[发明专利]一种基于正交关节的柔性驱动的蛇形机器人机构

说明书

本发明公开了一种基于正交关节的柔性驱动的蛇形机器人机构，属于机器人结构设计研究与工程应用领域；轮盘式磁流变液结构驱动两组正交连接的锥形齿轮，完成蛇形机器人的关节偏转控制进而实现俯仰、偏转运动。磁流变液轮盘式结构部分电流由经控制器单独控制，在关节执行器控制基础上，改变流经线圈的电流大小改变轮盘内磁感应强弱，控制磁流变液粘度即阻尼力实现柔性调节。在蛇形机器人各种运动状态可控前提下，大大提高了蛇形机器人关节模块在复杂环境下的保护和控制能力，为蛇形机器人复杂环境的实际高效应用提供了可能。

技术领域

本发明涉及机器人工程研究领域，具体是指一种基于正交关节柔性的驱动蛇形机器人关节结构。

背景技术

近年来，地震、台风、化工等自然灾害及事故频发，探测灾后现场环境成为后期高效率救援的第一步，事故灾害等现场往往具备很大不确定性，存在多障碍、空间狭小、易发生二次灾害等困难，基于现有机器人技术的发展趋势，具备柔性控制结构的可重构模块化蛇形机器人为灾后环境探测提供可行的技术方案。

目前蛇形机器人多采用模块化设计，以刚性机械结构为主，平坦地面上具备较好的运动灵活性，柔性机器人非线性强，难以实现快速建模导致控制难度极大。面对复杂高危环境，如台风、地震等灾害现场，对蛇形机器人的运动控制提出不小的挑战，目前融合的刚性与柔性模块因结构相互作用存在机械磨损严重等问题，导致使用寿命锐减，运动控制效果大幅下降。

为满足灾后环境探测救援需求的蛇形机器人应当具备运动速度快、及环境适应性强、模块化设计可重构，运动姿态多的特点，同时应当能够实现运动效果柔性可控。然而目前符合以上要求的蛇形机器人较少。

在此之前，有基于仿生并联关节的蛇形机器人关节结构设计，但是在实物验证阶段存在结构复杂，执行器选型困难等问题，实际运动效率受关节内多部件影响，控制较为困难。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于正交关节的柔性驱动的蛇形机器人机构，解决目前蛇形机器人环境适应性差的问题。将正交关节、串联方式、磁流变液结合，解决蛇形机器人的柔性驱动问题并提高其环境适应性。本发明设计的轮式变阻尼结构通过电机带动，利用同轴轴承带动锥形齿轮，锥形齿轮连接驱动下一关节运动。轮盘结构内壁贴合缠绕通电线圈，磁流变液注入线圈与轴承缝隙，通过改变线圈流通电流改变磁流变液的状态实现阻尼力变化，完成蛇形机器人关节软启动及力矩柔性控制，抵消部分外力冲击、撞击等。

本发明柔性驱动蛇形机器人的关节机构，是采用以下技术方案实现的：

一种基于正交关节的柔性驱动的蛇形机器人机构，该机构由第一关节、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，一个轮盘式柔性驱动器，在驱动器线圈与转子中注入有磁流变液。

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，也包含一个电机和柔性驱动器，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，提供正交换向功能。由关节连杆、第一锥形齿轮、第二锥形齿轮组成。第一锥形齿轮与第一关节的驱动器轴承固定连接，第二锥形齿轮与第二关节的关节连杆固定，关节连杆与第二关节固定连接。

所述第一关节由第一关节外科和关节内部的柔性驱动器以及一个驱动电机构成，柔性驱动器与外壳通过槽孔固定在一起。

所述柔性驱动器包含一个驱动器上端外壳、一个底部外壳、一个驱动器转子、一组通电线圈、一个微型驱动轴及多个轴承部件组成。底部与上端外壳分别与轴承相连，驱动器转子通过微型驱动轴与轴承连接，底部外壳内壁嵌入线圈，上端外壳与轴承通过与驱动器转子同心相连，实现柔性驱动器安装。

本发明采用以上技术方案，具备以下几个优点：