。
[0018] 图4是本发明蛇形机器人各关节运动模式的示意图。
[0019] 图 5 是 Serpenoid 曲线图。
【具体实施方式】
[0020] 结合上述【附图说明】本发明的具体实施例。
[0021] 由图3和图4中可知，本发明蛇形机器人包括若干个球形关节100以及用于连接 相邻两个球形关节100的连接件200,还包括敷设在所述球形关节100外面的外壳。所述 连接件200包括第一连接板210以及一端带叉形连接头的第二连接板220,所述第一连接 板210的一端与第二连接板220的叉形连接头铰接，第一连接板210的另一端以及第二连 接板220的另一端分别连接相邻的两个球形关节100,该蛇形机器人优选由10个球形关节 100串联而成。本发明机器人关节完全模块化，安装时不用考虑考虑安装正反面问题，使得 安装时方便，蛇形机器人单关节2个自由度，总体结构20个自由度。
[0022] 由图1和图2中可知，本发明中的球形关节100包括环形的外框10,两端铰接在该 外框上、半圆形的第一运动摆件20和第二运动摆件30,第一运动摆件20的铰轴中心线与第 二运动摆件30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20和第二运动摆件30摆动的驱动机构40。本发明通过控 制两个轴线垂直的运动摆件，来实现多自由度的控制。
[0023] 由图1和图2中可知，本发明中的重点为一驱动机构40,其包括固定在外框10内 的舵机41、第一传动系统42和第二传动系统43,该第一舵机41通过第一传动系统42和第 二传动系统43控制所述第一运动摆件20或第二运动摆件30摆动。所述第一传动系统42 为齿轮传动系统，包括固设于舵机41输出端的主动齿轮421、驱动第二传动系统43的被动 齿轮422以及两者之间设置的中介齿轮423。所述第二传动系统43为蜗轮蜗杆传动系统， 包括连接所述被动齿轮422的蜗杆431以及固设于第一运动摆件20或第二运动摆件30铰 轴上的蜗轮432。
[0024] 本发明双自由度球形关节中外框为圆形外框结构，外框部件的主要作用是为内部 零部件的安装、定位等提供准确的位置信息。外框的设计我们设计为两面对称结构，外框的 最大外径为138_，框架总厚度为8_，框架上设计打有一定的螺纹孔和通孔，为后面的零 件的准确定位提供基础。内部框架设计有两个支撑框架11和12,支撑框架11的主要作用 是为驱动部件舵机41提供安装定位孔、支撑以及相邻关节的第一运动摆件20或第二运动 摆件30提供定位轴的安装孔。支撑框架12的主要作用一是为舵机41的另一侧安装提供 安装定位孔；二是为中介齿轮423、蜗杆431以及蜗轮432的安装轴提供定位孔。第一运动 摆件20或第二运动摆件30通过紧定螺钉进行连接后的总体通过M3螺栓与外框进行连接， 构成机器人关节的总体支撑部件。蛇形机器人双自由度球形关节的舵机41采用Power HD 1501MG金属齿轮舵机，与支撑框架11和12的定位孔通过螺栓进行连接。伺服舵机输出力 矩依次通过主动齿轮421、中介齿轮423和被动齿轮422的啮合传递，主动齿轮421通过螺 栓与舵机末端安装舵盘进行连接，通过中介齿轮423进行驱动的变向与传递将动力传递至 被动齿轮422,被动齿轮422内部设计为D形孔与蜗杆431的D形末端轴进行配合连接。主 动齿轮421、中介齿轮423和被动齿轮422模数设计为0. 8,标准压力角20°，主动齿轮421 为31齿，中介齿轮423为18齿、被动齿轮422为20齿。舵机41通过主动齿轮421、中介齿 轮423和被动齿轮422将动力传递至蜗杆431，蜗杆431通过支撑部件与外框进行连接，实 现准确定位。蜗杆431与蜗轮432通过啮合传动，蜗轮432设计采用端面模数为2,标准压 力角20°，蜗轮432整周齿数为38齿。考虑到双自由度球形关节的总传动比，以及蜗杆431 及蜗轮432运动过程中只有部分齿参与啮合，对蜗轮432采用线切割进行切割为扇形齿轮。 蜗轮432通过内孔与轴进行配合，轴一端与安装在支撑框架11中的单列滚动轴承685zz进 行配合固定，另一端与安装在外框中的法兰轴承mfl05zz进行配合。连接件、蜗轮432和轴 通过螺栓进行连接。蜗轮432通过连接件与第一运动摆件20通过M2紧定螺钉进行连接。 舵机41通过主动齿轮421、中介齿轮423和被动齿轮422及蜗杆431、蜗轮432将动力最 终传递到双自由度球形关节的第一运动摆件20,实现机器人双自由度球形关节的一个自由 度的输出。另一侧以同样机构和原理将动力传递到双自由度球形关节的第二运动摆件30， 实现双自由度球形关节的第二个自由度的输出，蛇形机器人相邻关节通过第一运动摆件20 与第二运动摆件30实现连接。
[0025] 本发明这种蛇形机器人的运动控制方法是采用该蛇形机器人以Serpenoid曲线 蠕动前行，通过控制蛇形机器人相邻关节间角度，实现控制机器人运动以及调整Serpenoid 曲线前行的加速度值来控制蛇形机器人的前行速度。
[0026] 具体计算分析的方式如下：
[0027] 蛇形Serpenoid曲线是通过曲率方程（1)定义
【主权项】
1. 一种模块化双自由度的球形关节，其特征在于：该球形关节（100)包括环形的外框 (10)，两端铰接在该外框上、半圆形的第一运动摆件（20)和第二运动摆件（30)，第一运动 摆件（20)的铰轴中心线与第二运动摆件（30)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（20)和第二运动摆件（30) 摆动的驱动机构（40)。
2. 根据权利要求1所述模块化双自由度的球形关节，其特征在于：所述驱动机构（40) 包括固定在外框（10)内的舵机（41 )、第一传动系统（42)和第二传动系统（43)，该第一舵机 (41)通过第一传动系统（42)和第二传动系统（43)控制所述第一运动摆件（20)或第二运 动摆件（30)摆动。
3. 根据权利要求1所述模块化双自由度的球形关节，其特征在于：所述第一传动系统 (42 )为齿轮传动系统，包括固设于舵机（41)输出端的主动齿轮（421 )、驱动第二传动系统 (43)的被动齿轮（422)以及两者之间设置的中介齿轮（423)。
4. 根据权利要求1所述模块化双自由度的球形关节，其特征在于：所述第二传动系统 (43)为蜗轮蜗杆传动系统，包括连接所述被动齿轮（422)的蜗杆（431)以及固设于第一运 动摆件（20)或第二运动摆件（30)铰轴上的蜗轮（432)。
5. 根据权利要求1所述模块化双自由度的球形关节，其特征在于：所述第一传动系 统（42)中主动齿轮（421)、被动齿轮（422)以及中介齿轮（423)的模数为0.8,齿数比为 31:18:20。
6. 根据权利要求1所述模块化双自由度的球形关节，其特征在于：所述第二传动系统 (43)中蜗轮（432)的端面模数为2,整周齿数为38。
7. -种采用权利要求1至6中任一项所述模块化双自由度的球形关节制成的蛇形机器 人，其特征在于：该蛇形机器人包括若干个球形关节（100)以及用于连接相邻两个球形关 节（100)的连接件（200)，还包括敷设在所述球形关节（100)外面的外壳。
8. 根据权利要求7所述的蛇形机器人，其特征在于：所述连接件（200)包括第一连接板 (210)以及一端带叉形连接头的第二连接板（220)，所述第一连接板（210)的一端与第二连 接板（220)的叉形连接头铰接，第一连接板（210)的另一端以及第二连接板（220)的另一端 分别连接相邻的两个球形关节（100 )。
9. 根据权利要求7或8所述的蛇形机器人，其特征在于：该蛇形机器人由10个球形关 节（100)串联而成。
10. -种如权利要求7至9中任一项所述蛇形机器人的运动控制方法，其特征在于：该 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。
【专利摘要】一种蛇形机器人包括若干个球形关节（100）以及用于连接相邻两个球形关节（100）的连接件（200），该球形关节（100）包括外框（10）、第一运动摆件（20）和第二运动摆件（30），第一运动摆件（20）的铰轴中心线与第二运动摆件（30）的铰轴中心线位于同一平面并相互垂直，本发明采用圆形结构，结构紧凑；蛇形机器人一级采用齿轮传动，末级采用蜗轮蜗杆传动进行关节力矩输出，实现机器人总体输出力矩提高数倍，提高关节驱动能力；蛇形机器人总体自由度数为20个，冗余性极高，运动能力强。
【IPC分类】B25J13-00, B25J17-02
【公开号】CN104742151
【申请号】CN201510161800
【发明人】徐文福, 王洪涛, 刘天亮, 田贺明
【申请人】哈尔滨工业大学深圳研究生院
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年4月7日