CN209755263U - 一种棘轮式蛇形机器人关节 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及工业机器人领域，特别涉及一种棘轮式蛇形机器人关节，包括至少两个关节模块和设置在相邻两个关节模块之间的伸缩机构，所述关节模块包括壳体和设置在壳体上的至少一条支撑腿，所述支撑腿连接有滚轮，所述滚轮上设置有棘爪机构，所述棘爪机构限制相邻两个关节模块上的滚轮的转动方向，使关节模块在伸缩机构的伸缩作用下移动，使得可较容易的通过控制伸缩机构的伸长或缩短，实现对关节模块移动的控制，结构原理较简单，同时，使滚轮的转动不受齿轮的反向齿隙的影响，使蛇形机器人关节的正向移动和反向移动均较顺畅。

Description

一种棘轮式蛇形机器人关节

技术领域

本实用新型涉及工业机器人领域，特别涉及一种棘轮式蛇形机器人关节。

背景技术

在工业机器人中，蛇形机器人关节由于能够灵巧的翻越障碍物，且具有多自由度的灵巧操作，所以相对传统的工业机器人对狭小、多障碍物空间的危险环境具有更好的适应性，常被应用到管道检测、灾难救援等单靠人类很难完成的工作中，蛇形机器人关节上最为关键的研究难点在于实现蛇形机器人关节前进、后退、转向动作的机器人关节。

目前，常见的蛇形机器人关节主要为刚性杆通过金属连接件连接组成的链状结构，一般通过动力机构驱动设置在刚性杆上的轮子或履带正反转，实现蛇形机器人关节的前进或后退，但是，由于轮子或履带一般通过齿轮驱动，在反转时，由于存在一定的反向齿隙，导致在蛇形机器人关节在前进或后退的运行状态不一致，导致蛇形机器人关节的后退操作不顺畅，且金属连接件连接的刚性杆自由度较少，导致蛇形机器人关节的转向不顺畅，同时，轮子或履带与刚性杆之间的相对位置固定，也影响蛇形机器人关节对各种搜救救援工作面临的复杂工作环境的适应性。

综上所述，目前亟需要一种技术方案，解决现有蛇形机器人关节运行不顺畅、转向不顺畅，对各种搜救救援工作面临的复杂工作环境的适应性较差的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：针对现有蛇形机器人关节运行不顺畅、转向不顺畅，对各种搜救救援工作面临的复杂工作环境的适应性较差的技术问题，提供了一种棘轮式蛇形机器人关节。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种棘轮式蛇形机器人关节，包括至少两个关节模块和设置在相邻两个关节模块之间的伸缩机构，所述关节模块包括壳体和设置在壳体上的至少一条支撑腿，所述支撑腿连接有滚轮，所述支撑腿上设置有棘爪机构，所述棘爪机构限制相邻两个关节模块上的滚轮的转动方向，使关节模块在伸缩机构的伸缩作用下移动。

本实用新型的一种棘轮式蛇形机器人关节，通过棘爪机构限制支撑腿上的滚轮的转动方向，使伸缩机构在伸长或收缩的过程中，只能推动或拉动单侧的关节模块移动，另一侧关节模块由于滚轮的转动方向的限制，与地面之间相对静止，使设置有能够顺畅转动的滚轮的关节模块顺利移动，结构原理较简单，使滚轮的转动不受齿轮的反向齿隙的影响，使蛇形机器人关节的正向移动和反向移动均较顺畅，同时，通过伸缩机构的伸缩作用实现关节模块的相对移动，使得可较容易的通过控制伸缩机构的伸长或缩短，实现对关节模块移动的控制，结构和原理也较简单。

作为优选，所述伸缩机构包括气囊，所述气囊两端分别与关节模块的壳体可拆卸连接，所述气囊连接有气泵。通过采用气囊作为伸缩机构，使能够在气囊收缩或膨胀的过程中拉动或推动关节模块移动，使关节模块的移动原理简单，同时，气囊具有柔性特征，自由度较多，使蛇形机器人关节能够朝向不同方向移动，提高蛇形机器人关节对各种搜救救援工作面临的复杂工作环境的适应性，且气囊对关节模块的移动起到一定的缓冲作用，进一步使蛇形机器人关节的移动较平稳。

作为优选，所述壳体上对应所述支撑腿的位置设置有开口，所述壳体内设置有动力机构，所述动力机构驱动所述支撑腿移入和/或移出所述开口，改变所述滚轮与所述壳体的相对距离。通过动力机构调整滚轮与所述壳体的相对距离，使蛇形机器人关节与复杂工作环境的适应性更好。

作为优选，所述壳体内设置有转轴，所述支撑腿设置在所述转轴上，所述动力机构驱动所述转轴转动，使所述支撑腿转入和/或转出所述开口。通过转轴的转动实现支撑腿的移动，即滚轮的位置调整，调节方式和结构均较简单，方便蛇形机器人关节的制备和使用。

作为优选，所述转轴上设置有两根支撑腿，两根支撑腿相互连接，在两根支撑腿之间形成夹角M，90°≤M＜180°。通过设置两根呈夹角设置的支撑腿，使转轴顺时针或逆时针转动较小的角度即可实现滚轮位置的调整，减少滚轮位置改变的时间，使蛇形机器人关节与工作环境的适应性更好。

作为优选，同轴设置的两支撑腿之间设置有连接扭簧。在两根支撑腿之间设置连接扭簧，使同轴设置的两根支撑腿可相对转动一定的角度，使滚轮在移动过程中自适应工作环境的坡度或凹凸不平的表面，适应性更好，运行更平稳。

作为优选，所述棘爪机构包括棘爪杆和与所述滚轮同轴设置的环形齿条，所述棘爪杆转动设置在滚轮上，所述棘爪杆与所述环形齿条接触时，所述滚轮的转向被限定为正转或反转。通过设置棘爪杆与带环形齿条的滚轮配合，使得当棘爪杆与滚轮上的环形齿条两齿之间的间隙配合时，滚轮只能正转或反转，较容易实现棘爪机构对滚轮转向的限制，结构原理均较简单。

作为优选，还包括限位组件，所述限位组件包括限位块和弹性件，所述限位块推动棘爪杆与所述环形齿条分离，所述弹性件推动棘爪杆与所述环形齿条接触，所述限位块连接有动力机构。采用限位块和弹性件分别推动棘爪杆转动，使通过动力机构较容易的控制棘爪杆与滚轮上的环形齿条接触和/或分离，进一步使该结构的蛇形机器人关节结构原理简单，制备较方便。

作为优选，所述棘爪杆包括用于限制滚轮顺时针转动的第一棘爪杆和用于限制滚轮逆时针转动的第二棘爪杆，所述限位块设置在第一棘爪杆和第二棘爪杆之间。设置两根棘爪杆，使动力机构驱动限位块移动或转动较小的范围即可实现对棘爪杆与环形齿条之间状态的控制，且有利于保证棘爪机构对滚轮的方向限制效果相同，使蛇形机器人关节的正向和反向的移动状态相同。

作为优选，所述动力机构包括依次连接的舵机、拨盘和与所述拨盘相啮合的齿轮。所述齿轮设置在被驱动转动的部件的转轴上，使通过采用舵机驱动转轴转动，由于舵机可较容易的通过PWM方波控制转动角度，使得可实现对滚轮和支撑腿的精确控制，实现蛇形机器人关节与工作环境适应性的精确控制。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的一种棘轮式蛇形机器人关节的有益效果是：

通过棘爪机构限制支撑腿上的滚轮的转动方向，使伸缩机构在伸长或收缩的过程中，只能推动或拉动单侧的关节模块移动，另一侧关节模块由于滚轮的转动方向的限制，与地面之间相对静止，使设置有能够顺畅转动的滚轮一侧的关节模块顺利移动，结构原理较简单，使滚轮的转动不受齿轮的反向齿隙的影响，使蛇形机器人关节的正向移动和反向移动均较顺畅；

本实用新型的一种棘轮式蛇形机器人关节其他实施方式的有益效果是：

1、通过采用气囊作为伸缩机构，自由度较多，使蛇形机器人关节能够朝向不同方向移动，提高蛇形机器人关节对各种搜救救援工作面临的复杂工作环境的适应性；

2、通过动力机构调整滚轮与所述壳体的相对距离，使蛇形机器人关节与复杂工作环境的适应性更好。

附图说明

图1是本实用新型的一种棘轮式机器人关节前进状态的结构示意图；

图2是图1中I处局部放大的结构示意图；

图3是本实用新型的一种棘轮式机器人关节后退状态的结构示意图；

图4是本实用新型的一种棘轮式机器人关节转弯状态的结构示意图；

图5是本实用新型中所述动力机构的结构示意图。

附图标记

1-关节模块，11-壳体，12-开口，2-支撑腿，3-滚轮，4-伸缩机构，41-气囊，42-气泵，5-棘爪机构，51-第一棘爪杆，52-第二棘爪杆，53-环形齿条，6-动力机构，61-舵机，62-拨盘，63-齿轮，7-转轴，8-连接扭簧，9-限位组件，91-限位块，92-弹性件。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

如图1-5所示，一种棘轮式蛇形机器人关节，包括至少两个关节模块1和设置在相邻两个关节模块1之间的伸缩机构4，所述关节模块1包括壳体11和设置在所述壳体11上的至少一条支撑腿2，所述支撑腿2连接有滚轮3，所述伸缩机构4为气囊41，所述气囊41两端分别与关节模块1的壳体11可拆卸连接，所述气囊41连接有气泵42，所述支撑腿2上设置有棘爪机构5，所述棘爪机构5包括棘爪杆和与所述滚轮3同轴设置的环形齿条53，所述棘爪杆转动设置在滚轮3上，还包括限位组件9，所述限位组件9包括限位块91和弹性件92，所述限位块91和弹性块92分设在棘爪杆的两侧，所述限位块91推动棘爪杆与所述环形齿条53分离，所述弹性件92推动棘爪杆与所述环形齿条53接触，所述限位块91连接有动力机构6，所述动力机构6控制棘爪杆与滚轮3接触，限制相邻两个关节模块上1的滚轮3的转动方向，使关节模块1在伸缩机构4的伸缩作用下移动。

本实施例的一种棘轮式蛇形机器人关节，优选采用圆筒状的壳体11，在关节模块1的壳体11内设置气泵42和动力机构6，在滚轮3上设置与棘爪机构5适配的环形齿条53，通过气泵42控制气囊41膨胀或缩小，通过棘爪杆与环形齿条53上两齿之间的空隙接触，实现对滚轮3转动方向的控制，当需要前进时，将相邻两个关节模块1上的滚轮3的转动方向限制为与前进方向一致，通过气泵42控制气囊41膨胀，对相邻的两个关节模块1同时施加推力，由于其中一个关节模块1上的滚轮3受棘爪杆的限位作用，受到的推力与滚轮3的转动方向相反，不能顺畅的转动，使得该侧的关节模块1与工作环境的地面之间相对静止，另一个关节模块1在推力作用下滚轮3顺畅转动，实现该侧关节模块1沿前进方向的顺利移动，当气囊41伸长过程结束后，进行收缩过程，同样的原理，使在先移动的关节模块41上的滚轮3与地面相对静止，另一侧关节模块1上的滚轮3顺畅转动，循环进行，实现蛇形机器人关节的顺畅移动，结构原理均较简单，同时，由于气囊41具有柔性特征，自由度较多，可较容易的实现该结构的蛇形机器人关节朝向不同方向的顺畅移动，提高蛇形机器人关节对各种搜救救援工作面临的复杂工作环境的适应性，且气囊41对关节模块1的移动起到一定的缓冲作用，进一步使蛇形机器人关节的移动较平稳，提高蛇形机器人关节在不同工作环境下的平稳性。

优选的，所述棘爪杆包括用于限制滚轮3顺时针转动的第一棘爪杆51和用于限制滚轮3逆时针转动的第二棘爪杆52，所述限位块91设置在第一棘爪杆51和第二棘爪杆52之间。本实施例优选在第一棘爪杆51和第二棘爪杆52之间设置一个异型凸轮结构的限位块91，限位块91由动力机构6驱动转动，实现对两侧棘爪杆的分别推动，优选采用弹簧作为弹性件92分别推动第一棘爪杆51和第二棘爪杆52朝向环形齿条53侧转动，较容易的通过限位块91和弹性件92的配合，实现第一棘爪杆51和第二棘爪杆52分别对滚轮3正反转方向的限制，原理与棘爪扳手相似，结构简单，原理简单，方便该结构的棘轮式蛇形机器人关节的制备。

优选的，所述动力机构6包括依次连接的舵机61、拨盘62和与所述拨盘62相啮合的齿轮63。本实施例所述齿轮63设置在被驱动转动的限位块91的转轴上，使通过舵机61控制拨盘62转动，通过拨盘62与齿轮63之间的啮合，较容易的实现对限位块91的转动的控制，由于舵机61可较容易的通过PWM方波精确控制转动角度，使得动力机构6可较精确的控制限位块91的转动，使对蛇形机器人关节的滚轮3转向的控制更精确。

实施例2

如图1-5所示，本实施例的一种棘轮式蛇形机器人关节，结构与实施例1相同，区别在于：所述壳体11上对应所述支撑腿2的位置设置有开口12，所述壳体11的底部和转弯方向的侧壁上均设置有所述开口12，所述支撑腿2连接有动力机构6，所述动力机构6驱动所述支撑腿2移入和/或移出所述开口12，改变所述滚轮3与所述壳体11的相对距离。

本实施例的一种棘轮式蛇形机器人关节，优选在壳体11内设置转轴7，将支撑腿2转动设置在所述转轴7上，通过由舵机61、拨盘62和齿轮63组成的动力机构6驱动转轴7转动，使所述支撑腿2转入和/或转出所述壳体11上的开口12，实现滚轮3与壳体11之间相对位置的改变，使该结构的蛇形机器人关节不仅适用于在截面积较大的管道中使用，还适用于在截面积较小的管道中的使用，且可通过动力机构6实时改变滚轮3与壳体11之间的距离，使蛇形机器人关节与复杂工作环境的适应性更好，同时，根据实际情况，在壳体11的表面周向方向上设置多个开口12，每个开口12均对应设置有支撑腿2，使当需要蛇形机器人关节转向时，通过控制位于壳体11两侧的支撑腿2的一侧伸出壳体，另一侧位于壳体11内，使得当气囊41伸长时，蛇形机器人关节位于前进方向上的在先关节模块1朝向伸出有支撑腿2的一侧转向，实现蛇形机器人关节的顺利转向，配合气囊41的伸缩效果，使蛇形机器人关节转向顺畅并稳定。

实施例3

如图1-5所示，本实施例的一种棘轮式蛇形机器人关节，结构与实施例1相同，区别在于：所述转轴7上设置有两根支撑腿2，两根支撑腿2相互连接，在两根支撑腿2之间形成夹角M，90°≤M＜180°。

本实施例的一种棘轮式蛇形机器人关节，优选将两根支撑腿2之间设置夹角为120°，使转轴7顺时针或逆时针转动较小的角度即可实现滚轮3位置的调整，减少滚轮3位置改变的时间，使蛇形机器人关节与工作环境的适应性更好。

优选的，同轴设置的两支撑腿2之间设置有连接扭簧8。在两根支撑腿2之间设置连接扭簧8，使同轴设置的两根支撑腿2可相对转动一定的角度，使滚轮3在移动过程中自适应工作环境的坡度或凹凸不平的表面，适应性更好，运行更平稳。

以上实施例仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但本实用新型不局限于上述具体实施方式，因此任何对本实用新型进行修改或等同替换，而一切不脱离实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种棘轮式蛇形机器人关节，其特征在于：包括至少两个关节模块（1）和设置在相邻两个关节模块（1）之间的伸缩机构（4），所述关节模块（1）包括壳体（11）和设置在所述壳体（11）上的至少一条支撑腿（2），所述支撑腿（2）连接有滚轮（3），所述滚轮（3）上设置有棘爪机构（5），所述棘爪机构（5）限制相邻两个关节模块（1）上的滚轮（3）的转动方向，使关节模块（1）在伸缩机构（4）的伸缩作用下移动。

2.如权利要求1所述的棘轮式蛇形机器人关节，其特征在于：所述伸缩机构（4）包括气囊（41），所述气囊（41）两端分别与关节模块（1）的壳体（11）可拆卸连接，所述气囊（41）连接有气泵（42）。

3.如权利要求2所述的棘轮式蛇形机器人关节，其特征在于：所述壳体（11）上对应所述支撑腿（2）的位置设置有开口（12），所述支撑腿（2）连接有动力机构（6），所述动力机构（6）驱动所述支撑腿（2）移入和/或移出所述开口（12），改变所述滚轮（3）与所述壳体（11）的相对距离。

4.如权利要求3所述的棘轮式蛇形机器人关节，其特征在于：所述壳体（11）内设置有转轴（7），所述支撑腿（2）设置在所述转轴（7）上，所述动力机构（6）驱动所述转轴（7）转动，使所述支撑腿（2）转入和/或转出所述开口（12）。

5.如权利要求4所述的棘轮式蛇形机器人关节，其特征在于：所述转轴（7）上设置有两根支撑腿（2），两根支撑腿（2）相互连接，在两根支撑腿（2）之间形成夹角M，90°≤M＜180°。

6.如权利要求5所述的棘轮式蛇形机器人关节，其特征在于：同轴设置的两支撑腿（2）之间设置有连接扭簧（8）。

7.如权利要求6所述的棘轮式蛇形机器人关节，其特征在于：所述棘爪机构（5）包括棘爪杆和与所述滚轮（3）同轴设置的环形齿条（53），所述棘爪杆转动设置在滚轮（3）上，所述棘爪杆与所述环形齿条（53）接触时，所述滚轮（3）的转向被限定为正转或反转。

8.如权利要求7所述的棘轮式蛇形机器人关节，其特征在于：还包括限位组件（9），所述限位组件（9）包括限位块（91）和弹性件（92），所述限位块（91）推动棘爪杆与所述环形齿条（53）分离，所述弹性件（92）推动棘爪杆与所述环形齿条（53）接触，所述限位块（91）连接有动力机构（6）。

9.如权利要求8所述的棘轮式蛇形机器人关节，其特征在于：所述棘爪杆包括用于限制滚轮（3）顺时针转动的第一棘爪杆（51）和用于限制滚轮（3）逆时针转动的第二棘爪杆（52），所述限位块（91）设置在第一棘爪杆（51）和第二棘爪杆（52）之间。

10.如权利要求3-9任意一项所述的棘轮式蛇形机器人关节，其特征在于：所述动力机构（6）包括依次连接的舵机（61）、拨盘（62）和与所述拨盘（62）相啮合的齿轮（63）。