CN104386159A - 基于路径规划设计的仿生蜘蛛 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于路径规划设计的仿生蜘蛛，包括蜘蛛本体和控制系统，所述蜘蛛本体包括蜘蛛壳体、躯干和多条用于支撑躯干的肢体，所述蜘蛛壳体的头部设有摄像装置，所述肢体的上端部设有第一舵机，所述第一舵机上连接有在水平面转动的第一关节，所述第一关节上固定有第二舵机，所述第二舵机上连接有在竖直面转动的第二关节，所述第二关节的另一端连接有相对于第二关节在竖直面转动的第三舵机，所述第三舵机上固定有支脚，所述第一舵机、第二舵机和第三舵机均连接至所述控制系统。本发明基于路径规划设计的仿生蜘蛛，模仿蜘蛛的行走特点，可实现自由前进、后退与转弯等多种行走功能，具有自主判断能力和最优路径选择能力。

Description

基于路径规划设计的仿生蜘蛛

技术领域

本发明涉及仿生机器人领域，更具体的说涉及一种基于路径规划设计的仿生蜘蛛。

背景技术

随着科技的不断发展，仿生机器人已经广泛应用于工业领域的自动化操作。由于工业生产中不乏条件恶劣的生产环境，诸多不安全因素极大的威胁着工人的生命健康，因此，我们需要一种适应多种环境工作的机器人，用以取代人类从事的各种有毒、有害及危险环境下的探测工作，让人们无需身处其中也能够洞查未知环境的信息，解决该现实存在的问题尤为迫切。

仿生机器人的结构大体可分为机体和控制系统，控制系统包括输入模块、控制模块以及输出模块。该输入模块通常为指令存储装置，用于存储预先设计好的一系列并可将该指令传送至控制模块，该控制模块可将接收到的指令传送至输出模块，该输出模块通常为驱动装置，其可接收来自控制模块的控制信号并根据该控制信号驱动机体的各个部件运作，从而实现机器人的自动化。

如授权公告号为CN 202053252U，名称为“一种可行走的机器人”的实用新型专利中记载的一种可行走的机器人，包括机身和腿部，机身设置在腿部上，机身包括输入模块、控制系统和输出模块，输入模块包括，命令装置，用于接收机器人用户的命令并将此命令作为操作指令传送至控制系统；探测装置，用于探测机器人周围存在的物体并探测该物体与机器人之间的距离，将探测的结果传送至控制系统；移动感测装置，用于感测机器人的运动状态并将感测结果反馈给控制系统。控制系统接收来自命令装置发送的操作指令并根据操作指令控制输出模块以驱动机器人依据操作指令运动，控制系统接收探测装置的探测结果以及移动感测装置的感测结果来调节机器人的运动。该机器人适用于在家里充当门卫的角色，对家里各个区域进行监测，并将监测到的信息发送给客户。

上述引用的专利文件中提及的仿生机器人结构简单且功能单一，难以适应条件恶劣的环境，满足不了人们对机器人多样化功能的需求，无法适用于充满未知和危险的环境中。

有鉴于此，本发明人对上述问题进行深入的研究，遂有本案产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于路径规划设计的仿生蜘蛛，模仿蜘蛛的行走特点，可实现自由前进、后退与转弯等多种行走功能，具有自主判断能力和最优路径选择能力。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

基于路径规划设计的仿生蜘蛛，包括蜘蛛本体和控制系统，所述蜘蛛本体包括蜘蛛壳体、躯干和多条用于支撑躯干的肢体，所述蜘蛛壳体罩设在所述躯干上，所述肢体沿着所述躯干的两侧分布，所述蜘蛛壳体的头部设有摄像装置，所述肢体的上端部设有第一舵机，所述第一舵机上连接有在水平面转动的第一关节，所述第一关节上固定有第二舵机，所述第二舵机上连接有在竖直面转动的第二关节，所述第二关节的另一端连接有相对于第二关节在竖直面转动的第三舵机，所述第三舵机上固定有支脚；各肢体的第一舵机固定在一连接板上，所述连接板通过多根支撑杆与所述躯干的下端面固定连接；所述第一舵机、第二舵机和第三舵机均连接至所述控制系统；

所述控制系统包括用于接收和发送控制指令的单片机、用于驱动各舵机运动的舵机控制模块以及用于显示图像的计算机，所述单片机与舵机控制模块连接，所述单片机与所述计算机双向通讯连接，所述单片机和所述舵机控制模块设置在所述躯干上。

所述蜘蛛壳体的头部上方设有两个圆形探照灯。

所述躯干的头端设置有用于夹持物体的塑料钳，所述塑料钳包括第一钳子和第二钳子，所述躯干上对应所述第一钳子的钳柄下方设置有可转动的第一齿轮盘，所述躯干上对应所述第二钳子的钳柄下方设置有可转动的第二齿轮盘，所述第一齿轮盘和所述第二齿轮盘相互啮合，所述连接板上固定有一连接块和第四舵机，所述连接块和所述第四舵机位于所述躯干的头端的下方，所述连接块上设有端部向上的第一转动杆，第一转动杆的端部穿过所述躯干穿设于所述第一齿轮盘的轴心并与所述第一钳子的钳柄铆接，所述第四舵机上连接有端部向上的第二转动杆，所述第二转动杆的端部穿过所述躯干穿设于所述第二齿轮盘的轴心并与所述第二钳子的钳柄铆接；所述第四舵机还与所述控制系统连接。

所述肢体有6-8条。

所述支脚的底部设有支脚垫。

采用上述结构后，本发明基于路径规划设计的仿生蜘蛛(以下简称为“该仿生蜘蛛”)，各肢体的第一舵机固定在连接板上，通过第一舵机带动第一关节在水平面的转动，进而实现与第一关节固定的第二舵机的左右移动，通过第二舵机带动第二关节在竖直面的转动，进而实现与第二关节固定的第三舵机的上下移动，第三舵机本身相对于第二关节也能在竖直面进行一定幅度的转动，进而实现固定在第三舵机上的支脚在竖直面的移动，因此每条肢体上共具有三个自由度上的转动，且这三个自由度上的转动能够同时进行。通过单片机向舵机控制模块发送特定的控制指令可实现该仿生蜘蛛的自由前进、后退与转弯等多种行走功能；蜘蛛壳体的头部设有摄像装置，它对前方或者侧面出现的图像实时采集记录，通过单片机将数据传送给计算机，如发现环境恶劣或者存在障碍物时，计算机传送直行或转弯指令给单片机，单片机发出控制指令使得该仿生蜘蛛做相应的步态设计和移动，避开障碍物或者另外找寻其它路径，具有自主判断能力和最优路径选择能力。

该仿生蜘蛛躯干的头端设置有用于夹持物体的塑料钳，可用于需要在恶劣的环境中取出目标物品的情况。

支脚的底部设有支脚垫，可增大该仿生蜘蛛行走时的摩擦力，防止支脚发生打滑的现象。

附图说明

图1为本发明基于路径规划设计的仿生蜘蛛的结构示意图；

图2为本发明基于路径规划设计的仿生蜘蛛中的局部放大示意图；

图3为本发明基于路径规划设计的仿生蜘蛛的工作流程图；

图4为本发明基于路径规划设计的仿生蜘蛛的另一局部放大示意图。

图中：

蜘蛛本体      1            蜘蛛壳体      11

摄像装置      111          圆形探照灯    112

躯干          12           控制系统      2

单片机        21           舵机控制系统  22

计算机        23           肢体          3

肢体          3a           第一舵机      31

第一关节      32           第二舵机      33

第二关节      34           第三舵机      35

支脚          36           支脚垫        361

连接板        4            连接块        41

第四舵机      42           塑料钳        5

第一钳子      51           第二钳子      52

第一齿轮盘    53           第四齿轮盘    54

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

基于路径规划设计的仿生蜘蛛(以下简称为“该仿生蜘蛛”)，如图1-图2所示，包括蜘蛛本体1和控制系统2，蜘蛛本体1包括蜘蛛壳体11和躯干12，蜘蛛壳体11罩设在躯干12上，沿着躯干12的两侧各分布有三条肢体3(和3a)，共六条肢体3(和3a)用于支撑躯干12，蜘蛛壳体11的头部设有摄像装置111，头部上方设有两个形状模仿蜘蛛眼睛的圆形探照灯112，用于黑暗环境下的照明，每条肢体3(或3a)的上端部设有第一舵机31，各肢体3(或3a)的第一舵机31分别固定在一连接板4的侧边边缘上，连接板4通过多根支撑杆(图中未示出)与躯干12的下端面固定连接。

第一舵机31上连接有在水平面转动的第一关节32，第一关节32上固定有第二舵机33，第二舵机33上连接有在竖直面转动的第二关节34，第二关节34的另一端连接有第三舵机35，由于当第三舵机35运行时，第三舵机35的输出轴固定在第二关节上，因此第三舵机35本身相对于第二关节34可在竖直面进行一定幅度的转动，由此每条肢体3(或3a)具有一个在水平面的转动、两个在竖直面的转动共三个自由度上的转动。第三舵机35上固定有支脚36，支脚36模仿蜘蛛脚的形状从支脚36的中部至底部逐渐变细，且支脚36的内侧呈锯齿状，支脚36的底部设有支脚垫361。第一舵机31、第二舵机33和第三舵机35均连接至控制系统2；通过第一舵机31带动第一关节32在水平面的转动，进而实现与第一关节32固定的第二舵机33的左右移动，通过第二舵机33带动第二关节34在竖直面的转动，进而实现与第二关节固定的第三舵机35的上下移动，第三舵机35本身相对于第二关节34也能在竖直面进行一定幅度的转动，进而实现固定在第三舵机35上的支脚36在竖直面的移动。

如图3所示，控制系统2包括用于接收和发送控制指令的单片机21、用于驱动各舵机运动的舵机控制模块22以及用于显示图像的计算机23，单片机21与舵机控制模块22连接，单片机21与计算机23双向通讯连接，其中，单片机21和舵机控制模块22设置在躯干12上。

通过观察蜘蛛的实际运动，利用该仿生蜘蛛模仿蜘蛛的行走特点，遵循蜘蛛行走时的摆腿顺序，即蜘蛛的三条肢体3脱离地面运动的时候，剩下的三条肢体3a支撑地面，可将该仿生蜘蛛的六条肢体3(和3a)分为两组：分布在躯干一侧的三条肢体中、位于两侧的两肢体3与分布在躯干另一侧的三条肢体中、位于中间的一条肢体3为第一组，剩下的三条肢体3a为第二组。当第一组肢体3接收到的控制指令为“抬起”时，第二组肢体3a接收到的控制指令必须为“放下”，“抬起”的第一组肢体3可向前运动；当“抬起”的第一组肢体3放下并接触地面后，产生了可以推动该仿生蜘蛛前进的摩擦力，同时“抬起”的第一组肢体3放下时，原本“放下”的第二组肢体3a就接收到“抬起”的控制指令，从而两组交替摆腿就可以实现自由前进、后退与转弯等多种行走功能。

该仿生蜘蛛处于起始状态时，六条肢体3(和3a)的第一关节32无左右摆动的幅度，第二关节34的方向朝上，支脚36的方向朝下且与地面接触，类似一只蜘蛛准备行走的状态；首先通过计算机23传送控制指令的数据给单片机21，然后单片机21根据接收到的数据向舵机控制模块22发送控制指令，接收到控制指令的舵机控制模块22令各个连接有舵机的关节执行相应的动作。假设需要该仿生蜘蛛向左前进时，第一组肢体3的各舵机需要执行单片机21发出的“向左抬起”的控制指令，则肢体3的第一关节32在第一舵机31的控制下均向左转动，带动第二舵机33向左移动，同时第二关节34在第二舵机33的控制下向上抬起，带动第三舵机35向上移动，从而使得第一组肢体3的支脚36抬离地面，第一组肢体3具有向左移动的趋势，当第一组肢体3放下再接触地面时就产生了推动该仿生蜘蛛向左前进的摩擦力，紧接着第二组肢体3a的各舵机执行单片机21发出的“向左抬起”的控制指令，则各舵机控制各关节执行相应的动作，从而两组肢体(3和3a)交替摆腿就可以实现向左前进。通过单片机21控制各关节运动需要的时间间隔，来调节该仿生蜘蛛行走的速度；控制不同组肢体(3或3a)的第一关节32的在水平面的转动幅度，即可实现该仿生蜘蛛的转弯动作；控制第三舵机35相对于第二关节34在竖直面的转动幅度，可改变各支脚36与水平地面的夹角，从而调节该仿生蜘蛛步伐的大小。

蜘蛛壳体的头部设有摄像装置111，它对前方或者侧面出现的图像实时采集记录，通过单片机21将数据传送给计算机23，如发现环境恶劣或者存在障碍物时，计算机23传送直行或转弯指令给单片机21，单片机21发出控制指令使得该仿生蜘蛛做相应的步态设计和移动，避开障碍物或者另外找寻其它路径，具有自主判断能力和最优路径选择能力。另外，计算机23还可以通过该仿生蜘蛛采集到的实时图像记录，针对不同的地表情况绘制出障碍物的模拟路径图，设计出最佳路径，通过单片机21发送控制指令让该仿生蜘蛛实现路径最简的运动方式，提高了任务执行的效率。

进一步，躯干12的头端设置有用于夹持物体的塑料钳5，如图4所示，塑料钳5包括第一钳子51和第二钳子52，躯干12上对应第一钳子51的钳柄下方设置有可转动的第一齿轮盘53，躯干12上对应第二钳子52的钳柄下方设置有可转动的第二齿轮盘54，第一齿轮盘53和第二齿轮盘54相互啮合。连接板4上固定有一连接块41和第四舵机42，连接块41和第四舵机42位于躯干12头端的下方，连接块41上设有端部向上的第一转动杆(图中未示出)，第一转动杆的端部穿过躯干12穿设于第一齿轮盘53的轴心并与第一钳子51的钳柄铆接，第四舵机42上连接有端部向上的第二转动杆(图中未示出)，第二转动杆的端部穿过躯干12穿设于第二齿轮盘54的轴心并与第二钳子52的钳柄铆接；第四舵机42也与控制系统2连接。当需要在恶劣的环境中取出目标物品的情况下，通过计算机23传送控制指令的数据给单片机21，然后单片机21根据接收到的数据来控制第四舵机42，第四舵机42通过第二转动杆带动第二齿轮盘54转动，第二齿轮盘54同时带动第一齿轮盘53往反方向转动，从而实现塑料钳5的闭合，用于夹取目标物品。

进一步，支脚36的底部设有支脚垫361，可增大该仿生蜘蛛行走时的摩擦力，防止支脚发生打滑的现象。

本实施例中的摄像装置、各舵机、单片机和计算机均为本领域公知的部件。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (5)

1.基于路径规划设计的仿生蜘蛛，包括蜘蛛本体和控制系统，所述蜘蛛本体包括蜘蛛壳体、躯干和多条用于支撑躯干的肢体，所述蜘蛛壳体罩设在所述躯干上，所述肢体沿着所述躯干的两侧分布，其特征在于：所述蜘蛛壳体的头部设有摄像装置，所述肢体的上端部设有第一舵机，所述第一舵机上连接有在水平面转动的第一关节，所述第一关节上固定有第二舵机，所述第二舵机上连接有在竖直面转动的第二关节，所述第二关节的另一端连接有相对于第二关节在竖直面转动的第三舵机，所述第三舵机上固定有支脚；各肢体的第一舵机固定在一连接板上，所述连接板通过多根支撑杆与所述躯干的下端面固定连接；所述第一舵机、第二舵机和第三舵机均连接至所述控制系统；

所述控制系统包括用于接收和发送控制指令的单片机、用于驱动各舵机运动的舵机控制模块以及用于显示图像的计算机，所述单片机与舵机控制模块连接，所述单片机与所述计算机双向通讯连接，所述单片机和所述舵机控制模块设置在所述躯干上。

2.根据权利要求1所述的基于路径规划设计的仿生蜘蛛，其特征在于：所述蜘蛛壳体的头部上方设有两个圆形探照灯。

3.根据权利要求1所述的基于路径规划设计的仿生蜘蛛，其特征在于：所述躯干的头端设置有用于夹持物体的塑料钳，所述塑料钳包括第一钳子和第二钳子，所述躯干上对应所述第一钳子的钳柄下方设置有可转动的第一齿轮盘，所述躯干上对应所述第二钳子的钳柄下方设置有可转动的第二齿轮盘，所述第一齿轮盘和所述第二齿轮盘相互啮合，所述连接板上固定有一连接块和第四舵机，所述连接块和所述第四舵机位于所述躯干的头端的下方，所述连接块上设有端部向上的第一转动杆，第一转动杆的端部穿过所述躯干穿设于所述第一齿轮盘的轴心并与所述第一钳子的钳柄铆接，所述第四舵机上连接有端部向上的第二转动杆，所述第二转动杆的端部穿过所述躯干穿设于所述第二齿轮盘的轴心并与所述第二钳子的钳柄铆接；所述第四舵机还与所述控制系统连接。

4.根据权利要求1所述的基于路径规划设计的仿生蜘蛛，其特征在于：所述肢体有6-8条。

5.根据权利要求1所述的基于路径规划设计的仿生蜘蛛，其特征在于：所述支脚的底部设有支脚垫。