CN101570220A - 变姿态可翻转两栖多足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种变姿态可翻转两栖多足机器人。由躯体支架、单向输入垂直输出模块、腿部机构三个部分构成，所述的单向输入垂直输出模块安装在躯体支架上，腿部机构安装在单向输入垂直输出模块上。本发明的变姿态可翻转两栖多足机器人由多条步行足并联构成，通过控制姿态调节电机可实现机器人站立和运动姿态的实时改变，提高其适应复杂两栖环境能力，每条步行足由单项输入垂直输出模块和腿部机构两部分串联组成。足端安装三维力觉传感器，对运动过程中足端受力进行反馈，以实现机器人腿部受力闭环控制。

Description

变姿态可翻转两栖多足机器人

(一)技术领域

本发明涉及的是一种机器人结构，具体地说是一种多足机器人结构。

(二)背景技术

哈尔滨工程大学从1999年开始展开了针对仿生机器蟹的基础技术研究，目前已经研制出多种型号的产品。其中比较先进的是专利申请号为200710072364.0，(公开号：CN101088835)的专利申请文件中记载的技术方案。但是这些型号的多组机器人还存在以下共同的缺点：(1)姿态不可变，两栖环境适应能力差；(2)行走时需克服腿部电机重力做无用功；(3)无游动能力；(4)质量较大。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑、可变姿态、传动比大、传动平稳、关节转动角度大的变姿态可翻转两栖多足机器人。

本发明的目的是这样实现的：它由躯体支架、单向输入垂直输出模块、腿部机构三个部分构成，所述的单向输入垂直输出模块安装在躯体支架上，腿部机构安装在单向输入垂直输出模块上；所述的躯体支架的组成包括框架、蜗杆轴、大直齿圆柱齿轮、小直齿圆柱齿轮、姿态调整电机、左旋蜗轮、右旋蜗轮，蜗杆轴上分布有蜗轮，大直齿圆柱齿轮安装在蜗杆轴的中部，蜗杆轴安装在框架上，左旋蜗轮和右旋蜗轮安装在框架上且分别位于大直齿圆柱齿轮的两侧并与蜗轮啮合，姿态调整电机安装在框架上，小直齿圆柱齿轮安装在姿态调整电机输出轴上并与大直齿圆柱齿轮啮合；所述的单向输入垂直输出模块的组成包括固定电机架体、两个抬腿电机、两个摆腿电机和垂直输出齿轮箱，两个抬腿电机和两个摆腿电机分别安装在固定电机架体的上下，两个抬腿电机和两个摆腿电机的输出轴上带有电机蜗杆，两个垂直输出齿轮箱分别安装在固定电机架体的两端；所述的腿部机构的组成包括大腿杆件、小腿杆件、膝关节电机，膝关节电机通过固定架安装在大腿杆件上，膝关节电机通过蜗轮蜗杆驱动机构与小腿杆件相连。

每个变姿态可翻转两栖多足机器人包括四个单向输入垂直输出模块、八个腿部机构。

本发明是根据已有的生物螃蟹仿生学理论而设计的。由直流电机巧妙布置，并通过蜗轮蜗杆与锥齿轮相结合的传动箱传动，从而免除行走中需克服大腿电机重力做无用功的单腿结构，再用此结构配合直齿圆柱齿轮及蜗杆蜗轮机构设计的具有可变姿态，能够良好适应水陆两栖环境下游动和行走并具有自翻转能力的仿生物螃蟹八足步行机器人。每条普通步行足的前端都装有三维力传感器，感知步行足的落地情况。机器人由单片机控制，并且由环境识别传感器来感知水中或陆地环境进而采取更适合于当前环境下生存的姿态，可在两栖环境下前行、后退、横行、翻转、避障(在水中可游动)等。整个机器人具有体积小巧、结构紧凑、单腿活动范围大(基节、胫节可270。转动，股节可180°转动)、环境适应性强、效率高等优点。

本项发明的意义在于在现有的多足机器人研究成果下，寻找一种新的高效率、结构紧凑、可变姿态、易维修、对电机有保护功能的机构传动方式，从而建立一个对复杂地形高度适应、性能可靠、体积小巧、具有自翻转行走功能、并具有两栖环境下活动能力和执行特定任务的微小型爬行机器人平台。它可以充当侦察设备、武器系统、通信系统的载体，代替人进入某些特殊环境，完成军事、民用等方面的任务，在航天探测、军事、工业、考古、勘探以及玩具开发等领域都具有很强的实用价值，具有广阔的应用前景。

机器人的优点是：高效率和扁平适于游泳的单腿结构设计、活动范围大的腿部关节传动结构、适应水陆两栖环境生存的可变姿态结构、具有自锁和可调保护电机特性、机器人具有复杂环境下的自翻转行走功能、可两栖环境运动和作业、有减震抗震特性、足尖多维传感、具有多自由度复合足机械手、并且加工简单、组装、控制、维修方便。

变姿态可翻转两栖多足机器人由躯体支架、单向输入垂直输出模块、腿部机构三个部分构成。两栖多足机器人的躯体支架是连接蟹足、承载能源和控制系统的本体，由于布置方式的多样化，两栖多足机器人的外形、行走策略、稳定性将会有较大的差异。野生状态下的生物蟹在陆地行走和水下游动所采用的姿态并不相同。在进入水中后，为了减小水中游动阻力，生物蟹所采用的是宽姿态，故此根据仿生学原理，设计出具有姿态调节功能的躯体支架。

本发明的优点之一是腿部电机通过巧妙布置，配合组合齿轮箱体可免除机器人在行走过程中需克服电机自身重力做无用功(串联式机器人的驱动电机及传动系统大都放在运动着的大小臂上，增加了系统的惯性，恶化了动办性能)，大腿及腿根部电机不同于常见的串联布置方式，两个电机紧密布置于机器人躯体内部，重量集中，减小了运动负荷，使机器人腿部活动更灵活。

膝关节是机器人另一个重要组成部分，其灵活性直接关系到机器人的控制和运动方式，本发明采用蜗轮蜗杆作为传动件，能够实现机器人关机自锁而节约能源。

本发明的变姿态可翻转两栖多足机器人由多条步行足并联构成，通过控制姿态调节电机可实现机器人站立和运动姿态的实时改变，提高其适应复杂两栖环境能力，每条步行足由单项输入垂直输出模块和腿部机构两部分串联组成。足端安装三维力觉传感器，对运动过程中足端受力进行反馈，以实现机器人腿部受力闭环控制。

(四)附图说明

图1是本发明的变姿态可翻转两栖多足机器人整体结构图；

图2是躯体支架主视图；

图3是躯体支架底视图；

图4是单向布置电机组支架结构示意图；

图5是垂直输出齿轮箱体结构示意图；

图6是腿部机构结构示意图；

图7是双腿组装结构示意图；

图8是图7的俯视图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明的变姿态可翻转两栖多足机器人由躯体支架、单向输入垂直输出模块、腿部机构三个部分构成。

结合图2和图3，躯体支架是联结8条步行足的基体，内部有左右旋蜗轮蜗杆机构，可实现机器人自身姿态的改变。它具体包括：蜗杆轴承1、蜗轮轴2、右支架3、前端蜗杆固定座4、蜗杆轴5、蜗轮6、大直齿圆柱齿轮7、电机固定座8、后端蜗杆固定座9、端盖螺钉10、后端盖11、左支架12、姿态调节电机13、蜗轮轴承14、前端盖15、左旋蜗轮16、固定电机座螺钉17、固定电机螺钉18、小直齿圆柱齿轮19、右旋蜗轮20、固定蜗杆座螺钉21、电机轴22和电机轴套23。

躯体支架结构组装如下：首先以左支架3、12作为基板，分别通过蜗轮轴承14安装两个左旋蜗轮16和两个右旋蜗轮20，蜗轮轴2两端为阶梯轴与蜗轮轴承14进行过盈配合，蜗轮与轴之间采用平键传动。蜗杆轴分为4段，其安装方法也是采用阶梯轴5与轴承1进行过盈配合，端盖11、15以及蜗杆固定座4、9和电机固定座8限定了各轴的轴向运动。电机13是姿态调节的动力源，它通过螺钉18固定在电机固定座8上，动力由电机带动小直齿圆柱齿轮19，再带动与之啮合的大直齿圆柱齿轮7进行转动，而大直齿圆柱齿轮7与蜗杆轴5之间采用平键连接，从而实现蜗轮16、20的转动。端盖11、15在安装完其他零件后通过螺钉10与支架3、12固定。

其工作原理是：姿态调节电机13驱动与电机轴固联的直齿网柱齿轮19转动，带动与蜗杆轴固联的大圆柱齿轮7转动，从而带动左、右旋蜗轮16、20转动，来实现机器人整条腿部以蜗轮轴为中心进行转动调节机器人姿态。

结合图4和图5，单向输入垂直输出机构，它可实现机器人抬腿和摆腿两个相互垂直的动作。具体包括电机蜗杆24、电机固定架25、抬腿电机26、固定电机螺钉27、姿态调节蜗轮轴孔28、固定电机架体29、摆腿电机30、键槽31、齿轮箱连接孔32、蜗轮销钉33、蜗轮34、轴承35、轴36、锥齿轮销钉37、齿轮箱体38、轴套39、销钉40、轴41、腿杆件42、锥齿轮销钉43、锥齿轮44、键45、轴承46、蜗轮47、轴48、销钉49、轴承50、卡环51、螺钉52、齿轮箱盖53、电位计54、卡环55、腿杆件56、销钉57、轴套58、螺钉59、锥齿轮60、轴61。

单向输入垂直输出结构组装如下：电机26、30是通过螺钉27与固定电机架体29之间连结的，蜗杆24通过销钉安装在电机输出轴上。齿轮箱连结孔32通过轴承35、46与齿轮箱体连结，蜗轮34与蜗杆24相互啮合，实现抬腿自由度动作。齿轮箱部分组装如下：轴61与蜗轮34之间采用销钉33进行连结，然后通过轴承35与齿轮箱连结孔32固定，与齿轮箱体38之间仍采用轴承固定，最后通过销钉37把锥齿轮60安装在轴61上。同理蜗轮47、轴48、齿轮箱体38之间的装配关系也采用上述方式，不同的是轴48与齿轮箱体38之间采用平键连结，实现齿轮箱体38与轴48同步转动。大腿42通过销钉40与轴41固联。轴41为阶梯轴，配合轴承与齿轮箱体38连结，其中大腿42与齿轮箱体38之间套有轴套39来减少相互运动产生的摩擦阻力，锥齿轮44与轴41通过销钉43固联，使两个锥齿轮43、60相互啮合来传递动力。54为电位计，检测轴41的转动，对其位置进行反馈，便于控制。

单向输入垂直输出的蜗轮蜗杆传动机构的原理为：抬腿电机26和摆腿电机30按照同一方向布置于电机固定架29上，通过蜗轮蜗杆与锥齿轮变向箱体来实现抬高和摆动两个方向的输出。本设计的优点在于：结构相对简单、易装配、电机布置结构紧凑、重量分配集中于身体中心，为两栖多足机器人更好的适应两栖环境提供了有利保障。

结合图6，腿部机构即膝关节具体包括蜗杆前端62、蜗杆架63、固定蜗杆架螺钉64、固定电机螺钉65、电机固定架66、膝关节电机67、大腿杆件68、大腿杆件螺钉69、大腿杆件固定架70、蜗轮固定架71、小腿杆件72、蜗轮轴73、蜗轮74、蜗杆75、固定法兰螺钉76、法兰盘77、钢珠78、轴承79。

膝关节结构组装如下：电机67是膝关节转动的动力源，通过螺钉65固定在电机固定架66上，为保证蜗杆75与蜗轮74之间平稳啮合，防止蜗杆75在啮合过程中受力偏移，采用蜗杆架63对蜗杆75进行前端固定，蜗杆架与电机固定架66之间采用螺钉连结。同样为了防止蜗杆75在啮合过程中沿轴线方向运动，采用法兰盘77和滚珠78对其进行固定。大腿杆件68与膝关节采用螺钉69通过固定架70进行固定。

结合图7和图8，每条普通步行足由三个传动结构串并联组成，形成两栖多足机器人步行足的大腿和小腿。小腿根部由蜗轮蜗杆结构与大腿相连；大腿根部由单向输入垂直输出传动结构通过蜗轮蜗杆与躯体支架相连，构成两自由度髋骨关节和一个姿态调整关节。整条步行足具有三个自由度，分别形成膝关节的一个上下抬起自由度、髋骨关节的一个左右摆动自由度和一个上下抬起自由度，其中两个上下抬起自由度可转动270°，满足机器人可翻转行走的需要，步行足前端安装有减震模块和三维力传感器。

本发明可以实现两栖多足机器人适用于陆地行走的“高姿态”，螃蟹的八条步行足均为普通步行足，并且均布在躯干的两侧，单向输入电机支架通过姿态调整蜗轮蜗杆与躯体架连结，构成了两栖多足机器人的整体。此种结构的机器人具有自翻转行走、陆地行走等功能。

本发明还可以实现两栖多足机器人适用于水下游动及行走的“宽姿态”，这种姿态是在陆地行走的“高姿态”情况下，利用姿态调节电机带动蜗轮蜗杆来实现腿部相对身体旋转一定角度。此种布置的两栖多足机器人八条步行足成放射状布置，并且整个身体基本处于同一平面上，这种“宽姿态”能够有效减小其在水中行走及游动时被海浪掀翻的可能性。“高姿态”具有水下行走及游泳等功能。

两栖多足机器人设计成具有翻转运动的特性是因为机器人一般应用于野外、沙滩地带或是有海浪水中等环境，机器人很容易受到外界环境干扰而被掀翻，在被掀翻状态下其翻转过程如下：各足尖均朝上。由于机器人腿部采用可270度旋转的模块化机构，翻转状态下，可通过反向旋转腿部电机并自动调整姿态，最终可以翻转状态下行走。翻转运动特性能够保证机器人在被掀翻状态下仍能继续行走、工作，特别是增强了机器人在水下运动时的耐波能力和对未知环境的适应能力。

Claims (2)

1、一种变姿态可翻转两栖多足机器人，由躯体支架、单向输入垂直输出模块、腿部机构三个部分构成，所述的单向输入垂直输出模块安装在躯体支架上，腿部机构安装在单向输入垂直输出模块上；其特征是：所述的躯体支架的组成包括框架、蜗杆轴、大直齿圆柱齿轮、小直齿圆柱齿轮、姿态调整电机、左旋蜗轮、右旋蜗轮，蜗杆轴上分布有蜗轮，大直齿圆柱齿轮安装在蜗杆轴的中部，蜗杆轴安装在框架上，左旋蜗轮和右旋蜗轮安装在框架上且分别位于大直齿圆柱齿轮的两侧并与蜗轮啮合，姿态调整电机安装在框架上，小直齿圆柱齿轮安装在姿态调整电机输出轴上并与大直齿圆柱齿轮啮合；所述的单向输入垂直输出模块的组成包括固定电机架体、两个抬腿电机、两个摆腿电机和垂直输出齿轮箱，两个抬腿电机和两个摆腿电机分别安装在固定电机架体的上下，两个抬腿电机和两个摆腿电机的输出轴上带有电机蜗杆，两个垂直输出齿轮箱分别安装在固定电机架体的两端；所述的腿部机构的组成包括大腿杆件、小腿杆件、膝关节电机，膝关节电机通过固定架安装在大腿杆件上，膝关节电机通过蜗轮蜗杆驱动机构与小腿杆件相连。

2、根据权利要求1所述的变姿态可翻转两栖多足机器人，其特征是：包括四个单向输入垂直输出模块、八个腿部机构。

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