CN102815348B - 一种四足攀爬机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种四足攀爬机器人，包括躯干、上肢、下肢、手部和足部，肩部舵机位于两躯干侧板上部，肘部舵机通过后臂与肩部舵机连接；腕部舵机位于手部和前臂之间；髋部舵机位于两躯干侧板下部的内侧，大腿位于髋部舵机和膝部舵机之间；小腿与足部和膝部舵机固连。肩部转动副在竖直平面内转动，肘部和腕部转动副在水平面内转动，髋部和膝部转动副在竖直平面内转动。通过模仿动物的体形结构及攀爬树木方式，实现机器人抱住杆体进行攀爬的结构。机器人攀爬杆体时与杆体产生倾斜角度，手部和足部与杆体间相互作用产生摩擦力，使机器人在自身重力作用下自锁在杆体上，不需其它夹紧机构，既节省能耗，又可提高机器人能量利用率。

Description

一种四足攀爬机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体地说,涉及一种具有攀爬能力的仿生四足机器人。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，现代生活中机器人技术的应用日益增多。攀爬机器人是应用较为广泛的机器人之一，并且应用领域广泛。在民用领域中，高塔检修、环境监测、树木防病虫害、电线架设和检修、路灯维修和更换等高空作业中，攀爬机器人可以替代人进行此类危险作业；在军用领域中，可在战场上用于隐蔽侦查和物资运送等任务。现有的攀爬机器人有伸缩式、翻转式、绕爬式，但这些攀爬方式存在机器人运动灵活性差，身体各部分的活动范围较小，爬行负载小和能量利用率低的问题。

发明专利CN101695835A中公开了一种智能翻转式的攀爬机器人，该机器人具有夹紧手爪、旋转臂和翻转臂结构，使用翻转式攀爬方式。但由于夹紧手爪是主动夹紧方式，故一部分能量浪费在提供的夹紧力方面。在专利CN101492073A中描述了一种遥控爬杆爬绳机器人，该机器人具有上自锁机架和下自锁机架，可以将机器人自锁在杆体上，但自锁的驱动力是由自锁电机提供，不是靠自身重力作用实现自锁。

现有公开的文献,“A Climbing Parallel Robot”《一种可攀爬的并联机器人》(美国“Robotics and Automation Magazine”《机器人与自动化》,2006年3月,第13卷第1期第16页.)论文中提出了一种攀爬机器人，机器人具有一种多功能夹持装置，可以使机器人在管道内、管道外、金属塔架上攀爬，但夹持装置是主动夹紧方式，故需要提供额外的能量用于夹紧。

发明内容

为了避免现有技术中存在的不足，克服其攀爬时爬行负载小、能量利用率低的问题，本发明提出一种四足攀爬机器人；通过模仿树懒的体形结构及攀爬树木方式，实现机器人抱住杆体进行攀爬的结构。机器人攀爬杆体时，根据杆体直径大小产生倾斜角度，手部和足部与杆体之间存在相互作用的压力，产生摩擦力使机器人在自身重力作用下自锁在杆体上，不需要特殊的夹紧机构，可节省能量消耗，提高机器人能量利用率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:四足攀爬机器人由躯干、上肢、下肢组成，包括躯干侧板、躯干横板、手部、腕部舵机、前臂、肘部舵机、后臂、肩部舵机、髋部舵机、大腿、膝部舵机、小腿、足部、舵机套、楔形块、驱动轴，

所述躯干侧板为两个相互平行呈拱形板件，四个结构相同的躯干横板平行等距位于两躯干侧板之间，且与躯干侧板垂直固连；肩部舵机位于两躯干侧板上部外侧，通过舵机套和楔形块与躯干侧板固连；肘部舵机通过后臂与肩部舵机连接；腕部舵机位于手部和前臂之间；前臂的一端通过舵机套与肘部舵机固连，另一端与腕部舵机固连；两个髋部舵机位于躯干侧板下部的内侧，大腿位于髋部舵机和膝部舵机之间；小腿前端与足部连接，后部和膝部舵机固连；肩部转动副在竖直平面内转动，肘部和腕部转动副在水平面内转动，髋部和膝部转动副在竖直平面内转动；

所述后臂为两个相同的凹形板件，端部和底面中间部位均布安装孔，外部底面相互垂直连接；

所述前臂为两个相同且同侧向连接部位倾斜的凹形板件，端部和底面中间部位均布安装孔，外部底面互相贴合连接；

所述手部为两个相同的弧形杆件，两个杆件的一端分别设有竖向连接孔；

所述大腿为两个相同的凹形板件，两端部和底面中间部位均布安装孔，外部底面互相贴合连接，大腿的一端与髋部舵机的驱动轴连接，另一端与膝部舵机的驱动轴连接；

所述小腿为两个宽窄不同的凹形板件，两端部和底面中间部位均布安装孔，两个凹形板件底面相贴合连接，小腿的一端与足部固连，另一端通过舵机套与膝部舵机固连；

所述足部为两个相同的弧形杆件，两个杆件的一端分别设有竖向连接孔。

所述楔形块的角度为8-12°。

所述前臂两凹形板件侧向夹角为75-80°。

本发明的有益效果是:四足攀爬机器人,包括躯干、上肢、下肢、手部和足部，肩部舵机位于两躯干侧板上部，肘部舵机通过后臂与肩部舵机连接；腕部舵机位于手部和前臂之间；髋部舵机位于两躯干侧板下部的内侧，大腿位于髋部舵机和膝部舵机之间；小腿与足部和膝部舵机固连。肩部转动副在竖直平面内转动，肘部和腕部转动副在水平面内转动，髋部和膝部转动副在竖直平面内转动。通过模仿动物的体形结构及攀爬树木方式，实现机器人抱住杆体进行攀爬的结构。当本攀爬机器人抱住杆体时，根据杆体直径大小产生一定角度的倾斜，使手部和足部与杆体之间有相互作用的压力，以产生足够的摩擦力使机器人能够在自身重力作用下自锁在杆体上，而不需要特殊的夹紧机构，从而节省能量消耗，提高机器人能量利用率。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种四足攀爬机器人作进一步的详细说明。

图1为本发明四足攀爬机器人示意图。

图2为腕部舵机示意图。

图3为舵机套结构示意图。

图4为楔形块装配示意图。

图5为手部与腕部结构示意图。

图6为后臂结构示意图。

图7为前臂结构示意图。

图8为大腿结构示意图。

图9为小腿结构示意图。

图10为机器人攀爬杆体的三维示意图。

图11为机器人攀爬杆体的侧面视图。

图中:

1.手部 2.腕部舵机 3.前臂 4.肘部舵机 5.舵机套 6.后臂7.肩部舵机 8.楔形块 9.躯干侧板 10.躯干横板 11.髋部舵机 12.大腿13.膝部舵机 14.小腿 15.足部 16.舵机安装孔 17.驱动轴

具体实施方式

本实施例是一种四足攀爬机器人，通过模仿动物的身体结构及其攀爬树杆方式，实现机器人抱住杆体进行攀爬的结构。当攀爬机器人在杆体上静止不动时，机身会根据杆体直径大小产生一定角度的倾斜，并且手部抱住杆体，足部攀蹬住杆体。手部和足部与杆体之间存在压力，当倾斜角度在恰当的范围内时，压力可产生足够的摩擦力使机器人在杆体上保持平衡。机器人在自身重力作用下自锁在杆体上，实现攀爬的动作。

参阅图1-图11,本发明四足攀爬机器人包括手部1、腕部舵机2、前臂3、 肘部舵机4、舵机套5、后臂6、肩部舵机7、楔形块8、躯干侧板9、躯干横板10、髋部舵机11、大腿12、膝部舵机13、小腿14、足部15、舵机安装孔16、驱动轴17。两个肩部舵机7分别位于两躯干侧板9上部外侧，并通过舵机套5和楔形块8与躯干侧板9连接；肘部舵机4通过后臂6与肩部舵机7连接；腕部舵机2通过前臂3和舵机套5与肘部舵机4连接；手部1通过上下两个阶梯形金属板与腕部舵机2连接；四个躯干横板10位于两躯干侧板9之间，躯干横板10两端与躯干侧板9固定连接；两个髋部舵机11位于躯干侧板9下部的内侧，通过舵机套5与躯干侧板9连接；膝部舵机13通过大腿12与髋部舵机11连接；足部15通过小腿14和舵机套5与膝部舵机13连接。舵机套5上有舵机安装孔16，舵机通过舵机安装孔16与舵机套5固连，舵机套5安装在舵机外面。楔形块8是一个角度为8-12°的金属楔，楔形块8的两边斜面，一面紧贴于舵机套5底面并通过安装孔与舵机套5固连，另一面紧贴于躯干侧板9外侧并通过安装孔与躯干侧板9固连。

如图5所示，连接手部1和腕部舵机2的两个阶梯形金属片分别对称安装于腕部舵机2的上下两侧，构成了一端宽、一端窄的手部1连接结构，宽的一端通过安装孔与腕部舵机2的驱动轴17固连，窄的一端通过安装孔与手部1固连，构成了腕部转动副。

如图6所示，后臂6由相同的两个凹形件于底面互相贴合连接，两凹形件通过底部的安装孔固连，并相互垂直成十字交叉状；后臂6的一端与肩部舵机7的驱动轴17连接，另一端与肘部舵机4的驱动轴17连接，构成肩部和肘部的转动副。如图7所示，前臂3由相同的两个倾斜的凹形件于底面互相贴合连接，凹形件底面和侧面的夹角为75-80°；两凹形件通过底部的安装孔固连；前臂3的一端通过安装孔与肘部的舵机套5固连，另一端与腕部的舵机套5固连。两上肢前臂3成150-160°弯折状。

如图8所示，大腿12由相同的两个凹形件于底面互相贴合连接，两凹形件通过底部的安装孔固定连接；大腿12的一端与髋部舵机11的驱动轴17连接，另一端与膝部舵机13的驱动轴17连接，构成髋部和膝部的转动副。

如图9所示，小腿14由两个不同的凹形件于底面互相贴合连接，两凹形件通过底部的安装孔固连；小腿14的的一端通过安装孔与足部15固连，另一端通过安装孔与膝部的舵机套5固连。

如图1所示，肩部转动副在竖直平面内转动，髋部和膝部转动副在竖直平面内转动。当上肢位于水平位置时，肘部舵机4和腕部舵机2构成的肘部和腕部转动副在水平面内转动。

参见10、图11，机器人的两个手部1抱住杆体，两足部15也分别攀蹬住杆体，在机器人自身的重力作用下，机器人的重心对足部15与杆体的接触点存在一个逆时针方向的力矩；故在杆体和机器人的手部1之间，杆体和足部15之间存在压力，压力产生的摩擦力使机器人在杆体上保持平衡，即保持自锁状态。攀爬机器人采用对角步态，即左上肢和右下肢同时运动，右上肢和左下肢同时运动。机器人的攀爬过程与动物树懒爬树过程相似，当机器人开始向上攀爬时，首先控制左手和右足离开杆体，再使机器人左肩关节和右膝关节向上转动；同时控制机器人的右肩关节和左膝关节向下转动，但右手和左足仍自锁在杆体上，从而带动整个机器人向上运动。当右肩关节和左膝关节的角度转动到与攀爬开始前左肩关节和右膝关节的角度相同时，左肩关节和右膝关节的角度也转动到与攀爬开始前右肩关节和左膝关节相同的角度位置，同时左手和右足重新抱紧杆体；即左上肢和右下肢的关节角度与右上肢和左下肢的关节角度对换。攀爬过程的第二步与第一步相似，首先控制右手和左足离开杆体，再使机器人右肩关节和左膝关节向上转动；同时控制机器人的左肩关节和右膝关节向下转动，但左手和右足仍自锁在杆体上，带动整个机器人再次向上运动。一按上述攀爬动作，机器人只需不断重复做攀爬动作便可一直向上攀爬杆体。

Claims (3)

1.一种四足攀爬机器人,由躯干、上肢、下肢组成，其特征在于包括躯干侧板、躯干横板、手部、腕部舵机、前臂、肘部舵机、后臂、肩部舵机、髋部舵机、大腿、膝部舵机、小腿、足部、舵机套、楔形块、驱动轴，

所述躯干侧板为两个相互平行呈拱形板件，四个结构相同的躯干横板平行等距位于两躯干侧板之间，且与躯干侧板垂直固连；肩部舵机位于两躯干侧板上部外侧，通过舵机套和楔形块与躯干侧板固连；肘部舵机通过后臂与肩部舵机连接；腕部舵机位于手部和前臂之间；前臂的一端通过舵机套与肘部舵机固连，另一端与腕部舵机固连；两个髋部舵机位于躯干侧板下部的内侧，大腿位于髋部舵机和膝部舵机之间；小腿前端与足部连接，后部和膝部舵机固连；肩部转动副在竖直平面内转动，肘部和腕部转动副在水平面内转动，髋部和膝部转动副在竖直平面内转动；

所述后臂为两个相同的凹形板件，端部和底面中间部位均布安装孔，外部底面相互垂直连接；所述前臂为两个相同且同侧向连接部位倾斜的凹形板件，端部和底面中间部位均布安装孔，外部底面互相贴合连接；所述手部为两个相同的弧形杆件，两个杆件的一端分别设有竖向连接孔；

所述大腿为两个相同的凹形板件，两端部和底面中间部位均布安装孔，外部底面互相贴合连接，大腿的一端与髋部舵机的驱动轴连接，另一端与膝部舵机的驱动轴连接；所述小腿为两个宽窄不同的凹形板件，两端部和底面中间部位均布安装孔，两个凹形板件底面相贴合连接，小腿的一端与足部固连，另一端通过舵机套与膝部舵机固连；所述足部为两个相同的弧形杆件，两个杆件的一端分别设有竖向连接孔。

2.根据权利要求1所述的一种四足攀爬机器人,其特征在于:所述楔形块的角度为8-12°。

3.根据权利要求1所述的一种四足攀爬机器人,其特征在于:所述前臂两凹形板件侧向夹角为75-80°。