CN100467333C - 仿生机器爬虫 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生机器爬虫，由不具有自主运动功能的头、尾部模块，具有一个旋转自由度的基本躯干模块组成，本发明采用全自动被动吸盘吸附，多传感器融合，以及中枢模式发生器运动控制算法。本发明的优越性在于：能够在具有垂直、斜面等地域情况下的不同材质壁面上自主爬行、越障和面到面转换，并能够实现侧移、旋转、翻滚等仿生运动功能。

Description

仿生机器爬虫

一、技术领域

本发明属于一种仿生机器人，特别涉及一种仿生机器爬虫。

二、技术背景

随着计算机科学、材料科学的发展，生物学与工程学相结合成为可能，并产生了新兴的仿生机器人研究领域。近年来仿生学研究逐渐成为机器人研究中的热点，各种仿生机器人层出不穷，如蛇型机器人，机械狗，2足、4足、6足步行机器生物等等。利用先进的计算工具和运动控制控制方法，机器仿生学研究将大大促进生物学研究，并进一步有利于人类真正认识自身。

但是所有国内外的研究均针对地面移动，目前尚无仿生机器爬虫的研究先例。已知壁面移动机器人主要有轮式、框架式、步行式几种；吸附原理也主要采用真空吸附、负压吸附、旋翼吸附等，这些方式均存在体积庞大的问题。

已知的生物爬虫的运动机理主要包括两种。一种是以蚯蚓为例，它的身体由许多节组成，每一节都包含环状和纵向两种肌肉，纵向肌肉收缩，这一节变得短而粗；环状肌肉收缩，这一节变得细而长。控制不同节的径向变形顺序即可实现蠕动。蚯蚓的蠕动需要管壁对其节体膨胀提供挤压约束，所以它不大适合在平面上运动。另一种以丈量虫为例，在运动中它的首、尾分别起保持器的作用，它们的足端在不同时段与地面发生吸附或脱离，而由中间节体的变形实现前进运动。丈量虫的足端与地面的关系不是吸附就是浮空，不出现在摩擦中移动的矛盾局面。显然这与吸盘的功能类似，即能回避壁面移动机器人既让吸盘吸附，又要让它移动的本征矛盾。同时也有利于翻越障碍和改变运动方向。

三、发明内容

本发明的目的在于将壁面吸附机理与生物毛虫移动机理结合，解决壁面移动机器人在面向小型化设计时遇到的共性问题。本发明提出的爬壁蠕虫仿照生物毛虫的运动自由度、仿生运动学原理构建系统，机器人身体由若干节体构成，采用全自动，被动吸盘吸附，多传感器融合，通过中枢模式发生器运动控制算法，协调各个模块关节的运动控制关系，能够在水平、垂直、斜面等条件下的不同材质壁面上自主爬行、越障、面面转换，并能够实现侧移、旋转、翻滚等仿生运动功能。

本发明的目的是通过下述方案达到的:一种仿生机器爬虫，由头模块(1)，躯干模块(2)组成，所述躯干模块由舵机(5)、小吸盘(6)及机壳(7)组成，机壳(7)有两对向外延伸的耳片(8)，机壳前耳片有一对吸盘安装孔(10)，后耳片有一对级联孔(9)，舵机(5)安装在机壳(7)前端，舵机的转动盘(3)与级联孔(9)成90度分布。头、尾模块(1)由外壳(7)、CCD摄像头(4)组成，CCD摄像头(4)安装在机壳(7)的耳片(8)前端。仿生机器爬虫以躯干为轴线由头模块与若干节躯干模块及尾部模块依次排列。各相邻模块之间沿爬虫躯干轴线旋转90度联结而成。躯干模块中的舵机转动可实现机器爬虫的俯仰和侧向摆动运动自由度。

仿生机器爬虫采用被动吸附实现与不同材质壁面的吸附保持。首先直接利用躯干的旋转运动将小吸盘压于壁面上，使小吸盘(6)内空气压缩排空，然后驱动该关节向上抬起实现扩大容积，从而使得吸盘内建立起一定的真空度。为了保持吸附的可靠性，控制该模块不断以低频、小幅振动，实现吸盘内容积的不断变化，补给真空泄漏损失，收到维持真空的效果。反之，抬起吸盘时，停止振动，由于泄漏损失，吸盘内真空消失，然后驱动躯干模块提起该吸盘。

由于仿生机器爬虫具有N个关节自由度，以生物学研究中的中枢模式发生器Central Pattern Generators(CPGs)模型为核心，建立机器人控制算法，实现高效复杂的运动步态。图5为中枢模式发生器算法应用示意图。图中象征性的以8个基本模块为例，相互之间均采用图4中所示原理连接。深色为垂直转动模块V_i(i＝1，2，3，4)；灰色为侧向转动模块H_i(i＝1，2，3，4)；每个模块CPG_s采用正弦函数进行步态运算，如式1所示。

$y_i=A_i\sin (\frac{2\mathrm{\π}}{T}t+{\mathrm{\φ}}_i)+O_i$      式1

其中:y_i为各模块CPG控制输出量，A_i为摆动振幅，t为控制时间，0_i为初始相位，T为控制周期；ΔΦ_V为相邻两个垂直转动关节间相位差；ΔΦ_H为相邻两个侧向转动关节间相位差；ΔΦ_VH为相邻两个垂直转动关节与侧向转动关节间相位差。分别调整采用A_i、ΔΦ_V、ΔΦ_H、ΔΦ_VH可以实现机器爬虫前行、后退、转弯、侧移、旋转、翻滚运动。

本技术方案的优越性在于:改变了传统机器人的传动及运动吸附原理，为机器人微型化提供了一条捷径。能够在具有垂直、斜面等地域情况的不同材质壁面上自主爬行、越障、和面面转换，并能够实现侧移、旋转、翻滚等仿生运动功能。

四、附图说明

图1、为本发明的结构示意图；

图2、为本发明的躯干模块结构图；

图3、为本发明的头模块结构图；

图4、为本发明的模块之间的连接示意图；

图5、为中枢模式发生器算法示意图；

图6、为中枢模式发生器算法应用示意图。

五、具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后；为了简单和清楚的目的，下文恰当的省略了公知技术的描述，以免那些不必要的细节影响对本技术方案的描述。

仿生机器爬虫的组装:参见图4，拆下模块(13)的舵机转动盘(3)，将模块(12)后耳片的级联孔(9)插入模块(13)的舵机，并用转动盘将级联孔(9)与舵机固联，使模块(12)与模块(13)沿机器人轴线成90°旋转，并由模块(13)的舵机旋转产生一个转动自由度，模块(14)采用相同的方法与模块(13)级联，产生与上一级转动自由度相垂直的另一转动自由度；由此看出任意三支躯干模块的级联均可使机器人同时具有绕水平安装轴线和垂直安装轴线的两个转动自由`度。采用相同的方法完成全部仿生机器爬虫躯干模块的组装，最后组装头尾模块。

仿生机器爬虫采用被动吸附实现与不同材质壁面的吸附保持。使用时运动首先直接利用躯干的旋转运动将本节的小吸盘压于壁面上，使之压缩排空，然后驱动该关节向上抬起实现扩大容积，从而使得吸盘内建立起一定的真空度。为了保持吸附的可靠性，控制该模块不断以低频、小幅振动，实现吸盘内容积的不断变化，补给真空泄漏损失，收到维持真空的效果。反之，抬起吸盘时，停止振动，由于泄漏损失，吸盘内真空消失，然后驱动躯干模块提起该吸盘。

在详细说明的较佳实施例之后，熟悉该项技术人士可清楚的了解，在不脱离上述申请专利范围与精神下可进行各种变化与修改，凡依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。且本发明亦不受限于说明书中所举实施例的实施方式。

Claims (5)

1、一种仿生机器爬虫，由头、尾模块(1)，躯干模块(2)组成，其特征在于:机器人身体由一对头、尾模块及若干节躯干模块构成；躯干模块由舵机(5)、小吸盘(6)、机壳(7)组成，在机壳(7)的耳片(8)前端有一对吸盘安装孔(10)，后端有一对级联孔(9)，舵机(5)安装在机壳前端，舵机(5)的传动盘(3)与本节的级联孔(9)成90度分布。

2、根据权利要求1所述的仿生机器爬虫，其特征在于:头、尾模块(1)由机壳(7)、CCD摄像头(4)组成，CCD摄像头(4)安装在机壳(7)的耳片(8)前端。

3、根据权利要求1所述的仿生机器爬虫，其特征在于:单级躯干模块(2)在舵机(5)的驱动下可在相邻模块之间产生一个范围在±90度之间的转动自由度；各相邻的两个模块之间沿爬虫躯干轴线旋转90度联结而成；级联后如奇数模块产生俯仰运动，则偶数模块产生侧向摆动运动。

4、根据权利要求1所述的仿生机器爬虫，其特征在于:所述躯干模块(2)采用被动吸附，首先直接利用躯干的转动运动将小吸盘(6)压于壁面上，使小吸盘(6)内空气压缩排空，然后驱动该模块向上抬起实现扩大容积，从而使得吸盘内建立起一定的真空度；为了保持吸附的可靠性，控制该模块不断以低频、小幅振动，实现吸盘内容积的不断变化，补给真空泄漏损失。

5、根据权利要求1所述的仿生机器爬虫，其特征在于:以生物学研究中的中枢模式发生器(Central Pattern Generators)模型为核心建立机器人控制算法，实现高效复杂的运动步态，能够在垂直，斜面的不同材质壁面上自主爬行、越障、和面面转换，并能够实现侧移、旋转、翻滚等仿生运动功能。

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