CN109795577A - 一种六足仿生机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六足仿生机器人，包括躯体结构、六组肢节结构和控制系统，所述躯体结构两侧分别设有三个肢节连接位，六组肢节结构分别与躯体结构两侧的肢节连接位相枢接，所述控制系统设置在躯体结构内部；所述肢节结构包括基节舵机、髋关节舵机、仿股节、膝关节舵机、仿生胫节和仿生跗节，所述基节舵机与髋关节舵机通过一基节支架连接，所述髋关节舵机与膝关节舵机固定安装在仿股节的两侧，所述仿生胫节通过膝关节舵机与所述仿股节连接，所述仿生跗节安装在所述仿生胫节上；所述基节舵机、髋关节舵机和膝关节舵机与控制系统电连接。本发明能够大大提高机器人对各种复杂地形的适应能力，同时保证了机器人的稳定性。

Description

一种六足仿生机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种六足仿生机器人。

背景技术

随着科技和社会的发展，人们加快了对之前无法涉及的区域，例如洞穴、荒漠、极地、海底等，甚至外太空环境。但这些未知的区域充满着危险性，如果探索者未能做好充分的准备或稍有不慎，便会付出巨大的代价。虽然如此，但是往往这些地方可能蕴藏着大量的资源，驱动着人们前去探索。在科技快速发展的今天，很多探索者通过利用机器人进行探索，如此便可让机器人代替人类活动，降低人身的危险性。目前发展比较成熟的机器人设计主要两种：轮式机器人和履带式机器人。轮式机器人诸如京东无人快递小车，已有小规模的使用并拥有较好的市场前景，但是相比之下在适应地形方面有较大提升空间；履带式机器人诸如排爆机器人，已经在一些特殊环境的使用(如排爆机器人)，虽然相比轮式机器人在地形适应能力有一定提升，但是也存在着效率低、履带磨损快，其对于一些较为复杂的地形也无能为力。

现有技术中的轮式机器人能够在路宽良好的道路上保持较快的速度，效率较快，但是由于轮式机器人多采用四轮二驱结构，与接触面最多只有四个点，并且都在同一个平面上，如此一来若面对像沟壑、山坡或其他不平坦的地形容易造成轮子悬空，容易造成翻车情况；若悬空轮子为驱动轮则容易导致机器人失去动力从而停止不动。

履带式机器人虽相比轮式机器人在适应地形方面有一定的提升，但是履带机器人的运行速度太慢，并且车体震动较大、履带磨损较快。因为履带式机器人与地接触上两个或多个面，与地面接触面积较大，导致摩擦力较大，一般的电机驱动力量不足导致其速度有限；履带之间受到阻力的不一致可能导致进度不一致，需要频繁修正轨道，容易导致车体的震动；应为履带与地面接触面积较大，导致了履带的磨损较快，需要时常更换。

以上两种机器人方案均存在有明显的缺点，无法很好地应对各种复杂的地形，所以难以满足人们对未知环境的探索。

发明内容

基于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种六足仿生机器人，采用新型的机器人结构设计，能够大大提高机器人对各种复杂地形的适应能力，同时保证了机器人的稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种六足仿生机器人，包括躯体结构、六组肢节结构和控制系统，所述躯体结构两侧分别设有三个肢节连接位，六组肢节结构分别与躯体结构两侧的肢节连接位相枢接，所述控制系统设置在躯体结构内部；所述肢节结构包括基节舵机、髋关节舵机、仿股节、膝关节舵机、仿生胫节和仿生跗节，所述基节舵机与髋关节舵机通过一基节支架连接，所述髋关节舵机与膝关节舵机固定安装在仿股节的两侧，所述仿生胫节通过膝关节舵机与所述仿股节连接，所述仿生跗节安装在所述仿生胫节上；所述基节舵机、髋关节舵机和膝关节舵机与控制系统电连接。

为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述仿生跗节包括传动杆、微动开关和足尖，所述传动杆上端穿过仿生胫节底部并伸进仿生胫节内部，其下端伸出仿生胫节外部，所述微动开关设置在传动杆的上端，所述足尖设置在传动杆的下端；且所述微动开关与所述控制系统电连接。

为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述足尖为半球体结构，其直径面与所述传动杆连接；且足尖的半球面上覆盖有一层橡胶。

为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述仿生胫节为弧形长条状骨架结构，其内部间隔设有多块横接板，每块横接板上均设有通孔；所述微动开关位于仿生胫节内部，且与仿生胫节隔离设置。

为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述躯体结构包括下支板、上支板和外壳，所述上支板设置在所述下支板上，上支板与下支板之间形成第一容腔，所述外壳设置在所述上支板上，外壳与上支板之间形成第二容腔，所述控制系统设置在第二容腔中，且该第二容腔与所述第一容腔连通设置。

为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述下支板的两侧向上分别设有三个上凹槽，所述上支板的两侧向下分别设置与下支板的上凹槽相配合的下凹槽，且上凹槽与下凹槽共同组合成所述肢节连接位。

为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述下支板上设有电源安装槽，该电源安装槽位于所述第一容腔中，且电源安装槽上设有电源机构，该电源机构与所述控制系统电连接。

为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述基节支架为U型支架，该基节支架的两侧与基节舵机连接，其底部与髋关节舵机连接。

为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述仿股节为匚型的支架结构，仿股节的一端两侧与髋关节舵机连接，其另一端两侧与膝关节舵机连接。

为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述控制系统包括主控芯片及与该主控芯片连接的无线控制电路、触地检测电路和舵机驱动电路；所述无线控制电路用于接收来自外界设备的控制信，所述检测电路用于检测足端是否触地，并把触地信号传给主控芯片，所述舵机控制电路用于接收主控芯片的指令使主控芯片能够控制基节舵机、髋关节舵机和膝关节舵机的转动。

由此，本发明主要设计了一种新的机器人结构，可以大大提高机器人对地形的适应能力，使使用者远离危险。轮式、履带式机器人，这两种市面上常见的机器人在结构上决定了他们对使用的地形有较高的要求，但是对于一些人类较少探索、危险性大的地方，往往地形情况十分复杂，以上两种结构的机器人在这些复杂的地形面前便无能为力，但是人员进行探索危险性又太高。本发明外形结构仿照生物界中的节肢动物，行进过程中可以保持与地面的多点接触，所以能够减少地形起伏对机器人整体稳定性的影响，时时维持机器人主体的平稳，保证了机器人的稳定性，同时也大大提升了机器人适应各种复杂地形的能力。另外，本发明在控制的方式上采用了蓝牙无线传输，让使用者可以在远离危险的地方操作机器人进行一系列的活动，同时也能够将机器人的实时情况传回电脑端，让使用者可以实时掌握机器人的情况与其所在的环境的具体情况。

附图说明

图1为本发明的六足仿生机器人的结构示意图；

图2为本发明的六足仿生机器人的另一示意图；

图3为本发明的六足仿生机器人的肢节结构的结构示意图；

图4为本发明的六足仿生机器人的仿生胫节的结构示意图；

图5为本发明的六足仿生机器人的躯体结构的结构示意图；

图6为本发明的六足仿生机器人的下支板的结构示意图；

图7为本发明的六足仿生机器人的上支板的结构示意图；

图8为本发明的六足仿生机器人的外壳的结构示意图；

图9为本发明的六足仿生机器人的控制系统的电路原理图；

图10为本发明的六足仿生机器人的供电电路的电路原理图；

图11为本发明的六足仿生机器人的触地检测电路的电路原理图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域的普通技术人员应能理解其他可能得实施方式以及本发明的优点。

请同时参阅图1至图11。

一种六足仿生机器人，包括躯体结构100、六组肢节结构200和控制系统，所述躯体结构100两侧分别设有三个肢节连接位110，六组肢节结构200分别与躯体结构100两侧的肢节连接位110相枢接，所述控制系统设置在躯体结构100内部；所述肢节结构200包括基节舵机210、髋关节舵机220、仿股节230、膝关节舵机240、仿生胫节250和仿生跗节260，所述基节舵机210与髋关节舵机220通过一基节支架270连接，所述髋关节舵机220与膝关节舵机240固定安装在仿股节230的两侧，所述仿生胫节250通过膝关节舵机240与所述仿股节230连接，所述仿生跗节260安装在所述仿生胫节250上；所述基节舵机210、髋关节舵机220和膝关节舵机240与控制系统电连接。

其中，所述基节支架270为U型支架，该基节支架270的两侧与基节舵机210连接，其底部与髋关节舵机220连接；所述仿股节230为匚型的支架结构，仿股节230的一端两侧与髋关节舵机220连接，其另一端两侧与膝关节舵机240连接。

本发明中，仿股节230连接着髋关节舵机220和膝关节舵机240，在机器人运动中，提供仿股节230和仿生胫节250纵向的自由度，使仿生跗节260能够抬高或放下；同时仿股节230又是机器人受力最大的部分，在髋关节舵机220和膝关节舵机240同时转动时，仿股节230将同时受到横向和纵向的两个力的作用，若结构强度不足，将导致仿股节230形变，影响机器人行走时的稳定性，限制了行走速度。因此，本发明的仿股节230采用匚型的设计结构，在匚型结构的基础上，在仿股节230内测添加了筋结构，强化了三个面的稳固性。另外，仿股节230在和髋关节舵机220、膝关节舵机240组合后，借助了髋关节舵机220、膝关节舵机240坚固的外壳，形成封闭结构，加强了仿股节230的稳固性。考虑到重量的因素，在不牺牲过多稳固性的前提下，将仿股节230三个面进行掏空，从而控制了仿股节230的重量。

另外，本发明的基节舵机210、髋关节舵机220和膝关节舵机240均采用串行总线数字舵机，串行总线数字舵机是数字舵机的衍生物，与数字舵机需要舵机控制板将所有舵机并联起立不同，串行总线数字舵机之间可以使用一条线首尾相连，这使得连线变得简单整洁，不像数字舵机一样复杂，没有大量的舵机线，会使机器人更加整洁美观。而且串行总线数字能反馈多种信息，如舵机角度位置、电压和温度等；从而使得控制变得更加简单方便，根据每个舵机的ID进行指令广播相应的舵机接受到指令后执行指令。

考虑到机器人的总体重量需要较大扭力的舵机，本发明的基节舵机210、髋关节舵机220和膝关节舵机240均采用LX-16A串行总线数字舵机，工作电压为7.4～8.5V，启动电流为1A。

具体地，所述仿生跗节260包括传动杆264、微动开关262和足尖263，所述传动杆262上端穿过仿生胫节250底部并伸进仿生胫节250内部，其下端伸出仿生胫节250外部，所述微动开关261设置在传动杆的上端，所述足尖263设置在传动杆262的下端；且所述微动开关261与所述控制系统电连接。

在本实施例中，将提供抓地力的仿生跗节260进行简化，设计一个半球型的足尖263，用橡胶对足尖263的半球面进行覆盖，这使得机器人运动时，有足够的摩擦力进行移动。另外，与足尖263连接的传动杆262，用于触动安装在仿生胫节250中的微动开关261。其中，微动开关261最常应用于鼠标的左右键和滚轮键，特点是键程非常短，只需非常小的力和推动距离就能触发按键，还可添加铁片，利用杠杆原理，使按键更加灵敏，易触发。大多数的微动开关261在侧边设有两个螺丝孔，这就使得微动开关261可以脱离PCB板另行安装。本实施例的微动开关261通过导线与控制系统电连接另外。

本发明的仿生胫节250为弧形长条状骨架结构，其内部间隔设有多块横接板251，每块横接板251上均设有通孔，所述微动开关261位于仿生胫节250内部，且与仿生胫节250隔离设置。优选地，本发明将仿生胫节2500进行弯曲45°的设计，使仿生胫节250与地面接触的一段在大部分运动中不会有过大的倾斜，并采取了分层镂空设计，最大限度地减小仿生胫节250的重量。

如图4所示，本发明的躯体结构100包括下支板120、上支板130和外壳140，所述上支板130设置在所述下支板120上，上支板130与下支板120之间形成第一容腔，所述外壳140设置在所述上支板130上，外壳140与上支板130之间形成第二容腔，所述控制系统设置在第二容腔中，且该第二容腔与所述第一容腔连通设置。具体地，所述下支板120的两侧向上分别设有三个上凹槽121，所述上支板130的两侧向下分别设置与下支板120的上凹槽121相配合的下凹槽131，且上凹槽121与下凹槽131共同组合成所述肢节连接位110。

本实施例中，躯体主体100的两侧分别设有三个肢节连接位110，该三个肢节连接位110分别设置在躯体主体100一侧的两端以及中间部位，每个肢节连接位110的开口一端均向外设置。由于本设计采用单腿运动学分析，为了方便软件编写调试时各足端坐标的转换，左前端的肢节连接位110与右前足的肢节连接位110的夹角为90°，左前足的肢节连接位110与左中足的肢节连接位110的夹角为45°。

其中，所述下支板120上设有电源安装槽122，该电源安装槽122位于所述第一容腔中，且电源安装槽122上设有电源机构，该电源机构与所述控制系统电连接。具体地，该电源安装槽122为一U型向上凸起的结构设置在下支板120上方，并且电源安装槽122上方与第二容腔连通设置，从而方便与控制系统电连接。另外，上支板130中部开有方形口C，该方形口C的四个角上均设有安装孔132，通过安装孔132的设计，方便安装固定仿生机器人的控制系统。而本发明的外壳140为拱形外壳，该拱形外壳的顶部设有多个螺丝孔141。进一步地，外壳140的侧面设有透明板142。本实施例中，优选地，所述透明板142采用透明塑料板，并通过螺丝固定在外壳140上。

并且，本发明的下支板120、上支板130和外壳140的设计均采用镂空的设计结构，在不改变功能和可靠性的情况下减少了材料使用，增加设计美观性的同时也降低了仿生机器人的重量。

如图9所示，本发明的控制系统包括主控芯片及与该主控芯片连接的无线控制电路、供电电路、触地检测电路和舵机驱动电路；所述无线控制电路用于接收来自外界设备的控制信，该供电电路主要用于对航模电池进行降压后给主控芯片提供相应的电压，所述检测电路用于检测足端是否触地，并把触地信号传给主控芯片，所述舵机控制电路用于接收主控芯片的指令使主控芯片能够控制基节舵机、髋关节舵机和膝关节舵机的转动。

其中，所述主控芯片，主要用于接收从上位机发送的数据、计算目标足端坐标对应的单腿三个关节的角度与给各个关节的伺服电机发送角度位置的数据，从而使机器人能达到设计的要求。优选地，本实施例的主控芯片使用STMF103ZET6作为主控芯片。

本实施例的无线控制电路包括发送端和接收端，发送端主要用于发送游戏手柄的控制信号，接收端用于接受从发送端发送到机器人的数据。具体地，发送端主要由XBOX游戏手柄、PC上位机、USB转TTL模块和HC05蓝牙模块组成；接收端由机器人和接收端HC05蓝牙模块组成。当控制手柄输入特定按键组合后，PC上位机向串口发送数据，通过USB转TTL模块转为TTL电平，在通过HC05蓝牙模块把数据发向下位机。下位机的HC05蓝牙模块接收到从上位机发送出来的数据，传到机器人的主控芯片的串口。

其次，本发明的六足仿生机器人的供电电路如图10所示。由于主控板工作电压为5V，而舵机的工作电压7.4V，为了能让主控芯片和舵机都能正常工作，本设计采用模块降压的方式对7.4V航模电池进行降压，输出5V电压供主控板使用，而航模电池可直接给串行总线舵机供电。

再者，本设计的触地检测电路用于检测机器人足端是否触地，采用六个微动开关261，安装于机器人足端。触地检测电路如图11所示。当机器人的一只足尖263踏地，微动开关261触发，使与微动开关261相连的单片机引脚拉低，主控芯片读取到低电平，便可知道哪些脚触地，哪些脚未触地。

与现有技术相比，本发明主要设计了一种新的机器人结构，可以大大提高机器人对地形的适应能力，使使用者远离危险。轮式、履带式机器人，这两种市面上常见的机器人在结构上决定了他们对使用的地形有较高的要求，但是对于一些人类较少探索、危险性大的地方，往往地形情况十分复杂，以上两种结构的机器人在这些复杂的地形面前便无能为力，但是人员进行探索危险性又太高。本发明外形结构仿照生物界中的节肢动物，行进过程中可以保持与地面的多点接触，所以能够减少地形起伏对机器人整体稳定性的影响，时时维持机器人主体的平稳，保证了机器人的稳定性，同时也大大提升了机器人适应各种复杂地形的能力。另外，本发明在控制的方式上采用了蓝牙无线传输，让使用者可以在远离危险的地方操作机器人进行一系列的活动，同时也能够将机器人的实时情况传回电脑端，让使用者可以实时掌握机器人的情况与其所在的环境的具体情况。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明六足仿生机器人范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种六足仿生机器人，其特征在于：包括躯体结构、六组肢节结构和控制系统，所述躯体结构两侧分别设有三个肢节连接位，六组肢节结构分别与躯体结构两侧的肢节连接位相枢接，所述控制系统设置在躯体结构内部；所述肢节结构包括基节舵机、髋关节舵机、仿股节、膝关节舵机、仿生胫节和仿生跗节，所述基节舵机与髋关节舵机通过一基节支架连接，所述髋关节舵机与膝关节舵机固定安装在仿股节的两侧，所述仿生胫节通过膝关节舵机与所述仿股节连接，所述仿生跗节安装在所述仿生胫节上；所述基节舵机、髋关节舵机和膝关节舵机与控制系统电连接。

2.根据权利要求1所述的六足仿生机器人，其特征在于：所述仿生跗节包括传动杆、微动开关和足尖，所述传动杆上端穿过仿生胫节底部并伸进仿生胫节内部，其下端伸出仿生胫节外部，所述微动开关设置在传动杆的上端，所述足尖设置在传动杆的下端；且所述微动开关与所述控制系统电连接。

3.根据权利要求2所述的六足仿生机器人，其特征在于：所述足尖为半球体结构，其直径面与所述传动杆连接；且足尖的半球面上覆盖有一层橡胶。

4.根据权利要求2所述的六足仿生机器人，其特征在于：所述仿生胫节为弧形长条状骨架结构，其内部间隔设有多块横接板，每块横接板上均设有通孔；所述微动开关位于仿生胫节内部，且与仿生胫节隔离设置。

5.根据权利要求1所述的六足仿生机器人，其特征在于：所述躯体结构包括下支板、上支板和外壳，所述上支板设置在所述下支板上，上支板与下支板之间形成第一容腔，所述外壳设置在所述上支板上，外壳与上支板之间形成第二容腔，所述控制系统设置在第二容腔中，且该第二容腔与所述第一容腔连通设置。

6.根据权利要求5所述的六足仿生机器人，其特征在于：所述下支板的两侧向上分别设有三个上凹槽，所述上支板的两侧向下分别设置与下支板的上凹槽相配合的下凹槽，且上凹槽与下凹槽共同组合成所述肢节连接位。

7.根据权利要求5所述的六足仿生机器人，其特征在于：所述下支板上设有电源安装槽，该电源安装槽位于所述第一容腔中，且电源安装槽上设有电源机构，该电源机构与所述控制系统电连接。

8.根据权利要求1所述的六足仿生机器人，其特征在于：所述基节支架为U型支架，该基节支架的两侧与基节舵机连接，其底部与髋关节舵机连接。

9.根据权利要求1所述的六足仿生机器人，其特征在于：所述仿股节为匚型的支架结构，仿股节的一端两侧与髋关节舵机连接，其另一端两侧与膝关节舵机连接。

10.根据权利要求1所述的六足仿生机器人，其特征在于：所述控制系统包括主控芯片及与该主控芯片连接的无线控制电路、触地检测电路和舵机驱动电路；所述无线控制电路用于接收来自外界设备的控制信，所述检测电路用于检测足端是否触地，并把触地信号传给主控芯片，所述舵机控制电路用于接收主控芯片的指令使主控芯片能够控制基节舵机、髋关节舵机和膝关节舵机的转动。