[发明专利]仿生蛇形机器人及方法

说明书

一种仿生蛇形机器人及方法，属于仿生机器人领域。所述蛇形机器人包括：驱动电机、绞盘、支撑板组成的驱动箱（1）和关节单元、万向节、钢丝绳组成的多关节蛇形臂（2）两部分。本发明仿生蛇形机器人各关节单元（8）采用万向节（9）串联结构设计，并通过沿圆周均布的钢丝绳（10）牵引驱动；各关节单元（8）采用沿圆周以扇形方向分列均布的钢丝绳通孔并进行穿线的结构设计。所述仿生蛇形机器人，具有结构简单、冗余自由度高、灵活性好、狭小空间避障能力强等特点。

技术领域

本发明涉及到仿生机器人技术领域，尤其是指一种多关节冗余自由度的仿生蛇形机器人及方法。

背景技术

仿蛇形机器人具备较高穿越狭窄环境的能力、并且同时具有极端的环境适应性和关节奇异、关节超限的能力以及足够大的灵巧操作空间，可以采用环绕等方式工作于非结构化环境，对于狭小空间与多障碍结构环境具有良好适应性。随着科技的发展，仿生蛇形机器人的应用越来越广泛。现有的仿生蛇形机器人具有的缺点和不足主要体现在：1、控制复杂：超冗余自由度和串并联的结构设计使得实用条件下，上述任意一款仿蛇形机器人需要大量的驱动电机，像哈尔滨工业大学研制的蛇形臂、新松机器人公司及英国OC-robotics公司生产的蛇形臂驱动电机均超过20个，控制非常困难；2、臂长受限：多关节串并联结构设计，需要较多驱动电机，末端驱动电机数量的限制使得多关节蛇形臂长度较短；3、负载较小：过多的电机需求和电机安装空间小的约束，使得末端驱动电机选型受到限制，驱动和负载能力较小。

发明内容

本发明提供一种仿生蛇形机器人及方法，并通过多关节同步拉线结构，解决蛇形机器人超冗余自由度存在的控制复杂、臂长受限和负载小等问题。

（1）本发明为了解决上述问题，设计了一种仿生蛇形机器人，该仿生蛇形机器人采用多关节同步拉线式结构设计，通过以下技术方案实现：

一种仿生蛇形机器人，包括驱动箱和多关节蛇形臂，其特征在于：

上述多关节蛇形臂一端连接在驱动箱上，另一端连接末端执行器，它由L个关节组通过万向节串联组成，按离驱动箱由近到远依次称作第1关节组、第2关节组.......第L关节组；其中每个关节组均由M个关节单元通过万向节串联而成，按离驱动箱由近到远依次称作第1关节单元、第2关节单元.......第M关节单元；

上述驱动箱安装L个驱动组；每个驱动组均由N个驱动单元组成；每个驱动单元均由1个驱动电机和1个安装于驱动电机上的绞盘组成；所述绞盘沿轴向布置有M个一体化设计的直径各不相同的钢丝绳绕线槽，其中按照直径从小到大依次称为第1线槽、第2线槽......第M线槽；

上述关节单元截面形状为圆形，关节单元沿圆周以扇形方向均匀设置X列钢丝绳通孔，其中X ≥ L*N，且X是N的整数倍数，每列钢丝绳通孔按离关节单元轴线距离由远到近分成M个钢丝绳通孔，依次称作第1钢丝绳通孔、第2钢丝绳通孔......第M钢丝绳通孔；

上述每个驱动组对应一个关节组；一个驱动组中的一个驱动单元的绞盘对应该关节组的全部关节单元的同一列钢丝绳通孔，并通过一列钢丝绳与上述同列钢丝绳通孔相联系；具体方式为： 该列钢丝绳中的第一根钢丝绳的一端绕于该绞盘的第1线槽并相连，另一端与第1关节单元的第1钢丝绳通孔相连；其中第二根钢丝绳的一端绕于第2线槽并相连，另一端穿过第1关节单元的第2钢丝绳通孔后，与第2关节单元的第2钢丝绳通孔相连；……其中第M根钢丝绳的一端绕于第M线槽并相连，另一端依次穿过第1关节单元的第M钢丝绳通孔，第2关节单元的第M钢丝绳通孔....第M-1关节单元的第M钢丝绳通孔后与第M关节单元的第M钢丝绳通孔相连;每个驱动组的N个驱动单元所对应的N组钢丝绳整体成沿圆周均布方式与关节单元相连并对其牵引；

上述第1驱动组对应第1关节组，上述第2驱动组对应第2关节组…..第L驱动组对应第L关节组；其中第2驱动组的钢丝绳穿过第1关节组的空余钢丝绳通孔后与第2关节组相联系；……其中第L驱动组的钢丝绳穿过前面的所有关节组的空余钢丝绳通孔后与第L关节组相联系；