CN103204194A - 仿婴儿四足爬行机器人 - Google Patents

Abstract

一种仿婴儿四足爬行机器人，包括右臂、前机体连接板、柔性脊柱、右腿、后机体连接板、左腿以及左臂，其中左臂（G）和右臂（A），左腿（F）和右腿(D)为两组各自结构完全相同的组件，上臂、下臂以及上腿由舵机来进行驱动。该发明通过仿生婴儿在爬行过程中呈现周期性摆动且前后摆动不一致的脊柱以及在爬行过程中微微呈弯曲状，自然依靠于地面且对前进无推动作用的后腿，设计出三种不同结构类型的柔性脊柱以及呈半圆弧状结构且具有弹性的弧状腿板，从而通过弹簧钢片的微量弯曲来抵抗来自地面的冲击。该发明通过在机器人中加入柔性构件，从而提高机器人在行走中的协调性和稳定性，也为提高机器人的动态性能提供方法。

Description

仿婴儿四足爬行机器人

技术领域

本发明涉及一种四足机器人，具体涉及一仿婴儿四足爬行机器人，其具有三种不同结构类型的柔性脊柱以及一半圆弧形腿。

背景技术

在仿婴儿式爬行机器人领域，由意大利研究人员设计的婴儿机器人“iCub”可以说是婴儿机器人的集大成者。其通过CPG方法已经让“iCub”实现了爬行运动。但是在“iCub”的爬行运动中基本忽视了脊柱在爬行中的作用，因此在爬行中有非常不自然的划船式的摆动，不如真实婴儿一般的连贯和柔顺，速度也不高。而由日本信息通信融合研究中心研制的“Infanoid”仿婴儿机器人，其是一款模仿婴儿识别与交流行为的机器人，通过建立一个人工智能的学习机制，能够学习并参与到与人类的交流中，从而产生智能的互动行为。但是，“Infanoid”所注重的是智能层面上的研究而对运动学方面研究甚少；再者，由日本发明的一款新型的模仿婴儿骨骼肌肉结构而设计的机器人“Pneuborn-7Ⅱ”，采用气动肌肉高仿真度地模仿人体，同时基于CPG和鲍威尔优化方法的学习算法成功实现了机器人的缓慢爬行，并通过对三种脊柱弯曲姿态的实验研究发现脊柱结构在其运动发展过程中起着重要的作用，然而其重点关注的是脊柱弯曲姿态而对于脊柱结构方面少有提及。因此对于现有的仿婴儿四足爬行机器人来讲，其主要研究在于机器人之间、人和机器人之间的非言语交流以及与人交互，开发仿人工大脑型的玩具等，而对于婴儿型机器人在爬行过程中脊柱对于稳定性及协调性中所起的作用以及后腿在婴儿爬行中的独特姿态与作用则少有研究，从而对于现有婴儿型机器人来讲，其行走呈僵硬姿态且爬行速度非常缓慢，远不能达到实际婴儿的稳定性和协调性，从情感上使人难以接受而且对于机器人运动而言，也不利于其动态性能的提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题：仿婴儿型四足爬行机器人一般由刚性构件组成，其在结构设计上忽略了婴儿在爬行过程中呈现周期性摆动且前后摆动幅度不一致的脊柱以及弯曲成弧状且自然支撑于地面的后腿的独特特征，因此在爬行过程中，速度非常缓慢且行走呈僵硬姿态，远不能达到实际婴儿的稳定性和协调性。

本发明的技术方案：一种仿婴儿四足爬行机器人，该机器人整体结构包括右臂、前机体连接板、柔性脊柱、右腿、后机体连接板、左腿、左臂，其中柔性脊柱具有三种不同的结构形式；

右臂与左臂结构完全相同，前机体连接板通过机体连接板连接螺栓和机体连接板连接螺母分别与右上臂舵机架和左上臂舵机架相连；

右腿与左腿结构完全相同，后机体连接板通过机体连接板连接螺栓和机体连接板连接螺母分别与右腿舵机架和左腿舵机架相连；

前机体连接板和后机体连接板结构完全相同，前机体连接板和后机体连接板通过脊柱连接螺栓和脊柱连接螺母与柔性脊柱相连。

所述的柔性脊柱具有三种不同的结构类型，分别为均匀分隔变化柔性脊柱，均匀变化柔性脊柱和后端缩小柔性脊柱；均匀分隔柔性脊柱是由多段大横截面柔性段和小横截面柔性段依次连接所构成，均匀变化柔性脊柱是由一逐渐由大变到小的柔性段所构成，后端缩小柔性脊柱是由在后端有小部分小横截面柔性段与前段大部分大横截面柔性段所构成。

本发明的有益效果：本发明所述的仿婴儿四足爬行机器人对婴儿在爬行运动中的特性进行了研究，摒弃了传统的仿婴儿四足爬行机器人的刚性结构，通过观察婴儿在爬行过程中呈现周期性摆动且前后摆动不一致的脊柱以及在爬行过程中微微呈弯曲状，自然依靠于地面且对前进无推动作用的后腿，设计出仿生婴儿脊柱的三种不同结构类型的柔性脊柱以及呈半圆弧状结构且具有弹性的小腿板，通过在机器人中加入柔性构件，从而提高机器人在行走中的协调性和稳定性，且通过小腿板的微量弯曲可以抵抗在爬行过程中来自地面的冲击。

附图说明

图1仿婴儿四足爬行机器人示意图。

图2前、后机体连接板与脊柱连接主视图。

图3前、后机体连接板与脊柱连接俯视图。

图4前、后机体连接板与脊柱连接左视图。

图5前机体连接板与舵机连接架连接爆炸图。

图6前机体连接板与舵机连接架连接主视图。

图7前机体连接板与舵机连接架连接俯视图。

图8前机体连接板与舵机连接架连接左视图。

图9舵机连接架示意图。

图10右臂结构示意图。

图11右臂连接舵盘一字连接板与舵盘连接主视图。

图12右臂连接舵盘一字连接板与舵盘连接剖面图。

图13右臂连接舵机架一字连接板与舵机架连接主视图。

图14右臂连接舵机架一字连接板与舵机架连接剖视图

图15右下臂舵机与舵机连接架连接示意图。

图16右下臂主视图。

图17右下臂剖视图。

图18右下臂俯视图。

图19右腿结构示意图。

图20后机体连接板与舵机连接架连接图。

图21右腿连接舵盘一字板连接示意图。

图22右腿轴承连接部分剖视图。

图23右腿弧形板连接示意图。

图24左臂结构示意图。

图25左腿结构示意图。

图26具有后端缩小的柔性脊柱。

图27具有均匀分隔变化的柔性脊柱。

图28具有均匀变化的柔性脊柱。

图29具有均匀变化柔性脊柱的仿婴儿四足爬行机器人示意图。

图30具有后端缩小柔性脊柱的仿婴儿四足爬行机器人示意图。

图中：右臂A、前机体连接板B、均匀分隔变化柔性脊柱C1、均匀变化柔性脊柱C2、后端缩小柔性脊柱C3、右腿D、后机体连接板E、左腿F、左臂G、右臂连接舵机架一字连接板1、右下臂2、右下臂舵机3、右臂连接舵盘一字连接板4、右上臂舵机5、右腿舵机7、右腿连接舵盘一字连接板8、右腿下端连接架9、右腿弧形板10、右腿连接舵机架一字连接板11、左上臂舵机12、左下臂舵机13、左腿舵机14、右上臂轴承连接螺母1-1、右上臂轴承1-2、右上臂轴承连接螺栓1-3、右下臂轴承连接螺栓1-4、右下臂轴承连接螺母1-5、右下臂轴承1-6、右下臂下端2-1、右下臂上端2-2、右下臂套筒2-3、右下臂套筒连接螺栓2-4、右下臂套筒连接螺母2-5、右下臂上端连接螺栓2-6、右下臂上端连接螺母2-7、右下臂压簧2-8、右下臂下端连接螺栓2-9、右下臂下端连接螺母2-10、右下臂舵机架连接螺栓3-1、右下臂舵机架连接螺母3-2、右上臂舵盘连接螺栓4-1、右上臂舵盘连接螺母4-2、右下臂舵盘连接螺栓4-3、右下臂舵盘4-4、右下臂舵盘连接螺母4-5、右上臂舵盘5-1、右上臂舵盘连接螺钉5-2、右上臂舵机架连接螺栓5-3、右上臂舵机架连接螺母5-4、右上臂舵机架6-1、左上臂舵机架6-2、左腿舵机架6-3、右腿舵机架6-4、右下臂舵机架6-5、右腿舵盘连接螺钉7-1、右腿舵盘7-2、右腿舵机架连接螺栓7-3、右腿舵机架连接螺母7-4、右腿连接舵盘螺母8-1、右腿连接舵盘螺栓8-2、右腿下端连接架连接螺栓9-1、右腿下端连接架连接螺母9-2、右腿连接轴承螺栓11-1、右腿轴承11-2、右腿连接轴承螺母11-3、右腿连接舵机架一字连接板连接螺栓11-4、右腿连接舵机架一字连接板连接螺母11-5、机体连接板连接螺母B1、机体连接板连接螺栓B2、脊柱连接螺栓B3、脊柱连接螺母B4。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示为具有均匀分隔脊柱的仿婴儿四足爬行机器人示意图，仿婴儿四足爬行机器人包括右臂A、前机体连接板B、具有均匀分隔变化的柔性脊柱C1、右腿D、后机体连接板E、左腿F、左臂G；

右臂A与左臂G结构完全相同，前机体连接板B通过机体连接板连接螺栓B2和机体连接板连接螺母B1分别与右上臂舵机架6-1和左上臂舵机架6-2相连；

右腿D与左腿F结构完全相同，后机体连接板E通过机体连接板连接螺栓B2和机体连接板连接螺母B1分别与右腿舵机架6-4和左腿舵机架6-3相连；

由图2-图4可以看出，前机体连接板B和后机体连接板E结构完全相同，前机体连接板B和后机体连接板E通过脊柱连接螺栓B3和脊柱连接螺母B4与具有均匀分隔变化的脊柱C1相连。

由图5-图15可以看出，右臂A包括连接右臂舵机架一字连接板1、右下臂2、右下臂舵机3、右下臂舵机架6-5、右臂连接舵盘一字连接板4、右上臂舵机5、右上臂舵机架6-1；

右上臂舵机架6-1通过右上臂舵机架连接螺栓5-3和右上臂舵机架连接螺母5-4与右上臂舵机5连接，右上臂舵盘5-1通过右上臂舵盘连接螺钉5-2与右上臂舵机5连接；

右臂连接舵盘一字连接板4通过右上臂舵盘连接螺栓4-1和右上臂舵盘连接螺母4-2与右上臂舵盘5-1连接，通过右下臂舵盘连接螺栓4-3和右下臂舵盘连接螺母4-5与右下臂舵盘4-4连接；

右臂连接舵机架一字连接板1与右上臂轴承1-2和右下臂轴承1-6过盈配合，右上臂舵机架6-1通过右上臂轴承连接螺栓1-3和右上臂轴承连接螺母1-1与右臂连接舵机架一字连接板1连接，从而构成一转动副，轴承轴线与右上臂舵机5的轴线共线；右下臂舵机架6-5通过右下臂轴承连接螺栓1-4和右下臂轴承连接螺母1-5与右臂连接舵机架一字连接板1连接，从而构成一转动副，轴承轴线与右下臂舵机3的轴线共线；

右下臂舵机架6-5通过右下臂舵机架连接螺栓3-1和右下臂舵机架连接螺母3-2与右下臂舵机3连接；

由图16-图18可以看出，右下臂2包括右下臂下端2-1、右下臂上端2-2、右下臂套筒2-3以及右下臂压簧2-8。

右下臂舵机架6-5通过右下臂套筒连接螺栓2-4和右下臂套筒连接螺母2-5与右下臂套筒2-3连接，右下臂套筒2-3通过右下臂上端连接螺栓2-6和右下臂上端连接螺母2-7与右下臂上端2-2连接，右下臂上端2-2通过右下臂下端连接螺栓2-9和右下臂下端连接螺母2-10与右下臂下端2-1连接，右下臂压簧2-8位于右下臂上端2-2和右下臂套筒2-3之间，其可以通过压缩变形来抵抗运动过程中来自地面的冲击。

由图19-图23可以看出，右腿D包括右腿舵机架6-4、右腿舵机7、右腿连接舵盘一字连接板8、右腿下端连接架9、右腿弧形板10、右腿连接舵机架一字连接板11；

右腿舵机架6-4通过右腿舵机架连接螺栓7-3和右腿舵机架连接螺母7-4与右腿舵机7连接，右腿舵盘7-2通过右腿舵盘连接螺钉7-1与右腿舵机7连接；

右腿连接舵盘一字连接板8通过右腿连接舵盘螺栓8-2和右腿连接舵盘螺母8-1与右腿舵盘7-2连接，通过右腿连接舵机架一字连接板连接螺栓11-4和右腿连接舵机架一字连接板连接螺母11-5与右腿下端连接架9连接；

右腿连接舵机架一字连接板11与右腿轴承11-2过盈配合，右腿舵机架6-4通过右腿连接轴承螺栓11-1和右腿连接轴承螺母11-3与右腿连接舵机架一字连接板11连接，从而构成一转动副，轴承轴线与右腿舵机7的轴线共线；右腿连接舵机架一字连接板11下端通过右腿连接舵机架一字连接板连接螺栓11-4和右腿连接舵机架一字连接板连接螺母11-5与右腿下端连接架9连接；

右腿弧形板10通过右腿下端连接架连接螺栓9-1和右腿下端连接架连接螺母9-2与右腿下端连接架9连接。

如图24所示为左臂结构示意图，左臂G与右臂A结构完全相同，左上臂由驱动舵机12来进行驱动使之绕舵机转轴轴线进行旋转，左下臂由驱动舵机13来进行驱动使之绕舵机转轴轴线进行旋转。

如图25所示为左腿结构示意图，左腿F与右腿D结构完全相同，左上腿4由驱动舵机14来进行驱动使之绕舵机转轴轴线进行旋转，左上腿与左下腿之间固定连接。

如图26-图28所示为三种结构不同的柔性脊柱，分别为均匀分隔变化的柔性脊柱C1、均匀变化柔性脊柱C2、后端缩小柔性脊柱C3。均匀分隔变化柔性脊柱C1是由多段大横截面柔性段和小横截面柔性段依次连接所构成，均匀变化柔性脊柱C2是由一逐渐由大变到小的柔性段所构成，后端缩小柔性脊柱C3是由在后端有小部分小横截面柔性段与前段大部分大横截面柔性段所构成。

如图29、图30所示分别为具有均匀变化脊柱的仿婴儿四足爬行机器人示意图和具有后端缩小脊柱的仿婴儿四足爬行机器人示意图。分别具有三种不同形式柔性脊柱的仿婴儿四足爬行机器人的不同之处仅在于柔性脊柱结构的不同，其柔性脊柱结构分别为具有均匀分隔变化的柔性脊柱C1、均匀变化柔性脊柱C2以及后端缩小柔性脊柱C3。

Claims (5)

1.一种仿婴儿四足爬行机器人，其特征在于：该机器人包括右臂（A）、前机体连接板（B）、具有均匀分隔变化的柔性脊柱（C1）、右腿（D）、后机体连接板（E）、左腿（F）、左臂（G）；

右臂（A）与左臂（G）结构完全相同，前机体连接板（B）通过机体连接板连接螺栓（B2）和机体连接板连接螺母（B1）分别与右上臂舵机架（6-1）和左上臂舵机架（6-2）相连；

右腿（D）与左腿（F）结构完全相同，后机体连接板（E）通过机体连接板连接螺栓（B2）和机体连接板连接螺母（B1）分别与右腿舵机架（6-4）和左腿舵机架（6-3）相连；

前机体连接板（B）和后机体连接板（E）结构完全相同，前机体连接板（B）和后机体连接板（E）通过脊柱连接螺栓（B3）和脊柱连接螺母（B4）与具有均匀分隔变化的脊柱（C1）相连。

2.如权利要求1中所述的仿婴儿四足爬行机器人，其特征在于：所述的右臂（A）包括右臂连接舵机架一字连接板（1）、右下臂（2）、右下臂舵机（3）、右下臂舵机架（6-5）、右臂连接舵盘一字连接板（4）、右上臂舵机（5）、右上臂舵机架（6-1）；

右上臂舵机架（6-1）通过右上臂舵机架连接螺栓（5-3）和右上臂舵机架连接螺母（5-4）与右上臂舵机（5）连接，右上臂舵盘（5-1）通过右上臂舵盘连接螺钉（5-2）与右上臂舵机（5）连接；

右臂连接舵盘一字连接板（4）通过右上臂舵盘连接螺栓（4-1）和右上臂舵盘连接螺母（4-2）与右上臂舵盘（5-1）连接，通过右下臂舵盘连接螺栓（4-3）和右下臂舵盘连接螺母（4-5）与右下臂舵盘（4-4）连接；

右臂连接舵机架一字连接板（1）与右上臂轴承（1-2）和右下臂轴承（1-6）过盈配合，右上臂舵机架（6-1）通过右上臂轴承连接螺栓（1-3）和右上臂轴承连接螺母（1-1）与右臂连接舵机架一字连接板（1）连接，从而构成一转动副，轴承轴线与右上臂舵机（5）的轴线共线；右下臂舵机架（6-5）通过右下臂轴承连接螺栓（1-4）和右下臂轴承连接螺母(1-5)与右臂连接舵机架一字连接板（1）连接，从而构成一转动副，轴承轴线与右下臂舵机（3）的轴线共线；

右下臂舵机架（6-5）通过右下臂舵机架连接螺栓（3-1）和右下臂舵机架连接螺母（3-2）与右下臂舵机（3）连接。

3.如权利要求1中所述的仿婴儿四足爬行机器人，其特征在于：所述的右下臂（2）包括右下臂下端（2-1）、右下臂上端（2-2）、右下臂套筒（2-3）以及右下臂压簧（2-8）。

右下臂舵机架（6-5）通过右下臂套筒连接螺栓（2-4）和右下臂套筒连接螺母（2-5）与右下臂套筒（2-3）连接，右下臂套筒（2-3）通过右下臂上端连接螺栓（2-6）和右下臂上端连接螺母（2-7）与右下臂上端（2-2）连接，右下臂上端（2-2）通过右下臂下端连接螺栓（2-9）和右下臂下端连接螺母（2-10）与右下臂下端（2-1）连接，右下臂压簧（2-8）位于右下臂上端（2-2）和右下臂套筒（2-3）之间，其可以通过压缩变形来抵抗仿婴儿型四足机器人在运动的过程中来自地面的冲击。

4.如权利要求1中所述的仿婴儿四足爬行机器人，其特征在于：所述的右腿（D）包括右腿舵机架（6-4）、右腿舵机（7）、右腿连接舵盘一字连接板（8）、右腿下端连接架（9）、右腿弧形板（10）、右腿连接舵机架一字连接板（11）；

右腿舵机架（6-4）通过右腿舵机架连接螺栓（7-3）和右腿舵机架连接螺母（7-4）与右腿舵机（7）连接，右腿舵盘（7-2）通过右腿舵盘连接螺钉（7-1）与右腿舵机（7）连接；

右腿连接舵盘一字连接板（8）通过右腿连接舵盘螺栓（8-2）和右腿连接舵盘螺母（8-1）与右腿舵盘（7-2）连接，通过右腿连接舵机架一字连接板连接螺栓（11-4）和右腿连接舵机架一字连接板连接螺母（11-5）与右腿下端连接架（9）连接；

右腿连接舵机架一字连接板（11）与右腿轴承（11-2）过盈配合，右腿舵机架（6-4）通过右腿连接轴承螺栓（11-1）和右腿连接轴承螺母（11-3）与右腿连接舵机架一字连接板（11）连接，从而构成一转动副，轴承轴线与右腿舵机（7）的轴线共线；右腿连接舵机架一字连接板（11）下端通过右腿连接舵机架一字连接板连接螺栓（11-4）和右腿连接舵机架一字连接板连接螺母（11-5）与右腿下端连接架（9）连接；

右腿弧形板（10）通过右腿下端连接架连接螺栓（9-1）和右腿下端连接架连接螺母（9-2）与右腿下端连接架（9）连接。

5.如权利要求1中所述的仿婴儿四足爬行机器人，其特征在于：所述的仿婴儿四足爬行机器人的柔性脊柱结构形状为均匀分隔柔性脊柱（C1），其是由多段大横截面柔性段和小横截面柔性段依次连接所构成，类似于人类脊柱的分段特征，而观察婴儿在爬行过程中腰部摆动幅度最大而设计了另两种柔性脊柱，即均匀变化柔性脊柱（C2）和后端缩小柔性脊柱（C3），这两种脊柱都是后端横截面小于前部横截面，从而在爬行过程中增大脊柱后部的摆动幅度以提高机器人在行走过程中的协调性和稳定性。均匀变化柔性脊柱（C2）是由一逐渐由大变到小的柔性段所构成，后端缩小柔性脊柱（C3）是由在后端有小部分小横截面柔性段与前段大部分大横截面柔性段所构成，这三种结构形式不同的脊柱由弹性材料构成，具有均匀变化柔性脊柱（C2）的机器人称为具有均匀变化柔性脊柱的仿婴儿四足爬行机器人，具有后端缩小柔性脊柱（C3）的机器人称为具有后端缩小柔性脊柱的仿婴儿四足爬行机器人。

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