CN104875810B - 一种具有被动腰关节的四足摆动爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有被动腰关节的四足摆动爬壁机器人，包括四个伸缩足模块、上下身部与尾部模块。四个伸缩节模块为主动运动模块，由舵机和传动机构构成；传动机构由斜齿轮与曲柄滑杆机构构成实现舵机的动力的传递，进而实现对四个伸缩腿的直线伸缩运动。四个伸缩足模块分别与上下身部的左右侧相连。上下身部内开有用于安装控制面板与电池的型腔；上下身模块之间通过腰关节连接。腰关节为被动运动，机器人可通过斜对称伸缩足的主动运动实现攀爬或行走。本发明的优点为：整体结构紧凑扁平，稳定性好；上下身比例可根据优化需要调整；能够拟合攀爬类动物的质心运动轨迹、足端力变化，有效提高具有被动腰关节的四足摆动爬壁机器人的运动速度。

Description

一种具有被动腰关节的四足摆动爬壁机器人

技术领域

本发明涉及一种爬壁器人，具体来说，是一种轻小型、模块化、可仿生动步态爬壁的机器人。

背景技术

目前为止，爬壁机器人主要分为车轮式爬壁机器人，履带式爬壁机器人和多足仿生爬壁机器人等。

在各种机构中，车轮式爬壁机器人移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难；履带式爬壁机器人对壁面的适应性强，接触面积大，吸附力强，但运动灵活性较差；多足仿生爬壁机器人，容易跨越障碍和实现壁面过渡，对于未知壁面和未知环境适应能力强。因此多足爬壁机器人的研究成为了研究热点[1]。

目前已有的典型多足仿生爬壁机器模型包括LLS运动模型、F-G模型、四足动步态机器人SCARAB。LLS运动模型是两足爬壁机器人的理想模型，两足为弹簧，两足交替换足支撑，通过支撑足弹簧伸缩带动本体运动。F-G模型是将LLS模型中的弹簧和模型本体之间的夹角固定，F-G模型类似于长臂猿的攀爬运动[5]-[8]。这两种模型均为两足机器人，爬行时只有一条足支撑，本体会随着运动而摆动，稳定性不好。国外的Miller等人对F-G模型进行分析，由两臂的动步态攀爬机器人DynaClimber延伸出一种四足爬壁机器人SCARAB[9]，该机器人运动关节由固定机器人本体上的四个伸缩臂构成，上下对称两足支撑，由其中一条支撑足为主动，另一条被动伸缩。稳定性较为改善，但是灵活性不好，运动难以保证延垂直线爬，控制较差。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种具有被动腰关节的四足摆动爬壁机器人，整体结构紧凑，轻巧，且机器人为扁平式结构具有一定的缓冲性能。

一种具有被动腰关节的四足摆动爬壁机器人，包括身部模块与足部模块。所述身部模块包括上身部、下身部与腰关节；上身部与下身部间通过腰关节形成转动副，实现上身部与下身部间相对左右转动。

所述足部模块采用伸缩足结构，包括左前肢伸缩足模块、右前肢伸缩足模块、左后肢伸缩足模块与右后肢伸缩足模块，结构相同，均包括腿部连接件、驱动舵机、传动机构与曲柄滑杆机构。

其中，腿部连接件上安装有驱动舵机；驱动舵机输出轴连接有由两个斜齿轮构成的传动机构；驱动舵机通过传动机构将动力输出至曲柄滑杆机构中的曲柄一端；曲柄滑杆机构还具有连杆、伸缩杆件与滑块；伸缩杆件又包括伸缩臂与微刺；曲柄另一端与连杆一端相连，形成转动副；连杆另一端与伸缩臂一端相连，形成转动副；伸缩臂另一端部安装有微刺；伸缩臂上安装有滑块，两者间形成移动副；滑块与腿部连接件固定。

上述结构左前肢伸缩足模块与右前肢伸缩足模块左右对称，通过腿部连接件固定于上身部左右两侧；左后肢伸缩足模块与右后肢伸缩足模块左右对称，通过腿部连接件固定于下身部两侧。

在本发明具有被动腰关节的四足摆动爬壁机器人通过左前肢伸缩足模块、右前肢伸缩足模块、左后肢伸缩足模块与右后肢伸缩足模块中的勾抓附着于攀爬壁面上。运动时，左前肢伸缩足模块、右前肢伸缩足模块、左后肢伸缩足模块与右后肢伸缩足模块中的足部驱动舵机驱动伸缩臂伸缩运动，实现爬壁机器人在攀爬壁面上的爬行，以及爬壁机器人在攀爬壁面上的脱附与附着。

本发明的优点在于：

(1)本发明四足摆动爬壁机器人，具有被动腰关节的四足摆动爬壁机器人，采用模块化设计，使机器人结构更加清晰；使机器人不但安装方便，而且结构紧凑；

(2)本发明四足摆动爬壁机器人，设计有弹簧缓冲结构，通过前后压簧的伸缩量起到缓冲效果，使得整个机器人能够有效吸收减缓冲击能量；

(3)本发明具有被动腰关节的四足摆动爬壁机器人，上下身模块采用一体化成型制备，内部开有多个型腔，有效保护了嵌入其中的易损部件；

(4)本发明具有被动腰关节的四足摆动爬壁机器人，设计活动腰关节结构作为上下身的连接，使上身模块与下身模块具有相对运动，利用主动足带动腰关节被动运动，是一种更新型运动形式。

附图说明

图1为本发明具有被动腰关节的四足摆动爬壁机器人整体结构示意图；

图2为本发明具有被动腰关节的四足摆动爬壁机器人中伸缩足模块结构示意图；

图3为伸缩足模块中伸缩杆件结构示意图。

图中：

1-身部模块 2-伸缩足模块 101-上身部

102-下身部 103-腰关节 103a-上耳片

103b-下耳片 103c-销轴 201-腿部连接件

202-足部驱动舵机 203-传动机构 204-曲柄滑杆机构

205-调节件 201a-左部连接块 201b-中部安装台面

201c-右部连接块 203a-斜齿轮A 203b-斜齿轮B

203c-斜齿轮轴 204a-曲柄 204b-连杆

204c-伸缩杆件 204d-滑块 204c1-足端缓冲筒

204c2-弹簧轴心 204c3-压簧A 204c4-压簧B

204c5-足端螺套 204c6-微刺 204c7-伸缩臂

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明具有被动腰关节的四足摆动爬壁机器人，包括身部模块1与伸缩足模块2，如图1所示；其中，所述身部模块1包括上身部101、下身部102与腰关节103；上身部101与下身部102结构相同，均为矩形结构，采用铝合金材料制成，具有中空型腔，表面开有减重孔；型腔内用来安装电池与控制板。上身部101与下身部102上下对称设置，之间通过腰关节103连接。所述腰关节103由上耳片103a、下耳片103b以及销轴103c组成；其中，上耳片103a与下耳片103b分别固定安装于上身部101下端与下身部102上端相对设置；上耳片103a与下耳片103b叠放，通过销轴103c将上耳片103a与下耳片103b连接，构成旋转副，使上耳片103a与下耳片103b间可相对左右转动。

所述伸缩足模块2包括左前肢伸缩足模块、右前肢伸缩足模块、左后肢伸缩足模块与右后肢伸缩足模块四个部分，结构相同，均包括腿部连接件201、足部驱动舵机202、传动机构203、曲柄滑杆机构204，如图2所示。

其中，腿部连接件201为由左部连接块201a、中部安装台面201b以及右部连接块201c构成的一体结构；中部安装台面201b用来设置足部驱动舵机202。

传动机构203包括斜齿轮A203a、斜齿轮B203b与斜齿轮轴203c。斜齿轮A203a与斜齿轮B203b为一组正交斜齿轮；斜齿轮A203a固定于足部驱动舵机202上；斜齿轮B203b固定在斜齿轮轴203c上；斜齿轮轴203c与腿部连接件201中的中部安装台面201b垂直设置，且通过轴承与中部安装台面201b连接，并使斜齿轮A203a与斜齿轮B20b啮合。本发明中在足部驱动舵机202左右两侧分别固定安装有调节件205，调节件205上沿左右方向开有调节槽；位于左部的调节件205通过调节螺钉A穿过调节槽与左部连接块201a相连；位于右部的调节件205通过调节螺钉B穿过调节槽与右部连接块201c相连，使足部驱动舵机202左右两侧分别与左部连接块201a、右部连接块201c间具有一定间隙；由此，松开调节螺钉A与调节螺钉B，即可通过调整调节螺钉A与调节螺钉B在调节件205上调节槽中的相对位置，实现足部驱动舵机202的左右方向移动，进而实现在伸缩足模块2进行组装时，斜齿轮A203a与斜齿轮B203b中心距离调节，防止组装后由于斜齿轮A203a与斜齿轮B203b中心距过大，造成伸缩足模块运动过程中斜齿轮A203a与斜齿轮B203b间跳齿。

曲柄滑杆机构204包括曲柄204a、连杆204b、伸缩杆件204c与滑块204d；伸缩杆件又包括足端缓冲筒204c1、弹簧轴心204c2、压簧A204c3、压簧B204c4、足端螺套204c5、微刺204c6以及伸缩臂204c7。其中，曲柄204a一端通过异型孔与传动机构203中斜齿轮轴203c端部相连，实现曲柄204a与斜齿轮轴203c间的固定。曲柄204a另一端通过销轴与连杆204b一端相连，形成转动副；连杆204b另一端通过销轴与伸缩杆件204c中的伸缩臂204c7一端相连，形成转动副。伸缩臂204c7与滑块204d上设计的滑槽配合安装，形成移动副；滑块204d与腿部连接件201中左部连接块201a固定，使伸缩臂204c7可沿其轴向直线运动。通过上述结构，由驱动202舵机输出动力，经传动机构传输至曲柄滑杆机构204，最终实现由曲柄滑杆机构204中的伸缩杆件204c的伸缩臂204c7进行直线运动。

本发明中在滑块204d侧壁设计有一体结构连接件，通过调节螺钉C将连接件与腿部连接件201中左部连接块201a固定；且通过松开调节螺钉C，可使滑块204d与腿部连接件201间相对转动，实现滑块204d与腿部连接件201间夹角的调节，进而实现在对四足摆动爬壁机器人进行实验过程中，对滑块204d与腿部连接件201 不同夹角时带来的影响进行分析。同时，本发明中还在滑块204d上的滑槽内铺设有聚四氟乙烯板，减小滑块204d与伸缩壁203间的摩擦。

伸缩杆件204c中，足端缓冲筒204c1末端固定安装于伸缩臂204c7中与连杆相连一端端部，前端通过安装有足端螺套204c5封闭。弹簧轴心204c2同轴设置在足端缓冲筒204c1内；前端由足端螺套204c5上开设的通口穿出，且端面上安装有微刺204c6；微刺204c6为勾爪结构，用于实现伸缩足模块2在攀爬壁面上的附着。弹簧缓冲筒204c1前端弹簧轴心204c2中部设计有环形凸台，与足端缓冲筒204c1内壁周向配合；通过环形凸台将足端缓冲筒204c1分为前腔与后腔；且通过环形凸台实现弹簧轴心204c2轴向上的限位。上述足端缓冲筒204c1的前腔与后腔中分别设置有压簧A204c3与压簧B204c4；压簧A204c3与压簧B204c4均套在弹簧轴心204c2上；且压簧A204c3与压簧B204c4的弹性系数不同，进而实现缓冲作用。

上述结构的左前肢伸缩足模块与右前肢伸缩足模块左右对称，通过螺栓将腿部连接件201中右部连接件201c固定于上身部101上端面两端。左后肢伸缩足模块与右后肢伸缩足模块左右对称，通过螺栓将腿部连接件201中右部连接件201c固定于下身部102下端面两端；且使左前肢伸缩足模块与右前肢伸缩足模块中的微刺204c6，与左后肢伸缩足模块与右后肢伸缩足模块中的微刺204c6反向设置。

在本发明具有被动腰关节的四足摆动爬壁机器人通过左前肢伸缩足模块、右前肢伸缩足模块、左后肢伸缩足模块与右后肢伸缩足模块中的勾抓附着于攀爬壁面上。运动时，左前肢伸缩足模块、右前肢伸缩足模块、左后肢伸缩足模块与右后肢伸缩足模块中的足部驱动舵机202驱动伸缩臂204c7伸缩运动，通过一对斜对称伸缩足模块2作为支撑足，另一对斜对称伸缩足模块2足向前运动，实现爬壁机器人在攀爬壁面上的脱附与附着，进而实现机器人向前的爬壁运动。爬壁机器人的运动轨迹通过对左前肢伸缩足模块、右前肢伸缩足模块、左后肢伸缩足模块与右后肢伸缩足模块的协调控制实现。在机器人运动过程中，通过腰关节103实现转动轨迹运动。

Claims (6)

1.一种具有被动腰关节的四足摆动爬壁机器人，包括身部模块与足部模块；其特征在于：所述身部模块包括上身部、下身部与腰关节；上身部与下身部间通过腰关节形成转动副，实现上身部与下身部间相对左右转动；

所述足部模块采用伸缩足结构，包括左前肢伸缩足模块、右前肢伸缩足模块、左后肢伸缩足模块与右后肢伸缩足模块，结构相同，均包括腿部连接件、驱动舵机、传动机构与曲柄滑杆机构；

其中，腿部连接件上安装有驱动舵机；驱动舵机输出轴连接有由两个斜齿轮构成的传动机构；驱动舵机通过传动机构将动力输出至曲柄滑杆机构中的曲柄一端；曲柄滑杆机构还具有连杆、伸缩杆件与滑块；伸缩杆件又包括伸缩臂与微刺；曲柄另一端与连杆一端相连，形成转动副；连杆另一端与伸缩臂一端相连，形成转动副；伸缩臂另一端部安装有微刺；伸缩臂上安装有滑块，两者间形成移动副；滑块与腿部连接件固定；

上述结构左前肢伸缩足模块与右前肢伸缩足模块左右对称，通过腿部连接件固定于上身部左右两侧；左后肢伸缩足模块与右后肢伸缩足模块左右对称，通过腿部连接件固定于下身部两侧。

2.如权利要求1所述一种具有被动腰关节的四足摆动爬壁机器人，其特征在于：所述伸缩臂与滑块上设计有滑槽与伸缩臂配合安装；且滑块上的滑槽内铺设有聚四氟乙烯板。

3.如权利要求1所述一种具有被动腰关节的四足摆动爬壁机器人，其特征在于：所述驱动舵机左右位置可调。

4.如权利要求1所述一种具有被动腰关节的四足摆动爬壁机器人，其特征在于：所述伸缩臂与微刺间具有缓冲结构。

5.如权利要求4所述一种具有被动腰关节的四足摆动爬壁机器人，其特征在于：所述缓冲结构包括足端缓冲筒、弹簧轴心、压簧A、压簧B与足端螺套；其中，足端缓冲筒末端固定安装于伸缩臂中与连杆相连一端端部，前端通过安装有足端螺套封闭；弹簧轴心同轴设置在足端缓冲筒内；前端由足端螺套上开设的通口穿出，且端面用来安装微刺；弹簧缓冲筒前端弹簧轴心中部设计有环形凸台，与足端缓冲筒内壁周向配合；通过环形凸台将足端缓冲筒分为前腔与后腔；前腔与后腔中分别设置有压簧A与压簧B；压簧A与压簧B均套在弹簧轴心上；且压簧A与压簧B的弹性系数不同。

6.如权利要求1所述一种具有被动腰关节的四足摆动爬壁机器人，其特征在于：所述滑块与腿部连接件间夹角可调。