一种基于远端集中式驱动的多关节选控式可重构执行装置

本发明涉及机器人，具体涉及一种基于远端集中式驱动的多关节选控式可重构执行装置。

背景技术：

1、传统模块化机器人采用各个关节都配备驱动电机，这难以满足需要机器人低重量、低功耗的场景，如部署到无人机上，传统机器人就会造成载重大、耗能高、运动惯量大等问题，采用集中驱动可以降低重量和能耗的同时让控制更加简单；或应用于管道或者隧道检测与维护、储罐设备内部检修，采用集中驱动可减少在前端叠加电机的数量，也兼顾了机器人结构空间有限和散热问题。

2、相较于模块化机器人各模块独立控制所带来的协调性问题，如何在低重量、低功耗约束下实现各模块稳定高效运行，往往具有更大的技术难度。现有模块化机器人的控制结构通常较为复杂，不仅增加了系统集成与控制实现难度，还容易导致关节驱动单元在承载能力、能耗水平与响应性能之间难以兼顾，进而带来整体能耗较高、控制策略复杂以及计算资源需求较大等问题。

3、发明申请（公开号cn 120902582 a）公开了一种气压电机协同驱动的超冗余变形连续体充电机器人系统。该发明采用气动半波纹管驱动实现各段气动连续体在平面内的灵活弯曲运动，并通过中空电机驱动将平面弯曲运动转化为三维空间内的多自由度运动。通过气动驱动与中空电机协同控制，充电头可灵活调整位置与姿态，适应不同位置及角度的充电接口，然而该控制结构所使用的气动驱动存在非线性、滞后及柔顺性强等问题，且中空电机与气动系统协同控制复杂，导致整机结构集成度低、关节负载大，且运动部件惯量大，降低了整机的动态响应能力和运动灵活性。

4、发明申请（公开号cn121733618a）公开了一种线驱动柔性机械臂及其控制方法。该线驱动柔性机械臂由底盘、多节下半肢和多节上半肢构成；通过底盘舵机负责驱动线的整体收放，各节舵机独立调节卡板松紧，实现对驱动线的局部锁止或释放，从而完成各关节的独立或协同运动。然而该通过绳索的拉紧与放松实现动力向各节关节的远程传递的传动方式，在负载变化或频繁运动工况下，因绳索传动整体刚度相对较低，易产生响应滞后和振动，进而影响执行机构的运动性能。同时，绳索在受力及往复运动过程中容易产生弹性伸长、松弛及磨损，导致动力传递精度不足，影响各节关节运动控制的准确性和稳定性；因此，现有基于绳索拉紧与放松进行远程动力传递的结构，相较于选控式电驱动结构，在系统刚度、控制精度、响应速度及多关节协调控制能力等方面仍存在一定差距，难以充分满足高精度、轻量化和高灵活性作业需求。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种基于远端集中式驱动的多关节选控式可重构执行装置。此基于远端集中式驱动的多关节选控式可重构执行装置可减少关节电机的使用，实现轻量化结构。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：本基于远端集中式驱动的多关节选控式可重构执行装置，包括环状的安装机架、第一定位板、第二定位板、凸轮和滑动导向块；

3、所述第一定位板和第二定位板分别安装于安装机架的上端和下端，所述第一定位板和第二定位板形成环状轨道；所述滑动导向块设置于环状轨道，且所述滑动导向块通过摇臂与驱动电机连接；

4、所述滑动导向块设置有内导杆，此内导杆的一端伸出滑动导向块的外壁，另一端延伸出滑动导向块的内壁，且所述内导杆的另一端套接有复位弹簧，此复位弹簧的一端顶着滑动导向块的内壁，另一端与内导杆的另一端连接，同时，所述内导杆的另一端的端部设有棘爪；

5、所述安装机架设有多个导向孔，此导向孔自安装机架的内壁贯穿至外壁；每个导向孔内均设有外导杆，所述外导杆的一端延伸出安装机架的内壁，且外导杆的一端套接有保持弹簧，所述外导杆的另一端延伸出安装机架的外壁，且连接有导线；

6、所述凸轮安装于第二定位板，且与所述伺服电机连接，同时所述凸轮设有与棘爪匹配的棘齿；当驱动电机通过滑动导向块带动内导杆到达设定位置时，伺服电机驱动凸轮转动，通过凸轮推动内导杆与相应的外导杆连接。

7、优选的，还包括电池模块，此电池模块安装于滑动导向块的上端。

8、优选的，所述第一定位板包括第一内定位板和第一外定位板，所述第一内定位板位于第一外定位板的内圈；

9、所述第二定位板与第一定位板相对的一面设有第一内环和第二内环，所述第一内环与第一内定位板的外缘正对设置，所述第二内环与第一外定位板的内缘正对设置；所述第一内定位板、第一外定位板、第一内环、第二内环和第二定位板一起形成用于约束滑动导向块的环状轨道。

10、优选的，所述环状轨道的中心、凸轮的转动中心及摇臂的转动中心均位于同一轴线上。

11、优选的，安装机架采用法兰盘钻孔制成，钻成的导向孔在法兰盘均匀分布。

12、优选的，所述内导杆的两端均设有第一轴肩，所述滑动导向块设有用于安装内导杆的安装孔，所述第一轴肩的直径大于安装孔的直径，所述复位弹簧的一端顶着滑动导向块的内壁，另一端与位于内导杆另一端的第一轴肩连接。

13、优选的，所述外导杆的两端均设有第二轴肩，所述第二轴肩的直径大于导向孔的直径；位于外导杆一端的轴肩通过保持弹簧与安装机架的内侧连接。

14、优选的，所述棘爪的一侧面相对于内导杆的轴线具有夹角。

15、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

16、1、本发明采用集中式驱动策略，仅需一台驱动电机和一台伺服电机即可实现对多个关节的顺序选控，大幅减少电机数量，降低关节惯量和整机功耗，减小关节负载，使运动惯量更低，整机更灵活，能满足需要机器人低重量、低功耗的应用场景，实现轻量化应用需求。

17、2、本发明采用棘爪-棘齿机械锁止结构，配合凸轮挤压内导杆，实现可靠的机械选位和电气导通切换，无需复杂传感器反馈，结构简洁，故障率低，同时在有效降低控制结构的能耗和复杂度的同时，减少运动部件数量，进而降低故障率和维护成本。而且该结构具有较强的机械自锁能力和较好的控制接口兼容性，因此在不同工况和环境条件下具有更好的适应性。

18、3、本发明中内导杆由复位弹簧自动复位，外导杆由保持弹簧维持分离状态，非工作回路可靠隔离，避免误触发，保证系统安全性。

19、4、本发明的电池模块随滑动导向块移动，缩短了供电路径，减少了线缆弯折和干涉，而且该结构能够更充分地利用执行机构内部空间，减小固定供能单元对运动空间的占用，提高了供电稳定性和整体集成度。

20、5、本发明的安装机架上导向孔数量可灵活调整，支持模块化扩展，可快速适配不同关节数量的机器人构型，拆装维护方便。

21、6、本发明采用选控式的方法，通过驱动电机驱动滑动导向块。这就决定了该控制结构的模块化通用性强，能按需改变模块数量，适配不同的机器人构型，拆装维护方便。同时再采用伺服电机控制凸轮，配合复位弹簧的回复力，使导向杆的往复运动，加以内外导向杆的电磁传递，从而可以减少冗杂块机械传动与复杂走线，故障点少。

1.一种基于远端集中式驱动的多关节选控式可重构执行装置，其特征在于：包括环状的安装机架、第一定位板、第二定位板、凸轮和滑动导向块；

2.根据权利要求1所述的基于远端集中式驱动的多关节选控式可重构执行装置，其特征在于：还包括电池模块，此电池模块安装于滑动导向块的上端。

3.根据权利要求1所述的基于远端集中式驱动的多关节选控式可重构执行装置，其特征在于：所述第一定位板包括第一内定位板和第一外定位板，所述第一内定位板位于第一外定位板的内圈；

4.根据权利要求1所述的基于远端集中式驱动的多关节选控式可重构执行装置，其特征在于：所述环状轨道的中心、凸轮的转动中心及摇臂的转动中心均位于同一轴线上。

5.根据权利要求1所述的基于远端集中式驱动的多关节选控式可重构执行装置，其特征在于：安装机架采用法兰盘钻孔制成，钻成的导向孔在法兰盘均匀分布。

6.根据权利要求1所述的基于远端集中式驱动的多关节选控式可重构执行装置，其特征在于：所述内导杆的两端均设有第一轴肩，所述滑动导向块设有用于安装内导杆的安装孔，所述第一轴肩的直径大于安装孔的直径，所述复位弹簧的一端顶着滑动导向块的内壁，另一端与位于内导杆另一端的第一轴肩连接。

7.根据权利要求1所述的基于远端集中式驱动的多关节选控式可重构执行装置，其特征在于：所述外导杆的两端均设有第二轴肩，所述第二轴肩的直径大于导向孔的直径；位于外导杆一端的轴肩通过保持弹簧与安装机架的内侧连接。

8.根据权利要求1所述的基于远端集中式驱动的多关节选控式可重构执行装置，其特征在于：所述棘爪的一侧面相对于内导杆的轴线具有夹角。