模塊化雙自由度球形關(guān)節(jié)及蛇形機(jī)器人及運動控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)，特別涉及蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)作為一種由機(jī)械、電氣、控制等學(xué)科交叉而 成的高新技術(shù)也得到了全速發(fā)展，仿生類機(jī)器人作為機(jī)器人技術(shù)工程應(yīng)用領(lǐng)域的重要分支 也備受關(guān)注，目前已有很多仿生類機(jī)器人應(yīng)用到各領(lǐng)域，如軍事上應(yīng)用運物資的仿生四足 機(jī)器人BigDog、仿生人形機(jī)器人等。
[0003] 蛇形機(jī)器人作為一種新興仿生類機(jī)器人越來越受到重視，蛇形機(jī)器人的設(shè)計基于 模塊化關(guān)節(jié)設(shè)計思想，機(jī)器人總體體積較小，各關(guān)節(jié)串聯(lián)組成多自由度冗余本體結(jié)構(gòu)，運動 過程中機(jī)器人大部分機(jī)體與地面接觸，機(jī)器人重心極低，運動穩(wěn)定性高，而且運動形式多， 這使得蛇形機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域極廣：（1)管道檢測，傳統(tǒng)機(jī)器人由于體積較大，無法執(zhí)行直 徑較小的管道檢測任務(wù)，而蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)直徑小，可以容易在管道空間內(nèi)運動以執(zhí)行任 務(wù)；（2)地震廢墟救援，廢墟環(huán)境復(fù)雜，空間狹小，障礙物多，傳統(tǒng)機(jī)器人難以進(jìn)入，蛇形機(jī) 器人橫向直徑小、運動形式多，完全可以在此類環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)（3)星球表面探測，星球表 面地形復(fù)雜，多崎嶇、柔軟路面，傳統(tǒng)輪機(jī)器人運動受限，蛇形機(jī)器人運用本體冗余特性、機(jī) 體體積小，可以很容易適應(yīng)此類路面環(huán)境。
[0004] 目前有關(guān)開展仿生蛇形機(jī)器人的研宄方案中，模塊化關(guān)節(jié)總體采用三種方案，目 前蛇形機(jī)器人的關(guān)節(jié)采用三種方案，方案一為機(jī)器人單關(guān)節(jié)單自由度，相鄰關(guān)節(jié)軸線平行 布置，機(jī)器人具有二維空間運動能力，難以適應(yīng)復(fù)雜的三維空間環(huán)境，相鄰關(guān)節(jié)軸線垂直布 置，機(jī)器人具有空間三維運動能力，但由于機(jī)器人長度限制運動能力不強(qiáng)。方案二為機(jī)器人 單關(guān)節(jié)具有兩個自由度，但目前設(shè)計的關(guān)節(jié)是驅(qū)動直接接到輸出，驅(qū)動能力不強(qiáng)。而且關(guān)節(jié) 的軸線相互錯開，使得關(guān)節(jié)軸向長度較大，機(jī)體不緊湊。方案三為單關(guān)節(jié)具有三個自由度， 關(guān)節(jié)驅(qū)動采用三驅(qū)動輸入或耦合驅(qū)動，關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，而且關(guān)節(jié)重量增幅較大，會導(dǎo)致 驅(qū)動能力不足。
[0005] 比較典型的蛇形機(jī)器人有美國卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University一CMU)生物機(jī)器人技術(shù)實驗室（Biorobotics Lab)的Howie Choset研制的蛇 形機(jī)器人
[0006] 。該機(jī)器人具有16關(guān)節(jié)組成其中包括尾部、頭部關(guān)節(jié)，根據(jù)任務(wù)的需要可以增 減關(guān)節(jié)的數(shù)量，單關(guān)節(jié)具有1個自由度，相鄰關(guān)節(jié)的軸線相差90°，每個關(guān)節(jié)允許180° 的轉(zhuǎn)動。關(guān)節(jié)主要由外殼（Housing)、電機(jī)齒輪箱、報閘裝置、關(guān)節(jié)內(nèi)部連接器件等零部件 組成。外殼結(jié)構(gòu)總體為圓形結(jié)構(gòu)，材料采用鋁合金，主要由3部分組成，下部外殼主要用 于安裝所有內(nèi)部構(gòu)件。該蛇形機(jī)器人單關(guān)節(jié)具有一個自由度，為實現(xiàn)三維空間運動，需較 多關(guān)節(jié)串聯(lián)，通體長度較長（C. Wright, A. Johnson, A. Peck, Z. McCord, A. Naaktgeboren, P. Gianfortoni, M. Gonzalez-Rivero, R. Hatton, and H.Choset, "Design of a modular snake robot, '，in Intelligent Robots and Systems, 2007. IROS 2007. IEEE/RSJ International Conference on, ρρ· 2609 - 2614, 2007·)。Hirose 教授團(tuán)隊研制出的最新 一代ACM-R7 (Active Cord Mechanism)蛇形機(jī)器人，ACM-R7共有18個關(guān)節(jié)組成，每個關(guān)節(jié) 具有一個自由度，機(jī)器人的總體外圍尺寸為1589X 140X 74mm，總體長度為1.6m，總重量為 11. 8kg。關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)采用對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，每側(cè)有兩個連桿結(jié)構(gòu)連桿A和連桿B，兩個連桿A分 別有兩個電機(jī)進(jìn)行獨立驅(qū)動。連桿A通過球關(guān)節(jié)與連桿B連接進(jìn)行力矩的輸出。當(dāng)兩個連 桿A以相同方向運動時，機(jī)器人關(guān)節(jié)實現(xiàn)俯仰（pitch)運動。當(dāng)兩個連桿A以不同方向運 動時，機(jī)器人關(guān)節(jié)實現(xiàn)偏航（yaw)運動。
[0007] 當(dāng)兩個連桿A以相同方向運動時，機(jī)器人關(guān)節(jié)實現(xiàn)俯仰（pitch)運動。當(dāng)兩個 連桿A以不同方向運動時，機(jī)器人關(guān)節(jié)實現(xiàn)偏航（yaw)運動。該機(jī)器人采用耦合驅(qū)動 方式，單關(guān)節(jié)兩個自由度，通過連桿進(jìn)行傳遞動力，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。（T. Ohashi, H. Yamada and S. Hirose, "Loop Forming Snake-like Robot ACM-R7and Its Serpenoid Oval Control"，Intelligent Robots and Systems (IROS), 2010IEEE/RSJ International Conference，18-220ct. 2010.)沈陽自動化研宄所研制出的巡視者二代仿生蛇形機(jī) 器人，該機(jī)器人單關(guān)節(jié)具有3個自由度（Pitch，Yaw and Roll)關(guān)節(jié)內(nèi)部設(shè)計有3個 錐齒輪，關(guān)節(jié)采用采用三個FutabaS3305伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，電機(jī)與錐齒輪之間采 用齒輪進(jìn)行傳動，齒輪減速比2:1，關(guān)節(jié)內(nèi)部集成鋰電池進(jìn)行單關(guān)節(jié)能量提供。該 機(jī)器人單關(guān)節(jié)具有三個自由度，但結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，而且重量增加較多。（Changlong Ye,Shugen Ma, Bin Li, Hongjun Liu, Hequan Wang, "Development of a 3D Snake-like Robot:Perambulator-II"，2007IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, August 5-8, 2007, Harbin, China)
[0008] 專利申請方面，申請?zhí)枮?2144565. 6提出一種模塊化可變結(jié)構(gòu)的蛇形機(jī)器人，該 機(jī)器人的關(guān)節(jié)設(shè)計采用一個自由度，通過相鄰關(guān)節(jié)呈90°連接，可實現(xiàn)機(jī)器人的三維空間 運動，若要求運動能力強(qiáng)，機(jī)器人需較多關(guān)節(jié)進(jìn)行串聯(lián)，總體結(jié)構(gòu)會較長。專利申請?zhí)枮?201410217818.9的專利公開了一種單關(guān)節(jié)兩個自由度的蛇形機(jī)器人，該機(jī)器人的驅(qū)動伺服 舵機(jī)直接與輸出軸進(jìn)行連接，舵機(jī)的驅(qū)動能力有限蛇形機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動能力受到限制。
[0009] 現(xiàn)有的有關(guān)蛇形機(jī)器人的設(shè)計，關(guān)節(jié)驅(qū)動伺服舵機(jī)直接作為輸出，這樣由于驅(qū)動 伺服舵機(jī)驅(qū)動能力的限制，導(dǎo)致蛇形機(jī)器人的總體運動能力受限，而單關(guān)節(jié)三個自由度的 蛇形機(jī)器人，三維空間運動能力提高不大，而且結(jié)構(gòu)增重較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明公開一種雙自由度球形關(guān)節(jié)的蛇形機(jī)器人，關(guān)節(jié)內(nèi)部采用齒輪傳動、蝸輪 蝸桿傳動，通過調(diào)節(jié)總傳動比，實現(xiàn)機(jī)器人的關(guān)節(jié)力矩放大若干倍，有效的解決了關(guān)節(jié)驅(qū)動 能力不足的問題。
[0011] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而提供的這種蛇形機(jī)器人包括若干個球形關(guān)節(jié)以及 用于連接相鄰兩個球形關(guān)節(jié)的連接件，還包括敷設(shè)在所述球形關(guān)節(jié)外面的外殼。這種雙自 由度的球形關(guān)節(jié)包括環(huán)形的外框，兩端鉸接在該外框上、半圓形的第一運動擺件和第二運 動擺件，第一運動擺件的鉸軸中心線與第二運動擺件的鉸軸中心線位于同一平面并相互垂 直，該球形關(guān)節(jié)還包括兩組同樣結(jié)構(gòu)分別用于驅(qū)動所述第一運動擺件和第二運動擺件擺動 的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。
[0012] 所述驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括固定在外框內(nèi)的舵機(jī)、第一傳動系統(tǒng)和第二傳動系統(tǒng)，該第一 舵機(jī)通過第一傳動系統(tǒng)和第二傳動系統(tǒng)控制所述第一運動擺件或第二運動擺件擺動。所述 第一傳動系統(tǒng)為齒輪傳動系統(tǒng)，包括固設(shè)于舵機(jī)輸出端的主動齒輪、驅(qū)動第二傳動系統(tǒng)的 被動齒輪以及兩者之間設(shè)置的中介齒輪。所述第二傳動系統(tǒng)為蝸輪蝸桿傳動系統(tǒng)，包括連 接所述被動齒輪的蝸桿以及固設(shè)于第一運動擺件或第二運動擺件鉸軸上的蝸輪。
[0013] 這種蛇形機(jī)器人以Serpenoid曲線懦動前行，通過調(diào)整Serpenoid曲線前行的加 速度值來控制蛇形機(jī)器人的前行速度。
[0014] 本發(fā)明蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)采用圓形結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)部連接件固定所有安裝部件，結(jié)構(gòu) 緊湊；蛇形機(jī)器人中間傳動采用兩級傳動裝置，一級采用齒輪傳動，末級采用蝸輪蝸桿傳動 進(jìn)行關(guān)節(jié)力矩輸出，通過驅(qū)動部件和蝸桿之間的中間齒輪傳動調(diào)節(jié)總傳動比，實現(xiàn)機(jī)器人 總體輸出力矩提高相應(yīng)倍數(shù)，提高關(guān)節(jié)驅(qū)動能力；蛇形機(jī)器人單關(guān)節(jié)兩個自由度，機(jī)器人本 體結(jié)構(gòu)由10個關(guān)節(jié)串聯(lián)而成，機(jī)器人總體自由度數(shù)為20個，冗余性極高，運動能力強(qiáng)；蛇形 機(jī)器人大部分部件采用輕質(zhì)鋁合金加工制作，有效減輕單關(guān)節(jié)質(zhì)量；蛇形機(jī)器人運動規(guī)劃 采用將蛇形Serpenoid曲線離散化的計算方法，離散桿件數(shù)量為蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)數(shù)量，計 算分析，最終得到蛇形機(jī)器人相鄰關(guān)節(jié)間角度，用于控制機(jī)器人運動。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明雙自由度球形關(guān)節(jié)正面的立體示意圖。
[0016] 圖2是本發(fā)明雙自由度球形關(guān)節(jié)背面的立體示意圖。
[0017] 圖3是本發(fā)明蛇形機(jī)器人的立體示意圖