CN212241043U - 一种液压蛇形机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种液压蛇形机器人，包括中间关节模块和关节环，所述中间关节模块和关节环间隔分布，所述中间关节模块包括中间躯壳和液压缸，所述液压缸包括第一液压缸和第二液压缸，所述关节环包括壳体和角度编码器，左侧中间关节模块的第一液压缸拉动第一铰接座，使左侧中间关节模块与关节环绕第二铰接组件旋转一个角度，右侧中间关节模块的第二液压缸拉动第二铰接座，使右侧中间关节模块与关节环绕第一铰接组件旋转一个角度，组成万向节结构，便于多方向调节位姿；所述角度编码器用于检测旋转角度，可实时反馈角位移信号用于角位移偏差的纠正，实现关节环和中间关节模块之间的精确定位。

Description

一种液压蛇形机器人

技术领域

本发明涉及蛇形机器人的领域，尤其涉及一种液压蛇形机器人。

背景技术

蛇形机器人主要分为地面蛇形机器人和蛇形臂机器人，地面蛇形机器人主要源于蛇的仿生原理，通过姿态控制算法调节关节运动，实现在狭窄、复杂多变地形上的自由移动；蛇形臂机器人是将蛇形机器人安装在移动平台上，通过在前端安装夹持器、相机探头等便携装置实现复杂封闭空间内取物、避障和定位等功能，主要应用于工业领域。

目前的蛇形机器人主要有电机直驱式和拉线式两种方式。电机直驱式是在每个关节模块中内置电机或气动装置驱动关节运动，但是承受负载小，另外气动装置驱动刚度小，会降低控制精度。拉线式驱动方式是通过外置驱动源拉动钢丝绳，进而驱动各关节运动，但是机器人必须固定在移动平台上，同时在负载较大时，钢丝绳与关节间的摩擦、绳张力变形等会严重影响定位精度。

发明内容

为解决上述技术问题，提供一种高负载能力和高刚度的液压蛇形机器人。

一种液压蛇形机器人，包括中间关节模块和关节环，所述中间关节模块和关节环间隔分布，所述中间关节模块包括中间躯壳和液压缸，所述液压缸包括第一液压缸和第二液压缸，所述中间躯壳两端分别设置有左端旋转座和右端旋转座，所述中间躯壳内侧壁的左右两侧分别设置有左安装座和右安装座，所述第一液压缸的后端铰接在左安装座上，所述第二液压缸的后端铰接在右安装座上，所述关节环包括壳体和角度编码器，所述壳体上设置有铰接组件，所述铰接组件包括编码器固定座和铰接座，所述角度编码器安装在所述编码器固定座上，所述编码器固定座和铰接座相对设置在所述壳体的内侧壁上，所述铰接组件包括第一铰接组件和第二铰接组件，所述第一铰接组件和第二铰接组件间隔设置在所述壳体的内侧壁上，左侧中间关节模块的右端旋转座铰接在所述第二铰接组件外端；右侧中间关节模块的左端旋转座铰接在所述第一铰接组件外端；左侧中间关节模块的第一液压缸的驱动杆前端铰接在所述第一铰接组件的铰接座上；右侧中间关节模块的第二液压缸的驱动杆前端铰接在所述第二铰接组件的铰接座上。

优选的，本发明还包括安装在所述中间关节模块内的双单元转阀，所述第一液压缸和第二液压缸分别与所述双单元转阀的不同控制端连接。

优选的，本发明还包括末端关节模块，所述末端关节模块包括末端躯壳、单元转阀和末端液压缸，所述末端躯壳左端设有末端旋转座，所述末端旋转座铰接在相邻关节环的第一铰接组件外端，所述末端液压缸的后端铰接在所述末端躯壳内，所述末端液压缸的驱动杆前端铰接在相邻关节环的第二铰接组件的第二铰接座上，所述单元转阀的控制端与所述末端液压缸连接。

优选的，本发明还包括前端关节模块，所述前端关节模块包括前端躯壳、前端单元转阀和前端液压缸，所述前端躯壳一端设有前端旋转座，所述前端旋转座铰接在相邻关节环的第一铰接组件外端，所述前端液压缸后端铰接在所述前端躯壳内，所述前端液压缸的驱动杆前端铰接在相邻关节环的第二铰接组件的铰接座上，所述前端单元转阀的控制端与所述前端液压缸连通。

优选的，本发明还包括安装在所述末端躯壳内的液压油源，所述液压油源通过软管分别与所述单元转阀、前端单元转阀和双单元转阀连通。

优选的，所述双单元转阀包括伺服舵机、联轴器、转阀芯和阀体，所述阀体左右两端分别设有伺服舵机，所述伺服舵机一端设置有联轴器，所述联轴器一端设置有转阀芯，所述转阀芯嵌入所述阀体内，所述阀体上设置有进油口、回油口和两组控制阀口组。

优选的，所述液压缸的驱动杆上设置有称重传感器。

优选的，所述中间关节模块还包括端盖和耳环接头，所述端盖安装在所述液压缸后端，所述端盖铰接在所述左安装座或右安装座上，所述液压缸的驱动杆前端与称重传感器固定连接，称重传感器的外端安装有耳环接头，所述耳环接头铰接在所述铰接座上。

优选的，左侧中间关节模块的右端旋转座上设置有旋转销轴，所述旋转销轴可旋转地安装在所述第二铰接组件外端。

优选的，所述旋转销轴穿过所述第二铰接组件的第二编码器固定座与角度编码器的检测轴固定连接。

与现有技术相比本发明的有益效果为：1. 左侧中间关节模块的第一液压缸拉动第一铰接座，使左侧中间关节模块与关节环绕第二铰接组件旋转一个角度，右侧中间关节模块的第二液压缸拉动第二铰接座，使右侧中间关节模块与关节环绕第一铰接组件旋转一个角度，组成万向节结构，便于多方向调节位姿；2. 所述角度编码器用于检测旋转角度，可实时反馈角位移信号用于角位移偏差的纠正，实现关节环和中间关节模块之间的精确定位，其中角度编码器采用绝对编码器，通过对过程信号微分可得到角速度；3. 可以通过多节中间关节模块和关节环进行衔接，增加机械臂工作空间和覆盖范围，中间关节模块和关节环的数量可根据作业空间设定，数量多则可满足长臂展空间作业需求，且高冗余结构能够使地面蛇形机器人适应复杂地形；4. 液压驱动方式的高功率密度大幅提升了本发明的负载能力，高压流体的高刚度提高本发明的驱动刚度，可以在某些救灾场景协助完成障碍物的搬移；5. 通过相应的两个称重传感器可实时计算出万向节各方向的受力，实现蛇形机器人对外界环境的全方位力监测，另外各关节自由度上的角度编码器可实时反馈角位移信号用于角位移偏差的纠正，实现关节的精确定位。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中间关节模块结构示意图；

图3是本发明相邻关节模块间的装配关系图；

图4是本发明末端关节模块的结构示意图；

图5是本发明双单元转阀结构拆分图；

图6是本发明液压系统原理图。

附图中标记：前端关节模块101，中间关节模块102，关节环103，末端关节模块104，中间躯壳201，第一液压缸202A，第二液压缸202B，角度编码器203，第一编码器固定座204A，第二编码器固定座204B，旋转销轴205，双单元转阀207，壳体208，油缸第一油孔209A，油缸第二油孔209B；端盖301，驱动杆302，称重传感器303，耳环接头304，第一铰接座305A，第二铰接座305B，左安装座307，右安装座308，左端旋转座309A，右端旋转座309B，末端躯壳401，液压油源402，单元转阀403，末端液压缸404，末端旋转座405，供油软管406，回油软管407，油箱408，电机409，泵410，阀组411，伺服舵机501，联轴器502，转阀芯503，支架504，阀体505，第一进油口P1，第二进油口P2，回油口T，第一左阀口A1，第一右阀口B1，第二左阀口A2，第二右阀口B2。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种液压蛇形机器人，如图1~图6所示，包括中间关节模块102和关节环103，中间关节模块102和关节环103间隔分布，如图2所示，中间关节模块102包括中间躯壳201和液压缸，所述液压缸包括第一液压缸202A和第二液压缸202B，中间躯壳201两端分别设置有左端旋转座309A和右端旋转座309B，中间躯壳201内侧壁左右两侧分别设置有左安装座307和右安装座308，第一液压缸202A的后端铰接在左安装座307上，第二液压缸202B的后端铰接在右安装座308上，关节环103包括壳体208和角度编码器203，壳体208上设置有铰接组件，如图3所示，所述铰接组件包括编码器固定座204A、204B和铰接座305A、305B，编码器203安装在所述编码器固定座上，所述编码器固定座和铰接座相对设置在壳体208的内侧壁上，所述铰接组件包括第一铰接组件和第二铰接组件，所述第一铰接组件包括第一编码器固定座204A和第一铰接座305A，所述第二铰接组件包括第二编码器固定座204B和第二铰接座305B，所述第一铰接组件和第二铰接组件间隔设置在壳体208的内侧壁上，左侧中间关节模块的右端旋转座309B铰接在所述第二铰接组件外端；右侧中间关节模块的左端旋转座309A铰接在所述第一铰接组件外端；左侧中间关节模块的第一液压缸202A的驱动杆前端铰接在所述第一铰接组件的第一铰接座305A上；右侧中间关节模块的第二液压缸202B的驱动杆前端铰接在所述第二铰组件的第二铰接座305B上。

左侧中间关节模块的第一液压缸202A拉动第一铰接座305A，使左侧中间关节模块与所述关节环绕第二铰接组件旋转一个角度，右侧中间关节模块的第二液压缸202B拉动第二铰接座305B，使右侧中间关节模块与关节环绕第一铰接组件旋转一个角度，组成万向节结构，便于多方向调节位姿；所述角度编码器用于检测旋转角度，可实时反馈角位移信号用于角位移偏差的纠正，实现关节环和中间关节模块之间的精确定位，角度编码器203可以采用绝对编码器，通过对过程信号微分可得到角速度；可以通过多节中间关节模块和关节环进行衔接，增加机械臂工作空间和覆盖范围，中间关节模块102和关节环103的数量可根据作业空间设定，数量多则可满足长臂展空间作业需求，且高冗余结构能够使地面蛇形机器人适应复杂地形；液压驱动方式的高功率密度大幅提升了本发明的负载能力，高压流体的高刚度提高本发明的驱动刚度，可以在某些救灾场景协助完成障碍物的搬移。

本发明还可以包括安装在中间关节模块102内的双单元转阀207，如图2所示，中间关节模块102内的第一液压缸202A和第二液压缸202B分别与双单元转阀207的不同控制端连接。双单元转阀207用于控制第一液压缸和第二液压缸的伸出、收缩和停止。

本发明还可以包括末端关节模块104，如图4所示，末端关节模块104包括末端躯壳401、单元转阀403和末端液压缸404，末端躯壳401左端设有末端旋转座405，末端旋转座405铰接在相邻关节环的第一铰接组件外端，末端液压缸404后端铰接在末端躯壳401内，末端液压缸404的驱动杆前端铰接在相邻关节环的第二铰接组件的第二铰接座305B上，单元转阀403的控制端与末端液压缸404连接。末端液压缸404拉动第二铰接座305B，使末端关节模块和相邻关节环绕第一铰接组件进行旋转，以调节末端关节模块104的角度，单元转阀403用于控制末端液压缸404的伸出、收缩或停止。

本发明还可以包括前端关节模块101，前端关节模块101包括前端躯壳、前端单元转阀和前端液压缸，所述前端躯壳一端设有前端旋转座，所述前端旋转座铰接在相邻关节环的第一铰接组件外端，所述前端液压缸后端铰接在所述前端躯壳内，所述前端液压缸的驱动杆前端铰接在相邻关节环的第二铰接组件的第二铰接座上，所述前端单元转阀的控制端所述前端液压缸连通。前端关节模块可以采用与末端关节模块相同或相似的驱动结构。所述前端关节模块用于安装夹持器、相机探头或操作机构。

本发明还可以包括安装在末端躯壳401内的液压油源402，液压油源402通过软管分别与单元转阀403、前端单元转阀和双单元转阀207连通。所述软管可以包括供油软管406和回油软管407，如图4和图6所示，液压油源402可以包括油箱408、电机409、泵410和阀组411，泵410的进油口和回油口分别与油箱408连通，泵410的供油口与供油软管406连接，高压油流经供油软管406向每个关节模块供油，泵410回油口与回油软管407连接，每个关节模块的回油口与回油软管407连接，低压油流经回泵410的回油口输送至油箱408，电机409为泵410提供动力。

双单元转阀207包括伺服舵机501、联轴器502、转阀芯503和阀体505，如图5所示，阀体505左右两端分别设有伺服舵机501，伺服舵机501一端设置有联轴器502，联轴器502一端设置有转阀芯503，转阀芯503嵌入阀体505内，所述阀体上设置有进油口、回油口T、第一控制阀口组和第二控制阀口组。所述进油口包括第一进油口P1和第二进油口P2，第一控制阀口组包括第一左阀口A1和第一右阀口B1，第二控制阀口组包括第二左阀口A2和第二右阀口B2，第一控制阀口组和第二控制阀口组分别与第一液压缸202A和第二液压缸202B连通。

所述液压缸的驱动杆上可以设置有称重传感器303。称重传感器303用于检测驱动杆所受到的力，并生产模拟信号或数字信号发送给控制端，以提升对外界环境的力感知功能，反应了受到阻力、障碍和冲动力的情况。在一个具体实施中，如图3所示，称重传感器303安装在驱动杆302前端，称重传感器外端安装有耳环接头304，耳环接头304铰接在所述铰接座上，液压缸的后端安装有端盖301，端盖301铰接在左安装座307或右安装座308上。

在一个具体实施例中，中间关节模块102和关节环103之间的可旋转角度在45~60度之间；阀体505左右两端固定有支架504，伺服舵机501固定在支架504上。左侧中间关节模块102的右端旋转座上设置有旋转销轴205，旋转销轴205可旋转地安装在所述第二铰接组件外端，使右端旋转座可旋转地安装在所述第二铰接组件外端。旋转销轴205可以穿过所述第二铰接组件的第二编码器固定座204B与角度编码器203的检测轴固定连接。旋转销轴205带动角度编码器203的检测轴旋转，与角度编码器本体作相对运动，其转角大小和方向与关节环的相同，便于检测角度变化。铰接组件的编码器固定座和铰接座的连线与关节环103的轴线相交，第一编码器固定座204A和第一铰接座305A的连接线与第二编码器固定座204B和第二铰接座305B的连线相垂直。

如图6所示，转阀芯503处于右位时，第一进油口P1与第一左阀口A1接通，第一左阀口A1与油缸第一油孔209A连通，第一右阀口B1与油缸第二油孔209B连通，油缸第一油孔209A进油、油缸第二油孔209B出油，活塞左端通入高压液，使液压缸的驱动杆伸出；当转阀芯503处于左位时，第一进油口P1与第一右阀口B1接通，回油口T与第一左阀口A1接通，此时油缸第二油孔209B进油、油缸第一油孔209A出油，液压缸202的驱动杆302缩回；转阀芯503处于中位时，第一供油口P1和回油口T关闭，此时油缸无动作。第二控制阀口组可以采用与第一控制阀口组相同的控制方式。

为提高液压蛇形机器人的运动响应速度，本发明的单元转阀、双单元转阀和前端转阀采用大扭矩、高频响特性的伺服舵机501。为简化控制系统，采用CAN总线方式控制服舵机501，方便对每个转阀及连接的液压缸进行单独控制。利用伺服舵机驱动转阀的方式实现液压缸的换向、调速等功能，由于伺服舵机数量多，采用CAN总线保证每个伺服舵机可按照控制指令顺序动作。本发明并不局限于通过转阀的方式控制液压缸运动，还可采用其它方式：如伺服阀和比例阀。

通过液压缸称重传感器303可实时计算出万向节各方向的受力，实现蛇形机器人对外界环境的全方位力监测，另外各关节自由度上的角度编码器203可实时反馈角位移信号用于角位移偏差的纠正，实现关节的精确定位。

本发明的实施工作过程如下：

以图3所示，关节环103和与之铰接的两个中间关节模块之间形成万向节结构，两个中间关节模块内各有一个液压缸作为驱动源与关节环连接。当左侧中间关节模块固定时，第一液压缸202A驱动右侧中间关节模块与关节环103相对转动，第二液压缸202B则驱动右侧中间关节模块与关节环相对转动，实现了右侧中间关节模块两个自由的运动，具有万向节功能。相同原理，与右侧中间关节模块相邻的下一中间关节模块同样可实现两个自由度的运动，而与左侧中间关节模块相邻的上一中间关节模块也可实现两个自由度运动。因此，由于所有模块和关节均具有万向节功能，整体可实现仿蛇形的运动功能。

在每个关节环中安装有两个角度编码器，实时监测两个自由度上相对转角和转速，并进行闭环反馈控制，实现关节精确定位；另外，控制每个自由度的液压缸安装有称重传感器，可实时监测到每个自由度上的驱动力，通过空间动力学关系可折算求出每个万向关节在两个自由度方向上的扭矩，实现蛇形机器人关节的力控或环境力感知功能。本发明通过内置液压执行系统直接驱动蛇形机器人各关节运动，并通过关节角位移闭环控制和关节力监测对蛇形机器人进行精确控制，使其具有负载能力强、驱动刚度大、定位精度高的特点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种液压蛇形机器人，其特征在于，包括中间关节模块和关节环，所述中间关节模块和关节环间隔分布，

所述中间关节模块包括中间躯壳和液压缸，所述液压缸包括第一液压缸和第二液压缸，所述中间躯壳两端分别设置有左端旋转座和右端旋转座，所述中间躯壳内侧壁的左右两侧分别设置有左安装座和右安装座，所述第一液压缸的后端铰接在左安装座上，所述第二液压缸的后端铰接在右安装座上，

所述关节环包括壳体和角度编码器，

所述壳体上设置有铰接组件，所述铰接组件包括编码器固定座和铰接座，所述角度编码器安装在所述编码器固定座上，所述编码器固定座和铰接座相对设置在所述壳体的内侧壁上，所述铰接组件包括第一铰接组件和第二铰接组件，所述第一铰接组件和第二铰接组件间隔设置在所述壳体的内侧壁上，

左侧中间关节模块的右端旋转座铰接在所述第二铰接组件外端；

右侧中间关节模块的左端旋转座铰接在所述第一铰接组件外端；

左侧中间关节模块的第一液压缸的驱动杆前端铰接在所述第一铰接组件的铰接座上；

右侧中间关节模块的第二液压缸的驱动杆前端铰接在所述第二铰接组件的铰接座上。

2.根据权利要求1所述的液压蛇形机器人，其特征在于，还包括安装在所述中间关节模块内的双单元转阀，所述第一液压缸和第二液压缸分别与所述双单元转阀的不同控制端连接。

3.根据权利要求2所述的液压蛇形机器人，其特征在于，还包括末端关节模块，所述末端关节模块包括末端躯壳、单元转阀和末端液压缸，

所述末端躯壳左端设有末端旋转座，所述末端旋转座铰接在相邻关节环的第一铰接组件外端，所述末端液压缸的后端铰接在所述末端躯壳内，所述末端液压缸的驱动杆前端铰接在相邻关节环的第二铰接组件的第二铰接座上，所述单元转阀的控制端与所述末端液压缸连接。

4.根据权利要求3所述的液压蛇形机器人，其特征在于，还包括前端关节模块，所述前端关节模块包括前端躯壳、前端单元转阀和前端液压缸，所述前端躯壳一端设有前端旋转座，所述前端旋转座铰接在相邻关节环的第一铰接组件外端，所述前端液压缸后端铰接在所述前端躯壳内，所述前端液压缸的驱动杆前端铰接在相邻关节环的第二铰接组件的铰接座上，所述前端单元转阀的控制端与所述前端液压缸连通。

5.根据权利要求4所述的液压蛇形机器人，其特征在于，还包括安装在所述末端躯壳内的液压油源，所述液压油源通过软管分别与所述单元转阀、前端单元转阀和双单元转阀连通。

6.根据权利要求2所述的液压蛇形机器人，其特征在于，所述双单元转阀包括伺服舵机、联轴器、转阀芯和阀体，所述阀体左右两端分别设有伺服舵机，所述伺服舵机一端设置有联轴器，所述联轴器一端设置有转阀芯，所述转阀芯嵌入所述阀体内，所述阀体上设置有进油口、回油口和两组控制阀口组。

7.根据权利要求1所述的液压蛇形机器人，其特征在于，所述液压缸的驱动杆上设置有称重传感器。

8.根据权利要求7所述的液压蛇形机器人，其特征在于，所述中间关节模块还包括端盖和耳环接头，所述端盖安装在所述液压缸后端，所述端盖铰接在所述左安装座或右安装座上，所述液压缸的驱动杆前端与称重传感器固定连接，称重传感器的外端安装有耳环接头，所述耳环接头铰接在所述铰接座上。

9.根据权利要求1~8任一项所述的液压蛇形机器人，其特征在于，左侧中间关节模块的右端旋转座上设置有旋转销轴，所述旋转销轴可旋转地安装在所述第二铰接组件外端。

10.根据权利要求9所述的液压蛇形机器人，其特征在于，所述旋转销轴穿过所述第二铰接组件的第二编码器固定座与角度编码器的检测轴固定连接。

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