CN106542017B - 一种仿生四足蜘蛛机器人 - Google Patents

Abstract

一种仿生四足蜘蛛机器人，包括一作为躯体的本体，所述本体两侧设有两对对称设置的腿部爬行机构，所述本体前侧设有嘴部夹持装置，所述本体中部设有摄像头模块；所述腿部爬行机构和嘴部夹持装置均由相应压电片驱动运动，所述腿部爬行机构的压电片组、嘴部夹持装置的竖直压电片和水平压电片、摄像头模块均与控制模块连接。本发明的腿部爬行机构和地面有更好的附着力以及越障能力，可用于搬运物体；通过嘴部夹持装置能抓取物体，按照设定的路径能搬运到目的地，该夹持器有4个自由度，不仅能控制夹持物体的松紧程度，还能通过上下转动调整夹持物体的作用点，更具有柔敏性；顶部的摄像头模块能实现转动，保证仿生蜘蛛机器人捕捉更广的视野。

Description

一种仿生四足蜘蛛机器人

技术领域

本发明属于机器人领域，涉及一种基于压电片驱动的仿生四足蜘蛛机器人。

背景技术

地球表面多为崎岖不平、高低起伏的路面，基于这种路况，传统的轮式机械结构行走困难，对于机体平衡性不足的机器人甚至还会发生侧翻而影响正常工作。因此，设计一种能够适应不平整路面以及复杂地形的机械机构就显得尤为重要。自然界爬行动物的行走模式在经过千百年的演化后已经能高水平适应复杂变化的路面，爬行动物能安然穿行于自然界主要取决于自身的骨骼架构和腿部结构。为了研究生命体结构并能应用于机器人中，模拟生物运动机理的机器人得到更广泛应用，仿生机械学获得越来越多人的关注，成为一门新兴学科。

机器人移动方式有轮式、履带式以及腿足式。轮式和履带式在生活各领域已得到广泛应用，而腿足式还处于不断突破的上升期，还有很多创新点可以被发掘。腿足式具有前两种移动方式不具有的优势，腿足式移动机构具有多自由度，运动更具灵活性，能比较容易跨越障碍物体，对复杂地形有较强的适应能力。目前，基于偶数条腿部能加强机器人行走稳定性的特点，腿部机器人研究中较多的有双足、四足、六足机器人，四足与双足相比有更好的稳定性以及承载本体的能力；相比于六足，结构更加简单、实用性更强，从系统和控制器的设计来考虑，腿部数量设计成四足是一个不错的选择。

发明内容

本发明提供了一种视野广、可搬运物体、运动灵活的仿生四足蜘蛛机器人。

本发明采用的技术方案是：

一种仿生四足蜘蛛机器人，其特征在于：包括一作为躯体的本体，所述本体两侧设有两对对称设置的腿部爬行机构，所述本体前侧设有嘴部夹持装置，所述本体中部设有摄像头模块；

所述腿部爬行机构是一由压电片驱动联动的平面四杆机构，其包括铰接在本体上的水平设置的机架杆，所述机架杆的内端铰接有竖直平面上设置的第一连架杆，其外端铰接有竖直平面上设置的第二连架杆，所述第二连架杆的上端是一向外弯折的弯曲结构的后腿，所述第一连架杆与第二连架杆的弯折处之间通过连杆连接，所述第一连架杆、第二连架杆、以及机架杆上均安装有产生弯矩带动相应部件动作的对称设置的压电片组；

所述嘴部夹持装置包括与本体连接的固定架，所述固定架上铰接有后夹板，所述后夹板的外侧安装有驱动其闭合或张开的垂直地面设置的竖直压电片，所述后夹板的前端连接有由其带动闭合或张开的前夹板，所述前夹板的上侧安装有驱动其上下转动调整夹持位置的平行地面设置的水平压电片；

所述摄像头模块包括安装于本体顶部的转动平台和安装于转动平台上的摄像头，所述转动平台包括可旋转的圆盘和固定在圆盘上支撑件，所述摄像头固定在支撑件上；

所述腿部爬行机构的压电片组、嘴部夹持装置的竖直压电片和水平压电片、转动平台和摄像头均与控制模块连接。本发明的腿部爬行机构设计基于平面四杆机构模型，相比于轮式和履带式，和地面有更好的附着力以及越障能力，可用于搬运物体；通过嘴部夹持装置能抓取物体，按照设定的路径能搬运到目的地，该夹持器有4个自由度，不仅能控制夹持物体的松紧程度，还能通过上下转动调整夹持物体的作用点，更具有柔敏性；顶部的摄像头模块能实现转动，保证仿生蜘蛛机器人捕捉更广的视野。

进一步，所述控制模块包括一中枢控制模块，所述中枢控制模块上连接有视觉处理模块和运动控制模块，所述运动控制模块与转动平台、腿部爬行机构的压电片组、嘴部夹持装置的竖直压电片和水平压电片连接，所述视觉处理模块与摄像头连接。

进一步，所述机架杆上压电片组安装在机架杆的前后两侧上，所述第一连架杆和第二连架杆上的压电片组分别安装在第一连架杆和第二连架杆的左右两侧上。本发明通过第一连架杆和第二连架杆上的压电片组来实现腿部爬行机构的抬腿放腿动作，通过机架杆上压电片组来实现腿部爬行机构的前摆后摆动作。

进一步，所述支撑件包括一固定摄像头的支撑杆，所述支撑杆固定在圆台上，所述圆台通过多根立柱与圆盘固定连接。

本发明的有益效果：

1、单条足部结构采用铰链四杆机构模型，四根杆部件之间用铰链连接，转动阻尼小，更具灵活性，力矩传递效率高，能达到腿部摆动的力矩要求。

2、嘴部夹持器有4个自由度，不仅能控制夹持物体的松紧程度，还能通过上下转动调整夹持物体的作用点，更具灵活性。

3、顶部安装有摄像头转动平台，圆盘的加入能实现整个摄像头平台的转动，从而选择摄像头最佳的辨识区域。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的腿部爬行机构结构示意图。

图3是本发明的嘴部夹持装置结构示意图。

图4是本发明的摄像头模块的结构示意图。

图5是本发明的电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

参见图1-5，一种仿生四足蜘蛛机器人，包括一作为躯体的本体5，所述本体5两侧设有两对对称设置的腿部爬行机构1和4、2和3，所述本体5前侧设有嘴部夹持装置10，所述本体5中部设有摄像头模块11；

所述腿部爬行机构是一由压电片驱动联动的平面四杆机构，其包括铰接在本体5上的水平设置的机架杆6，所述机架杆6的内端铰接有竖直平面上设置的第一连架杆7，其外端铰接有竖直平面上设置的第二连架杆9，所述第二连架杆9的上端是一向外弯折的弯曲结构的后腿，所述第一连架杆7与第二连架杆9的弯折处之间通过连杆8连接，所述第一连架杆7、第二连架9、以及机架杆6上均安装有产生弯矩带动相应部件动作的对称设置的压电片组；

所述嘴部夹持装置10包括与本体5连接的固定架14，所述固定架14上铰接有后夹板13，所述后夹板13的外侧安装有驱动其闭合或张开的垂直地面设置的竖直压电片，所述后夹板13的前端连接有由其带动闭合或张开的前夹板12，所述前夹板12的上侧安装有驱动其上下转动调整夹持位置的平行地面设置的水平压电片；

所述摄像头模块11包括安装于本体5顶部的转动平台和安装于转动平台上的摄像头19，所述转动平台包括可旋转的圆盘15和固定在圆盘15上支撑件，所述摄像头19固定在支撑件上；

所述腿部爬行机构的压电片组、嘴部夹持装置10的竖直压电片和水平压电片、转动平台和摄像头19均与控制模块连接。本发明的腿部爬行机构设计基于平面四杆机构模型，相比于轮式和履带式，和地面有更好的附着力以及越障能力，可用于搬运物体；通过嘴部夹持装置10能抓取物体，按照设定的路径能搬运到目的地，该夹持器有4个自由度，不仅能控制夹持物体的松紧程度，还能通过上下转动调整夹持物体的作用点，更具有柔敏性；顶部的摄像头模块11能实现转动，保证仿生蜘蛛机器人捕捉更广的视野。

本实施例所述控制模块包括一中枢控制模块，所述中枢控制模块上连接有视觉处理模块和运动控制模块，所述运动控制模块与转动平台、腿部爬行机构的压电片组、嘴部夹持装置的竖直压电片和水平压电片连接，所述视觉处理模块与摄像头连接。

本实施例所述机架杆6上压电片组安装在机架杆的前后两侧上，所述第一连架杆7和第二连架杆9上的压电片组分别安装在第一连架杆和第二连架杆的左右两侧上。本发明通过第一连架杆7和第二连架杆9上的压电片组来实现腿部爬行机构的抬腿放腿动作，通过机架杆6上压电片组来实现腿部爬行机构的前摆后摆动作。

本实施例所述支撑件包括一固定摄像头的支撑杆18，所述支撑杆18固定在圆台17上，所述圆台17通过多根立柱16与圆盘15固定连接。

如图2所示，单个腿部爬行机构参照平面四杆机构模型而设计，由机架杆6、第一连架杆7、连杆8、第二连架杆9组成，第二连架杆9伸展出的曲体部分作为仿生蜘蛛的后腿，后腿能实现仿生蜘蛛的爬行运动，四杆通过铰链结构相互联接，能有效传递力矩带动后腿运动。并且利用压电陶瓷片(PZT)来驱动腿部运动，在电压控制下，机架杆6在C组压电片作用下能实现前后摆动运动，带动腿部往前运动；第一连架杆7和第二连架杆9上在A、B组压电片作用下能做左右摆动运动，带动腿部的抬高与下落。在完成单只腿部爬行机构前后运动同时，仿生蜘蛛通过两条足部相互作用产生弯矩能使身体往左或往右方向偏转一定角度实现朝不同方向的行走。

如图2，本发明向前进要实现垂直向上的抬腿和水平向前的迈腿两个动作，抬腿运动是给第一连架杆7上A组压电片与第二连架杆9上B组压电片施加正向电压信号，使得A组的左压电片上表面收缩，下表面伸长从而使得第一连架杆7产生一个逆时针的弯矩；在A组的右压电片上施加与左压电片极性相同的电压，使得右压电片上表面收缩，下表面伸长，带动第一连架杆7也产生一个向上逆时针的弯矩，带动第一连架杆7逆时针转动。在第一连架杆7带动下，连杆8能将逆时针转矩传递给第二连架杆9，同时给B组压电片施加与A组极性相同的电压，使得B组的两片压电片都产生相应应变，带动第二连架杆9逆时针转动，联接在第二连架杆9上的后腿在第二连架杆9逆时针转动下就能抬起一定高度，实现抬腿动作。

抬起腿部后，需要有往前迈腿的动作。给机架杆6施加正向电压信号，使得C组压电片伸长带动机架杆6产生向前的弯矩，机架杆6能往前摆动并带动整条腿往前运动。

紧接着腿部有水平方向的收腿和垂直方向的放腿两个动作，返回到相对于本体的初始位置。如图2所示，给第一连架杆7上A组压电片与第二连架杆9上B组压电片施加反向电压信号，使得两组压电片产生应变带动第一连架杆7和第二连架杆9产生顺时针的弯矩，带动后腿回落直到与地面接触。同时要给机架杆6上C组压电片施加反向电压信号，机架杆6在压电片作用下产生向后的弯矩并带动整条腿往后运动。这样一条腿就完成了“抬腿—前摆—放腿—后摆”一个周期运动的过程，四条腿通过周而复始的周期运动带动仿生蜘蛛整个躯体往前运动。

仿生蜘蛛在移动时要求能实现朝不同方向的运动，在实现前进后退运动的基础上，需要加上往左或者往右偏转实现朝不同方向的运动。仿生蜘蛛有四条腿，通过两条腿结合形成一个转矩，共可产生两个转矩来实现整个身体转动一定角度。如图1所示，当仿生蜘蛛要往左偏转时，给腿1上A、B组压电片施加正向电压，实现抬腿运动，再给C组压电片施加正向电压，实现往前摆动，给腿3上A、B组压电片施加正向电压，实现抬腿运动，再给C组压电片施加负向电压，实现往后摆动，腿1、腿3一前一后的相互运动产生一个逆时针转矩；同样地，给腿2上A、B组压电片施加正向电压，实现抬腿运动，再给C组压电片施加正向电压，实现往前摆动，给腿4上A、B组压电片施加正向电压，实现抬腿运动，再给C组压电片施加负向电压，实现往后摆动，腿2、腿4一前一后的相互运动也产生一个逆时针转矩，在两个逆时针转矩作用下仿生蜘蛛就能往左偏转。

仿生蜘蛛往右转动与往左转动的原理是一样的，只是腿部不同的组合情况来实现不同方向的转矩。如图1所示，要实现右转，给腿部爬行机构4上A、B组压电片施加正向电压，实现抬腿运动，再给C组压电片施加正向电压，实现往前摆动，给腿部爬行机构2上A、B组压电片施加正向电压，实现抬腿运动，再给C组压电片施加负向电压，实现往后摆动，腿部爬行机构4、腿部爬行机构2一前一后的相互运动产生一个顺时针转矩；同样地，给腿部爬行机构3上A、B组压电片施加正向电压，实现抬腿运动，再给C组压电片施加正向电压，实现往前摆动，给腿部爬行机构1上A、B组压电片施加正向电压，实现抬腿运动，再给C组压电片施加负向电压，实现往后摆动，腿部爬行机构3、腿部爬行机构1一前一后的相互运动也产生一个顺时针转矩，在两个顺时针转矩作用下仿生蜘蛛就能往右偏转。

在实现仿生蜘蛛基本运动功能后，就要赋予它最主要的用途，本发明目的在于让仿生蜘蛛能用来搬运物体，这样就需要加入嘴部夹持装置10。如图3所示，嘴部夹持装置10有前夹板12、后夹板13和固定架14，嘴部夹持装置10的张开与闭合要通过后夹板13来实现，是利用粘贴在后夹板13上的竖直压电片来驱动的，后夹板13上的竖直压电片沿垂直于地面的方向分布，当给两个竖直压电片施加正向电压时，由于竖直压电片分布在后夹板外侧，正向电压使得竖直压电片伸长，带动两块后夹板13伸长，不过由于后夹板13末端是固定的，能产生一个往里的弯矩，使得两块后夹板13闭合夹紧，这样就能夹紧目标物体了；同理施加负向电压，两块后夹板13张开一定角度。前夹板12上的水平压电片沿平行于地面的方向分布，粘贴在前夹板12的上表面，当给予施加负向电压能使两片水平压电片外表面收缩，带动前夹板12缩短，产生一个向上的弯矩，带动两块前夹板12往上转动；两块前夹板12向下转动能通过给水平压电片施加正向电压实现。前夹板12向上向下转动是为了确定夹持物体的一个最优作用点。

仿生蜘蛛有了能抓取物体的本事后，更需要有一双“眼睛”来确定目标物体的位置，基于此就在本体5顶部设计了一个摄像头转动平台，该平台是由圆盘15承载摄像头19实现转动的，还包括有辅助部件，如立柱16、圆台17、支撑杆18。圆盘转动能使得摄像头能拥有更广阔的视角来确定物体位置。

Claims (4)

1.一种仿生四足蜘蛛机器人，其特征在于：包括一作为躯体的本体，所述本体两侧设有两对对称设置的腿部爬行机构，所述本体前侧设有嘴部夹持装置，所述本体中部设有摄像头模块；

所述腿部爬行机构是一由压电片驱动联动的平面四杆机构，其包括铰接在本体上的水平设置的机架杆，所述机架杆的内端铰接有竖直平面上设置的第一连架杆，其外端铰接有竖直平面上设置的第二连架杆，所述第二连架杆的上端是一向外弯折的弯曲结构的后腿，所述第一连架杆与第二连架杆的弯折处之间通过连杆连接，所述第一连架杆、第二连架杆、以及机架杆上均安装有产生弯矩带动相应部件动作的对称设置的压电片组；

所述嘴部夹持装置包括与本体连接的固定架，所述固定架上铰接有后夹板，所述后夹板的外侧安装有驱动其闭合或张开的垂直地面设置的竖直压电片，所述后夹板的前端连接有由其带动闭合或张开的前夹板，所述前夹板的上侧安装有驱动其上下转动调整夹持位置的平行地面设置的水平压电片；

所述摄像头模块包括安装于本体顶部的转动平台和安装于转动平台上的摄像头，所述转动平台包括可旋转的圆盘和固定在圆盘上支撑件，所述摄像头固定在支撑件上；

所述腿部爬行机构的压电片组、嘴部夹持装置的竖直压电片和水平压电片、转动平台和摄像头均与控制模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种仿生四足蜘蛛机器人，其特征在于：所述控制模块包括一中枢控制模块，所述中枢控制模块上连接有视觉处理模块和运动控制模块，所述运动控制模块与转动平台、腿部爬行机构的压电片组、嘴部夹持装置的竖直压电片和水平压电片连接，所述视觉处理模块与摄像头连接。

3.根据权利要求1所述的一种仿生四足蜘蛛机器人，其特征在于：所述机架杆上压电片组安装在机架杆的前后两侧上，所述第一连架杆和第二连架杆上的压电片组分别安装在第一连架杆和第二连架杆的左右两侧上。

4.根据权利要求1～3之一所述的一种仿生四足蜘蛛机器人，其特征在于：所述支撑件包括一固定摄像头的支撑杆，所述支撑杆固定在圆台上，所述圆台通过多根立柱与圆盘固定连接。