CN110015353B - 一种四足柔性的仿壁虎爬行机器人结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四足柔性的仿壁虎爬行机器人结构，包括躯体和控制器，所述躯体的前部的左右两端分别设有左前腿组件和右前腿组件，所述躯体的后部的左右两端分别设有左后腿组件和右后腿组件；所述右前腿组件包括大腿驱动件、第一大腿件、第二大腿件、小腿板、前轮和后轮，所述小腿板上设有脚掌驱动件，所述前轮的下部边缘处和后轮的下部边缘处均设有通孔，所述通孔处设有小腿部件，所述小腿部件包括螺柱、脚掌和拉伸弹簧；所述脚掌上设有爪钉和缓冲弹簧；本发明的结构简单，操作简便，抓地力和稳定性得到很大程度的提高，可以应对凹凸不平的工作表面，同时有效减少舵机的数量，简化操作流程。
Description
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四足柔性的仿壁虎爬行机器人结构。
背景技术
壁虎是一种能够在竖直壁面和天花板上爬行的生物，因壁虎优越的爬墙能力，仿壁虎爬行机器人是目前世界上仿生机器人界比较前沿的热点问题之一。众所周知，垂直爬升机器人种类繁多，按照机器人的行走方式，可将机器人分为轮式机器人、履带式机器人和足式机器人，它们各有优缺点。
本发明主要的研究方向是足式仿壁虎爬行机器人，足式的仿壁虎爬行机器人有很多，有两足，四足，六足，八足等结构设计，通过控制器驱动足运动，足越少的机器人结构越简单，控制爬行方式越简单，但稳定性相对多足的机器人稳定性差。现有的足式仿壁虎爬行机器人大部分都是通过单片机驱动电机来实现爬行。
由于仿壁虎爬行机器人在实际工作中，遇到的垂直壁面一般不是平面，大多数是凹凸不平的表面。然而在现有的文献资料中，这个问题并没有得到很好的解决，所以为了设计出一款仿壁虎爬行机器人的结构能更好的应用于实际生活中，这个问题急需解决。
发明内容
本发明提供一种结构简单，操控简单，爬行平稳，适应爬行于凹凸不平的粗糙工作表面的四足柔性的仿壁虎爬行机器人结构。
本发明解决其技术问题的解决方案是：一种四足柔性的仿壁虎爬行机器人结构，包括躯体和控制器，所述躯体的前部的左右两端分别设有左前腿组件和右前腿组件，所述躯体的后部的左右两端分别设有左后腿组件和右后腿组件；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；
所述右前腿组件包括大腿驱动件、第一大腿件、第二大腿件、小腿板、前轮和后轮，所述大腿驱动件与所述躯体的下表面固定连接，所述第一大腿件的一端与大腿驱动件的转轴固定连接，所述第一大腿件的另一端与所述小腿板固定连接，所述第二大腿件的一端与所述小腿板固定连接，所述第二大腿件的另一端与所述躯体通过转轴转动连接；
所述前轮和后轮前后并列且可转动地设置在所述小腿板的外侧，所述小腿板下端设有脚掌驱动件，所述脚掌驱动件与所述小腿板固定连接，所述脚掌驱动件的转轴与所述后轮的圆心处固定连接；
所述前轮的下部边缘处和后轮的下部边缘处均设有通孔，所述通孔处设有小腿部件，所述小腿部件包括螺柱、脚掌和拉伸弹簧；
所述螺柱的一端穿过所述通孔且与所述通孔间隙配合，所述螺柱的另一端与脚掌的上部固定连接；所述螺柱的外侧壁嵌套有拉伸弹簧；
位于前轮的通孔处的拉伸弹簧为第一拉伸弹簧，位于后轮的通孔处的拉伸弹簧为第二拉伸弹簧；
所述第一拉伸弹簧的一端与前轮固定连接，所述第一拉伸弹簧的另一端与所述脚掌固定连接；所述第二拉伸弹簧的一端与后轮固定连接，所述第二拉伸弹簧的另一端与所述脚掌固定连接；
所述脚掌的下部末端设有爪钉，所述脚掌内部设有缓冲弹簧，所述缓冲弹簧的一端与所述爪钉的上部固定连接，所述缓冲弹簧的另一端与所述脚掌的上部固定连接；
所述控制器分别与所述大腿驱动件和脚掌驱动件电连接；
所述脚掌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带动所述脚掌向下运动。
进一步，所述前轮和后轮为啮合传动。
进一步，所述大腿驱动件和脚掌驱动件均为舵机。
进一步，所述第一大腿件和第二大腿件平行设置。
进一步，位于前轮的通孔处的小腿部件中的螺柱为第一螺柱，位于后轮的通孔处的小腿部件中的螺柱为第二螺柱，所述第一螺柱和第二螺柱平行设置。
进一步，以躯体的纵向中心线为对称轴，所述左前腿组件和右前腿组件为左右对称，所述左后腿组件和右后腿组件为左右对称。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种四足柔性的仿壁虎爬行机器人结构结构简单，操作简便，抓地力和稳定性得到很大程度的提高，可以应对凹凸不平的工作表面。有效减少舵机的数量，简化操作流程。
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是本发明结构的整体结构仰视示意图；
图3是本发明右前腿组件的结构示意图。
附图中：100-躯体、301-左前腿组件、302-右前腿组件、303-左后腿组件、304-右后腿组件、310-大腿驱动件、320-第一大腿件、330-第二大腿件、340-小腿板、341-脚掌驱动件、350-前轮、360-后轮、370-通孔、381-第一螺柱、382-第二螺柱、383-第一拉伸弹簧、384-第二拉伸弹簧、390-脚掌、391-爪钉、392-缓冲弹簧。
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和图2，一种四足柔性的仿壁虎爬行机器人结构，包括躯体100和控制器，所述躯体100的前部的左右两端分别设有左前腿组件301和右前腿组件302，所述躯体100的后部的左右两端分别设有左后腿组件303和右后腿组件304；所述左前腿组件301、右前腿组件302、左后腿组件303和右后腿组件304结构相同；
以躯体100的纵向中心线为对称轴，所述左前腿组件301和右前腿组件302为左右对称，所述左后腿组件303和右后腿组件304为左右对称。
参考图3，所述右前腿组件302包括大腿驱动件310、第一大腿件320、第二大腿件330、小腿板340、前轮350和后轮360。
所述大腿驱动件310为舵机，所述躯体100设有四个大腿驱动件310，所述四个大腿驱动件310分别与所述躯体100的前部的左右两端的下表面和所述躯体100的后部的左右两端的下表面固定连接。
所述第一大腿件320的一端与大腿驱动件310的转轴采用螺钉紧固连接在一起，所述第一大腿件320的另一端与所述小腿板340通过螺栓固定连接，所述第二大腿件330的一端与所述小腿板340通过螺栓固定连接，所述第二大腿件330的另一端与所述躯体100通过螺栓和螺母转动连接。
所述第一大腿件320和第二大腿件330平行设置，所述大腿驱动件310的转轴转动，驱动第一大腿件320摆动，所述第一大腿件320和第二大腿件330均与所述小腿板340固定连接，所述第二大腿件330在第一大腿件320的带动下行动，所述第一大腿件320和第二大腿件330和小腿板340共同形成一种平行四边形的运动方式。
所述小腿板340外侧设有一对等大小的齿轮，分别为前轮350和后轮360，所述前轮350和后轮360前后并列且可转动地设置在所述小腿板340的外侧，所述小腿板340的下端设有脚掌驱动件341，所述脚掌驱动件341与所述小腿板340固定连接。
所述脚掌驱动件341为舵机。
所述后轮360的圆心处与所述脚掌驱动件341的转轴通过螺钉固定连接在一起，所述前轮350的圆心处通过螺栓和螺母与所述小腿板340连接。
所述前轮350的下部边缘处和后轮360的下部边缘处均设有通孔370，所述通孔370处设有小腿部件，所述小腿部件包括螺柱、脚掌390和拉伸弹簧；
所述螺柱的一端穿过所述通孔370且与所述通孔370间隙配合，且所述螺柱的一端装有螺母，防止工作时螺柱的脱离。
所述螺柱的另一端与脚掌390的上部固定连接，所述螺柱的另一端通过两颗螺母将所述脚掌390的上部固定在螺柱上，所述脚掌390的上部设有贯穿所述螺柱且位于所述两颗螺母之间。
所述螺柱的外侧壁嵌套有拉伸弹簧，所述拉伸弹簧具有扭转和拉伸功能。
位于前轮350通孔370处的脚组件中的螺柱为第一螺柱381，位于后轮360通孔370处的脚组件中的螺柱为第二螺柱382，所述第一螺柱381和第二螺柱382平行设置。
位于前轮350通孔370处的脚组件中的拉伸弹簧为第一拉伸弹簧383，位于后轮360通孔370处的脚组件中的拉伸弹簧为第二拉伸弹簧384。所述第一拉伸弹簧383的一端与前轮350固定连接，所述第一拉伸弹簧383的另一端与所述脚掌390固定连接；所述第二拉伸弹簧384的一端与后轮360固定连接，所述第二拉伸弹簧384的另一端与所述脚掌390固定连接。
因为螺柱和所述通孔370为间隙配合，所以所述螺柱可以沿通孔370轴向移动，移动的同时带动脚掌390横向移动。
综上所述，右前腿组件302设有两个脚掌390，则整个仿壁虎爬行机器人结构设有八个脚掌390。
所述脚掌390的下部末端设有若干个爪钉391，所述脚掌390内部设有缓冲弹簧392，所述缓冲弹簧392的一端与所述爪钉391的上部固定连接，所述缓冲弹簧392的另一端与所述脚掌390的上部固定连接。
所述爪钉391可相对脚掌390上下运动。
由于在粗糙的工作表面上行走时，表面的凹凸情况是不一致的，爪钉391无法抓紧表面，在爪钉391上装有缓冲弹簧392，有利于爪钉391更好地抓住凹凸不平的表面，使得仿壁虎爬行机器人结构可以攀爬凹凸不平粗糙的工作表面。
本发明在脚掌390的连接上，采用的螺柱和缓冲弹簧392材料来源容易，同时掌的设计上采用的是缓冲弹簧392的抓紧方式，缓冲弹簧392本身具有扭转和拉伸功能从而可以应对凹凸不平的工作表面。
所述控制器分别与所述大腿驱动件310和脚掌驱动件341电连接。
本实施例的机器人结构还包括电源模块，所述控制器、大腿驱动件310、脚掌驱动件341均与电源模块电连接，所述电源模块为所述控制器和所述大腿驱动件310和脚掌驱动件341提供电能。
所述控制器为stm32单片机，所述大腿驱动件310和脚掌驱动件341均为MG90S舵机。
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，信号线接控制器的输出端来接收指令。
所述脚掌驱动件341通过转轴转动驱动前轮350和后轮360转动，所述前轮350和后轮360的转动通过所述螺柱带动所述脚掌390向下运动压紧工作表面，当脚掌390接触到工作表面后拉伸弹簧开始发生扭转变形，从而可以适应凹凸不平的工作表面。
所述前轮350和后轮360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350和后轮360为啮合传动。
同时本发明采用的齿轮啮合传动实现两个脚掌390同时抓紧工作表面，大大提高了机器人结构抓紧工作表面的稳定性。
当脚掌390向下运动，抓紧工作表面时，躯体100前进会对脚掌390有沿螺柱的方向拉力，所述拉伸弹簧发生扭转变形，可以调整脚掌390的横向位置，为躯体100前进提供了自由度，保证了躯体100前进的可行性。
如果没有拉伸弹簧，在脚掌390抓紧工作表面的时候，躯体100会卡住无法前进。
本发明通过使用MG90S舵机作为动力源来驱动机器人结构行走，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。
本发明通过一个舵机同步驱动第一大腿件320和第二大腿件330同步运动，同时通过一个舵机同步带动前轮350和后轮360转动，继而控制两个脚掌390运动，能够有效简化舵机的数量，控制简单方便。
本发明的工作过程：
第一动作：安装在躯体100的左侧的两个大腿驱动件310的转轴逆时针旋转60°，所述躯体100的右侧的两个大腿驱动件310的转轴顺时针旋转60°，所述爬行机器人结构的所有脚掌驱动件341驱动所有的脚掌390向下运动压紧工作表面，使得所有脚掌390处于抓紧地面的状态，此时位于螺柱上的拉伸弹簧和位于脚掌390上的缓冲弹簧392均处于拉伸状态，所述躯体100相对脚掌390处于前进状态。
第二动作：安装所述右前腿组件302的脚掌驱动件341和安装所述左后腿组件303的脚掌驱动件341驱动右前腿组件302和左后腿组件303上的脚掌390向上运动，使得它们悬空；所述躯体100前部右端的大腿驱动件310逆时针旋转120°，所述躯体100后部左端的大腿驱动件310顺时针旋转120°。
第三动作：所述右前腿组件302和左后腿组件303的脚掌驱动件341控制脚掌390向下运动压向工作表面并重新抓紧地面，所述右前腿组件302和左后腿组件303上的拉伸弹簧和缓冲弹簧392处于松弛状态。
第四动作：所述躯体100左侧的两个大腿驱动件310逆时针旋转60°，所述躯体100右侧的两个大腿驱动件310顺时针旋转60°，此时所述右前腿组件302和左后腿组件303上的拉伸弹簧和缓冲弹簧392处于拉伸状态，所述右前腿组件302和左后腿组件303上的脚掌390抓紧工作表面，躯体100处于前进状态。
第五动作：所述右后腿组件304和左前腿组件301的脚掌驱动件341控制脚掌390向上运动，脚掌390悬空，不抓紧工作表面。躯体100的后部右侧的大腿驱动件310逆时针旋转120°，所述躯体100的前部左侧的大腿驱动件310顺时针旋转120°。
第六动作：所述右后腿组件304和左前腿组件301的脚掌驱动件341控制脚掌390向下运动压紧工作表面，使得脚掌390处于抓紧地面的状态，此时位于螺柱上的拉伸弹簧和位于脚掌390上的缓冲弹簧392均处于拉伸状态。
完成第六动作后，所有的脚掌390相对躯体100回到了初始状态，躯体100相对工作表面前进两段距离。
所述第一动作到第六动作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。
本发明公开的一种四足柔性的仿壁虎爬行机器人结构结构简单，操作简便，抓地力和稳定性得到很大程度的提高，可以应对凹凸不平的工作表面，同时有效减少舵机的数量，简化操作流程。
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 (4)
1.一种四足柔性的仿壁虎爬行机器人结构，其特征在于：包括躯体和控制器，所述躯体的前部的左右两端分别设有左前腿组件和右前腿组件，所述躯体的后部的左右两端分别设有左后腿组件和右后腿组件；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；
所述右前腿组件包括大腿驱动件、第一大腿件、第二大腿件、小腿板、前轮和后轮，所述大腿驱动件与所述躯体的下表面固定连接，所述第一大腿件的一端与大腿驱动件的转轴固定连接，所述第一大腿件的另一端与所述小腿板固定连接，所述第二大腿件的一端与所述小腿板固定连接，所述第二大腿件的另一端与所述躯体通过转轴转动连接；
所述前轮和后轮前后并列且可转动地设置在所述小腿板的外侧，所述小腿板下端设有脚掌驱动件，所述脚掌驱动件与所述小腿板固定连接，所述脚掌驱动件的转轴与所述后轮的圆心处固定连接；
所述前轮的下部边缘处和后轮的下部边缘处均设有通孔，所述通孔处均设有小腿部件，所述小腿部件包括螺柱、脚掌和拉伸弹簧；
所述螺柱的一端穿过所述通孔且与所述通孔间隙配合，所述螺柱的另一端与脚掌的上部固定连接；所述螺柱的外侧壁嵌套有拉伸弹簧；
位于前轮的通孔处的拉伸弹簧为第一拉伸弹簧，位于后轮的通孔处的拉伸弹簧为第二拉伸弹簧；
所述第一拉伸弹簧的一端与前轮固定连接，所述第一拉伸弹簧的另一端与所述脚掌固定连接；所述第二拉伸弹簧的一端与后轮固定连接，所述第二拉伸弹簧的另一端与所述脚掌固定连接；
所述脚掌的下部末端设有爪钉，所述脚掌内部设有缓冲弹簧，所述缓冲弹簧的一端与所述爪钉的上部固定连接，所述缓冲弹簧的另一端与所述脚掌的上部固定连接；
所述控制器分别与所述大腿驱动件和脚掌驱动件电连接；
所述脚掌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带动所述脚掌向下运动；
所述前轮和后轮为啮合传动；
所述大腿驱动件和脚掌驱动件均为舵机。
2.根据权利要求1所述的一种四足柔性的仿壁虎爬行机器人结构，其特征在于：所述第一大腿件和第二大腿件平行设置。
3.根据权利要求1所述的一种四足柔性的仿壁虎爬行机器人结构，其特征在于：位于前轮的通孔处的小腿部件中的螺柱为第一螺柱，位于后轮的通孔处的小腿部件中的螺柱为第二螺柱，所述第一螺柱和第二螺柱平行设置。
4.根据权利要求1所述的一种四足柔性的仿壁虎爬行机器人结构，其特征在于：以躯体的纵向中心线为对称轴，所述左前腿组件和右前腿组件为左右对称，所述左后腿组件和右后腿组件为左右对称。
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