CN100450856C - 仿壁虎机器人 - Google Patents

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Abstract

仿壁虎机器人由机械部分和电路部分组成，机械部分分前工作部分和后工作部分，两部分结构完全对称，并通过柔性杆连接；每一部分由机器人身体、两个脚掌和两条腿构成，每条腿由三个可控自由度的大腿零件、小腿零件和腿根零件组成，每个大腿零件的两端、小腿零件的一端和腿根零件的一端之间均通过舵机铰接连接在一起；电路部分包括：单片机、数字开关控制电路、舵机、吸盘和电源，电源为单片机、位于脚掌上的吸盘和舵机提供电源，单片机通过输出PWM波形控制舵机转角大小，达到控制机器人的步态，同时单片机通过控制数字开关电路的通断达到控制机器人脚掌上吸盘的吸附与释放。本发明能够实现小半径转弯动作，越障能力得到提高。

Description

仿壁虎机器人
技术领域
本发明涉及一种微小型机器人-仿壁虎机器人，主要应用于反恐，救援，首脑保卫，特种侦查等公共和国家安全等领域。
背景技术
目前世界上关于仿壁虎机器人的研制还出在初步阶段，真正实现类似壁虎的全空间无障碍运动的机器人还需要时间。Kathryn A.Daltori，AndrewD.Horchler，Stanislav Gorb，Roy E.Ritzmann，Roger D.Quinn.A SmallWall-Walking Robot with Compliant，Adhesive Feet.“2005 IEEE/RSJInternational Conference on Intelligent Robots and Systems”公开了美国克里佛兰市的Case Western Reverse大学研制了一台小型的名字叫Mini-Whegs的爬壁机器人，该机器人用一个电机驱动四个轮子同时转动，每个轮子上装有4片由仿壁虎脚趾的材料制作的脚掌(如图1所示)，该机器人的特点是体积小、重量轻(87g)，可以独立行走在垂直壁面、天花板，自备电源，并且能够轻松地从一个面过度到另一个垂直面上，该机器人还处于研究阶段，主要应用于对仿壁虎脚掌材料吸附能力的测试实验。CarloMenon，Michael Murphy，Metin Sitti.Gecko Inspired Surface ClimbingRobots.“IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics(ROBIO)”.ShengYang，China，Aug 2004.公开了美国卡梅隆大学利用研制出的仿壁虎脚掌材料研制两种不同机构的爬壁机器人，经过试验证实这两种机器人能够在任意干燥表面移动，并且具有一定越障能力，其中图2所示结构的机器人还可以轻松地在存在夹角的两个表面来回过度。该学校的研究人员还将吸附材料做成履带形势安装于机器人身上，研制出履带式爬壁机器人如图3所示。试验证明这三种类壁虎机器人都实现了爬壁的功能，但是由于其爬行方式为轮式爬行，当沿着垂直壁面爬行转弯时由于吸附材料与墙面发生相对滑动导致其吸附能力遭到破坏，难于实现转弯动作。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种仿壁虎机器人，该机器人在爬壁过程中能够实现小半径转弯动作，机器人爬行过程中产生吸附力的脚掌不与壁面发生相对移动，机器人具有丰富的姿态能够适应复杂地形；越障能力得到提高。
本发明的技术解决方案：仿壁虎机器人由机械部分和电路部分组成，其中机械部分采用足式爬行方式，分为前工作部分和后工作部分，且两部分结构完全对称，具有互换性，两部分通过柔性杆连接在一起；前工作部分或后工作分别由机器人身体、两个脚掌和两条腿构成，每条腿由三个可控自由度的大腿零件、小腿零件和腿根零件组成，每个大腿零件的两端、小腿零件的一端和腿根零件的一端之间均通过舵机铰接连接在一起，每个小腿零件的另一端与脚掌连接，每个腿根零件的另一端与机械人身体连接；电路部分包括：单片机、数字开关控制电路、舵机、吸盘和电源，电源为单片机、位于脚掌上的吸盘和舵机提供电源，单片机通过输出PWM波形控制舵机转角大小，达到控制机器人的步态，同时单片机通过控制数字开关电路的通断达到控制机器人脚掌上吸盘的吸附与释放。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明仿壁虎机器人采用足式爬行方式，机器人能够在小转弯半径内实现灵活转弯动作，而且由于采用足式方式，机器人能够在爬行过程中选择合适的姿态与合适的落脚点，克服壁面不平坦现象，越障能力比轮式爬行机器人强。合理的机器人爬行机构设计及步态规划结果，保证机器人爬行过程中吸附在墙面的脚掌不与壁面发生相对滑动，即不会破坏机器人的吸附能力；机器人可以具有丰富的姿态以适应复杂的地形环境。
附图说明
图1为现有技术的机器人Mini-Whegs结构示意图；
图2为现有技术的轮式爬壁机器人结构示意图；
图3为现有技术的履带式爬壁机器人结构示意图；
图4为本发明机器人的机械部分的主视结构示意图；
图5为本发明机器人的机械部分的后视结构示意图；
图6为本发明机器人的机械部分的侧视结构示意图；
图7为本发明机器人身体部分的结构示意图，其中图7a为俯视图，图7b为主视图，图7c为侧视图；
图8为本发明机器人的大腿零件结构图，其中图8a为俯视图，图8b为主视图，图8c为侧视图；
图9本发明机器人的腿根零件图，其中图9a为俯视图，图9b为主视图，图9c为侧视图；
图10本发明机器人的小腿零件图，其中图10a为俯视图，图10b为主视图，图10c为侧视图；
图11为本发明机器人的电路部分结构组成框图；
图12为本发明的单片机部分电路示意图；
图13为本发明电路部分中控制吸附脚掌通断的数字开关控制电路电原理图；
图14本发明的机器人工作流程图；
图15本发明的上位机控制程序界面。
具体实施方式
如图4、5、6所示，本发明仿壁虎机器人的机械部分采用足式爬行方式，分为前工作部分和后工作部分，上半部分为前工作部分，下半部分为后工作部分，两部分结构完全对称，上下两部分具有互换性，两部分通过柔性杆6连接在一起，柔性杆6两端通过螺钉固接于机器人身体上，在本实施例中柔性杆6采用弹簧片。前工作部分或后工作分别由机器人身体2、两个脚掌7和两条腿构成，每条腿由三个可控自由度的大腿零件4、小腿零件5和腿根零件3组成，每个大腿零件4的两端、小腿零件5的一端和腿根零件3的一端之间均通过舵机1铰接连接在一起，每个小腿零件5的另一端与脚掌7连接，每个腿根零件3的另一端与机械人身体2连接。本发明中每条腿上共3个舵机，4条腿共12个舵机，在大腿零件4、小腿零件5和腿根零件3与舵机1的连接处加工出一个能够镶嵌舵机输出端的大约1mm的凹槽8，达到将舵机运动传输到下一个连接器件的目的；本发明机器人的其他连接处，如每个小腿零件5与脚掌7的连接和腿根零件3与机械人身体2连接等均采用螺钉或螺栓固接，螺钉或螺栓直径尺寸选用M2。
舵机1的输出端为一个十字架，该十字架的形状如图8、9、10所示的凹槽，将舵机1输出的十字架嵌入到凹槽8中并用螺钉固定，实现舵机1与各零件的连接。
图7为机器人身体部分零件图，两个舵机1通过螺纹孔10固定于挡板9上，12为底板11上加工的减轻槽，螺纹孔13用于固定控制电路板，螺纹孔14用于固定连接前后身体的柔性杆6，机器人身体由两个图7所示的零件构成，两个零件通过固定于螺纹孔14的柔性杆7连接。
图8为机器人大腿零件图，固定于腿根的舵机输出端嵌入到图示的凹槽8中，并通过孔15用螺钉固定，另一个舵机1通过螺纹孔16固定在与舵机外形尺寸相同的矩形孔17处，机器人总共有4个大腿零件。
图9位机器人腿根零件图，固定在机器人身体零件上的舵机1输出端通过螺钉固定在图示的凹槽8中，另一个舵机1通过螺纹孔19固定在与舵机外形尺寸相同的矩形孔20处，机器人总共有4个腿根零件。
图10为机器人小腿零件图，固定在大腿零件上的舵机输出端通过螺钉固定在图10所示的凹槽8中，自选的脚掌7可以通过孔21固定于小腿零件上，机器人总共有四个小腿零件。
如图11所示，本发明的电路部分包括：单片机22、数字开关控制电路23、舵机1、位于脚掌上的吸盘24和电源25，为了便于控制和操作，电路部分中还接有上位机26，该上位机26通过UART或RS232接口与单片机22连接，电源25分别为单片机电路22、吸盘24上电磁铁和12个舵机1提供电源，上位机26发出控制指令，单片机22通过串口接收该控制指令后，其12路I/O口输出12个PWM波形控制12个舵机1的转角大小，达到控制机器人的步态，同时单片机22的4路I/O作为脚掌吸附力控制端口输出控制数字开关电路23的通断达到控制机器人脚掌7上吸盘24的吸附与释放。
如图12所示，本发明的单片机22的12个I/O口作为PWM输出控制舵机的转角，4个I/O口输出的SUCKn信号作为脚掌吸附力控制端口，I/O利用高低电压控制功率三极管的通断达到控制脚掌吸附力的目的，RXD、TXD分别为串口接收数据和发送数据引脚，RESET为复位信号，VCC接5V输入电压，SCK、MISO、MOSI作为单片机的在系统编程信号(ISP)；单片机通过串口接收上位机的控制指令，如果串口没有控制指令，机器人将采用默认指令运动。
如图13所示，数字开关控制电路23由功率三极管D1758和位于基极上的上拉电阻R组成，功率三极管D1758的集电极上接吸盘电磁铁。本实施例中基极与发射极的电压为5V时，该功率三级管的放大倍数大约为190，脚掌吸附元件为电磁铁，其电阻大小为20欧；为了使功率管工作在最佳状态，使得在电磁铁上分担电压达到最大，可以求出R＝24＊190＊(5-0.7)/(VCC-2)，VCC为15v，经过测量此时功率管集电极到发射极的电压大约为2伏，可以算出基极的电阻R大小应该选用1500欧。
如图14所示：本发明的工作流程图，单片机内部设有两个计数器，一个计数器控制机器人爬行周期(即机器人爬行速度)，另一个计数器控制PWM波形，两个计数器同时协作实现控制机器人做各种不同特征的运动。如果单片机没有接到上位机发送的控制指令，则控制机器人按照默认的爬行方式爬行，否则程序响应中断，识别并分析指令，再调用对应的控制函数；控制函数中通过读取计数器数值，当计数器数值所对应的时间等于所需要的PWM脉宽，则设置相应的I/O口，通过若干次比较可以模拟出12路PWM波形控制舵机转动，同时通过4路I/O口控制功率三极管的通断达到控制机器人脚掌的吸附力。
如图15所示为上位机控制程序：自定义通信协议，接收用户输入的控制参数，然后通过串口向单片机发送控制指令，结合单片机的控制程序能够控制机器人任意关节的转角以及机器人的爬行方向和爬行速度。

Claims (4)

1、仿壁虎机器人，由机械部分和电路部分组成，其特征在于：所述的机械部分采用足式爬行方式，分为前工作部分和后工作部分，且两部分结构完全对称，具有互换性，两部分通过柔性杆连接在一起；前工作部分或后工作分别由机器人身体、两个脚掌和两条腿构成，每条腿由三个可控自由度的大腿零件、小腿零件和腿根零件组成，每个大腿零件的两端、小腿零件的一端和腿根零件的一端之间均通过舵机铰接连接在一起，每个小腿零件的另一端与脚掌连接，每个腿根零件的另一端与机械人身体连接；所述的电路部分包括：单片机、数字开关控制电路、舵机、吸盘和电源，电源为单片机、位于脚掌上的吸盘和舵机提供电源，单片机通过输出PWM波形控制舵机转角大小，达到控制机器人的步态，同时单片机通过控制数字开关电路的通断达到控制机器人脚掌上吸盘的吸附与释放。
2、根据权利要求1所述的仿壁虎机器人，其特征在于：所述的电路部分中还接有上位机，该上位机通过UART或RS232接口与单片机连接，输出控制指令，使单片机工作。
3、根据权利要求1所述的仿壁虎机器人，其特征在于：所述的数字开关控制电路由功率三极管和位于基极上的上拉电阻R组成，功率三极管的集电极上接吸盘电磁铁。
4、根据权利要求1所述的仿壁虎机器人，其特征在于：所述的柔性杆为弹簧片。
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