一種仿生象鼻機器人的製作方法

2024-03-04 16:30:15 1

專利名稱：一種仿生象鼻機器人的製作方法
技術領域：
本發明涉及機器人領域，尤其涉及一種超冗餘可重構仿生象鼻機器人。
背景技術：
仿生象鼻機器人是指能夠模仿自然界中象鼻的外部形狀、運動原理和行為方式， 能夠跟象鼻一樣靈活工作的機器人，具有較高的運動靈活性，能夠特殊未知環境下具有良 好的適應性。
目前，仿生象鼻機器人多為採用氣囊、繩索、人造肌肉或形狀記憶合金等驅動形式 實現的超冗餘或連續型機器人。其中，多餘的自由度可用來改善機器人的運動及動力學特 性，如增加靈活性、躲避障礙、迴避奇異、優化關節速度等，從而提高機器人的靈活性和柔韌 性。但是現有的象鼻機器人的結構還是存在一些缺陷，沒有很好的將各種特性結合在一起， 導致整體上機械結構的剛度和穩定性偏弱、負載能力較低。發明內容
(一)要解決的技術問題
本發明的目的是提供一種仿生象鼻機器人，以克服現有技術下象鼻機器人剛度 小，穩定性差，負載能力較低等問題。
(二)技術方案
為了解決上述技術問題，本發明提供了一種仿生象鼻機器人，所述機器人包括機 架、象鼻外罩、象鼻機構和操作手爪；所述象鼻機構包括多個關節單元，且各關節單元串接 在一起；所述象鼻機構的一端與機架懸掛連接，其另一端與操作手爪連接，所述象鼻外罩包 在象鼻機構的外部。
優選地，所述關節單元包括上平臺、下平臺、中間運動支鏈和外運動支鏈；各關節 單元的上平臺均與另一個關節單元的下平臺連接；最外端的下平臺與機架連接，最外端的 上平臺與操作手爪連接；所述中間運動支鏈的一端固定在下平臺的中心處，其另一端與上 平臺鉸接；所述外運動支鏈為三個，外運動支鏈的兩端分別與上平臺和下平臺鉸接，且三個 外運動支鏈與上平臺和下平臺的鉸接位置沿圓周方向均勻分布。
優選地，所述中間運動支鏈與上平臺的鉸接方式為球鉸，或者為轉動副配合虎克 鉸；所述外運動支鏈與上平臺的鉸接方式為球鉸，其與下平臺的鉸接方式為虎克鉸或球鉸。
優選地，所述中間運動支鏈和外運動支鏈均為伸縮驅動機構，所述伸縮驅動機構 的伸縮端與上平臺鉸接。
優選地，所述伸縮驅動機構為電機和電動缸的組合。
或者，所述伸縮驅動機構為液缸。
或者，所述伸縮驅動機構為氣缸。
或者，所述伸縮驅動機構為電機、絲槓、滑鞍和定長杆的組合，所述滑鞍位於絲槓 的端部，所述定長杆與滑鞍連接。
優選地，各個下平臺和上平臺的尺寸從機架到操作依次減小。優選地，所述上平臺和下平臺均設有三塊形狀相同且沿圓周方向均勻分布的扇形鏤空區域。(三)有益效果本發明通過將多個四自由度的關節單元依次串接在一起形成象鼻機構，通過關節單元中的伸縮驅動機構使仿生象鼻機器人實現伸縮、蜿蜒、蠕動和側擺等動作，其具有剛度高，靈活性好，操作空間大，承受負載大，可重構性強，模塊化程度高等特點，可應用於危險品抓放搬運、狹小空間穿越探測等作業任務。


圖1為本發明實施例的仿生象鼻機器人的結構圖。
圖2為本發明實施例的仿生象鼻機器人去除象鼻外罩後的結構圖。圖3為本發明實施例的仿生象鼻機器人的關節單元的結構圖。圖4是本發明實施例的仿生象鼻機器人的關節單元與操作手爪連接的示意圖。圖中；1 :機架；2 : 呆作手爪；3 :象鼻外罩；4 :上平臺；5 :虎克絞；6 :轉動副；7 :球鉸；8 :電動缸；9 :電機；10 :下平臺。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明的實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不能用來限制本發明的範圍。在本發明的描述中，需要說明的是，術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」 「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於
附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。此外，在本發明的描述中，除非另有說明，「多個」的含義是兩個或兩個以上。本發明中，仿生象鼻機器人關節單元的數目可根據操作環境與任務的要求進行適當的增加或減少。實施例1如圖1-4所示，本實施例的仿生象鼻機器人包括機架1、象鼻外罩3、象鼻機構和操作手爪2 ;其中，象鼻機構包括六個關節單元，各關節單元串接在一起形成象鼻狀鏈結構；象鼻機構的一端與機架I中部懸掛連接，其另一端與操作手爪2連接；象鼻外罩3包在象鼻機構的外部。
所述關節單元包括上平臺4、下平臺10、中間運動支鏈和外運動支鏈；上平臺4和 下平臺10均為圓形，各關節單元的上平臺4均與另一個關節單元的下平臺10連接，最外端 的下平臺10與機架I中部懸掛連接，最外端的上平臺4與操作手爪2連接，且各個下平臺 10和上平臺4的尺寸從機架I到操作手爪2依次減小；中間運動支鏈和外運動支鏈均為電 機9和電動缸8的組合，電機9安裝在電動缸8的底部；中間運動支鏈為一個，位於關節單 元的中心軸線上，中間運動支鏈的電機9固定在下平臺10的中心處，中間運動支鏈的電動 缸8的伸縮端通過轉動副6和虎克鉸5與上平臺4鉸接在一起；外運動支鏈為三個，外運動 支鏈的電機9通過虎克鉸與下平臺10鉸接，外運動支鏈的電動缸8的伸縮端通過球鉸7與 上平臺4鉸接，三個外運動支鏈與上平臺4和下平臺10的鉸接位置沿圓周方向均勻分布， 使三個外運動支鏈在上平臺4和下平臺10之間相對於中間運動支鏈均勻分布；上平臺4和 下平臺10均設有三塊形狀相同且沿圓周方向均勻分布的扇形鏤空區域，每個扇形鏤空區 域均位於兩個外運動支鏈的鉸接處之間，且上平臺4與下平臺10的扇形鏤空區域位置相對 應。
本實施例的關節單元的上平臺4相對於下平臺10具有四個自由度，分別為繞三個 坐標軸X軸、y軸和z軸的轉動和沿z軸方向的移動，由多個關節單元串接成超冗餘鏈式結 構的仿生象鼻機器人可在空間中實現伸縮、蜿蜒、蠕動和側擺等作業動作，並通過安裝在末 端平臺上的操作手爪2來拾取目標物體。
實施例2
如圖1-4所示，本實施例的仿生象鼻機器人包括機架1、象鼻外罩3、象鼻機構和操 作手爪2 ;其中，象鼻機構包括六個關節單元，各關節單元串接在一起形成象鼻狀鏈結構； 象鼻機構的一端與機架I中部懸掛連接，其另一端與操作手爪2連接；象鼻外罩3包在象鼻 機構的外部。
所述關節單元包括兩個連接平臺以及兩個連接平臺之間的中間運動支鏈和外運 動支鏈，所述連接平臺即相當於實施例1中的上平臺4和下平臺10結合成一個平臺；連接 平臺為圓形，各關節單元之間通過一個連接平臺相連接，象鼻機構一端的連接平臺與機架I 中部懸掛連接，另一端的連接平臺與操作手爪2連接，且各個連接平臺的尺寸從機架I到操 作手爪2依次減小；中間運動支鏈和外運動支鏈均為液缸或氣缸；中間運動支鏈為一個，位 於關節單元的中心軸線上，其底部固定在關節單元一端的連接平臺的中心處，其伸縮端通 過球鉸與關節單元另一端的連接平臺鉸接在一起；外運動支鏈為三個，其底部通過球鉸與 關節單元一端的連接平臺鉸接，其伸縮端通過球鉸7與關節單元另一端的連接平臺鉸接， 三個外運動支鏈與其兩端的連接平臺的鉸接位置沿圓周方向均勻分布，使三個外運動支鏈 在它們兩端的連接平臺之間相對於中間運動支鏈均勻分布；連接平臺設有三塊形狀相同且 沿圓周方向均勻分布的扇形鏤空區域，每個扇形鏤空區域均位於兩個外運動支鏈的鉸接處 之間。
本實施例的關節單元的一個連接平臺相對於其前一個連接平臺具有四個自由度， 分別為繞三個坐標軸X軸、y軸和z軸的轉動和沿z軸方向的移動，由多個關節單元串接成 超冗餘鏈式結構的仿生象鼻機器人可在空間中實現伸縮、蜿蜒、蠕動和側擺等作業動作，並 通過安裝在末端平臺上的操作手爪2來拾取目標物體。
實施例3
如圖1-4所示，本實施例的仿生象鼻機器人包括機架1、象鼻外罩3、象鼻機構和操作手爪2 ;其中，象鼻機構包括六個關節單元，各關節單元串接在一起形成象鼻狀鏈結構；象鼻機構的一端與機架I中部懸掛連接，其另一端與操作手爪2連接；象鼻外罩3包在象鼻機構的外部。所述關節單元包括上平臺4、下平臺10、中間運動支鏈和外運動支鏈；上平臺4和下平臺10均為圓形或其他形狀，各關節單元的上平臺4均與另一個關節單元的下平臺10連接，最外端的下平臺10與機架I中部懸掛連接，最外端的上平臺4與操作手爪2連接，且各個下平臺10和上平臺4的尺寸從機架I到操作手爪2依次減小；中間運動支鏈和外運動支鏈均為電機、絲槓、滑鞍和定長杆的組合，電機安裝在絲槓底部且與下平臺10鉸接，滑鞍位於絲槓的端部，定長杆與滑鞍連接且與上平臺4鉸接；中間運動支鏈為一個，位於關節單元的中心軸線上，中間運動支鏈的電機固定在下平臺10的中心處，中間運動支鏈的伸縮端通過球鉸與上平臺4鉸接在一起；外運動支鏈為三個，外運動支鏈的電機通過虎克鉸與下平臺10鉸接，外運動支鏈的伸縮端通過球鉸7與上平臺4鉸接，三個外運動支鏈與上平臺4和下平臺10的鉸接位置沿圓周方向均勻分布，使三個外運動支鏈在上平臺4和下平臺10之間相對於中間運動支鏈均勻分布。本實施例的關節單元的上平臺4相對於下平臺10具有四個自由度，分別為繞三個坐標軸X軸、y軸和z軸的轉動和沿z軸方向的移動，由多個關節單元串接成超冗餘鏈式結構的仿生象鼻機器人可在空間中實現伸縮、蜿蜒、蠕動和側擺等作業動作，並通過安裝在末端平臺上的操作手爪2來拾取目標物體。本發明的實施例是為了示例和描述起見而給出的，而並不是無遺漏的或者將本發明限於所公開的形式。很多修改和變化對於本領域的普通技術人員而言是顯而易見的。選擇和描述實施例是為了更好說明本發明的原理和實際應用，並且使本領域的普通技術人員能夠理解本發明從而設計適於特定用途的帶有各種修改的各種實施例。
權利要求
1.一種仿生象鼻機器人，其特徵在於，所述機器人包括機架、象鼻外罩、象鼻機構和操作手爪；所述象鼻機構包括多個關節單元，且各關節單元串接在一起；所述象鼻機構的一端與機架懸掛連接，其另一端與操作手爪連接，所述象鼻外罩包在象鼻機構的外部。
2.根據權利要求1所述的仿生象鼻機器人，其特徵在於，所述關節單元包括上平臺、下平臺、中間運動支鏈和外運動支鏈；各關節單元的上平臺均與另一個關節單元的下平臺連接；最外端的下平臺與機架連接，最外端的上平臺與操作手爪連接；所述中間運動支鏈的一端固定在下平臺的中心處，其另一端與上平臺鉸接；所述外運動支鏈為三個，外運動支鏈的兩端分別與上平臺和下平臺鉸接，且三個外運動支鏈與上平臺和下平臺的鉸接位置沿圓周方向均勻分布。
3.根據權利要求2所述的仿生象鼻機器人，其特徵在於，所述中間運動支鏈與上平臺的鉸接方式為球鉸，或者為轉動副配合虎克鉸；所述外運動支鏈與上平臺的鉸接方式為球鉸，其與下平臺的鉸接方式為虎克鉸或球鉸。
4.根據權利要求2所述的仿生象鼻機器人，其特徵在於，所述中間運動支鏈和外運動支鏈均為伸縮驅動機構，所述伸縮驅動機構的伸縮端與上平臺鉸接。
5.根據權利要求4所述的仿生象鼻機器人，其特徵在於，所述伸縮驅動機構為電機和電動缸的組合。
6.根據權利要求4所述的仿生象鼻機器人，其特徵在於，所述伸縮驅動機構為液缸。
7.根據權利要求4所述的仿生象鼻機器人，其特徵在於，所述伸縮驅動機構為氣缸。
8.根據權利要求4所述的仿生象鼻機器人，其特徵在於，所述伸縮驅動機構為電機、絲槓、滑鞍和定長杆的組合，所述滑鞍位於絲槓的端部，所述定長杆與滑鞍連接。
9.根據權利要求2-8中任何一項所述的仿生象鼻機器人，其特徵在於，各個下平臺和上平臺的尺寸從機架到操作手爪依次減小。
10.根據權利要求2-8中任何一項所述的仿生象鼻機器人，其特徵在於，所述上平臺和下平臺均設有三塊形狀相同且沿圓周方向均勻分布的扇形鏤空區域。
全文摘要
本發明涉及機器人領域，具體公開了一種仿生象鼻機器人，所述機器人包括機架、象鼻外罩、象鼻機構和操作手爪，所述象鼻機構包括多個關節單元，且各關節單元串接在一起，所述象鼻機構的一端與機架懸掛連接，其另一端與操作手爪連接，所述象鼻外罩包在象鼻機構的外部。本發明通過將多個具有四自由度的關節單元依次串接在一起形成象鼻機構，通過關節單元中的伸縮驅動機構使仿生象鼻機器人實現伸縮、蜿蜒、蠕動和側擺等動作，具有剛度高，靈活性好，操作空間大，承受負載大，可重構性強，模塊化程度高等特點，可應用於危險品抓放搬運、狹小空間穿越探測等作業任務。
文檔編號B25J9/00GK102990645SQ201210514688
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月4日 優先權日2012年12月4日
發明者趙永傑, 路松, 張興偉, 張曉妮, 李昇平 申請人:汕頭大學