一种蛇形机器人的模块化变刚度关节机构制造技术

本发明专利技术公开了一种蛇形机器人的模块化变刚度关节机构，属于机器人研究与工程领域，当全向轮围绕模块中轴线转动时，蛇形机器人能够实现轮式运动；当关节中的并联直线驱动器伸缩时，全向轮中的各个小被动轮与地面接触产生各向异性摩擦力实现蛇形运动，此外，轮的两侧有偏盖，可以对轮体起到一定的保护作用。同时，磁流变阻尼环节的阻尼力控制是和支链运动控制分开的，可以根据需求，通过控制活塞头的线圈的电流大小来改变磁流套筒内的磁场强度，改变磁流变液的状态，进而达到控制阻尼力，实现变刚度的功能。该环节既不影响蛇形机器人实现各种运动步态，又能提高蛇形机器人的关节自锁和自我保护能力，使得蛇形机器人环境适应能力大幅度提升。

【技术实现步骤摘要】
一种蛇形机器人的模块化变刚度关节机构
本专利技术涉及机器人研究与工程领域，具体是指一种具可变刚度，能够适应复杂地形的蛇形机器人的变刚度关节机构。
技术介绍
近年来，化学化工厂、地震灾害事故频发也越来越高，造成了大量人员伤亡与巨大经济损失。灾后第一时间的现场救援至关重要，然而灾害现场环境复杂，救援人员无法第一时间进入灾害现场，给救援工作带来巨大的挑战。科技工作者以生物蛇为灵感研制了蛇形机器人，蛇形机器人可以模仿生物蛇的运动方式在各种环境中运动，可以适应地形复杂、空间狭小的环境，这些特性使得其能够在灾害救援、信息搜集等领域展现出巨大的应用潜力。目前蛇形机器人多采用模块化设计，模块结构多为刚性，驱动方式多样且各有优缺点，平坦地面反应快速也具有一定的环境适应能力。然而在崎岖地形和面临较为的障碍物时，对蛇形机器人提出了不小的挑战。在复杂环境下，蛇形机器人的刚性模块结构使得其与环境的相互作用时机械磨损严重，使用寿命受到很大的限制，无法实现较长时间的灵活运动。一款能够满足人类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，具有一定的防护能力，然而目前尚未有充分满足以上要求的蛇形机器人关节出现。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种蛇形机器人的模块化变刚度关节机构，解决目前仿蛇形机器人环境适应能力不足、碰撞损坏、复杂环境下灵活性差等问题。把具有全向轮的多自由度并联关节机构与磁流阻尼变刚度结合起来。使得蛇形机器人环境适应能力大大增强。关节中全向轮整体可实现轴向转动，全向轮中的小轮又能作为蛇形机器人机体表面上的被动轮。当全向轮围绕模块中轴线转动时，蛇形机器人能够实现轮式运动；当关节中的并联直线驱动器伸缩时，全向轮中的各个小被动轮与地面接触产生各向异性摩擦力实现蛇形运动，此外，轮的两侧有偏盖，可以对轮体起到一定的保护作用。同时，磁流变阻尼环节的阻尼力控制是和支链运动控制分开的，可以根据需求，通过控制活塞头的线圈的电流大小来改变磁流套筒内的磁场强度，改变磁流变液的状态，进而达到控制阻尼力，实现变刚度的功能。该环节既不影响蛇形机器人实现各种运动步态，又能提高蛇形机器人的关节自锁和自我保护能力，使得蛇形机器人环境适应能力大幅度提升。本专利技术除了将并联关节组与全向轮串联起来以外，还进行模块化设计，各个模块相同，每个模块中配备独立的变刚度控制器和直线驱动器，提高模块的利用率。本专利技术蛇形机器人关节机构，是采用以下技术方案实现的：一种蛇形机器人的模块化变刚度关节机构，该关节机构由上全向轮1、下全向轮2、上平台3和下平台4、第一变刚度支链A、第二变刚度支链B和第三变刚度支链C组成。上平台3通过一个凸盖安装在上全向轮1上，下平台4通过另一个凸盖安装在下全向轮2上，上平台3和下平台4之间通过第一变刚度支链A、第二变刚度支链B和第三变刚度支链C连接在一起。所述上全向轮1和下全向轮2的结构完全相同，十二个被动轮7沿轮6的周向分布，第二转动副R2为全向轮旋转电机，第一转动副R1为被动轮绕轮架的旋转副；电源引线通过上全向轮1和下全向轮2凹台上的两个全向轮旋转副接线口5连接到全向轮旋转电机，通过控制全向轮旋转电机的转动速度控制上全向轮1和下全向轮2的转速。所述上平台3是由一个圆形端盖基座和第一上平台旋转虎克铰8、第二上平台旋转虎克铰9和第三上平台旋转虎克铰10组成，第一上平台旋转虎克铰8、第二上平台旋转虎克铰9和第三上平台旋转虎克铰10与圆形端盖基座固定在一起；第一上平台旋转虎克铰8对应第三转动副R3、，第二上平台旋转虎克铰9对应第四转动副R4，第三上平台旋转虎克铰10对应第五转动副R5；下平台4是由圆形端盖基座和电机基座固定平台12、第一下平台固定虎克铰11和第二下平台固定虎克铰13组成，电机基座固定平台12、第一下平台固定虎克铰11和第二下平台固定虎克铰13与圆形端盖基座固定在一起。电机基座固定平台12、第一下平台固定虎克铰11和第二下平台固定虎克铰13三者的中心连线呈等边三角形，等边三角形的中心和下平台4的中心重合。所述第一变刚度支链A和第三变刚度支链C具有相同的结构，包括各支链对应的上球型连接轴、下球型连接轴、支链上虎克铰、支链下虎克铰、直线驱动器、直线驱动器固定基座、活塞上端连接环、活塞下端连接环和变刚度元件。上球型连接轴连接上平台旋转虎克铰和支链上虎克铰，而支链上虎克铰通过活塞上端连接环与变刚度元件的活塞上端相连接，变刚度元件的活塞杆下端通过活塞下端连接环与直线驱动器连接，直线驱动器固定基座用于安装直线驱动器，其底部和支链下虎克铰连接，支链下虎克铰通过下球型连接轴与下平台的固定虎克铰连接在一起。所述第一变刚度支链A与第二变刚度支链C的具体连接方式为：第一支链上虎克铰A3通过第一球型连接轴A1与上平台3的第一上平台旋转虎克铰8连接(对应第六转动副R6和第七转动副R7)，第一支链下虎克铰A4通过第二球型连接轴A2与下平台4的第一下平台固定虎克铰11连接(对应第十二转动副R12和第十三转动副R13)。第三支链上虎克铰C3通过第四球型连接轴C1与上平台3的第三上平台旋转虎克铰10连接(对应第十转动副R10和第十一转动副R11)，第三支链下虎克铰通过第五球型连接轴C2与下定平台4的第二下平台固定虎克铰13连接(对应第十四转动副R14和第十五转动副R15)。第一球型连接轴A1为第一变刚度支链的上球型连接轴；第二球型连接轴A2为第一变刚度支链的下球型连接轴；第四球型连接轴C1为第三变刚度支链的上球型连接轴；第五球型连接轴C2为第三变刚度支链的下球型连接轴。所述第二变刚度支链B包含支链的上第三球型连接轴B1、第二支链上虎克铰B2、第二直线驱动器P2、驱动器固定基座、第二支链活塞上端连接环B3、第二支链变刚度元件B4。第二支链变刚度元件的活塞杆上端通过该支链活塞上端连接环连接到支链上虎克铰，变刚度元件的活塞下端通过活塞下端连接环连接到直线驱动器。第二变刚度支链B下端的第二直线驱动器P2与下平台4的电机基座固定平台12连接。第二支链上虎克铰与第二上平台旋转虎克铰9连接(对应第八转动副R8和第九转动副R9)。每条变刚度支链均包含一个变刚度元件，三条变刚度支链的三个变刚度元件具有相同的结构。变刚度元件包含磁流套筒24、第一密封外圈14、第二密封外圈18、第一密封内圈16、第二密封内圈19、活塞20、活塞头21、第一保护垫15、第二保护垫17、磁流变液22和线圈23。活塞20安装在磁流套筒24内，活塞20上端设有第一密封外圈14、第一保护垫15和第一密封内圈16，第一密封外圈14和第一密封内圈16设置在活塞20上端的内外侧，第一保护垫15设置在第一密封内圈16的内侧；活塞20下端设有第二保护垫17、第二密封外圈18和第二密封内圈19，第二密封外圈18和第二密封内圈19设置在活塞20下端内外侧，第二保护垫17设置在第二密封内圈19的内侧；活塞头21为活塞20的端部结构，活塞头21的侧部缠有线圈23，磁流套筒24与活塞20之间填有磁流变液22；活塞20上端通过各支链活塞上端连接环(A5、B3、C5)与上平台3连接，实现二者的联动；活塞下端通过支链活塞下端连接环与直线驱动器连接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种蛇形机器人的模块化变刚度关节机构，其特征在于：该关节机构由上全向轮(1)、下全向轮(2)、上平台(3)和下平台(4)、第一变刚度支链(A)、第二变刚度支链(B)和第三变刚度支链(C)组成；上平台(3)通过一个凸盖安装在上全向轮(1)上，下平台(4)通过另一个凸盖安装在下全向轮(2)上，上平台(3)和下平台(4)之间通过第一变刚度支链(A)、第二变刚度支链(B)和第三变刚度支链(C)连接在一起。

【技术特征摘要】
1.一种蛇形机器人的模块化变刚度关节机构，其特征在于：该关节机构由上全向轮(1)、下全向轮(2)、上平台(3)和下平台(4)、第一变刚度支链(A)、第二变刚度支链(B)和第三变刚度支链(C)组成；上平台(3)通过一个凸盖安装在上全向轮(1)上，下平台(4)通过另一个凸盖安装在下全向轮(2)上，上平台(3)和下平台(4)之间通过第一变刚度支链(A)、第二变刚度支链(B)和第三变刚度支链(C)连接在一起。2.根据权利要求1所述的一种蛇形机器人的模块化变刚度关节机构，其特征在于：上全向轮(1)和下全向轮(2)的结构完全相同，十二个被动轮(7)沿轮(6)的周向分布，第二转动副(R2)为全向轮旋转电机，第一转动副(R1)为被动轮绕轮架的旋转副；电源引线通过上全向(1)和下全向轮(2)凹台上的两个全向轮旋转副接线口(5)连接到全向轮旋转电机，通过控制全向轮旋转电机的转动速度控制上全向轮(1)和下全向轮(2)的转速。3.根据权利要求1所述的一种蛇形机器人的模块化变刚度关节机构，其特征在于：所述上平台(3)是由一个圆形端盖基座和第一上平台旋转虎克铰(8)、第二上平台旋转虎克铰(9)和第三上平台旋转虎克铰(10)组成，第一上平台旋转虎克铰(8)、第二上平台旋转虎克铰(9)和第三上平台旋转虎克铰(10)与圆形端盖基座固定在一起；第一上平台旋转虎克铰(8)对应第三转动副(R3)，第二上平台旋转虎克铰(9)对应第四转动副(R4)，第三上平台旋转虎克铰(10)对应第五转动副(R5)；下平台(4)是由圆形端盖基座和电机基座固定平台(12)、第一下平台固定虎克铰(11)和第二下平台固定虎克铰(13)组成，电机基座固定平台(12)、第一下平台固定虎克铰(11)和第二下平台固定虎克铰(13)与圆形端盖基座固定在一起；电机基座固定平台(12)、第一下平台固定虎克铰(11)和第二下平台固定虎克铰(13)三者的中心连线呈等边三角形，等边三角形的中心和下平台(4)的中心重合。4.根据权利要求1所述的一种蛇形机器人的模块化变刚度关节机构，其特征在于：所述第一变刚度支链(A)和第三变刚度支链(C)具有相同的结构，包括各支链对应的上球型连接轴、下球型连接轴、支链上虎克铰、支链下虎克铰、直线驱动器、直线驱动器固定基座、活塞上端连接环、活塞下端连接环和变刚度元件；上球型连接轴连接上平台旋转虎克铰和支链上虎克铰，而支链上虎克铰通过活塞上端连接环与变刚度元件的活塞上端相连接，变刚度元件的活塞杆下端通过活塞下端连接环与直线驱动器连接，直线驱动器固定基座用于安装直线驱动器，其底部和支链下虎克铰连接，支链下虎克铰通过下球型连接轴与下平台的固定虎克铰连接在一起。5.根据权利要求4所述的一种蛇形机器人的模块化变刚度关节机构，其特征在于：第一变刚度支链(A)与第二变刚度支链(C)的具体连接方式为：第一支链上虎克铰(A3)通过第一球型连接轴(A1)与上平台(3)的第一上平台旋转虎克铰(8)连接，第一支链下虎克铰(A4)通过第二球型连接轴(A2)与下平台(4)的第一下平台固定虎克铰(11)连接；第三支链上虎克铰(C3)通过第四球型连接轴(C1)与上平台(3)的第三上平台旋转虎克铰(10)连接，第三支链下虎克铰...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹政才，李俊宽，肖清，张东，赵利美，李清林，耿鹏，黄冉，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11