CN110015352B - 一种智能避障的四足爬行机器人结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能避障的四足爬行机器人结构，包括：上躯体、下躯体、超声波测距模块和控制器，所述上躯体包括左前腿组件、右后腿组件、滑套、第一限位槽和第二限位槽，所述下躯体包括右前腿组件、左后腿组件、前驱动模块、后驱动模块、转向驱动件和滑块；所述右后腿组件包括爬行驱动件、前轮和后轮，所述前轮和后轮的下部边缘处均设有定位孔，所述定位孔处均设有脚组件，所述脚组件包括螺柱和套筒，所述套筒与脚板固定连接，所述脚板上设有爪钉和拉伸弹簧；本发明机器人结构的结构简单，实现前进动作和转向动作，控制简单，简化操作流程，有效简化作为驱动件的舵机的数量，同时抓地力和稳定性得到很大程度的提高。

Description

一种智能避障的四足爬行机器人结构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，更具体地说涉及一种智能避障的四足爬行机器人结构。

背景技术

机器人是近年来最活跃的研究领域之一，按照运动方式不同，机器人可以分为轮式、履带式和足式机器人等。相对于轮式和履带式机器人，足式机器人具有很好的环境适应性，能在崎岖不平的复杂地面上运动。因此，足式机器人的设计与开发具有广阔的应用前景。但现有的机器人的机械腿结构较复杂，灵活程度往往不够，同时自主调节转向的能力较差，不具有避障能力。

发明内容

本发明提供一种结构简单，操控简单，爬行平稳的智能避障的四足爬行机器人结构。

本发明解决其技术问题的解决方案是：一种智能避障的四足爬行机器人结构，包括：上躯体、下躯体、超声波测距模块和控制器，所以超声波测距模块设在所述上躯体的前部，且所述超声波测距模块的感应面朝向机器人结构前进方向；

所述上躯体的前部左端固定连接有左前腿组件，所述上躯体的后部右端固定连接有右后腿组件，所述下躯体的前部右端固定连接有右前腿组件，所述下躯体的后部左端固定连接有左后腿组件；所述左前腿组件、右前腿组件、左后腿组件和右后腿组件结构相同；

所述右后腿组件包括爬行驱动件、前轮和后轮，所述爬行驱动件与所述上躯体固定连接，所述前轮和后轮前后并列且可转动地设置在所述右后腿组件的右端的外侧，所述爬行驱动件的转轴与所述前轮的圆心处固定连接；

所述前轮和后轮的下部边缘处均设有定位孔，所述定位孔处均设有脚组件，所述脚组件包括螺柱和套筒，所述螺柱的一端穿过所述定位孔，所述螺柱的另一端穿过所述套筒，所述套筒与脚板固定连接，所述脚板的下部侧臂上设有爪钉通孔，所述爪钉通孔处设有爪钉，爪钉的一端穿过所述爪钉通孔，另一端与拉伸弹簧的一端固定连接，所述拉伸弹簧的另一端与所述脚板的上部固定连接；

所述爬行驱动件驱动前轮和后轮转动，所述前轮和后轮的转动通过所述螺柱和套筒带动所述脚板向下运动；

所述上躯体的中部设有沿前后方向设置的滑套，所述滑套的上部与所述上躯体的下表面固定连接；所述下躯体的中部设有转向驱动件，所述转向驱动件的底部与所述下躯体的上表面固定连接，所述转向驱动件的转轴与滑块固定连接，所述滑块与所述滑套滑动连接；

所述下躯体的前部设有前驱动模块，所述下躯体的后部设有后驱动模块，所述前驱动模块和后驱动模块结构相同且均与所述下躯体固定连接，所述前驱动模块包括伸缩杆和垫圈，所述垫圈嵌套在所述伸缩杆的外侧壁上；

所述上躯体的前部设有第一限位槽，所述上躯体的后部设有第二限位槽，所述第一限位槽和第二限位槽均沿左右方向设置且开口向下；所述第一限位槽和第二限位槽的前后两侧侧壁均开设有限位通孔；

所述前驱动模块的伸缩杆通过所述限位通孔贯穿所述第一限位槽的前后两侧侧壁，所述前驱动模块的垫圈位于所述第一限位槽的前后两侧侧壁之间；

所述后驱动模块的伸缩杆通过所述限位通孔贯穿所述第二限位槽的前后两侧侧壁，所述后驱动模块的垫圈位于所述第二限位槽的前后两侧侧壁之间；

所述控制器均与超声波测距模块、爬行驱动件、转向驱动件、前驱动模块和后驱动模块电连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述前驱动模块和后驱动模块均为推拉式电磁铁，所述前驱动模块、后驱动模块与所述控制器之间均设有继电器。

作为上述技术方案的进一步改进，所述滑套的数量为两个，所述两个滑套同轴地间隔设置，所述滑块位于两个滑套之间，所述滑块的两端分别与所述两个滑套滑动连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述上躯体的前部设有向下延伸的侧板，所述侧板与超声波测距模块固定连接，所述侧板位于所述第一限位槽的前方。

作为上述技术方案的进一步改进，所述前轮和后轮为啮合传动。

作为上述技术方案的进一步改进，所述爬行驱动件和转向驱动件均为舵机。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一限位槽和第二限位槽均为弧形槽。

作为上述技术方案的进一步改进，所述控制器为单片机。

本发明的有益效果是：本发明机器人结构的结构简单，实现前进动作和转向动作，控制简单，简化操作流程，有效简化作为驱动件的舵机的数量，同时抓地力和稳定性得到很大程度的提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是本发明结构的整体结构示意图；

图2是本发明结构的俯视图结构示意图；

图3是本发明上躯体的结构示意图；

图4是本发明下躯体的结构示意图；

图5是本发明第一限位槽的结构示意图；

图6是本发明整体模块的连接示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

实施例1，参照图1至图4，一种智能避障的四足爬行机器人结构，包括：上躯体100、下躯体400、超声波测距模块800和控制器700，所以超声波测距模块800设在所述上躯体100的前部，且所述超声波测距模块800的感应面朝向机器人结构前进方向；

所述上躯体100的前部左端固定连接有左前腿组件200，所述上躯体100的后部右端固定连接有右后腿组件300，所述下躯体400的前部右端固定连接有右前腿组件500，所述下躯体400的后部左端固定连接有左后腿组件600；所述左前腿组件200、右前腿组件500、左后腿组件600和右后腿组件300结构相同；

所述右后腿组件300包括爬行驱动件310、前轮320和后轮330，所述爬行驱动件310与所述上躯体100固定连接，所述前轮320和后轮330前后并列且可转动地设置在所述右后腿组件300的右端的外侧，所述爬行驱动件310的转轴与所述前轮320的圆心处固定连接。

所述左前腿组件200、右前腿组件500、左后腿组件600和右后腿组件300均包括爬行驱动件310、前轮320和后轮330。所述左前腿组件200和右后腿组件300的爬行驱动件310均与所述上躯体100的下表面固定连接，所述右前腿组件500和左后腿组件600的爬行驱动件310均与所述下躯体400的上表面固定连接。

所述前轮320和后轮330的下部边缘处均设有定位孔，所述定位孔处均设有脚组件，所述脚组件包括螺柱和套筒341，所述螺柱的一端穿过所述定位孔，在前轮320处所述螺柱的一端穿过所述定位孔并通过螺母与前轮320固定连接，在后轮330处所述螺柱的一端穿过所述定位孔并通过螺母与后轮330固定连接，防止在工作的过程中螺柱从前轮320或后轮330脱离。所述螺柱的另一端穿过所述套筒341，所述螺柱的另一端与所述套筒341通过螺母固定连接，所述套筒341与脚板342固定连接，所述脚板342的下部侧臂上设有若干个爪钉通孔343，所述每个爪钉通孔343处均设有爪钉344，爪钉344的一端穿过所述爪钉通孔343，另一端与拉伸弹簧345的一端固定连接，所述拉伸弹簧345的另一端与所述脚板342的上部固定连接。

由于在竖直网状的工作平面上行走时，各网格不一定在同一水平面上，爪钉344不能做到全部都抓紧网格，易导致机器人坠落损坏。同时在凹凸不平的水平工作平面行走时，所述脚板342被压向工作平面时，不能所有的爪钉344都很好地抓地。所以每根爪钉344上装有弹簧，保证抓紧网状结构的可行性，使此四足爬行机器人可以竖直攀爬在建筑工地防护网。

所述爬行驱动件310驱动前轮320和后轮330转动，所述前轮320和后轮330的转动通过所述套筒341带动所述脚板342向下运动；

所述前轮320和后轮330可以通过同步带传动、传动链传动和啮合传动实现同步转动。

本实施例中所述前轮320和后轮330为啮合传动。

本发明实施例中采用前轮320和后轮330啮合传动的形式，可以控制两个脚板342同时抓紧工作表面，大大提高了机器人结构抓地的稳定性。

所述上躯体100的中部设有沿前后方向设置的滑套346，所述滑套346的上部与所述上躯体100的下表面固定连接；所述下躯体400的中部设有转向驱动件410，所述转向驱动件410的底部与所述下躯体400的上表面固定连接，所述转向驱动件410的转轴与滑块411固定连接，所述滑块411与所述滑套346滑动连接；

所述爬行驱动件310和转向驱动件410均为舵机，所述舵机的型号为MG90S。所述舵机两翼设有螺纹孔，所述舵机通过所述螺纹孔和螺钉、螺母与本机器人结构的其他部件固定连接。

所述MG90S舵机有三条线，分别为电源线、信号线和地线，所述电源线接5V电源，地线接地，信号线接控制器700的输出端来接收指令。

所述滑套346的数量为两个，所述两个滑套346同轴地间隔设置，所述滑块411位于两个滑套346之间，所述滑块411的两端分别与所述两个滑套346滑动连接。

所述滑套346与所述滑块411滑动连接，用于连接上躯体100和下躯体400，在机器人结构爬行的时候滑动连接，实现上躯体100和下躯体400的相对运动，在机器人结构转向时，滑块411和滑套346的侧壁相抵，可以带动滑套346运动，实现下驱体带动上躯体100偏转的效果。

所述下躯体400的前部设有前驱动模块412，所述下躯体400的后部设有后驱动模块413，所述前驱动模块412和后驱动模块413结构相同，且均通过螺钉和螺母与所述下躯体400固定连接，所述前驱动模块412包括伸缩杆414和垫圈415，所述垫圈415嵌套在所述伸缩杆414的外侧壁上；

所述上躯体100的前部设有第一限位槽110，所述上躯体100的后部设有第二限位槽120，所述第一限位槽110和第二限位槽120均沿左右方向设置且开口向下；所述第一限位槽110和第二限位槽120的前后两侧侧壁均开设有限位通孔111；

参考图5，所述前驱动模块412的伸缩杆414通过所述限位通孔111贯穿所述第一限位槽110的前后两侧侧壁，所述前驱动模块412的垫圈415位于所述第一限位槽110的前后两侧侧壁之间；

所述后驱动模块413的伸缩杆414通过所述限位通孔111贯穿所述第二限位槽120的前后两侧侧壁，所述后驱动模块413的垫圈415位于所述第二限位槽120的前后两侧侧壁之间；

所述上躯体100和下躯体400沿上下方向平行设置，所述上躯体100和下躯体400沿前后方向的中轴线相互平行。

所述上躯体100的前部设有向下延伸的侧板，所述侧板与超声波测距模块800固定连接，所述侧板位于所述第一限位槽110的前方。

作为优化，所述第一限位槽110和第二限位槽120均为弧形槽。

参考图6，所述控制器700均与超声波测距模块800、爬行驱动件310、转向驱动件410、前驱动模块412和后驱动模块413电连接。

所述控制器700为单片机，所述单片机为stm32单片机。

作为优化，所述前驱动模块412和后驱动模块413均为推拉式电磁铁，所述前驱动模块412、后驱动模块413与所述控制器700之间均设有继电器。

所述控制器700通过向所述继电器发送高低电平信号来分别控制所述前驱动模块412和后驱动模块413的电能的通断。

本机器人结构还包括电源模块(图中未示)，所述电源模块分别与所述控制器700、超声波测距模块800、爬行驱动件310、转向驱动件410、前驱动模块412和后驱动模块413电连接，为所述控制器700、超声波测距模块800、爬行驱动件310、转向驱动件410、前驱动模块412和后驱动模块413提供电能。

本机器人结构通过所述爬行驱动件310和推拉式电磁铁作为动力源来驱动其行走，所述推拉式电磁铁连接继电器，通过单片机发出高低电平信号给继电器，通过控制继电器是否触发进而控制推拉式电磁铁是否通电，最终能实现推拉式电磁铁的伸缩杆414的伸缩来控制躯体前进。

通过控制所述前驱动模块412和后驱动模块413导电和断电，实现所述伸缩杆414的收缩和伸长，所述前驱动模块412和后驱动模块413的垫圈415分别位于所述第一限位槽110和第二限位槽120的前后两侧侧壁之间，因此所述伸缩杆414的伸长或收缩会对于所述第一限位槽110和第二限位槽120固定连接的上躯体100有作用力。

本发明通过使用MG90S舵机来驱动机器人结构的脚板342运动以及本机器人结构的转向，使用stm32单片机来发出脉宽调制信号(PWM信号)驱动MG90S舵机偏转不同的角度，来实现本发明仿壁虎爬行机器人结构的运行步骤。本发明通过单片机来驱动舵机转动角度来带动相应零部件的运动。

所述stm32单片机向爬行驱动件310传输脉宽调制信号，驱动爬行驱动件310的转轴进行偏转，同时带动前轮320转动，前轮320和后轮330啮合传动则后轮330同步转动，所述前轮320和后轮330转动的过程中通过螺柱和套筒341带动脚板342向下或向上运动，从而实现脚板342的爪钉344抓紧工作表面或脚板342的爪钉344离开工作表面的效果。

本发明的工作过程：

动作一，所述控制器700控制后驱动模块413导电，所述后驱动模块413的伸缩杆414伸长。

动作二，上躯体100的左前腿组件200和右后腿组件300上的爬行驱动件310的转轴顺时针偏转，驱动相应的脚板342向下运动，使得上躯体100的脚板342处于抓紧地面的状态，下躯体400的右前腿组件500和左后腿组件600上的爬行驱动件310的转轴逆时针偏转，驱动相应的脚板342向上运动，使得下躯体400的脚板342处于悬空状态，此时控制器700控制前驱动模块412通电，所述前驱动模块412的伸缩杆414收缩，控制器700控制后驱动模块413断电，所述后驱动模块413的伸缩杆414伸长，使得下躯体400相对上躯体100前进。

动作三：所述下躯体400的右前腿组件500和左后腿组件600上的爬行驱动件310的转轴顺时针偏转，驱动相应的脚板342向下运动，使得下躯体400的脚板342处于抓紧地面的状态，所述上躯体100的左前腿组件200和右后腿组件300上的爬行驱动件310的转轴逆时针偏转，驱动相应的脚板342向上运动，使得上躯体100的脚板342处于悬空状态，此时控制器700控制前驱动模块412断电，所述前驱动模块412的伸缩杆414伸长，控制器700控制后驱动模块413通电，所述后驱动模块413的伸缩杆414收缩，使得上躯体100相对下躯体400前进，返回动作二。

所述动作一至动作三为本发明机器人结构爬行步骤的周期动作，循环所述周期动作即可实现本发明机器人结构的爬行。

本机器人结构是使用超声波测距模块800检测前方障碍，达到机器人躲避障碍的目的。

超声波测距模块800通过发出超声波，超声波传播过程中碰到障碍物返回，超声波测距模块800接收返回的超声波来测定机器人结构与障碍物之间的距离。

当机器人结构与障碍物之间的距离超过超声波测距模块800的报警阈值时，超声波测距模块800向控制器700发送高电平信号，所述控制器700接收到所述高电平信号后，所述控制器700控制所述爬行驱动件310停止所述爬行步骤的周期性动作，开始进行转向动作。

所述转向动作包括：

动作四：所述下躯体400的右前腿组件500和左后腿组件600上的爬行驱动件310的转轴顺时针偏转，驱动相应的脚板342向下运动，使得下躯体400的脚板342处于抓紧地面的状态，所述上躯体100的左前腿组件200和右后腿组件300上的爬行驱动件310的转轴逆时针偏转，驱动相应的脚板342向上运动，使得上躯体100的脚板342处于悬空状态，驱动安装在所述下躯体400的转向驱动件410的转轴顺时针旋转25°，所述滑块411和滑套346带动上躯体100转向，使得上躯体100相对下躯体400顺时针偏转25°。

动作五：上躯体100的左前腿组件200和右后腿组件300上的爬行驱动件310的转轴顺时针偏转，驱动相应的脚板342向下运动，使得上躯体100的脚板342处于抓紧地面的状态，下躯体400的右前腿组件500和左后腿组件600上的爬行驱动件310的转轴逆时针偏转，驱动相应的脚板342向上运动，使得下躯体400的脚板342处于悬空状态，所述转向驱动件410的转轴逆时针旋转25°，使得上躯体100和下躯体400重新恢复平行。

动作六：所述下躯体400的右前腿组件500和左后腿组件600上的爬行驱动件310的转轴顺时针偏转，驱动相应的脚板342向下运动，使得下躯体400的脚板342重新处于抓紧地面的状态。

所述动作四至动作六为本发明机器人结构完整的转向步骤动作。机器人躯体结束了一次转向步骤动作后，继续执行爬行步骤的周期动作，使机器人结构继续爬行。

本发明机器人结构的通过一个爬行驱动件310驱动前轮320和后轮330转动，继而控制两个脚板342同步运动，能够有效简化舵机的数量，控制简单方便。

本发明机器人结构的结构简单，有效简化舵机数量，通过使用推拉式电磁铁辅助前进动作，以及使用舵机完成转向动作，控制简单，简化操作流程，抓地力和稳定性得到很大程度的提高。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种智能避障的四足爬行机器人结构，其特征在于，包括：上躯体、下躯体、超声波测距模块和控制器，所以超声波测距模块设在所述上躯体的前部，且所述超声波测距模块的感应面朝向机器人结构前进方向；

所述上躯体的前部左端固定连接有左前腿组件，所述上躯体的后部右端固定连接有右后腿组件，所述下躯体的前部右端固定连接有右前腿组件，所述下躯体的后部左端固定连接有左后腿组件；所述左前腿组件、右前腿组件、左后腿组件和右后腿组件结构相同；

所述右后腿组件包括爬行驱动件、前轮和后轮，所述爬行驱动件与所述上躯体固定连接，所述前轮和后轮前后并列且可转动地设置在所述右后腿组件的右端的外侧，所述爬行驱动件的转轴与所述前轮的圆心处固定连接；

所述前轮和后轮的下部边缘处均设有定位孔，所述定位孔处均设有脚组件，所述脚组件包括螺柱和套筒，所述螺柱的一端穿过所述定位孔，所述螺柱的另一端穿过所述套筒，所述套筒与脚板固定连接，所述脚板的下部侧臂上设有爪钉通孔，所述爪钉通孔处设有爪钉，爪钉的一端穿过所述爪钉通孔，另一端与拉伸弹簧的一端固定连接，所述拉伸弹簧的另一端与所述脚板的上部固定连接；

所述爬行驱动件驱动前轮和后轮转动，所述前轮和后轮的转动通过所述螺柱和套筒带动所述脚板向下运动；

所述上躯体的中部设有沿前后方向设置的滑套，所述滑套的上部与所述上躯体的下表面固定连接；所述下躯体的中部设有转向驱动件，所述转向驱动件的底部与所述下躯体的上表面固定连接，所述转向驱动件的转轴与滑块固定连接，所述滑块与所述滑套滑动连接；

所述下躯体的前部设有前驱动模块，所述下躯体的后部设有后驱动模块，所述前驱动模块和后驱动模块结构相同且均与所述下躯体固定连接，所述前驱动模块包括伸缩杆和垫圈，所述垫圈嵌套在所述伸缩杆的外侧壁上；

所述上躯体的前部设有第一限位槽，所述上躯体的后部设有第二限位槽，所述第一限位槽和第二限位槽均沿左右方向设置且开口向下；所述第一限位槽和第二限位槽的前后两侧侧壁均开设有限位通孔；

所述前驱动模块的伸缩杆通过所述限位通孔贯穿所述第一限位槽的前后两侧侧壁，所述前驱动模块的垫圈位于所述第一限位槽的前后两侧侧壁之间；

所述后驱动模块的伸缩杆通过所述限位通孔贯穿所述第二限位槽的前后两侧侧壁，所述后驱动模块的垫圈位于所述第二限位槽的前后两侧侧壁之间；

所述控制器均与超声波测距模块、爬行驱动件、转向驱动件、前驱动模块和后驱动模块电连接；

所述前驱动模块和后驱动模块均为推拉式电磁铁，所述前驱动模块、后驱动模块与所述控制器之间均设有继电器；

所述滑套的数量为两个，所述两个滑套同轴地间隔设置，所述滑块位于两个滑套之间，所述滑块的两端分别与所述两个滑套滑动连接。

2.根据权利要求1所述的一种智能避障的四足爬行机器人结构，其特征在于：所述上躯体的前部设有向下延伸的侧板，所述侧板与超声波测距模块固定连接，所述侧板位于所述第一限位槽的前方。

3.根据权利要求1所述的一种智能避障的四足爬行机器人结构，其特征在于：所述前轮和后轮为啮合传动。

4.根据权利要求1所述的一种智能避障的四足爬行机器人结构，其特征在于：所述爬行驱动件和转向驱动件均为舵机。

5.根据权利要求1所述的一种智能避障的四足爬行机器人结构，其特征在于：所述第一限位槽和第二限位槽均为弧形槽。

6.根据权利要求1所述的一种智能避障的四足爬行机器人结构，其特征在于：所述控制器为单片机。