[發明專利]一種剛柔一體的可變剛度的蛇形機器人關節機構

在審

• 申請號: 201810023713.8
• 申請日: 2018-01-10
• 公開（公告）號: CN107953325A
• 公開（公告）日: 2018-04-24
• 發明（設計）人: 曹政才;李俊寬;肖清;張東;耿鵬;趙利美
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: B25J9/06
• 分類號: B25J9/06;B25J9/10;B25J9/14
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司11203
• 代理人: 沈波

技術領域

本發明涉及機器人研究與工程領域，具體是指一種具可變剛度的蛇形機器人的關節機構。

背景技術

近年來，地震、化工及核事故等災害頻發，面向災后救援的災害現場探測是實現高效率救援的第一要務，事故現場往往具有很大的不確定性，需要克服多障礙、空間狹小等困難，考慮到現有機器人技術的快速發展，具有多冗余度的模塊化蛇形機器人為災后救援探測提供了可行的技術方案。

目前的蛇形機器人多采用模塊化設計的思路，結構多為剛性，在平坦地面上具有較大的運動靈活性。也有學者研究柔性蛇形機器人，但其模型往往非線性強，控制難度極大。在對復雜環境下，如地震災害現場時，對蛇形機器人的運動提出了不小的挑戰。在復雜環境下，蛇形機器人的剛性模塊和柔性結構使得其與環境的相互作用不順暢，機械磨損嚴重，使用壽命受大幅減小，運動性能也有所下降。

一款能夠滿足救災需求的蛇形機器人關節應該在具備快速運動能力、較強地面環境適應能力、模塊化機構設計以及多姿態運動特點的同時，還應該實現機構剛度可控，然而，目前滿足以上要求的蛇形機器人關節出現較少。

在此之前，有提出基于仿生并聯關節的蛇形機器人關節結構，但在實物驗證階段，由于其結構復雜，使得運動效率不高，并且每個關節包含較多的變剛度結構，控制困難。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種剛柔一體的蛇形機器人的模塊化可變剛度關節機構，解決目前蛇形機器人環境適應能力不足的問題。把正交關節串聯機器人、行星減速器和磁流變液三者結合起來，使得蛇形機器人具有變剛度能力，環境適應能力大大增強。具有一定減速比的行星齒輪通過電機帶動轉動，其外殼上連接錐形齒輪，錐形齒輪連接并帶動下一關節運動。磁流變液注入在行星齒輪的齒輪箱中，齒輪箱外側軸向纏繞線圈，通過線圈電流的控制來改變磁流變液的屬性，達到變剛度的功能，使得蛇形機器人關節可軟啟動，控制關節力矩，抗外界沖擊等。

本發明蛇形機器人關節機構，是采用以下技術方案實現的：

一種剛柔一體的蛇形機器人的可變剛度關節機構，該關節機構由第一關節、第二關節和關節連接組成，關節連接包含一組用于換向的錐形齒輪和固定第二關節的關節連接桿，第一關節除了一個關節外殼外，還包含一個驅動電機，一個行星減速器，在行星減速器的齒輪箱中注入有磁流變液。

所述第二關節通過關節連接桿與關節連接固定在一起，其內部結構和第一關節相同，也包含一個電機和行星減速器，并通過下一級關節連接，連接到下一級運動下關節。

所述關節連接主要作用是連接第一關節和第二關節，并提供換向功能。由關節連接桿、第一錐形齒輪、第二錐形齒輪組成。第二錐形齒輪與第一關節的行星架固定連接，關節連接桿與第二關節固定連接。

所述第一關節由第一關節外殼和關節內部的行星減速器以及一個電機構成，行星減速與關節外殼同心固定在一起。

所述行星減速器包含一個齒輪箱外殼、一個行星架，一個齒輪箱上端蓋、一個太陽輪、一個內齒輪和三個行星輪以及多個軸承部件組成。行星架通過軸承與三個行星齒輪連接，電機驅動桿與太陽輪固定連接，三個行星齒輪均勻分布在太陽輪外側，并與內齒輪相切配合。上端蓋用于行星齒輪箱的上側密封，行星架連接第二錐形齒輪。

本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點：

本發明優點主要表現在：將正交關節、行星齒輪減速器和磁流變液結合在一起。采用較為成熟的齒輪傳動方式，簡單易實現，同時，將磁流變液融合到行星減速齒輪當中，通過控制行星齒輪箱外側的線圈上的電流，控制磁流變液的狀態，產生可變阻尼力，實現變剛度，可實現關節軟啟動、力矩控制和關節保護的功能。

附圖說明

圖1是本發明的蛇形機器人的可變剛度關節機構示意圖；

圖2是本發明的關節連接示意圖；

圖3是本發明的第一關節外殼示意圖；

圖4是本發明的第一關節俯視圖示意圖；

圖5是本發明的內齒輪示意圖；

圖6是本發明的行星齒輪箱內部結構示意圖；

圖7是本發明的行星架示意圖；

圖8是本發明的行星齒輪箱上端蓋示意圖；

圖9是本發明的關節內部結構總裝配示意圖；

圖10是采用本發明蛇形機器人關節機構的蛇形機器人示意圖；