CN106741286B - 五足仿生机器人机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种五足仿生机器人机构，包括躯干、机械腿和控制装置，躯干部分由上下两块正五边形的支撑板通过支撑杆固定；控制装置包括控制电路板、驱动器和电源，控制装置安装于躯干空间内部；在躯干的五个顶点处分别安装有相同的机械腿，每条机械腿都是一个四自由度的串联机构，每条机械腿上安装有三个数字舵机，分别控制三个转动副，转动副之间通过摆动杆连接，在腿部末端有一个支撑盘，增大了机械腿与地面的接触面积；该五足仿生机器人单腿内各个关节串联，多足间并联协调运动，在改变运动方向时，机器人躯干无需旋转即可达到转向的目的，具有机身轻，稳定性高，承载能力强，行走时转向快捷等特点。
Description
技术领域
本发明属于机器人机构技术领域，特别是一种五足仿生机器人机构。
背景技术
近年来，伴随着科学技术的飞速发展，机器人学已逐步成为了一门独立的学科。科学家们对机器人的研究日益深入，并在机器人学理论上取得了极大地成就。在众多类型的机器人中，足式移动方式的机器人可以相对较易地跨过比较大的障碍(如沟、坎等)，而且机器人的脚所具备的多自由度可以使机器人的活动倍加矫健，对于凹凸不平的地形的适应能力也更强。正是由于足式机器人拥有不同于轮式、带式等移动机器人的特点，凭借极强的地形适应能力和稳定能力，它已得到越来越广泛的应用。
Rodney A.Brooks.A robot that walks；emergent behaviors from acarefully evolved network.IEEE International Conference on Robotics andAutomation,1989,1(2):253-262.发表了一种用于行星表面探测的六足机器人Genghis，这个机器人的腿部有2个自由度，由伺服电机驱动，它内部包含了触须传感器、加速度计和力矩传感器，能够在复杂地形中行走，但是该机器人自由度过少，腿部运动不是特别灵活，并且距离地面过近，不能跨过较高的障碍物。席磊.四足仿生机器人步态规划及行走稳定性研究.国防科学技术大学,2013.发表了一种名为MiniQuad的四足机器人，整个机器人具有模块化的特征，容错性较好，但是该四足机器人稳定性一般，在机器人进行转动运动时，会显得很笨重。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种五足仿生机器人机构，本发明的机器人机构机身轻，稳定性高，承载能力强，行走时转向无需旋转，转向便捷。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种五足仿生机器人机构，包括躯干、机械腿，控制装置；所述躯干包括第一支撑板、第二支撑板、第一支撑杆；所述机械腿包括第一轴端挡板、第一连接盘、第一数字舵机、第一支撑架、第二轴端挡板、第二连接盘、第二数字舵机、第二支撑架、第一摆动杆、第三轴端挡板、第三连接盘、第三数字舵机，第二摆动杆、支撑盘、支撑套筒；
所述第一支撑板和第二支撑板分别位于机器人机构中心的上下端；所述第一支撑板和第二支撑板之间通过第一支撑杆相连；所述第二支撑板上端安装有控制装置；
所述第一支撑板的五个顶点的上端均固接有第一连接盘，所述第一数字舵机的转动轴为花键轴结构安装在第一连接盘的中心的花键键槽内，第一连接盘花键键槽外部安装有第一轴端挡板；第一数字舵机位于第一支撑板和第二支撑板的上下对应的顶点之间；所述第一数字舵机安装在第一支撑架内，第一支撑架下端安装有支撑套筒；第一支撑架的外端与第二支撑架固接；所述第二数字舵机安装在第二支撑架内，所述第二数字舵机的转动轴安装在第二连接盘的花键键槽内；所述第二连接盘一端与第一摆动杆固接，第一摆动杆的另一端与第三连接盘固接，所述第三数字舵机的转动轴与第三连接盘的中心花键键槽内；所述第一摆杆两端均设有圆孔，分别与第二连接盘和第三连接盘的花键键槽中心同轴，第二数字舵机和第三数字舵机的转动轴分别穿过第一摆杆两端的圆孔；第一摆杆两个圆孔外部分别安装有第二轴端挡板和第三轴端挡板；所述第三数字舵机与第二摆动杆固接，所述第二摆动杆的底端与支撑盘铰接；所述支撑盘作为整个机构的支撑点。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)本发明相比现有技术的轮式、履带式机器人具有在复杂地况中的更好的移动性能，由于每个机械腿均具有4个自由度，即具有四个转动副关节，使得机器人能够灵活运动，可行走的地形范围也更大。
(2)本发明的躯干部分由上下两块正五边形的支撑板构成，五条机械腿呈五角对称分布支撑机器人整体，相比于现阶段的四足机器人，机械腿数目更多，分布对称性更高，具有更好的承重能力、稳定性能和更强的适应环境的能力。
(3)本发明与现有技术的六足机器人相比具有更加灵活的机动性能，运动转向更加方便快捷，由于整体呈中心五角对称分布，机器人机构本身无需转向，只需抬起对应方向的机械腿即可完成转向运动，具有高效的行走能力和灵活的转向能力，可以满足更多的使用需求。
(4)本发明结构简单、机身轻，结构对称，通用性强，加工和维护成本低。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明五足仿生机器人机构整体结构示意图；
图2是本发明五足仿生机器人控制装置结构示意图；
图3是本发明五足仿生机器人的机械腿结构轴测图；
图4是本发明五足仿生机器人的机械腿俯视图；
图5是本发明五足仿生机器人的腿部主视图。
具体实施方式
结合图1-图5，本发明涉及一种五足仿生机器人机构，包括躯干、机械腿，控制装置；所述躯干包括第一支撑板1、第二支撑板2、第一支撑杆3；所述控制装置包括第二支撑杆4、驱动器5、控制电路板6、系统电源7；所述机械腿包括第一轴端挡板8、第一连接盘9、第一数字舵机10、第一支撑架11、第二轴端挡板12、第二连接盘13、第二数字舵机14、第二支撑架15、第一摆动杆16、第三轴端挡板17、第三连接盘18、第三数字舵机19，第二摆动杆20、支撑盘21、支撑套筒22；
所述第一支撑板1和第二支撑板2分别位于机器人机构中心的上下端，上下对称分布，且第一支撑板1和第二支撑板2的所在平面相互平行；所述第一支撑板1和第二支撑板2之间通过第一支撑杆3相连，第一支撑杆3用于固定第一支撑板1和第二支撑板2，且对第一支撑板1和第二支撑板2之间的距离进行限定，使得五足仿生机器人具有机身轻、承载能力强的特点。所述第二支撑板2上端中心安装有控制装置，所述控制装置用于控制各个数字舵机的运动。所述机械腿关于躯干中心呈五角对称。
所述第一支撑板1的五个顶点的上端均固接有第一连接盘9，所述第一数字舵机10的转动轴安装在第一连接盘9的中心的花键键槽内；第一连接盘9花键键槽外部安装有第一轴端挡板8，用于对第一数字舵机10转动轴上的第一连接盘9进行轴向定位；所述第一数字舵机10位于第一支撑板1和第二支撑板2的上下对应的顶点之间，第一数字舵机10可以使机械腿绕第一数字舵机10的转动轴在支撑板的水平方向转动；所述第一数字舵机10安装在第一支撑架11内，第一支撑架11下端安装有支撑套筒22，用于将第一数字舵机10支撑在第一支撑板1上，第一支撑架11的外端与第二支撑架15固接；所述第二数字舵机14安装在第二支撑架15内，所述第二数字舵机14的转动轴安装在第二连接盘13中心的花键键槽内；所述第二连接盘13一端与第一摆动杆16固接，第一摆动杆16的另一端与第三连接盘18固接；所述第三数字舵机19的转动轴安装爱第三连接盘18的中心的花键键槽内；所述第一摆杆16两端均设有圆孔，分别与第二连接盘13和第三连接盘18的花键键槽中心同轴，第二数字舵机14和第三数字舵机19的转动轴分别穿过第一摆杆两端的圆孔；第一摆杆16两个圆孔外部分别安装有第二轴端挡板12和第三轴端挡板17，分别用于对第二数字舵机14转动轴上的第二连接盘13和第三数字舵机19转动轴上的第三连接盘18进行轴向定位；所述第三数字舵机19与第二摆动杆20固接，所述第二摆动杆20的底端与支撑盘21铰接；所述支撑盘21作为整个机构的支撑点。
所述第一数字舵机10转动轴的轴线垂直于第一支撑板1的平面；所述第二数字舵机14转动轴的轴线与第一数字舵机10转动轴的轴线相互垂直，所述第三数字舵机19转动轴的轴线与第二数字舵机14转动轴的轴线相互平行；
进一步的实施方式中，所述控制装置包括第二支撑杆4、驱动器5、控制电路板6、系统电源7；所述第二支撑杆4、驱动器5、控制电路板6、系统电源7均位于第一支撑板1和第二支撑板2的上端；所述驱动器5安装在第二支撑板2的中心，驱动器5用于驱动各个数字舵机；所述第二支撑杆4的上端固接在第一支撑板1的下端，第二支撑杆4的下端固接有控制电路板6；所述控制电路板6位于驱动器5的上端，控制电路板6用于控制驱动器5的运作；所述系统电源7安装在驱动器5的一端，系统电源7为驱动器5、控制电路板6、各个数字舵机提供电源。
作为优选的实施方式，所述第二数字舵机14和第三数字舵机19位于第一摆杆16的同一侧；在一些实施方式中所述第二数字舵机14和第三数字舵机19位于第一摆杆16的两侧。
进一步的实施方式中，所述第一连接盘9、第二连接盘13、第三连接盘18均为圆盘结构，圆盘中心设有数字舵机转动轴的花键键槽，花键键槽的外部对称设有四个通孔，通孔用于连接盘的固定。在一些实施方式中，所述第一连接盘9、第二连接盘13、第三连接盘18均为方盘结构。
进一步的实施方式中，所述第二支撑杆4为圆柱结构，数量为3-6个；作为优选的实施方式，所述第二支撑杆4的数量为4个，第二支撑杆4关于第一支撑板1的中心对称安装，第二支撑杆4固定控制电路板6的四端。
作为优选的实施方式，所述第一支撑板1和第二支撑板2结构相同，均为正五边形结构，五条边采用向内弯曲的圆弧边结构；
在另外一些实施方式中，所述第一支撑板1和第二支撑板2均为圆板结构。
进一步的实施方式中，所述第一支撑杆3为圆柱结构，数量为3-6个；作为优选的实施方式，所述第一支撑杆3的数量为5个，第一支撑杆3关于第一支撑板1的中心对称安装。
作为优选的实施方式，所述第一数字舵机10、第二数字舵机14、第三数字舵机19型号均相同，数字舵机的转动轴均为花键轴结构；第一连接盘9、第二连接盘13、第三连接盘18结构均相同；第一轴端挡板8、第二轴端挡板12、第三轴端挡板17结构均相同；第一支撑架11和第二支撑架15结构相同；采用相同的型号或结构以降低制造成本。
作为优选的实施方式，所述第一支撑架11为U型结构，第一支撑架11的一个外侧边框的两端各设有2个通孔，用于安装第一数字舵机10；所述第一支撑架11与第二支撑架15的开口方向相反且安装方向相互垂直。
进一步的实施方式中，所述第一摆动杆16为两端半圆形的平板结构；所述第二摆动杆20为月牙形的平板结构，第二摆动杆20内圆弧中部设有四个通孔，用于安装第三数字舵机19。
作为优选的实施方式，所述支撑盘21为圆盘结构；在另外一些实施方式中，所述支撑盘21为矩形板结构、平行四边形板结构。
第一连接盘9与第一支撑架11通过第一数字舵机10的转动轴形成第一转动副关节；第二连接盘13和第二支撑架15通过第二数字舵机14的转动轴形成第二转动副关节；第三连接盘18和第二摆动杆20通过第三数字舵机19的转动轴形成第三转动副关节；第二摆动杆20的底端与支撑盘21铰接，形成第四转动副关节；利用支撑盘21作为整个机构的支撑点，增大了机械腿与地面的接触面积，使五足仿生机器人具有稳定性高的特点。每条机械腿都是一个串联机构，每个机械腿具有四个转动副关节，多条机械腿之间并联协调运动。
在开始运动前首先确定好运动的方向，然后抬起对应方向上的机械腿；在控制装置的控制下，第三数字舵机19的转动轴旋转，使第二摆动杆20和支撑盘21抬起，在重力的作用下，支撑盘21的下端平面始终与水平面平行；随后第二数字舵机14的转动轴旋转，使第一摆动杆16抬起，进而增加第二摆动杆20和支撑盘21的抬起高度，使得五足仿生机器人能跨过更高的障碍物；利用第一数字舵机10转动轴的旋转，机械腿能够在第一支撑板1的平面内转动，使得剩余的四条机械腿能够采用四足对角运动的方式进行运动。当五足仿生机器人需要转弯时，只需落下之前抬起的机械腿；在控制装置的控制下，第二数字舵机14的转动轴旋转，使第一摆动杆16下落到，随后第三数字舵机19的转动轴旋转，第二摆动杆20和支撑盘21下落，最终使支撑盘21与地面接触，五条机械腿共同支撑五足仿生机器人机构；将所需转向方向上的机械腿抬起，再按照上述方式进行运动即可，该机构具有转向快捷的特点，提高了机器人的机动性。
Claims (1)
1.一种五足仿生机器人机构，包括躯干、机械腿和控制装置；其特征在于：所述躯干包括第一支撑板(1)、第二支撑板(2)、第一支撑杆(3)；所述机械腿包括第一轴端挡板(8)、第一连接盘(9)、第一数字舵机(10)、第一支撑架(11)、第二轴端挡板(12)、第二连接盘(13)、第二数字舵机(14)、第二支撑架(15)、第一摆动杆(16)、第三轴端挡板(17)、第三连接盘(18)、第三数字舵机(19)，第二摆动杆(20)、支撑盘(21)、支撑套筒(22)；
所述第一支撑板(1)和第二支撑板(2)分别位于机器人机构中心的上下端；所述第一支撑板(1)和第二支撑板(2)之间通过第一支撑杆(3)相连；所述第二支撑板(2)上端安装有控制装置；
所述第一支撑板(1)的五个顶点的上端均固接有第一连接盘(9)，所述第一数字舵机(10)的转动轴安装在第一连接盘(9)的中心的花键键槽内，第一连接盘(9) 花键键槽外部安装有第一轴端挡板(8)；第一数字舵机(10)位于第一支撑板(1)和第二支撑板(2)的上下对应的顶点之间；所述第一数字舵机(10)安装在第一支撑架(11)内，第一支撑架(11)下端安装有支撑套筒(22)；第一支撑架(11)的外端与第二支撑架(15)固接；所述第二数字舵机(14)安装在第二支撑架(15)内，所述第二数字舵机(14)的转动轴安装在第二连接盘(13)中心的花键键槽内；所述第二连接盘(13)一端与第一摆动杆(16)固接，第一摆动杆(16)的另一端与第三连接盘(18)固接，所述第三数字舵机(19)的转动轴安装在第三连接盘(18)的中心的花键键槽内；所述第一摆杆(16)两端均设有圆孔，分别与第二连接盘(13)和第三连接盘(18)的花键键槽中心同轴，第二数字舵机（14）和第三数字舵机（19）的转动轴分别穿过第一摆杆（16）两端的圆孔；第一摆杆(16)两个圆孔外部分别安装有第二轴端挡板(12)和第三轴端挡板(17)；所述第三数字舵机(19)与第二摆动杆(20)固接，所述第二摆动杆(20)的底端与支撑盘(21)铰接；
所述第一数字舵机(10)转动轴的轴线垂直于第一支撑板(1)的平面；所述第二数字舵机(14)转动轴的轴线与第一数字舵机(10)转动轴的轴线相互垂直，所述第三数字舵机(19)转动轴的轴线与第二数字舵机(14)转动轴的轴线相互平行；
所述控制装置包括第二支撑杆(4)、驱动器(5)、控制电路板(6)、系统电源(7)；所述第二支撑杆(4)、驱动器(5)、控制电路板(6)、系统电源(7)均位于第一支撑板(1)和第二支撑板(2)的上端；所述驱动器(5)安装在第二支撑板(2)的中心；所述第二支撑杆(4)的上端固接在第一支撑板(1)的下端，第二支撑杆(4)的下端固接有控制电路板(6)；所述控制电路板(6)位于驱动器(5)的上端；所述系统电源(7)安装在驱动器(5)的一端；
所述第二数字舵机(14)和第三数字舵机(19)位于第一摆杆(16)的同一侧；
所述第一连接盘(9)、第二连接盘(13)、第三连接盘(18)均为圆盘结构，圆盘中心设有数字舵机转动轴的花键键槽，花键键槽的外部对称设有四个通孔，通孔用于连接盘的固定；
所述第二支撑杆(4)为圆柱结构，数量为3-6个；所述第一支撑杆(3)为圆柱结构，数量为3-6个；
所述第一支撑板(1)和第二支撑板(2)结构相同，均为正五边形结构，五条边采用向内弯曲的圆弧边结构；
所述第一数字舵机(10)、第二数字舵机(14)、第三数字舵机(19)型号均相同；第一连接盘(9)、第二连接盘(13)、第三连接盘(18)结构均相同；第一轴端挡板(8)、第二轴端挡板(12)、第三轴端挡板(17)结构均相同；第一支撑架(11)和第二支撑架(15)结构相同；
所述第一支撑架(11)为U型结构，所述第一支撑架(11)与第二支撑架(15)的开口方向相反且安装方向相互垂直；
所述第一摆动杆(16)为两端半圆形的平板结构；所述第二摆动杆(20)为月牙形的平板结构；
开始运动时抬起对应方向上的机械腿，在控制装置的控制下，第三数字舵机的转动轴旋转，使第二摆动杆和支撑盘抬起，在重力的作用下，支撑盘的下端平面始终与水平面平行；随后第二数字舵机的转动轴旋转，使第一摆动杆抬起，进而增加第二摆动杆和支撑盘的抬起高度，使得五足仿生机器人跨过障碍物；利用第一数字舵机转动轴的旋转，机械腿能够在第一支撑板的平面内转动，使得剩余的四条机械腿能够采用四足对角运动的方式进行运动；当五足仿生机器人需要转弯时，只需落下之前抬起的机械腿；在控制装置的控制下，第二数字舵机的转动轴旋转，使第一摆动杆下落，随后第三数字舵机的转动轴旋转，第二摆动杆和支撑盘下落，最终使支撑盘与地面接触，五条机械腿共同支撑五足仿生机器人机构；将所需转向方向上的机械腿抬起，再按照上述方式进行运动即可。
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