[发明专利]模块化双自由度球形关节及蛇形机器人及运动控制方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

目前有关开展仿生蛇形机器人的研究方案中，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。

比较典型的蛇形机器人有美国卡内基-梅隆大学(Carnegie Mellon University—CMU)生物机器人技术实验室(Biorobotics Lab)的Howie Choset研制的蛇形机器人

。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,pp.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1589×140×74mm，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。