架的两端；所述二维关节包含减速机以及设置在减速机动力输入端的驱动马达。

4.如权利要求1-3之一所述的带自主分布动力的多关节仿生机械螯钳，其特征在于，所述动力装置为电池组和/或太阳能薄膜件和/或压电材料件；所述太阳能薄膜件设置在所述螯节或/和螯盾节的外表面上，所述压电材料件设置在所述螯盾节或/和钳节上。

5.如权利要求4所述的带自主分布动力的多关节仿生机械螯钳，其特征在于，所述电控装置包括控制器、充电口和电插件，所述控制器设在所述螯节或/螯盾节内，用于控制所述关节和钳动机构的运动；所述充电口设置在所述螯盾节或钳节上，通过有线/无线连接方式对所述电池组充电；所述电插件设置在所述连接架上，通过有线/无线连接方式与仿生机器人通讯。

6.如权利要求1-5之一所述的带自主分布动力的多关节仿生机械螯钳，其特征在于，所述电控装置还设有用于提高仿生螯钳动作协调性和平稳性的辅助传感器；所述辅助传感器为转角传感器、压力传感器、应力传感器、油温传感器、超声波传感器、激光传感器中的一种或多种；压力传感器安装在螯盾节上，用于监测螯盾节受到的冲击力或/和钳动力情况；应力传感器安装在连接架或/和螯节是，用于监测结构件上应力变化；超声波传感器和/或激光测距器安装在螯盾节或/和钳节上，用于探测障碍物或攻击物的位置及距离。

7.如权利要求1-6之一所述的带自主分布动力的多关节仿生机械螯钳，其特征在于，所述螯盾节上设有弹性防冲击材料构件或/和弹性蓄能材料构件或/和压电材料构件，用于减缓防护过程中产生振动冲击并蓄集动能或压电发电。

8.如权利要求3所述的带自主分布动力的多关节仿生机械螯钳，其特征在于，所述减速机为具有大减速增扭特点的RV减速机，或者为直角行星减速机、谐波齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速机中的一种，或为所述减速机中两种以上的组合。

9.如权利要求3或8所述的带自主分布动力的多关节仿生机械螯钳，其特征在于，所述驱动马达为带制动功能、带编码器的伺服电机，或为步进电机并配置转角传感器。

10.如权利要求1-9之一所述的带自主分布动力的多关节仿生机械螯钳，其特征在于，所述螯节、螯盾节、螯钳的外廓设有加强筋和/或防护件；所述螯盾节、钳节设有齿形不同的钳齿，用于钳夹、剪断障碍物和攻击物；螯盾节上设有用于锯割障碍物的圆锯、摆锯或链锯。