模块化双自由度球形关节及蛇形机器人及运动控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机器人技术，特别涉及蛇形机器人关节结构设计及控制。
【背景技术】
[0002] 随着现代科学技术的发展，机器人技术作为一种由机械、电气、控制等学科交叉而 成的高新技术也得到了全速发展，仿生类机器人作为机器人技术工程应用领域的重要分支 也备受关注，目前已有很多仿生类机器人应用到各领域，如军事上应用运物资的仿生四足 机器人BigDog、仿生人形机器人等。
[0003] 蛇形机器人作为一种新兴仿生类机器人越来越受到重视，蛇形机器人的设计基于 模块化关节设计思想，机器人总体体积较小，各关节串联组成多自由度冗余本体结构，运动 过程中机器人大部分机体与地面接触，机器人重心极低，运动稳定性高，而且运动形式多， 这使得蛇形机器人的应用领域极广：（1)管道检测，传统机器人由于体积较大，无法执行直 径较小的管道检测任务，而蛇形机器人结构直径小，可以容易在管道空间内运动以执行任 务；（2)地震废墟救援，废墟环境复杂，空间狭小，障碍物多，传统机器人难以进入，蛇形机 器人横向直径小、运动形式多，完全可以在此类环境下执行任务（3)星球表面探测，星球表 面地形复杂，多崎岖、柔软路面，传统轮机器人运动受限，蛇形机器人运用本体冗余特性、机 体体积小，可以很容易适应此类路面环境。
[0004] 目前有关开展仿生蛇形机器人的研宄方案中，模块化关节总体采用三种方案，目 前蛇形机器人的关节采用三种方案，方案一为机器人单关节单自由度，相邻关节轴线平行 布置，机器人具有二维空间运动能力，难以适应复杂的三维空间环境，相邻关节轴线垂直布 置，机器人具有空间三维运动能力，但由于机器人长度限制运动能力不强。方案二为机器人 单关节具有两个自由度，但目前设计的关节是驱动直接接到输出，驱动能力不强。而且关节 的轴线相互错开，使得关节轴向长度较大，机体不紧凑。方案三为单关节具有三个自由度， 关节驱动采用三驱动输入或耦合驱动，关节结构过于复杂，而且关节重量增幅较大，会导致 驱动能力不足。
[0005] 比较典型的蛇形机器人有美国卡内基-梅隆大学（Carnegie Mellon University一CMU)生物机器人技术实验室（Biorobotics Lab)的Howie Choset研制的蛇 形机器人
[0006] 。该机器人具有16关节组成其中包括尾部、头部关节，根据任务的需要可以增 减关节的数量，单关节具有1个自由度，相邻关节的轴线相差90°，每个关节允许180° 的转动。关节主要由外壳（Housing)、电机齿轮箱、报闸装置、关节内部连接器件等零部件 组成。外壳结构总体为圆形结构，材料采用铝合金，主要由3部分组成，下部外壳主要用 于安装所有内部构件。该蛇形机器人单关节具有一个自由度，为实现三维空间运动，需较 多关节串联，通体长度较长（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 教授团队研制出的最新 一代ACM-R7 (Active Cord Mechanism)蛇形机器人，ACM-R7共有18个关节组成，每个关节 具有一个自由度，机器人的总体外围尺寸为1589X 140X 74mm，总体长度为1.6m，总重量为 11. 8kg。关节结构采用对称结构设计，每侧有两个连杆结构连杆A和连杆B，两个连杆A分 别有两个电机进行独立驱动。连杆A通过球关节与连杆B连接进行力矩的输出。当两个连 杆A以相同方向运动时，机器人关节实现俯仰（pitch)运动。当两个连杆A以不同方向运 动时，机器人关节实现偏航（yaw)运动。
[0007] 当两个连杆A以相同方向运动时，机器人关节实现俯仰（pitch)运动。当两个 连杆A以不同方向运动时，机器人关节实现偏航（yaw)运动。该机器人采用耦合驱动 方式，单关节两个自由度，通过连杆进行传递动力，结构较复杂。（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.)沈阳自动化研宄所研制出的巡视者二代仿生蛇形机 器人，该机器人单关节具有3个自由度（Pitch，Yaw and Roll)关节内部设计有3个 锥齿轮，关节采用采用三个FutabaS3305伺服电机进行驱动，电机与锥齿轮之间采 用齿轮进行传动，齿轮减速比2:1，关节内部集成锂电池进行单关节能量提供。该 机器人单关节具有三个自由度，但结构过于复杂，而且重量增加较多。（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] 专利申请方面，申请号为02144565. 6提出一种模块化可变结构的蛇形机器人，该 机器人的关节设计采用一个自由度，通过相邻关节呈90°连接，可实现机器人的三维空间 运动，若要求运动能力强，机器人需较多关节进行串联，总体结构会较长。专利申请号为 201410217818.9的专利公开了一种单关节两个自由度的蛇形机器人，该机器人的驱动伺服 舵机直接与输出轴进行连接，舵机的驱动能力有限蛇形机器人的关节驱动能力受到限制。
[0009] 现有的有关蛇形机器人的设计，关节驱动伺服舵机直接作为输出，这样由于驱动 伺服舵机驱动能力的限制，导致蛇形机器人的总体运动能力受限，而单关节三个自由度的 蛇形机器人，三维空间运动能力提高不大，而且结构增重较大。
【发明内容】
[0010] 本发明公开一种双自由度球形关节的蛇形机器人，关节内部采用齿轮传动、蜗轮 蜗杆传动，通过调节总传动比，实现机器人的关节力矩放大若干倍，有效的解决了关节驱动 能力不足的问题。
[0011] 本发明为解决上述技术问题而提供的这种蛇形机器人包括若干个球形关节以及 用于连接相邻两个球形关节的连接件，还包括敷设在所述球形关节外面的外壳。这种双自 由度的球形关节包括环形的外框，两端铰接在该外框上、半圆形的第一运动摆件和第二运 动摆件，第一运动摆件的铰轴中心线与第二运动摆件的铰轴中心线位于同一平面并相互垂 直，该球形关节还包括两组同样结构分别用于驱动所述第一运动摆件和第二运动摆件摆动 的驱动机构。
[0012] 所述驱动机构包括固定在外框内的舵机、第一传动系统和第二传动系统，该第一 舵机通过第一传动系统和第二传动系统控制所述第一运动摆件或第二运动摆件摆动。所述 第一传动系统为齿轮传动系统，包括固设于舵机输出端的主动齿轮、驱动第二传动系统的 被动齿轮以及两者之间设置的中介齿轮。所述第二传动系统为蜗轮蜗杆传动系统，包括连 接所述被动齿轮的蜗杆以及固设于第一运动摆件或第二运动摆件铰轴上的蜗轮。
[0013] 这种蛇形机器人以Serpenoid曲线懦动前行，通过调整Serpenoid曲线前行的加 速度值来控制蛇形机器人的前行速度。
[0014] 本发明蛇形机器人关节采用圆形结构，通过内部连接件固定所有安装部件，结构 紧凑；蛇形机器人中间传动采用两级传动装置，一级采用齿轮传动，末级采用蜗轮蜗杆传动 进行关节力矩输出，通过驱动部件和蜗杆之间的中间齿轮传动调节总传动比，实现机器人 总体输出力矩提高相应倍数，提高关节驱动能力；蛇形机器人单关节两个自由度，机器人本 体结构由10个关节串联而成，机器人总体自由度数为20个，冗余性极高，运动能力强；蛇形 机器人大部分部件采用轻质铝合金加工制作，有效减轻单关节质量；蛇形机器人运动规划 采用将蛇形Serpenoid曲线离散化的计算方法，离散杆件数量为蛇形机器人关节数量，计 算分析，最终得到蛇形机器人相邻关节间角度，用于控制机器人运动。
【附图说明】
[0015] 图1是本发明双自由度球形关节正面的立体示意图。
[0016] 图2是本发明双自由度球形关节背面的立体示意图。
[0017] 图3是本发明蛇形机器人的立体示意图