CN103381861B - 一种用于仿生昆虫机器人的腿部连接结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于仿生昆虫机器人的腿部连接结构,包括支撑板、长支撑杆、第一短支撑杆、第二短支撑杆、运动杆、驱动机构、T形轴，长、短支撑杆均插接在支撑板上，运动杆与T形轴配合连接，驱动机构包括第一、第二、第三及第四SMA弹簧，第一SMA弹簧和第二SMA弹簧的两端通过连线分别与运动杆及长支撑杆相连，第三SMA弹簧与第一短支撑杆和T形轴相连，第四SMA弹簧与第二短支撑杆和T形轴相连。本发明结构简单、设计合理，简化了机器人腿部结构及主体结构的连接关系，SMA弹簧驱动运动杆动作，性能稳定、造价低、动作柔软、驱动电压低，无污染和噪音，提高了机器人对环境的适应性，符合仿生的概念。
Description
技术领域
本发明属于仿生学技术领域，具体涉及一种用于仿生昆虫机器人的腿部连接结构。
背景技术
机器人技术是一门交叉学科，涉及力学、机械学、电子学、生物学、计算机、人工智能、系统工程学等学科知识，仿生机器人是国内外机器人研究热点，近年来，相关研究取得了长足进步，比如2012年春晚就表演了栩栩如生的机器人舞蹈，日本、法国等国科学家和工程师更是推出了具有一定智能的机器人，我国学者也对复辅助机器人、救援机器人、仿生昆虫等展开研究。但这些机器人腿部运动大都基于电机驱动，结构设计较为复杂、笨重、制作成本高、较难控制，并且在人机界面、柔顺性等方面，与人体、生物具有较大差距。
随着技术的发展，各种移动式机器人的运动方式也各不相同，其中足式机器人主要是靠仿生肢节来运动，现有出现的仿生肢节存在结构复杂、重量较重、安装繁琐的缺陷，另外，靠电机驱动仿生肢节动作，还存在噪音大、不易控制等问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于在提供一种用于仿生昆虫机器人的腿部连接结构。
本发明通过以下技术方案加以实现：
所述的一种用于仿生昆虫机器人的腿部连接结构,包括支撑板、长支撑杆、第一短支撑杆、第二短支撑杆、运动杆、驱动机构、T形轴，所述长支撑杆、第一短支撑杆及第二短支撑杆均插接设置在支撑板上，运动杆与T形轴配合连接，其特征在于所述驱动机构包括第一SMA弹簧、第二SMA弹簧、第三SMA弹簧及第四SMA弹簧，各SMA弹簧的两端均设置有连线，所述第一SMA弹簧和第二SMA弹簧的两端通过连线分别与运动杆及长支撑杆相连，第三SMA弹簧的两端通过连线分别与第一短支撑杆和T形轴相连，第四SMA弹簧的两端通过连线分别与第二短支撑杆和T形轴相连。
所述的一种用于仿生昆虫机器人的腿部连接结构，其特征在于所述第一SMA弹簧配合设置在运动杆和长支撑杆的下端，第二SMA弹簧配合设置在运动杆和长支撑杆的上端。
所述的一种用于仿生昆虫机器人的腿部连接结构，其特征在于所述长支撑杆、第一短支撑杆、第二短支撑杆及运动杆上均设置有连接孔。
所述的一种用于仿生昆虫机器人的腿部连接结构，其特征在于所述T形轴包括水平轴及竖直轴，竖直轴的一端通过三通管连接设置在水平轴的中部，竖直轴通过其上设置的第一轴承插接设置在支撑板上，竖直轴远离水平轴的一端通过第二轴承与运动杆的一端相连。
所述的一种用于仿生昆虫机器人的腿部连接结构，其特征在于所述第一短支撑杆及第二短支撑杆插接设置在支撑板的中部，T形轴插接设置在支撑板的一侧且位于长支撑杆的外侧。
所述的一种用于仿生昆虫机器人的腿部连接结构，其特征在于所述运动杆与T形轴相连的一端设置有连接件，所述连接件呈U形且其上设置有与第二轴承配合使用的轴承孔。
所述的一种用于仿生昆虫机器人的腿部连接结构，其特征在于所述连线为尼龙绳。
所述的一种用于仿生昆虫机器人的腿部连接结构，其特征在于所述运动杆包括一体成型设置的竖直杆及倾斜杆，竖直杆和倾斜杆之间的角度为40-50度，连接件配合设置在倾斜杆的下端。
SMA弹簧即形状记忆合金弹簧，形状记忆合金（Shape Memory Alloy, SMA）是近几十年来发现的一种新型功能材料，具有形状记忆效应。形状记忆合金作为集传感、驱动和执行功能于一体的新型材料，具有重量轻便、结构简单、无噪音、易于控制等特点。常见的形状记忆合金执行器包含SMA丝、SMA弹簧等，其中SMA弹簧相比SMA丝具有变形小，响应速度快等优点。
本发明结构简单、设计合理，简化了机器人腿部结构与机器人主体结构的连接关系，通过用SMA弹簧来驱动运动杆动作，性能稳定、轻便、造价低、动作柔软，同时在驱动运动杆运动的过程中驱动电压低，无污染和噪音，提高了机器人对环境的适应性，符合仿生的概念；通过用四个SMA弹簧来共同驱动一个运动杆的动作，保证了运动杆前后左右动作的自由度，同时更易于步态规划，容易实现仿生昆虫机器人的步行平稳、协调、可靠运行。
附图说明
图1为本发明仿生昆虫机器人的腿部连接结构示意图；
图2为运动杆结构示意图；
图中：1-支撑板，2-长支撑杆，3-第一短支撑杆，31-第二短支撑杆，4-运动杆，41-竖直杆，42-倾斜杆，5-T形轴，51-水平轴，52-竖直轴，53-三通管，54-第一轴承，55-第二轴承，6-第一SMA弹簧，7-第二SMA弹簧，8-第三SMA弹簧，9-第四SMA弹簧，10-连线，11-连接孔，12-连接件，13-轴承孔。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明作进一步详细说明，并给出具体实施方式。
如图1-2所示，本发明一种用于仿生昆虫机器人的腿部连接结构,包括支撑板1、长支撑杆2、第一短支撑杆3、第二短支撑杆31，运动杆4、驱动机构、T形轴5。第一短支撑杆3及第二短支撑杆31插接设置在支撑板1的中部，T形轴5插接设置在支撑板1的一侧且位于长支撑杆2的外侧；运动杆4与T形轴5配合连接，驱动机构用于驱动机器人前进，包括第一SMA弹簧6、第二SMA弹簧7、第三SMA弹簧8及第四SMA弹簧9，各SMA弹簧的两端均设置有连线10，通过连线10与杆件进行连接，具体连接关系为第一SMA弹簧6配合设置在运动杆4和长支撑杆2的下端，第二SMA弹簧7配合设置在运动杆4和长支撑杆2的上端，第三SMA弹簧8的两端通过连线10分别与第一短支撑杆3和T形轴5相连，第四SMA弹簧9的两端通过连线10分别与第二短支撑杆31和T形轴5相连，连线10为尼龙绳，可采用弹性较好的钓鱼线，为了便于各连线和杆件的连接，在长支撑杆2、第一短支撑杆3、第二短支撑杆31及运动杆4上均设置有连接孔11。
T形轴5包括水平轴51及竖直轴52，竖直轴52的一端通过三通管53连接设置在水平轴51的中部，竖直轴52通过其上设置的第一轴承54垂直插接设置在支撑板1上，竖直轴52远离水平轴51的一端通过第二轴承55与运动杆4的一端相连。其工作过程为，水平面中，以竖直轴52为中心转动，带动运动杆4即腿部机构水平转动；竖直平面中，以第二轴承55为中心，带动运动杆4即腿部机构转动，采用该结构设置的连接机构，可保证各仿生肢节前后左右灵活转动。运动杆4包括一体成型设置的竖直杆41及倾斜杆42，竖直杆41和倾斜杆42之间的角度为40-50度，在倾斜杆42的下端配合设置有U形连接件12，U形连接件12上配合设置有与第二轴承55配合使用的轴承孔13。
具体装配过程中，在每根SMA弹簧的两端还分别连接有导线，每根导线的另一端与机器人的控制系统连接，该仿生昆虫机器人腿部结构为模块化设计，每根运动杆的结构形式及参数相同，可用于搭建四足、六足及八足等仿生昆虫机器人，每根运动杆通过四根SMA弹簧控制，弹簧两端需要物理连接和电路连接，物理连接是为了弹簧收缩受力需要，从而产生位移；电路连接是为了方便给弹簧两端通电加热，故弹簧两端的连接为接线插头，物理连接采用强度好的钓鱼线。具有该腿部结构的仿生昆虫机器人，能够满足步行平台实现全方位步态和调整昆虫体姿势的要求。
形状记忆合金弹簧相当于哺乳动物的肌肉，只能收缩而不能舒张，所以形状记忆合金弹簧只有单向驱动力。根据昆虫一只腿的运动规律：抬起腿部→腿部前移→放下腿部，脚与地面接触→腿部后移（实际是腿部不动，虫身前移，由脚和地面摩擦力驱动虫身前进）。本发明一根运动杆由四个形状记忆合金弹簧驱动，分别驱动仿生肢节的抬起、前移、下放、后移。运动杆与T形轴相连接的一端采用轴承连接，以实现运动杆与虫身的驱动连接。
本发明工作时，依次控制SMA弹簧的电路通断，SMA弹簧主动收缩，与之对抗布置的SMA弹簧被动拉长，实现仿生关节即运动杆运动。第一SMA弹簧6、第二SMA弹簧7组成对抗的颉颃机构，可令运动杆4绕第二轴承55上下运动，实现仿生昆虫机器人的抬腿、抓地动作；第三SMA弹簧8、第四SMA弹簧9组成另一组对抗的颉颃机构，可令运动杆4绕第一轴承54前后运动，实现仿生昆虫机器人的前进、后退动作。
Claims (8)
1.一种用于仿生昆虫机器人的腿部连接结构,包括支撑板（1）、长支撑杆（2）、第一短支撑杆（3）、第二短支撑杆（31）、运动杆（4）、驱动机构、T形轴（5），所述长支撑杆（2）、第一短支撑杆（3）及第二短支撑杆（31）均插接设置在支撑板（1）上，运动杆（4）与T形轴（5）配合连接，其特征在于所述驱动机构包括第一SMA弹簧（6）、第二SMA弹簧（7）、第三SMA弹簧（8）及第四SMA弹簧（9），各SMA弹簧的两端均设置有连线（10），所述第一SMA弹簧（6）的两端通过连线（10）分别与运动杆（4）及长支撑杆（2）相连，第二SMA弹簧（7）的两端通过连线（10）分别与运动杆（4）及长支撑杆（2）相连，第三SMA弹簧（8）的两端通过连线（10）分别与第一短支撑杆（3）和T形轴（5）的一端相连，第四SMA弹簧（9）的两端通过连线（10）分别与第二短支撑杆（31）和T形轴（5）的另一端相连。
2.根据权利要求1所述的一种用于仿生昆虫机器人的腿部连接结构，其特征在于所述第一SMA弹簧（6）配合设置在运动杆（4）的下端和长支撑杆（2）的下端，第二SMA弹簧（7）配合设置在运动杆（4）和长支撑杆（2）的上端。
3.根据权利要求1所述的一种用于仿生昆虫机器人的腿部连接结构，其特征在于所述长支撑杆（2）、第一短支撑杆（3）、第二短支撑杆（31）及运动杆（4）上均设置有连接孔（11）。
4.根据权利要求1所述的一种用于仿生昆虫机器人的腿部连接结构，其特征在于所述T形轴（5）包括水平轴（51）及竖直轴（52），竖直轴（52）的一端通过三通管（53）连接设置在水平轴（51）的中部，竖直轴（52）通过其上设置的第一轴承（54）插接设置在支撑板（1）上，竖直轴（52）远离水平轴（51）的一端通过第二轴承（55）与运动杆（4）的一端相连。
5.根据权利要求1所述的一种用于仿生昆虫机器人的腿部连接结构，其特征在于所第一短支撑杆（3）及第二短支撑杆（31）插接设置在支撑板（1）的中部，T形轴（5）插接设置在支撑板（1）的一侧且位于长支撑杆（2）的外侧。
6.根据权利要求1所述的一种用于仿生昆虫机器人的腿部连接结构，其特征在于所述运动杆（4）与T形轴（5）相连的一端设置有连接件（12），所述连接件（12）呈U形且其上设置有与第二轴承（55）配合使用的轴承孔（13）。
7.根据权利要求1所述的一种用于仿生昆虫机器人的腿部连接结构，其特征在于所述连线（10）为尼龙绳。
8.根据权利要求1或6所述的一种用于仿生昆虫机器人的腿部连接结构，其特征在于所述运动杆（4）包括一体成型设置的竖直杆（41）及倾斜杆（42），竖直杆（41）和倾斜杆（42）之间的角度为40-50度，连接件（12）配合设置在倾斜杆（42）的下端。
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