專利名稱:一種模塊化的仿生攀爬機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及機器人技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種用模塊化方法構(gòu)建的串聯(lián)式 關(guān)節(jié)型能攀爬多種對象并具有操作功能的機器人。
背景技術(shù):
目前機器人已經(jīng)應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、航天、教育、娛樂、搶險救災(zāi)、家 庭服務(wù)和社會服務(wù)等方面,并向新的領(lǐng)域伸展。農(nóng)業(yè)、林業(yè)和建筑業(yè)將是未 來機器人廣闊的新的應(yīng)用領(lǐng)域。這些行業(yè)有很多高空作業(yè),例如果樹剪枝、 果子采摘、樹木砍伐、樹枝修剪,電線架設(shè)和檢修、路燈的維修和更換、建 筑腳手架的安裝和拆卸、鐵塔和桁架橋梁的檢修,等等。由機器人代替人來 執(zhí)行和從事這些是個必然趨勢和發(fā)展方向。為此,要求機器人能攀爬桿、樹 或桁架等多種對象并具有操作功能。目前國內(nèi)外開發(fā)出能爬樹干的機器人有 雙圓環(huán)式的、并聯(lián)式、仿蟑螂六腿式等幾種,而能爬桿的機器人有輪式、蛇 形纏繞式、仿蜘蛛式等幾種。這些樣機雖然具有一定的爬行功能,但還很原 始,有較大的局限和不足,主要體現(xiàn)在l)攀爬對象單一,只能爬桿、爬桁
架或者爬樹而不能攀爬不同的對象;2)缺乏攀爬過渡能力,難以在樹枝或桿 件之間過渡和切換;3)缺乏操作功能,執(zhí)行作業(yè)時必須另外加裝執(zhí)行器或操 作臂,這必然增加系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制的復(fù)雜性、增大平衡和爬行的困難。因此, 開發(fā)一種能同時攀爬桿、樹和桁架等多種對象并且具有操作功能、結(jié)構(gòu)簡單、 成本低廉的機器人符合機器人發(fā)展的趨勢和社會生產(chǎn)生活的需要。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足,提供一種由若干獨立完整的模塊組成的便于拆裝、構(gòu)型可改變的模塊化的仿生攀爬機器人。 為實現(xiàn)此目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
一種模塊化的仿生攀爬機器人,根據(jù)尺蠖、猿猴和樹懶等動物的攀爬動 作,本發(fā)明的機器人采用串聯(lián)式關(guān)節(jié)型仿手臂結(jié)構(gòu)。本體采用五個自由度, 由五個關(guān)節(jié)模塊組成,包括三個T型關(guān)節(jié)模塊和兩個I型關(guān)節(jié)模塊。本體兩 端分別安裝兩個夾持器模塊,組成一個雙手爪式的仿手臂機器人。各模塊之
間采用串聯(lián)方式依次連接,順序為夾持器一I型關(guān)節(jié)一T型關(guān)節(jié)一T型關(guān)節(jié) 一T型關(guān)節(jié)一I型關(guān)節(jié)一夾持器。三個T型關(guān)節(jié)模塊的轉(zhuǎn)軸互相平行,并與 兩端I型關(guān)節(jié)模塊的轉(zhuǎn)軸互相垂直。
所述I型關(guān)節(jié)模塊是指只有一個轉(zhuǎn)動自由度且關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸與連桿軸線重合 或平行的關(guān)節(jié)模塊。關(guān)節(jié)由直流伺服電機驅(qū)動,電機的后端與用于檢測轉(zhuǎn)角 位移和角速度的光電編碼器直接相聯(lián),前端與諧波減速器相連,進行減速增 力。諧波減速器通過一個軸輸出到一個中心直齒輪,而中心直齒輪通過兩個 對稱分布的過渡輪驅(qū)動一個內(nèi)齒直齒輪作進一步減速增力并保持傳動方向, 內(nèi)齒輪帶動關(guān)節(jié)模塊的另一部分作相對轉(zhuǎn)動,最后驅(qū)動關(guān)節(jié)的輸出件。
所述T型關(guān)節(jié)模塊只有一個轉(zhuǎn)動自由度且關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸與連桿軸線垂直的關(guān) 節(jié)模塊。關(guān)節(jié)由直流伺服電機驅(qū)動,電機的后端與用于檢測轉(zhuǎn)角位移和角速 度的光電編碼器直接相聯(lián),前端與諧波減速器相連,進行減速增力。諧波減 速器通過一個軸進行輸出,再通過一對錐齒輪作進一步減速與增力并改變傳 動方向。大錐齒輪通過一根關(guān)節(jié)軸帶動關(guān)節(jié)模塊的另一部分作相對轉(zhuǎn)動,進 行速度和力的輸出。
所述夾持器模塊是由電機驅(qū)動,通過減速機構(gòu)和平行四邊形機構(gòu)驅(qū)動兩 只夾具進行開閉運動。電機前端與諧波減速器相連,進行減速增力。諧波減速器再通過一個軸輸出到蝸桿,而蝸桿與蝸輪主動桿嚙合,作進一步減速增 力。夾持器殼體、蝸輪主動桿、從動桿和夾具一起構(gòu)成平行四邊形機構(gòu),將 蝸輪主動桿的圓周運動變?yōu)閵A具的平動并輸出動力,從而實現(xiàn)張開和閉合的 功能。
本發(fā)明機器人中間三個T型關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動能使機器人本體伸展或彎曲,配合 I型關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動則能改變末端夾持器的方位。攀爬時先用一個夾持器穩(wěn)固地抓 夾桿、桁架或樹枝以支撐整個機器人,另一端運動,到目標位置后相應(yīng)的夾 持器進行抓夾,然后前一個夾持器松開和釋放,并運動到新的目標位置,如 此循環(huán),交替抓夾,機器人就可在桿、桁架或樹上攀爬。
本發(fā)明面向農(nóng)業(yè)、林業(yè)和建筑業(yè)等領(lǐng)域的高空作業(yè),克服現(xiàn)有攀爬類機 器人攀爬對象單一、缺乏攀爬過渡能力、構(gòu)型固定不可改變、缺乏操作功能
等缺點,具有如下特點和效果
1) 仿生在運動形式上模仿尺蠖、猿猴和樹懶的攀爬,在外形結(jié)構(gòu)上類 似人的手臂。
2) 模塊化由五個單自由度的關(guān)節(jié)模塊和兩個相同的夾持器模塊構(gòu)成, 包括三個相同的T型關(guān)節(jié)模塊和兩個相同的I型關(guān)節(jié)模塊。模塊之間 通過卡環(huán)實現(xiàn)連接和緊固。機器人的構(gòu)建和拆裝簡單、方便和快速, 構(gòu)型可變。
3) 串聯(lián)結(jié)構(gòu)各模塊采用串聯(lián)方式依次連接,首尾對稱。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,還具有如下優(yōu)點和效果 1)結(jié)構(gòu)特點決定了本發(fā)明的機器人具有很強的攀爬能力,能攀爬高桿、 樹和桁架等多種由桿件組成的對象,具有很好的對攀爬環(huán)境的適應(yīng)性;有很強的越障和桿間過渡能力;
2) 同時具有攀爬功能和操作功能,由末端的夾持器模塊實現(xiàn),機器人不 需要另外安裝執(zhí)行器就能實現(xiàn)對物體的抓持和操作。
3) 采用模塊化方法構(gòu)建機器人,只由兩種關(guān)節(jié)模塊和一種夾持器模塊組 成,系統(tǒng)構(gòu)建容易,設(shè)計、制造和維護簡單,成本較低;機器人的自 由度可通過加減模塊的數(shù)量進行改變,構(gòu)型可通過模塊之間的連接和 配置進行更改。
4) 機器人具有多種攀爬模式,包括尺蠖式、扭轉(zhuǎn)式和翻轉(zhuǎn)式等攀爬步態(tài)。
圖l是本發(fā)明的仿生攀爬機器人外觀圖; 圖2是本發(fā)明的仿生攀爬機器人機構(gòu)示意圖; 圖3是本發(fā)明的I型關(guān)節(jié)模塊外觀圖; 圖4是本發(fā)明的I型關(guān)節(jié)模塊剖面圖; 圖5是本發(fā)明的T型關(guān)節(jié)模塊外觀圖; 圖6是本發(fā)明的T型關(guān)節(jié)模塊剖面圖; 圖7是本發(fā)明的夾持器模塊外觀圖; 圖8是本發(fā)明的夾持器模塊剖面圖9是本發(fā)明的機器人釆用尺蠖步態(tài)攀爬桿件的示意圖; 圖IO是本發(fā)明的機器人采用扭轉(zhuǎn)步態(tài)攀爬桿件和越障的示意圖; 圖11是本發(fā)明的機器人采用翻轉(zhuǎn)步態(tài)攀爬桿件和越障的示意圖; 圖12是本發(fā)明的機器人在不同桿件之間過渡和切換的示意圖。
具體實施方式
為了更好地理解本發(fā)明,下面結(jié)合附圖作進一步的描述,但本發(fā)明的實 施方式不限于此。
圖1和圖2分別示出了本發(fā)明構(gòu)建的機器人的外觀圖和機構(gòu)示意圖。如 圖所示,該仿生攀爬機器人的本體具有五個自由度,由五個單自由度關(guān)節(jié)模 塊002和003組成,兩端分別連接一個夾持器OOl,共有七個模塊。各模塊 依次以串聯(lián)方式連接,順序為夾持器-I型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié) -I型關(guān)節(jié)-夾持器。在前兩個T型模塊之間插入一個過渡關(guān)節(jié)套筒005,使得 機器人首尾兩端結(jié)構(gòu)對稱。各關(guān)節(jié)模塊之間用卡環(huán)004進行連接??ōh(huán)的內(nèi) 環(huán)縱截面為凹的梯形槽,卡環(huán)有個開口,開口部分穿過螺栓,擰緊卡環(huán)上的 螺栓和螺母即可將相連的兩個零件緊固連接。三個T型關(guān)節(jié)模塊003的關(guān)節(jié) 轉(zhuǎn)軸互相平行,并自然地與兩端的I型關(guān)節(jié)模塊002的關(guān)節(jié)軸垂直。當一端 夾持器夾住桿件支撐整個機器人時,通過改變T型關(guān)節(jié)和I形關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角即 可改變另一端夾持器的位置和姿態(tài),到達目標位置。夾持器的閉合或張開即 可對桿件進行抓持或釋放。
如圖3和圖4所示分別為I型關(guān)節(jié)模塊的外觀圖和剖面圖。1型關(guān)節(jié)模塊 的轉(zhuǎn)軸與關(guān)節(jié)連桿的軸線重合或平行。零部件包括第一伺服電機及光電編 碼器組件IOI、第一關(guān)節(jié)套筒102、第一電機軸套103、第一電機座104、第 一關(guān)節(jié)基座105、第一軸承端蓋106、軸承座107、角接觸球軸承及外軸套108、 第二軸承端蓋109、內(nèi)齒輪110、關(guān)節(jié)輸出端連接件lll、過渡齒輪軸112、 過渡齒輪113、第一諧波減速器輸出軸114、中心齒輪115、小軸承端蓋116、 軸套117、第一角接觸球軸承118、第一諧波減速器輸出過渡盤119和第一盤 式諧波減速器組件120。驅(qū)動電機為直流伺服電機,電機與用于角位移和角 速度檢測的光電編碼器集成,即電機軸后端直接連接光電編碼器,成為第一伺服電機及光電編碼器組件101。電機的前端面與第一電機座104用螺釘(沿 軸向)相連接。電機外面的第一關(guān)節(jié)套筒102的一端套在第一電機座104上, 并沿圓周方向與第一電機座104用螺釘(沿徑向)相連接。第一電機座104 與第一關(guān)節(jié)基座105也用螺釘沿軸向緊固。電機的輸出軸與第一電機軸套103 相連接,用兩個徑向頂絲緊固。第一電機軸套103與諧波減速器120的波發(fā) 生器相連接,通過一個直鍵傳遞運動和動力。為了得到較小的關(guān)節(jié)模塊長度, 一級減速采用扁平盤狀的諧波減速器三大件102,其中的輸入剛輪與第一電 機座104用螺釘沿軸向緊固,輸出剛輪用螺釘沿軸向與諧波減速器過渡圓盤 119緊固連接,過渡圓盤119再用通過螺釘與第一諧波減速器輸出軸114連 接。波減速器輸出軸114通過一對角接觸軸承118支承于第一關(guān)節(jié)基座105 中,兩個軸承之間有內(nèi)圈套筒117, 一端用軸承套116定位和預(yù)緊。波減速 器輸出軸114的輸出端上安裝一個直齒輪作為中心齒輪115,通過對稱的兩 個直鍵傳遞運動和動力。中心齒輪115與兩個對稱分布的過渡直齒輪113嚙 合。每個過渡直齒輪113通過內(nèi)孔中的軸承支承在其齒輪軸112上,而后者 (112)通過其上的螺紋固定安裝在第一關(guān)節(jié)基座105上。過渡直齒輪113 與內(nèi)齒輪110嚙合。內(nèi)齒輪110、軸承座107和關(guān)節(jié)輸出端連接件111三者 通過軸向螺釘連接緊固,成為關(guān)節(jié)模塊的最后輸出部件。這個輸出輸出部件 通過一對角接觸球軸承及外軸套108支承在第一關(guān)節(jié)基座105上。第一軸承 端蓋106對這對角接觸球軸承進行軸向定位和預(yù)緊。該關(guān)節(jié)模塊的工作過程 和運動原理如下電機的輸出軸驅(qū)使第一電機軸套103轉(zhuǎn)動,而第一電機軸 套103又帶動諧波減速器120的波發(fā)生器。諧波減速器120減速增力,通過 輸出軸114將運動和動力傳遞到中心齒輪115上。中心齒輪115驅(qū)動兩個過 渡齒輪113,進而驅(qū)動內(nèi)齒輪110。內(nèi)齒輪110與軸承座107和關(guān)節(jié)輸出端連接件lll緊固,完成整個關(guān)節(jié)模塊的運動和動力的輸出。如圖5和圖6所示分別為T型關(guān)節(jié)模塊的外觀圖和剖面圖。T型關(guān)節(jié)模 塊的轉(zhuǎn)軸與關(guān)節(jié)連桿的軸線互相垂直。零部件包括第二伺服電機及光電編 碼器組件201、第二關(guān)節(jié)套筒202、第二電機座203、第二關(guān)節(jié)基座204、第 二角接觸球軸承205、軸承套環(huán)206、內(nèi)軸套207、小錐齒輪208、齒輪端蓋 209、第一關(guān)節(jié)軸端蓋210、關(guān)節(jié)軸211、關(guān)節(jié)蓋212、大錐齒輪213、關(guān)節(jié)連 接件214、關(guān)節(jié)軸角接觸球軸承215、第二關(guān)節(jié)軸端蓋216、第三軸承端蓋217、 第四軸承端蓋218、第二諧波減速器輸出軸219、第二諧波減速器輸出過渡盤 220、第二盤式諧波減速器組件221和第二電機軸套222。驅(qū)動電機為直流伺 服電機,電機與用于角位移和角速度檢測的光電編碼器集成,即電機軸后端 直接連接光電編碼器,成為第二伺服電機及光電編碼器組件201。電機的前 端面與第二電機座203用螺釘(沿軸向)相連接。電機外面的第二關(guān)節(jié)套筒 202的一端套在第二電機座203上,并沿圓周方向與第二電機座203用螺釘 (沿徑向)相連接。第二電機座203與第二關(guān)節(jié)基座204也用螺釘沿軸向緊 固。電機的輸出軸與第二電機軸套222相連接,用兩個徑向頂絲緊固。第二 電機軸套222與諧波減速器組件221的波發(fā)生器相連接,通過一個直鍵傳遞 運動和動力。為了得到較小的關(guān)節(jié)模塊長度, 一級減速采用扁平盤狀的諧波 減速器三大組件221,其中的輸入剛輪與第二電機座203用螺釘沿軸向緊固, 輸出剛輪用螺釘沿軸向與諧波減速器過渡圓盤220緊固連接,過渡圓盤220 再用通過螺釘與第二諧波減速器輸出軸219連接。波減速器輸出軸219通過 一對角接觸軸承205支承于第二關(guān)節(jié)基座204中,兩個軸承之間有軸承套 206, 一端用軸承套218進行軸向定位和預(yù)緊。波減速器輸出軸219的輸出端 上安裝一個小錐齒輪208,通過對稱的兩個直鍵傳遞運動和動力,用齒輪端蓋209作軸向鎖緊。小錐齒輪208與角接觸軸承205之間用內(nèi)軸套207作軸 向間隔。小錐齒輪208與大錐齒輪213嚙合,而后者安裝于關(guān)節(jié)軸211上, 通過一對直鍵傳遞運動和動力。關(guān)節(jié)軸211用一對角接觸球軸承215支承于 第二關(guān)節(jié)基座204上,兩個第三軸承端蓋217對角接觸球軸承215進行軸向 定位和預(yù)緊。關(guān)節(jié)軸211兩端通過兩個端蓋210與關(guān)節(jié)連接件214固連,并 用端蓋216進行軸向定位和鎖緊。該關(guān)節(jié)模塊的工作過程和運動原理如下-電機的輸出軸驅(qū)使第二電機軸套222轉(zhuǎn)動,而第二電機軸套222又帶動諧波 減速器組件221的波發(fā)生器。諧波減速器組件221減速增力,通過輸出軸219 將運動和動力傳遞到小錐齒輪208上。小錐齒輪208驅(qū)動大錐齒輪213,實 現(xiàn)了運動方向的90度改變。大錐齒輪213將運動和動力傳遞到關(guān)節(jié)軸211, 而后者與第一關(guān)節(jié)軸端蓋210固接,將運動和動力傳遞到關(guān)節(jié)連接件214。 整個關(guān)節(jié)模塊的運動和動力通過關(guān)節(jié)連接件214輸出。如圖7和圖8所示為夾持器模塊的外觀圖和剖面圖。夾持器模塊的零部 件包括驅(qū)動電機及檢測組件301、端座302、第三電機軸套303、第三諧波 減速器輸出過渡盤304、夾持器殼體305、從動桿306、蝸輪主動桿307、夾 具308、軸承外端蓋309、軸承內(nèi)端蓋310、蝸桿軸角接觸球軸承311、蝸輪 軸角接觸球軸承312、第三諧波減速器輸出軸313、蝸桿314、第三盤式諧波 減速器組件315、蝸輪軸端蓋316和蓋板317。驅(qū)動電機為盤式無刷直流電機, 電機內(nèi)有霍爾元件用于檢測電機的角位移和角速度。電機的前端面與端座 302用螺釘沿軸向相連接。端座302與夾持器殼體305也用螺釘沿軸向緊固。 電機的輸出軸與第三電機軸套303相連接,用兩個徑向頂絲緊固。第三電機 軸套303與第三盤式諧波減速器組件315的波發(fā)生器相連接,通過一個直鍵 傳遞運動和動力。為了得到較小的關(guān)節(jié)模塊長度, 一級減速采用扁平盤狀的諧波減速器組件315,其中的輸入剛輪與端座302用螺釘沿軸向緊固,輸出 剛輪用螺釘沿軸向與第三諧波減速器輸出過渡盤304緊固連接,過渡盤304 再通過螺釘與第三諧波減速器輸出軸313連接。第三諧波減速器輸出軸313 通過一對角接觸軸承311支承于夾持器殼體305中, 一端用軸承外端蓋309 和軸承內(nèi)端蓋310進行軸向定位和預(yù)緊。第三諧波減速器輸出軸313又與蝸 桿314相連接,并通過一個直鍵傳遞運動和動力。蝸輪主動桿307通過一對 蝸輪軸角接觸球軸承312分別支承于挾持器殼體305和蓋板317內(nèi);而蓋板 317通過徑向螺釘與夾持器殼體305緊固連接;蝸輪軸端蓋316對蝸輪軸角 接觸球軸承312施加預(yù)緊力,并對蝸輪主動桿307進行定位;蝸桿314于蝸 輪主動桿307嚙合;而蝸輪主動桿307和從動桿306又通過銷釘和夾具308 鉸接。該功能模塊的工作過程和運動原理如下電機的輸出軸驅(qū)使第三電機 軸套303轉(zhuǎn)動,而第三電機軸套303又帶動諧波減速器組件315的波發(fā)生器。 諧波減速器315減速增力,通過輸出軸313將運動和動力傳遞到蝸桿314上。 蝸桿314驅(qū)動蝸輪主動桿307進行減速增力。而蝸輪主動桿307和從動桿306 又通過銷釘與夾具308鉸接,形成一個平行四桿機構(gòu),將運動和動力傳遞到 夾具308。這樣電機的轉(zhuǎn)動最終轉(zhuǎn)換成兩個夾具的直線運動,形成夾持器的 開閉動作。機器人攀爬時,先用其中的一個夾持器夾緊桿、桁架、樹干或樹枝等由 桿件構(gòu)成的攀爬對象以支撐整個機器人。機器人的另一端運動到目標位置, 用相應(yīng)的夾持器夾緊目標桿件后,松開前一個夾持器并運動到另一 目標位置。 機器人如此兩端交替夾持和運動,即可在桿上、桁架中或樹中攀爬運行。當 機器人由其中一個夾持器夾緊支撐時,相當于一個基座固定并帶末端執(zhí)行器 的操作機,用自由端的夾持器可從事抓持和操作任務(wù)。本機器人可用尺蠖式、扭轉(zhuǎn)式和翻轉(zhuǎn)式等模式進行攀爬。如圖9所示的是本機器人采用尺蠖步態(tài)進行攀爬時的示意圖。其過程和步驟為1)機器人由第一夾持器G1進行夾持和支撐,松開第二夾持器G2,然后轉(zhuǎn)動其三個T 型關(guān)節(jié),移動第二夾持器G2到目標位置,如圖9中的(a)和(b)所示;2)機 器人用第二夾持器G2夾緊目標桿件以支撐整個系統(tǒng),松開第一夾持器Gl, 如圖9中的(c)所示;3)機器人轉(zhuǎn)動其三個T型關(guān)節(jié),移動第二夾持器G2到 目標位置,如閣9中的(c)和(d)所示;4)機器人用第一夾持器G1夾緊目標桿 件以支撐整個系統(tǒng),松開第二夾持器G2; 5)重復(fù)以上步驟。如圖10所示的是本機器人采用扭轉(zhuǎn)步態(tài)進行攀爬時的示意圖。其過程 和步驟為1)機器人由第一夾持器Gl進行夾持和支撐,松開第二夾持器 G2,然后轉(zhuǎn)動其T型關(guān)節(jié),將第二夾持器G2移離桿件,如圖10中的(a)所 示;2)機器人將與第一夾持器G1連接的第一I型關(guān)節(jié)I1轉(zhuǎn)動,使機器人扭 轉(zhuǎn)180°,如圖10中的(b)和(c)所示;3)機器人轉(zhuǎn)動其T型關(guān)節(jié),使第二夾 持器G2移近桿件,到達目標位置,如圖10中的(c)和(d)所示;4)機器人用 二夾持器G2夾緊目標桿件以支撐整個系統(tǒng),松開第一夾持器G1,如圖10 中的(d)所示;5)重復(fù)以上步驟。如圖11所示的是本機器人采用翻轉(zhuǎn)步態(tài)進行攀爬時的示意圖。其過程和 步驟為1)機器人由第一夾持器G1進行夾持和支撐,松開第二夾持器G2, 然后轉(zhuǎn)動其三個T型關(guān)節(jié),將第二夾持器G2移離桿件,如圖11中的(a)所示; 2)機器人繼續(xù)轉(zhuǎn)動其三個T型關(guān)節(jié),將與第一夾持器G1連接的第一I型關(guān) 節(jié)Il轉(zhuǎn)動,使機器人繞第一 T型關(guān)節(jié)T1的關(guān)節(jié)軸翻轉(zhuǎn),如圖11中的(b)和(c) 所示;3)機器人繼續(xù)轉(zhuǎn)動三個T型關(guān)節(jié),使第二夾持器G2移近桿件,到達 目標位置,如圖11中的(c)所示;4)機器人用二夾持器G2夾緊目標桿件以支撐整個系統(tǒng),松開第一夾持器G1,如圖11中的(d)所示;5)重復(fù)以上步驟。由于機器人本體是一個多自由度的串聯(lián)式操作臂,運動靈巧,采用上述 扭轉(zhuǎn)步態(tài)和翻轉(zhuǎn)步態(tài)能有效地跨越一些障礙,如圖10和如圖11所示;采用 上述三種步態(tài)的一種或者幾種步態(tài)組合可在不同的桿間之間進行過渡和切 換,如圖12所示。
權(quán)利要求
1、一種模塊化的仿生攀爬機器人,其特征在于包括三個T型關(guān)節(jié)模塊、兩個I型關(guān)節(jié)模塊和兩個夾持器模塊,該機器人具有五個自由度,所述I型關(guān)節(jié)模塊是指只有一個轉(zhuǎn)動自由度且關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸與連桿軸線重合或平行的關(guān)節(jié)模塊,所述T型關(guān)節(jié)模塊是指只有一個轉(zhuǎn)動自由度且關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸與連桿軸線垂直的關(guān)節(jié)模塊,所述夾持器模塊是能對物體進行抓夾的末端功能模塊;各模塊采用串聯(lián)方式通過卡環(huán)依次連接,順序為夾持器模塊-I型關(guān)節(jié)模塊-T型關(guān)節(jié)模塊-T型關(guān)節(jié)模塊-T型關(guān)節(jié)模塊-I型關(guān)節(jié)模塊-夾持器模塊,三個T型關(guān)節(jié)模塊的轉(zhuǎn)軸互相平行,并與兩端的I型關(guān)節(jié)模塊的轉(zhuǎn)軸互相垂直。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化的仿生攀爬機器人,其特征在于所述I 型關(guān)節(jié)模塊包括第一伺服電機及光電編碼器組件(101 )、第一關(guān)節(jié)套筒(102)、 第一電機軸套(103)、第一電機座(104)、第一關(guān)節(jié)基座(105)、第一軸承端 蓋(106)、軸承座(107)、角接觸球軸承及外軸套(108)、第二軸承端蓋(109)、 內(nèi)齒輪(IIO)、關(guān)節(jié)輸出端連接件(lll)、過渡齒輪軸(112)、過渡齒輪(U3)、 第一諧波減速器輸出軸(114)、中心齒輪(115)、小軸承端蓋(116)、軸套(117)、 第一角接觸球軸承(118)、第一諧波減速器輸出過渡盤(119)和第一盤式諧 波減速器組件(120),各零部件的連接方式為第一伺服電機及光電編碼器組 件(101)與第一電機座(104)通過軸向螺釘緊固;電機軸通過第一電機軸套(103)與第一盤式諧波減速器組件(120)的波發(fā)生器間接相連;第一盤式諧 波減速器組件(120)的輸入和輸出剛輪通過軸向螺釘分別與第一電機座(104) 和第一諧波減速器輸出過渡盤(119)緊固連接,而第一諧波減速器輸出過渡 盤(119)再用軸向螺釘與第一諧波減速器輸出軸(114)緊固連接;第一關(guān)節(jié) 套筒(102)套在第一電機座(104)上并沿圓周方向用徑向螺釘緊固;第一電 機座(104)通過軸向螺釘與第一關(guān)節(jié)基座(105)緊固連接;軸承座(107) 通過角接觸球軸承及外軸套(108)支承于第一關(guān)節(jié)基座(105)上;角接觸球 軸承及外軸套(108)通過第一軸承端蓋(106)定位和施加預(yù)緊力;第一諧波 減速器輸出軸(114)通過兩個平鍵與中心齒輪(115)連接,而中心齒輪(115)又與對稱分布的兩個過渡齒輪(113)嚙合;兩個過渡齒輪軸(112)通過其上 的螺紋與第一關(guān)節(jié)基座(105)緊固連接,并通過軸承與過渡齒輪(113)連接; 兩個過渡齒輪(113)與內(nèi)齒輪(110)嚙合;內(nèi)齒輪(110)、關(guān)節(jié)輸出端連接件(111)和軸承座(107)三者通過軸向螺釘緊固連接。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化的仿生攀爬機器人,其特征在于所述T 型關(guān)節(jié)模塊包括第二伺服電機及光電編碼器組件(201)、第二關(guān)節(jié)套筒(202)、 第二電機座(203)、第二關(guān)節(jié)基座(204)、第二角接觸球軸承(205)、軸承套 環(huán)(206)、內(nèi)軸套(207)、小錐齒輪(208)、齒輪端蓋(209)、第一關(guān)節(jié)軸端 蓋(210)、關(guān)節(jié)軸(211)、關(guān)節(jié)蓋(212)、大錐齒輪(213)、關(guān)節(jié)連接件(214)、 關(guān)節(jié)軸角接觸球軸承(215)、第二關(guān)節(jié)軸端蓋(216)、第三軸承端蓋(217)、 第四軸承端蓋(218)、第二諧波減速器輸出軸(219)、第二諧波減速器輸出過 渡盤(220)、第二盤式諧波減速器組件(221)和第二電機軸套(222),各零 部件的連接方式為第二伺服電機及光電編碼器組件(201)與第二電機座(203) 通過軸向螺釘緊固;電機軸通過第二電機軸套(222)與第二盤式諧波減速器 組件(221)的波發(fā)生器間接相連;第二盤式諧波減速器組件(221)的輸入和 輸出剛輪通過軸向螺釘分別與第二電機座(203)和第二諧波減速器輸出過渡 盤(220)緊固連接,而第二諧波減速器輸出過渡盤(220)再用軸向螺釘與第 二諧波減速器輸出軸(219)緊固連接;第二關(guān)節(jié)套筒(202)套在第二電機座(203)上并沿圓周方向用徑向螺釘緊固;第二電機座(203)通過軸向螺釘與 第二關(guān)節(jié)基座(204)緊固連接;第二諧波減速器輸出軸(219)通過第二角接 觸球軸承(205)及軸承套環(huán)(206)支承于關(guān)節(jié)軸承座(204)內(nèi),輸出端與 小錐齒輪(208)連接,用齒輪端蓋(209)緊固;小錐齒輪(208)與第二角 接觸球軸承(205)之間通過內(nèi)軸套(207)作軸向間隔;小錐齒輪(208)與 大錐齒輪(213)嚙合,而大錐齒輪(213)安裝于關(guān)節(jié)軸(211)上;關(guān)節(jié)軸(211)用角接觸球軸承(215)支承于第二關(guān)節(jié)基座(204)上,兩端通過第 一關(guān)節(jié)軸端蓋(210)與關(guān)節(jié)連接件(214)固連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3任一項所述的模塊化的仿生攀爬機器人,其特征在 于所述夾持器模塊包括驅(qū)動電機及檢測組件(301)、第三關(guān)節(jié)套筒(302)、第 三電機軸套(303)、第三諧波減速器輸出過渡盤(304)、夾持器殼體(305)、 從動桿(306)、蝸輪主動桿(307)、夾具(308)、軸承外端蓋(309)、軸承內(nèi) 端蓋(310)、蝸桿軸角接觸球軸承(311)、蝸輪軸角接觸球軸承(312)、第三 諧波減速器輸出軸(313)、蝸桿(314)、第三盤式諧波減速器組件(315)、蝸 輪軸端蓋(316)和蓋板(317),各零部件的連接方式為驅(qū)動電機及檢測組 件(301)與第三關(guān)節(jié)套筒(302)通過軸向螺釘緊固;電機軸通過第三電機軸 套(303)與第三盤式諧波減速器組件(315)的波發(fā)生器間接相連;第三盤式 諧波減速器組件(315)的輸入和輸出剛輪通過軸向螺釘分別與第三關(guān)節(jié)套筒 (302)和第三諧波減速器輸出過渡盤(304)緊固連接,而第三諧波減速器輸 出過渡盤(304)再用軸向螺釘與第三諧波減速器輸出軸(313)緊固連接;第 三關(guān)節(jié)套筒(302)通過軸向螺釘與夾持器殼體(305)緊固連接;第三諧波減 速器輸出軸(313)通過一對蝸桿軸角接觸球軸承(311)支承于夾持器殼體(305) 內(nèi);蝸桿(314)通過一個平鍵與第三諧波減速器輸出軸(313)相聯(lián);軸承外 端蓋(309)、軸承內(nèi)端蓋(310)對蝸桿軸角接觸球軸承(311)施加預(yù)緊力并 對蝸桿進行軸向定位;蝸輪主動桿(307)通過一對蝸輪軸角接觸球軸承(312) 分別支承于夾持器殼體(305)和蓋板(317)內(nèi);而蓋板(317)通過螺釘與 夾持器殼體(305)緊固連接;蝸輪軸端蓋(316)對蝸輪軸角接觸球軸承(312) 施加預(yù)緊力,并對蝸輪主動桿(307)進行軸向定位;蝸桿(314)與蝸輪主動 桿(307)嚙合;而蝸輪主動桿(307)和從動桿(306)又通過銷釘與夾具(308) 鉸接。
全文摘要
本發(fā)明公開一種模塊化的仿生攀爬機器人,由五個關(guān)節(jié)模塊和兩個夾持器模塊組成。每個關(guān)節(jié)模塊具有一個轉(zhuǎn)動自由度,由直流伺服電機驅(qū)動。關(guān)節(jié)模塊有I型和T型兩種,其關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸分別與關(guān)節(jié)連桿軸線平行和垂直。各模塊按串聯(lián)方式依次用卡環(huán)連接,順序為夾持器—I型關(guān)節(jié)—T型關(guān)節(jié)—T型關(guān)節(jié)—T型關(guān)節(jié)—I型關(guān)節(jié)—夾持器。三個T型關(guān)節(jié)模塊的轉(zhuǎn)軸互相平行,并與兩端的I型關(guān)節(jié)模塊的轉(zhuǎn)軸互相垂直。該機器人能以尺蠖式、扭轉(zhuǎn)式和翻轉(zhuǎn)式等步態(tài)在桿上、樹上和桁架中攀爬,并具有操作功能。該機器人具有自由度少、構(gòu)建容易、結(jié)構(gòu)和控制簡單、攀爬能力強、對攀爬對象的適應(yīng)性好等特點,可以廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)和建筑業(yè)等領(lǐng)域的高空作業(yè)。
文檔編號B25J9/08GK101664927SQ20091019236
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月15日
發(fā)明者周雪峰, 張憲民, 煒 徐, 勵 江, 管貽生 申請人:華南理工大學(xué)