CN102795276B - 齿轮摆杆式气动蜘蛛机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于仿生机器人，特别涉及一种齿轮摆杆式气动蜘蛛机器人，在下基体盘（14）的中间处设有中心轴（25），在中心轴(25)上装驱动齿轮(15)，驱动齿轮(15)对称啮合连接变向齿轮一(11)和变向齿轮二(29)，驱动齿轮（15）啮合连接齿轮摆杆，变向齿轮一、二（11、29）装在变向齿轮轴一、二（12、27）上，变向齿轮轴一、二（12、27）装在下基体盘（14）上，齿轮摆杆的非啮合端头下方均用小腿轴（32）铰连接小腿气缸（36），在上基体盘(17)上装电磁隔膜充气泵(18)，电磁隔膜充气泵(18)连接多个排气调速阀(19)、二位两通电磁阀（23）和三位五通电磁阀（20），齿轮摆杆式气动蜘蛛机器人可快速行走，进行横向和纵向越障，反应迅速，动作灵活。

Description

齿轮摆杆式气动蜘蛛机器人

技术领域

本发明属于仿生机器人，特别涉及一种齿轮摆杆式气动蜘蛛机器人。

背景技术

目前，小型地面移动机器人在军事侦察、星际探测、防核化及污染等危险与恶劣环境作业中具有良好的应用前景，其多是采用各种电机来驱动轮式或履带式行走，但这种移动方式很难越过高度超过限制的障碍物，特别对土坎、沟渠、松软沙地等复杂地形无能为力。与轮式或履带式结构相比，腿的运动方式能够更好地适应崎岖不平的地形，因为腿的立足点是离散的，跟地面的接触面积较小，即使在表面极度不规则的情况下，也能够实现落足。但腿式运动机械的研究还处于初级阶段，其根本原因是腿式运动机构的原理、结构、控制、制作比较复杂，目前还没有找到一种简单、有效、对多种复杂地形适应性强的腿式运动装置。目前的小型地面移动机器人或是只能单纯的行走，或是只能单纯的跳跃，或没有姿态调整功能，缺乏足够的运动灵活性。如中国发明专利（专利号200410021277.9）公开了一种凸轮转换式三关节机械腿，该机械腿主要利用凸轮的转换来模仿人类的迈步动作，但这种腿是两足行走机构，其平衡性对地形敏感度高，在强不规则表面行走时，平衡不易控制；中国发明专利（专利号201010230995.2）公开了一种蜘蛛机器人，该机器人利用多伺服电机实现蜘蛛各关节的纯电气控制，但它只有爬行功能，且电机控制制约了它的爬行速度；中国发明专利（专利号200810022629.0）公开了一种弹跳机器人的弹性储能与释能装置，这种装置只能弹跳，并且不能调整机体姿态，如果在复杂地形中发生机体翻转，将无法继续弹跳和储能；中国发明专利（专利号201010146485.7）公开了一种基于连杆机构的仿生跳跃机器人，该机器人由履带式机构和基于弹性势能连杆机构实现行走和跳跃功能，但履带式行走机构特点决定了其越障能力较差，其连杆机构的跳跃能力也有限，而且没有机体姿态调整功能，该机器人如果在复杂地形中跳跃落地后，机体发生翻转，脚掌朝上，将无法继续行走和跳跃。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种反应速度快，灵活性和越障能力强的齿轮摆杆式气动蜘蛛机器人。

本发明解决技术问题采用的技术方案是：齿轮摆杆式气动蜘蛛机器人包括储能缸套、储气罐、锂电池、上、下防护罩、蜗轮蜗杆减速电机、联轴器、上、下基体盘、驱动齿轮、中心轴、变向齿轮轴一、二、变向齿轮一、二、齿轮摆杆一、二、三、四、五、六，其特点是：在下基体盘的中间处设有中心轴，在中心轴上装驱动齿轮，驱动齿轮对称啮合连接变向齿轮一和变向齿轮二，驱动齿轮啮合连接齿轮摆杆一、齿轮摆杆三、齿轮摆杆四、齿轮摆杆六，变向齿轮一、二装在变向齿轮轴一、二上，变向齿轮轴一、二装在下基体盘上，变向齿轮一、二分别啮合连接齿轮摆杆二、齿轮摆杆五，齿轮摆杆一、二、三、四、五、六均用摆杆轴限位固定在下基体盘上，齿轮摆杆一、二、三、四、五、六的非啮合端头下方均用小腿轴铰连接小腿气缸，小腿气缸的圆周面上均用膝关节气缸连杆轴连接膝关节气缸的一端，膝关节气缸的另一端用膝关节气缸顶部轴铰连接在齿轮摆杆一、二、三、四、五、六的侧面圆周壁上，小腿气缸的活塞杆下端间隙装配在储能缸套内，储能缸套内中心装储能弹簧，在储能缸套内壁上装衬套，在储能缸套和衬套壁上，上、下等距设三层、每层对称装四块挡块，在挡块和储能缸套外壁之间装电磁铁，电磁铁和挡块之间装回复弹簧，在下基体盘的下面设下防护罩，在下防护罩内中间装蜗轮蜗杆减速电机，蜗轮蜗杆减速电机用联轴器连接中心轴，蜗轮蜗杆减速电机一侧设有锂电池，锂电池外侧设有多个储气罐，在下基体盘的中部两端对称设有挡板，在挡板上面装上基体盘，上、下基体盘之间另由多个摆杆轴固接，在上基体盘上装电磁隔膜充气泵，电磁隔膜充气泵连接多个排气调速阀、二位两通电磁阀和三位五通电磁阀，在上基体盘上装上防护罩，在上防护罩两侧对称装四个针孔摄像头。

本发明的有益效果是：齿轮摆杆式气动蜘蛛机器人可快速行走，进行横向和纵向越障，对于高度突变较大的地形可跳跃通过，还可实现原地转向和原地翻转，反应迅速，动作灵活，具有超强越障能力。可用于军事侦查、星际探测、防核化及污染等危险与恶劣环境，本机器人制造成本低兼，便于推广应用。

附图说明

以下结合附图以实施例具体说明。

图1是齿轮摆杆式气动蜘蛛机器人结构图。

图2是图1中齿轮摆杆、小腿气缸、膝关节气缸动作关系图。

图3是图1中储能缸套内结构剖视图。

图4是图1中驱动齿轮与齿轮摆杆传动关系图。

图5是齿轮摆杆式气动蜘蛛机器人气动控制原理图。

图中1-储能缸套；1-1-衬套；2-储能弹簧；3-挡块；4-回复弹簧；5-电磁铁；6-储气罐；7-下防护罩；8-锂电池；9-齿轮摆杆一；10-摆杆轴；11-变向齿轮一；12-变向齿轮轴一；13-齿轮摆杆二；14-下基体盘；15-驱动齿轮；16-齿轮摆杆三；17-上基体盘；18-电磁隔模充气泵；19-排气调速阀；20-三位五通电磁阀；21-针孔摄像头；22-上防护罩；23-二位两通电磁阀；24-挡板；25-中心轴；26-轴承；27-变向齿轮轴二；28-齿轮摆杆四；29-变向齿轮二；30-齿轮摆杆五；31-齿轮摆杆六；32-小腿轴；33-膝关节气缸顶部轴；34-联轴器；35-蜗轮蜗杆减速电机；36-小腿气缸；37-膝关节气缸；38-膝关节气缸连杆轴。

具体实施方式

实施例。参照附图1～4，齿轮摆杆式气动蜘蛛机器人是在下基体盘14的中间处设有中心轴25，在中心轴25上用键装驱动齿轮15，在中心轴25上装有轴承26。驱动齿轮15对称交错啮合连接变向齿轮一11和变向齿轮二29，且驱动齿轮15还啮合连接对称的齿轮摆杆一9、齿轮摆杆三16、齿轮摆杆四28、齿轮摆杆六31，其中驱动齿轮15与变向齿轮一11、齿轮摆杆四28、齿轮摆杆六31的啮合位置处于下水平面，而驱动齿轮15与变向齿轮二29、齿轮摆杆一9、齿轮摆杆三16啮合位置处于上水平面。变向齿轮一11和变向齿轮二29分别装在变向齿轮轴一12、变向齿轮轴二27上，变向齿轮轴一12、变向齿轮轴二27装在下基体盘14上。变向齿轮一11和变向齿轮二29分别啮合连接齿轮摆杆二13、齿轮摆杆五30，齿轮摆杆一9、齿轮摆杆二13、齿轮摆杆三16、齿轮摆杆四28、齿轮摆杆五30、齿轮摆杆六31均用摆杆轴10限位固定在下基体盘14上。齿轮摆杆一9、齿轮摆杆二13、齿轮摆杆三16、齿轮摆杆四28、齿轮摆杆五30、齿轮摆杆六31的非啮合端头下方均用小腿轴32铰连接小腿气缸36的上端，小腿气缸36的圆周面上均用膝关节气缸连杆轴38铰连接膝关节气缸37的一端，膝关节气缸37的另一端用膝关节气缸顶部轴33铰连接在齿轮摆杆一9、齿轮摆杆二13、齿轮摆杆三16、齿轮摆杆四28、齿轮摆杆五30、齿轮摆杆六31的侧面圆周壁上。小腿气缸36的活塞杆下端间隙装配在储能缸套1内，储能缸套1内中心装储能弹簧2，在储能缸套1内壁上装衬套1-1，在储能缸套1和衬套1-1壁上，上、下等距设三层、每层对称装四块挡块3，在挡块3和储能缸套1外壁之间装电磁铁5，电磁铁5和挡块3之间装回复弹簧4，在下基体盘14的下面设下防护罩7，在下防护罩7内中间装蜗轮蜗杆减速电机35，蜗轮蜗杆减速电机35用联轴器34连接中心轴25，蜗轮蜗杆减速电机35一侧设有锂电池8，锂电池8外侧设有四个储气罐6，在下基体盘14的中部两端对称设有挡板24，在挡板24上面装上基体盘17，上基体盘17和下基体盘14之间另由六个摆杆轴10固接，在上基体盘17上装电磁隔膜充气泵18，电磁隔膜充气泵18连接八单元集装式三位五通电磁阀20、十六个排气调速阀19和四个二位两通电磁阀23，在上基体盘17上装上防护罩22，在上防护罩22两侧对称装四个针孔摄像头21。

参照附图5，齿轮摆杆式气动蜘蛛机器人的气动连接关系是：齿轮摆杆一9、齿轮摆杆二13、齿轮摆杆三16、齿轮摆杆四28、齿轮摆杆五30、齿轮摆杆六31上的气动连接关系是相同的，以齿轮摆杆六31为例，分小腿气缸36和膝关节气缸37的气动连接关系。小腿气缸36的气动连接中，由电磁隔膜充气泵18连接储气罐6一端，储气罐6的另一端通过软管与三位五通电磁阀20的输入口相连，三位五通电磁阀20的两个输出口的分别串接一个排气调速阀19，其中的一个排气调速阀19与一个二位两通电磁阀23并联，这两路输出分别通过软管接小腿气缸36的下端和上端；膝关节气缸37的气动连接中，也由电磁隔膜充气泵18连接储气罐6一端，储气罐6的另一端通过软管与另一个三位五通电磁阀20的输入口相连，三位五通电磁阀20的两个输出口的分别串接一个排气调速阀19，两个排气调速阀19的另一端分别接膝关节气缸37的下端和上端。

齿轮摆杆式气动蜘蛛机器人的动作原理是：

交替摆腿动作：参照附图1、4，齿轮摆杆二13、齿轮摆杆五30分别通过变向齿轮一11、变向齿轮二29与驱动齿轮15构成二级齿轮传动，齿轮摆杆一9、齿轮摆杆三16、齿轮摆杆四28、齿轮摆杆六31则与驱动齿轮15直接啮合；当蜗轮蜗杆减速电机35带动驱动齿轮15逆时针旋转时，齿轮摆杆一9和齿轮摆杆三16绕各自摆杆轴顺时针旋转，而齿轮摆杆五30则逆时针旋转，此时齿轮摆杆一9、齿轮摆杆三16、齿轮摆杆五30相对于下基体盘14的摆动方向是统一向后的（设附图4中向上为向后方向，向下为向前方向），同理，与此同时，齿轮摆杆二13、齿轮摆杆四28、齿轮摆杆六31的摆动方向是统一向前的，齿轮摆杆一9、齿轮摆杆三16、齿轮摆杆五30和齿轮摆杆二13、齿轮摆杆四28、齿轮摆杆六31相对于下基体盘14的方向始终相反，各水平髋关节的摆腿方向通过不断定时改变蜗轮蜗杆减速电机35的转动方向来控制，摆腿步幅大小通过转动时间来控制，这样只通过一个蜗轮蜗杆减速电机35就实现了蜘蛛机器人六条腿的交替摆腿动作。

纵向行走和越障动作：参照附图1、4、5，并结合交替摆腿动作进行纵向行走，当蜗轮蜗杆减速电机35开始带动驱动齿轮15逆时针旋转时，齿轮摆杆一9、齿轮摆杆三16、齿轮摆杆五30对应的三个小腿气缸伸长支地，统一向后摆动，推动机体向前，与此同时，齿轮摆杆二13、齿轮摆杆四28、齿轮摆杆六31对应的三个小腿气缸呈收缩状态，统一向前摆动，实现前探步；当达到一个步距时，蜗轮蜗杆减速电机35开始反转，此时齿轮摆杆二13、齿轮摆杆四28、齿轮摆杆六31对应三个小腿气缸的伸长支地，统一向后摆动，推动机体向前，而齿轮摆杆一9、齿轮摆杆三16、齿轮摆杆五30对应的三个小腿气缸收缩，统一向前摆动，如此往复，两组腿不断交替行进，实现机体纵向行走；当每个小腿气缸满行程伸缩时，可实现接近1倍小腿气缸行程的越障高度，从而可实现纵向越障。

横向行走和越障动作：参照附图1、4、5，行走前，先旋转蜗轮蜗杆减速电机35，调整六个齿轮摆杆使其相互平行，保持图4中位置，从而保证六条腿横向行走时方向一致性，然后蜗轮蜗杆减速电机35停机，各腿完全由气压传动控制。当向右横向行走时，齿轮摆杆二13、齿轮摆杆四28、齿轮摆杆六31对应的三个小腿气缸呈收缩状态，齿轮摆杆一9、齿轮摆杆三16、齿轮摆杆五30对应的三个小腿气缸伸长支地，与此同时，齿轮摆杆五30和齿轮摆杆二13对应的膝关节气缸逐渐收缩，齿轮摆杆一9、齿轮摆杆三16和齿轮摆杆四28、齿轮摆杆六31对应的膝关节缸逐渐伸长，此时，齿轮摆杆一9、齿轮摆杆三16、齿轮摆杆五30对应的膝关节气缸的动作推动机体向右行走，而齿轮摆杆二13、齿轮摆杆四28、齿轮摆杆六31对应的膝关节气缸的动作实现向右探步；当达到一个横向步距时，所有小腿气缸和膝关节气缸同时反向动作，继续推动机体向右行走，如此往复，两组腿不断交替横向推进，实现机体横向行走；上述运动过程中，各齿轮摆杆对应的小腿气缸和膝关节气缸满行程伸缩时，可实现横向越障，以图1中三维模型为例，其理论越障高度可达2倍身高，考虑到机体自身高度，实际越障高度可达1.5-1.6倍身高，执行速度快的气压传动能保证该机器人反应迅速，动作灵活。

跳跃动作：参照附图1、5，跳跃时，蜗轮蜗杆减速电机35不动作，跳跃前，六个齿轮摆杆对应的小腿气缸全部收缩到最低点，以齿轮摆杆六31对应的小腿气缸36为例，先把小腿气缸36内气体排净，然后再瞬时开启小腿气缸36的二位两通电磁阀23（快速进气），这样小腿气缸36受到向上的高压冲击，因此，六个齿轮摆杆对应的小腿气缸同时得到瞬时动能，从而实现跳跃动作；再者，可通过各膝关节气缸调节对应的齿轮摆杆与小腿气缸角度，实现垂直跳跃和横向跳跃，角度调整以齿轮摆杆六31为例，可通过膝关节气缸37调节齿轮摆杆六31与小腿气缸36的角度，当形成直角时为垂直跳跃，当非直角时为横向跳跃；该机器人的跳跃能力与机体质量的一次方成反比，而与小腿气缸缸径平方成正比，因此，小腿气缸缸径决定其跳跃能力；且跳跃具有储能装置，参照附图3，储能装置中的挡块全部采用与其对应的电磁铁5和回复弹簧4控制其挡或不挡的状态，最下面两层的挡块主要用于储存不同大小的跳跃能量，最底层的挡块3储存能量最大。

原地转向动作：参照附图1、4、5，结合交替摆腿动作进行原地转向，转向时，各齿轮摆杆对应的膝关节气缸不动作，且只对蜗轮蜗杆减速电机35和各小腿气缸动作，当蜗轮蜗杆减速电机35开始带动驱动齿轮15逆时针旋转时，齿轮摆杆一9、齿轮摆杆三16、齿轮摆杆四28、齿轮摆杆六31对应的小腿气缸伸长支地，统一顺时针旋转，推动整个机体逆时针旋转，与此同时，齿轮摆杆二13、齿轮摆杆五30对应的小腿气缸呈收缩状态，统一逆时针旋转；当达到一个步距时，蜗轮蜗杆减速电机35开始反转，此时齿轮摆杆二13、齿轮摆杆五30对应的小腿气缸伸长支地，统一顺时针旋转，继续推动整个机体逆时针旋转，而齿轮摆杆一9、齿轮摆杆三16、齿轮摆杆四28、齿轮摆杆六31对应的小腿气缸则呈收缩状态，统一逆时针旋转，如此循环往复，两组腿不断交替推动机体旋转，实现蜘蛛机器人的原地转向，其中可通过控制循环次数来控制转向角度。

原地翻身动作：参照附图1、2，机器人防护罩7和22上下对称设计，考虑到跳跃下落时地面不平或受到其它外界影响，会出现蜘蛛机体翻转现象，此时，以齿轮摆杆六31为例，伸展膝关节气缸37，使其齿轮摆杆六31与小腿气缸36保持在一条直线上，然后再收缩膝关节气缸37，此时由于小腿气缸36自重作用，小腿气缸36会向下偏转，实现关节变向，这样可实现六个齿轮摆杆同时关节变向，实现机体翻转。

翻筋斗动作：结合跳跃和原地翻身动作，可实现翻筋斗动作，参照附图1、4，翻筋斗时，同时开启图中齿轮摆杆四28、齿轮摆杆五30、齿轮摆杆六31对应小腿气缸的二位两通电磁阀（快速进气），这样此对应的三个小腿气缸同时受到向上的高压冲击，得到瞬时动能，向上跳跃，与此同时，图中齿轮摆杆一9、齿轮摆杆二13、齿轮摆杆三16对应膝关节气缸快速伸展，实现整个机体绕齿轮摆杆一9、齿轮摆杆二13、齿轮摆杆三16对应的小腿轴快速翻转，起跳后，齿轮摆杆四28、齿轮摆杆五30、齿轮摆杆六31对应的小腿气缸快速伸展，达到满行程，使其小腿气缸与其对应的齿轮摆杆成一条直线，当机体翻转超过90度时，快速收缩齿轮摆杆一9、齿轮摆杆二13、齿轮摆杆三16对应的膝关节气缸，此时由于惯性作用，齿轮摆杆一9、齿轮摆杆二13、齿轮摆杆三16对应的膝关节变向，使整个机体翻转到齿轮摆杆一9、齿轮摆杆二13、齿轮摆杆三16对应的小腿轴左侧，此时快速收缩齿轮摆杆四28、齿轮摆杆五30、齿轮摆杆六31对应的膝关节气缸，由于重力作用，齿轮摆杆四28、齿轮摆杆五30、齿轮摆杆六31对应的膝关节变向，从而实现了翻筋斗动作。

Claims (1)

1.一种齿轮摆杆式气动蜘蛛机器人，包括储能缸套（1）、储气罐（6）、锂电池（8）、上、下防护罩（22、7）、蜗轮蜗杆减速电机（35）、联轴器（34）、上、下基体盘（17、14）、驱动齿轮（15）、中心轴（25）、变向齿轮轴一、二（12、27）、变向齿轮一、二（11、29）、齿轮摆杆一、二、三、四、五、六（9、13、16、28、30、31），其特征在于在下基体盘（14）的中间处设有中心轴（25），在中心轴(25)上装驱动齿轮(15)，驱动齿轮(15)对称啮合连接变向齿轮一(11)和变向齿轮二(29)，驱动齿轮（15）啮合连接齿轮摆杆一（9）、齿轮摆杆三（16）、齿轮摆杆四（28）、齿轮摆杆六（31），变向齿轮一、二（11、29）装在变向齿轮轴一、二（12、27）上，变向齿轮轴一、二（12、27）装在下基体盘（14）上，变向齿轮一、二（11、29）分别啮合连接齿轮摆杆二（13）、齿轮摆杆五（30），齿轮摆杆一、二、三、四、五、六（9、13、16、28、30、31）均用摆杆轴（10）限位固定在下基体盘（14）上，齿轮摆杆一、二、三、四、五、六（9、13、16、28、30、31）的非啮合端头下方均用小腿轴（32）铰连接小腿气缸（36），小腿气缸（36）的圆周面上均用膝关节气缸连杆轴（38）连接膝关节气缸（37）的一端，膝关节气缸（37）的另一端用膝关节气缸顶部轴（33）铰连接在齿轮摆杆一、二、三、四、五、六（9、13、16、28、30、31）的侧面圆周壁上，小腿气缸（36）的活塞杆下端间隙装配在储能缸套（1）内，储能缸套（1）内中心装储能弹簧（2），在储能缸套（1）内壁上装衬套（1-1），在储能缸套（1）和衬套（1-1）壁上，上、下等距设三层、每层对称装四块挡块（3），在挡块（3）和储能缸套（1）外壁之间装电磁铁（5），电磁铁（5）和挡块（3）之间装回复弹簧（4），在下基体盘（14）的下面设下防护罩（7），在下防护罩（7）内中间装蜗轮蜗杆减速电机（35），蜗轮蜗杆减速电机（35）用联轴器(34)连接中心轴(25)，蜗轮蜗杆减速电机一(35)侧设有锂电池(8)，锂电池(8)外侧设有多个储气罐(6)，在下基体盘(14)的中部两端对称设有挡板(24)，在挡板(24)上面装上基体盘(17)，上、下基体盘(17、14)之间另由多个摆杆轴(10)固接，在上基体盘(17)上装电磁隔膜充气泵(18)，电磁隔膜充气泵(18)连接多个排气调速阀(19)、二位两通电磁阀（23）和三位五通电磁阀（20），在上基体盘（17）上装上防护罩（22），在上防护罩（22）两侧对称装四个针孔摄像头（21）。