CN111941407A - 三自由度蛇形机器人模块与应用该模块的蛇形机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三自由度蛇形机器人模块与应用该模块的蛇形机器人，包括支架、回转机构、差速机构，差速机构的差速电机的输出轴末端固定安装有锥齿轮A，锥齿轮A上方横置有俯仰轴，俯仰轴上由外置内依次固定安装有与大锥齿轮、小锥齿轮，大锥齿轮与锥齿轮A啮合传动，俯仰轴经轴承座安装在侧板上，两俯仰轴之间设置偏转套，偏转套中部沿径向向外延伸出安装轴，安装轴上套装有与两侧的小锥齿轮啮合传动的锥齿轮B，本关节结构紧凑，能实现偏转、俯仰、回转三种不同类型的运动，俯仰、偏转由两个电机一起驱动，输出力矩与关节自重的比值较大，同样的驱动力用更小的电机就能提供，能够有效减轻重量、缩小体积。
Description
技术领域
本发明涉及一种三自由度蛇形机器人模块与应用该模块的蛇形机器人。
背景技术
蛇形机器人是能模仿蛇类运动的一种机器人。刚性结构的蛇形机器人可以是模块化的，通过相同或相似结构的单自由度模块或多自由度模块的串联。常见的蛇形机器人关节一般是单自由度或是二自由度的，所构成的蛇形机器人灵巧度有限。
发明内容
本发明提出一种三自由度蛇形机器人模块与应用该模块的蛇形机器人。
本发明解决技术问题所采用的方案是，一种三自由度蛇形机器人模块，包括支架、驱动支架旋转的回转机构、安装在支架上的差速机构；
所述支架包括上下间隔设置的上平板、下平板，上平板、下平板两侧经侧板相连接，侧板上端位于上平板上方，下平板中部外侧设置安装与其垂直的底板，
所述回转机构包括回转电机、回转轴，回转轴上端经轴承座安装在下平板下侧面中部，回转轴下端固定安装有回转齿轮，回转齿轮固定安装在相邻关节的机架上，回转电机竖直安装在底板上，回转电机的输出轴上固定安装有与回转齿轮啮合传动的齿轮；
所述差速机构包括左右对称设置在回转电机两侧的差速电机，差速电机竖直并固定安装在上平板下侧面，差速电机的输出轴末端固定安装有锥齿轮A，锥齿轮A位于上平板上方，锥齿轮A上方横置有俯仰轴，俯仰轴上由外置内依次固定安装有与大锥齿轮、小锥齿轮，小锥齿轮的大端抵靠大锥齿轮的小端，大锥齿轮与锥齿轮A啮合传动，俯仰轴外端经轴承座安装在与其同侧的侧板上，两侧的俯仰轴之间设置有与其同轴心的偏转套，偏转套端部套设在俯仰轴内端外，偏转套端部与俯仰轴内端之间设置有轴承A，偏转套中部沿径向向外延伸出安装轴，安装轴上套装有与两侧的小锥齿轮啮合传动的锥齿轮B，锥齿轮B与安装轴经轴承B转动配合。
进一步的，所述锥齿轮A的轴侧沿径向开设有用以安装紧定螺钉的螺纹孔，锥齿轮通过紧定螺钉锁固在差速电机的输出轴上。
进一步的，所述俯仰轴上套设有套筒A，套筒A一端抵靠小锥齿轮，另一端抵靠轴承A，大锥齿轮的大端抵靠俯仰轴上的轴肩，偏转轴端部内侧开设有用于定位轴承A的轴肩。
进一步的，所述安装轴外端锁固有挡圈，锥齿轮B的轴孔内侧开设有用于定位轴承B的轴肩，轴承B抵靠挡圈，锥齿轮D的轴端均布有若干用于安装蛇形机器人的其他关节的螺纹孔。
进一步的，所述回转电机、差速电机均为带编码器的直流减速电机。
进一步的，所述齿轮轴侧沿径向开设有用以安装紧定螺钉的螺纹孔，齿轮通过紧定螺钉锁固在回转电机的输出轴上。
进一步的，所述回转齿轮套设轴套上，轴套套装的回转轴下端并通过螺钉锁固，轴套下端外周设置有限位凸缘，回转轴上套设有套筒B，套筒B一端抵靠轴承座，另一端抵靠回转齿轮上端，回转齿轮下端抵靠限位凸缘。
进一步的，所述回转齿轮上开设有若干用于连接安装蛇形机器人的其他关节的连接螺纹孔。
一种三自由度蛇形机器人模块的运动方法，其特征在于：
俯仰运动：两回转电机同速反向转动使两小锥齿轮作同速同向运动，锥齿轮B绕俯仰轴轴线转动，实现关节的俯仰动作；
偏转运动：两回转电机同速同向转动使两小锥齿轮作同速反向运动，锥齿轮B绕偏转套轴线转动，实现关节的偏转动作；
回转运动：回转电机驱动齿轮转动，齿轮与固定在相邻关节上的回转齿轮啮合传动，回转轴固定不动，支架绕回转轴转动，实现关节的回转动作；
复合运动：两回转电机差速转动使两小锥齿轮作差速运动，锥齿轮B同时绕俯仰轴轴线、偏转套轴线转动，实现关节进行俯仰与偏转的复合运动。
一种蛇形机器人,所述蛇形机器人由若干个三自由度蛇形机器人模块依次串联连接,相邻的三自由度蛇形机器人模块通过连杆连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：结构紧凑，能实现偏转、俯仰、回转三种不同类型的运动，俯仰、偏转由两个电机一起驱动，输出力矩与关节自重的比值较大，同样的驱动力用更小的电机就能提供，能够有效减轻重量、缩小体积。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1是本发明的整体构造立体图；
图2是本发明的前视图；
图3是本发明的俯视图；
图4是本发明差速机构的剖视图；
图5是本发明回转机构的剖视图；
图6是俯仰轴的结构图；
图7是偏转轴的结构图；
图8是轴套的结构图；
图9是应用本三自由度关节的蛇形机器人的示意图。
图中：1-支架；101-上平板；102-下平板；103-底板；104-侧板；2-回转电机；3-回转齿轮；4-齿轮；5-轴套；6-轴承座；7-差速电机；8-锥齿轮A；9-大锥齿轮；10-小锥齿轮；11-偏转套；12-俯仰轴；13-安装轴；14-锥齿轮B；15-挡圈；16-套筒A；17-轴承A；18-轴承B；19-回转轴；20-套筒B；21-三自由度蛇形机器人模块；22-连杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1-9所示，一种三自由度蛇形机器人模块，包括支架1、驱动支架旋转的回转机构、安装在支架上的差速机构；
所述支架包括上下间隔设置的上平板101、下平板102，上平板、下平板两侧经侧板104相连接，侧板经螺栓与上平板、下平板锁固，侧板上端位于上平板上方，下平板中部外侧设置安装与其垂直的底板103，底板经螺栓与下平板锁固；
所述回转机构包括回转电机2、回转轴19，回转轴上端经轴承座安装在下平板下侧面中部，回转轴下端固定安装有回转齿轮3，回转齿轮固定安装在相邻关节的机架上，回转电机竖直安装在底板上，回转电机的输出轴上固定安装有与回转齿轮啮合传动的齿轮4；
所述差速机构包括左右对称设置在回转电机两侧的差速电机7，差速电机竖直并固定安装在上平板下侧面，差速电机与回转电机呈“品”字型排布，使得结构更为紧凑，差速电机的输出轴末端固定安装有锥齿轮A8，锥齿轮A位于上平板上方，锥齿轮A上方横置有俯仰轴12，俯仰轴上由外置内依次固定安装有与大锥齿轮9、小锥齿轮10，小锥齿轮的大端抵靠大锥齿轮的小端，大锥齿轮与锥齿轮A啮合传动，俯仰轴外端经轴承座6安装在与其同侧的侧板上，两侧的俯仰轴之间设置有与其同轴心的偏转套11，偏转套端部套设在俯仰轴内端外，偏转套端部与俯仰轴内端之间设置有轴承A17，偏转套中部沿径向向外延伸出安装轴13，安装轴上套装有与两侧的小锥齿轮啮合传动的锥齿轮B14，锥齿轮B与安装轴经轴承B18转动配合。
在本实施例中，所述锥齿轮A的轴侧沿径向开设有用以安装紧定螺钉的螺纹孔，锥齿轮通过紧定螺钉锁固在差速电机的输出轴上。
在本实施例中，所述俯仰轴上套设有套筒A16，套筒A一端抵靠小锥齿轮，另一端抵靠轴承A，大锥齿轮的大端抵靠俯仰轴上的轴肩，偏转轴端部内侧开设有用于定位轴承A的轴肩。
在本实施例中，所述安装轴外端锁固有挡圈15，锥齿轮B的轴孔内侧开设有用于定位轴承B的轴肩，轴承B抵靠挡圈，锥齿轮D的轴端均布有若干用于安装蛇形机器人的其他关节的螺纹孔。
在本实施例中，所述回转电机、差速电机均为带编码器的直流减速电机。
在本实施例中，所述齿轮轴侧沿径向开设有用以安装紧定螺钉的螺纹孔，齿轮通过紧定螺钉锁固在回转电机的输出轴上。
在本实施例中，所述回转齿轮套设轴套5上，轴套套装的回转轴下端并通过螺钉锁固，轴套下端外周设置有限位凸缘，回转轴上套设有套筒B20，套筒B一端抵靠轴承座，另一端抵靠回转齿轮上端，回转齿轮下端抵靠限位凸缘。
在本实施例中，所述回转齿轮上开设有若干用于连接安装蛇形机器人的其他关节的连接螺纹孔。
一种三自由度蛇形机器人模块的运动方法，其特征在于：
俯仰运动：两回转电机同速反向转动使两小锥齿轮作同速同向运动，锥齿轮B绕俯仰轴轴线转动，实现关节的俯仰动作；
偏转运动：两回转电机同速同向转动使两小锥齿轮作同速反向运动，锥齿轮B绕偏转套轴线转动，实现关节的偏转动作；
回转运动：回转电机驱动齿轮转动，齿轮与固定在相邻关节上的回转齿轮啮合传动，回转轴固定不动，支架绕回转轴转动，实现关节的回转动作；
复合运动：两回转电机差速转动使两小锥齿轮作差速运动，锥齿轮B同时绕俯仰轴轴线、偏转套轴线转动，实现关节进行俯仰与偏转的复合运动。
一种蛇形机器人,所述蛇形机器人由若干个三自由度蛇形机器人模块21依次串联连接,相邻的三自由度蛇形机器人模块通过连杆22连接，一三自由度蛇形机器人模块的回转齿轮固定安装在连杆一端，连杆另一端与另一三自由度蛇形机器人模块的支架铰接。
本专利如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸的固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“ 纵向”、“ 横向”、“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、“ 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 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专利，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专利的限制。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，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)
1.一种三自由度蛇形机器人模块，其特征在于：包括支架、驱动支架旋转的回转机构、安装在支架上的差速机构；
所述支架包括上下间隔设置的上平板、下平板，上平板、下平板两侧经侧板相连接，侧板上端位于上平板上方，下平板中部外侧设置安装与其垂直的底板，
所述回转机构包括回转电机、回转轴，回转轴上端经轴承座安装在下平板下侧面中部，回转轴下端固定安装有回转齿轮，回转齿轮固定安装在相邻关节的机架上，回转电机竖直安装在底板上，回转电机的输出轴上固定安装有与回转齿轮啮合传动的齿轮；
所述差速机构包括左右对称设置在回转电机两侧的差速电机，差速电机竖直并固定安装在上平板下侧面，差速电机的输出轴末端固定安装有锥齿轮A，锥齿轮A位于上平板上方，锥齿轮A上方横置有俯仰轴，俯仰轴上由外置内依次固定安装有与大锥齿轮、小锥齿轮，小锥齿轮的大端抵靠大锥齿轮的小端，大锥齿轮与锥齿轮A啮合传动，俯仰轴外端经轴承座安装在与其同侧的侧板上，两侧的俯仰轴之间设置有与其同轴心的偏转套，偏转套端部套设在俯仰轴内端外，偏转套端部与俯仰轴内端之间设置有轴承A，偏转套中部沿径向向外延伸出安装轴，安装轴上套装有与两侧的小锥齿轮啮合传动的锥齿轮B，锥齿轮B与安装轴经轴承B转动配合。
2.根据权利要求1所述的三自由度蛇形机器人模块，其特征在于：所述锥齿轮A的轴侧沿径向开设有用以安装紧定螺钉的螺纹孔，锥齿轮通过紧定螺钉锁固在差速电机的输出轴上。
3.根据权利要求2所述的三自由度蛇形机器人模块，其特征在于：所述俯仰轴上套设有套筒A，套筒A一端抵靠小锥齿轮，另一端抵靠轴承A，大锥齿轮的大端抵靠俯仰轴上的轴肩，偏转轴端部内侧开设有用于定位轴承A的轴肩。
4.根据权利要求1所述的三自由度蛇形机器人模块，其特征在于：所述安装轴外端锁固有挡圈，锥齿轮B的轴孔内侧开设有用于定位轴承B的轴肩，轴承B抵靠挡圈，锥齿轮D的轴端均布有若干用于安装蛇形机器人的其他关节的螺纹孔。
5.根据权利要求1所述的三自由度蛇形机器人模块，其特征在于：所述回转电机、差速电机均为带编码器的直流减速电机。
6.根据权利要求1所述的三自由度蛇形机器人模块，其特征在于：所述齿轮轴侧沿径向开设有用以安装紧定螺钉的螺纹孔，齿轮通过紧定螺钉锁固在回转电机的输出轴上。
7.根据权利要求1所述的三自由度蛇形机器人模块，其特征在于：所述回转齿轮套设轴套上，轴套套装的回转轴下端并通过螺钉锁固，轴套下端外周设置有限位凸缘，回转轴上套设有套筒B，套筒B一端抵靠轴承座，另一端抵靠回转齿轮上端，回转齿轮下端抵靠限位凸缘。
8.根据权利要求1所述的三自由度蛇形机器人模块，其特征在于：所述回转齿轮上开设有若干用于连接安装蛇形机器人的其他关节的连接螺纹孔。
9.一种三自由度蛇形机器人模块的运动方法，采用如权利要求1所述的三自由度蛇形机器人模块,其特征在于：
俯仰运动：两回转电机同速反向转动使两小锥齿轮作同速同向运动，锥齿轮B绕俯仰轴轴线转动，实现关节的俯仰动作；
偏转运动：两回转电机同速同向转动使两小锥齿轮作同速反向运动，锥齿轮B绕偏转套轴线转动，实现关节的偏转动作；
回转运动：回转电机驱动齿轮转动，齿轮与固定在相邻关节上的回转齿轮啮合传动，回转轴固定不动，支架绕回转轴转动，实现关节的回转动作；
复合运动：两回转电机差速转动使两小锥齿轮作差速运动，锥齿轮B同时绕俯仰轴轴线、偏转套轴线转动，实现关节进行俯仰与偏转的复合运动。
10.一种蛇形机器人,采用如权利要求1所述的三自由度蛇形机器人模块，其特征在于：所述蛇形机器人由若干个三自由度蛇形机器人模块依次串联连接,相邻的三自由度蛇形机器人模块通过连杆连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |