CN106945738B - 一种可变波形驱动的仿生机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变波形驱动的仿生机器人，目的在于解决现有的轮式移动机器人避障能力差、非结构环境下移动性能差，关节驱动机器人移动速度慢，而履带机器人体积庞大，适应性较差的问题，该仿生机器人包括驱动单元、第一连接杆、动力传输单元、设置在动力传输单元上的爬行单元。本发明通过对结构的设计，使得本发明动力传输单元的波形能够发生变化，进而实现改变运动状态的目的，从而满足不同条件下运行速度的要求，具有较高的应用价值。本发明构思巧妙，设计合理，结构简单，具有结构紧凑、地形适应性强、移动速度快、控制简单等优点。另外，基于结构的改进，即使本发明中爬行单元的部分部件损坏时，依然能够正常的运行，具有极强的适应性。

Description

一种可变波形驱动的仿生机器人

技术领域

本发明涉及机械领域，尤其是移动机器人领域，具体为一种可变波形驱动的仿生机器人。

背景技术

机器人移动机构通常包括轮式、关节式、带式等移动机构。其中，轮式移动结构具有移动速度快、转向性好、驱动控制方便等特点；但其着地面积小、壁面适应性差、避障能力和非结构环境下移动性能差。关节式移动结构一般采用多节连杆串联形式，它对路面要求低，可以跨越障碍物，走过沙地、沼泽等特殊路面；但存在着运动间歇大、速度慢、驱动控制困难等缺点。而通常移动机器人只有一种运动方式。

履带机器人具有一定的行走速度及良好的越障能力，例如中国专利ZL200820083326.4公开了一种具有封闭履带特征的煤矿搜救机器人，此设备主要包括一对行走履带及一对摆臂履带，摆臂履带绕前轴转动，进行越障；此机器人主要是防止异物进入履带内，提高复杂环境的适应能力，而其外形体积较大，不适宜进入到升降仓体中进行矿难救援。

综上所述，现有的轮式移动机器人存在避障能力差、非结构环境下移动性能差的问题，关节驱动机器人存在速度慢的缺陷，而履带机器人体积庞大，适应性较差。为此，迫切需要一种新的移动机器人，以解决上述问题。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对现有的轮式移动机器人避障能力差、非结构环境下移动性能差，关节驱动机器人移动速度慢，而履带机器人体积庞大，适应性较差的问题，提供一种可变波形驱动的仿生机器人。本发明提供一种可变波形驱动的仿生机器人，通过对结构的设计，使得本发明动力传输单元的波形能够发生变化，进而实现改变运动状态的目的，从而满足不同条件下运行速度的要求，具有较高的应用价值。本发明构思巧妙，设计合理，结构简单，易于加工制作，便于产品化，具有结构紧凑、地形适应性强、移动速度快、控制简单等优点。另外，基于结构的改进，即使本发明中爬行单元的部分部件损坏时，依然能够正常的运行，具有极强的适应性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可变波形驱动的仿生机器人，包括驱动单元、第一连接杆、动力传输单元、设置在动力传输单元上的爬行单元；

所述驱动单元包括驱动支架、转向机构、驱动电机、电源，所述转向机构设置在驱动支架下方且转向机构能带动驱动单元进行转向运动，所述驱动电机、电源分别设置在驱动支架上，所述转向机构、驱动电机分别与电源相连；

所述第一连接杆的两端分别与驱动支架、爬行单元铰链；

所述动力传输单元为螺旋输出轴，所述螺旋输出轴采用温度记忆合金制成且螺旋输出轴能记忆其不同温度下的状态，所述驱动电机的转轴与螺旋输出轴相连；

或所述动力传输单元包括转动弹簧、与驱动支架相连的位置调节件，所述转动弹簧的一端与驱动电机的转轴相连且所述驱动电机能带动转动弹簧转动，所述转动弹簧的另一端与位置调节件活动连接且位置调节件能带动转动弹簧相对驱动单元移动并改变转动弹簧的节距；

所述爬行单元由若干个连杆机构依次相连而成，所述连杆机构包括若干个连杆足，所述连杆足包括侧板、爬行连杆、设置在爬行连杆上的卡齿，所述侧板、爬行连杆分别为两个，所述侧板之间通过爬行连杆相连，所述爬行连杆之间形成螺旋输出轴或转动弹簧穿过的空隙且螺旋输出轴或转动弹簧转动时能带动连杆足相对运动，相邻两个连杆足之间的侧板通过孔销连接，相邻两个连杆足上的卡齿互不干涉。

还包括联轴器，所述驱动电机的转轴通过联轴器与螺旋输出轴或转动弹簧相连。

还包括设置在驱动支架上的控制系统、与控制系统相配合的遥控装置，所述控制系统分别与转向机构、驱动电机、电源相连。

所述遥控装置为红外遥控器。

所述卡齿为条形。

还包括设置在仿生机器人上的防水件。

所述防水件采用柔性防水材料制备而成。

所述防水件采用橡胶或塑料制备而成。

所述转向机构包括转向舵机、轴套、设置在轴套上的转向轴、设置在转向轴上的驱动件，所述转向舵机设置在驱动支架上，所述转向舵机分别与电源、轴套相连且转向舵机能带动轴套转动并改变驱动单元的运动方向。

所述驱动件为轮或桨或转向叶片。

所述驱动电机的转轴中心线与螺旋输出轴的中心线，或所述驱动电机的转轴中心线与转动弹簧的中心线共线。

所述位置调节件包括与驱动支架相连的距离调节件、与距离调节件相连的第二连接杆，所述第二连接杆上设置有转动孔，所述转动弹簧的一端设置有限位件，所述转动弹簧穿过转动孔，所述转动孔位于限位件与转动弹簧之间且转动弹簧在限位件的作用下能相对转动孔转动。

所述距离调节件包括设置在驱动支架上的调节电机、与调节电机转轴相连的滚珠丝杠，所述调节电机与电源相连，所述滚珠丝杠包括滚珠螺杆、设置在滚珠螺杆上的滚珠螺母，所述滚珠螺母与第二连接杆相连且调节电机依次通过滚珠螺杆、滚珠螺母、第二连接杆能带动转动弹簧伸缩。

所述连杆机构包括依次相连的第一连杆足、第二连杆足、第三连杆足，所述第一连杆足上设置有两个卡齿，所述第二连杆足上设置有两个卡齿，所述第三连杆足上设置有一个卡齿，所述第三连杆足与第二连杆足相交时第三连杆足的卡齿位于第二连杆足的卡齿之间，所述第二连杆足与第一连杆足相交时第二连杆足的卡齿位于第三连杆足的卡齿之间。

所述第一连杆足、第二连杆足、第三连杆足之间依次通过孔销连接。

针对前述问题，本发明提供一种可变波形驱动的仿生机器人。其包括驱动单元、第一连接杆、动力传输单元、设置在动力传输单元上的爬行单元。其中，驱动单元主要用于动力输出及带动整个装置转向，其包括驱动支架、转向机构、驱动电机及电源，驱动支架为驱动单元提供支撑，转向机构带动驱动单元实现转向功能，电源则为仿生机器人提供动力支持。驱动电机与电源相连，驱动电机主要为动力传输单元提供动力输出，而动力传输单元则是本发明的关键核心点之一。

本发明中提供一种可变波形驱动的仿生机器人，而动力输出单元为可变波形的关键，为此，本发明提供两种不同的实现方式。

第一种，通过温度记忆合金制备螺旋输出轴，依靠螺旋输出轴记忆其不同温度下的状态，而驱动电机的转轴与螺旋输出轴相连。

在海洋中，潜艇通常通过驱动螺旋桨实现在海水中的移动，其依靠调节动力输出装置输出轴的转速，实现螺旋桨转速的调节，进而达到不同的运行速度，这使得现有的潜艇需要复杂的动力调节装置。

而将本发明用于深海探测时，受海洋不同深度的影响，装置所处的环境温度会发生相应的变化，进而使得螺旋输出轴的节距发生改变。在驱动电机输出轴转速不变的前提下，节距的变化，会使得仿生机器人的整体速度发生改变，进而达到在不同深度/温度海水中变速运动的目的。

在海水中，海水的温度与其所处的深度有关，而深度又与所处水层的水压有关。采用本发明，能够实现在不同温度及压差层下的不同速度运行，从而更好地适应相应压差，有效避免当压差过大时，运动速度过高，所对设备造成的损害。

第二种，动力传输单元包括转动弹簧、与驱动支架相连的位置调节件。转动弹簧的一端与驱动电机的转轴固定连接，另一端与位置调节件连接。驱动支架能够为位置调节件提供支撑，通过位置调节件调节转动弹簧末端相对转动弹簧首端的距离（以转动弹簧与驱动单元相连的一端为首端，以驱动弹簧的另一端为末端），从而调节转动弹簧的节距。通过改变转动弹簧的节距，实现不同波形下的动力输出。其中，驱动电机能带动转动弹簧转动，而位置调节件能带动转动弹簧相对驱动单元移动并改变转动弹簧的节距。

采用该方式，能够根据需要，在不改变整体结构的前提下，改变动力输出单元的输出半径，进而改变仿生机器人的运动速度，这是相对现有技术极大的创新。

同时，与现有机器人需要采用复杂的变速箱不同，本发明采用简单的位置调节件即可改变仿生机器人的运动速度，其具有结构简单，操作方便，易于维护的特点。

另外，爬行单元由若干个连杆机构依次相连而成，连杆机构包括若干个连杆足。连杆足包括侧板、爬行连杆、设置在爬行连杆上的卡齿，卡齿优选为条形。侧板与侧板平行设置，侧板之间通过一组爬行连杆相连，爬行连杆之间形成螺旋输出轴或转动弹簧穿过的空隙，螺旋输出轴或转动弹簧转动时能带动连杆足相对运动。连杆足上的卡齿在动力传输单元的带动下，发生相应的移动，向上或向下运动，并基于动力传输单元波形的改变，从而实现仿生机器人向前或向后的运动。同时，相邻两个连杆足之间的侧板通过孔销连接，相邻两个连杆足上的卡齿互不干涉。

转向机构设置在驱动支架下方且转向机构能带动驱动单元进行转向运动，驱动电机、电源分别设置在驱动支架上，转向机构、驱动电机分别与电源相连，第一连接杆的两端分别与驱动支架、爬行单元铰链。采用该方式，第一连接杆能使爬行单元与驱动支架保持相对一致，为仿生机器人的运动提供相应支撑。

进一步，本发明还包括联轴器，所述驱动电机的转轴通过联轴器与螺旋输出轴或转动弹簧相连。采用该方式，有利于仿生机器人的维护，降低设备维护成本。

进一步，还包括设置在驱动支架上的控制系统、与控制系统相配合的遥控装置，控制系统分别与转向机构、驱动电机、电源相连，电源能够为控制系统提供电力，控制系统能够控制转向电机、驱动电机的运转，从而实现仿生机器人不同方向的运动。

进一步，还包括设置在仿生机器人上的防水件，该防水件可采用橡胶或塑料或其他柔性防水材料制备而成。通过防水件，能够使本发明的仿生机器人处于完全防水的状态，进而能够在水中自由的运动。经测定，本发明能够在水中进行类似于蛇类的游动，具有较好的应用前景。

本发明中，转向机构包括转向舵机、轴套、设置在轴套上的转向轴、设置在转向轴上的驱动件，驱动件优选为轮或桨或转向叶片。该转向舵机设置在驱动支架上，并以驱动支架作为支撑，转向舵机与轴套相连，通过轴套上的转向轴转动，从而实现转向功能。将本发明用于海水中时，本发明的驱动件可以为转向叶片，通过改变转向叶片的位置，从而实现转向机构的方向调节。

进一步，驱动电机的转轴中心线与螺旋输出轴的中心线、或转动弹簧的中心线共线。采用该方式，其运转效率最高，结构最为合理。

进一步，本发明还提供一种位置调节件的具体结构。其包括与驱动支架相连的距离调节件、第二连接杆，第二连接杆与距离调节件相连。第二连接杆上设置有转动孔，转动弹簧的一端设置有限位件，转动弹簧穿过转动孔，转动孔位于限位件与转动弹簧之间，转动弹簧在限位件的作用下能相对转动孔转动。

通过距离调节件与驱动支架之间的相互配合，改变第二连接杆的位置，从而通过第二连接杆带动转动弹簧的末端相对于其首端移动，从而改变转动弹簧的节距。

距离调节件包括设置在驱动支架上的调节电机、与调节电机转轴相连的滚珠丝杠，调节电机与电源相连。其中，滚珠丝杠包括滚珠螺杆、设置在滚珠螺杆上的滚珠螺母，滚珠螺母与第二连接杆固定连接，且调节电机依次通过滚珠螺杆、滚珠螺母、第二连接杆能带动转动弹簧伸缩。当滚柱螺母相对滚珠螺杆移动时，能带动第二连杆相对运动，通过第二连杆带动弹簧的末端相对于转动弹簧的首端的距离发生变化。

进一步，连杆机构包括依次相连的第一连杆足、第二连杆足、第三连杆足，第一连杆足上设置有两个卡齿，第二连杆足上设置有两个卡齿，第三连杆足上设置有一个卡齿。并且，第三连杆足与第二连杆足相交时，第三连杆足的卡齿位于第二连杆足的卡齿之间；第二连杆足与第一连杆足相交时，第二连杆足的卡齿位于第三连杆足的卡齿之间。采用该方式，连杆机构内部不存在干涉，相邻两个连杆足之间也不存在干涉，从而能够保证运动机构的有效运行。同时，当爬行单元中某个或多个连杆足损坏时，由于连杆足之间相互独立，依然不影响爬行单元的正常运行，具有较好的效果。

综上所述，本发明通过对机器人结构的设计，提供一种可变波形驱动的仿生机器人，通过对动力传输单元的全新设计，及其与其他部件之间的相互配合，能够有效改变仿生机器人运动的速度及姿态。同时，本发明能够应用于陆地、海洋、沙漠、乱石滩等环境中，具有极强的适应性和较宽的应用范围。本发明构思巧妙，设计合理，部件少，机构简单，制作成本低，利于推广，移动方便，十分便于产品化，具有较高的应用价值和广阔的市场应用前景。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为实施例2中装置的整体结构示意图。

图2为图1的拆分结构示意图。

图3为单个连杆足在动力传输单元带动下的运动状态示意图。

图中标记：1、第一连接杆，2、驱动支架，3、驱动电机，4、电源，5、螺旋输出轴，6、联轴器，7、轴套，8、转向轴，9、驱动轮，10、转向舵机，11、驱动件，20、第一连杆足，21、第二连杆足，22、第三连杆足。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

本实施例的仿生机器人包括驱动单元、第一连接杆、动力传输单元、设置在动力传输单元上的爬行单元。

其中，驱动单元包括驱动支架、转向机构、驱动电机、电源，转向机构设置在驱动支架下方且转向机构能带动驱动单元进行转向运动，驱动电机、电源分别设置在驱动支架上，转向机构、驱动电机分别与电源相连。第一连接杆的两端分别与驱动支架、爬行单元铰链。

本实施例中，转向机构包括转向舵机、轴套、设置在轴套上的转向轴、设置在转向轴上的驱动件，转向舵机设置在驱动支架上，转向舵机分别与电源、轴套相连且转向舵机能带动轴套转动并改变驱动单元的运动方向。本实施中，驱动件采用转向叶片。

本实施例中，动力传输单元为螺旋输出轴，螺旋输出轴采用温度记忆合金制成且螺旋输出轴能记忆其不同温度下的状态，驱动电机的转轴与螺旋输出轴相连。

爬行单元由若干个连杆机构依次相连而成，连杆机构包括若干个连杆足，连杆足包括侧板、爬行连杆、设置在爬行连杆上的卡齿，侧板、爬行连杆分别为两个，侧板之间通过爬行连杆相连，爬行连杆之间形成螺旋输出轴或转动弹簧穿过的空隙且螺旋输出轴或转动弹簧转动时能带动连杆足相对运动，相邻两个连杆足之间的侧板通过孔销连接。本实施例中，连杆机构包括依次相连的第一连杆足、第二连杆足、第三连杆足，第一连杆足上设置有两个卡齿，第二连杆足上设置有两个卡齿，第三连杆足上设置有一个卡齿，第三连杆足与第二连杆足相交时第三连杆足的卡齿位于第二连杆足的卡齿之间，第二连杆足与第一连杆足相交时第二连杆足的卡齿位于第三连杆足的卡齿之间。作为优选，卡齿呈条形。

进一步，还包括设置在仿生机器人上的防水件。本实施例中，防水件采用橡胶材料制备而成。同时，驱动电机的转轴中心线与螺旋输出轴的中心线

作为一种替代方式，本实施例中，动力传输单元包括转动弹簧、与驱动支架相连的位置调节件，转动弹簧的一端与驱动电机的转轴相连且驱动电机能带动转动弹簧转动，转动弹簧的另一端与位置调节件活动连接且位置调节件能带动转动弹簧相对驱动单元移动并改变转动弹簧的节距。

其中，位置调节件包括与驱动支架相连的距离调节件、与距离调节件相连的第二连接杆，第二连接杆上设置有转动孔，转动弹簧的一端设置有限位件，转动弹簧穿过转动孔，转动孔位于限位件与转动弹簧之间且转动弹簧在限位件的作用下能相对转动孔转动。距离调节件包括设置在驱动支架上的调节电机、与调节电机转轴相连的滚珠丝杠，调节电机与电源相连，滚珠丝杠包括滚珠螺杆、设置在滚珠螺杆上的滚珠螺母，滚珠螺母与第二连接杆相连且调节电机依次通过滚珠螺杆、滚珠螺母、第二连接杆能带动转动弹簧伸缩。

进一步，还包括设置在驱动支架上的控制系统、与控制系统相配合的遥控装置，控制系统分别与转向机构、驱动电机、电源相连。本实施例中，遥控装置可以为红外遥控器。

本实施例中，驱动电机正转，则仿生机器人向前运动；驱动电机反转，则仿生机器人向后运动。本实施例中，连足杆上的卡齿能够增加仿生机器人的运行速度。同时，将本发明应用于海水中时，仿生机器人依据进入海水深度的不同，螺旋输出轴的节距发生相应的变化，进行实现在不同深度下的变速运行。

实施例2

如图所示，本实施例中，动力传输单元采用螺旋输出轴，螺旋输出轴采用温度记忆合金制成且螺旋输出轴能记忆其不同温度下的状态，驱动电机的转轴与螺旋输出轴相连。同时，本实施例中，驱动件采用轮。另外，本实施例中还包括联轴器，驱动电机的转轴通过联轴器与螺旋输出轴或转动弹簧相连。其他与实施例1同。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种可变波形驱动的仿生机器人，其特征在于，包括驱动单元、第一连接杆、动力传输单元、设置在动力传输单元上的爬行单元；

所述驱动单元包括驱动支架、转向机构、驱动电机、电源，所述转向机构设置在驱动支架下方且转向机构能带动驱动单元进行转向运动，所述驱动电机、电源分别设置在驱动支架上，所述转向机构、驱动电机分别与电源相连；

所述第一连接杆的两端分别与驱动支架、爬行单元铰链；

所述动力传输单元包括转动弹簧、与驱动支架相连的位置调节件，所述转动弹簧的一端与驱动电机的转轴相连且所述驱动电机能带动转动弹簧转动，所述转动弹簧的另一端与位置调节件活动连接且位置调节件能带动转动弹簧相对驱动单元移动并改变转动弹簧的节距；

所述爬行单元由若干个连杆机构依次相连而成，所述连杆机构包括若干个连杆足，所述连杆足包括侧板、爬行连杆、设置在爬行连杆上的卡齿，所述侧板、爬行连杆分别为两个，所述侧板之间通过爬行连杆相连，所述爬行连杆之间形成转动弹簧穿过的空隙且转动弹簧转动时能带动连杆足相对运动，相邻两个连杆足之间的侧板通过孔销连接，相邻两个连杆足上的卡齿互不干涉；

所述转向机构包括转向舵机、轴套、设置在轴套上的转向轴、设置在转向轴上的驱动件，所述转向舵机设置在驱动支架上，所述转向舵机分别与电源、轴套相连且转向舵机能带动轴套转动并改变驱动单元的运动方向；

所述位置调节件包括与驱动支架相连的距离调节件、与距离调节件相连的第二连接杆，所述第二连接杆上设置有转动孔，所述转动弹簧的一端设置有限位件，所述转动弹簧穿过转动孔，所述转动孔位于限位件与转动弹簧之间且转动弹簧在限位件的作用下能相对转动孔转动。

2.根据权利要求1所述可变波形驱动的仿生机器人，其特征在于，还包括联轴器，所述驱动电机的转轴通过联轴器与转动弹簧相连。

3.根据权利要求1所述可变波形驱动的仿生机器人，其特征在于，还包括设置在驱动支架上的控制系统、与控制系统相配合的遥控装置，所述控制系统分别与转向机构、驱动电机、电源相连。

4.根据权利要求1-3任一项所述可变波形驱动的仿生机器人，其特征在于，还包括设置在仿生机器人上的防水件。

5.根据权利要求1所述可变波形驱动的仿生机器人，其特征在于，所述距离调节件包括设置在驱动支架上的调节电机、与调节电机转轴相连的滚珠丝杠，所述调节电机与电源相连，所述滚珠丝杠包括滚珠螺杆、设置在滚珠螺杆上的滚珠螺母，所述滚珠螺母与第二连接杆相连且调节电机依次通过滚珠螺杆、滚珠螺母、第二连接杆能带动转动弹簧伸缩。

6.根据权利要求1所述可变波形驱动的仿生机器人，其特征在于，所述驱动电机的转轴中心线与转动弹簧的中心线共线。

7.根据权利要求1所述可变波形驱动的仿生机器人，其特征在于，所述连杆机构包括依次相连的第一连杆足、第二连杆足、第三连杆足，所述第一连杆足上设置有两个卡齿，所述第二连杆足上设置有两个卡齿，所述第三连杆足上设置有一个卡齿，所述第三连杆足与第二连杆足相交时第三连杆足的卡齿位于第二连杆足的卡齿之间，所述第二连杆足与第一连杆足相交时第二连杆足的卡齿位于第三连杆足的卡齿之间。

8.根据权利要求7所述可变波形驱动的仿生机器人，其特征在于，所述第一连杆足、第二连杆足、第三连杆足之间依次通过孔销连接。