CN109367641B - 一种八足爬行机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双自由度八足爬行机器人，包括机身、主轴、直齿轮传动机构、锥齿轮传动机构、杆组、电机、电路板和电池。机器人由两个四足结构组成，一侧四足只有一个自由度，由一个电机控制，电路板固定在机身上，控制两个电机的转速，使机器人实现直行和转向。电机通过锥齿轮传动机构将转矩传递给主轴，主轴通过带动直齿轮传动机构转动使与从动直齿轮、机身连接的杆组运动，最终八个杆组作为机器人八足迈步前行。本发明的八足爬行机器人行走时始终保持四足与地面接触，四足悬空迈步，足端与地面接触时冲击小，重心平稳，运动协调，控制简单。

Description

一种八足爬行机器人
技术领域
本发明涉及爬行机器人，尤其涉及一种双电机双自由度八足爬行机器人。
背景技术
仿生多足移动机器人具有很强的地形适应能力，相较于轮式、履带式移动机器人，仿生多足机器人可以几乎在任何陆地上行走，具有广阔的应用前景，近年来得到国内外众多学者重视，已经成为机器人研究的一个重要分支。
荷兰艺术家泰欧·杨森(Theo Jansen)创造出的泰欧·杨森机构(Strandbeests)可依靠风力行走。泰欧·杨森机构的已有研究包括通过虚拟样机与实物样机验证泰欧·杨森机构直行、转弯、爬坡及越障能力，优化杆长，以及基于泰欧·杨森机构原始结构，进行重构优化与革新设计等等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在行走过程中重心平稳，足尖轨迹较为理想的八足爬行机器人。
本发明所采用的技术方案是：
本发明的一种双自由度八足爬行机器人，包括机身，所述机身包括左右平行相对间隔设置的两组机架，每组所述的机架均包括沿竖直方向设置的内侧机架以及平行间隔设置在所述的内侧机架外侧的外侧机架，所述的内侧机架和外侧机架的前后端之间分别通过一个沿水平方向设置的机架连接轴固定相连，在每一组机架的内侧机架和外侧机架之间的中间位置均沿水平方向连接有主轴，所述的主轴的左右两端分别与内侧机架和外侧机架通过转动副转动连接，在位于每一组机架的内侧机架和外侧机架之间的主轴上均固连有一个主动直齿轮，所述的主动直齿轮和与对称的设置在其前后两侧的两个从动直齿轮啮合配合，所述的两个从动直齿轮的左右两侧与内侧机架以及外侧机架转动相连；
在左右两个内侧机架的前后两侧的顶部和底部分别设置有顶部凸台和底部凸台，所述的顶部凸台和底部凸台分别固定在顶板、底板的四角处，所述的顶板和底板分别沿水平方向设置，在所述的底板上沿竖直方向固定有电机连接板，在所述电机连接板左右两侧分别固定有一个电机架，在每一个电机架上固定有一个电机，在每个电机沿竖直方向设置的输出轴上固定有一个主动锥齿轮，所述的主动锥齿轮和从动锥齿轮啮合配合，所述的从动锥齿轮固定在同侧的主轴上；
在每个从动直齿轮的侧壁外周上沿同一圆周方向间隔180度开有两个通孔，每个从动直齿轮的两个通孔分别与一个沿水平方向设置的齿轮连接轴的一端固定相连，与每个从动直齿轮连接的两个齿轮连接轴中分别设置在该从动直齿轮的左右两侧，与每个从动直齿轮连接的所述的两个齿轮连接轴中的一个齿轮连接轴伸出设置在内侧支架的内侧且另一个齿轮连接轴伸出设置在外侧支架的外侧；
在两组机架的四个从动直齿轮的每个齿轮连接轴上分别连接有一个足，每一组机架的四足中一对对角的两个足向前迈步，另一对对角足的足尖与地面接触；
每个足由杆组组成，每个所述的杆组包括一个近似三角形的腿，所述的腿的一个顶边为横杆，所述的腿的两个侧边为弧形杆，足尖位于腿的两根弧形杆的交点处，足尖轨迹在与地面接触部分逐渐平缓近似直线，足尖用于与地面接触，一根短直杆的一端与一根齿轮连接轴的一端垂直固定连接，所述的短直杆沿从动直齿轮半径方向伸出齿轮外边缘设置形成伸出端，短弯杆的一端与齿轮连接轴可旋转连接，所述的短直杆伸出端通过旋转副与长弯杆的一端连接，长直杆的上端与一个机架连接轴可旋转连接，连接处位于内侧机架与外侧机架之间，长直杆的下端以及短弯杆的下端分别与腿上横杆内侧孔通过旋转副转动相连，所述的长弯杆的另一端与腿上横杆的外侧孔通过旋转副转动相连，所述的短弯杆位于腿的上横杆的内侧，所述的长弯杆位于腿的上横杆的外侧；
每组机架中位于外侧机架外侧的两个短直杆始终平行且转动相位一致，每组机架中位于内侧支架内侧的两个短直杆始终平行且转动相位一致，每组机架中位于外侧机架外侧的两个短直杆与位于内侧支架内侧的两个短直杆成180度角，在所述的底板的底壁上通过连接柱安装有支撑板，在所述的支撑板上固定有电池，电池分别通过导线与电路板和两个电机相连以给所述电路板和两个电机供电。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明仿造泰欧·杨森机构的平面结构，设计出一种足尖轨迹相近的新机构，将基本结构中杆的数目由8减少至6，使结构更为简单。同时将曲柄改为齿轮，以主轴带动齿轮转动代替原本曲轴为作为主轴转动的方案，使结构更加牢固。相比泰欧杨森机构完全依靠风能运动的设计，本发明采用双电机控制，机器人可依靠电机转速差进行转向。
2、足尖轨迹在与地面接触部分逐渐平缓近似直线，使其在行走时足尖与地面碰撞小，且机器人运动时总有四足与地面接触，重心平稳；
3、可用手机App实现对电机转速的控制，使机器人直行、转向，界面直观，操作方便。
附图说明
图1是本发明的一种八足爬行机器人的结构示意图；
图2是图1所示的机器人的侧视图；
图3是图1所示的机器人的机身的结构示意图；
图4是图1所示的机器人的杆组的结构示意图；
图5是图1所示的机器人的单腿结构简图；
图6是与相对于图4轴对称装配的杆组的结构示意图；
图7是本发明从动直齿轮、齿轮连接轴、短直杆装配示意。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明加以说明。
如附图所示的本发明的一种双自由度八足爬行机器人，包括机身2，所述机身2包括左右平行相对间隔设置的两组机架，每组所述的机架均包括沿竖直方向设置的内侧机架12以及平行间隔设置在所述的内侧机架12外侧的外侧机架11，所述的内侧机架12和外侧机架11的前后端之间分别通过一个沿水平方向设置的机架连接轴18固定相连，在每一组机架的内侧机架12和外侧机架11之间的中间位置均沿水平方向连接有主轴3，所述的主轴3的左右两端分别与内侧机架12和外侧机架11通过转动副转动连接，在位于每一组机架的内侧机架12和外侧机架11之间的主轴3上均固连有一个主动直齿轮4，所述的主动直齿轮4和与对称的设置在其前后两侧的两个从动直齿轮6啮合配合，所述的两个从动直齿轮6的左右两侧与内侧机架12以及外侧机架11转动相连。所述的从动直齿轮6与内侧机架12以及外侧机架11转动相连的结构可以为：在所述的内侧机架12以及外侧机架11上分别安装有轴承，从动直齿轮6的左右两端分别与轴承的内圈转动相连。
在左右两个内侧机架12的前后两侧的顶部和底部分别设置有顶部凸台和底部凸台，所述的顶部凸台和底部凸台分别固定在顶板13、底板17的四角处，所述的顶板13和底板17分别沿水平方向设置，在所述的底板17上沿竖直方向固定有电机连接板14，在所述电机9连接板左右两侧分别固定有一个电机架15，在每一个电机架15上固定有一个电机9，在每个电机9沿竖直方向设置的输出轴上固定有一个主动锥齿轮8，所述的主动锥齿轮8和从动锥齿轮7啮合配合，所述的从动锥齿轮7固定在同侧的主轴3上。
在每个从动直齿轮6的侧壁外周上沿同一圆周方向间隔180度开有两个通孔，两个通孔轴心距离是图5结构简图中的长度L的二倍，每个从动直齿轮6的两个通孔分别与一个沿水平方向设置的齿轮连接轴23的一端固定相连，与每个从动直齿轮6连接的两个齿轮连接轴23中分别设置在该从动直齿轮的左右两侧，与每个从动直齿轮6连接的所述的两个齿轮连接轴23中的一个齿轮连接轴23伸出设置在内侧支架的内侧且另一个齿轮连接轴23伸出设置在外侧支架的外侧。
在两组机架的四个从动直齿轮的每个齿轮连接轴23上分别连接有一个足1，八个足1如图所示，分别为左侧机架的左前足1-1、右前足1-2、左后足1-3、右后足1-4，右侧机架的左前足1-5、右前足1-6、左后足1-7、右后足1-8。每一组机架的四足中一对对角的两个足向前迈步，另一对对角足的足尖19与地面接触。
每个足由杆组组成，每个所述的杆组包括一个近似三角形的腿20，所述的腿20的一个顶边为横杆，所述的腿20的两个侧边为弧形杆。足尖19位于腿20的两根弧形杆的交点处，足尖轨迹在与地面接触部分逐渐平缓近似直线，足尖19用于与地面接触，在所述的足尖19上套有保护套防止磨损。
一根短直杆24的一端与一根齿轮连接轴23的一端垂直固定连接，所述的短直杆24沿从动直齿轮6半径方向伸出齿轮外边缘设置形成伸出端，短弯杆22的一端与齿轮连接轴23可旋转连接，所述的短直杆24伸出端通过旋转副与长弯杆25的一端连接，长直杆21的上端与一个机架连接轴18可旋转连接，连接处位于内侧机架12与外侧机架11之间。长直杆21的下端以及短弯杆22的下端分别与腿20上横杆内侧孔通过旋转副转动相连，所述的长弯杆25的另一端与腿20上横杆的外侧孔通过旋转副转动相连。所述的短弯杆22位于腿20的上横杆的内侧，所述的长弯杆25位于腿20的上横杆的外侧。
每组机架中位于外侧机架11外侧的两个短直杆24始终平行且转动相位一致，每组机架中位于内侧支架12内侧的两个短直杆24始终平行且转动相位一致，每组机架中位于外侧机架11外侧的两个短直杆24与位于内侧支架12内侧的两个短直杆24成180度角。
与一组机架固定的四足只有一个自由度，由一个电机9控制，一侧四足驱动方式为：电机9通过主动锥齿轮8和从动锥齿轮7将转矩传递给主轴3，主轴3带动主动直齿轮4和与其啮合的两个从动直齿轮6转动，最终使与从动直齿轮6、机架连接轴18连接的四个杆组运动，作为机器人四足迈步前行。四个足1中总是一对对角的两个足1向前迈步，另一对对角足1的足尖19与地面接触，这样保证了机器人依靠八足行走时始终有四足与地面接触，使机器人能够平稳行走。
电路板5固定在顶板13上，所述的电路板5与两个电机9通过导线相连，优选的手机app通过调用蓝牙服务与电路板5上的蓝牙模块连接。通过手机中安装的App等控制软件控制两个电机9的转速及方向，从而实现机器人直行、转向：当两个电机9转动速度相同、方向相反时，机器人可以前进、后退；当两个电机9转速不一致时，机器人转向。在所述的底板17的底壁上通过连接柱安装有支撑板16，在所述的支撑板上固定有电池10，电池10分别通过导线与电路板5和两个电机9相连以给所述电路板5和两个电机9供电。

Claims (4)

1.一种双自由度八足爬行机器人，包括机身，其特征在于：所述机身包括左右平行相对间隔设置的两组机架，每组所述的机架均包括沿竖直方向设置的内侧机架以及平行间隔设置在所述的内侧机架外侧的外侧机架，所述的内侧机架和外侧机架的前后端之间分别通过一个沿水平方向设置的机架连接轴固定相连，在每一组机架的内侧机架和外侧机架之间的中间位置均沿水平方向连接有主轴，所述的主轴的左右两端分别与内侧机架和外侧机架通过转动副转动连接，在位于每一组机架的内侧机架和外侧机架之间的主轴上均固连有一个主动直齿轮，所述的主动直齿轮和与对称的设置在其前后两侧的两个从动直齿轮啮合配合，所述的两个从动直齿轮的左右两侧与内侧机架以及外侧机架转动相连；
在左右两个内侧机架的前后两侧的顶部和底部分别设置有顶部凸台和底部凸台，所述的顶部凸台和底部凸台分别固定在顶板、底板的四角处，所述的顶板和底板分别沿水平方向设置，在所述的底板上沿竖直方向固定有电机连接板，在所述电机连接板左右两侧分别固定有一个电机架，在每一个电机架上固定有一个电机，在每个电机沿竖直方向设置的输出轴上固定有一个主动锥齿轮，所述的主动锥齿轮和从动锥齿轮啮合配合，所述的从动锥齿轮固定在同侧的主轴上；
在每个从动直齿轮的侧壁外周上沿同一圆周方向间隔180度开有两个通孔，每个从动直齿轮的两个通孔分别与一个沿水平方向设置的齿轮连接轴的一端固定相连，与每个从动直齿轮连接的两个齿轮连接轴中分别设置在该从动直齿轮的左右两侧，与每个从动直齿轮连接的所述的两个齿轮连接轴中的一个齿轮连接轴伸出设置在内侧支架的内侧且另一个齿轮连接轴伸出设置在外侧支架的外侧；
在两组机架的四个从动直齿轮的每个齿轮连接轴上分别连接有一个足，每一组机架的四足中一对对角的两个足向前迈步，另一对对角足的足尖与地面接触；
每个足由杆组组成，每个所述的杆组包括一个近似三角形的腿，所述的腿的一个顶边为横杆，所述的腿的两个侧边为弧形杆，足尖位于腿的两根弧形杆的交点处，足尖轨迹在与地面接触部分逐渐平缓近似直线，足尖用于与地面接触，一根短直杆的一端与一根齿轮连接轴的一端垂直固定连接，所述的短直杆沿从动直齿轮半径方向伸出齿轮外边缘设置形成伸出端，短弯杆的一端与齿轮连接轴可旋转连接，所述的短直杆伸出端通过旋转副与长弯杆的一端连接，长直杆的上端与一个机架连接轴可旋转连接，连接处位于内侧机架与外侧机架之间，长直杆的下端以及短弯杆的下端分别与腿上横杆内侧孔通过旋转副转动相连，所述的长弯杆的另一端与腿上横杆的外侧孔通过旋转副转动相连，所述的短弯杆位于腿的上横杆的内侧，所述的长弯杆位于腿的上横杆的外侧；
每组机架中位于外侧机架外侧的两个短直杆始终平行且转动相位一致，每组机架中位于内侧支架内侧的两个短直杆始终平行且转动相位一致，每组机架中位于外侧机架外侧的两个短直杆与位于内侧支架内侧的两个短直杆成180度角，在所述的底板的底壁上通过连接柱安装有支撑板，在所述的支撑板上固定有电池，电池分别通过导线与电路板和两个电机相连以给所述电路板和两个电机供电。
2.根据权利要求1所述的双自由度八足爬行机器人，其特征在于：所述的从动直齿轮与内侧机架以及外侧机架转动相连的结构为：在所述的内侧机架以及外侧机架上分别安装有轴承，从动直齿轮的左右两端分别与轴承的内圈转动相连。
3.根据权利要求1或者2所述的双自由度八足爬行机器人，其特征在于：在所述的足尖上套有保护套防止磨损。
4.根据权利要求1或者2所述的双自由度八足爬行机器人，其特征在于：手机app通过调用蓝牙服务与电路板上的蓝牙模块连接。
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