CN111113390A - 仿生蛇形机器人及方法 - Google Patents

Abstract

一种仿生蛇形机器人及方法，属于仿生机器人领域。所述蛇形机器人包括：驱动电机、绞盘、支撑板组成的驱动箱（1）和关节单元、万向节、钢丝绳组成的多关节蛇形臂（2）两部分。本发明仿生蛇形机器人各关节单元（8）采用万向节（9）串联结构设计，并通过沿圆周均布的钢丝绳（10）牵引驱动；各关节单元（8）采用沿圆周以扇形方向分列均布的钢丝绳通孔并进行穿线的结构设计。所述仿生蛇形机器人，具有结构简单、冗余自由度高、灵活性好、狭小空间避障能力强等特点。

Description

仿生蛇形机器人及方法

技术领域

本发明涉及到仿生机器人技术领域，尤其是指一种多关节冗余自由度的仿生蛇形机器人及方法。

背景技术

仿蛇形机器人具备较高穿越狭窄环境的能力、并且同时具有极端的环境适应性和关节奇异、关节超限的能力以及足够大的灵巧操作空间，可以采用环绕等方式工作于非结构化环境，对于狭小空间与多障碍结构环境具有良好适应性。随着科技的发展，仿生蛇形机器人的应用越来越广泛。现有的仿生蛇形机器人具有的缺点和不足主要体现在：1、控制复杂：超冗余自由度和串并联的结构设计使得实用条件下，上述任意一款仿蛇形机器人需要大量的驱动电机，像哈尔滨工业大学研制的蛇形臂、新松机器人公司及英国OC-robotics公司生产的蛇形臂驱动电机均超过20个，控制非常困难；2、臂长受限：多关节串并联结构设计，需要较多驱动电机，末端驱动电机数量的限制使得多关节蛇形臂长度较短；3、负载较小：过多的电机需求和电机安装空间小的约束，使得末端驱动电机选型受到限制，驱动和负载能力较小。

发明内容

本发明提供一种仿生蛇形机器人及方法，并通过多关节同步拉线结构，解决蛇形机器人超冗余自由度存在的控制复杂、臂长受限和负载小等问题。

（1）本发明为了解决上述问题，设计了一种仿生蛇形机器人，该仿生蛇形机器人采用多关节同步拉线式结构设计，通过以下技术方案实现：

一种仿生蛇形机器人，包括驱动箱和多关节蛇形臂，其特征在于：

上述多关节蛇形臂一端连接在驱动箱上，另一端连接末端执行器，它由L个关节组通过万向节串联组成，按离驱动箱由近到远依次称作第1关节组、第2关节组.......第L关节组；其中每个关节组均由M个关节单元通过万向节串联而成，按离驱动箱由近到远依次称作第1关节单元、第2关节单元.......第M关节单元；

上述驱动箱安装L个驱动组；每个驱动组均由N个驱动单元组成；每个驱动单元均由1个驱动电机和1个安装于驱动电机上的绞盘组成；所述绞盘沿轴向布置有M个一体化设计的直径各不相同的钢丝绳绕线槽，其中按照直径从小到大依次称为第1线槽、第2线槽......第M线槽；

上述关节单元截面形状为圆形，关节单元沿圆周以扇形方向均匀设置X列钢丝绳通孔，其中X ≥ L*N，且X是N的整数倍数，每列钢丝绳通孔按离关节单元轴线距离由远到近分成M个钢丝绳通孔，依次称作第1钢丝绳通孔、第2钢丝绳通孔......第M钢丝绳通孔；

上述每个驱动组对应一个关节组；一个驱动组中的一个驱动单元的绞盘对应该关节组的全部关节单元的同一列钢丝绳通孔，并通过一列钢丝绳与上述同列钢丝绳通孔相联系；具体方式为： 该列钢丝绳中的第一根钢丝绳的一端绕于该绞盘的第1线槽并相连，另一端与第1关节单元的第1钢丝绳通孔相连；其中第二根钢丝绳的一端绕于第2线槽并相连，另一端穿过第1关节单元的第2钢丝绳通孔后，与第2关节单元的第2钢丝绳通孔相连；……其中第M根钢丝绳的一端绕于第M线槽并相连，另一端依次穿过第1关节单元的第M钢丝绳通孔，第2关节单元的第M钢丝绳通孔....第M-1关节单元的第M钢丝绳通孔后与第M关节单元的第M钢丝绳通孔相连;每个驱动组的N个驱动单元所对应的N组钢丝绳整体成沿圆周均布方式与关节单元相连并对其牵引；

上述第1驱动组对应第1关节组，上述第2驱动组对应第2关节组…..第L驱动组对应第L关节组；其中第2驱动组的钢丝绳穿过第1关节组的空余钢丝绳通孔后与第2关节组相联系；……其中第L驱动组的钢丝绳穿过前面的所有关节组的空余钢丝绳通孔后与第L关节组相联系；

上述L为大于等于1的自然数，M为大于等于1的自然数，N为大于等于3的自然数。所述各关节单元至少采用3个驱动单元带动钢丝绳进行驱动，从而所述单驱动组驱动单元数N取值为大于等于3的自然数；所述L个驱动组，则所需关节单元沿圆周均布的钢丝绳孔列数X应大于等于N*L，且X是N的整数倍数。

（2）所述的仿生蛇形机器人的工作方式，其特征在于包括以下过程：

通过驱动电机带动绞盘旋转驱动钢丝绳，钢丝绳带动相应关节单元；其中同一个驱动电机带动的绞盘包含M个不同直径绕线槽；同一个绞盘再带动M根钢丝绳，所述M根钢丝绳分别固结在M个相邻关节单元上，依次驱动M个关节单元；所述蛇形臂为各驱动组件驱动的包含M个关节单元的关节组相互串联组成。

（3）所述的仿生蛇形机器人工作方法，其特征在于：

上述绞盘上布置的M个线槽，沿轴向从上到下线槽直径越来越大，相邻线槽之间的直径总是2倍关系；绞盘旋转带动M个钢丝绳，相邻钢丝绳伸缩位移是2倍关系；M个钢丝绳依次穿过M个相邻关节单元上同一列的M个钢丝绳通孔，并从外向内依次固结在相邻关节单元上对应的通孔中，相邻关节单元（8）的空间内转角具有同步相等关系。所述相邻线槽直径相差2倍可使：1、各关节单元都可以转到极限角度，末端总的弯曲曲率更高；2、各关节转角同步运动学解算更方便快捷；

（4）所述的仿生蛇形机器人，其特征在于：本实施例中各参数分别为： L=3，M=3，X≥9（本实施例X=12多余的孔用于避让穿线时可能存在的干涉），N=3。上述仅是本发明的其中一种应用实例。

（5）所述的仿生蛇形机器人，其特征在于：多关节蛇形臂外罩包裹在蛇形臂外部，采用可伸缩软皮轻质波纹管制作。所述波纹管与多关节蛇形臂关节单元之间采用过盈配合，两端收紧贴在末端执行器和驱动箱壳体上实现多关节蛇形臂长度方向全封闭。

（6）所述的多关节蛇形臂驱动箱壳体两侧分布有：固定电机支撑板的腰形孔、固定角铁的圆孔；所述驱动箱壳体两侧上下和左右也分别设计了安装驱动箱后盖板的腰形孔；所述角铁和支撑板之间设有紧固螺栓实现对电机支撑板的横向移动控制。

（7）所述多关节蛇形臂钢丝绳采用超柔软、高强度的螺旋状多股不锈钢丝捻制而成，外表皮涂塑，降低与关节单元之间的摩擦磨损；所述钢丝绳与关节单元之间的固结采用钢丝绳锁线器连接，所述钢丝绳与驱动电机绞盘之间的固定采用绞盘圆周方向打孔将钢丝绳从绞盘圆周方向细孔中反复穿插、缠绕实现固定。

（8）进一步的，所述多关节蛇形臂末端驱动箱可连接十字滑台实现基座的三维运动和多关节蛇形臂的伸缩运动；

（9）进一步的，所述多关节蛇形臂驱动组数L、每个驱动组的驱动单元数N，每个关节组的关节单元数M均可根据操作环境与任务的要求进行适当的增加或减少用于不同的场合。

（10）优选地，所述末端驱动箱内的驱动电机可根据实际工况选用交流伺服电机、直流伺服电机、步进电机、微型平台可使用小型360°旋转舵机带动绞盘进行驱动；

（11）优选地，所述运动控制卡可采用编程操作、手轮操作移动多关节蛇形臂，或者采用无线通讯模块连接遥控装置实现多关节蛇形臂的驱动。

（12）优选地，所述驱动电机带有位置编码器和永磁断电抱闸开关，位置编码器通过伺服驱动器与运动控制卡相连将伺服电机实时位置数据反馈到上位机显示程序实时测定目标位置；永磁断电抱闸开关实现断电位置锁存防止紧急状态下出现位姿失控。

（13）优选地，所述多关节蛇形臂万向节单元可采用弹性体替换实现多关节蛇形臂的俯仰、偏航和伸缩运动。

（14）有益效果

本发明的有益效果是：该仿生蛇形机器人由若干关节单元通过万向节串接组成具有超冗余的自由度，且可以保持较高的避障能力、关节奇异和关节超限的能力以及灵巧操作空间，满足不同工况使用需求。（1）各驱动组件驱动的M个关节单元的同步动作结构设计，优势在于：1、成倍数的减少末端驱动电机数目，降低驱动箱的体积实现轻量化小型化设计；2、成倍数的增加蛇形臂的长度，环境适应性、避障能力、可操作能力更强；3、成倍数的增加蛇形臂转角范围，驱动组件总数L相同条件下，各驱动组件驱动的关节单元数M增多，则蛇形臂的总弯曲曲率成倍数的增加；（2）绞盘各线槽直径相差2倍的设计优点是：1、各关节单元都可以转到极限角度，末端总的弯曲曲率更高；2、各关节转角同步运动学解算更方便快捷；

附图说明

为了更加细致清楚的描述本设计的技术方案，下面将对本设计中所使用的附图做一下介绍。

图1是仿生蛇形机器人整体结构图；

图2是仿生蛇形机器人驱动箱；

图3是仿生蛇形机器人蛇形臂多关节同步驱动设计图；

图4是仿生蛇形机器人钢丝绳穿线图

图5是仿生蛇形机器人各关节单元；

图6是仿生蛇形机器人钢丝绳绞盘；

图7是仿生蛇形机器人电机支撑板；

附图中，各标号所代表的部件和参数类型列表如下：

1-驱动箱，2-多关节蛇形臂，3-支撑板，4-绞盘，5-收紧角铁，6-驱动电机，7-驱动箱壳体，8-关节单元，9-万向节，10-钢丝绳，11-最外层钢丝绳固定点，12-中间层钢丝绳固定点，13-最内层钢丝绳固定点，14-驱动单元。

具体实施方式

（1）下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行细致、清楚的描述，本发明中实施例仅是发明内容的一种应用状态，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，其他工程技术人员在不经过创造性劳动的前提下所获得的其他实施例都属于本发明保护的范围。

（2）本发明在实施例中提供了一种冗余自由度的仿生蛇形机器人，参阅图1-6所示，主体包括驱动电机6、支撑板3、绞盘4、收紧角铁5组成的驱动箱1和关节单元8、万向节9、钢丝绳10组成的多关节蛇形臂2两部分。驱动箱1和多关节蛇形臂2尾部采用螺栓连接；多关节蛇形臂2通过若干关节单元8与万向节9串接组成，钢丝绳10一端缠绕在驱动箱内的钢丝绳绞盘4上另一端穿过各关节单元8上的同一列通孔分别固结在钢丝绳固定点11、12、13处的关节单元8上，通过绞盘4牵引钢丝绳10实现蛇形臂2的位置控制。

（3）本实施例中多关节蛇形臂各关节单元8沿圆周扇形方向均布12列钢丝绳孔，每列包含3个钢丝绳孔并穿入钢丝绳10，所述钢丝绳10通过关节单元8上的同一列通孔进入到驱动箱1内部，缠绕在同一个绞盘4上不同直径的3个绕线槽上，最外侧钢丝绳10绕在最上方的绞盘绕线槽上，并依次下移绕线实现传动。钢丝绳绞盘4通过键槽和过盈配合与驱动电机6连接，钢丝绳绞盘4通过钢丝绳固定孔，固定钢丝绳10，驱动电机6通过电机支撑板3与驱动箱壳体7连接，驱动箱1两侧设有腰形孔用来固定支撑板3，驱动箱壳体7两侧固定有角铁5，通过收紧角铁5和支撑板3之间的螺栓实现前后移动驱动电机6并拉紧钢丝绳10。

（4）如图4-7所示，本实施例中多关节蛇形臂2，每个驱动组件驱动3个关节单元8，采用沿圆周均布的3列每列3根的钢丝绳10牵引，其中各关节单元8两端设计有圆形凸台，通过圆形凸台与紧定螺钉共同作用实现与万向节9的固定。本实施例每个驱动组件包含3个驱动单元14并联在支撑板3上，带动3个关节单元8。其中每个钢丝绳绞盘4包含3个一体化的绕线槽带动同一列3根钢丝绳10，所述钢丝绳10带动3个关节单元8实现相邻关节单元8的同步摆动和俯仰运动；其中各关节单元8在钢丝绳固定点11、12、13处分别固结3根钢丝绳，通过绞盘4上的绕线槽从上到下直径依次相差两倍，实现不同绕线槽缠绕的钢丝绳10伸缩长度相差两倍，分别驱动相邻关节单元8，实现相邻关节单元8转角相等同步；

（5）所述仿蛇形机器人可通过改变多关节蛇形臂关节单元8直径、长度、数量及末端驱动箱2驱动单元14布局应用于不同场景；

（6）所述仿生蛇形机器人驱动电机6通过三种模式驱动：1、伺服驱动器连接运动控制卡，通过工控机编写上位机控制程序进行全自动驱动；2、采用手轮进行单关节空间位姿的手动调整；3、增设无线遥控模块，进行远程遥操作驱动和手动点动控制。

（7）本发明的有益效果是：该仿生蛇形机器人由若干关节单元通过万向节串接组成具有超冗余的自由度，且可以保持较高的避障能力、关节奇异和关节超限的能力以及灵巧操作空间，满足不同工况使用需求。（1）各驱动组件驱动的M个关节单元的同步动作结构设计，优势在于：1、成倍数的减少末端驱动电机数目，降低驱动箱的体积实现轻量化小型化设计；2、成倍数的增加蛇形臂的长度，环境适应性、避障能力、可操作能力更强；3、成倍数的增加蛇形臂转角范围，驱动组件总数L相同条件下，各驱动组件驱动的关节单元数M增多，则蛇形臂的总弯曲曲率成倍数的增加；（2）绞盘各线槽直径相差2倍的设计优点是：1、各关节单元都可以转到极限角度，末端总的弯曲曲率更高；2、各关节转角同步运动学解算更方便快捷；

（8）以上公布的本发明优选实施例仅用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽的叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可做很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述的实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种仿生蛇形机器人，包括驱动箱（1）和多关节蛇形臂（2），其特征在于：

上述多关节蛇形臂（2）一端连接在驱动箱（1）上，另一端连接末端执行器，它由L个关节组通过万向节（9）串联组成，按离驱动箱由近到远依次称作第1关节组、第2关节组.......第L关节组；其中每个关节组均由M个关节单元（8）通过万向节（9）串联而成，按离驱动箱由近到远依次称作第1关节单元、第2关节单元.......第M关节单元；

上述驱动箱（1）安装L个驱动组；每个驱动组均由N个驱动单元（14）组成；每个驱动单元（14）均由1个驱动电机（6）和1个安装于驱动电机上的绞盘（4）组成；所述绞盘（4）沿轴向布置有M个一体化设计的直径各不相同的钢丝绳绕线槽，其中按照直径从小到大依次称为第1线槽、第2线槽......第M线槽；

上述关节单元（8）截面形状为圆形，关节单元（8）沿圆周以扇形方向均匀设置X列钢丝绳通孔，其中X ≥ L*N，且X是N的整数倍，每列钢丝绳通孔按离关节单元（8）轴线距离由远到近分成M个钢丝绳通孔，依次称作第1钢丝绳通孔、第2钢丝绳通孔......第M钢丝绳通孔；

上述每个驱动组对应一个关节组；一个驱动组中的一个驱动单元的绞盘（4）对应该关节组的全部关节单元（8）的同一列钢丝绳通孔，并通过该列钢丝绳与上述同列钢丝绳通孔相联系；具体方式为： 该列钢丝绳中的第一根钢丝绳的一端绕于该绞盘的第1线槽并相连，另一端与第1关节单元的第1钢丝绳通孔相连；其中第二根钢丝绳的一端绕于第2线槽并相连，另一端穿过第1关节单元的第2钢丝绳通孔后，与第2关节单元的第2钢丝绳通孔相连；……其中第M根钢丝绳的一端绕于第M线槽并相连，另一端依次穿过第1关节单元的第M钢丝绳通孔，第2关节单元的第M钢丝绳通孔....第M-1关节单元的第M钢丝绳通孔后，与第M关节单元的第M钢丝绳通孔相连；每个驱动组的N个驱动单元所对应的N组钢丝绳整体成沿圆周均布方式与关节单元相连并对其牵引；

上述第1驱动组对应第1关节组，上述第2驱动组对应第2关节组…..第L驱动组对应第L关节组；其中第2驱动组的钢丝绳穿过第1关节组的空余钢丝绳通孔后与第2关节组相联系；……其中第L驱动组的钢丝绳穿过前面的所有关节组的空余钢丝绳通孔后与第L关节组相联系；

上述L为大于等于1的自然数，M为大于等于1的自然数，N为大于等于3的自然数。

2.根据权利要求1所述的仿生蛇形机器人，其特征在于：上述绞盘（4）中布置的线槽，相邻线槽之间的直径总是2倍关系。

3.根据权利要求1所述的仿生蛇形机器人，其特征在于：本实施例上述参数分别为L =3，M = 3，X = 12，N = 3。

4.根据权利要求1所述的仿生蛇形机器人，其特征在于：上述绞盘（4）中布置的线槽，沿轴向从上到下线槽直径越来越大。

5.根据权利要求1所述的仿生蛇形机器人，其特征在于：上述多关节蛇形臂外罩包裹在蛇形臂（2）外部。

6.根据权利要求1所述的仿生蛇形机器人的工作方式，其特征在于包括以下过程：

通过驱动电机（6）带动绞盘（4）旋转驱动钢丝绳（10），钢丝绳带动相应关节单元（8）；其中同一个驱动电机（6）带动的绞盘（4）包含M个不同直径绕线槽；同一个绞盘再带动M根钢丝绳（10），所述M根钢丝绳（10）分别固结在M个相邻关节单元（8）上，依次驱动M个关节单元（8），并构成一个关节组；其中L组驱动组件驱动的L个关节组相互串联组成蛇形臂（2）。

7.根据权利要求1所述的仿生蛇形机器人工作方法，其特征在于：

上述绞盘（4）上布置的M个线槽，相邻线槽之间的直径总是2倍关系；绞盘（4）旋转带动M个钢丝绳，相邻钢丝绳伸缩位移是2倍关系；M个钢丝绳依次穿过M个相邻关节单元（8）上同一列的M个钢丝绳通孔，并从外向内依次固结在相邻关节单元（8）上对应的通孔中，相邻关节单元（8）的空间内转角具有同步相等关系。

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