[发明专利]一种超冗余度蛇形机器人的驱动装置

说明书

本发明公开了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。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。

技术领域

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OC Robotics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。

发明内容