CN111547153B - 一种绳索驱动仿生六足爬壁机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种绳索驱动仿生六足爬壁机器人，包括躯体和与躯体相连的六个腿部结构。躯体包括躯干和传动系统，传动系统包括驱动舵机、锥齿轮组、传动板和直齿轮组；腿部结构包括关节组、传动杆和闭合力传递系统，闭合力传递系统包括腿部驱动舵机、定滑轮组、腿部直齿轮组、张紧装置、绳索末端固定孔和两根绳索。本发明通过舵机驱动，通过传动系统和闭合力传递系统控制，以实现机器人三角交替运动步态，具有体积小、质量轻、易控制的特点，解决了小型六足机器人质量大、体积大、多驱动器的缺点，大大改善了六足爬壁机器人的实用性和适用性。

Description

一种绳索驱动仿生六足爬壁机器人
技术领域
本发明属于仿生机器人技术领域，具体涉及一种绳索驱动仿生六足爬壁机器人。
背景技术
六足爬壁机器人作为一种可携带作业工具深入各种作业环境以实现某种或多种特定功能的特种机器人，在宇航、工业、民用等领域具有广阔的应用前景，但其在结构设计和应用方面仍有很大的不足。目前，投入使用的机器人大多仍采用传统的驱动方式，这类机器人体积庞大，足部末端运动惯量较大，不利于完成狭小环境的作业任务，具有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种绳索驱动仿生六足爬壁机器人，包括躯体和六个腿部结构，所述躯体包括躯干，所述躯干通过传动系统与腿部结构连接，所述传动系统包括用于控制六个腿部结构按照三角交替运动步态行走的驱动舵机；
所述腿部结构包括关节组、传动杆及闭合力传递系统，所述关节组包括第一关节组、第二关节组、第三关节组，所述第一关节组为驱动关节，所述第二关节组、第三关节组为联动关节；
所述传动杆包括第一传动杆、第二传动杆及第三传动杆；所述第一传动杆连接第一关节组及第二传动杆，第二传动杆连接第二关节组及第三传动杆，第三传动杆连接第三关节组；
所述闭合力传递系统包括腿部驱动舵机、上定滑轮、下定滑轮、上腿部直齿轮、下腿部直齿轮、第二传动杆上张紧装置、第二传动杆下张紧装置、第三传动杆上张紧装置、第三传动杆下张紧装置、第三传动杆上绳索末端固定孔、第三传动杆下绳索末端固定孔、上绳索、下绳索；
所述腿部驱动舵机与所述第一传动杆固定连接，所述上腿部直齿轮及上定滑轮与腿部驱动舵机的传动轴连接，所述下腿部直齿轮及下定滑轮与所述第一传动杆连接，所述上腿部直齿轮和下腿部直齿轮啮合连接；
所述上绳索与所述上定滑轮及第三传动杆下绳索末端固定孔连接，用于通过所述第二传动杆及第三传动杆下张紧装置张紧绳索，以控制所述第二关节组及第三关节组执行提起动作；
所述下绳索与所述下定滑轮及第三传动杆上绳索末端固定孔连接，用于通过所述第二传动杆及第三传动杆上张紧装置张紧绳索，以控制所述第二关节组及第三关节组执行放下动作。
进一步地，所述传动系统还包括锥齿轮组、腿部安装槽、上传动板、下传动板、直齿轮组、传动轴、轴向固定环；所述直齿轮组包括外侧直齿轮、内侧直齿轮；
所述锥齿轮组与所述驱动舵机、传动板及直齿轮组连接，所述锥齿轮组、传动板和直齿轮组组成传动系统的两组驱动关节组，由两个驱动舵机驱动，所述驱动舵机通过舵机支架与所述躯干固定连接，所述外侧直齿轮通过传动轴与所述躯干连接，所述上传动板、下传动板、内侧直齿轮通过轴向固定环实现轴向定位。
进一步地，所述腿部结构沿逆时针方向依次设有第一腿部结构、第二腿部结构、第三腿部结构、第四腿部结构、第五腿部结构、第六腿部结构；
所述第一腿部结构、第三腿部结构与所述下传动板的腿部安装槽连接，所述第五腿部结构与所述外侧直齿轮连接，所述第二腿部结构、第四腿部结构、第六腿部结构与所述上传动板及外侧直齿轮连接；
所述第二传动杆上张紧装置及所述第二传动杆下张紧装置与所述第二传动杆内壁连接，用于分别张紧所述下绳索和所述上绳索，以控制腿部执行放下动作和提起动作的稳定性。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
该绳索驱动仿生六足爬壁机器人由六个闭合力传递系统、八个驱动关节、十六个联动关节、十八个关节组、六条腿部结构和躯体组成，通过控制驱动舵机和闭合力传递系统实现机器人的三角协同步态，减少了控制器的使用数量，大大减小了机器人的体积和质量，有效降低了制造难度、制造成本和控制系统的设计难度，扩大了六足机器人的应用范围。
附图说明
图1是本发明一种绳索驱动仿生六足爬壁机器人的立体图；
图2是本发明一种绳索驱动仿生六足爬壁机器人的正视图；
图3是本发明一种绳索驱动仿生六足爬壁机器人的俯视图；
图4是本发明一种绳索驱动仿生六足爬壁机器人的左视图；
图5是本发明一种绳索驱动仿生六足爬壁机器人传动系统示意图；
图6是本发明一种绳索驱动仿生六足爬壁机器人腿部结构示意图。
附图标记：
1-躯体，11-躯干，121-驱动舵机，122-锥齿轮组，1231-腿部安装槽，1232-上传动板，1233-下传动板，1241-外侧直齿轮，1242-内侧直齿轮，125-传动轴，126-轴向固定环；
2-腿部结构，211-第一关节组，212-第二关节组，213-第三关节组，221-第一传动杆，222-第二传动杆，223-第三传动杆，231-腿部驱动舵机，2321-上定滑轮，2322-下定滑轮，2331-上腿部直齿轮，2332-下腿部直齿轮，2341-第二传动杆上张紧装置，2342-第二传动杆下张紧装置，2343-第三传动杆上张紧装置，2344-第三传动杆下张紧装置，2351-第三传动杆上绳索末端固定孔，2352-第三传动杆下绳索末端固定孔，2361-上绳索，2362-下绳索；
L1-第一腿部结构，L2-第二腿部结构，L3-第三腿部结构，R3-第四腿部结构，R2-第五腿部结构，R1-第六腿部结构。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
参图1至图6所示，本实施例提供了一种绳索驱动仿生六足爬壁机器人，包括躯体1及与躯体1连接的六条腿部结构2，躯体1包括躯干11及传动系统，腿部结构2包括关节组、传动杆及闭合力传递系统；传动系统包括驱动舵机121、锥齿轮组122、传动板和直齿轮组，驱动舵机121连接躯干11及锥齿轮组122，传动板连接锥齿轮组122及直齿轮组或传动杆，直齿轮组或传动板连接六足机器人的传动杆，可使传动杆绕躯体1前后摆动；
关节组包括第一关节组211、第二关节组212及第三关节组213，第一关节组211连接直齿轮组或传动板及传动杆，可使传动杆在第一关节组211处绕躯体1前后摆动，第二关节组212连接传动杆及闭合力传递系统，可使传动杆绕第二关节组212上下摆动，第三关节组213连接传动杆及闭合力传递系统，可使传动杆绕第三关节组213上下摆动；传动杆包括第一传动杆221、第二传动杆222及第三传动杆223，第一传动杆221连接第一关节组211及第二传动杆222，第二传动杆222连接第二关节组212及第三传动杆223，第三传动杆223连接第三关节组213。
传动系统，用于通过驱动舵机121，控制六条腿部结构2的运动，以实现机器人的三角交替运动步态；
闭合力传递系统包括腿部驱动舵机231、定滑轮组、腿部直齿轮组、张紧装置、绳索末端固定孔及两根绳索；定滑轮组包括上定滑轮2321及下定滑轮2322，上定滑轮2321连接上腿部直齿轮2331及腿部驱动舵机231，下定滑轮2322连接下腿部直齿轮2332及腿部驱动舵机231；腿部直齿轮组包括上腿部直齿轮2331及下腿部直齿轮2332；张紧装置包括第二传动杆上张紧装置2341、第二传动杆下张紧装置2342、第三传动杆上张紧装置2343及第三传动杆下张紧装置2344；绳索末端固定孔包括第三传动杆上绳索末端固定孔2351及第三传动杆下绳索末端固定孔2352；两根绳索包括上绳索2361及下绳索2362。
该机器人利用传动系统和闭合力传递系统，驱动六条腿部结构运动；传动系统控制机器人实现三角交替运动步态。该机器人通过驱动舵机和腿部驱动舵机驱动，通过传动系统和闭合力传递系统控制，实现六足协同运动步态，具有体积小、质量轻、驱动器数量少、足部末端运动惯量小等特点，解决了小型机器人多驱动器、体积庞大、笨重的缺点，大大改善了小型机器人的实用性和适用性。
在本实施例中，上绳索2361连接上定滑轮2321及第三传动杆下绳索末端固定孔2352，通过第二传动杆222及第三传动杆下张紧装置2344实现绳索张紧，以控制机器人第二关节组212及第三关节组213的提起运动。
在本实施例中，下绳索2362连接下定滑轮2322及第三传动杆上绳索末端固定孔2351，通过第二传动杆222及第三传动杆上张紧装置2343实现绳索张紧，以控制机器人第二关节组212及第三关节组213的放下运动。
在本实施例中，第二传动杆上张紧装置2341及第二传动杆下张紧装置2342与第二传动杆222内壁连接，用于分别张紧下绳索2362和上绳索2361，以控制腿部执行放下动作和提起动作的稳定性。
参图1所示，在本实施例中，六条腿部结构分为两组，第一腿部结构L1、第三腿部结构L3、第五腿部结构R2为一组(A组)，控制三条腿部结构的运动，第二腿部结构L2、第四腿部结构R3、第六腿部结构R1为另一组(B组)，控制另三条腿部结构的运动。
下面对本发明作进一步详细说明。
参图1至图6所示，该绳索驱动仿生六足爬壁机器人包括躯干11、传动系统、腿部结构2、关节组、传动杆、闭合力传递系统。利用闭合力传递系统组成运动关节，驱动机器人腿部髋关节和膝关节运动；传动系统驱动机器人腿部根关节运动，控制机器人实现三角运动步态。
锥齿轮组122、传动板和直齿轮组组成传动系统的两组驱动关节组，由两个驱动舵机121驱动；传动系统共六个运动关节，包括两个驱动关节L2、R2和四个联动关节L1R1L3R3；锥齿轮组122连接驱动舵机121及传动板和直齿轮组，驱动舵机121通过舵机支架与躯干11固连，外侧直齿轮1241通过传动轴125与躯干11连接，传动板和内侧直齿轮1242通过轴向固定环126实现轴向定位；第一腿部结构L1、第三腿部结构L3通过螺栓与下传动板1233的腿部安装槽1231连接，第五腿部结构R2通过螺栓与外侧直齿轮1241连接，第二腿部结构L2、第四腿部结构R3、第六腿部结构R1通过螺栓与上传动板1232和外侧直齿轮1241连接；通过控制驱动舵机121的启停和正反转，可使传动杆绕躯体1前后摆动，实现该六足机器人的三角交替运动步态。
腿部结构2由关节组、传动杆、闭合力传递系统组成，闭合力传递系统包括腿部驱动舵机231、定滑轮组、腿部直齿轮组、张紧装置、绳索末端固定孔及两根绳索；腿部结构2共三个运动关节，包括一个驱动关节(第一关节组211)和两个联动关节(第二关节组212、第三关节组213)；腿部驱动舵机231通过螺栓与第一传动杆221固连，上腿部直齿轮2331和上定滑轮2321通过螺栓与腿部驱动舵机231的传动轴连接，下腿部直齿轮2332和下定滑轮2322通过螺栓与第一传动杆221连接，上腿部直齿轮2331和下腿部直齿轮2332可实现啮合；上绳索2361连接上定滑轮2321及第三传动杆下绳索末端固定孔2352，通过第二传动杆222及第三传动杆下张紧装置2344实现绳索张紧，以控制机器人第二关节组212及第三关节组213的提起运动；下绳索2362连接下定滑轮2322及第三传动杆上绳索末端固定孔2351，通过第二传动杆222及第三传动杆上张紧装置2343实现绳索张紧，以控制机器人第二关节组212及第三关节组213的放下运动。通过控制腿部驱动舵机231的启停和正反转，利用闭合力传递系统的工作特性，以实现机器人腿部的抬起和放下运动。
本实施例的工作原理如下：
(1)三角交替运动步态具体实施工作原理如下：
在本实施例中，第一步，A组腿腿部驱动舵机231正转，控制A组腿抬起。第二步，A组腿驱动舵机121正转，控制A组腿绕躯体1向前摆动。第三步，A组腿腿部驱动舵机231反转，控制A组腿放下。第四步，B组腿腿部驱动舵机231正转，控制B组腿抬起。第五步，B组腿驱动舵机121正转，控制B组腿绕躯体1向前摆动。第六步，B组腿腿部驱动舵机231反转，控制B组腿放下。同理，A组腿或B组腿驱动舵机121反转，控制A组腿或B组腿绕躯体1向后摆动。上述六个步骤为一个三角交替步态运动周期，六个步骤往复循环，可实现绳索驱动六足仿生爬壁机器人的前进或后退运动。
(2)闭合力传递系统具体实施工作原理如下：
在本实施例中，当腿部驱动舵机231正转，舵机传动轴带动上定滑轮2321和上腿部直齿轮2331正转，绕在上定滑轮2321且末端固定在第三传动杆下绳索末端固定孔2352的上绳索2361收线，同时，与上腿部直齿轮2331啮合的下腿部直齿轮2332反转，带动下定滑轮2322反转，绕在下定滑轮2322且末端固定在第三传动杆上绳索末端固定孔2351的下绳索2362放线，上绳索2361和下绳索2362在张紧装置作用下，始终保持张紧状态，从而使腿部结构2的第二传动杆222、第三传动杆223在第二关节组212、第三关节组213实现提起运动；同理，当腿部驱动舵机231反转，腿部结构2的第二传动杆222、第三传动杆223在第二关节组212、第三关节组213实现放下运动。
该绳索驱动仿生六足爬壁机器人采用驱动舵机和腿部驱动舵机驱动，通过传动系统和闭合力传递系统控制，大大减少了驱动器的使用数量，减小了整机的体积、质量和末端运动惯量，实现了六足机器人的小型化设计，极大地改善了机器人的可工作范围，在狭小环境的搜救、探测等方面具有广阔的应用前景。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (1)

1.一种绳索驱动仿生六足爬壁机器人，其特征在于，包括躯体(1)和六个腿部结构(2)，所述躯体(1)包括躯干(11)，所述躯干(11)通过传动系统与腿部结构(2)连接，所述传动系统包括用于控制六个腿部结构(2)按照三角交替运动步态行走的驱动舵机(121)；
所述腿部结构(2)包括关节组、传动杆及闭合力传递系统，所述关节组包括第一关节组(211)、第二关节组(212)、第三关节组(213)，所述第一关节组(211)为驱动关节，所述第二关节组(212)、第三关节组(213)为联动关节；
所述传动杆包括第一传动杆(221)、第二传动杆(222)及第三传动杆(223)；所述第一传动杆(221)连接第一关节组(211)及第二传动杆(222)，第二传动杆(222)连接第二关节组(212)及第三传动杆(223)，第三传动杆(223)连接第三关节组(213)；
所述闭合力传递系统包括腿部驱动舵机(231)、上定滑轮(2321)、下定滑轮(2322)、上腿部直齿轮(2331)、下腿部直齿轮(2332)、第二传动杆上张紧装置(2341)、第二传动杆下张紧装置(2342)、第三传动杆上张紧装置(2343)、第三传动杆下张紧装置(2344)、第三传动杆上绳索末端固定孔(2351)、第三传动杆下绳索末端固定孔(2352)、上绳索(2361)、下绳索(2362)；
所述腿部驱动舵机(231)与所述第一传动杆(221)固定连接，所述上腿部直齿轮(2331)及上定滑轮(2321)与腿部驱动舵机(231)的传动轴连接，所述下腿部直齿轮(2332)及下定滑轮(2322)与所述第一传动杆(221)连接，所述上腿部直齿轮(2331)和下腿部直齿轮(2332)啮合连接；
所述上绳索(2361)与所述上定滑轮(2321)及第三传动杆下绳索末端固定孔(2352)连接，用于通过所述第二传动杆(222)及第三传动杆下张紧装置(2344)张紧绳索，以控制所述第二关节组(212)及第三关节组(213)执行提起动作；
所述下绳索(2362)与所述下定滑轮(2322)及第三传动杆上绳索末端固定孔(2351)连接，用于通过所述第二传动杆(222)及第三传动杆上张紧装置(2343)张紧绳索，以控制所述第二关节组(212)及第三关节组(213)执行放下动作；
所述第二传动杆上张紧装置(2341)及所述第二传动杆下张紧装置(2342)与所述第二传动杆(222)内壁连接，用于分别张紧所述下绳索(2362)和所述上绳索(2361)，以控制腿部执行放下动作和提起动作的稳定性；
所述传动系统还包括锥齿轮组(122)、腿部安装槽(1231)、上传动板(1232)、下传动板(1233)、直齿轮组、传动轴(125)、轴向固定环(126)；所述直齿轮组包括外侧直齿轮(1241)、内侧直齿轮(1242)；
所述锥齿轮组(122)与所述驱动舵机(121)、传动板及直齿轮组连接，所述锥齿轮组(122)、传动板和直齿轮组组成传动系统的两组驱动关节组，由两个驱动舵机(121)驱动，所述驱动舵机(121)通过舵机支架与所述躯干(11)固定连接，所述外侧直齿轮(1241)通过传动轴(125)与所述躯干(11)连接，所述上传动板(1232)、下传动板(1233)、内侧直齿轮(1242)通过轴向固定环(126)实现轴向定位；
所述腿部结构(2)沿逆时针方向依次设有第一腿部结构(L1)、第二腿部结构(L2)、第三腿部结构(L3)、第四腿部结构(R3)、第五腿部结构(R2)、第六腿部结构(R1)；
所述第一腿部结构(L1)、第三腿部结构(L3)与所述下传动板(1233)的腿部安装槽(1231)连接，所述第五腿部结构(R2)与所述外侧直齿轮(1241)连接，所述第二腿部结构(L2)、第四腿部结构(R3)、第六腿部结构(R1)与所述上传动板(1232)及外侧直齿轮(1241)连接；
六条腿部结构分为两组，第一腿部结构(L1)、第三腿部结构(L3)、第五腿部结构(R2)为A组，控制三条腿部结构的运动，第二腿部结构(L2)、第四腿部结构(R3)、第六腿部结构(R1)为B组，控制另三条腿部结构的运动；
三角交替运动步态工作过程如下：
第一步，A组腿腿部驱动舵机(231)正转，控制A组腿抬起；
第二步，A组腿驱动舵机(121)正转，控制A组腿绕躯体(1)向前摆动；
第三步，A组腿腿部驱动舵机(231)反转，控制A组腿放下；
第四步，B组腿腿部驱动舵机(231)正转，控制B组腿抬起；
第五步，B组腿驱动舵机(121)正转，控制B组腿绕躯体(1)向前摆动；
第六步，B组腿腿部驱动舵机(231)反转，控制B组腿放下；
同理，A组腿或B组腿驱动舵机(121)反转，控制A组腿或B组腿绕躯体(1)向后摆动；
上述六个步骤为一个三角交替步态运动周期，六个步骤往复循环，实现绳索驱动六足仿生爬壁机器人的前进或后退运动；
所述闭合力传递系统工作过程如下：
当腿部驱动舵机(231)正转，舵机传动轴带动上定滑轮(2321)和上腿部直齿轮(2331)正转，绕在上定滑轮(2321)且末端固定在第三传动杆下绳索末端固定孔(2352)的上绳索(2361)收线，同时，与上腿部直齿轮(2331)啮合的下腿部直齿轮(2332)反转，带动下定滑轮(2322)反转，绕在下定滑轮(2322)且末端固定在第三传动杆上绳索末端固定孔(2351)的下绳索(2362)放线，上绳索(2361)和下绳索(2362)在张紧装置作用下，始终保持张紧状态，从而使腿部结构(2)的第二传动杆(222)、第三传动杆(223)在第二关节组(212)、第三关节组(213)实现提起运动；同理，当腿部驱动舵机(231)反转，腿部结构(2)的第二传动杆(222)、第三传动杆(223)在第二关节组(212)、第三关节组(213)实现放下运动。
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