CN111438675A - 机器人 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种机器人，包括至少五个首尾依次可转动地连接以形成环形行走轮的运动件，和连接在运动件上并能够调整相邻两个运动件的夹角的舵机，舵机的数量比运动件的数量少三个。多个运动件首尾依次铰接后形成环形行走轮，连接在运动件上的舵机能够驱动调整相邻的两个运动件之间的夹角，来改变机器人的多样形状的表现，并利用机器人与地面之间的摩擦力和支撑力，使得机器人的重心前移，从而使得机器人不断地前进。本公开中的机器人的结构构成精简，控制便捷，有效地提高了机器人的运动效率，并且可以通过调整运动件的数量来改变机器人的适应环境，可以应用于星球探测、地质勘探、突发事故救援以及大型精密机械检修等工作。

Description

机器人

技术领域

本公开涉及智能机械设备技术领域，具体地，涉及一种机器人。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，机器人的应用愈加广泛，用户对机器人的需求也变得日益增多，如在星球探测、地质勘探、突发事故救援以及大型精密设备检修等工作中，均要求机器人具有适应复杂地形和环境的适应能力。

目前，已经研发出一些为了适应复杂地形的机器人，如轮式机器人、多足式机器人、仿蛇类机器人和变形机器人。

对于轮式机器人，其行走部分由轮胎构成，其运动速度和效率都非常理想，但是其适应能力不是很好。如现有的轮式机器人有：将三个车轮集成成一个车轮模块，不仅每个车轮可以旋转，整个车轮模块还可以绕其自身旋转，该机器人可以实现爬楼梯的步态；再一种轮式机器人，是在传统的轮式机器人上安装涡轮，涡轮产生的压差使得机器人获得一个贴紧墙面的作用力，从而可以做到在斜坡墙面的运动，但是这种结构只能适应平整的墙面，对于有凹槽或有间隙的墙面，则会丧失吸附能力。虽然这些轮式机器人的结构改变有效地改善了传统轮式机器人的地形适应能力，能够实现爬楼梯或爬墙等特定步态，但是对于复杂崎岖步态的适应能力仍然较弱。

对于多足式机器人，其充分借鉴了生物界的多足动物的结构优势，使该种机器人具有良好的地形适应潜能。如日本本田汽车公司陆续研发了HRP和ASIMO等一系列仿人机器人(双足机器人)，最新升级的ASIMO机器人不但能够上下楼梯，还会踢足球和倒茶，动作十分灵活；波士顿动力公司(Boston Dynamics)研究的大狗(BigDog)机器人是世界上第一台先进的复杂地形机器人，它不使用轮子，而是使用四条腿进行运动，从而使它可以在轮子无法通行的复杂地形移动穿越；此外美国宇航局(NASA)喷气推进实验室于2002年12月研制成功一款蜘蛛机器人(Spider-bot)，其拥有非常灵活的脚，它能跨越障碍、攀登岩石，以及探访轮子轮动前进的机器人所无法抵达的区域。虽然这些多足机器人具有较强的地形适应能力，但也正是由于其相对复杂的结构特征，使得其控制复杂笨重、工作效率低，难以控制重心，对于控制系统及传感机构要求极高，较容易出现各种故障和问题，因此多足机器人可以量产化投入实用的很少。

现有的机器人还有仿蛇类机器人和变形机器人，仿蛇类机器人的结构和控制是受到细长脊椎动物的启发，变形机器人可以通过控制多种运动过程使自身发生形变来适应不同的环境，但是蛇形机器人和可变性机器人的形状和运动轨迹复杂，控制起来的运动速度缓慢，效率低。

发明内容

本公开的目的是提供一种机器人，该机器人结构精简，具备良好的地形适应能力。

为了实现上述目的，本公开提供一种机器人，包括至少五个首尾依次可转动地连接以形成环形行走轮的运动件，和连接在所述运动件上并能够调整相邻两个所述运动件的夹角的舵机，所述舵机的数量比所述运动件的数量少三个。

可选地，所述舵机为双轴舵机。

可选地，每个所述运动件的结构相同。

可选地，相邻的两个所述运动件通过连接件或所述舵机连接。

可选地，所述舵机包括块状的机体、伸出于所述机体的转轴和套接在所述转轴的外部的舵盘，所述运动件的一端形成为能够固定在所述机体上的第一连接部，另一端形成为能够固定在所述舵盘上的第二连接部。

可选地，所述连接件包括与所述机体形状相同的安装块和凸出于所述安装块的与所述舵盘相应的安装柱，所述第一连接部固定在所述安装块上，所述第二连接部可转动地套设在所述安装柱上。

可选地，所述第一连接部构造为开口朝向所述运动件的外侧的第一U型架，所述第二连接部构造为开口朝向所述运动件的外侧的第二U型架。

可选地，所述运动件的外表面包覆有柔性表层。

可选地，所述柔性表层由发泡聚乙烯材料制成。

可选地，所述机器人还包括用于控制所述舵机的控制终端，所述控制终端与所述舵机无线连接。

通过上述技术方案，多个运动件首尾依次铰接后形成环形行走轮，连接在运动件上的舵机能够驱动调整相邻的两个运动件之间的夹角，来改变机器人的多样形状的表现，并利用机器人与地面之间的摩擦力和支撑力，使得机器人的重心前移，从而使得机器人不断地前进。本公开中的机器人，相较于轮式机器人，可以通过舵机控制个各运动件之间的夹角应用到各种复杂地形中；由于其特殊的环形结构，使其相较于多足式机器人具有较低的重心，不会在控制过程中出现站立不稳定的问题；相较于仿蛇类机器的伸缩运动和蜿蜒爬行，本公开中的滚动式爬行的机器人具有较高的运动速度；并且相较于具有伸缩、张紧等控制多种运动过程的变形式机器人，本公开的机器人只需通过舵机控制机器人滚动即可，也有效提到了运动速率。本公开中的机器人的结构构成精简，控制便捷，有效地提高了机器人的运动效率，并且可以通过调整运动件的数量来改变机器人的适应环境，理论上，只要运动件的数量足够多，该机器人就能够适应各种复杂的地形和路况，可以应用于星球探测、地质勘探、突发事故救援以及大型精密机械检修等工作。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本公开一示例性实施方式提供的机器人的结构示意图；

图2是本公开一示例性实施方式提供的舵机的结构示意图；

图3是本公开一示例性实施方式提供的连接件的结构示意图；

图4是本公开一示例性实施方式提供的两个运动件的一种连接方式的示意图；

图5是本公开一示例性实施方式提供两个运动件的另一种连接方式的示意图；

图6是本公开一示例性实施方式提供的两个运动件的再一种连接方式的示意图；

图7是本公开一示例性实施方式提供的机器人在平整地形的步态图；

图8是本公开一示例性实施方式提供的机器人的爬坡的步态图；

图9是本公开一示例性实施方式提供的机器人的爬台阶的步态图；

图10是本公开一示例性实施方式提供的机器人的越障的步态图。

附图标记说明

1 运动件 11 第一运动件

12 第二运动件 2 舵机

21 机体 22 转轴

23 舵盘 201 第一机体

3 连接件 31 安装块

32 安装柱

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“内、外”是针对零部件的本身轮廓而言的。此外，本公开实施例中使用的术语“第一”“第二”等是为了区别一个要素和另一个要素，不具有顺序性和重要性。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。

如图1所示，本公开提供一种机器人，该机器人包括至少五个首尾依次可转动地连接以形成环形行走轮的运动件1，和连接在运动件1上并能够调整相邻两个运动件1的夹角的舵机2，舵机2的数量比运动件1的数量少三个。需要说明的是，舵机2的数量设置成比运动件1少三个是因为：根据平面刚体的理论力学可知，假设运动件1的数量为N个，则舵机2的数量为N-3个，运动件1连接成环形行走轮后共有N个连接点，其中有N-3个连接点处安装有舵机2，每个运动件1具有三个独立的广义坐标，由此可知该机器人共有3N个广义坐标，N个连接点的铰接产生了2N个约束，N-3个舵机2产生N-3个约束，因此该机器人系统的自由度为3N-2N-(N-3)，即该机器人系统具有三个自由度，恰好可以构成二维坐标系下的三个自由度，因此可以证明舵机2的数量比运动件1的数量少三个恰好可以控制该机器人的形状的结论。具体地说，整个机器人只有三个连接点不受舵机2控制，因此可以理解成将整个机器人视为构造为三角形的三个刚体相连接，而根据三角形具有稳定性的原理，可以判定每种状态下的机器人的形状是被唯一确定的，所以通过舵机2控制N-3个角度，就能达到完全控制机器人的形状的目标。其中，各运动件1之间，以及运动件1与舵机2之间可以采用可拆卸的连接方式连接，以便于运动件1的更换维修或为适应不同地形增减运动件1和舵机2的数量。运动件1的长度及宽度可以根据使用环境做出适应性调整，本公开对此不进行限定。为了便于描述，参照图1，本公开中将以运动件1的数量为九个为例进行描述，这样舵机2的数量则为六个，但是本公开中运动件1的数量并不限于此。

通过上述技术方案，多个运动件1首尾依次铰接后形成环形行走轮，连接在运动件1上的舵机2能够驱动调整相邻的两个运动件1之间的夹角，来改变机器人的多样形状的表现，并利用机器人与地面之间的摩擦力和支撑力，使得机器人的重心前移，从而使得机器人不断地前进。本公开中的机器人，相较于轮式机器人，可以通过舵机2控制个各运动件1之间的夹角应用到各种复杂地形中；由于其特殊的环形结构，使其相较于多足式机器人具有较低的重心，不会在控制过程中出现站立不稳定的问题；相较于仿蛇类机器的伸缩运动和蜿蜒爬行，本公开中的滚动式爬行的机器人具有较高的运动速度；并且相较于具有伸缩、张紧等控制多种运动过程的变形式机器人，本公开的机器人只需通过舵机2控制机器人滚动即可，也有效提到了运动速率。本公开中的机器人的结构构成精简，控制便捷，有效地提高了机器人的运动效率，并且可以通过调整运动件1的数量来改变机器人的适应环境，理论上，只要运动件1的数量足够多，该机器人就能够适应各种复杂的地形和路况，可以应用于星球探测、地质勘探、突发事故救援以及大型精密机械检修等工作。

需要说明的是，本公开不限定机器人的具体构造，例如，上述的行走轮本身即可以为机器人整体的外形，或者行走轮仅仅为机器人的行走部件，该行走轮可以支撑机器人的主体部分。

根据本公开的一种实施方式，舵机2可以为双轴舵机，双轴舵机的控制更加稳定。如舵机2也可以为双轴数字舵机，反应速度快，更有利于机器人的步态控制。

本公开实施例中，如图1所示，每个运动件1的结构可以相同。一方面相同结构的运动件1具有相同的结构性能，易于控制，另一方面运动件1结构相同也便于更换和维修，具有较高的通用性。

根据本公开的机器人的结构特征，相邻的两个运动件1可以通过连接件3或舵机2连接。根据上述分析，每个机器人有三个连接点不设置舵机2，也就是说，在这三个连接点处相邻的两个运动件1是通过连接件3进行连接的，而在其它连接点处相邻的两个运动件1是通过舵机2连接的。

具体地，参照图2和图4，舵机2可以包括块状的机体21、伸出于机体21的转轴22和套接在转轴22的外部的舵盘23，运动件1的一端可以形成为能够固定在机体21上的第一连接部，另一端可以形成为能够固定在舵盘22上的第二连接部。这样，机体21内的电机运转带动转轴22转动，从而控制舵盘23连同运动件1同步发生偏转，以此来改变相邻的两个运动件1之间的夹角。

基于舵机2的结构特征，参照图3和图5，本公开的一种实施例中，连接件3可以包括与机体21形状相同的安装块31和凸出于安装块31的与舵盘23相应的安装柱32，第一连接部固定在安装块31上，第二连接部可转动地套设在安装柱32上。其中，安装块31与机体21形状相同、安装柱32与舵盘23相应指的是它们的外轮廓相同或相应，以使舵机2和连接件3均能与相同的运动件1相匹配连接。通过连接件3一端与运动件1固定，另一端与运动件1铰接，从而实现相邻的两个运动件1的可转动地连接。将连接件3设置成与舵机2的结构形式相似的结构，便于运动件1的制造，同时也会降低错装误差。

根据本公开的一种实施方式，如图4和图5，第一连接部可以构造为开口朝向运动件1的外侧的第一U型架11，第二连接部可以构造为开口朝向运动件1的外侧的第二U型架12。第一U型架11和第二U型架的底壁可以开设有安装孔，第一U型架11和第二U型架可以分别通过紧固件安装在运动件1上。第一U型架11的侧壁也可以通过紧固件与安装块31或机体21可拆卸地连接。在相邻的两个运动件1通过舵机2相连接时，舵盘23与转轴22可以通过花键配合的方式连接，舵盘23的周向上均布有多个安装孔，第二U型架12的侧壁上形成有多个与舵盘23上的安装孔相匹配的安装孔，使得舵盘23可以与第二U型架12通过紧固件连接；在相邻的两个运动件1通过连接件3相连接时，安装柱32的中心可以开设有中心孔，第二U型架12的侧壁上还可以开设有与该中心孔相匹配的孔，这样，第二U型架12与连接件3可以通过穿过这两个孔的销轴实现可转动地连接。

在本公开的另一种实施方式中，如图6所示，相邻的两个运动件1还可以同时通过连接件3和小舵机连接，这里的小舵机指的是其第一机体201的外轮廓小于上述舵机2的机体21的外轮廓，小舵机的性能及功率等与上述舵机2相同。具体地，安装块31可以构造为槽型块，第一机体201可以通过粘接或过盈等方式放置在槽型块内，以在机器人的行走过程中对小舵机进行保护，槽型块的侧壁上开设有供小舵机的转轴伸出的通孔，小舵机与运动件1的连接方式与上方所描述的相同，此处不再重复。这里，在只通过连接件3连接两个运动件1时，小舵机的舵盘也可以作为安装柱32，即，在这种情况下，小舵机的舵盘可以首先通过紧固件固定在槽型块上，然后采用上述安装柱32与运动件1的连接方式进行连接即可。

根据本公开的一种实施方式，运动件1上还可以形成有容纳槽，以使机器人应用在不同领域时，可以在容纳槽内容纳或安装相应物品或部件，如可以放置电池、摄像头、救援物品或采样的样品等，容纳槽上可以设置端盖，以对容纳槽内的物品进行封闭。

下面结合图7至图10，简单描述本公开一种实施例的机器人在不同地形下的步态，这里运动件1的数量仍以九个为例，为了清楚地表示出运动件1的运动轨迹，在附图中标示出第一运动件11和第二运动件12，这二者与运动件1的结构等完全相同，需要说明的是，下方描述涉及左右方向指的是指的是图7和图8的图面方向的左右、图9和图10的图面方向的下上。图7示出的是机器人在平地地形上的步态，机器人的初始状态为大致圆轮形，第一运动件11与地面贴合，在向右移动的过程中，驱动第一运动件11右方相邻的第二运动件12贴合地面，然后驱动第一运动件11离开地面，从而实现机器人的向右的滚动移动，机器人向左移动过程与上述向右移动的过程相反，此处不再赘述；图8示出的是机器人在爬坡时的步态，为了保证爬坡时机器人与地面之间具有较大的摩擦力以克服机器人自身的重力，与地面贴合的运动件1的数量可以始终保持为三个，以防止机器人下滑，爬坡步态下机器人的运动原理与上述平底步态过程的运动原理相同，即机器人向右或滚动移动；图9示出的是机器人在爬台阶时的步态，右侧运动件首先接触台阶，然后依次驱动左侧运动件，使机器人的重心逐渐右移实现机器人的爬台阶步态；图10示出的是机器人的越障步态，根据障碍物的大小舵机2驱动机器人的运动件1至不同的形态。上述几种步态的原理大致相同，均是通过舵机2驱动运动件1依次向右或向左偏转，以实现机器人的滚动移动，需要说明的是，图7至图10只是示例性地表示每种步态下的其中一种移动方式，本公开中不限于此，可以根据地面平整性、坡度大小、台阶高度或者障碍物的大小或者运动件1的数量，控制相邻的运动件1之间的夹角做出适应性改变。

根据本公开的一种实施方式，运动件1的外表面还可以包覆有柔性表层，以此来改善机器人与环境交互的过程中出现的碰撞问题。例如，柔性表层可以由发泡聚乙烯材料制成，该材料的耐腐蚀性和耐磨性较好，同时也能够起到增加运动件1与地面之间的摩擦力的作用。柔性表层也可以为如车轮轮胎的橡胶材料，并且柔性表层上也可以设置有如轮胎上的花纹，以增加机器人与地面的摩擦力。

本公开一种实施例中，机器人还可以包括用于控制舵机2的控制终端，控制终端可以与舵机2无线连接，如控制终端可以与舵机2采用蓝牙连接、WiFi连接或其它远程连接的方式，以能够实现机器人在多种领域的应用，如在星球探测、地质勘探、突发事故救援以及大型精密设备检修工作中，操作者可以远程无线操控机器人。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.一种机器人，其特征在于，包括至少五个首尾依次可转动地连接以形成环形行走轮的运动件(1)，和连接在所述运动件(1)上并能够调整相邻两个所述运动件(1)的夹角的舵机(2)，所述舵机(2)的数量比所述运动件(1)的数量少三个。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述舵机(2)为双轴舵机。

3.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，每个所述运动件(1)的结构相同。

4.根据权利要求3所述的机器人，其特征在于，相邻的两个所述运动件(1)通过连接件(3)或所述舵机(2)连接。

5.根据权利要求4所述的机器人，其特征在于，所述舵机(2)包括块状的机体(21)、伸出于所述机体(21)的转轴(22)和套接在所述转轴(22)的外部的舵盘(23)，所述运动件(1)的一端形成为能够固定在所述机体(21)上的第一连接部，另一端形成为能够固定在所述舵盘(23)上的第二连接部。

6.根据权利要求5所述的机器人，其特征在于，所述连接件(3)包括与所述机体(21)形状相同的安装块(31)和凸出于所述安装块(31)的与所述舵盘(23)相应的安装柱(32)，所述第一连接部固定在所述安装块(31)上，所述第二连接部可转动地套设在所述安装柱(32)上。

7.根据权利要求5或6所述的机器人，其特征在于，所述第一连接部构造为开口朝向所述运动件(1)的外侧的第一U型架(11)，所述第二连接部构造为开口朝向所述运动件(1)的外侧的第二U型架(12)。

8.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述运动件(1)的外表面包覆有柔性表层。

9.根据权利要求8所述的机器人，其特征在于，所述柔性表层由发泡聚乙烯材料制成。

10.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述机器人还包括用于控制所述舵机(2)的控制终端，所述控制终端与所述舵机(2)无线连接。

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