CN111605641A - 一种小型六足仿生机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型六足仿生机器人，包括机身、六个机械腿、与机械腿连接的足，设置在机身内的驱动机构和齿轮传动机构；六个机械腿、足沿机身的两侧对称分布。机器人运动时，步进电机输出轴转动，通过齿轮传动机构带动大直齿轮转动，从而使大直齿轮上的连杆绕着齿轮轴转动，驱动腿、足做出迈步的动作，达到运动的目的。本发明采用机械装置来实现一个电机控制同侧三条腿的转动，将控制机器人运动所需的电机数量减少到个，使得机器人控制简单，体积小、轻便。而采用齿轮传动的方式，既可以使传动过程中平均传动比准确，工作可靠，又能减少通讯信号的传递，降低发生通讯故障的概率。

Description

一种小型六足仿生机器人

技术领域

本发明属于仿生机器人技术领域，特别是一种小型六足仿生机器人。

背景技术

在野外狭小、泥泞等复杂环境中，人们常用小型机器人来代替自己完成探索任务。其中仿生六足机器人，作为多足机器人的代表，相比较两足和四足机器人，具有重心稳、行走稳定、平衡性高等优点，可在非结构化地形上行走，具有很强的越障能力与环境适应性。

现有的六足机器人，大致可分为两类，一类是关节直驱式六足机器人，如专利CN201710030766及专利CN201822171027公开的多足仿生机器人，该种机器人每条机械腿上均安装有三个数字舵机，分别控制三个转动副，单腿内各个关节串联，多足间并联协调运动，由于舵机数量多，控制复杂，并且受环境因素影响大，舵机的容错率较低，一旦某个舵机出现故障，整个机器人将无法正常运动，制造和维护成本也很高，优点是在改变运动方向时，机器人躯干无需旋转即可达到转向的目的，并且稳定性高，承载能力强，行走转向快捷；

另一类六足机器人采用机械结构使得各个机械腿之间建立联系，用较少的电机来控制六条腿协调运动，目前已有的专利显示，该种六足机器人普遍存在无法转弯，转弯困难，机械结构复杂等问题，专利CN201510404371所述的六足机器人采用一台伺服电机来驱动六条机械腿完成行走任务，传动装置简单方便，由于该专利侧重机器人的承重能力，机器人的体型偏大，并且腿部结构较为复杂，足部运动幅度小，难以在凹凸程度大的路面上运动，足部的轮式结构也使得机器人无法在倾斜的路面上行走，同时，该机器人无法自动转弯。专利CN201710953603所述的六足机器人采用机械传动的方法，使得一个电机同时控制三条机械腿的运动，保证了控制系统的精确性和机器人行走的平稳性，和本专利理念相同，但该六足机器人的机械传动机构略显复杂，齿轮传动次数较多，能量损耗较大，并且该机器人的转向方式存在缺陷，需要机器人停下来，并六足同时触地，靠摩檫力来进行转向，而实际运动环境中，地面可能凹凸不平，这就导致各足对地的摩檫力不同，提供给机器人的转动力不同，难以转向。而且该机器人运动时只是电机轴转动带动机械腿绕轴转动，与六个轮子驱动效果相当。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型六足仿生机器人，具备前进、后退和转弯的运动形式，通过搭载在机器人身上的摄像头和小型探测仪等附件，可完成野外狭小空间的探索任务。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种小型六足仿生机器人，包括机身、六个机械腿、与机械腿连接的足，设置在机身内的驱动机构和齿轮传动机构；其特征在于，

所述驱动机构包括第一步进电机、第二步进电机、轴承架、电机盒、电池装置；所述第一步进电机、第二步进电机输出轴前后相反设置，转向相反；第一步进电机通过齿轮传动机构驱动机身一侧的三个机械腿；第二步进电机通过齿轮传动机构驱动机身另一侧的三个机械腿；

所述齿轮传动机构包括小斜齿轮、大斜齿轮、第一大直齿轮、第一小直齿轮、第二大直齿轮、第二小直齿轮、第三大直齿轮；

所述第一步进电机和第二步进电机输出轴分别与小斜齿轮固连；所述小斜齿轮和大斜齿轮啮合；所述大斜齿轮通过齿轮轴与第一大直齿轮连接；所述第一大直齿轮与第一小直齿轮啮合；所述第一小直齿轮与第二大直齿轮啮合；所述第二大直齿轮与第二小直齿轮啮合；所述第二小直齿轮与第三大直齿轮啮合；一侧三个机械腿通过连杆分别与第一大直齿轮、第二大直齿轮、第三大直齿轮连接；上述三个大直齿轮和两个小直齿轮均通过齿轮轴支撑在轴承架上；所述连杆穿过相应的大直齿轮上的圆孔，可相对相应的大直齿轮转动并沿大直齿轮轴向有限移动；所述机械腿穿过机身上的圆孔，并与连杆转动连接；所述足和机械腿固连。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)采用机械装置来实现一个电机控制同侧三条腿的转动，将控制机器人运动所需的电机数量从现有的18个减少到2个，大幅降低了控制难度，在减少机身重量和体积的同时，还保证了控制系统的精确性和机器人行走的平稳性。

(2)采用齿轮传动方式，传动过程中无弹性滑动和打滑现象，平均传动比准确，工作可靠且效率高，能在高温、潮湿、多尘、有污染等恶劣环境中工作。

(3)采用机械传动的连接形式，减少主板与各驱动之间通讯信号的传递，降低发生通讯故障的概率，从而提高整个系统的鲁棒性。

(4)机器人的腿和足通过螺纹连接，方便拆卸和更换，便于携带，并且不同长度和不同足部特点的支腿，可以使机器人能够更好的适应不同的地形。

附图说明

图1为本发明的一种小型六足仿真机器人三维主视图。

图2为小型六足仿真机器人三维俯视图。

图3为小型六足仿真机器人内部结构俯视图。

图4为机械腿与大直齿轮连接示意图。

图5为机械腿与大直齿轮连接剖视图。

图6为机械腿结构示意图。

图7(a-c)分别为足的三种结构示意图。

图8为上机身结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1-图8，本发明的一种小型六足仿生机器人，包括上机身11、下机身12、六个机械腿21、与机械腿21连接的足22，设置在下机身12内的驱动机构和齿轮传动机构；

所述驱动机构包括第一步进电机411、第二步进电机412、电机盒42、电池装置43、轴承架51；

所述下机身12左右两侧分别设有三个机械腿21；所述第一步进电机411、第二步进电机412、电池装置43均设置在电机盒42内，用于为电机供电；所述第一步进电机411、第二步进电机412输出轴前后相反设置；第一步进电机411用于驱动下机身12一侧例如左侧的齿轮传动机构，第二步进电机412用于驱动下机身12另一侧例如右侧的齿轮传动机构；

所述齿轮传动机构包括小斜齿轮34、大斜齿轮33、第一大直齿轮31、第一小直齿轮32、第二大直齿轮36、第二小直齿轮37、第三大直齿轮38；

以第一步进电机411为例，所述第一步进电机411输出轴与小斜齿轮34固连；所述小斜齿轮34和大斜齿轮33啮合；所述大斜齿轮33通过齿轮轴53与第一大直齿轮31 连接，用于带动第一大直齿轮31转动；所述第一大直齿轮31与第一小直齿轮32啮合；所述第一小直齿轮32与第二大直齿轮36啮合；所述二大直齿轮36与第二小直齿轮37 啮合；所述第二小直齿轮37与第三大直齿轮38啮合；所述下机身12一侧的三个机械腿21通过连杆35分别与第一大直齿轮31、第二大直齿轮36、第三大直齿轮38连接；上述三个大直齿轮和两个小直齿轮均通过齿轮轴支撑在轴承架51上；所述轴承架51和机身12之间采用螺栓固连。

所述第一大直齿轮31、第二大直齿轮36、第三大直齿轮38上均设有圆孔，所述连杆35采用横向T形结构，所述连杆35穿过相应的大直齿轮上的圆孔，可相对相应的大直齿轮转动并沿大直齿轮轴向有限移动，所述机械腿21穿过下机身12上的圆孔，并与连杆35转动连接；所述足22和机械腿21通过螺纹固连。

机器人运动时，第一步进电机411带动小斜齿轮34转动，小斜齿轮34带动大斜齿轮33转动，大斜齿轮33通过齿轮轴53带动第一大直齿轮31转动，第一大直齿轮31 带动连杆35绕着齿轮轴53转动，驱动腿21、足22做出迈步的动作，从而达到运动的目的。

所述机械腿21采用两段C形弧结构的圆弧设计，与穿过下机身12上的圆孔有一定的间隙，当大直齿轮转动时，机械腿21的上端随着大直齿轮绕齿轮轴53做圆周运动，由于机械腿21的中部被限制，只能在下机身12圆孔中移动并做出小幅度的转动，使机械腿21的下端做类圆运动，促使与机械腿21相连的足22做出类似迈步的动作。圆弧设计是因为机械腿21的上下两个极限位置倾斜度相差太大，如果直线设计，为了能完成完整的迈步运动，势必会使得下机身12上的圆孔过大，使圆孔与机械腿的间隙变大，从而使得机械腿21在运动过程中晃动太严重。

所述足22和机械腿21通过螺纹固连，通过螺纹连接，如图7(a-c)可以通过更换不同类型、不同长度的足，使六足机器人适应不同的地形，足22的下端即与地面接触的圆台部分采用橡胶材质，增加机械腿在运动过程中与地面的摩擦力，使运动更平稳。

和第一大斜齿轮33连接的齿轮轴53，通过两个相对的轴承52和轴承架51相连；用于安装第一小直齿轮32、第二大直齿轮36、第二小直齿轮37的齿轮轴外形相同，长度一致；为了减少安装后的空隙，使机器人内部结构尽可能的紧凑，用于安装第一小直齿轮32、第二大直齿轮36、第二小直齿轮37的轴承52，安装在轴承架51内侧，用于安装第三大直齿轮38的轴承52安装在轴承架51的外侧。

所述小斜齿轮34和大斜齿轮33均为端面圆柱斜齿轮，两斜齿轮的齿数比为1：2，小斜齿轮34和电机轴之间采用螺栓进行定位和固连，大斜齿轮33和齿轮轴53之间也采用螺栓进行定位和固连。

上述的小直齿轮、大直齿轮与对应的齿轮轴53之间采用无头螺钉连接，在直齿轮齿面上向齿轮轴心钻直径为1mm的通孔并向内攻丝2mm左右，将无头螺钉旋入该螺纹孔中，并在齿轮轴相应的装配位置钻2mm深，直径1mm的孔，将螺钉旋入，即可固定齿轮和轴的相对位置。

所述上机身11、下机身12均为中空壳体，所述上机身11和下机身12采用螺栓连接；所述上机身11前后各有一个凹槽，用来装载摄像装置和探测装置。所述上机身11 和下机身12构成的躯体尺寸为100mm×50mm×34mm，机械腿张开后，整体尺寸最大为100mm×130mm×60mm。

所述电机盒42用来固定步进电机41和电源装置43，电机盒42与轴承架51固连。

直行时，机器人以三角步态行走，第一步进电机411控制左侧第一机械腿211、第二机械腿212、第三机械腿213同步运动，第二步进电机412控制右侧第四机械腿214、第五机械腿215、第六机械腿216同步运动，两个步进电机转向相反，使得左右机械腿的运动方向相同。规定第一机械腿211、第三机械腿213、第五机械腿215步态相同并竖直着地时，两个步进电机为初始状态，转角为0°，此时第二机械腿212、第四机械腿214、第六机械腿6的足尖处于最高点，和第一机械腿211、第三机械腿213、第五机械腿215步态差180°。当第一机械腿211、第三机械腿213、第五机械腿215着地时，第二机械腿212、第四机械腿214、第六机械腿216抬起，当第一机械腿211、第三机械腿213、第五机械腿215抬起时，第二机械腿212、第四机械腿214、第六机械腿216 着地，使得机器人在直行过程中，始终有三条机械腿着地，使得机器人的重心始终在三条机械腿着地点组成的三角形内，所以机器人能保持平稳的运动而不会倾倒，只要同时改变两个电机的转向，即可使机器人后退。

机器人左转时，保持第一步进电机411处于初始状态，使得机械腿第一机械腿211、第三机械腿213竖直着地，驱动第二步进电机412转动，使得第四机械腿214、第五机械腿215、第六机械腿216向前迈步，实现机器人左转。在机器人左转过程中，最少有三条机械腿着地，所以机器人能保持平稳的左转而不会倾倒。转动幅度通过传感器进行检测，等转到理想的设定角度后，驱动第二步进电机412到最近的初始状态，然后恢复两个步进电机到相同的转速，使机器人向前或向后运动。

机器人右转时，保持第一步进电机411处于初始状态，驱动第二步进电机412反向转动，使得第四机械腿214、第五机械腿215、第六机械腿216向后迈步，实现机器人右转。等转到理想的设定角度后，驱动第二步进电机412到最近的初始状态，然后恢复两个步进电机到相同的转速，使机器人向前或向后运动。

Claims (9)

1.一种小型六足仿生机器人，包括机身(1)、六个机械腿(21)、与机械腿(21)连接的足(22)，设置在机身内的驱动机构和齿轮传动机构；其特征在于，

所述驱动机构包括第一步进电机(411)、第二步进电机(412)、电机盒(42)、电池装置(43)、轴承架(51)；所述第一步进电机(411)、第二步进电机(412)输出轴前后相反设置，转向相反；第一步进电机(411)通过齿轮传动机构驱动机身一侧的三个机械腿(21)；第二步进电机(412)通过齿轮传动机构驱动机身另一侧的三个机械腿(21)；

所述齿轮传动机构包括小斜齿轮(34)、大斜齿轮(33)、第一大直齿轮(31)、第一小直齿轮(32)、第二大直齿轮(36)、第二小直齿轮(37)、第三大直齿轮(38)；

所述第一步进电机(411)和第二步进电机(412)输出轴分别与小斜齿轮(34)固连；所述小斜齿轮(34)和大斜齿轮(33)啮合；所述大斜齿轮(33)通过齿轮轴(53)与第一大直齿轮(31)连接；所述第一大直齿轮(31)与第一小直齿轮(32)啮合；所述第一小直齿轮(32)与第二大直齿轮(36)啮合；所述第二大直齿轮(36)与第二小直齿轮(37)啮合，所述第二小直齿轮(37)与第三大直齿轮(38)啮合；一侧三个机械腿(21)通过连杆(35)分别与第一大直齿轮(31)、第二大直齿轮(36)、第三大直齿轮(38)连接；上述三个大直齿轮和两个小直齿轮均通过齿轮轴支撑在轴承架(51)上；所述连杆(35)穿过相应的大直齿轮上的圆孔，可相对相应的大直齿轮转动并沿大直齿轮轴向有限移动；所述机械腿(21)穿过下机身(12)上的圆孔，并与连杆(35)转动连接；所述足(22)和机械腿(21)固连。

2.根据权利要求1所述的小型六足仿生机器人，其特征在于，所述机械腿(21)采用两段C形弧结构。

3.根据权利要求1所述的小型六足仿生机器人，其特征在于，所述足(22)和机械腿(21)通过螺纹固连。

4.根据权利要求1所述的小型六足仿生机器人，其特征在于，所述足(22)的下端即与地面接触的圆台部分采用橡胶材质。

5.根据权利要求1所述的小型六足仿生机器人，其特征在于，上述齿轮的齿轮轴均通过轴承支撑在轴承架(51)上；用于安装第一小直齿轮(32)、第二大直齿轮(36)、第二小直齿轮(37)的轴承(52)，安装在轴承架(51)内侧，用于安装第一大直齿轮(31)、第三大直齿轮(38)的轴承(52)安装在轴承架(51)的外侧。

6.根据权利要求1所述的小型六足仿生机器人，其特征在于，所述小斜齿轮(34)和大斜齿轮(33)均为端面圆柱斜齿轮，两斜齿轮的齿数比为1：2。

7.根据权利要求1所述的小型六足仿生机器人，其特征在于，上述的小直齿轮、大直齿轮与对应的齿轮轴之间采用无头螺钉连接。

8.根据权利要求1所述的小型六足仿生机器人，其特征在于，所述机身(1)包括上机身(11)和下机身(12)；所述上机身(11)前后各有一个凹槽，用来装载摄像装置和探测装置。

9.根据权利要求1所述的小型六足仿生机器人，其特征在于，机器人运动过程为：

直行时，机器人以三角步态行走，第一步进电机(411)控制左侧第一机械腿(211)、第二机械腿(212)、第三机械腿(213)同步运动，第二步进电机(412)控制右侧第四机械腿(214)、第五机械腿(215)、第六机械腿(216)同步运动，两个步进电机转向相反；所述第一机械腿(211)、第三机械腿(213)、第五机械腿(215)步态相同并竖直着地时，两个步进电机为初始状态，转角为0°，第二机械腿(212)、第四机械腿(214)、第六机械腿6和第一机械腿(211)、第三机械腿(213)、第五机械腿(215)步态差180°；

机器人左转时，保持第一步进电机(411)处于初始状态，使得第一机械腿(211)、第三机械腿(213)竖直着地，驱动第二步进电机(412)转动，使得第四机械腿(214)、第五机械腿(215)、第六机械腿(216)向前迈步，实现机器人左转；

机器人右转时，保持第一步进电机(411)处于初始状态，驱动第二步进电机(412)反向转动，使得第四机械腿(214)、第五机械腿(215)、第六机械腿(216)向后迈步，实现机器人右转。

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