一种刚柔一体的可变刚度的蛇形机器人关节机构制造技术

本发明专利技术公开了一种刚柔一体的可变刚度的蛇形机器人关节机构，属于机器人研究与工程领域，当行星齿轮组带动连接关节的锥形齿轮转动时，蛇形机器人能够实现偏转运动；当相邻关节正交安装时，蛇形机器人能够同时实现偏航和俯仰运动。同时，磁流变液阻尼力的控制是和电机运动控制分开的，可以根据需求，通过控制行星齿轮箱外侧的线圈的电流大小来改变齿轮箱内的磁场强度，以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。变刚度的功能既不影响蛇形机器人实现各种运动姿态，又能提高蛇形机器人关节的保护和控制能力，使得蛇形机器人环境适应能力和可控性大幅度提升。

A rigid flexible joint mechanism with variable stiffness for snake like robot

The invention discloses a rigid and flexible variable stiffness snake shaped robot joint mechanism, which belongs to the field of robot research and engineering. When the planetary gear group drives the conical gear of the joint to rotate, the snake like robot can realize the deflection motion; when the adjacent joint is installed, the snake like robot can realize the deviation at the same time. Air and pitching movement. At the same time, the control of the magnetorheological fluid damper is separate from the motor motion control. According to the demand, the magnetic field intensity in the gear box can be changed by controlling the current size of the coil outside the planetary gear box, so as to change the state of the magnetorheological fluid, and then to control the damping force and realize the function of the variable stiffness. The function of variable stiffness does not affect the motion posture of the snake like robot, but also improves the ability of protecting and controlling the joint of the snake like robot, so that the adaptability and controllability of the snake like robot can be greatly improved.

【技术实现步骤摘要】
一种刚柔一体的可变刚度的蛇形机器人关节机构
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的蛇形机器人的关节机构。
技术介绍
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。
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。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本专利技术优点主要表现在：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是本专利技术的蛇形机器人的可变刚度关节机构示意图；图2是本专利技术的关节连接示意图；图3是本专利技术的第一关节外壳示意图；图4是本专利技术的第一关节俯视图示意图；图5是本专利技术的内齿轮示意图；图6是本专利技术的行星齿轮箱内部结构示意图；图7是本专利技术的行星架示意图；图8是本专利技术的行星齿轮箱上端盖示意图；图9是本专利技术的关节内部结构总装配示意图；图10是采用本专利技术蛇形机器人关节机构的蛇形机器人示意图；图中：A、第一关节，B、关节连接，C、第二关节，B1、关节连接杆，B2、第一锥形齿轮，B3第二锥形齿轮，A1、第一关节外壳，A2、电机固定外壳，A3、电机底座小孔，A4、电机线外接孔，A5、内齿轮，A6、线圈，A7、第一行星齿轮，A8、第一轴承，A9、第二轴承，A10、第二行星齿轮，A11、第三轴承，A12、第三行星齿轮，A13、第四轴承，A14、太阳轮，A15、行星架，A16、齿轮箱上端盖，A17、第五轴承，A18、磁流变液，A19、电机，R1、第一旋转副，R2、第二旋转副，R3、第三旋转副，R4、第四旋转副，R5、第五旋转副，R6、第六旋转副，D、蛇形机器人头部，E、蛇形机器人尾部。具体实施方式下图结合附图对本专利技术做进一步说明。参见图1，本专利技术提供的蛇形机器人可变刚度关节机构包含第一关节A、第二关节C和关节连接B，第一关节A和第二关节C通过关节连接B组合在一起。参见图2，所述为关节连接B，由一个关节连接杆B1，第一锥形齿轮B2和第二锥形齿轮B3组成。关节连接杆B1和第一锥形齿轮B2同心固定连接，关节连接杆B1和第一锥形齿轮B2不能进行相对运动；第二锥形齿轮B3和行星架A15同心固定连接，第二锥形齿轮B3和行星架A15不能进行相对运动；关节连接杆B1和第二关节C之间也为不能进行相对运动的固定连接，关节连接杆B1通过第一旋转副R1与第二旋转副R2与第一关节外壳A1连接在一起。第一锥形齿轮B2和第二锥形齿轮B3正交啮合。参见图3，第一关节外壳A1中，第一旋转副R1与第二旋转副R2与关节连接B的关节连接杆B1连接。参见图4，第一关节外壳A1中，电机固定外壳A2与第一关节外壳A1同心；第一关节外壳底部有圆形的电机底座小孔A3和方形的电机线外接孔A4，圆形电机底座小孔A3用于伸出电机底部的电机轴，与之相邻的方形电机线外接孔A4用于外接电源线。参见图5，在内齿轮A5的外侧缠绕有一定数量的线圈A6，线圈A6通电后产生环形电流，在齿轮箱内产生磁场。参见图6，所述为齿轮箱内部的齿轮结构示意图，齿轮箱包含内齿轮A5，第一行星齿轮A7，第一轴承A8，第二轴承A9，第二行星齿轮A10，第三轴承A11，第三行星齿轮A12，第四轴承A14和太阳轮A13等部件。太阳轮A13和电机A19的电机驱动杆同心连接，太阳轮A13和电机A19之间不能进行相对运动，电机A19驱动太阳轮A13，带动太阳轮A13转动，太阳轮A13为主动轮，第一行星齿轮A7、第二行星齿轮A10、第三行星齿轮A12和内齿轮A5为从动轮，三者按图中所示配合，第一行星齿轮A7、第二行星齿轮A10和第三行星齿轮A12均匀分布在内齿轮A5内，第一行星齿轮A7、第二行星齿轮A10和第三行星齿轮A12的圆心连线为等边三角形。行星架A15的第三旋转副R3通过第一轴承A8和第一行星齿轮A7同心连接在一起，行星架A15的第四旋转副R4通过第二轴承A9和第二行星齿轮A10同心连接在一起，行星架A15的第五旋转副R5通过第三轴承A11和第三行星齿轮A12同心连接在一起，第一行星齿轮A7、第二行星齿轮A10和第三行星齿轮A12连接后，能够实现同时绕太阳轮A13的自转和公转。参见图7，第三旋转副R3、第四旋转副R本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种刚柔一体的可变刚度的蛇形机器人关节机构，其特征在于：包含第一关节(A)、第二关节(C)和关节连接(B)，第一关节(A)和第二关节(C)通过关节连接(B)组合在一起；所述为关节连接(B)，由一个关节连接杆(B1)，第一锥形齿轮(B2)和第二锥形齿轮(B3)组成；关节连接杆(B1)和第一锥形齿轮(B2)同心固定连接，关节连接杆(B1)和第一锥形齿轮(B2)不能进行相对运动；第二锥形齿轮(B3)和行星架(A15)同心固定连接，第二锥形齿轮(B3)和行星架(A15)不能进行相对运动；关节连接杆(B1)和第二关节(C)之间也为不能进行相对运动的固定连接，关节连接杆(B1)通过第一旋转副(R1)与第二旋转副(R2)与第一关节外壳(A1)连接在一起；第一锥形齿轮(B2)和第二锥形齿轮(B3)正交啮合；第一关节外壳(A1)中，第一旋转副(R1)与第二旋转副(R2)与关节连接(B)的关节连接杆(B1)连接；第一关节外壳(A1)中，电机固定外壳(A2)与第一关节外壳(A1)同心；第一关节外壳底部有圆形的电机底座小孔(A3)和方形的电机线外接孔(A4)，圆形电机底座小孔(A3)用于伸出电机底部的电机轴，与之相邻的方形电机线外接孔(A4)用于外接电源线。...

【技术特征摘要】
1.一种刚柔一体的可变刚度的蛇形机器人关节机构，其特征在于：包含第一关节(A)、第二关节(C)和关节连接(B)，第一关节(A)和第二关节(C)通过关节连接(B)组合在一起；所述为关节连接(B)，由一个关节连接杆(B1)，第一锥形齿轮(B2)和第二锥形齿轮(B3)组成；关节连接杆(B1)和第一锥形齿轮(B2)同心固定连接，关节连接杆(B1)和第一锥形齿轮(B2)不能进行相对运动；第二锥形齿轮(B3)和行星架(A15)同心固定连接，第二锥形齿轮(B3)和行星架(A15)不能进行相对运动；关节连接杆(B1)和第二关节(C)之间也为不能进行相对运动的固定连接，关节连接杆(B1)通过第一旋转副(R1)与第二旋转副(R2)与第一关节外壳(A1)连接在一起；第一锥形齿轮(B2)和第二锥形齿轮(B3)正交啮合；第一关节外壳(A1)中，第一旋转副(R1)与第二旋转副(R2)与关节连接(B)的关节连接杆(B1)连接；第一关节外壳(A1)中，电机固定外壳(A2)与第一关节外壳(A1)同心；第一关节外壳底部有圆形的电机底座小孔(A3)和方形的电机线外接孔(A4)，圆形电机底座小孔(A3)用于伸出电机底部的电机轴，与之相邻的方形电机线外接孔(A4)用于外接电源线。2.根据权利要求1所述的一种刚柔一体的可变刚度的蛇形机器人关节机构，其特征在于：齿轮箱包含内齿轮(A5)，第一行星齿轮(A7)，第一轴承(A8)，第二轴承(A9)，第二行星齿轮(A10)，第三轴承(A11)，第三行星齿轮(A12)，第四轴承(A14)和太阳轮(A13)等部件；太阳轮(A13)和电机(A19)的电机驱动杆同心连接，太阳轮(A13)和电机(A19)之间不能进行相对运动，电机(A19)驱动太阳轮(A13)，带动太阳轮(A13)转动，太阳轮(A13)为主动轮，第一行星齿轮(A7)、第二行星齿轮(A10)、第三行星齿轮(A12)和内齿轮(A5)为从动轮，第一行星齿轮(A7)、第二行星齿轮(A10)和第三行星齿轮(A12)均匀分布在内齿轮(A5)内，第一行星齿轮(A7)、第二行星齿轮(A10)和第三行星齿轮(A12)的圆心连线为等边三角形；行星架(A15)的第三旋转副(R3)通过第一轴承(A8)和第一行星齿轮(A7)同心连接在一起，行星架(A15)的第四旋转副(R4)通过第二轴承(A9)和第二行星齿轮(A10)同心连接在一起，行星架(A15)的第五旋转副(R5)通过第三轴承(A11)和第三行星齿轮(A12)同心连接在一起，第一行星齿轮(A7)、第二行星齿轮(A10)和第三行星齿轮(A12)连接...

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