专利名称：变刚度并联关节蛇形机器人机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及机器人研究和工程领域，具体是指一种变刚度并联关节蛇形机器人机 构，该机构有助于蛇形机器人执行侦察搜救任务。技术背景
蛇形机器人是一种典型的仿生机器人，能够模仿自然界蛇类生物的无肢运动，克 服传统轮式、履带式、腿式等行走方式地形适应性单一的缺点，在灾害搜救、军事侦察领域 展示出巨大的应用前景。然而蛇形机器人的关节机构、驱动机构及辅助运动机构性能的局 限性给蛇形机器人用于实际灾害搜救和军事侦察带来困难。
目前蛇形机器人多采用刚性关节，例如日本东京工业大学研制的ACM-R5蛇形机 器人采用两台伺服电机通过齿轮减速机构驱动万向节关节偏转。刚性关节可以准确输出 位姿，但缺乏地形自适应性，而且受到外来力矩冲击时容易损坏。一些学者研制出由橡胶 棒、弹簧或气囊构成的柔性关节机构，比如德国GMD-Snake蛇形机器人运动单元采用橡胶 棒做关节，通过绳驱动实现关节偏转。柔性关节能提高蛇形机器人地面附着力，受到外力冲 击不易损坏，但由于机体缺乏刚度，抬起一些运动单元后易发生侧偏、倾覆，给侦察探测带 来不便。在驱动机构方面，多数蛇形机器人机构每个自由度由一台电机经齿轮减速驱动， 为获得足够的输出力矩需要采用多级齿轮减速，驱动机构复杂，当相邻两个轴只有一个轴 运动时会造成一台驱动器闲置，使得机构整体驱动效率不高。目前蛇形机器人采用的辅助 运动机构主要有被动轮、履带、正交主动轮、鱼鳍等。例如中国国防科大于2001年研制的 蛇形机器人采用被动轮减小蜿蜒运动摩擦阻力；专利CN100410128C为哈工大研制的多节 履带式搜索机器人，其运动单元外部覆盖有履带，使之在缝隙中具备较强的运动能力；德国 GMD-Snake2运动单元外带有一圈小直径主动轮,其转轴与运动单元中心轴正交，使机器人 具备一定的直线运动能力。然而这些辅助运动机构在充满泥沙、杂草的实际环境中容易被 杂物阻塞而失效。专利CN101746237A为沈阳自动化所研制的两栖蛇形机器人，外表带有鱼 鳍有助于增大水下推进力和保持姿态稳定，但降低其在复杂障碍物间穿行的能力。
为使蛇形机器人早日在各种领域发挥作用，需要从机构创新入手探索新型关节机 构、驱动机构和辅助运动机构，研制地形适应性强、机动性强、任务适用面广的新型蛇形机 器人。发明内容
本发明的目的是解决现有蛇形机器人机构地形适应性及任务适用性的诸多固有 缺陷，提供一种具有变刚度并联关节和隔振主动轮的蛇形机器人，提高蛇形机器人在多种 地形环境下运动时的快速性和稳定性。
本发明是采用以下技术手段实现的
一种变刚度并联关节蛇形机器人机构，由多个运动单元14串联构成；其特征在 于所述运动单元14带有固定U支链1、正向变刚度直线驱动器6、负向变刚度直线驱动器7和平行主动轮13四个功能模块；正向变刚度直线驱动器6、负向变刚度直线驱动器7分别通过铰链机构与固定U支链I相连接，正向连接点2和负向连接点3固定在固定U支链I 上，正向连接点2、负向连接点3与固定U支链I靠近正向连接点2和负向连接点3的端点连线构成等腰直角三角形；正向变刚度直线驱动器6、负向变刚度直线驱动器7以及固定U 支链I远离正向连接点2和负向连接点3的端点分别固定有正向万向铰8、负向万向铰9和中心万向铰10 ;相邻运动单元连接时，一个运动单元的正向万向铰8、负向万向铰9和中心万向铰10分别与另一个运动单元的正向连接点2、负向连接点3和固定U支链I相连接；
所述平行主动轮13包括容器式轮辋18、螺旋形轮胎19、内齿轮28、轮辋加固圈20;通过底座端盖轴承31和关节端盖轴承32分别与底座端盖33和关节端盖34相连接，主动轮电机27通过电机支架30与关节端盖34相固连，通过外齿轮29带动平行主动轮13绕固定U支链I轴向连续旋转；
所述螺旋形轮胎19的形状为完整的圆形；由多个长条形柔性材料螺旋状固定于容器式轮辋18表面制成；
所述固定U支链I由关节连接板36、电路板固定架39、底座端盖定位螺栓40、电池组定位板41、电池组固定套42、中心万向节联轴器45、关节端盖定位板46固连到中心脊柱 35构成；
所述底座端盖33和关节端盖34分别通过底座端盖隔振圈23和关节端盖隔振圈 25与中心脊柱35相连,并通过底座端盖定位圈24和关节端盖定位圈26与底座端盖定位螺栓40和关节端盖定位板46相连。
前述的正向变刚度直线驱动器6和负向变刚度直线驱动器7结构相同，采用直线往复运动机构将电机54的旋转运动变为直线运动。
前述的正向变刚度直线驱动器6和负向变刚度直线驱动器7由结构框架、直线往复运动机构和变刚度驱动器三部分组成。
前述的结构框架由驱动器底座63和光轴69固连构成。
前述的直线往复运动机构包含电机54、联轴器62、螺杆67和螺母68 ；电机54与驱动器底座63固连，螺杆67通过联轴器62与电机54输出轴固连，螺母68与螺杆67连接。
前述的变刚度驱动器的滑动底座61上固定有两个滑动轴承70，沿着光轴69滑动； 铁芯59与滑动底座61固连，螺母定位管76与铁芯59固连，螺母68与铁芯59固连，线圈 65与铁芯59固连，线圈密封管72与线圈65和铁芯59固连；下端盖60上固定有一组密封>j-U ρ α装直。
前述的密封装置由导磁环75、永磁环74、永磁密封环73和橡胶密封圈55组成，与铁芯59为密封、滑动接触；磁轭66两端分别固连有下端盖60和传动杆57，磁轭66与铁芯 59、线圈密封管72之间存在间隙；传动杆57内侧固定有另一组密封装置。
前述的另一组密封装置与传动杆57、铁芯59和磁轭66围成的空间为上磁流变腔 56 ；由下端盖60、铁芯59、磁轭66以及密封装置围成的空间为下磁流变腔77，上磁流变腔 56和下磁流变腔77内充满磁流变液；磁轭66、下端盖60、传动杆57以及两组密封装置构成动子，动子可沿着铁芯59中心轴做直线运动；在上磁流变腔56和下磁流变腔77中分别有一个复位弹簧58,复位弹簧58两端分别与导磁环75和铁芯59相接触。
前述的铁芯59内侧结构为管状， 直线往复运动机构位于铁芯59内侧。
前述的传动杆57实心圆柱部分与圆管部分的交界处附近有贯通的导气孔，使直 线往复运动机构、铁芯59和传动杆57所围成的腔室与外界大气相通。
本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果
(I)适用范围广。采用变刚度空间并联关节构成的蛇形机器人运行于崎岖地面时 具备较高的机体柔性，使之自动适应地形起伏，有助于提高摩擦驱动效率；执行侦察任务时 要求蛇形机器人抬起一部分运动单元以扩大探测范围，此时通过增加机体刚度能克服环境 扰动带来的姿态不稳定性。
(2)机动能力强。空间并联关节输出动作时两台变刚度直线驱动器同时发挥驱动 作用，又由于螺旋传动能将较小转矩转化成较大推力，使得蛇形机器人关节具有强大的偏 转力矩以及较高的承载能力，能够抬起多个运动单元、跨越较高障碍；蛇形机器人运动过程 中可以迅速在不同运动模式之间切换；蛇形机器人通过平行主动轮驱动前进时，变刚度直 线驱动器和隔振圈发挥阻尼减振作用，有效降低振动给机器人本体以及运动控制带来的不 利影响，提高越野机动速度。
(3)结构鲁棒性强。变刚度直线驱动器采用螺旋副将电机输出的旋转运动直接转 化为直线运动，具有结构简单、输出力矩大、承载力大的特点以及自锁功能，使得运动单元 内有较大预留空间可布置控制电路、电池组、平行主动轮驱动机构；当蛇形机器人需要维持 姿态不变时无需对直线驱动器电机通电；蛇形机器人受外力冲击时分摊到每个关节的冲击 力被两台变刚度直线驱动器分散吸收，不易造成机械结构破坏，提高了机器人结构的鲁棒性。
图1是本发明的机构总体示意图2是本发明的运动单元机构示意图3是本发明的运动单元俯视图4是本发明的运动单元内部结构示意图5是本发明的运动单元轮辋驱动机构示意图6是图3的A-A剖视图7是本发明变刚度直线驱动器与中心脊柱位置关系俯视图8是图7的B-B剖视图9是本发明的实例不意图。
其中，I为固定U支链，2为正向连接点，3为负向连接点，4为正向球铰，5为负向球铰，6为正向变刚度直线驱动器，7为负向变刚度直线驱动器，8为正向万向铰，9为负向万 向铰，10为中心万向铰,11为底座端盖,12为关节端盖,13为平行主动轮,14为运动单元, 18为容器式轮辋，19为螺旋形轮胎，20为轮辋加固圈，21为底座端盖定位环，22为关节端盖 定位环，23为底座端盖隔振圈，24为底座端盖定位圈，25为关节端盖隔振圈，26为关节端盖 定位圈，27为主动轮电机，28为内齿轮，29为外齿轮，30为电机支架，31为底座端盖轴承， 32为关节端盖轴承，33为实例底座端盖，34为实例关节端盖，35为中心脊柱，36为关节连接 板，37为控制电路板,38为电池模块,39为电路板固定架,40为底座端盖定位螺栓,41为电 池组定位板，42为电池组固定套，43为正向连接螺栓，44为负向连接螺栓，45为中心万向节联轴器，46为关节端盖定位板，48为实例正向变刚度直线驱动器，49为实例负向变刚度直线驱动器，50为正向关节轴承，51为负向关节轴承，52为正万向节联轴器，53为负万向节联轴器，54为电机，55为橡胶密封圈，56为上磁流变腔，57为传动杆，58为复位弹簧，59为铁芯，60为下端盖，61为滑动底座，62为联轴器，63为驱动器底座，64为定位螺栓，65为线圈， 66为磁轭，67为螺杆，68为螺母，69为光轴，70为滑动轴承，72为线圈密封管，73为永磁密封环，74为永磁环，75为导磁环，76为螺母定位管，77为下磁流变腔，78为关节护套，79为头部保护罩，80为尾部保护罩。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
请参阅图1所示，本发明提供的变刚度并联关节蛇形机器人机构由多个相同的运动单元14串联构成；相邻运动单元14之间通过两自由度空间并联机构连接；从蛇形机器人首部到尾部对每个运动单元进行编号，分别编号为XI1、X1、X、IX、VII1、VI1、V1、V、IV、 II1、I1、I ;图示运动状态为U型轮式运动，XI1、X1、X、IX和1、I1、II1、IV运动单元与地面相接处，这些运动单元的变刚度直线驱动器输出较小刚度，体现出阻尼减振功能；v、V1、 VI1、VIII运动单元抬离地面。
参见图2，运动单元机构示意图。其中运动单元由固定U支链1、正向变刚度直线驱动器6、负向变刚度直线驱动器7和平行主动轮13四大部分组成；固定U支链I位于运动单元中轴线上；正向连接点2和负向连接点3固定在固定U支链I上；正向变刚度直线驱动器6和负向变刚度直线驱动器7分别通过正向球铰4和负向球铰5与固定U支链I相连接；正向万向铰8、负向万向铰9和中心万向铰10分别与正向变刚度直线驱动器6、负向变刚度直线驱动器7和固定U支链一端相连；以正向球铰4和负向球铰5连线与固定U支链 I交点O作为原点建立固定坐标系0-ΧΥΖ，Y轴沿固定U支链I轴线方向，以中心万向铰10 中心点为原点建立动坐标系P-X1Y1Z1,，Y1轴沿固定U支链I轴线方向；正向连接点2、负向连接点3和固定U支链I位于固定坐标系O-XYZ —侧的端点构成等腰三角形；正向万向铰8、负向万向铰9和中心万向铰10所在位置连线构成等腰三角形；底座端盖11和关节端盖 12通过隔振装置与固定U支链I相连；平行主动轮13通过·轴承与底座端盖11和关节端盖 12相连；平行主动轮13在运动单元内部驱动装置带动下可绕固定U支链I轴线方向连续回转。
前述正向变刚度直线驱动器6和负向变刚度直线驱动器7结构相同，采用螺旋传动方式将旋转运动转变为直线运动，利用磁流变液或电流变液在受控磁场或电场作用下粘度改变的特点提供变刚度输出特性，流变腔内有两个弹簧用于提供恢复力，整个变刚度直线驱动器在低刚度输出的情况下具有阻尼减振功能。
按本发明的一个实例，前述固定U支链I由中心脊柱35以及与之固连的关节连接板36、正向连接螺栓43、负向连接螺栓44和中心万向节联轴器45构成；控制电路板37通过电路板固定架39固定在中心脊柱35上；电池模块38通过电池组定位板41和电池组固定套42固定在中心脊柱35上。
按本发明的一个实例，前述平行主动轮13由容器式轮辋18、螺旋形轮胎19、轮辋加固圈20、内齿轮28组成，螺旋形轮胎19由若干长条形柔性材料制造，斜向粘结于容器式轮辋18表面，从运动单元端面看这些螺旋形轮胎19的外侧边缘构成完整的圆形轮廓；容器 式轮辋18与内齿轮28和轮辋加固圈20固连，轮辋加固圈20与关节端盖轴承32外圈固连， 容器式轮辋18与底座端盖轴承31外圈固连；前述底座端盖11由实例底座端盖33、底座端 盖轴承31、底座端盖隔振圈23、底座端盖定位圈24和底座端盖定位环21组成，其中底座端 盖轴承31内圈固定在实例底座端盖33上，底座端盖定位环21固定在实例底座端盖33上， 底座端盖隔振圈23和底座端盖定位圈24分别固定在实例底座端盖33和底座端盖定位环21上；前述关节端盖12由实例关节端盖34、关节端盖轴承32、关节端盖定位圈26、关节端 盖隔振圈25、关节端盖定位环22、主动轮电机27、电机支架30和外齿轮29构成，其中外齿 轮29与主动轮电机27输出轴固连，主动轮电机27通过电机支架30与实例关节端盖34固 连，关节端盖轴承32内圈与实例关节端盖34固连，关节端盖定位环22与实例关节端盖34 固连，关节端盖定位圈26与关节端盖定位环22固连，关节端盖隔振圈25与实例关节端盖 34固连；平行主动轮13在主动轮电机27带动的外齿轮29和内齿轮28驱动下可绕中心脊 柱35连续回转。
按本发明的一个实例，前述底座端盖隔振圈23、底座端盖定位圈24分别与中心脊 柱35和底座端盖定位螺栓40固连；关节端盖隔振圈25、关节端盖定位圈26分别与中心脊 柱35和关节端盖定位板46固连；其中关节端盖定位板46与中心脊柱35固连，底座端盖定 位螺栓40与关节连接板36固连。
按本发明的一个实例，前述正向变刚度直线驱动器6和负向变刚度直线驱动器7 分别对应实例正向变刚度直线驱动器48和实例负向变刚度直线驱动器49 ;实例正向变刚 度直线驱动器48和实例负向变刚度直线驱动器49结构相同，由结构框架、传动机构和变刚 度驱动器三部分组成；其中结构框架由驱动器底座63和光轴69固连构成；电机54与驱动 器底座63固连，螺杆67通过联轴器62与电机54输出轴固连，螺母68通过螺旋副与螺杆67连接；滑动底座61上固定有两个滑动轴承70，可沿着光轴69滑动；铁芯59与滑动底座 61固连，螺母定位管76与铁芯59固连，螺母68与铁芯59固连，线圈65与铁芯59固连，线 圈密封管72与线圈65和铁芯59固连；下端盖60上固定有一组密封装置，该装置由导磁环 75、永磁环74、永磁密封环73和橡胶密封圈55组成；磁轭66两端分别固连有下端盖60和 传动杆57,传动杆57内侧固定有另一组密封装置；由传动杆57、铁芯59和磁轭66围成的 空间为上磁流变腔56 ;由下端盖60、铁芯59和磁轭66围成的空间为下磁流变腔77 ;磁轭 66、下端盖60、传动杆57以及两组密封装置构成动子，动子可沿着铁芯59中心轴做直线运 动；在上磁流变腔56和下磁流变腔77中分别有一个复位弹簧58，复位弹簧58两端分别与 导磁环75和铁芯59相接触。
按本发明的一个实例，若干个运动单元14通过空间并联关节串联组成蛇形机器 人，相邻运动单元14连接处的外部覆盖有柔性膜材料制作的关节护套78，关节护套78分别 固定在相邻运动单元14的实例底座端盖33和实例关节端盖34上，蛇形机器人首部运动单 元14的实例关节端盖34上固定有头部保护罩79，蛇形机器人尾部运动单元14的实例底座 端盖33上固定有尾部保护罩80。
参见图3，本发明运动单元俯视图。柔性材质的螺旋形轮胎19固定在刚性材质的 容器式轮辋18表面，容器式轮辋18与轮辋加固圈20固连构成可绕运动单元轴向连续旋转 的主动轮，起到辅助运动作用，同时该主动轮覆盖运动单元大部分表面，起到保护内部机构的作用；金属材质的正向连接螺栓43、负向连接螺栓44分别对应机构示意图中正向连接点 2和负向连接点3 ;负向连接螺栓44、正向连接螺栓43固定在关节连接板36上，关节连接 板36固定在金属材质的中心脊柱35上，关节连接板36上用于固定负向连接螺栓44、正向 连接螺栓43和中心脊柱35的三个圆孔中心点连线构成等腰直角三角形；中心万向节联轴 器45固定在中心脊柱35 —端,对应机构示意图中固定U支链I。
参见图4，运动单元内部结构示意图。实例关节端盖34通过柔性材质的关节端盖 隔振圈25与中心脊柱35连接；关节端盖轴承32内圈与实例关节端盖34固连，关节端盖轴 承32外圈与轮辋加固圈20和内齿轮28固连；底座端盖轴承31内圈与实例底座端盖33固 连。
关节端盖轴承32和底座端盖轴承31是超薄密封深沟球轴承，型号为61820ZZ。
参见图5，运动单元轮辋驱动机构示意图。主动轮电机27通过电机支架30固定在 实例关节端盖34上，外齿轮29固定在主动轮电机27输出轴上，外齿轮29与内齿轮28啮 合；外齿轮29旋转带动内齿轮28旋转，进而带动与内齿轮28相固连的容器式轮辋18、轮 辋加固圈20以及关节端盖轴承32的外圈旋转；电路板固定架39与关节端盖定位板46分 别固定在中心脊柱35上；相邻运动单元连接时，后一个运动单元的正万向节联轴器52、负 万向节联轴器53和中心万向节联轴器45分别与前一个运动单元的正向连接螺栓43、负向 连接螺栓44和中心脊柱35相固连。
本发明的实例中运动单元空间并联关节绕X1轴(俯仰轴)偏转角度范围为 ±55°，绕Zji (偏航轴)偏转角度范围为±60°。主动轮电机27的型号为42BYGH48134A， 静力矩52N. cm ;内齿轮28是模数为I齿数104的内齿轮；外齿轮29是模数为I齿数30的 外齿轮。
参见图6，图3的A-A剖视图。在实例关节端盖34和实例底座端盖33上分别固连 有关节端盖定位环22和底座端盖定位环21,柔性材质的关节端盖定位圈26和底座端盖定 位圈24分别固定在关节端盖定位环22和底座端盖定位环21上；关节端盖定位圈26和底 座端盖定位圈24的中心圆孔通过螺丝分别与关节连接板36和关节端盖定位板46相连；电 池模块38通过电池组固定套42和电池组定位板41固定在中心脊柱35上；底座端盖隔振 圈23、底座端盖定位圈24、关节端盖隔振圈25和关节端盖定位圈26位于平行主动轮机构 与固定U支链I之间，柔性材质使其能吸收一部分振动能量；容器式轮辋18绕轴向旋转并 与地面产生驱动摩擦力时，会对主动轮电机27、实例关节端盖34等机构产生反向力矩，底 座端盖定位圈24和关节端盖定位圈26具有阻止主动轮电机27、实例关节端盖34等机构反 向旋转的作用。
参见图7，变刚度直线驱动器与中心脊柱位置关系俯视图，负万向节联轴器53与 实例负向变刚度直线驱动器49的传动杆固连；实例负向变刚度直线驱动器49通过负向关 节轴承51与中心脊柱35连接；正万向节联轴器52与实例正向变刚度直线驱动器48的传 动杆固连；实例正向变刚度直线驱动器48通过正向关节轴承50与中心脊柱35连接。
负向关节轴承51和正向关节轴承50为内螺纹杆端关节轴承，型号为SI6C ;正万 向节联轴器52、负万向节联轴器53和中心万向节联轴器45的型号均为HL-D123066型。
参见图8，图7的B-B剖视图。主要由结构框架、传动机构和变刚度驱动器三部分 组成。其中结构框架由驱动器底座63和光轴69固连而成；传动机构由电机54、联轴器62、螺杆67、螺母68组成，其中电机54与驱动器底座63固连，螺杆67通过联轴器62与电机 54输出轴固连，螺母68通过螺旋副与螺杆67连接，螺杆67在电机54带动下旋转时，螺母68会沿着旋转轴做直线运动；滑动底座61上固定有两个滑动轴承70，可沿着光轴69滑动； 铁磁材料制成的铁芯59与滑动底座61固连，螺母定位管76与铁芯59固连，螺母68与铁 芯59固连，线圈65与铁芯59固连，高分子材料制成的线圈密封管72与线圈65和铁芯59 固连；招合金材质的下端盖60上固定有铁磁材料制成的导磁环75、永磁环74和橡胶密封 圈55,永磁环74内径一侧固定有高分子材料制成的永磁密封环73 ;铁磁材料制成的磁轭 66两端分别固连有下端盖60和传动杆57,招合金材质的传动杆57内侧固定有另一组导磁 环75、永磁环74、永磁密封环73和橡胶密封圈55，其功能是对磁流变腔进行密封；由传动 杆57、铁芯59和磁轭66围成的空间为上磁流变腔56 ；由下端盖60、铁芯59和磁轭66围 成的空间为下磁流变腔77 ;磁轭66、下端盖60、传动杆57以及两组导磁环75、永磁环74、 永磁密封环73和橡胶密封圈55构成动子，动子可沿着铁芯59中心轴做直线运动；在上磁 流变腔56和下磁流变腔77中分别有一个复位弹簧58，复位弹簧58两端分别与导磁环75 和铁芯59相接触。
电机54为36BYGHM19044A型两相混合步进电机；螺母68的螺距为O. 8mm,公称直 径为5mm ;螺杆67螺距为O. 8mm,公称直径为5mm ;滑动轴承70为无油自润滑轴承,型号为 SF1-0305。
变刚度直线驱动器没有受到外力作用时位于初始位置，此时上磁流变腔56和下 磁流变腔77容积相同，位于上磁流变腔56和下磁流变腔77内的复位弹簧58都处于松弛 状态；需要变刚度直线驱动器输出阻尼减振特性时无需对线圈65通电，线圈密封管72与磁 轭66之间的磁流变液呈现牛顿流体状态，上磁流变腔56和下磁流变腔77内的磁流变液可 以相互流通，当外力作用使磁流变液高速流过缝隙时会消耗一部分能量，由此减小振动冲 击对蛇形机器人关节机构的影响；分布于两个磁流变腔内的复位弹簧58参数相同，动子偏 离初始位置向两侧运动时获得的恢复力大小相同；当需要变刚度直线驱动器保持刚度时， 线圈65通电,铁芯59和磁轭66构成磁路,位于铁芯59和磁轭66之间缝隙内的磁流变液 在外界磁场作用下转变为粘塑体，具有一定的抗剪切应力，阻碍两个磁流变腔内磁流变液 相互流动，使传动杆57输出一定的刚度特性。
按照以上方案实施就能达到本发明的目的。
以上仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而 理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱 离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，或将本发明的一部分内容用于其他 产品上，这些都属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种变刚度并联关节蛇形机器人机构，由多个运动单元(14)串联构成；其特征在于所述运动单元(14)带有固定U支链(I)、正向变刚度直线驱动器(6)、负向变刚度直线驱动器(7)和平行主动轮(13)四个功能模块；正向变刚度直线驱动器(6)、负向变刚度直线驱动器(7 )分别通过铰链机构与固定U支链(I)相连接，正向连接点(2 )和负向连接点(3 ) 固定在固定U支链(I)上，正向连接点(2)、负向连接点(3)与固定U支链(I)靠近正向连接点(2)和负向连接点(3)的端点连线构成等腰直角三角形；正向变刚度直线驱动器(6)、负向变刚度直线驱动器(7)以及固定U支链(I)远离正向连接点(2)和负向连接点(3)的端点分别固定有正向万向铰(8)、负向万向铰(9)和中心万向铰(10);相邻运动单元连接时， 一个运动单元的正向万向铰(8)、负向万向铰(9)和中心万向铰(10)分别与另一个运动单元的正向连接点(2)、负向连接点(3)和固定U支链(I)相连接；所述平行主动轮(13)包括容器式轮辋(18)、螺旋形轮胎(19)、内齿轮(28)、轮辋加固圈(20);通过底座端盖轴承(31)和关节端盖轴承(32)分别与底座端盖(33)和关节端盖 (34 )相连接，主动轮电机(27 )通过电机支架(30 )与关节端盖(34 )相固连，通过外齿轮(29 ) 带动平行主动轮(13)绕固定U支链(I)轴向连续旋转；所述螺旋形轮胎(19)的形状为完整的圆形；由多个长条形柔性材料螺旋状固定于容器式轮辋(18)表面制成；所述固定U支链(I)由关节连接板(36 )、电路板固定架(39 )、底座端盖定位螺栓(40 )、 电池组定位板(41)、电池组固定套(42)、中心万向节联轴器(45)、关节端盖定位板(46)固连到中心脊柱(35)构成；所述底座端盖(33)和关节端盖(34)分别通过底座端盖隔振圈(23)和关节端盖隔振圈(25)与中心脊柱(35)相连,并通过底座端盖定位圈(24)和关节端盖定位圈(26)与底座端盖定位螺栓(40)和关节端盖定位板(46)相连。
2.根据权利要求1所述的变刚度并联关节蛇形机器人机构，其特征在于所述的正向变刚度直线驱动器(6)和负向变刚度直线驱动器(7)结构相同，采用直线往复运动机构将电机(54)的旋转运动变为直线运动。
3.根据权利要求1所述的变刚度并联关节蛇形机器人机构，其特征在于所述的正向变刚度直线驱动器(6)和负向变刚度直线驱动器(7)由结构框架、直线往复运动机构和变刚度驱动器三部分组成。
4.根据权利要求3所述的变刚度并联关节蛇形机器人机构，其特征在于所述的结构框架由驱动器底座(63)和光轴(69)固连构成。
5.根据权利要求3所述的变刚度并联关节蛇形机器人机构，其特征在于所述的直线往复运动机构包含电机(54)、联轴器(62)、螺杆(67)和螺母(68);电机(54)与驱动器底座 (63)固连，螺杆(67)通过联轴器(62)与电机(54)输出轴固连，螺母(68)与螺杆(67)连接。
6.根据权利要求3所述的变刚度并联关节蛇形机器人机构，其特征在于所述的变刚度驱动器的滑动底座(61)上固定有两个滑动轴承(70)，沿着光轴(69)滑动；铁芯(59)与滑动底座(61)固连，螺母定位管(76)与铁芯(59)固连，螺母(68)与铁芯(59)固连，线圈(65)与铁芯(59)固连，线圈密封管(72)与线圈(65)和铁芯(59)固连；下端盖(60)上固定有一组密封装置。
7.根据权利要求6所述的变刚度并联关节蛇形机器人机构，其特征在于所述的密封装置由导磁环(75)、永磁环(74)、永磁密封环(73)和橡胶密封圈(55)组成，与铁芯(59)为密封、滑动接触；磁轭(66)两端分别固连有下端盖(60)和传动杆(57),磁轭(66)与铁芯(59)、线圈密封管(72)之间存在间隙；传动杆(57)内侧固定有另一组密封装置。
8.根据权利要求7所述的变刚度并联关节蛇形机器人机构，其特征在于所述的另一组密封装置与传动杆(57 )、铁芯(59 )和磁轭(66 )围成的空间为上磁流变腔(56 );由下端盖(60)、铁芯(59)、磁轭(66)以及密封装置围成的空间为下磁流变腔(77)，上磁流变腔(56) 和下磁流变腔(77)内充满磁流变液；磁轭(66)、下端盖(60)、传动杆(57)以及两组密封装置构成动子，动子可沿着铁芯(59)中心轴做直线运动；在上磁流变腔(56)和下磁流变腔 (77)中分别有一个复位弹簧(58)，复位弹簧(58)两端分别与导磁环(75)和铁芯(59)相接触。
9.根据权利要求8所述的变刚度并联关节蛇形机器人机构，其特征在于所述的铁芯 (59)内侧结构为管状，直线往复运动机构位于铁芯(59)内侧。
10.根据权利要求8所述的变刚度并联关节蛇形机器人机构，其特征在于所述的传动杆(57)实心圆柱部分与圆管部分的交界处附近有贯通的导气孔，使直线往复运动机构、铁芯(59)和传动杆(57)所围成的腔室与外界大气相通。
全文摘要
本发明涉及一种变刚度并联关节蛇形机器人机构，属于机器人领域。机器人由若干运动单元串联构成，每个运动单元含有两自由度空间并联关节，关节由一条固定U支链、两条SPDU主动支链构成，主动支链含有变刚度直线驱动器；旋转轴与固定U支链平行的主动轮构成运动单元轮廓，通过能抵消反向力矩的隔振装置与固定U支链连接。优点在于主动支链刚度、阻尼受控可变，使蛇形机器人既可以通过增加关节柔性提高地形适应能力，又可以通过增加关节刚度提高姿态精确性与稳定性，从而增加本发明的适用性；机器人运动过程中产生的振动被隔振装置以及主动支链吸收，提高蛇形机器人关节对冲击力矩的耐受性，从而提高机器人运动速度及效率。
文档编号B25J9/06GK103056876SQ201310016188
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月16日 优先权日2013年1月16日
发明者曹政才, 刘天龙, 高金吉, 陈艳萍 申请人:北京化工大学