一种模块化可重构的蛇形机器人的制作方法

本发明涉及一种蛇形机器人，具体涉及一种模块化可重构的蛇形机器人，属于机器人技术领域。

背景技术：

相对于传统的工业机器人，蛇形机器人具有狭小空间的穿越能力、多障碍物等复杂环境中的越障能力、超冗余自由度的灵巧操作能力及危险环境下的可重构能力，因此最近成为了机器人研究领域的一个热点问题，受到越来越多的重视。蛇形机器人通常用于管道检测、灾难救援、宇航空间的行星表面探测等。

申请号为zl02144565.6的发明专利公开了一种模块化可变结构蛇形机器人，申请号为201110183015.2的发明专利公开了p-p结构蛇形机器人的爬行速度测量方法，申请号为201410217818.9的发明专利公开了一种多体节蛇形机器人的体节单元，上述三个发明均基于舵机驱动，它们的优点是结构紧凑、价格低廉，缺点是存在反向齿隙、无力矩感知、驱动力小；现有舵机驱动的蛇形机器人的控制周期在20毫秒左右。

申请号为201510161800.6的发明专利公开了模块化双自由度球形关节及蛇形机器人及运动控制方法，申请号为201510936582.9的发明专利申请公开了带有万向关节的蜗杆传动的主动多轮蛇形机器人，上述两个蛇形机器人采用蜗轮传动或齿轮传动等方式，虽然增大了驱动力矩，但是仍然存在结构不紧凑、存在反向齿隙等问题；文献《designandarchitectureoftheunifiedmodularsnakerobot》提出了采用直流有刷电机和齿轮传递减速的问题，该方法可以有效提高驱动力矩，但是直流有刷电机存在换向时存在机械接触导致噪声大、寿命低等缺点，齿轮减速器的体积大且存在反向间隙；公告号为cn103991089a的发明专利通过前连接臂与连接头本体接触位置设有用于前后滑动的滚珠轴承连接，该方式均不便于机器人的自重构；公告号为cn104972457a的发明专利通过直齿轮和锥齿轮等齿轮传动机构实现各关节间的俯仰运动，该方式体积大、结构不够紧凑。

综上，现有的蛇形机器人驱动力小、存在反向齿隙、控制周期长、控制精度差、结构不够紧凑。

技术实现要素：

本发明为解决现有的蛇形机器人存在反向齿隙、驱动力小、控制周期长、控制精度差、结构不够紧凑的问题，进而提供一种模块化可重构的蛇形机器人。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明的模块化可重构的蛇形机器人包括多个模块化关节首尾相连构成，相邻的两个模块化关节旋转90°布置，相邻的两个模块化关节通过圆柱销连接定位且正交设置，所述模块化关节包括关节输入件、关节输出件、中间轴节、电机组件和谐波减速器，所述中间轴节的两端分别设置有关节输入件和关节输出件，所述电机组件和谐波减速器并列设置在中间轴节的内部，电机组件的输出端与谐波减速器相连接，电机组件带动谐波减速器转动，谐波减速器带动关节输出件执行以中间轴节为轴心的摆动运动；关节输入件的电机驱动板14上分布弹簧触针，相邻模块化关节的电气连接通过电机驱动板14上的弹簧触针与关节输出件的关节控制板34接触实现。

进一步地，电机组件包括电机外壳1、电机定子2、电机转子3、电机轴4和电机端盖7，电机外壳1为圆柱形壳体，电机外壳1设置在中间轴节的内部，电机轴4设置在电机外壳1的内部且其与电机端盖7相连接，电机转子3套装在电机轴4上，电机定子2套装电机转子3外且其固定安装在电机外壳1的内壁上，电机外壳1和电机定子2之间设置有隔套37。

进一步地，电机组件还包括第一深沟球轴承5和垫片6，电机轴4通过第一深沟球轴承5安装在电机外壳1内，垫片6设置在电机端盖7与第一深沟球轴承5之间。

进一步地，关节输入件包括力矩传感器弹性体8、过载保护块9、关节输入端端盖10、关节输入端第一外壳11、电机驱动板14、关节输入端第二外壳16和两个圆柱销15，所述关节输入端第一外壳11和关节输入端第二外壳16可拆卸连接在关节输入端端盖10上且三者的内部形成有第一腔体，力矩传感器弹性体8、过载保护块9和电机驱动板14设置在第一内腔，过载保护块9设置在矩传感器弹性体8的内部，力矩传感器弹性体8的一端与电机外壳1相连接，力矩传感器弹性体8的另一端与关节输入端端盖10相连接，传感器弹性体8的两侧各设置有一个应变片40。

进一步地，关节输入件还包括关节输入端螺母12和关节输入端连接件13，关节输入端连接件13安装在关节输入端端盖10上，关节输入端螺母12与关节输入端连接件13螺纹连接。

进一步地，关节输入端端盖10为圆形盖体，关节输入端端盖10上设置有两个圆柱销15，两个圆柱销15均沿关节输入端端盖10的轴向方向设置，每个圆柱销15的底部固定连接在关节输入端端盖10上，每个圆柱销15的顶部穿过关节输入端连接件13，两个圆柱销15的中心轴线在关节输入端端盖10上的投影分别为a点和b点，a点和b点所在半径在关节输入端端盖10上形成的圆心角为α，圆心角α为90°。

进一步地，谐波减速器包括刚轮用固定壳17、刚轮18、波发生器19、柔轮20、柔轮用转接轴21和输出端端盖22，所述刚轮用固定壳17设置在电机外壳1的一侧且二者相连通，刚轮18和波发生器19均设置在刚轮用固定壳17内，波发生器19套装在电机轴4上，刚轮18套装在波发生器19外且二者间隙设置，刚轮18的外端面固定连接在刚轮用固定壳17上，所述柔轮20的一端设置在刚轮18和波发生器19之间的间隙内，柔轮20的另一端通过柔轮用转接轴21与输出端端盖22相连接，输出端端盖22与关节输出件相连接，输出端端盖22固定安装在关节端盖29的内壁上。

进一步地，关节输出端位置传感器包括磁环23和位置传感器电路板28，磁环23通过阶梯圆环与刚轮用固定壳17的轴向及径向固定，位置传感器电路板28固定在输出端端盖22上，磁环23和位置传感器电路板28之间留有间隙。

进一步地，关节输出件包括关节输出端壳体27、连接立柱30、关节输出端第一外壳31、关节输出端端盖32、关节输出端螺柱33、关节控制板34、柔性pcb线缆35和关节输出端第二外壳36，所述关节输出端第一外壳31和关节输出端第二外壳36可拆卸连接在关节输出端壳体27上且三者的内部形成有第二腔体，所述关节输出端螺柱33位于关节输出端端盖32的外端面上且其与关节输出端端盖32螺纹连接，连接立柱30设置竖直设置在关节输出端端盖32和输出端端盖22之间，关节控制板34和柔性pcb线缆35均设置在第二腔体内，柔性pcb线缆35的一端穿过中间轴节与电机驱动板14相连接，柔性pcb线缆35的另一端与关节控制板34相连接。

进一步地，中间轴节包括关节第一护线罩38和关节第二护线罩39，关节第一护线罩38和关节第二护线罩39均为圆弧形罩体，关节第一护线罩38和关节第二护线罩39水平并列设置，关节第一护线罩38和关节第二护线罩39的两端均和电机外壳1固连，关节第一护线罩38和关节第二护线罩39之间设置有线缆通过口，柔性pcb线缆35位于关节第一护线罩38、关节第二护线罩39、电机外壳1和关节输出端壳体27之间。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本发明的模块化可重构的蛇形机器人结构设计合理且紧凑，占用空间小，通过关节输入件、关节输出件、中间轴节、电机组件和谐波减速器之间相互配合具有输出力矩大、精度高、控制周期短、反向间隙小的优点，通过样机试验可知，本发明的控制周期能够缩短至2毫秒内；

二、本发明的模块化可重构的蛇形机器人采用可重构思想使得蛇形机器人能够在不同的工作环境下在相邻关节处进行分离，从而可重构为两个或多个蛇形机器人，同理，可以由两个或多个蛇形机器人可重构成一个蛇形机器人；

三、本发明的模块化可重构的蛇形机器人的相邻两个模块化关节首尾两端采用圆柱销以便于不同模块首尾间连接时的定位，两个圆柱销呈90°间隔分布保证不同模块首尾连接时的唯一固定位置，通过螺母方式实现不同模块首尾间连接时的锁紧功能；

四、本发明的模块化可重构的蛇形机器人的相邻两个模块化关节首尾两端采用弹簧-触针方式以便于不同模块首尾间的电气连接，提高了蛇形机器人重构时的不同关节模块间的电气连接便捷性；

五、本发明中通过力矩传感器弹性体和过载保护块形成具有过载保护的力矩传感器，使本发明具有力检测能力，用于测量蛇形机器人关节的输出力矩，增加了机器人的力矩感知功能，便于机器人的力控制，同时可以避免传感器因受到较大的作用力而损坏；本发明通过磁环和带有感应芯片的位置传感器电路板及两者形成的间隙构成关节位置输出端传感器，本发明基于磁环和感应芯片间的霍尔效应实现关节位置的检测，该传感器结构紧凑、精度高，增加了机器人的位置感知能力，便于机器人的位置控制；

六、本发明提出的蛇形机器人的相邻关节通过圆柱销定位、采用螺母方式锁紧、通过弹簧-触针方式实现电气连接，不仅提高了蛇形机器人的快速可重构能力，而且提高了蛇形机器人的可靠性。

附图说明

图1是本发明的模块化可重构的蛇形机器人的整体结构立体图；

图2是本发明的具体实施方式一中模块化关节的立体图；

图3是本发明的具体实施方式一中模块化关节的径向剖面示意图；

图4是本发明的具体实施方式一中模块化关节的轴向剖面示意图；

图5是具体实施方式四中两个圆柱销15设置在关节输入端端盖10上的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～5所示，本实施方式的模块化可重构的蛇形机器人包括多个模块化关节首尾相连构成，相邻的两个模块化关节旋转90°布置，相邻的两个模块化关节通过圆柱销连接定位且正交设置，所述模块化关节包括关节输入件、关节输出件、中间轴节、电机组件和谐波减速器，所述中间轴节的两端分别设置有关节输入件和关节输出件，所述电机组件和谐波减速器并列设置在中间轴节的内部，电机组件的输出端与谐波减速器相连接，电机组件带动谐波减速器转动，谐波减速器带动关节输出件执行以中间轴节为轴心的摆动运动；关节输入件的电机驱动板14上分布弹簧触针，相邻模块化关节的电气连接通过电机驱动板14上的弹簧触针与关节输出件的关节控制板34接触实现。

本发明的中间轴节为圆筒形轴节，本发明中的电机组件为直流无刷电机组件。

相邻两个模块化关节的尾部通过圆柱销15定位，一个模块化关节的头部和相邻两个模块化关节的尾部通过关节输出端螺柱33和关节输入端螺母12配合的方式锁紧，电机驱动板14上分布弹簧触针，相邻模块化关节的电气连接通过电机驱动板14上的弹簧触针与关节控制板34接触实现，能够在不同的工作环境下在相邻关节处进行分离，从而可重构为两个或多个蛇形机器人，同理，可以由两个或多个蛇形机器人可重构成一个蛇形机器人。

具体实施方式二：如图2、图3和图4所示，本实施方式电机组件包括电机外壳1、电机定子2、电机转子3、电机轴4和电机端盖7，电机外壳1为圆柱形壳体，电机外壳1设置在中间轴节的内部，电机轴4设置在电机外壳1的内部且其与电机端盖7相连接，电机转子3套装在电机轴4上，电机定子2套装电机转子3外且其固定安装在电机外壳1的内壁上，电机外壳1和电机定子2之间设置有隔套37。

本实施方式电机定子2通过胶粘接的方式固定连接在电机外壳1上，电机转子3也通过胶粘接的方式固定连接在电机轴4上，电机轴4和第一深沟球轴承5的内圈紧密配合，当对电机转子3通电时，由于电机定子2磁场的作用使得电机转子3实现旋转运动。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图3所示，本实施方式电机组件还包括两个第一深沟球轴承5和垫片6，电机轴4通过两个第一深沟球轴承5安装在电机外壳1内，垫片6设置在电机端盖7与第一深沟球轴承5之间。如此设置，电机轴4的一端通过一个深沟球轴承5与电机外壳1相连接，电机轴4的另一端通过另一个深沟球轴承5与电机端盖7相连接，电机端盖7设置在中间轴节的内壁上。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：如图3和图4所示，本实施方式关节输入件包括力矩传感器弹性体8、过载保护块9、关节输入端端盖10、关节输入端第一外壳11、电机驱动板14、关节输入端第二外壳16和两个圆柱销15，所述关节输入端第一外壳11和关节输入端第二外壳16可拆卸连接在关节输入端端盖10上且三者的内部形成有第一腔体，力矩传感器弹性体8、过载保护块9和电机驱动板14设置在第一内腔，过载保护块9设置在矩传感器弹性体8的内部，力矩传感器弹性体8的一端与电机外壳1相连接，力矩传感器弹性体8的另一端与关节输入端端盖10相连接，传感器弹性体8的两侧各设置有一个应变片40。

本实施方式中传感器弹性体8竖直设置，传感器弹性体8的两侧粘贴有一个应变片40。两个应变片40组成一个惠斯通半桥。惠斯通半桥是通过导线与桥路连接，以达到补偿的效果。

本实施方式中螺钉把过载保护块9安装于力矩传感器弹性体8的通孔中，过载保护块9与力矩传感器弹性体8的弹性梁之间留有间隙。当关节受力超过额定值时，过载保护块9和力矩传感器弹性体8的弹性梁发生接触，此时作用力通过过载保护块9进行传递，从而保证了力矩传感器弹性体8的弹性梁不会因为受力过大而发生损坏，提高了安全性及可靠性。

本实施方式中关节输入端连接件13为电机驱动板14、关节输入端第一外壳11和关节输入端第二外壳16提供支撑位置，电机驱动板14、关节输入端第一外壳11和关节输入端第二外壳16均固定安装在关节输入端连接件13上。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：如图3所示，本实施方式关节输入件还包括关节输入端螺母12和关节输入端连接件13，关节输入端连接件13为套体结构，其通过螺纹连接的方式旋拧在关节输入端端盖10上，关节输入端螺母12通过螺纹连接的方式旋拧在输入端连接件13上。

本实施方式通过螺母方式实现不同模块首尾间连接时的锁紧功能。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：如图3、图4和图5所示，本实施方式关节输入端端盖10为圆形盖体，关节输入端端盖10上设置有两个圆柱销15，两个圆柱销15均沿关节输入端端盖10的轴向方向设置，每个圆柱销15的底部固定连接在关节输入端端盖10上，每个圆柱销15的顶部穿过关节输入端连接件13，两个圆柱销15的中心轴线在关节输入端端盖10上的投影分别为a点和b点，a点和b点所在半径在关节输入端端盖10上形成的圆心角为α，圆心角α为90°。

本实施方式中关节输入端连接件13和关节输入端端盖10均为圆形盖体且二者同轴设置。两个圆柱销15在关节输入端连接件13上的投影形成的圆心角也为90°。两个圆柱销15的位置设置能够确保两个相邻的关节之间的有效且相对稳定的机械连接，二者呈90°间隔分布能够保证多个关节首尾连接时的唯一固定位置。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或五相同。

具体实施方式七：如图3、图4所示，本实施方式谐波减速器包括刚轮用固定壳17、刚轮18、波发生器19、柔轮20、柔轮用转接轴21和输出端端盖22，所述刚轮用固定壳17设置在电机外壳1的一侧且二者相连通，刚轮18和波发生器19均设置在刚轮用固定壳17内，波发生器19套装在电机轴4上，刚轮18套装在波发生器19外且二者间隙设置，刚轮18的外端面固定连接在刚轮用固定壳17上，所述柔轮20的一端设置在刚轮18和波发生器19之间的间隙内，柔轮20的另一端通过柔轮用转接轴21与输出端端盖22相连接，输出端端盖22与关节输出件相连接，输出端端盖22固定安装在关节端盖29的内壁上。

本实施方式中波发生器19套装在电机轴4远离电机端盖7的一端。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：如图3所示，本实施方式关节输出端位置传感器包括磁环23和位置传感器电路板28，磁环23通过阶梯圆环与刚轮用固定壳17的轴向及径向固定，位置传感器电路板28固定在输出端端盖22上，磁环23和位置传感器电路板28之间留有间隙。

本实施方式中的关节输出端位置传感器包括磁环23和位置传感器电路板28，磁环23为阶梯圆环式盘体，其阶梯圆环的小外孔用来实现与刚轮固定壳17的轴向及径向固定，磁环23与刚轮固定壳17之间通过胶粘接的方式连接，磁环23和位置传感器电路板28之间留有间隙，位置传感器电路板28有感应芯片，利用磁环23和感应芯片间的霍尔效应可以实现关节输出端位置的检测。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、五或七相同。

具体实施方式九：如图3所示，本实施方式关节输出件包括关节输出端壳体27、连接立柱30、关节输出端第一外壳31、关节输出端端盖32、关节输出端螺柱33、关节控制板34、柔性pcb线缆35和关节输出端第二外壳36，所述关节输出端第一外壳31和关节输出端第二外壳36可拆卸连接在关节输出端壳体27上且三者的内部形成有第二腔体，所述关节输出端螺柱33位于关节输出端端盖32的外端面上且其与关节输出端端盖32螺纹连接，连接立柱30设置竖直设置在关节输出端端盖32和输出端端盖22之间，关节控制板34和柔性pcb线缆35均设置在第二腔体内，柔性pcb线缆35的一端穿过中间轴节与电机驱动板14相连接，柔性pcb线缆35的另一端与关节控制板34相连接。

本实施方式中关节输出端壳体27和刚轮固定壳17之间通过锁紧螺母26、第三深沟球轴承24和相连接，锁紧螺母26和第三深沟球轴承24依次套装在刚轮固定壳17外，刚轮固定壳17通过锁紧螺母26和第三深沟球轴承24与关节输出端壳体27相连接。第三深沟球轴承24为双轴承，隔圈25设置在双轴承的外圈之间，隔圈25的外端面与关节输出端壳体27相贴紧。其它组成及连接关系与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：如图3所示，本实施方式中间轴节包括关节第一护线罩38和关节第二护线罩39，关节第一护线罩38和关节第二护线罩39均为圆弧形罩体，关节第一护线罩38和关节第二护线罩39水平并列设置，关节第一护线罩38和关节第二护线罩39的两端均和电机外壳1固连，关节第一护线罩38和关节第二护线罩39之间设置有线缆通过口，柔性pcb线缆35位于关节第一护线罩38、关节第二护线罩39、电机外壳1和关节输出端壳体27之间。

本实施方式中关节输入件的外形和关节输出件的外形设置是为了更好配合中间轴节实现中间轴节为轴心的±90°的摆动运动。从而增强本发明的运动灵活性。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、五、七或九相同。

工作原理：

如图1、图2、图3、图4和图5所示，电机定子2通过胶粘接的方式固定连接在电机外壳1上，电机转子3也通过胶粘接的方式固定连接在电机轴4上，电机轴4和第一深沟球轴承5的内圈紧密配合，当对电机转子3通电时，由于电机定子2磁场的作用使得电机转子3实现旋转运动；

谐波减速器包括刚轮18、波发生器19和柔轮20，刚轮18通过胶粘接的方式固定连接在刚轮固定壳17上，刚轮固定壳17和电机外壳1通过螺钉进行连接，通过螺母将波发生器19固定在电机轴4上，柔轮20通过柔轮转接轴21和输出端端盖22采用螺钉进行连接；

关节输出端壳体27通过螺钉连接的方式与输出端端盖22固定连接，关节输出端壳体27和第三深沟球轴承24的外圈配合，刚轮固定壳17和第三深沟球轴承24的内圈配合，通过锁紧螺母26和隔圈25把刚轮固定壳17、第三沟球轴承24和关节输出端壳体27固定连接制为一体；

当电机转子3转动时，电机轴4转动，从而带动波发生器19转动，由于刚轮18固定，柔轮20作为从动轮，使得柔轮转接轴21、输出端端盖22和关节输出端壳体27同步运动，从而实现关节的旋转运动，极限运动范围为±90°。