一种超冗余度蛇形机器人的驱动装置的制作方法

本发明属于自动控制领域，具体涉及一种超冗余度蛇形机器人的驱动装置。

背景技术

国外在超冗余度蛇形机器人方向的研究较早，在蛇形机器人的结构设计、运动控制方面有较深入的研究。

英国ocrobotics公司是目前国内外对超冗余度蛇形机器人研究最为深入，工程化较为成功的机构，面向安检、航空制造、核设施检测等领域研发了一系列的蛇形机器人。其蛇形机器人多采用刚性铰链，钢丝绳驱动，通过内置光纤传感器fbg测量关节转角，以实现闭环控制，使机器人可到达较高的运动精度。目前该公司的蛇行机器人在国防和民用航空业有广阔的应用前景，它已经在核电站的放射区担负起安全检查的职责。该公司还为空客英国公司开发了一种超冗余度机器人，能够钻入机翼内部进行检测、紧固和密封。

国内目前主要侧重于连续体机器人在微创手术中的研究，取得了不少的研究成果，而在工业领域中相关机器人的研发相对薄弱。

上海交通大学徐凯、赵江然等设计了一种单孔腹腔镜微创手术连续体机器人，该款机器人的功能机械臂与摄像照明机械臂能收缩进同一个套管中以通过单切口进入腹腔，当达到手术工作位置后两者又能伸出套管独立工作。且在驱动端，通过设计的转换机构，实现4根驱动绳控制连续体臂的多根镍钛合金拉丝，设计极为巧妙。机械臂的功能端最大直径仅为12mm，因而具有体积小、操作灵活、安全等优点。中国民航大学高庆吉于2013年研制了一款适用于飞机油箱检查的超冗余度机器人。该款机器人长0.75m，直径为15mm，通过将驱动后置，牵引绳驱动的方式，使其适用于飞机油箱复杂且危险环境中的作业任务。北京航天航空大学于2015年研发了一款基于橡胶垫片支撑的超冗余度机器人，该款机器人将17个球面圆盘和16个橡胶垫片间隔排布组成单个弯曲单元，通过3根绳驱动，实现了每段弯曲单元两个方向的弯曲运动，最大弯曲角度可达100°。2011年香港中文大学李峥等研发了一款球铰连接的牵引绳驱动连续体机器人。其利用电磁跟踪方法，实现了对操作臂形位的测量，结果显示单关节末端精度可达2％，三关节串联时末端精度小于4％。

随着作业环境的复杂化和狭窄化，超冗余度蛇形机器人作为特种机器人因其具有较强的避障能力和深腔作业能力，逐渐受到研究人员和企业的关注。一方面相比于传统工业机械臂，超冗余度蛇形机器人将驱动设备(电机)和传动装置(减速箱、丝杠等)后置于驱动底座，这样可以有效减轻操作臂质量，减小操作臂直径。另一方面通过优化结构设计，使超冗余度蛇形机器人拥有尽可能多的自由度和更大的弯曲角度，这使得操作臂具有极强的运动灵活性。

现有超冗余度蛇形机器人的缺陷和不足：超冗余度蛇形机器人常采用将驱动装置外置的设计。相比于内置驱动装置，外置驱动装置可以显著减轻机械臂自重。同时在核电站检修中，外置驱动可以避免驱动系统在高温高辐射的环境下被破坏。外置驱动要把动力或者位移传递到关节处，采用绳索驱动关节运动，将驱动电机和传动装置后置于机械臂根部的驱动底座上。蛇形机器人采用12个关节运动，每个关节需要3根牵引绳来控制驱动，共计需要36根牵引绳。采用驱动电机和传动装置来牵引绳的运动，共计需要36组驱动电机和传动装置。

将36组驱动电机和传动装置集成到驱动装置中，目前常采用的方式为将驱动电机均布在一个圆周上，相应的传动装置也均布在同轴心的圆周内。存在的不足是在同等负载，同等12个关节数的情况下，驱动装置的直径尺寸过大，无法做到小型化，不便于产品的灵活使用和运输。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种超冗余度蛇形机器人的驱动装置，可以有效解决背景技术中的问题。

实现上述目的的技术方案是：一种超冗余度蛇形机器人的驱动装置，其特征在于，包括结构框架和n组驱动组件，n大于8；驱动组件包括彼此连接的驱动电机和传动装置；n组驱动组件围绕结构框架的中轴线分成内外两层布置，位于内层的各组驱动组件分别到中轴线的距离均相等，位于外层的各组驱动组件分别到中轴线的距离均相等，且内层的驱动组件和外层的驱动组件在周向上交错布置。由于驱动组件围绕结构框架的中轴线分成内外两层布置，且驱动组件包括彼此连接的驱动电机和传动装置，因此驱动电机和传动装置均采用内外双层排布的结构方式，极大缩小了在同等负载、同等关节数的情况下驱动装置的外形尺寸，对蛇形机器人驱动装置的小型化具有重要意义。

进一步地，结构框架包括前基座、中基座和后基座；前基座通过第一连接杆与中基座连接；中基座通过第二连接杆与后基座连接；驱动电机设置在中基座的面向后基座侧；前基座的中心、中基座的中心和后基座的中心均在中轴线上；传动装置包括导向杆、丝杆、螺母座和导绳片；丝杆的一端通过轴承座、联轴器与对应的所述驱动电机传动连接；所述丝杆的另一端与所述前基座内的滑动轴承连接；导向杆和丝杆穿过螺母座；螺母座内设置有与丝杆螺纹连接的丝杆螺母和滑动穿置在导向杆上的导向滑块；导绳片设置在螺母座上。

进一步地，传动装置还包括钢丝绳；导绳片上设置有第一穿绳孔；钢丝绳的一端穿过第一穿绳孔后被位于导绳片上的夹头固定。

进一步地，导绳片的面与导向滑块的滑动方向平行；第一穿绳孔的孔道延伸方向与导向滑块的滑动方向平行。

进一步地，各第一穿绳孔排布形成一个圆心在中轴线上的圆周。

进一步地，传动装置还包括导绳装置；导绳装置包括扩线盘、扩线筒和设置在前基座中心的中心孔；扩线盘设置在前基座的面向中基座一侧，扩线筒设置在前基座的背向中基座一侧；扩线盘的中心、扩线筒的中心和中心孔的中心均在中轴线上；扩线盘上设置有与第一穿绳孔在水平方向上一一对应的第二穿绳孔，第二穿绳孔排列组成的圆周的圆心在中轴线上，且与和第一穿绳孔排列组成的圆周的直径大小相等；第一穿绳孔与其对应的第二穿绳孔之间的连线平行于结构框架的中轴线；扩线筒的内侧壁上设置有环形肋；环形肋上设置有与第二穿绳孔一一对应的第三穿绳孔；第三穿绳孔与超冗余度蛇形机器人前端关节的第四穿绳孔一一对应，且第三穿绳孔排列组成的圆周的圆心和第四穿绳孔排列组成的圆周的圆心均在中轴线上，且该两圆周的直径大小相等；钢丝绳的另一端被设置为依次穿过第二穿绳孔、第三穿绳孔和第四穿绳孔。

进一步地，中心孔的直径大于第三穿绳孔排列组成的圆周的直径。

进一步地，第一穿绳孔在周向上均匀等距排布。

进一步地，第二穿绳孔在周向上均匀等距排布；第三穿绳孔在周向上均匀等距排布。

进一步地，丝杆和导向杆平行设置。

进一步地，n等于36；其中，内层12组驱动组件和外层24组驱动组件。

本发明与其它技术相比有益效果为：

本发明的驱动电机和传动装置均采用内外双层排布的结构方式，极大缩小了在同等负载、同等关节数的情况下驱动装置的外形尺寸，对蛇形机器人驱动装置的小型化具有重要意义。

传动装置采用丝杆螺母传动、并通过导向杆、导向滑块进行导向，保证传动装置运行平稳，同时可以减小了传动装置的尺寸，使传动装置可内外双侧排布，缩小了外形尺寸。

钢丝绳通过导绳片均匀等距排布，不发生运动干涉；具有结构简单、安装方便的优点。

扩线盘的第二穿绳孔和导绳片的第一穿绳孔均匀等距排列，且在同一直径大小的圆周上，保证钢丝绳运动过程中始终均匀等距排布，不发生运动干涉。

扩线筒的第三穿绳孔一一对应超冗余度蛇形机器人前端关节的第四穿绳孔，两者均布在同一直径大小的圆周上，保证钢丝绳从第二穿绳孔和第三穿绳孔穿出后均匀等距排布，不发生运动干涉；同时扩线筒和扩线盘共同作用，保证钢丝绳在传动装置中运行的直线距离和从第三穿绳孔穿出后运行的直线距离是相等的。

附图说明

图1为本发明的超冗余度蛇形机器人的驱动装置的一个具体实施方式的结构示意图；

图2为图1中a-a向剖视图；

图3为图1中b-b向剖视图；

图4为本发明的超冗余度蛇形机器人的驱动装置的一个具体实施方式的局部剖视图；

图5为本发明的传动装置的一个具体实施方式的剖视图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1、4所示，在该实施例中，超冗余度蛇形机器人的驱动装置包括结构框架1和n组驱动组件，n＝36。每组驱动组件均包括一台驱动电机2和一组传动装置3。驱动电机2安装在结构框架1上。每个驱动电机2的输出端分别传动连接对应的传动装置3。

结构框架1包括间隔同心布置的盘形的前基座1.1、中基座1.2和后基座1.3。前基座1.1通过第一连接杆与中基座1.2连接，中基座通过第二连接杆1.4与后基座1.3连接，从而使得结构框架1被连接为一整体。前基座1.1的圆心、中基座1.2的圆心和后基座1.3的圆心均在结构框架1的中轴线上。

如图3所示，中基座1.2上安装有36台驱动电机2，并以内层12台、外层24台均匀布置在以中基座1.2的中心为圆心的两个同心圆周上，内层的驱动电机2与外层的驱动电机2在周向上交错布置。

如图2所示，传动装置3也设置有与驱动电机对应的36组，并以内层12组、外层24组均匀布置在前基座1.1、中基座1.2之间两个同心圆周上。在图2所示的截面中，可以看出内层的12组传动装置3组成的圆周和外层的24组传动装置3组成的圆周均以结构框架1的中轴线在该截面上的点为圆心，并且内层的传动装置3与外层的传动装置3在周向上交错布置。

如图2、4、5所示，传动装置3包括导向杆3.1和丝杆3.3，以及螺母座3.5、导绳片3.7、钢丝绳4和导绳装置5。

丝杆3.3的一端与对应驱动电机2通过联轴器3.8、轴承座3.2传动连接。导向杆3.1与丝杆3.3之间穿置有螺母座3.5。螺母座3.5内设置有螺纹连接在丝杆3.3上的丝杆螺母3.6以及滑动穿置在导向杆3.1上的导向滑块3.4。导绳片3.7设置在螺母座3.5上。36个导绳片3.7沿周向间隔设置。导绳片3.7上设置有与钢丝绳4的前后位移方向平行的第一穿绳孔3.9。如图2所示，36个第一穿绳孔3.9排布在以为结构框架1的中轴线在该截面上的点为圆心的圆周上，且第一穿绳孔3.9在周向上均匀等距排布(即周向上相邻的第一穿绳孔3.9之间的距离相等)导向杆3.1与丝杆3.3平行，且两者之间存在空隙。导向杆3.1和导向滑块3.4的作用是将导绳片3.7限定在由导向杆3.1和丝杆3.3形成的平面上前后滑动，避免导绳片3.7绕丝杆3.3转动。

如图4所示，钢丝绳4的一端穿过对应的第一穿绳孔3.9，并通过夹头3.10固定。导绳装置5包括扩线盘5.2、扩线筒5.5和设置在前基座1.1中心的中心孔5.1。中心孔5.1内侧(指前基座1.1的面向中基座1.2一侧)的前基座1.1上安装有扩线盘5.2。在图4所示的截面上，扩线盘5.2呈一端开口的矩形，扩线盘5.2的开口端设置有法兰5.3，扩线盘5.2的法兰5.3通过螺栓连接在前基座1.1上。扩线盘5.2上设置有一圈与第一穿绳孔3.9在水平方向上一一对应的第二穿绳孔5.4。第一穿绳孔3.9与其对应的第二穿绳孔5.4之间的连线平行于结构框架1的中轴线。第二穿绳孔5.4排列组成的圆周和第一穿绳孔3.9排列组成的圆周同心、并且圆周的直径大小相等，第二穿绳孔5.4在周向上均匀等距排布(即周向上相邻的第二穿绳孔5.4之间的距离相等)。使得钢丝绳4的前端水平穿过扩线盘5.2上对应的第二穿绳孔5.4。

中心孔5.1外侧(指前基座1.1的背向中基座1.2一侧)的前基座1.1上安装有扩线筒5.5，扩线筒5.5呈圆筒形，并且内侧壁上设置有环形肋5.6。环形肋5.6的周向设置有一圈与第二穿绳孔5.4一一对应的第三穿绳孔5.7，穿过第二穿绳孔5.4的钢丝绳4再穿过对应的第三穿绳孔5.7孔后由扩线筒5.5穿出。扩线筒5.5的第三穿绳孔5.7一一对应超冗余度蛇形机器人前端关节的第四穿绳孔，两者(第三穿绳孔5.7和第四穿绳孔)均布在同一直径大小的圆周上，保证钢丝绳4从第二穿绳孔5.4、第三穿绳孔5.7和第四穿绳孔穿出后均匀等距排布，不发生运动干涉。

驱动电机2用于驱动传动装置3上的导绳片3.7带动钢丝绳4前后位移，钢丝绳4向前穿过导绳装置5。

本发明的工作过程：

本发明的作用是驱动机械臂的12个关节灵活运动，具体原理为：通过驱动电机2驱动对应的丝杆3.3转动，丝杆3.3带动螺母座3.5沿丝杆3.3移动，从而将驱动电机2的回转运动转化为导绳片3.7的直线运动，再通过导绳片3.7推动钢丝绳4沿导绳装置5的第二穿绳孔5.4和第三穿绳孔5.7的直线往复运动，从而带动机械臂关节实现弯曲动作。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。尤其是上述具体实施方式中所公开的尺寸，并非对本发明的限定，而是为了更好地帮助理解本发明。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。