具有关节力矩平衡和损伤修复功能的蛇形机器人制造技术

本发明专利技术涉及蛇形机器人领域，尤其涉及一种具有关节力矩平衡和损伤修复功能的蛇形机器人，包括：蛇形机器人本体，包括首端关节、尾端关节以及若干中间关节，各中间关节首尾顺次相连；仿生肌腱装置，其分别设置在所述蛇形机器人本体中的对应关节上，用以在蛇形机器人运行时平衡各关节在转动时产生的力矩并提供受损的关节在转动时所需要的额外力矩，包括若干设置在对应关节侧壁的支架、若干分别设置在对应支架上以引导弹性元件的引导元件、若干分别穿过对应的引导元件以平衡各关节在转动时产生力矩的弹性元件和若干设置在所述尾端关节的张紧装置。本发明专利技术实现了蛇形机器人的损坏修复以及使用寿命和使用容错率的提高。以及使用寿命和使用容错率的提高。以及使用寿命和使用容错率的提高。

【技术实现步骤摘要】
具有关节力矩平衡和损伤修复功能的蛇形机器人


[0001]本专利技术涉及蛇形机器人
，尤其涉及一种具有关节力矩平衡和损伤修复功能的蛇形机器人。

技术介绍

[0002]现有技术中，得益于其他机器人所不具备的高度冗余性，蛇形机器人可以应用于各种复杂操作任务或者复杂操作环境，例如军事侦察与攻击、水下地下管道、疾病检查与治疗、抢险救灾等。蛇形机器人一般是由多个关节串联组合而成，多个关节的串联组合确保了蛇形机器人的高度冗余性。蛇形机器人基本的运动形式是波状运动。当蛇形机器人进行波状运动时，模拟仿真以及真实实验结果都表明，蛇形机器人各关节的输出力矩随着关节与身体中心距离的减小而增加，最大输出力矩的关节是中心关节。所以在进行波状运动时，蛇形机器人会产生各关节输出力矩不均匀的现象。
[0003]首先，当蛇形机器人应用于真实环境中，各关节会接触和碰撞物体。任何接触和碰撞物体都有可能让蛇形机器人的整体外形以及关节产生损坏。当各个关节输出力矩不均匀时，各个关节接触或者碰撞物体的力矩也不一样。输出力矩大的关节所接触和碰撞物体的力也大，所以输出力矩大的关节损坏的可能性也高；其次，蛇形机器人各关节输出力矩不均匀会导致各关节及其内部零件的磨损程度不一样。输出力矩高的关节内部零件磨损程度大。磨损程度越大越会影响蛇形机器人的控制精度，甚至会导致蛇形机器人关节损坏。因此平衡蛇形机器人各关节输出力矩是提高蛇形机器人使用寿命的关键因素。
[0004]当蛇形机器人在真实环境中受到致命性损坏，如某个关节损坏时，蛇形机器人会出现一系列致命问题。首先，蛇形机器人多关节的高度冗余性会被破坏。蛇形机器人此时不仅无法完成复杂的操作任务，甚至连最基本的波状运动都很难进行，使蛇形机器人整体处于一种难以有效控制的状态。其次，某个关节损坏时，蛇形机器人的速度会大大降低，又因为蛇形机器人所应用的环境的复杂性，此时甚至都无法回收蛇形机器人。因此让蛇形机器人拥有损坏修复能力是提高蛇形机器人使用容错率的关键因素。
[0005]目前的设计和研究中，并没有一种蛇形机器人设计方案能够让蛇形机器人各关节输出平衡的力矩来提高蛇形机器人使用寿命，以及通过让蛇形机器人拥有损坏修复能力来提高蛇形机器人使用容错率。
[0006]中国专利公开号：CN113467249A公开了一种基于跟踪误差和时变系数预测的蛇形机器人自适应路径跟随控制器及其设计方法，基于多关节蛇形机器人运动学模型和步态关节的控制函数，根据蛇形机器人路径跟随过程中的动态控制任务和姿态控制任务；基于蛇形机器人的运动位置误差的预测值、侧滑角的时变量预测值、干扰变量的预测值分量，通过改进的LOS方法，得到蛇形机器人的期望运动方向角，进行多关节蛇形机器人的步态控制；根据多关节蛇形机器人运动方向角速度的虚拟辅助函数和蛇形机器人的关节角补偿函数，基于参数预测值的更新律，实现多关节蛇形机器人的运动方向角误差、关节角误差、预测值误差渐进稳定。其实现了机器人对跟踪位置误差和干扰变量的预测。由此可见，所述基于跟
踪误差和时变系数预测的蛇形机器人自适应路径跟随控制器及其设计方法存在不能实现蛇形机器人的损坏修复以及使用寿命和使用容错率偏低的问题。

技术实现思路

[0007]为此，本专利技术提供一种具有关节力矩平衡和损伤修复功能的蛇形机器人，用以克服现有技术中不能实现蛇形机器人的损坏修复以及使用寿命和使用容错率偏低的问题。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供一种具有关节力矩平衡一种具有关节力矩平衡和损伤修复功能的蛇形机器人，包括：蛇形机器人本体，包括首端关节、尾端关节以及若干中间关节，各中间关节首尾顺次相连；仿生肌腱装置，其分别设置在所述蛇形机器人本体中的对应关节上，用以在蛇形机器人运行时平衡各关节在转动时产生的力矩并提供受损的关节在转动时所需要的额外力矩，包括若干设置在对应关节侧壁的支架、若干分别设置在对应支架上以引导弹性元件的引导元件、若干分别穿过对应的引导元件以平衡各关节在转动时产生力矩的弹性元件和若干设置在所述尾端关节的张紧装置，其中，各张紧装置分别与对应的弹性元件相连，用以调节对应弹性元件的张紧度；位于设置在所述首端关节中支架上的各所述引导元件与对应的所述弹性元件相连。
[0009]进一步地，对于单个所述张紧装置，包括：
[0010]张紧驱动器，其设置在所述尾端关节，用以为张紧装置提供动力，在张紧驱动器上端设有转轴；
[0011]张紧杆，其设置在所述张紧驱动器上端并与对应的所述弹性元件相连，用以通过旋转将弹性元件缠绕在张紧杆侧壁以调节弹性元件的张紧度；所述张紧杆底端与所述转轴相连，用以与转轴一同旋转以使弹性元件缠绕在张紧杆侧壁；
[0012]弹性元件约束器，其设置在所述张紧驱动器上端，并套设在所述张紧杆外部，用以与所述转轴配合以约束张紧杆。
[0013]进一步地，所述张紧杆侧壁开设有螺纹状凹陷，用以使所述弹性元件按照螺纹状凹陷缠绕至张紧杆上以及改变弹性元件的伸缩程度。
[0014]进一步地，所述首端关节上设置的所述支架的数量与所述尾端关节上设置的支架数量以及各所述中间关节上设置的支架数量相同；
[0015]对于单个所述中间关节，该关节上设置有若干支架组，各支架组中包括两个支架、各支架组中的两支架对称设置在该关节的侧壁上且两支架的对称轴与该关节的垂直对称轴重合；
[0016]对于所述首端关节，该关节上设置有若干支架组，各支架组中包括两个支架、各支架组中的两支架对称设置在该关节的侧壁上且两支架的对称轴与该关节的垂直对称轴重合；
[0017]对于所述尾端关节，该关节上设置有若干支架组，各支架组中包括两个支架、各支架组中的两支架对称设置在该关节的侧壁上且两支架的对称轴与该关节的垂直对称轴重合。
[0018]进一步地，对于单个所述中间关节，其还设置有若干包括一个支架的独立支架组且各独立支架组中支架所处直线与该关节的垂直对称轴重合；
[0019]对于所述首端关节，其还设置有若干包括一个支架的独立支架组且各独立支架组
中支架所处直线与该关节的垂直对称轴重合；
[0020]对于所述尾端关节，其还设置有若干包括一个支架的独立支架组且各独立支架组中支架所处直线与该关节的垂直对称轴重合。
[0021]进一步地，对于单个所述中间关节，包括位于其前端的第一转轴和位于其后端的第二转轴，第一转轴的轴线与第二转轴的轴线平行且第一转轴的轴线与该中间关节的垂直对称轴平行；
[0022]对于所述首端关节，包括位于其前端的首端转轴，首端转轴的轴线与该首端关节的垂直对称轴平行；
[0023]对于所述尾端关节，包括位于其尾端的尾端转轴，尾端转轴的轴线与该尾端关节的垂直对称轴平行。
[0024]进一步地，对于单个所述弹性元件，其为一具有弹性的部件，用以平衡各关节在转动时产生的力矩。
[0025]进一步地，对于单个引导元件，其为一环形部件，引导元件套设在对应的所述弹性元件上以约束该弹性元件。
[0026]进一步地，对于单个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有关节力矩平衡和损伤修复功能的蛇形机器人，其特征在于，包括：蛇形机器人本体，包括首端关节、尾端关节以及若干中间关节，各中间关节首尾顺次相连；仿生肌腱装置，其分别设置在所述蛇形机器人本体中的对应关节上，用以在蛇形机器人运行时平衡各关节在转动时产生的力矩并提供受损的关节在转动时所需要的额外力矩，包括若干设置在对应关节侧壁的支架、若干分别设置在对应支架上以引导弹性元件的引导元件、若干分别穿过对应的引导元件以平衡各关节在转动时产生力矩的弹性元件和若干设置在所述尾端关节的张紧装置，其中，各张紧装置分别与对应的弹性元件相连，用以调节对应弹性元件的张紧度；位于设置在所述首端关节中支架上的各所述引导元件与对应的所述弹性元件相连。2.根据权利要求1所述的具有关节力矩平衡和损伤修复功能的蛇形机器人，其特征在于，对于单个所述张紧装置，包括：张紧驱动器，其设置在所述尾端关节，用以为张紧装置提供动力，在张紧驱动器上端设有转轴；张紧杆，其设置在所述张紧驱动器上端并与对应的所述弹性元件相连，用以通过旋转将弹性元件缠绕在张紧杆侧壁以调节弹性元件的张紧度；所述张紧杆底端与所述转轴相连，用以与转轴一同旋转以使弹性元件缠绕在张紧杆侧壁；弹性元件约束器，其设置在所述张紧驱动器上端，并套设在所述张紧杆外部，用以与所述转轴配合以约束张紧杆。3.根据权利要求2所述的具有关节力矩平衡和损伤修复功能的蛇形机器人，其特征在于，所述张紧杆侧壁开设有螺纹状凹陷，用以使所述弹性元件按照螺纹状凹陷缠绕至张紧杆上以及改变弹性元件的伸缩程度。4.根据权利要求1所述的具有关节力矩平衡和损伤修复功能的蛇形机器人，其特征在于，所述首端关节上设置的所述支架的数量与所述尾端关节上设置的支架数量以及各所述中间关节上设置的支架数量相同；对于单个所述中间关节，该关节上设置有若干支架组，各支架组中包括两个支架、各支架组中的两支架对称设置在该关节的侧壁上且两支架的对称轴与该关节的垂直对称轴重合；对于所述首端关节，该关节上设置有若干支架组，各支架组中包括两个支架、各支架组中的两支架对称设置在该关节的侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：马书根，吴津杰，任超，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：