CN101850798B - 一种基于双四连杆机构的仿生蟑螂机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双四连杆机构的仿生蟑螂机器人，该机器人包括有六组结构相同的足，以及将所述的足连接在一起的上、下连板。所述足的构形采用双四连杆机构，由三个舵机驱动双四连杆机构来分别模拟蟑螂的髋关节、大腿关节和小腿关节运动。本发明设计的仿生蟑螂机器人采用三角步态方式行进，从而实现该机器人的三角步态运动。为了增加机器人的承载能力，同时能够将三个舵机放置于所述的足上用以改善整个机器人的刚性和稳定性，本发明将平面四杆机构用于腿构形的设计中，能够实现力和运动的放大，降低对舵机驱动能力的要求，提高机器人的负载能力。从仿生学角度看，采用多连杆结构设计仿生蟑螂机器人具有合理性。

Description

一种基于双四连杆机构的仿生蟑螂机器人

技术领域

本发明涉及一种仿生机器人，更特别地说，是指一种基于双四连杆机构的仿生蟑螂机器人。

背景技术

仿生蟑螂机器人是基于蟑螂运动灵活稳定，对地形适应能力强等优点而开发的并联运动机构，通常采用三角步态行进，具有较好的机动性，对不平路面适应能力突出，可以轻松跨过较大障碍物。因此在抗震救灾、搜索救援、外星探索等领域有着广泛的应用。

从机构学角度看，仿生蟑螂是一个复杂的冗余驱动多支链并联机构。机器人运动灵活性、稳定性及其承载能力非常重要，是机器人传感系统整合以及应用的必要基础。常用的由电机驱动的多足步行机器人采用的是连杆直接串联式构型，运动灵活，但刚性以及承载能力还有待提高。

对于六足步行机器人的研究，通常采用三连杆直接串联式结构，驱动电机及减速器位于关节处，结构简单直接，机器人的单腿及整机运动灵活性高。但这样的结构对电机驱动能力的要求高，整机刚性和稳定性较弱，机器人承载能力相对不足。同时由于驱动部件位于关节处，导致单腿重量大。在快速运动中，频繁的摆腿和换腿会带来整机的动不平衡，影响运动稳定性和准确性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于双四连杆机构的仿生蟑螂机器人，该机器人的各个足采用双四杆机构设计方案，从仿生学角度看，采用多连杆结构设计仿生蟑螂机器人具有合理性。对于足组件采用由三个舵机分别驱动足的髋关节、大腿关节和小腿关节运动，这有利于足组件实现力和运动的放大，降低对舵机驱动能力的要求，提高机器人的负载能力。

本发明的基于双四连杆机构的仿生蟑螂机器人，包括有左前足组件、左中足组件、左后足组件、右前足组件、右中足组件、右后足组件、上连板和下连板。其中，左前足组件、左中足组件、左后足组件、右前足组件、右中足组件和右后足组件的结构相同。上连板和下连板的结构相同。在本发明中，上连板和下连板作为机器人的躯干，通过上连板上对称设有的六个连接端分别与六个足组件中的支撑柱连接，以及下连板上对称设有的六个连接端分别与六个足组件中的侧摆舵机的舵盘连接，对于足组件采用双四杆构形设计，有利于机器人在运动过程中的力和运动的放大，从而提高了机器人的负载能力。

本发明仿生蟑螂机器人具有如下优点：

①将双四杆机构用于足构形的设计中来，四杆机构能够实现力和运动的放大，降低对电机驱动能力的要求，提高机器人的负载能力。

②采用双四杆机构的仿生蟑螂机器人，构型简单，结构紧凑，系统刚性好，承载能力增强，单腿的工作空间大，运动灵活平稳。

③经过简单的计算，就能实现蟑螂机器人的解耦控制。

附图说明

图1是本发明仿生蟑螂机器人的结构图。

图2是本发明上连板的结构图。

图3是本发明下连板的结构图。

图4是本发明左前足组件的结构图。

图4A是本发明左前足组件的另一视角结构图。

图4B是本发明左前足组件中基座的结构图。

图4C是本发明左前足组件中足支柱的结构图。

图4D是本发明左前足组件中连杆与关节轴的装配图。

图4E是本发明左前足组件中各关节轴的结构图。

图5是本发明仿生蟑螂机器人的三步态运动示意图。

图中：   1.左前足组件    11.A连杆     12.B连杆   13.C连杆14.D连杆     15.E连杆        16.F连杆     17.G连杆   18.H连杆21.A关节轴   211.A深沟球轴承              22.B关节轴 221.B深沟球轴承23.C关节轴   231.C深沟球轴承              232.D深沟球轴承24.D关节轴   241.E深沟球轴承              242.法兰盘  25.E关节轴251.F深沟球轴承              26.F关节轴   261.G深沟球轴承31.基座      32.足端橡胶     33.足支柱    2.左中足组件 3.左后足组件4.右前足组件 5.右中足组件    6.右后足组件 7.上连板     71.A连接端72.B连接端   73.C连接端      74.D连接端   75.E连接端   76.F连接端7A.A支撑柱   7B.B支撑柱   7C.C支撑柱   7D.D支撑柱  7E.E支撑柱7F.F支撑柱   8.下连板     81.G连接端   82.H连接端   83.I连接端84.J连接端   85.K连接端   86.L连接端   8A.A侧摆舵机 8B.B侧摆舵机8C.C侧摆舵机 8D.D侧摆舵机 8E.E侧摆舵机 8F.F侧摆舵机9A.屈伸A舵机 9B.屈伸B舵机

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明是一种基于双四连杆机构的仿生蟑螂机器人，该机器人包括有左前足组件1、左中足组件2、左后足组件3、右前足组件4、右中足组件5、右后足组件6、上连板7和下连板8。其中，左前足组件1、左中足组件2、左后足组件3、右前足组件4、右中足组件5和右后足组件6的结构相同。上连板7和下连板8的结构相同。

参见图2所示，上连板7为一体加工成型件，上连板7以轴向中心线对称设有用于与六个足组件中支撑柱上端连接用的连接端。即上连板7上设有A连接端71、B连接端72、C连接端73、D连接端74、E连接端75和F连接端76；A连接端71用于与A支撑柱7A的一端连接；B连接端72用于与B支撑柱7B的一端连接；C连接端73用于与C支撑柱7C的一端连接；D连接端74用于与D支撑柱7D的一端连接；E连接端75用于与E支撑柱7E的一端连接；F连接端76用于与F支撑柱7F的一端连接。

参见图3所示，下连板8为一体加工成型件，下连板8以轴向中心线对称设有用于与六个足组件中侧摆舵机的舵盘连接用的连接端。即下连板8上设有G连接端81、H连接端82、I连接端83、J连接端84、K连接端85和L连接端86；G连接端81用于与A侧摆舵机8A的舵盘连接；H连接端82用于与B侧摆舵机8B的舵盘连接；I连接端83用于与C侧摆舵机8C的舵盘连接；J连接端84用于与D侧摆舵机8D的舵盘连接；K连接端85用于与E侧摆舵机8E的舵盘连接；L连接端86用于与F侧摆舵机8F的舵盘连接。

在本发明中，上连板7、下连板8与六个足组件之间的连接关系为：

上连板7的A连接端71与左前足组件1中的A支撑柱7A的一端连接，A支撑柱7A的另一端连接在A侧摆舵机8A的销上(该销与舵机轴同轴，也称同轴销)，A侧摆舵机8A的舵盘连接在下连板8的G连接端81上。

上连板7的B连接端72与左中足组件2中的B支撑柱7B的一端连接，B支撑柱7B的另一端连接在B侧摆舵机8B的同轴销上，B侧摆舵机8B的舵盘连接在下连板8的H连接端82上。

上连板7的C连接端73与左后足组件3中的C支撑柱7C的一端连接，C支撑柱7C的另一端连接在C侧摆舵机8C的同轴销上，C侧摆舵机8C的舵盘连接在下连板8的I连接端83上。

上连板7的D连接端74与右前足组件4中的D支撑柱7D的一端连接，D支撑柱7D的另一端连接在D侧摆舵机8D的同轴销上，D侧摆舵机8D的舵盘连接在下连板8的J连接端84上。

上连板7的E连接端75与右中足组件5中的E支撑柱7E的一端连接，E支撑柱7E的另一端连接在E侧摆舵机8E的同轴销上，E侧摆舵机8E的舵盘连接在下连板8的K连接端85上。

上连板7的F连接端76与右后足组件6中的F支撑柱7F的一端连接，F支撑柱7F的另一端连接在F侧摆舵机8F的同轴销上，F侧摆舵机8F的舵盘连接在下连板8的L连接端86上。

在本发明中，十八个舵机的齿轮减速比为1/193，输出的最大扭矩为2.83N·m。

参见图4、图4A所示，左前足组件1包括有三个舵机(A侧摆舵机8A、屈伸A舵机9A、屈伸B舵机9B)、八根连杆(A连杆11、B连杆12、C连杆13、D连杆14、E连杆15、F连杆16、G连杆17、H连杆18)、六个关节轴(A关节轴21、B关节轴22、C关节轴23、D关节轴24、E关节轴25、F关节轴26)、基座31、足端橡胶32、足支柱33和A支撑柱7A。在本发明中，连杆的端部与关节轴的转动连接采用深沟球轴承，连杆的端部与关节轴的固定连接采用套接方式，为了使连杆端部不与轴承发生摩擦，也可以设有挡片进行隔离，连杆与关节轴的连接采用了常规的连接方式。

参见图4B所示，基座31上设有底面板311、A侧面板312和B侧面板313；底面板311上安装有A侧摆舵机8A，A侧面板312上安装有屈伸B舵机9B，B侧面板313上安装有屈伸A舵机9A。A侧面板312上还设有一个A通孔314，该A通孔314内安装有B深沟球轴承221，且该B深沟球轴承221套接在B关节轴22上。

参见图4C所示，足支柱33的一端为空心圆柱，足支柱33的另一端上对称设有A切台311和B切台312；足端橡胶32套接在足支柱33的空心圆柱端上。A切台311上安装有F连杆16的一端。B切台312上安装有G连杆17的一端。

参见图4D、图4E所示，A连杆11的一端安装在屈伸B舵机9B的舵盘上，A连杆11的另一端设有一通孔，该通孔用于将A连杆11的另一端套接在A关节轴21上。在本发明中，通过所述A连杆11实现由屈伸B舵机9B带动A关节轴21转动。

B连杆12的一端设有一通孔，该通孔内安装有A深沟球轴承211，且该A深沟球轴承211套接在A关节轴21上，B连杆12的另一端设有一通孔，该通孔内安装有D深沟球轴承232，该D深沟球轴承232套接在C关节轴23上。

C连杆13的一端设有一通孔，该通孔用于将C连杆13的一端套接在B关节轴22上，C连杆13的另一端设有一通孔，该通孔用于将C连杆13的另一端套接在C关节轴23的A间隙234处。

D连杆14的一端设有一通孔，该通孔内安装有F深沟球轴承241，且该F深沟球轴承241套接在D关节轴24上，D连杆14的另一端设有一通孔，该通孔用于将D连杆14的另一端套接在C关节轴23的C间隙236处。

E连杆15的一端设有一通孔，该通孔内安装有G深沟球轴承251，且该G深沟球轴承251套接在E关节轴25上，E连杆15的另一端设有一通孔，该通孔内安装有H深沟球轴承261，且该H深沟球轴承261套接在F关节轴26上。

F连杆16的一端设有一通孔，该通孔内安装有E深沟球轴承233，且该E深沟球轴承233套接在C关节轴23上，F连杆16的另一端安装在足支柱33的A切台311上，F连杆16的杆体上设有一通孔，该通孔用于将F连杆16的杆体安装在E关节轴25上。

G连杆17的一端设有一通孔，该通孔内安装有C深沟球轴承231，且该C深沟球轴承231套接在C关节轴23上，G连杆17的另一端安装在足支柱33的B切台312上，G连杆17的杆体上设有一通孔，该通孔用于将G连杆17的杆体安装E关节轴25上。在本发明中，F连杆16与G连杆17保持平行装配。

H连杆18的一端侧板面安装在屈伸A舵机9A的舵盘上，且该H连杆18的一端另一侧板面上安装有法兰盘242，该法兰盘242套接在D关节轴24上，通过所述H连杆18的一端实现由屈伸A舵机9A带动D关节轴24转动；H连杆18的另一端设有一通孔，该通孔用于将H连杆18的一端套接在F关节轴26上。

在本发明中，A连杆11、B连杆12、C连杆13、A关节轴21、B关节轴22、C关节轴23和屈伸B舵机9B的舵盘构成第一个四连杆机构。该第一个四连杆机构模拟蟑螂的大腿关节运动。

在本发明中，D连杆14、E连杆15、F连杆16(F连杆16与G连杆17平行)、H连杆18、D关节轴24、C关节轴23、E关节轴25和F关节轴26构成第二个四连杆机构。该第二个四连杆机构模拟蟑螂的小腿关节运动。

在本发明中，基座31、A侧摆舵机8A与A支撑柱7A的装配用于模拟蟑螂的髋关节运动。

在本发明中，左前足组件1在整个机器人实际运动中，实现侧摆和屈伸动作。当A侧摆舵机8A运动时，就能带动左前足组件1实现侧摆运动；当屈伸A舵机9A运动时，带动H连杆18运动，进而带动E连杆15运动，则使F连杆16和G连杆17实现小腿关节的屈伸运动；当屈伸B舵机9B运动时，带动A连杆11运动，进而带动B连杆12运动，则使F连杆16和G连杆17实现大腿关节的屈伸运动。因此，每支足组件在三个舵机的合理运动下，整个仿蟑螂机器人就可以实现抬腿、迈腿、蹬地以实现机器人的前进和转弯动作。

本发明仿蟑螂机器人的行进采用三角步态方式，如图5所示，图中●代表相对图1的俯视图中六个足端橡胶，○代表上连接板7中D连接端7D、B连接端7B和F连接端7F形成的第一个三角形足组件的运动轨迹，□代表上连接板7中A连接端7A、E连接端7E和C连接端7C形成的第二个三角形足组件的运动轨迹。本发明仿蟑螂机器人在初始姿态时，六个足端橡胶的分布如图中的●所在位置。在机器人需要向前行走时，首先把第一个三角形足组件的足端橡胶放在如图中的○所示位置，然后再把第二个三角形足组件抬起放到如图中的□所示位置，在第二个三角形足组件抬起放到如图中的□所示位置过程中，第一个三角形足组件往后运动，且这三个足端橡胶保持与地面接触，因此第一个三角形足组件与上、下连板产生相对运动，实现机器人向前运动。第一个三角形足组件的运动与第二个三角形足组件的运动如此周期性的运动，从而实现仿蟑螂机器人的行进。

本发明设计的仿蟑螂机器人从机构学特点出发，基于双四连杆构型设计了蟑螂机器人腿结构。在保证了机器人单腿运动灵活性的基础上，提高了系统的刚性、稳定性以及承载能力。

Claims (5)

1.一种基于双四连杆机构的仿生蟑螂机器人，其特征在于：该机器人包括有左前足组件(1)、左中足组件(2)、左后足组件(3)、右前足组件(4)、右中足组件(5)、右后足组件(6)、上连板(7)和下连板(8)；其中，左前足组件(1)、左中足组件(2)、左后足组件(3)、右前足组件(4)、右中足组件(5)和右后足组件(6)的结构相同；上连板(7)和下连板(8)的结构相同；

所述上连板(7)为一体加工成型件，其上设有A连接端(71)、B连接端(72)、C连接端(73)、D连接端(74)、E连接端(75)和F连接端(76)；

所述下连板(8)为一体加工成型件，其上设有G连接端(81)、H连接端(82)、I连接端(83)、J连接端(84)、K连接端(85)和L连接端(86)；

所述左前足组件(1)包括有A侧摆舵机(8A)、屈伸A舵机(9A)、屈伸B舵机(9B)、A连杆(11)、B连杆(12)、C连杆(13)、D连杆(14)、E连杆(15)、F连杆(16)、G连杆(17)、H连杆(18)、A关节轴(21)、B关节轴(22)、C关节轴(23)、D关节轴(24)、E关节轴(25)、F关节轴(26)、基座(31)、足端橡胶(32)、足支柱(33)和A支撑柱(7A)；所述基座(31)的A侧面板(312)上设有A通孔(314)，该A通孔(314)内安装有B深沟球轴承(221)，且该B深沟球轴承(221)套接在B关节轴(22)上；所述基座(31)的底面板(311)上安装有A侧摆舵机(8A)，所述基座(31)的A侧面板(312)上安装有屈伸B舵机(9B)，所述基座(31)的B侧面板(313)上安装有屈伸A舵机(9A)；足支柱(33)的一端为空心圆柱，足支柱(33)的另一端上对称设有A切台(311)和B切台(312)；足端橡胶(32)套接在足支柱(33)的空心圆柱端上；A切台(311)上安装有F连杆(16)的一端；B切台(312)上安装有G连杆(17)的一端；

所述A连杆(11)的一端安装在屈伸B舵机(9B)的舵盘上，A连杆(11)的另一端设有一通孔，该通孔用于将所述A连杆(11)的另一端套接在A关节轴(21)上；

所述B连杆(12)的一端设有一通孔，该通孔内安装有A深沟球轴承(211)，且该A深沟球轴承(211)套接在A关节轴(21)上，B连杆(12)的另一端设有一通孔，该通孔内安装有D深沟球轴承(232)，所述D深沟球轴承(232)套接在C关节轴(23)上；

所述C连杆(13)的一端设有一通孔，该通孔用于将所述C连杆(13)的一端套接在B关节轴(22)上，C连杆(13)的另一端设有一通孔，该通孔用于将所述C连杆(13)的另一端套接在C关节轴(23)的A间隙(234)处；

所述D连杆(14)的一端设有一通孔，该通孔内安装有F深沟球轴承(241)，所述F深沟球轴承(241)套接在D关节轴(24)上，D连杆(14)的另一端设有一通孔，该通 孔用于将所述D连杆(14)的另一端套接在C关节轴(23)的C间隙(236)处；

所述E连杆(15)的一端设有一通孔，该通孔内安装有G深沟球轴承(251)，所述G深沟球轴承(251)套接在E关节轴(25)上，E连杆(15)的另一端设有一通孔，该通孔内安装有H深沟球轴承(261)，所述H深沟球轴承(261)套接在F关节轴(26)上；

所述F连杆(16)的一端设有一通孔，该通孔内安装有E深沟球轴承(233)，且该E深沟球轴承(233)套接在C关节轴(23)上，F连杆(16)的另一端安装在足支柱(33)的A切台(311)上，F连杆(16)的杆体上设有一通孔，该通孔用于将与所述F连杆(16)的杆体安装在E关节轴(25)上；

所述G连杆(17)的一端设有一通孔，该通孔内安装有C深沟球轴承(231)，且该C深沟球轴承(231)套接在C关节轴(23)上，G连杆(17)的另一端安装在足支柱(33)的B切台(312)上，G连杆(17)的杆体上设有一通孔，该通孔将与所述G连杆(17)的杆体安装在E关节轴(25)上；F连杆(16)与G连杆(17)保持平行装配；

所述H连杆(18)的一端安装在屈伸A舵机(9A)的舵盘上，H连杆(18)的另一端设有一通孔，该通孔用于将所述H连杆(18)的另一端套接在F关节轴(26)上；

上连板(7)的A连接端(71)与左前足组件(1)中的A支撑柱(7A)的一端连接，A支撑柱(7A)的另一端连接在A侧摆舵机(8A)的销上，A侧摆舵机(8A)的舵盘连接在下连板(8)的G连接端(81)上；

上连板(7)的B连接端(72)与左中足组件(2)中的B支撑柱(7B)的一端连接，B支撑柱(7B)的另一端连接在B侧摆舵机(8B)的同轴销上，B侧摆舵机(8B)的舵盘连接在下连板(8)的H连接端(82)上；

上连板(7)的C连接端(73)与左后足组件(3)中的C支撑柱(7C)的一端连接，C支撑柱(7C)的另一端连接在C侧摆舵机(8C)的同轴销上，C侧摆舵机(8C)的舵盘连接在下连板(8)的I连接端(83)上；

上连板(7)的D连接端(74)与右前足组件(4)中的D支撑柱(7D)的一端连接，D支撑柱(7D)的另一端连接在D侧摆舵机(8D)的同轴销上，D侧摆舵机(8D)的舵盘连接在下连板(8)的J连接端(84)上；

上连板(7)的E连接端(75)与右中足组件(5)中的E支撑柱(7E)的一端连接，E支撑柱(7E)的另一端连接在E侧摆舵机(8E)的同轴销上，E侧摆舵机(8E)的舵盘连接在下连板(8)的K连接端(85)上；

上连板(7)的F连接端(76)与右后足组件(6)中的F支撑柱(7F)的一端连接，F支撑柱(7F)的另一端连接在F侧摆舵机(8F)的同轴销上，F侧摆舵机(8F)的舵盘连接在下连板(8)的L连接端(86)上。 

2.根据权利要求1所述的基于双四连杆机构的仿生蟑螂机器人，其特征在于：A连杆(11)、B连杆(12)、C连杆(13)、A关节轴(21)、B关节轴(22)、C关节轴(23)和屈伸B舵机(9B)的舵盘构成第一个四连杆机构；该第一个四连杆机构模拟蟑螂的大腿关节运动。

3.根据权利要求1所述的基于双四连杆机构的仿生蟑螂机器人，其特征在于：D连杆(14)、E连杆(15)、F连杆(16)、G连杆(17)、H连杆(18)、D关节轴(24)、C关节轴(23)、E关节轴(25)和F关节轴(26)构成第二个四连杆机构；该第二个四连杆机构模拟蟑螂的小腿关节运动。

4.根据权利要求1所述的基于双四连杆机构的仿生蟑螂机器人，其特征在于：基座(31)、A侧摆舵机(8A)与A支撑柱(7A)的装配用于模拟蟑螂的髋关节运动。

5.根据权利要求1所述的基于双四连杆机构的仿生蟑螂机器人，其特征在于：左前足组件(1)在整个机器人实际运动中，实现侧摆和屈伸动作；当A侧摆舵机(8A)运动时，就能带动左前足组件(1)实现侧摆运动；当屈伸A舵机(9A)运动时，带动H连杆(18)运动，进而带动E连杆(15)运动，则使F连杆(16)和G连杆(17)实现小腿关节的屈伸运动；当屈伸B舵机(9B)运动时，带动A连杆(11)运动，进而带动B连杆(12)运动，则使F连杆(16)和G连杆(17)实现大腿关节的屈伸运动；因此，每支足组件在三个舵机的合理运动下，整个仿蟑螂机器人就可以实现抬腿、迈腿、蹬地以实现机器人的前进和转弯动作。 

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