CN110104088A - 基于微舵机的机器鼠腿足结构 - Google Patents
基于微舵机的机器鼠腿足结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于微舵机的机器鼠腿足结构及具有该腿足结构的一种腿足型仿生机器鼠，该腿足结构采用平行四杆机构传动，使运动学以及动力学运算更加简便，并且每个腿部都有两个自由度以及脚部的一个冗余自由度，运动传递更为精准且效率高，可以实现多种步态，环境适应能力强。
Description
技术领域
本发明属于仿生机器人技术领域，具体涉及一种腿足型仿生机器鼠的腿足结构，以及具有该腿足结构的仿生机器鼠。
背景技术
仿生机器人是指模仿自然界中生物的外部形状、运动原理和行为方式的系统,能从事生物特点工作的机器人。
当代机器人需要在非结构环境下完成各种任务：管道探测、森林救火、搜救探索、军事侦察、航空航天等；而足式机器人更是要求比轮式，履带式机器人更高的对复杂地形的适应能力和越障能力。仿生机器鼠指从外形上、运动机理上、行为方式上模仿鼠的四足平台系统。
目前，仿生机器人主要存在环境适应能力低、仿生程度偏低、小型化轻量化程度不高、运动效率低，运动灵活性差等问题。针对以上问题，需要提出一种新型仿生机器鼠的结构。
发明内容
本发明的目的在于解决现有仿生机器鼠仿生程度低，运动效率低，灵活性不高等问题；提出一种灵活高效的仿生机器鼠装置。
本发明的技术方案是如下。
本发明提供了一种腿足型仿生机器鼠的腿足结构，包括小臂摆动臂、小臂主动臂、大臂、大臂传动杆、大臂摆臂、驱动装置、小臂、足；
所述驱动装置包括：小臂舵机、大臂舵机、舵机支架；所述小臂舵机、大臂舵机固定在所述舵机支架中；
所述小臂摆动臂、小臂主动臂、大臂、小臂组成一平行四杆机构，并且能够在所述小臂舵机的驱动下转动；
所述大臂摆臂、大臂传动杆、大臂组成另一平行四杆机构，并且能够在所述大臂舵机的驱动下转动；
所述足与所述小臂的第一连接点可枢转地连接；所述一平行四杆机构和所述另一平行四杆机构共同驱动所述小臂运动，从而驱动所述足运动。
优选地，所述小臂主动臂的一端与所述小臂舵机固定连接，另一端与所述小臂摆动臂的一端可枢转地连接；所述小臂摆动臂的另一端与所述小臂的第二连接点可枢转地连接，所述小臂的第三连接点与所述大臂的一端可枢转地连接，所述大臂的另一端与所述小臂主动臂的一端可枢转地连接。
优选地，所述大臂摆臂的一端与所述大臂舵机固定连接，另一端与所述大臂传动杆的一端可枢转地连接，所述大臂传动杆的另一端与所述大臂的两端之间的一点可枢转地连接。
优选地，所述固定连接包括螺纹连接。
优选地，所述可枢转地连接包括轴孔配合连接。
本发明还提供了一种腿足型仿生机器鼠，包括：鼠头组件、头部-前肢连接组件、前肢组件、腰部组件、后肢组件，以及尾部；
所述前肢组件包括：前肢小臂摆动臂、前肢小臂主动臂、前肢大臂、前肢大臂传动杆、前肢—腰部连接架、前肢大臂摆臂、前肢驱动装置、前肢小臂、前肢足；所述前肢驱动装置用于驱动仿生机器鼠前肢运动；
所述前肢驱动装置包括：前肢小臂舵机、前肢大臂舵机、前肢舵机支架；所述前肢小臂舵机、前肢大臂舵机固定在所述前肢舵机支架中；
所述前肢小臂摆动臂、前肢小臂主动臂、前肢大臂、前肢小臂组成第一平行四杆机构，并且能够在所述前肢小臂舵机的驱动下转动；所述前肢大臂摆臂、前肢大臂传动杆、前肢大臂组成第二平行四杆机构传动，并且能够在所述前肢大臂舵机的驱动下转动；
所述前肢足与所述前肢小臂的一端与可枢转地连接；所述第一平行四杆机构和所述第二平行四杆机构共同驱动所述前肢小臂运动，从而驱动所述前肢足运动。
优选地，所述前肢小臂主动臂的一端与所述前肢小臂舵机固定连接，另一端与所述前肢小臂摆动臂的一端可枢转地连接；所述前肢小臂摆动臂的另一端与所述前肢小臂的两端之间的一点可枢转地连接，所述前肢小臂的另一端与所述前肢大臂的一端可枢转地连接，所述前肢大臂的另一端与所述前肢小臂主动臂的一端可枢转地连接；
所述前肢大臂摆臂的一端与所述前肢大臂舵机固定连接，另一端与所述前肢大臂传动杆的一端可枢转地连接，所述前肢大臂传动杆的另一端与所述前肢大臂的两端之间的一点可枢转地连接。
优选地，所述头部-前肢连接组件与所述鼠头组件和所述前肢组件相连，所述腰部组件与所述前肢组件、所述后肢组件相连，所述后肢组件与尾部可枢转地连接；
所述鼠头组件包括鼠头、偏航舵机、俯仰舵机，所述偏航舵机和所述俯仰舵机分别用于驱动所述鼠头偏航、俯仰运动。
优选地，所述后肢组件包括：后肢小臂摆动臂、后肢大臂、后肢小臂主动臂、后肢大臂传动杆、后肢大臂摆臂、后肢—尾部连接架、后肢驱动装置、后肢足、后肢小臂；所述后肢驱动装置用于驱动仿生机器鼠后肢运动；
所述后肢驱动装置包括：后肢小臂舵机、后肢大臂舵机、后肢舵机支架；所述后肢小臂舵机、后肢大臂舵机固定在所述后肢舵机支架中；
所述后肢小臂摆动臂、后肢小臂主动臂、后肢大臂、后肢小臂组成第三平行四杆机构，并且能够在所述后肢小臂舵机的驱动下转动；所述后肢大臂摆臂、后肢大臂传动杆、后肢大臂组成第四平行四杆机构传动，并且能够在所述后肢大臂舵机的驱动下转动；
所述后肢足与所述后肢小臂的一端与可枢转地连接；所述第三平行四杆机构和所述第四平行四杆机构共同驱动所述后肢小臂运动，从而驱动所述后肢足运动。
优选地，所述后肢小臂舵机的舵机盘与所述后肢小臂主动臂的一端固定连接，所述后肢小臂主动臂的另一端与所述后肢小臂摆动臂的一端可枢转地连接；所述后肢小臂摆动臂的另一端与所述后肢小臂的另一端可枢转地连接；所述后肢大臂的一端与所述后肢小臂两端之间的一点可枢转地连接，所述后肢大臂的另一端与所述后肢小臂主动臂的一端可枢转地连接；
所述后肢大臂舵机的舵机盘与所述后肢大臂摆臂的一端固定连接，所述后肢大臂摆臂的另一端与所述后肢大臂传动杆的一端可枢转地连接，所述后肢大臂传动杆的另一端与所述后肢大臂两端之间的一点可枢转地连接；所述后肢大臂的另一端与所述后肢小臂两端之间的一点可枢转地连接。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的腿足结构模仿大鼠的骨骼功能设计，且各处尺寸符合真实鼠，从形态上更加逼近真实老鼠的形态，集成化程度和空间利用率高，产品轻量化。
(2)本发明腿足结构采用平行四杆机构传动，使运动学以及动力学运算更加简便，并且每个腿部都有两个自由度以及脚部的一个冗余自由度，运动传递更为精准且效率高，可以实现多种步态，环境适应能力强。
(3)本发明的仿生机器鼠在腰部设计了两个自由度，且舵机在不通电情况下腰部可视为冗余自由度，使仿生机器鼠的运动更加灵活，转弯半径更小，也可以自适应地通过管道等狭窄地形；腰部与后肢由卷簧连接，使得转动效应分摊到前后肢，提高了仿生机器鼠整体的稳定性。
附图说明
图1为本发明腿足型仿生机器鼠的总体结构示意图。
图2为本发明腿足型仿生机器鼠的前肢组件结构示意图。
图3为本发明腿足型仿生机器鼠的腰部组件结构示意图。
图4为本发明腿足型仿生机器鼠的后肢组件结构示意图。
其中各个附图标记的含义为：1-鼠头组件、2-头部-前肢连接组件、3-前肢组件、4-腰部组件、5-后肢组件、6-尾部、7-偏航舵机、8-俯仰舵机、9-前肢小臂摆动臂、10-前肢小臂主动臂、11-前肢小臂舵机、12-前肢大臂、13-前肢大臂舵机、14-前肢大臂传动杆、15-前肢—腰部连接架、16-前肢大臂摆臂、17-前肢驱动装置、18-前肢小臂、19-前肢足、20-前肢舵机支架、21-前腰舵机、22-腰部连接件I、23-后腰舵机、24-腰部卷簧结构、25-腰部连接件II、26-后肢小臂摆动臂、27-后肢大臂、28-后肢小臂主动臂、29-后肢小臂舵机、30-后肢大臂传动杆、31-后肢舵机支架、32-后肢大臂摆臂、33-后肢—尾部连接架、34-后肢大臂舵机、35-后肢驱动装置、36-后肢足、37-后肢小臂。
具体实施方式
参见附图1，根据本发明的腿足型仿生机器鼠包括：鼠头组件1、头部-前肢连接组件2、前肢组件3、腰部组件4、后肢组件5，以及尾部6。
如图1所示，鼠头组件1通过头部-前肢连接组件2与前肢组件3相连。如图3所示，所述腰部组件4包括：前腰舵机21、腰部连接件I 22、后腰舵机23、腰部卷簧结构24、腰部连接件II 25。所述前腰舵机21与所述前肢组件3、所述腰部连接件I 22和所述腰部连接件II 25连接，所述后腰舵机23与所述腰部卷簧结构24、所述腰部连接件I 22和所述腰部连接件II25连接，实现腰部两个自由度，仿生机器鼠的运动更灵活。所述腰部卷簧结构24与后肢组件5中的后肢舵机支架31相连，前肢—腰部连接架15与腰部组件3中的前腰舵机21相连。所述尾部6则通过后肢—尾部连接架33连接于后肢组件5上。
如图1所示，鼠头组件1包括鼠头、驱动鼠头俯仰运动的俯仰舵机及其支架、驱动鼠头偏航运动的偏航舵机及其支架。鼠头组件1中的鼠头为空心，可以放置摄像头及传感器，使机器鼠具有和鼠一样的视觉和反应能力，同时在外观上也更加接近老鼠。腿足型仿生机器鼠的尾部6参考了真实鼠的尾长，且所选材料轻便，即提高了轻量化程度也在外形上与真实鼠相似程度更高。
在以上实施方式中，本领域技术人员能够理解，所述俯仰舵机和偏航舵机可以是现有技术的任何舵机。
参见附图2，腿足型仿生机器鼠的前肢组件3包括：前肢小臂摆动臂9、前肢小臂主动臂10、前肢大臂12、前肢大臂传动杆14、前肢—腰部连接架15、前肢大臂摆臂16、前肢驱动装置17、前肢小臂18、前肢足19。
所述前肢驱动装置17包括：前肢小臂舵机11、前肢大臂舵机13、前肢舵机支架20；所述前肢小臂舵机11、前肢大臂舵机13固定在所述前肢舵机支架20中。前肢小臂舵机11与前肢舵机支架20螺纹连接，前肢大臂舵机13与前肢舵机支架20螺纹连接。前肢小臂舵机11通过齿轮传动驱动前肢小臂主动臂10，前肢大臂舵机13通过齿轮传动驱动前肢大臂摆臂16；两者共同通过两个平行四杆机构传动驱动前肢小臂18从而实现前肢足19的运动。
所述前肢小臂主动臂10的一端与所述前肢小臂舵机11螺纹连接，另一端与所述前肢小臂摆动臂9的一端轴孔配合连接。所述前肢小臂摆动臂9的另一端与所述前臂小臂18的两端之间的一点轴孔配合连接，所述前臂小臂18的一端与所述前肢足19轴孔配合连接，所述前臂小臂18的另一端与所述前肢大臂12的一端轴孔配合连接，所述前肢大臂12的另一端与所述前肢小臂主动臂10轴孔配合连接。
所述前肢大臂摆臂16的一端与所述前肢大臂舵机13螺纹连接，另一端与所述前肢大臂传动杆14的一端可枢转地连接，所述前肢大臂传动杆14的另一端与所述前肢大臂12的两端之间的一点轴孔配合连接。
参见附图4，腿足型仿生机器鼠的后肢组件5包括：后肢小臂摆动臂26、后肢大臂27、后肢小臂主动臂28、后肢大臂传动杆30、后肢大臂摆臂32、后肢—尾部连接架33、后肢驱动装置35、后肢足36、后肢小臂37。所述后肢足36与所述后肢小臂37的一端与可枢转地连接。
所述后肢驱动装置35包括：后肢小臂舵机29、后肢大臂舵机34、后肢舵机支架31；所述后肢小臂舵机29、后肢大臂舵机34固定在所述后肢舵机支架31中。后肢小臂舵机29与后肢舵机支架31螺纹连接，后肢大臂舵机34与后肢舵机支架31螺纹连接。后肢小臂舵机29通过齿轮传动驱动后肢小臂主动臂28，后肢大臂舵机34通过齿轮传动驱动后肢大臂摆臂32；两者共同通过两个平行四杆机构传动驱动后肢小臂37从而实现后肢足36的运动。
所述后肢小臂舵机29的舵机盘与所述后肢小臂主动臂28的一端螺纹连接，所述后肢小臂主动臂28的另一端与所述后肢小臂摆动臂26的一端轴孔配合连接；所述后肢小臂摆动臂26的另一端与所述后肢小臂37的另一端轴孔配合连接；所述后肢大臂27的一端与所述后肢小臂37两端之间的一点轴孔配合连接，所述后肢大臂27的另一端与所述后肢小臂主动臂28的一端轴孔配合连接。
所述后肢大臂舵机34的舵机盘与所述后肢大臂摆臂32的一端螺纹连接，所述后肢大臂摆臂32的另一端与所述后肢大臂传动杆30的一端轴孔配合连接，所述后肢大臂传动杆30的另一端与所述后肢大臂27两端之间的一点可枢转地连接；所述后肢大臂27的另一端与所述后肢小臂37两端之间的一点轴孔配合连接。
参见附图2和附图4，腿足型仿生机器鼠的前肢小臂舵机11、前肢大臂舵机13、后肢小臂舵机29、后肢大臂舵机34分别独立控制四肢的运动。虽然前肢小臂18和后肢小臂37的运动分别受到两个自由度的影响，由于采用了平行四杆机构进行传动，使运动学与动力学计算简便，并且整个运动也是解耦的。由于四肢分别独立运动，因此可以实现多种步态，提高了对复杂地形的适应能力。
参见附图1、附图2、附图3及附图4，针对现有仿生机器鼠仿生程度低的问题，本发明的腿足型仿生机器鼠在设计时参照了大鼠的骨骼结构；大鼠与机器鼠的各类参数对比如下：
体长：机器鼠202mm、大鼠192.5mm；股骨：机器鼠40mm、大鼠36.4mm；胫骨：机器鼠40mm、大鼠38.7mm；尾长：机器鼠200mm、大鼠198.6mm。可见本发明的腿足型仿生机器鼠的仿生程度高，有效解决了仿生机器鼠仿生程度低的问题。
在以上实施方式中，本领域技术人员能够理解，所述前肢小臂舵机11、前肢大臂舵机13、后肢小臂舵机29、后肢大臂舵机34可以采用现有技术中的任何适用的舵机。
在以上实施方式中，本领域技术人员能够理解，对所述前肢小臂舵机11、前肢大臂舵机13、后肢小臂舵机29、后肢大臂舵机34的控制可以采用现有技术中任何适用的控制装置，诸如通用型中央处理器、微控制器MCU、现场可编程器件FPGA、可编程逻辑控制器PLC，以及专用的集成电路ASIC等。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种腿足型仿生机器鼠的腿足结构，包括小臂摆动臂(9，26)、小臂主动臂(10，28)、大臂(12，27)、大臂传动杆(14，30)、大臂摆臂(16，32)、驱动装置(17，35)、小臂(18，37)、足(19，36)；
所述驱动装置(17，35)包括：小臂舵机(11，29)、大臂舵机(13，34)、舵机支架(20，31)；所述小臂舵机(11，29)、大臂舵机(13，34)固定在所述舵机支架(20，31)中；
所述小臂摆动臂(9，26)、小臂主动臂(10，28)、大臂(12，27)、小臂(18，37)组成一平行四杆机构，并且能够在所述小臂舵机(11，29)的驱动下转动；
所述大臂摆臂(16，32)、大臂传动杆(14，30)、大臂(12，27)组成另一平行四杆机构，并且能够在所述大臂舵机(13，34)的驱动下转动；
所述足(19，36)与所述小臂(18，37)的第一连接点可枢转地连接；所述一平行四杆机构和所述另一平行四杆机构共同驱动所述小臂(18，37)运动，从而驱动所述足(19，36)运动。
2.根据权利要求1所述的腿足型仿生机器鼠的腿足结构，其特征在于，所述小臂主动臂(10，28)的一端与所述小臂舵机(11，29)固定连接，另一端与所述小臂摆动臂(9，26)的一端可枢转地连接；所述小臂摆动臂(9，26)的另一端与所述小臂(18，37)的第二连接点可枢转地连接，所述小臂(18，37)的第三连接点与所述大臂(12，27)的一端可枢转地连接，所述大臂(12，27)的另一端与所述小臂主动臂(10，28)的一端可枢转地连接。
3.根据权利要求2所述的腿足型仿生机器鼠的腿足结构，其特征在于，所述大臂摆臂(16，32)的一端与所述大臂舵机(13，34)固定连接，另一端与所述大臂传动杆(14，30)的一端可枢转地连接，所述大臂传动杆(14，30)的另一端与所述大臂(12，27)的两端之间的一点可枢转地连接。
4.根据权利要求1-3之一所述的腿足型仿生机器鼠的腿足结构，其特征在于，所述固定连接包括螺纹连接。
5.根据权利要求1-3之一所述的腿足型仿生机器鼠的腿足结构，其特征在于，所述可枢转地连接包括轴孔配合连接。
6.一种腿足型仿生机器鼠，包括：鼠头组件(1)、头部-前肢连接组件(2)、前肢组件(3)、腰部组件(4)、后肢组件(5)，以及尾部(6)；
其特征在于，所述前肢组件(3)包括：前肢小臂摆动臂(9)、前肢小臂主动臂(10)、前肢大臂(12)、前肢大臂传动杆(14)、前肢—腰部连接架(15)、前肢大臂摆臂(16)、前肢驱动装置(17)、前肢小臂(18)、前肢足(19)；所述前肢驱动装置(17)用于驱动仿生机器鼠前肢运动；
所述前肢驱动装置(17)包括：前肢小臂舵机(11)、前肢大臂舵机(13)、前肢舵机支架(20)；所述前肢小臂舵机(11)、前肢大臂舵机(13)固定在所述前肢舵机支架(20)中；
所述前肢小臂摆动臂(9)、前肢小臂主动臂(10)、前肢大臂(12)、前肢小臂(18)组成第一平行四杆机构，并且能够在所述前肢小臂舵机(11)的驱动下转动；所述前肢大臂摆臂(16)、前肢大臂传动杆(14)、前肢大臂(12)组成第二平行四杆机构传动，并且能够在所述前肢大臂舵机(13)的驱动下转动；
所述前肢足(19)与所述前肢小臂(18)的一端与可枢转地连接；所述第一平行四杆机构和所述第二平行四杆机构共同驱动所述前肢小臂(18)运动，从而驱动所述前肢足(19)运动。
7.根据权利要求6所述的腿足型仿生机器鼠，其特征在于，所述前肢小臂主动臂(10)的一端与所述前肢小臂舵机(11)固定连接，另一端与所述前肢小臂摆动臂(9)的一端可枢转地连接；所述前肢小臂摆动臂(9)的另一端与所述前肢小臂(18)的两端之间的一点可枢转地连接，所述前肢小臂(18)的另一端与所述前肢大臂(12)的一端可枢转地连接，所述前肢大臂(12)的另一端与所述前肢小臂主动臂(10)的一端可枢转地连接；
所述前肢大臂摆臂(16)的一端与所述前肢大臂舵机(13)固定连接，另一端与所述前肢大臂传动杆(14)的一端可枢转地连接，所述前肢大臂传动杆(14)的另一端与所述前肢大臂(12)的两端之间的一点可枢转地连接。
8.根据权利要求6所述的腿足型仿生机器鼠，其特征在于，所述头部-前肢连接组件(2)与所述鼠头组件(1)和所述前肢组件(3)相连，所述腰部组件(4)与所述前肢组件(3)、所述后肢组件(5)相连，所述后肢组件(5)与尾部(6)可枢转地连接；
所述鼠头组件(1)包括鼠头、偏航舵机(7)、俯仰舵机(8)，所述偏航舵机(7)和所述俯仰舵机(8)分别用于驱动所述鼠头偏航、俯仰运动。
9.根据权利要求6所述的腿足型仿生机器鼠，其特征在于，所述后肢组件(5)包括：后肢小臂摆动臂(26)、后肢大臂(27)、后肢小臂主动臂(28)、后肢大臂传动杆(30)、后肢大臂摆臂(32)、后肢—尾部连接架(33)、后肢驱动装置(35)、后肢足(36)、后肢小臂(37)；所述后肢驱动装置(35)用于驱动仿生机器鼠后肢运动；
所述后肢驱动装置(35)包括：后肢小臂舵机(29)、后肢大臂舵机(34)、后肢舵机支架(31)；所述后肢小臂舵机(29)、后肢大臂舵机(34)固定在所述后肢舵机支架(31)中；
所述后肢小臂摆动臂(26)、后肢小臂主动臂(28)、后肢大臂(27)、后肢小臂(37)组成第三平行四杆机构，并且能够在所述后肢小臂舵机(29)的驱动下转动；所述后肢大臂摆臂(32)、后肢大臂传动杆(30)、后肢大臂(27)组成第四平行四杆机构传动，并且能够在所述后肢大臂舵机(34)的驱动下转动；
所述后肢足(36)与所述后肢小臂(37)的一端与可枢转地连接；所述第三平行四杆机构和所述第四平行四杆机构共同驱动所述后肢小臂(37)运动，从而驱动所述后肢足(36)运动。
10.根据权利要求9所述的腿足型仿生机器鼠，其特征在于，所述后肢小臂舵机(29)的舵机盘与所述后肢小臂主动臂(28)的一端固定连接，所述后肢小臂主动臂(28)的另一端与所述后肢小臂摆动臂(26)的一端可枢转地连接；所述后肢小臂摆动臂(26)的另一端与所述后肢小臂(37)的另一端可枢转地连接；所述后肢大臂(27)的一端与所述后肢小臂(37)两端之间的一点可枢转地连接，所述后肢大臂(27)的另一端与所述后肢小臂主动臂(28)的一端可枢转地连接；
所述后肢大臂舵机(34)的舵机盘与所述后肢大臂摆臂(32)的一端固定连接，所述后肢大臂摆臂(32)的另一端与所述后肢大臂传动杆(30)的一端可枢转地连接，所述后肢大臂传动杆(30)的另一端与所述后肢大臂(27)两端之间的一点可枢转地连接；所述后肢大臂(27)的另一端与所述后肢小臂(37)两端之间的一点可枢转地连接。
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