CN112276920B - 一种连续体蛇形机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续体蛇形机器人，包括柔性主体和主控制器两部分；所述的柔性主体主要由多个串联连接的柔性段组成；所述的柔性段包括腔体，软轴驱动装置，顶盖,支撑架，角度传感器，控制器；所述的柔性段可以完成伸缩弯曲等运动；所述的主控制器安装柔性主体尾部；本发明将并联运动平台设计引用到连续体机器人的设计，每个柔性段相当于一个并联平台，运动灵活，承载能力较好。

Description

一种连续体蛇形机器人
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种连续体蛇形机器人。
背景技术
传统的机器人大多为刚性结构构成，其形状能适应特定的外部约束，能完成常规任务和特定环境下的相关作业，但其可变形能力和柔顺性较难适应未知复杂多变的环境，随着对机器人柔顺性要求的不断提高，普通刚性机器人的劣势逐渐凸显，为了进一步扩展机器人的功能和应用领域，人们逐渐对连续体机器人越来越感兴趣。另外，传统的机器人通常在其本体上设置多个运动副，通过不同的运动组合，形成不同的运动关节，使机器人完成不同的动作过程。这些运动副主要包括转动副和移动副，通常由电机或者液压原件进行驱动，其基本运动简单，当需要执行复杂的运动过程时，需要将多种基本运动进行合成，这通常需要设计极为复杂的传动机构和控制体系，其设计困难、结构复杂、零部件多、占用空间大，且故障率高、故障处理繁琐，往往因外界条件限制，一些需要复杂运动的使用场合下，并无法设计出合适的机器人。
连续体机器人是一种新型仿生机器人，它模仿自然界中的象鼻、章鱼臂等动物器官的运动机理，利用连续柔性变形完成伸缩弯曲等动作，具有很强的避障能力，能够更好地适应各种非结构化环境。
发明内容
本发明提出了一种连续体蛇形机器人。
技术方案如下：
一种连续体蛇形机器人，其特征在于包括柔性主体(1)，主控制器(2)两部分；
所述的柔性主体(1)主要由多个串联连接的柔性段(11)组成；所述的柔性段(11)包括腔体(111)，软轴驱动装置(112)，顶盖(113),支撑架(114)，角度传感器(115)，控制器(116)；
所述的柔性段(11)中的软轴驱动装置(112)数量大于等于2，主要由软轴(1121)，传动螺杆(1122)，电机(1123)组成；所述的传动螺杆(1122)与电机(1123)均放置在软轴(1121)内部，传动螺杆(1122)与电机(1123)的输出轴固连，传动螺杆(1122)与软轴(1121)形成螺旋连接；软轴驱动装置(112)的一端通过电机(1123)外壳与腔体盖(1112)固连，另一端通过软轴(1121)与顶盖(113)固连，所述的腔体(111)由腔体主体(1111)和腔体盖(1112)组成，腔体主体(1111)与腔体盖(1112)固连；
所述的支撑架(114)由支撑杆(1141)和支撑环(1142)构成，支撑杆(1141)一端与支撑环(1142)通过螺纹固连，另一端与腔体盖(1112)固连；传动螺杆(1122)上有配合凹槽，支撑架(114)通过支撑环(1142)与传动螺杆(1122)的配合凹槽转动连接；腔体(111)上开有用于电源线和控制线穿过的通孔；
主控制器(2)发送运动控制指令给每个柔性段(11)的控制器(116)，并由控制器(116)根据收到的运动控制指令控制电机(1123)旋转，电机(1123)输出轴带动传动螺杆(1122)旋转并驱动软轴(1121)执行伸缩运动，柔性段(11)中的每个软轴驱动装置(112)中的软轴(1121)在传动螺杆(1122)上端伸出的部分长度相等时，该柔性段(11)呈直线状态，当每根软轴(1121)伸缩长度相同时，柔性段(11)执行伸缩动作，当多个软轴(1121)伸缩长度不等时，柔性段(11)会执行弯曲动作，角度传感器(115)测量每个柔性段(11)的弯曲角度并把角度信息反馈给控制器(116)，控制器(116)根据反馈的角度信息，对电机(1123)旋转圈数进行调节，进而调节软轴(1121)伸缩长度大小，使柔性段(11)最终达到指定的运动姿态。
优选的，所述的软轴(1121)为弹簧。
优选的，所述的角度传感器(115)安装于软轴(1121)内部，用于测量柔性段(11)弯曲角度。
优选的，所述的主控制器(2)安装于柔性主体(1)尾部。
优选的，所述的控制器(116)安装于腔体(111)内部。
本发明将并联运动平台设计引用到连续体机器人的设计，每个柔性段(11)相当于一个并联平台，运动灵活，承载能力较好。
附图说明
图1为本发明的连续体蛇形机器人整体结构示意图。
图2为本发明中一个柔性段的结构示意图。
图3为本发明中的软轴驱动装置结构示意图。
图4为本发明中的控制器安装示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案、结构特点更加清楚，下面结合附图对发明实施例中的技术方案进行完整、清楚地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明的连续体蛇形机器人整体结构示意图，该机器人包括柔性主体(1)，和主控制器(2)两部分，主控制器(2)安装在柔性主体(1)的尾部，其中柔性主体(1)由多个柔性段(11)串联连接组成，多个柔性段(11)之间的连接是通过螺钉将前一个柔性段(11)的腔体主体(1111)和后面一个柔性段(11)的顶盖(113)连接实现。
柔性段(11)主要包括腔体(111)，软轴驱动装置(112)，顶盖(113),支撑架(114)，角度传感器(115)，控制器(116)。
软轴驱动装置(112)主要由软轴(1121)，传动螺杆(1122)，电机(1123)组成；传动螺杆(1122)与电机(1123)的输出轴固连，传动螺杆(1122)内部有与电机(1123)输出轴相配合的孔，传动螺杆(1122)与电机(1123)输出轴配合后，传动螺杆(1122)可随电机(1123)输出轴旋转，传动螺杆(1122)与软轴(1121)形成螺旋连接；软轴驱动装置(112)的一端通过电机(1123)外壳与腔体盖(1112)固连，另一端通过软轴(1121)与顶盖(113)固连，软轴(1121)的另一端自由，所述的腔体(111)由腔体主体(1111)和腔体盖(1112)通过螺钉连接而成，腔体盖(1112)上有给电机(1123)定位的凹槽，凹槽呈环状均布于腔体盖(1112)上，并且开有用于电机(1123)电源和控制线穿过的通孔，通孔位于每个凹槽的内部，软轴驱动装置(112)呈环状均布安装于腔体盖(1112)上。
支撑架(114)安装在软轴(1121)外侧，软轴(1121)伸缩时支撑架(114)承担软轴(1121)产生的轴向力，防止电机(1123)输出轴受到轴向力而损坏，支撑架(114)由支撑杆(1141)和支撑环(1142)两部分组成，如图2所示每个支撑架(114)有四个支撑杆(1141)和一个支撑环(1142)，支撑环(1142)是由两个半支撑环固连而成，支撑杆(1141)一端有螺纹，用于与支撑架(114)连接，支撑架(114)有相对应的螺纹孔，支撑杆(1141)的另一端有螺纹孔，用于支撑杆(1141)和腔体盖(1112)的螺钉连接。
电机(1123)与传动螺杆(1122)放置于软轴(1121)内部。
单个软轴驱动装置(112)的动作过程：控制器(116)输出控制信号控制电机(1123)旋转，电机旋转带动传动螺杆(1122)旋转并驱动软轴(1121)进行伸缩运动。
基于以上设计的柔性段(11)的工作过程是，柔性段(11)中的每个软轴驱动装置(112)中的软轴(1121)在传动螺杆(1122)上端伸出的部分长度相等时，该柔性段(11)呈直线状态，当每根软轴(1121)伸缩长度相同时，柔性段(11)执行伸缩动作，当多个软轴(1121)伸缩长度不等时，柔性段(11)会执行弯曲动作，控制器(116)会发送信号控制每个电机(1123)转动指定圈数使连续体蛇形机器人完成所需要的姿态变化，可以使其完成蛇形弯曲运动。
本发明的连续体蛇形机器人的工作过程：主控制器(2)发送运动控制指令给每个柔性段(11)的控制器(116)，并由控制器(116)根据收到的运动控制指令控制电机(1123)旋转，而角度传感器(115)则测量每个柔性段(11)的弯曲角度并把角度信息反馈给控制器(116)，控制器(116)根据反馈的角度信息，对电机(1123)旋转圈数进行调节，进而调节软轴(1121)伸缩长度大小，使柔性段(11)最终达到指定的运动姿态。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。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、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种连续体蛇形机器人，其特征在于包括柔性主体(1)，主控制器(2)两部分；
所述的柔性主体(1)主要由多个串联连接的柔性段(11)组成；所述的柔性段(11)包括腔体(111)，软轴驱动装置(112)，顶盖(113),支撑架(114)，角度传感器(115)，控制器(116)；
所述的柔性段(11)中的软轴驱动装置(112)数量大于等于2，主要由软轴(1121)，传动螺杆(1122)，电机(1123)组成；所述的传动螺杆(1122)与电机(1123)均放置在软轴(1121)内部，传动螺杆(1122)与电机(1123)的输出轴固连，传动螺杆(1122)与软轴(1121)形成螺旋连接；软轴驱动装置(112)的一端通过电机(1123)外壳与腔体盖(1112)固连，另一端通过软轴(1121)与顶盖(113)固连，所述的腔体(111)由腔体主体(1111)和腔体盖(1112)组成，腔体主体(1111)与腔体盖(1112)固连；
所述的支撑架(114)由支撑杆(1141)和支撑环(1142)构成，支撑杆(1141)一端与支撑环(1142)通过螺纹固连，另一端与腔体盖(1112)固连；传动螺杆(1122)上有配合凹槽，支撑架(114)通过支撑环(1142)与传动螺杆(1122)的配合凹槽转动连接；腔体(111)上开有用于控制线穿过的通孔；
所述的柔性段(11)中的每个软轴驱动装置(112)中的软轴(1121)在传动螺杆(1122)上端伸出的部分长度相等时，该柔性段(11)呈直线状态，当电机(1123)输出轴旋转时，带动传动螺杆(1122)旋转从而使软轴(1121)进行伸缩运动，当每根软轴(1121)伸缩长度相同时，柔性段(11)执行伸缩动作，当多个软轴(1121)伸缩长度不等时，柔性段(11)会执行弯曲动作。
2.根据权利要求1所述的连续体蛇形机器人，其特征在于所述的软轴(1121)为弹簧。
3.根据权利要求1所述的连续体蛇形机器人，其特征在于所述的角度传感器(115)安装于软轴(1121)内部，用于测量柔性段(11)弯曲角度。
4.根据权利要求1所述的连续体蛇形机器人，其特征在于所述的主控制器(2)安装于柔性主体(1)尾部。
5.根据权利要求1所述的连续体蛇形机器人，其特征在于所述的控制器(116)安装于腔体(111)内部。
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