CN111775508A - 新型多自由度刚性厚板剪纸爬行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新型多自由度刚性厚板剪纸爬行机器人，由左右两个对称部分组成，左右两部分在折叠处铰接，以实现机器人的展开与折叠，有四个自由度，四个舵机驱动，其两个舵机实现左右对称部分的展开运动，其余两个舵机安装在头部，实现机器人前后的折叠运动，四个轮子在电机带动下分别绕电机轴线转动进行位姿调整以适应展开角度。机器人末端轮子上安装单向轴承，使得该爬行机器人能够实现单方向爬行运动。该新型多自由度刚性厚板剪纸爬行机器人具有结构轻便紧凑，折展过程稳定，控制容易等优点。

Description

新型多自由度刚性厚板剪纸爬行机器人

技术领域

本发明属于折叠机器人技术领域，具体的是指一种利用折叠性质移动的新型多自由度刚性厚板剪纸爬行机器人。

背景技术

折纸是一门古老的民间艺术，其可以将二维平面的物体折叠成三维的模型，这在航天、医疗、机器人等领域有很大的应用前景。并且近些年来，随着折纸数学的发展，折纸艺术不断与现代科学结合衍生出了折纸工程学。而在工程应用上传统的薄纸结构无法满足常用材料具有刚性的要求，故又产生了刚性折纸，刚性折纸结构凭借良好的折叠特性被用于各种可展结构的设计中。近年来，为使机器人能适应工作环境的变化，科技人员又将折纸技术应用到机器人设计中来。目前设计出来的折纸机器人主要分为三类，骨架型折纸机器人、驱动型折纸机器人和外壳型折纸机器人。但是传统的折纸机器人很少关心在折叠时形状的变化，大部分都是单纯的利用记忆合金进行伸缩蠕动，这对于任意伸缩结构都可做到。

近年来，折纸折叠方式由于折痕不允许裁开的约束条件，使得其在大折展比应用中具有一定的局限性，为了获得更大的折展比，基于折纸的剪纸折叠方式应运而生，该折叠方式允许裁开部分折痕以设计可展开结构。目前对于剪纸折叠方式的应用主要在薄板柔性材料的情况，对于具有刚性和厚度材料的剪纸可展结构的研究非常少，在机器人领域更未见过应用剪纸折叠方式设计的爬行机器人。对于爬行机器人而言，希望其在运动过程中能够在一个运动过程中具有较长的移动距离，这就要求机器人主体结构具有较大的折展比，在工作过程中，希望爬行机器人的爬行运动容易控制，具有明确的运动形式，这便于搭建相应的控制模块。因此，设计结构简单、具有大折展比的可展爬行机器人是新型爬行机器人的研究难点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，提出了一种利用折展时形状的变化进行移动的新型多自由度刚性厚板剪纸爬行机器人，该厚板剪纸折叠方式来源于刚性厚板折纸，通过去除折纸的部分折痕，构成了新的剪纸折叠形式，以解决现有折纸爬行机器人折展比小、结构复杂和运动形式复杂的问题。

本发明是这样实现的，

一种新型多自由度刚性厚板剪纸爬行机器人，具有四个自由度，由十个板块经铰接在一起构成，每两个同名板为一组，相对布置，每侧五个板块自一端到另一端分别基板、主动板、中心板、从动板以及尾板；每侧五个板块间铰接、两个基板之间以及两个尾板之间分别由销轴铰接，中心板呈等腰梯形状，主动板与从动板为四边形状，分别铰接在中心板的两个腰侧，主动板与中心板的铰接轴线与主动板与基板的铰接轴线平行，从动板与中心板的铰接轴线与从动板与尾板的铰接轴线平行；每个基板及尾板外侧安装由电机控制能在折叠过程中保持轮轴线处于水平状态的轮子；还包括第一组两个舵机，分别位于两个基板之间以及两个尾板之间，用于控制相对布置两侧的板体进行分开与闭合运动，以及第二组两个舵机，分别位于中心板与主动板之间，用于控制主动板相对基板折叠，通过销轴将运动传递给中心板并传递至尾板，使板块前后折叠运动最终将力传给轮子，使尾部走轮在单向轴承的作用下受向前拉力滚动，头部轮子受向后拉力滑动，使爬行机器人前移，前进一次距离为两倍折展量。

其中，每个板块的销轴连接侧设置有配合的关节，包括第一关节与第二关节，分别设两个板体上，所述第二关节的直径大于第一关节的直径，所述销轴将第一关节与第二关节串接连接以实现将两个板体相铰接，所述第一关节与销轴为过盈配合连接。

其中，连接所述尾板与中心板的销轴所连接的关节内安装所述单向轴承。为了方便安装，过盈连接的销轴截面可以设计成圆角矩形，过盈连接的关节的孔截面圆角花形，连接时销轴旋进小圆角内，形成过盈配合。

所述新型多自由度刚性厚板剪纸爬行机器人，还包括控制电路板，布置于中心板上，所述控制电路板与舵机连接，用于控制舵机的旋转角度；所述尾板上布置的电池为用电器件供电。控制模块的布置充分与板块结合，节省空间。

其中，所述基板以及尾板的外侧形成的轮子安装槽，所述安装槽有支撑轴，支撑轴上安装有轮子连接的轴座，轴座与电机的驱动轴连接，由电机驱动旋转以实现控制轮子相对所述支撑轴的轴线旋转。

本发明该机器人左右两部分板形基本相似，功能也一致，左右相对布置的单元的运动销轴实现，通过销轴连接在一起并形成一个可展结构，销轴位置同厚板剪纸中的峰谷折痕一样，分别位于板面上表面和下表面，以实现机器人的折叠与展开，共用四个舵机以使结构具有确定的运动，且采用舵机控制爬行运动，控制方法简单易实现。其中两个中间舵机用于控制左右对称单元的折展运动，与此同时，控制轮子的旋转轴线的位置，使其一直处于水平位置，当左右对称单元折叠成一定角度后，控制左右边的舵机使主动板相对基板折叠，并通过销轴将运动形式传递给中心板,并最终传递至尾板，板块的前后的折叠运动最终以力的形式传给轮子，固定在头部的轮子受到向后的拉力，尾部的轮子受到向前拉力，在单向轴承的作用下，后轮向前滚动，前轮微小滑动，前进一次距离约为两倍折展量。

本发明板块设计遵循厚板剪纸折叠规律，充分利用了剪纸结构的折展特性，结构简单容易实现，使得折展比和运动可靠性显著提升；改进了传统的折纸机器人，利用新的剪纸构型实现形状变化驱动，结构轻便简单，折展稳定。

附图说明

图1为本发明的新型多自由度刚性厚板剪纸爬行机器人的结构示意图。

图2为本发明的基板的结构示意图。

图3为本发明折叠板块角度参数示意图。

图4为本发明的折叠移动过程示意图。

图5-6为本发明的扭转示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-6所示，新型多自由度刚性厚板剪纸爬行机器人，共由10块板组成，除中间有条狭缝外，其余各板通过关节在折痕处连接，并且可见关节按峰谷折痕的不同，分别布置在连接处的下方和上方，连接销轴位置同厚板剪纸中的峰谷折痕位置一样，分别位于板面上表面和下表面，以实现机器人的折叠与展开，其由第一中间舵机17、第二中间舵机21控制左右部分的折展，右边舵机6控制右边结构的折展，左边舵机20控制左边结构的折展，并且电机3控制轮子4的位姿。

工作时，舵机的转矩输出至该新型多自由度刚性厚板剪纸爬行机器人的主动板7，之后通过销轴带动后面各板运动，其主要运动轨迹为相对基板1旋转，在折叠过程中，其相对基板1向外折叠；新型多自由度刚性厚板剪纸爬行机器人的中心板8上设计出卡槽10，用于携带控制电路板9以及扩展电路板19。中心板8在运动中会被主动板7抬起，同时在重力的作用下向里折叠。

新型多自由度刚性厚板剪纸爬行机器人从动板11与主动板7的结构一致，大体呈四边形结构与中心板8的梯形的形状完整贴合。从动板11上不安装电机。中心板8向斜上方抬起的时候，从动板11向内折叠，同时由于自身长度的缩短，会拖动尾板向前运动。

新型多自由度刚性厚板剪纸爬行机器人尾板15上安装舵机和用于移动的轮子4，轮子4与单向轴承内圈过盈配合，单向轴承外圈与轴座过盈配合。

如图2所示，新型多自由度刚性厚板剪纸爬行机器人的右侧的基板1的结构，其直接与舵机相连，与右舵机6为固定连接，与第二中间舵机21通过轴相连，控制轮子4的位姿的电机3安装在电机固定槽22里，电机3设置有电机盖板2。

每个板块的销轴连接侧设置有配合的关节，包括第一关节12与第二关节14，分别设两个板体上，所述第二关节的直径大于第一关节的直径，所述销轴将第一关节与第二关节串接连接以实现将两个板体相铰接，所述第一关节与销轴为过盈配合连接。

其中，基板上开通电机固定槽22，便于电机安装，轴座支撑轴23比轴座5稍长，用于安装紧固环，防止轮子相对结构整体前向移动。其中轴座5与电机3为过盈连接，带动轮子径向转动；主动板7与左右边舵机转轴相连；两个基板间是通过连接关节24以及销轴连接，中心板8运动轨迹相对平稳，有足够空间，便于安装控制电路板9；从动板11与主动板结构一致，运动轨迹上也相对一致；尾板15设计有轮子安装槽，并外表面上设计卡扣16，可携带安装电池18。

如图3所示，新型多自由度刚性厚板剪纸爬行机器人各板块角度参数，即折痕参数示意图其为图1顺时针转90°，为便于标注，仅画出板块上主要结构。依据剪纸理论，同时为便于控制，选择两个单顶点四折痕单元共用一条折痕，依次串联起四个单顶点四折痕单元并裁开中间折痕，从而构成剪纸模型。折痕也可设计成非对称形式，合理控制电机输出的转矩即可。

其中α₁+α₂+α₁₅+α₁₆＝2π，α₃+α₄+α₁₃+α₁₄＝2π，α₅+α₆+α₁₁+α₁₂＝2π，α₇+α₈+α₉+α₁₀＝2π，为了减小折叠过程中的驱动力，实现较大的折叠率，并保证折叠过程更加可靠，本实施优选各个角度小于180度，并且各个角之间相差不大，以简化控制程序，确保运动协调性。

本发明具体工作过程如下：

首先其初始位置如图1所示，准备运动时，Arduino板控制第一中间舵机17、第二中间舵机21输出一定转矩，使得左右两对称单元折叠。同时，控制电机5转动，使轮子轴线保持水平，轮子该转过的角度与左右对称单元夹角相关，为其补角一半。左右对折的角度小于90度合适，完成前期准备后，控制右边舵机6、左边舵机20输出转矩，带动主动板运动，在形状和重力约束下，主动板的运动通过销轴传递至中心板，中心板再通过从动板传至尾板，完成一次前后的折叠运动，该机器人的折展过程如图4所示。在单向轴承的作用下，尾板向前移动一个折叠量，之后控制舵机逆向转动，使其前后展开至最长，基板向前运动一个展开量，进一步使得机器人向前运动。该机器人身体也可进行一定的转弯，以改变运动方向。此时需同时控制四个电机，并且输出的转矩也不同，如图5所示。

本发明基于刚性厚板剪纸理论设计，使该机器人折展稳定，折叠收缩量大，移动距离长，并且控制方式简便，实现容易。

本发明基于厚板剪纸折叠方式采用舵机驱动，克服了传统的利用形状记忆材料的方法，最大限度展现剪纸优势，其可以通过自身折叠改变整体宽度，从而通过狭窄的环境。

本发明结构轻便，易于制造组装，板块结构相似，方便加工，所用零件种类较少，容易配置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种新型多自由度刚性厚板剪纸爬行机器人，其特征在于，具有四个自由度，由十个板块经铰接在一起构成，每两个同名板为一组，相对布置，每侧五个板块自一端到另一端分别基板、主动板、中心板、从动板以及尾板；每侧五个板块间铰接、两个基板之间以及两个尾板之间分别由销轴铰接，中心板呈等腰梯形状，主动板与从动板为四边形状，分别铰接在中心板的两个腰侧，主动板与中心板的铰接轴线与主动板与基板的铰接轴线平行，从动板与中心板的铰接轴线与从动板与尾板的铰接轴线平行；每个基板及尾板外侧安装由电机控制能在折叠过程中保持轮轴线处于水平状态的轮子；还包括第一组两个舵机，分别位于两个基板之间以及两个尾板之间，用于控制相对布置两侧的板体进行分开与闭合运动，以及第二组两个舵机，分别位于中心板与主动板之间，用于控制主动板相对基板折叠，通过销轴将运动传递给中心板并传递至尾板，使板块前后折叠运动最终将力传给轮子，使尾部走轮在单向轴承的作用下受向前拉力滚动，头部轮子受向后拉力滑动，使爬行机器人前移，前进一次距离为两倍折展量。

2.根据权利要求1所述新型多自由度刚性厚板剪纸爬行机器人，其特征在于，每个板块的销轴连接侧设置有配合的关节，包括第一关节与第二关节，分别设两个板体上，所述第二关节的直径大于第一关节的直径，所述销轴将第一关节与第二关节串接连接以实现将两个板体相铰接，所述第一关节与销轴为过盈配合连接。

3.根据权利要求2所述新型多自由度刚性厚板剪纸爬行机器人，其特征在于，连接所述尾板与中心板的销轴所连接的第二关节内安装所述单向轴承。

4.根据权利要求1所述新型多自由度刚性厚板剪纸爬行机器人，其特征在于，还包括控制电路板，布置于中心板上，所述控制电路板与舵机连接，用于控制舵机的旋转角度；所述尾板上布置的电池为用电器件供电。

5.根据权利要求1所述新型多自由度刚性厚板剪纸爬行机器人，其特征在于，所述基板以及尾板的外侧形成的轮子安装槽，所述安装槽有支撑轴，支撑轴上安装有轮子连接的轴座，轴座与电机的驱动轴连接，由电机驱动旋转以实现控制轮子相对所述支撑轴的轴线旋转。

Images