CN104608838B - 一种六足轮腿式爬行仿生机器人 - Google Patents

一种六足轮腿式爬行仿生机器人 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种六足轮腿式爬行仿生机器人。包括依次相连的躯干前部、躯干中部、躯干后部以及分别设置在躯干前部、躯干中部、躯干后部两侧的前轮腿组件、中轮腿组件、后轮腿组件，躯干前部、躯干后部与躯干中部之间的间距可调，前轮腿组件、中轮腿组件及后轮腿组件分别由第一、第二、第三电机驱动，且前轮腿组件、中轮腿组件、后轮腿组件的轮腿刚度可调，第一、第二、第三电机由电池组供电。由上述技术方案可知，本发明通过对机器人的轴间跨距和轮腿刚度进行调整，使得设备的最大跨越沟渠宽度与最大攀越阶梯障碍高度均可以变化，在满足爬行使用要求的前提下可以获取机器人适应环境的最佳运动参数，极大地提高机器人在爬行过程中的容错率。

Description

一种六足轮腿式爬行仿生机器人
技术领域
本发明涉及一种仿生机器人，具体涉及一种六足轮腿式爬行仿生机器人。
背景技术
随着能源和勘探行业的不断发展，对于未知区域的探索工作一直是该行业的重点。一方面是对新地貌区域的开拓，另一方面是事故现场综合参数的收集，信息获取对于勘察人员的自身安全和携带设备的便携性提出了考验。传统的轮式移动便携式勘测设备受现场环境的影响比较大，由于轮子始终处于自转状态，它的脱困只能通过提高轮子转速来实现，而轮子转速又受限于电机和电源的性能，所以轮式移动便携设备在高低不平、泥泞等环境里，不能够发挥它速度快的优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种六足轮腿式爬行仿生机器人，该仿生机器人可以调整轴间跨距和轮腿刚度，可以根据不同的环境，对本体进行调整，满足多条件的实验和现场复杂状况的要求。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括依次相连的躯干前部、躯干中部、躯干后部以及分别设置在躯干前部、躯干中部、躯干后部两侧的前轮腿组件、中轮腿组件、后轮腿组件，所述的躯干前部、躯干后部与躯干中部之间的间距可调，所述的前轮腿组件、中轮腿组件及后轮腿组件分别由第一、第二、第三电机驱动，且前轮腿组件、中轮腿组件、后轮腿组件的轮腿刚度可调，所述的第一、第二、第三电机由电池组供电，所述的躯干前部包括第一支架、固定于第一支架上的前躯干本体及分设在前躯干本体两侧的第一电机，所述第一电机的输出轴与前轮腿组件相连；所述的躯干中部包括第二支架、固定于第二支架上的中躯干本体及分设在中躯干本体两侧的第二电机，所述第二电机的输出轴与中轮腿组件相连，所述的第二支架上还对称设有四个电池组；所述的躯干后部包括第三支架、固定于第三支架上的后躯干本体及分设在后躯干本体两侧的第三电机，所述第三电机的输出轴与后轮腿组件相连，所述的躯干前部、躯干中部和躯干后部之间通过调整轴及导向轴相互连接，所述的第一支架包括第一底板及垂直于第一底板设置的第一前板、第一后板及两块第一侧板；所述的第二支架包括第二底板及垂直于第二底板设置的第二前板、第二后板及两块第二侧板；所述的第三支架包括第三底板及垂直于第三底板设置的第三前板、第三后板及两块第三侧板，所述的导向轴包括连接躯干前部及躯干中部的第一导向轴以及连接躯干中部及躯干后部的第二导向轴，所述的第一导向轴与调整轴相平行且沿调整轴对称设置两根，所述的第二导向轴与调整轴相平行且沿调整轴对称设置两根，位于相同侧的第一、第二导向轴的轴线相吻合，所述第一导向轴的一端固定在第二前板上，第一导向轴的另一端伸入第一后板且与第一后板构成滑动配合，第一后板上设有与第一导向轴相配合的导向衬套，所述第二导向轴的一端固定在第二后板上，第二导向轴的另一端伸入第三前板且与第三前板构成滑动配合，第三前板上设有与第二导向轴相配合的导向衬套。
所述的调整轴呈水平方向与中躯干本体固定设置，调整轴的两端分别伸入前、后躯干本体内，且调整轴的两端分别设有旋向相反的螺纹，前、后躯干本体的内部安装有螺纹旋向相同的第一、第二六角螺母，所述的第一、第二六角螺母分别与调整轴两端的螺纹相配合。
所述第二侧板的两端分别设有U形开口，所述第二侧板的两端还设有圆孔，第一侧板与第三侧板与圆孔位置相对的位置分别设有第一、第二腰形孔。
所述的前轮腿组件包括与第一电机输出轴相固定的轮腿固定架、弧状的轮腿、固定于轮腿固定架内的齿轮、贴附于轮腿外表面且与齿轮相啮合的齿轮条，所述轮腿与齿轮条的一端位于轮腿固定架内，轮腿与齿轮条的另一端通过导向套相连，轮腿位于轮腿固定架外部的一端与地面相接触，所述的轮腿与导向套之间构成滑动配合。
所述的轮腿固定架内部设有一个弧形面，轮腿的内弧面与该弧形面贴合固定。
所述的轮腿外弧面与齿轮条之间设有弹性粒，所述轮腿的外弧面在与地面相接触的端部设有防滑垫。
由上述技术方案可知，本发明通过对机器人的轴间跨距和轮腿刚度进行调整，使得设备的最大跨越沟渠宽度与最大攀越阶梯障碍高度均可以变化，在满足爬行使用要求的前提下可以获取机器人适应环境的最佳运动参数，极大地提高机器人在爬行过程中的容错率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的分解结构示意图；
图3是本发明调整轴的结构示意图；
图4是本发明前轮腿组件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示的一种六足轮腿式爬行仿生机器人，包括依次相连的躯干前部1、躯干中部2、躯干后部3以及分别设置在躯干前部1、躯干中部2、躯干后部3两侧的前轮腿组件4、中轮腿组件5、后轮腿组件6，即整个仿生机器人由躯干前部、躯干中部及躯干后部这三部分组成整体框架，六条轮腿对称地分布在躯干两侧；优选的，躯干前部、躯干中部、躯干后部均使用工程塑料通过3D打印一次性成型，既降低了整体重量，也增强了结构强度。躯干前部1、躯干后部3与躯干中部2之间的间距可调，前轮腿组件4、中轮腿组件5及后轮腿组件6分别由第一、第二、第三电机7、8、9驱动，且前轮腿组件4、中轮腿组件5、后轮腿组件6的轮腿刚度可调，第一、第二、第三电机7、8、9由电池组10供电。
进一步的，如图2所示，躯干前部1包括第一支架11、固定于第一支架11上的前躯干本体12及分设在前躯干本体12两侧的第一电机7，第一电机7的输出轴与前轮腿组件4相连；
躯干中部2包括第二支架21、固定于第二支架21上的中躯干本体22及分设在中躯干本体22两侧的第二电机8，第二电机8的输出轴与中轮腿组件5相连，第二支架21上还对称设有四个电池组10；
躯干后部3包括第三支架31、固定于第三支架31上的后躯干本体32及分设在后躯干本体32两侧的第三电机9，第三电机9的输出轴与后轮腿组件6相连。
进一步的，躯干前部1、躯干中部2和躯干后部3之间通过调整轴100及导向轴相互连接。
进一步的，如图3所示，调整轴100呈水平方向与中躯干本体22固定设置，调整轴100的两端分别伸入前、后躯干本体12、32内，且调整轴100的两端分别设有旋向相反的螺纹，前、后躯干本体12、32的内部安装有螺纹旋向相同的第一、第二六角螺母101、102，第一、第二六角螺母101、102分别与调整轴100两端的螺纹相配合。调整时，从两端使用内六角扳手转动，由于螺纹旋向相反，通过旋转调整轴可以驱动第一、第二六角螺母的反向直线运动，即通过第一、第二六角螺母可以操纵躯干前部与躯干后部向相反的方向运动，实现跨距的调整，调整后使用螺栓在躯干两侧的圆孔内固定。
进一步的，第一支架11包括第一底板111及垂直于第一底板111设置的第一前板112、第一后板113及两块第一侧板114；第二支架21包括第二底板211及垂直于第二底板211设置的第二前板212、第二后板213及两块第二侧板214；第三支架31包括第三底板311及垂直于第三底板311设置的第三前板312、第三后板313及两块第三侧板314。
进一步的，导向轴包括连接躯干前部1及躯干中部2的第一导向轴210以及连接躯干中部2及躯干后部3的第二导向轴220，第一导向轴210与调整轴100相平行且沿调整轴100对称设置两根，第二导向轴220与调整轴100相平行且沿调整轴100对称设置两根，位于相同侧的第一、第二导向轴210、220的轴线相吻合。第一导向轴210的一端固定在第二前板212上，第一导向轴210的另一端伸入第一后板113且与第一后板113构成滑动配合，第一后板113上设有与第一导向轴210相配合的导向衬套，第二导向轴220的一端固定在第二后板213上，第二导向轴220的另一端伸入第三前板312且与第三前板312构成滑动配合，第三前板312上设有与第二导向轴220相配合的导向衬套。优选的，导向衬套为铜质材料，用于改善不同材料间的导向不善的问题。即躯干前部、躯干中部、躯干后部通过导向轴进行支撑，躯干前部及躯干后部可以在第一、第二导向轴上进行滑动。第二侧板214的两端分别设有U形开口2141，第二侧板214的两端还设有圆孔2142，第一侧板114与第三侧板314与圆孔2142位置相对的位置分别设有第一、第二腰形孔1141、3141。调整完毕后，通过圆孔及第一、第二腰形孔来固定三个躯干。
本发明中，前轮腿组件、中轮腿组件、后轮腿组件的结构完全一样，在此仅对前轮腿组件4进行说明，中轮腿组件及后轮腿组件不再进行赘述。
如图4所示，前轮腿组件4包括与第一电机7输出轴相固定的轮腿固定架41、弧状的轮腿42、固定于轮腿固定架41内的齿轮43、贴附于轮腿42外表面且与齿轮43相啮合的齿轮条44，轮腿42与齿轮条44的一端位于轮腿固定架41内，轮腿42与齿轮条44的另一端通过导向套45相连，轮腿42位于轮腿固定架41外部的一端与地面相接触，轮腿42与导向套45之间构成滑动配合。
进一步的，轮腿固定架41内部设有一个弧形面，轮腿42的内弧面与该弧形面贴合固定。
进一步的，轮腿42外弧面与齿轮条44之间设有弹性粒46，轮腿42的外弧面在与地面相接触的端部设有防滑垫47。
具体地说，轮腿固定架内部有一个外弧形面，此弧形面与轮腿的内弧面贴合固定，齿轮条为一段具有一定刚度的外齿轮结构，导向套与齿轮条相对固定，导向套内孔可以沿着轮腿轮廓滑动。调整时，通过使用内六角扳手逆时针转动齿轮的齿轮轴，从而带动齿轮转动，齿轮与齿轮条通过齿轮啮合驱动齿轮条沿着轮腿的外沿向外运动，导致轮腿悬空部分被齿轮条包裹的部分增加，轮腿综合刚度增加，在承受同样的重量状态下，轮腿的变形小，半径较未调整前的大；同样如果顺时针转动齿轮的齿轮轴，轮腿综合刚度降低，在承受同样的重量状态下，轮腿的变形大，半径较未调整前的小。同时，弹性粒能够在压力作用下发生变形，这样可以使得齿轮条始终压紧轮腿，每次轮腿调整完成后，使用紧定螺钉从侧面将齿轮轴顶死，防止松动。
本发明的有益效果在于：
1、通过步态控制策略的规划，能够满足复杂环境的下的越障行走的要求，包括平地、爬坡以及阶梯障碍等。
2、根据不同的环境参数，机器人的轴间跨距和轮腿刚度均可以进行调整，因此，设备最大跨越沟渠宽度与最大攀越阶梯障碍高度均可以变化，在满足爬行使用要求的前提下可以获取机器人适应环境的最佳运动参数。
3、框架躯干采用工程塑料3D打印一次成型，重量轻、强度高，有效降低了对于电源和电机的负载能力要求。
4、轮腿的工作周期分为支撑期和悬空期，通过步进电机的驱动器控制电机在不同区间的速度状态，使得轮腿始终处于变化的状态，在遇到颠簸和泥泞时受影响较小，可以优化设备的运动，提高运行效率。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种六足轮腿式爬行仿生机器人，其特征在于：包括依次相连的躯干前部(1)、躯干中部(2)、躯干后部(3)以及分别设置在躯干前部(1)、躯干中部(2)、躯干后部(3)两侧的前轮腿组件(4)、中轮腿组件(5)、后轮腿组件(6)，所述的躯干前部(1)、躯干后部(3)与躯干中部(2)之间的间距可调，所述的前轮腿组件(4)、中轮腿组件(5)及后轮腿组件(6)分别由第一、第二、第三电机(7、8、9)驱动，且前轮腿组件(4)、中轮腿组件(5)、后轮腿组件(6)的轮腿刚度可调，所述的第一、第二、第三电机(7、8、9)由电池组(10)供电；所述的躯干前部(1)包括第一支架(11)、固定于第一支架(11)上的前躯干本体(12)及分设在前躯干本体(12)两侧的第一电机(7)，所述第一电机(7)的输出轴与前轮腿组件(4)相连；所述的躯干中部(2)包括第二支架(21)、固定于第二支架(21)上的中躯干本体(22)及分设在中躯干本体(22)两侧的第二电机(8)，所述第二电机(8)的输出轴与中轮腿组件(5)相连，所述的第二支架(21)上还对称设有四个电池组(10)；所述的躯干后部(3)包括第三支架(31)、固定于第三支架(31)上的后躯干本体(32)及分设在后躯干本体(32)两侧的第三电机(9)，所述第三电机(9)的输出轴与后轮腿组件(6)相连；所述的躯干前部(1)、躯干中部(2)和躯干后部(3)之间通过调整轴(100)及导向轴相互连接，所述的第一支架(11)包括第一底板(111)及垂直于第一底板(111)设置的第一前板(112)、第一后板(113)及两块第一侧板(114)；所述的第二支架(21)包括第二底板(211)及垂直于第二底板(211)设置的第二前板(212)、第二后板(213)及两块第二侧板(214)；所述的第三支架(31)包括第三底板(311)及垂直于第三底板(311)设置的第三前板(312)、第三后板(313)及两块第三侧板(314)，所述的导向轴包括连接躯干前部(1)及躯干中部(2)的第一导向轴(210)以及连接躯干中部(2)及躯干后部(3)的第二导向轴(220)，所述的第一导向轴(210)与调整轴(100)相平行且沿调整轴(100)对称设置两根，所述的第二导向轴(220)与调整轴(100)相平行且沿调整轴(100)对称设置两根，位于相同侧的第一、第二导向轴(210、220)的轴线相吻合，所述第一导向轴(210)的一端固定在第二前板(212)上，第一导向轴(210)的另一端伸入第一后板(113)且与第一后板(113)构成滑动配合，第一后板(113)上设有与第一导向轴(210)相配合的导向衬套，所述第二导向轴(220)的一端固定在第二后板(213)上，第二导向轴(220)的另一端伸入第三前板(312)且与第三前板(312)构成滑动配合，第三前板(312)上设有与第二导向轴(220)相配合的导向衬套。
2.根据权利要求1所述的六足轮腿式爬行仿生机器人，其特征在于：所述的调整轴(100)呈水平方向与中躯干本体(22)固定设置，调整轴(100)的两端分别伸入前、后躯干本体(12、32)内，且调整轴(100)的两端分别设有旋向相反的螺纹，前、后躯干本体(12、32)的内部安装有螺纹旋向相同的第一、第二六角螺母(101、102)，所述的第一、第二六角螺母(101、102)分别与调整轴(100)两端的螺纹相配合。
3.根据权利要求1所述的六足轮腿式爬行仿生机器人，其特征在于：所述第二侧板(214)的两端分别设有U形开口(2141)，所述第二侧板(214)的两端还设有圆孔(2142)，第一侧板(114)与第三侧板(314)与圆孔(2142)位置相对的位置分别设有第一、第二腰形孔(1141、3141)。
4.根据权利要求1所述的六足轮腿式爬行仿生机器人，其特征在于：所述的前轮腿组件(4)包括与第一电机(7)输出轴相固定的轮腿固定架(41)、弧状的轮腿(42)、固定于轮腿固定架(41)内的齿轮(43)、贴附于轮腿(42)外表面且与齿轮(43)相啮合的齿轮条(44)，所述轮腿(42)与齿轮条(44)的一端位于轮腿固定架(41)内，轮腿(42)与齿轮条(44)的另一端通过导向套(45)相连，轮腿(42)位于轮腿固定架(41)外部的一端与地面相接触，所述的轮腿(42)与导向套(45)之间构成滑动配合。
5.根据权利要求4所述的六足轮腿式爬行仿生机器人，其特征在于：所述的轮腿固定架(41)内部设有一个弧形面，轮腿(42)的内弧面与该弧形面贴合固定。
6.根据权利要求4所述的六足轮腿式爬行仿生机器人，其特征在于：所述的轮腿(42)外弧面与齿轮条(44)之间设有弹性粒(46)，所述轮腿(42)的外弧面在与地面相接触的端部设有防滑垫(47)。
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