CN114012713B - 一种连续体机器人驱动组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种连续体机器人驱动组件，包括第一驱动机构、第二驱动机构和第三驱动机构，所述驱动机构包括驱动端子、直流电机、减速机、主动齿轮、从动齿轮和三个滑动销，所述从动齿轮被限位在所述驱动端子内，所述直流电机和所述减速机均固定在所述驱动端子的周向面上，所述驱动端子内穿入一根所述柔性螺杆，所述直流电机的输出端与所述减速机的输入端连接，所述减速机的输出端固定一个所述主动齿轮，所述主动齿轮和所述从动齿轮相互啮合，三个滑动销均设置在所述从动齿轮内壁，所述柔性螺杆上外部设有螺纹，所述第一滑动销、三个滑动销卡在所述柔性螺杆的螺纹凹槽内，本发明的驱动组件结构简单，控制难度比较低，稳定性比较好，控制精度高。

Description

一种连续体机器人驱动组件

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种连续体机器人驱动组件。

背景技术

传统工业机器人已被越来越多地替代人类重复性劳动，并取得了很好的效果。但随着机器人在各个领域的深入应用，在制造业和社会服务领域的部分应用场合，对机器人作业提出了更高的要求，传统的刚性机器人由于驱动装置(包括电机、减速器等)安装于机器人关节处，导致整体机构笨重，且连杆为刚性结构，对人类安全形成了潜在威胁。此外，机器人本体刚度大且难于实现柔顺控制，导致其不能很好地适应环境。具有本质柔性，结构轻量且灵活性高的连续体机器人可很好地弥补现有工业机器人的不足，拓展机器人的应用领域。

连续体机器人是一种新型仿生机器人，它模仿自然界象鼻、章鱼臂等动物器官的运动机理，自身不存在明显的运动关节，但能依靠连续柔性变形来实现运动和抓取操作。由于连续体机器人可在任意部位产生柔性变形，具有许多自由度，具有很强的避障能力，其允许它们特别适合进入密闭空间，能够更好的适应非结构环境、更牢靠地抓取各种不规则形状的物体。目前，连续体机器人多采用绳驱动的方式，该种机器人的躯干和驱动组件通常分为两个各自独立的部分，即驱动外置布置方式。这种驱动方式控制难度大，驱动组件体积大；也存在驱动内置形式的连续体机器人，通常以电机齿轮直接驱动波纹管，极易造成打滑现象，影响运动精度。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种连续体机器人驱动组件，解决了目前连续体机器人在驱动外置式时驱动控制难度大，驱动组件体积大，在驱动内置式时运动精度差的问题。

本发明提供一种连续体机器人驱动组件，包括三个独立的驱动机构，分为第一驱动机构、第二驱动机构和第三驱动机构，每个所述驱动机构与一个柔性螺杆连接，每个所述驱动组件用于单独控制与之连接的所述柔性螺杆移动，所述驱动机构包括驱动端子、直流电机、减速机、主动齿轮、从动齿轮、第一滑动销、第二滑动销和第三滑动销，所述驱动端子为圆筒状，所述从动齿轮被限位在所述驱动端子内，所述从动齿轮与所述驱动端子同心，所述驱动端子的周向面上设有开口，所述从动齿轮的直径大于所述驱动端子的外径，使得所述从动齿轮的齿牙可从所述开口内伸出，所述直流电机和所述减速机均固定在所述驱动端子的周向面上，所述驱动端子内设有轴向与其自身轴向一致的第一中空腔，两端均设有开口，所述第一中空腔内均穿入一根所述柔性螺杆，所述直流电机的输出端与所述减速机的输入端连接，所述减速机的输出端固定一个所述主动齿轮，所述主动齿轮和所述从动齿轮相互啮合，所述从动齿轮设有轴向与其自身轴向一致的第二中空腔，所述第一滑动销、所述第二滑动销和所述第三滑动销均设置在所述第二中空腔的壁面上，所述柔性螺杆上外部设有螺纹，所述第一滑动销和所述第二滑动销卡在所述柔性螺杆的螺纹两侧，且所述第一滑动销和所述第二滑动销的连线与所述柔性螺杆的轴线平行，所述第三滑动销卡在所述螺纹的下边沿，所述第三滑动销所在的平面和所述第一滑动销所在的平面以所述从动齿轮的中轴线为对称轴对称，且所述第三滑动销在所述从动齿轮上的轴向上的位置位于所述第一滑动销和所述第二滑动销之间。

进一步的，所述驱动端子包括两个在同一轴向上的前空心圆筒和后空心圆筒，所述前空心圆筒和所述后空心圆筒之间设有间距，且所述前空心圆筒和所述后空心圆筒用两条对称设置的连接筋连接，所述连接筋的前后两端分别固定在所述前空心圆筒和所述后空心圆筒的圆周面上，所述从动齿轮设置在所述前空心圆筒和所述后空心圆筒的间距内，且两个连接筋分别在所述从动齿轮的两侧，两个所述连接筋内侧面均设有凹口，用于容纳所述从动齿轮的周向面。

进一步的，两个所述连接筋之间设有一个固定架，所述固定架包括连接板、电机固定爪和支撑板，所述连接板直接与所述后空心圆筒的圆周面焊接，所述电机固定爪和所述支撑板均固定在所述连接板上，所述直流电机固定在所述电机固定爪内，所述减速机设置在所述电机固定爪和所述支撑板之间，所述减速机包括两个端板，包括第一端板和第二端板，所述第一端板与所述电机固定爪的内侧面固定，所述第二端板与所述支撑板的内侧面固定，所述支撑板设有一个与外边缘连通的U型口，所述减速机的输出端穿过所述U型口。

进一步的，所述第一端板与所述电机固定爪的内侧面用螺栓固定，所述第二端板与所述支撑板的内侧面用螺栓固定。

进一步的，所述U型口两侧设有直角折边。

进一步的，所述柔性螺杆的螺纹的牙型为矩形。

进一步的，三个所述驱动端子由一个连接圆筒组合在一起，每个所述驱动端子各自通过一个四杆机构与所述连接圆筒的周向面连接，所述四杆机构包括首尾依次铰接在一起的第二连杆、第四连杆、第一连杆和第三连杆，所述第一连杆的轴向、所述第二连杆的轴向和所述连接圆筒的轴向平行，所述第三连杆的轴向和所述第四连杆的轴向互相平行，所述第一连杆直接固定在所述连接圆筒上，所述第三连杆和所述第四连杆分别设置在所述连接圆筒的前后两侧，所述第一连杆和所述第三连杆的夹角处设有扭簧，所述第一连杆和所述第三连杆的初始夹角为60°，所述第三连杆相对于所述第一连杆的最大变形角度为48°，所述驱动端子与所述第二连杆固定，所述驱动端子和所述第二连杆固定，且所述驱动端子的轴向和所述第二连杆的轴向平行。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明包括三个驱动机构，每个驱动机构和一根柔性螺杆连接，每个驱动机构包括驱动端子、直流电机、减速机、主动齿轮、从动齿轮、第一滑动销、第二滑动销和第三滑动销，每根柔性螺杆穿入到一个驱动端子内，当直流电机启动后，柔性螺杆可在驱动端子内移动，本发明的驱动组件结构简单，控制难度比较低，稳定性比较好。

2.本发明从动齿轮不但包围住柔性螺杆，而且其三个滑动销共同卡入到柔性螺杆的螺纹凹槽内，对柔性螺杆起到了较好的限位作用，提高了柔性螺杆和从动齿轮之间的附着力，防止柔性螺杆在移动的时候出现打滑现象，提高了机器人移动时候的控制精度。

附图说明

图1为本发明柔性螺杆与驱动机构连接示意图；

图2为本发明第一驱动机构、第二驱动机构和第三驱动机构第一示意图；

图3为本发明第一驱动机构、第二驱动机构和第三驱动机构第二示意图；

图4为本发明驱动机构与柔性螺杆连接的剖视图；

图5为本发明固定架的示意图；

图6为图3的A部放大示意图；

图7为本发明第一驱动机构、第二驱动机构和第三驱动机构第三示意图；

图8为本发明柔性螺杆弯曲示意图。

上述附图中，1、第一驱动机构；2、第二驱动机构；3、第三驱动机构；4、柔性螺杆；01、驱动端子；02、直流电机；03、减速机；04、主动齿轮；05、从动齿轮；06、第一滑动销；07、第二滑动销；08、第三滑动销；41、螺纹；011、前空心圆筒；012、后空心圆筒；013、连接筋；5、固定架；51、连接板；52、电机固定爪；53、支撑板；521、上手爪；522、下手爪；031、第一端板；032、第二端板；531、U型口；532、直角折边；6、连接圆筒；7、四杆机构；71、第二连杆；72、第四连杆；73、第一连杆；74、第三连杆；8、扭簧。

具体实施方式

下面结合附图1-8和实施例对本发明中的技术方案进一步说明。

如图1-4所示，本发明提供一种连续体机器人驱动组件，包括三个独立的驱动机构，分为第一驱动机构1、第二驱动机构2和第三驱动机构3，每个驱动机构与一个柔性螺杆4连接，每个驱动机构用于单独控制与之连接的柔性螺杆4移动，驱动机构包括驱动端子01、直流电机02、减速机03、主动齿轮04、从动齿轮05、第一滑动销06、第二滑动销07和第三滑动销08，驱动端子01为圆筒状，从动齿轮05被限位在驱动端子01内，从动齿轮05与驱动端子01同心，驱动端子01的周向面上设有开口，从动齿轮05的直径大于驱动端子01的外径，使得从动齿轮05的齿牙可从开口内伸出，直流电机02和减速机03均固定在驱动端子01的周向面上，驱动端子01内设有轴向与其自身轴向一致的第一中空腔，两端均设有开口，第一中空腔内均穿入一根柔性螺杆4，直流电机02的输出端与减速机03的输入端连接，减速机03的输出端固定一个主动齿轮04，主动齿轮04和从动齿轮05相互啮合，从动齿轮05设有轴向与其自身轴向一致的第二中空腔，第一滑动销06、第二滑动销07和第三滑动销08均设置在第二中空腔的壁面上，柔性螺杆4上外部设有螺纹41，螺纹41的牙型为矩形，第一滑动销06和第二滑动销07卡在柔性螺杆4的螺纹41两侧，且第一滑动销06和第二滑动销07的连线与柔性螺杆4的轴线平行，第三滑动销08卡在螺纹41的下边沿，第三滑动销08所在的平面和第一滑动销06所在的平面以从动齿轮05的中轴线为对称轴对称，且第三滑动销08在从动齿轮05上的轴向上的位置位于第一滑动销06和第二滑动销07之间。

当其中一个驱动机构启动后，直流电机02的输出轴旋转，带动减速机03的输出端旋转，从而使得主动齿轮04旋转，接着带动从动齿轮05旋转，当从动齿轮05旋转的时候，三个滑动销均在螺纹41凹槽内滑动，使得柔性螺杆4相对于驱动端子01移动，因为从动齿轮05是卡接在驱动端子01内的，所以从动齿轮05只会旋转，不会上下左右移动，所以从动齿轮05与驱动端子01的相对位置不会发生改变。因为三个驱动机构分别设有一个直流电机02，而直流电机02的旋转方向可以是正传也可以是反转，所以可以单独控制三个驱动机构的驱动方向，从而可以使得三根柔性螺杆4的移动方向不一致。

如图8所示，在工作时，无论是作为移动机器人或者作为机械臂，三个柔性螺杆4大部分时间都是一致往前移动的，在管道缝隙移动或者在管道表面上爬行的时候会遇到拐弯处或者曲面，这就需要三根柔性螺杆4进行扭度变换，其中一根或者两根柔性螺杆4临时性反向移动，以达到实现机器人弯曲的目的，等越过拐弯处或者曲面后再次向前移动。

具体的，驱动端子01包括两个在同一轴向上的前空心圆筒011和后空心圆筒012，前空心圆筒011和后空心圆筒012之间设有间距，且前空心圆筒011和后空心圆筒012用两条对称设置的连接筋013连接，连接筋013的前后两端分别固定在前空心圆筒011和后空心圆筒012的圆周面上，从动齿轮05设置在前空心圆筒011和后空心圆筒012的间距内，且两个连接筋013分别在从动齿轮05的两侧，两个连接筋013内侧面均设有凹口，用于容纳从动齿轮05的周向面，从动齿轮05的前后分别被前空心圆筒011和后空心圆筒012限位，左右两侧分别被两根连接筋013限位。

如图5和图6所示，更具体的，两个连接筋013之间设有一个固定架5，固定架5包括连接板51、电机固定爪52和支撑板53，连接板51直接与后空心圆筒012的圆周面焊接，电机固定爪52和支撑板53均固定在连接板51上，直流电机02固定在电机固定爪52和撑板之间，电机固定爪52包括对称设置的上手爪521和下手爪522，上手爪521和下手爪522围合成一个环形套，直流电机02从环形套的端面开口穿入，上手爪521和下手爪522均用弹性材质制成，所以可以将直流电机02的机体卡住，减速机03包括两个端板，包括第一端板031和第二端板032，第一端板031与电机固定爪52的内侧面固定，第二端板032与支撑板53的内侧面固定，支撑板53设有一个与外边缘连通的U型口531，减速机03的输出端穿过U型口531。第一端板031与电机固定爪52的内侧面用螺栓固定，第二端板032与支撑板53的内侧面用螺栓固定。

U型口531两侧设有直角折边532，第二端板032的左侧边缘卡在直角折边532内，而第二端板032的右侧边缘抵在连接板51上，直角折边532和连接板51共同对第二端板032的左右方向进行限位，使得第二端板032上的连接孔和支撑板53上的连接孔同心，且使得减速机03的输出端正好可以穿入U型口531内。

如图2和图7所示，三个驱动端子01由一个连接圆筒6组合在一起，每个驱动端子01各自通过一个四杆机构7与连接圆筒6的周向面连接，四杆机构7包括首尾依次铰接在一起的第二连杆71、第四连杆72、第一连杆73和第三连杆74，第一连杆73的轴向、第二连杆71的轴向和连接圆筒6的轴向平行，第三连杆74的轴向和第四连杆72的轴向互相平行，第一连杆73直接固定在连接圆筒6上，第三连杆74和第四连杆72分别设置在连接圆筒6的前后两侧，第一连杆73和第三连杆74的夹角处设有扭簧，第一连杆73和第三连杆74的初始夹角为60°，第三连杆74相对于第一连杆73的最大变形角度为48°，驱动端子01与第二连杆71固定，驱动端子01和第二连杆71固定，且驱动端子01的轴向和第二连杆71的轴向平行，三个驱动端子01通过连接圆筒6连接在一起，可以使得三根柔性螺杆4在机器人向前移动时或向后移动时基本保持在一致，四杆机构7在机器人遇到狭窄缝隙的时候产生形变，使得三根柔性螺杆4的间距变小，方便伸入到缝隙内，从第一连杆73和第三连杆74的初始夹角60°慢慢变小，直到能够伸入到缝隙内为止，在此过程中，三根柔性螺杆4与连接圆筒6的距离越来越近，使得三根柔性螺杆4之间的间距变小。由于第一连杆73和第三连杆74铰接处设有扭簧，所以当机器人越过狭窄的缝隙后，扭簧使得第三连杆74相对于第一连杆73的变形角度恢复到初始角度60°，三个柔性螺杆4与连接圆筒6的距离又恢复到最远距离。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种连续体机器人驱动组件，其特征在于，包括三个独立的驱动机构，分为第一驱动机构(1)、第二驱动机构(2)和第三驱动机构(3)，每个所述驱动机构与一个柔性螺杆(4)连接，每个所述驱动机构用于单独控制与之连接的所述柔性螺杆(4)移动，所述驱动机构包括驱动端子(01)、直流电机(02)、减速机(03)、主动齿轮(04)、从动齿轮(05)、第一滑动销(06)、第二滑动销(07)和第三滑动销(08)，所述驱动端子(01)为圆筒状，所述从动齿轮(05)被限位在所述驱动端子(01)内，所述从动齿轮(05)与所述驱动端子(01)同心，所述驱动端子(01)的周向面上设有开口，所述从动齿轮(05)的直径大于所述驱动端子(01)的外径，使得所述从动齿轮(05)的齿牙可从所述开口内伸出，所述直流电机(02)和所述减速机(03)均固定在所述驱动端子(01)的周向面上，所述驱动端子(01)内设有轴向与其自身轴向一致的第一中空腔，两端均设有开口，所述第一中空腔内均穿入一根所述柔性螺杆(4)，所述直流电机(02)的输出端与所述减速机(03)的输入端连接，所述减速机(03)的输出端固定一个所述主动齿轮(04)，所述主动齿轮(04)和所述从动齿轮(05)相互啮合，所述从动齿轮(05)设有轴向与其自身轴向一致的第二中空腔，所述第一滑动销(06)、所述第二滑动销(07)和所述第三滑动销(08)均设置在所述第二中空腔的壁面上，所述柔性螺杆(4)上外部设有螺纹(41)，所述第一滑动销(06)和所述第二滑动销(07)卡在所述柔性螺杆(4)的螺纹(41)两侧，且所述第一滑动销(06)和所述第二滑动销(07)的连线与所述柔性螺杆(4)的轴线平行，所述第三滑动销(08)卡在所述螺纹(41)的下边沿，所述第三滑动销(08)所在的平面和所述第一滑动销(06)所在的平面以所述从动齿轮(05)的中轴线为对称轴对称，且所述第三滑动销(08)在所述从动齿轮(05)上的轴向上的位置位于所述第一滑动销(06)和所述第二滑动销(07)之间，三个所述驱动端子(01)由一个连接圆筒(6)组合在一起，每个所述驱动端子(01)各自通过一个四杆机构(7)与所述连接圆筒(6)的周向面连接。

2.如权利要求1所述的一种连续体机器人驱动组件，其特征在于，所述驱动端子(01)包括两个在同一轴向上的前空心圆筒(011)和后空心圆筒(012)，所述前空心圆筒(011)和所述后空心圆筒(012)之间设有间距，且所述前空心圆筒(011)和所述后空心圆筒(012)用两条对称设置的连接筋(013)连接，所述连接筋(013)的前后两端分别固定在所述前空心圆筒(011)和所述后空心圆筒(012)的圆周面上，所述从动齿轮(05)设置在所述前空心圆筒(011)和所述后空心圆筒(012)的间距内，且两个连接筋(013)分别在所述从动齿轮(05)的两侧，两个所述连接筋(013)内侧面均设有凹口，用于容纳所述从动齿轮(05)的周向面，并限制所述从动齿轮(05)的径向位移。

3.如权利要求2所述的一种连续体机器人驱动组件，其特征在于，两个所述连接筋(013)之间设有一个固定架(5)，所述固定架(5)包括连接板(51)、电机固定爪(52)和支撑板(53)，所述连接板(51)直接与所述后空心圆筒(012)的圆周面连接，所述电机固定爪(52)和所述支撑板(53)均固定在所述连接板(51)上，所述直流电机(02)固定在所述电机固定爪(52)内，所述减速机(03)设置在所述电机固定爪(52)和所述支撑板(53)之间，所述减速机(03)包括两个端板，包括第一端板(031)和第二端板(032)，所述第一端板(031)与所述电机固定爪(52)的内侧面固定，所述第二端板(032)与所述支撑板(53)的内侧面固定，所述支撑板(53)设有一个与外边缘连通的U型口(531)，所述减速机(03)的输出端穿过所述U型口(531)。

4.如权利要求3所述的一种连续体机器人驱动组件，其特征在于，所述第一端板(031)与所述电机固定爪(52)的内侧面用螺栓固定，所述第二端板(032)与所述支撑板(53)的内侧面用螺栓固定。

5.如权利要求4所述的一种连续体机器人驱动组件，其特征在于，所述U型口(531)两侧设有直角折边(532)。

6.如权利要求5所述的一种连续体机器人驱动组件，其特征在于，所述柔性螺杆(4)的螺纹(41)的牙型为矩形。

7.如权利要求1-6任意一项所述的一种连续体机器人驱动组件，其特征在于，所述四杆机构(7)包括首尾依次铰接在一起的第二连杆(71)、第四连杆(72)、第一连杆(73)和第三连杆(74)，所述第一连杆(73)的轴向、所述第二连杆(71)的轴向和所述连接圆筒(6)的轴向平行，所述第三连杆(74)的轴向和所述第四连杆(72)的轴向互相平行，所述第一连杆(73)直接固定在所述连接圆筒(6)上，所述第三连杆(74)和所述第四连杆(72)分别设置在所述连接圆筒(6)的前后两侧，所述第一连杆(73)和所述第三连杆(74)的夹角处设有扭簧(8)，所述第一连杆(73)和所述第三连杆(74)的初始夹角为60°，所述第三连杆(74)相对于所述第一连杆(73)的最大变形角度为48°，所述驱动端子(01)与所述第二连杆(71)固定，所述驱动端子(01)和所述第二连杆(71)固定，且所述驱动端子(01)的轴向和所述第二连杆(71)的轴向平行。

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