[发明专利]一种刚柔一体的可变刚度的蛇形机器人关节机构

说明书

技术领域

本发明涉及机器人研究与工程领域，具体是指一种具可变刚度的蛇形机器人的关节机构。

背景技术

近年来，地震、化工及核事故等灾害频发，面向灾后救援的灾害现场探测是实现高效率救援的第一要务，事故现场往往具有很大的不确定性，需要克服多障碍、空间狭小等困难，考虑到现有机器人技术的快速发展，具有多冗余度的模块化蛇形机器人为灾后救援探测提供了可行的技术方案。

目前的蛇形机器人多采用模块化设计的思路，结构多为刚性，在平坦地面上具有较大的运动灵活性。也有学者研究柔性蛇形机器人，但其模型往往非线性强，控制难度极大。在对复杂环境下，如地震灾害现场时，对蛇形机器人的运动提出了不小的挑战。在复杂环境下，蛇形机器人的刚性模块和柔性结构使得其与环境的相互作用不顺畅，机械磨损严重，使用寿命受大幅减小，运动性能也有所下降。

一款能够满足救灾需求的蛇形机器人关节应该在具备快速运动能力、较强地面环境适应能力、模块化机构设计以及多姿态运动特点的同时，还应该实现机构刚度可控，然而，目前满足以上要求的蛇形机器人关节出现较少。

在此之前，有提出基于仿生并联关节的蛇形机器人关节结构，但在实物验证阶段，由于其结构复杂，使得运动效率不高，并且每个关节包含较多的变刚度结构，控制困难。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种刚柔一体的蛇形机器人的模块化可变刚度关节机构，解决目前蛇形机器人环境适应能力不足的问题。把正交关节串联机器人、行星减速器和磁流变液三者结合起来，使得蛇形机器人具有变刚度能力，环境适应能力大大增强。具有一定减速比的行星齿轮通过电机带动转动，其外壳上连接锥形齿轮，锥形齿轮连接并带动下一关节运动。磁流变液注入在行星齿轮的齿轮箱中，齿轮箱外侧轴向缠绕线圈，通过线圈电流的控制来改变磁流变液的属性，达到变刚度的功能，使得蛇形机器人关节可软启动，控制关节力矩，抗外界冲击等。

本发明蛇形机器人关节机构，是采用以下技术方案实现的：

一种刚柔一体的蛇形机器人的可变刚度关节机构，该关节机构由第一关节、第二关节和关节连接组成，关节连接包含一组用于换向的锥形齿轮和固定第二关节的关节连接杆，第一关节除了一个关节外壳外，还包含一个驱动电机，一个行星减速器，在行星减速器的齿轮箱中注入有磁流变液。

所述第二关节通过关节连接杆与关节连接固定在一起，其内部结构和第一关节相同，也包含一个电机和行星减速器，并通过下一级关节连接，连接到下一级运动下关节。

所述关节连接主要作用是连接第一关节和第二关节，并提供换向功能。由关节连接杆、第一锥形齿轮、第二锥形齿轮组成。第二锥形齿轮与第一关节的行星架固定连接，关节连接杆与第二关节固定连接。

所述第一关节由第一关节外壳和关节内部的行星减速器以及一个电机构成，行星减速与关节外壳同心固定在一起。

所述行星减速器包含一个齿轮箱外壳、一个行星架，一个齿轮箱上端盖、一个太阳轮、一个内齿轮和三个行星轮以及多个轴承部件组成。行星架通过轴承与三个行星齿轮连接，电机驱动杆与太阳轮固定连接，三个行星齿轮均匀分布在太阳轮外侧，并与内齿轮相切配合。上端盖用于行星齿轮箱的上侧密封，行星架连接第二锥形齿轮。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

本发明优点主要表现在：将正交关节、行星齿轮减速器和磁流变液结合在一起。采用较为成熟的齿轮传动方式，简单易实现，同时，将磁流变液融合到行星减速齿轮当中，通过控制行星齿轮箱外侧的线圈上的电流，控制磁流变液的状态，产生可变阻尼力，实现变刚度，可实现关节软启动、力矩控制和关节保护的功能。

附图说明

图1是本发明的蛇形机器人的可变刚度关节机构示意图；

图2是本发明的关节连接示意图；

图3是本发明的第一关节外壳示意图；

图4是本发明的第一关节俯视图示意图；

图5是本发明的内齿轮示意图；

图6是本发明的行星齿轮箱内部结构示意图；

图7是本发明的行星架示意图；

图8是本发明的行星齿轮箱上端盖示意图；

图9是本发明的关节内部结构总装配示意图；

图10是采用本发明蛇形机器人关节机构的蛇形机器人示意图；