CN114074726A - 仿蝾螈机器人 - Google Patents
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Abstract
一种仿蝾螈机器人,包括躯干和仿生腿,该机器人躯干由头部关节、多个连接关节、多个髋关节和尾部关节首尾相连组成,转动角度大,运动灵活;仿生腿由大腿杆,小腿杆,连杆,足端杆四部分组成,仿生腿可根据不同环境不同运动模式改变腿长及形态;通过躯干与仿生腿协调运动,可以使实现机器人肢式爬行、体式蠕动和蜷缩等多种运动形式;利用分布于躯干的触觉感知系统,与环境自主交互,智能生成灵活敏捷的运动模式。该仿蝾螈机器人可以感知周围环境,选择运动形式适应周围环境,对于复杂环境具有较高的通过性。
Description
技术领域
本发明涉及仿生移动机器人技术领域,尤其涉及一种体-肢多模式协同运动的仿蝾螈机器人。
背景技术
我国南部存在大量丛林地带。自然环境复杂恶劣,林深草密、闷热潮湿、泥泞湿滑。在复杂潮湿的环境中执行任务或进行巡逻,单靠人力完成各种作业体力消耗巨大且异常困难,而常规移动装备难以适应复杂潮湿环境,地面通过性差,难以满足需求。针对密林深草等高阻性环境,以通过性为目标,研究一种轻捷灵活的仿蝾螈机器人,可以搭载侦察设备、通讯中继或特殊作战装置,单独作业或伴随士兵执勤。设计灵感来源于蜥蜴、蝾螈等具有灵活运动躯干的动物,提出一种兼具躯干运动关节和四肢运动关节的多模式运动机器人,通过体-肢协同实现肢式爬行、体式蠕动等多种运动模式。利用分布于躯干的触觉感知系统,与环境自主交互,智能生成灵活敏捷的运动模式。机器人轻便小巧,可以进行盘形折叠,易携带,具有较高的隐秘性,通过无线通讯实现遥控或自主运动。机器人成本低廉,可以集群应用,通过冗余配置提高作战任务的执行成功率。
发明人发现国内相关类似仿蝾螈机器人在四肢仿生结构与多种运动模式方面仍有欠缺,其大多具有相对单一的运动模式,在不同环境进行运动时,机器人结构难以适应环境变化,在完成多种任务时存在诸多限制。并且该类机器人相对专注于进行运动性能研究,目前在环境自主交互方面仍有欠缺。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足,本发明提出了一种仿生程度高,根据不同环境以及作业要求改变运动形式,运动自由度大,并可以实现环境感知与交互的仿蝾螈机器人,本发明所采取的技术方案如下:
一种仿生蝾螈机器人,包括:头部关节,尾部关节,多个髋关节,多个连接关节以及多组仿生腿;头部关节,尾部关节和髋关节均包括刚性壳体;其中头部关节,尾部关节,多个髋关节和多个连接关节构成仿蝾螈机器人躯干,仿生腿由大腿杆,小腿杆,连杆,足端杆四部分组成。
根据权利要求1所述的仿蝾螈机器人,其特征在于:所述头部关节的刚性壳与相邻连接关节的驱动舵机的输出轴相连构成转动副,所述连接关节的刚性壳与下一相邻关节的驱动舵机的输出轴相连形成转动副,所述髋关节刚性壳内腔两侧分别放置连接腿部的驱动舵机,髋关节的刚性壳与下一相邻关节的驱动舵机输出轴相连形成转动副,所述尾关节的驱动舵机的输出轴与上一相邻连接关节的刚性壳相连形成转动副,各个关节通过驱动舵机实现相邻关节之间的相对转动。
本发明在仿蝾螈机器人髋关节两侧安装有仿生腿,于髋关节内腔设置用于驱动仿生腿运动的电机,仿生腿由大腿杆,小腿杆,连杆和足端杆四种构件组成;大腿杆连接在髋关节两侧,大腿杆构件中部设置有连接孔,用来连接连杆构件,大腿杆另一端连接小腿杆,足端杆的中部设置连接孔,足端杆通过两个连接孔分别连接连杆和小腿杆;大腿杆,连杆,小腿杆和足端杆相互连接部分组成平行四边形。
本发明所述仿蝾螈机器人,在头部以及连接关节两侧设置有距离传感器及压力传感器,来实现机器人对外界环境的感知。
本发明所述仿蝾螈机器人具备三种运动模式,分别是行走,爬行和蜷缩,可根据不同环境来选择不同运动模式并可自主进行运动模式的切换。
行走状态时,仿生腿四个构件连接部分形成平行四边形,通过驱动仿生腿实现平行四边形的形变,改变仿生腿长度;在行走过程中,配合躯干相应的弯曲变形,来适应不同环境,在复杂地形上仍具有较强通过性,并可以灵活绕开障碍物进行行走。
爬行状态时,仿生腿进行相应的折叠收缩,使仿生腿的长度达到最短,腿部紧贴躯干,躯干上各关节舵机进行转动,使机器人通过躯干蠕动进行前进,机器人通过所布置的传感器采集信息,判断周围是否存在障碍物,仿蝾螈机器人躯干灵活,可进行较大角度的弯折,配合躯干关节之间舵机的转动,使机器人可通过蠕动绕过障碍物。
蜷缩状态时,仿生腿进行相应的折叠收缩,仿生腿的长度达到最短,大腿呈竖直向上方向,与机器人躯干呈一定角度,蝾螈机器人躯干进行弯曲,头部关节,连接关节,髋关节和尾部关节在相应舵机的驱动下,仿蝾螈机器人躯干将形成一个闭环状,在闭环状态下头部关节与尾部关节相互接触,此时达到极限状态。蜷缩状态下,机器人便于携带并且具有较强的隐蔽性。
本发明所述的仿蝾螈机器人包括头部关节,连接关节,髋关节,尾部关节和仿生腿,在仿生属性上十分接近蝾螈,并且头部关节,连接关节,髋关节尾部关节和仿生腿分别设置有驱动系统,因此仿蝾螈机器人实现了躯干各个关节的相对转动,关节之间可转动角度较大,躯干转动灵活,加之腿部的变形能力,使得仿生机器人可以通过体-肢协同实现肢式爬行、体式蠕动等多种运动模式,在复杂环境下也有较高的通过性。综上,本发明通过对蝾螈的仿生,使其具有敏捷协调,可与环境进行交互的优点,为湿热丛林探索奠定了基础。
下面结合附图对本发明所述仿蝾螈机器人进行进一步说明。
附图说明
图1为本发明所述仿蝾螈机器人整体结构示意图;
图2为本发明所述仿蝾螈机器人仿生腿结构的爆炸示意图
图3为本发明所述仿蝾螈机器人行走状态时的结构示意图;
图4为本发明所述仿蝾螈机器人爬行状态时的结构示意图;
图5为本发明所述仿蝾螈机器人蜷缩状态时的结构示意图。
其中,上述附图包括以下附图标记:
1、头部关节;2、第一连接关节;3、第一髋关节;4、第二连接关节;5、舵机;6、第二髋关节;7、第三连接关节;8、尾部关节;9、足端杆;10、小腿杆;11、连杆;12、大腿杆
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明的保护范围。
下面结合图1~图5和具体的实施例对本发明的仿蝾螈机器人作进一步的详细说明。
如图1所示,本发明所述仿蝾螈机器人由躯干和仿生腿构成,躯干由头部关节(1)、第一连接关节(2)、第一髋关节(3)、第二连接关节(4)、舵机(5)、第二髋关节(6)、第三连接关节(7)、尾部关节(8)组成,仿生腿由足端杆(9)、小腿杆(10)、连杆(11)、大腿杆(12)组成。
如图1所示,仿蝾螈机器人躯干包括六个转动副七个关节的连接,其中头部关节(1)、第一连接关节(2)、第一髋关节(3)、第二连接关节(4)、第二髋关节(6)、第三连接关节(7)、尾部关节(8)依次连接形成转动副,各转动副之间采用舵机相连,各个关节均可以独立转动,并且关节设计使其拥有较大的转动角度,运动灵活。
如图2所示,仿蝾螈机器人仿生腿连接于髋关节上,每个髋关节两侧分别连接一个仿生腿,仿生腿大腿杆(12)与髋关节内腔舵机直接相连,形成转动副,大腿杆中部连接孔连接连杆(11)形成转动副,小腿杆(10)一端与大腿杆(12)另一端通过转动副连接,足端杆(9)一端的连接孔与连杆相连构成转动副,足端杆(9)中部的连接孔与小腿杆(10)进行相连,形成转动副,其中每个仿生腿包含两个连杆(11)和两个小腿杆(10),连杆(11)连接在足端杆(9)和大腿杆(12)的侧面上,小腿杆(10)连接在足端杆(9)和大腿杆(12)的侧面上,使连杆(11)和小腿杆(10)之间中空,足端杆(9)和大腿杆(12)可以部分折叠收缩到小腿杆(10)和连杆(11)之间的空间中,从而改变腿的长度和形态,所以仿生腿可以根据不同环境变形来改变不同的腿形态进行运动。
如图3所示,行走状态下,机器人根据传感器判断环境变化,选择腿部行走形态,使足端杆(9)、小腿杆(10)、连杆(11)、大腿杆(12)局部构成一个平行四边形,舵机带动大腿杆(12)转动,仿生腿在运动过程中通过改变平行四边形的形状实现不同腿长,使机器人可以行走。在行走过程中,躯干各关节之间舵机可以进行相应的转动,躯干便可以进行弯曲,配合仿生腿的运动,完成行走和转弯等多种运动,并且机器人整体运动协调灵活,动作敏捷。
如图4所示,爬行状态下,此时仿生腿进行折叠收缩,仿生腿中形成的平行四边形面积减小,足端杆(9)和大腿杆(12)部分包络在小腿杆(10)和连杆(11)杆件中空部分的空间中,整个仿生腿贴近躯干配置,机器人通过躯干接触地面,各个躯干关节的舵机转动实现躯干的蠕动爬行,分布于躯干的压力和距离传感器,使机器人能够感知周围环境,遇到障碍物时可实现沿障碍物绕行,并且运动过程中拥有较高的隐秘性。
如图5所示,蜷缩状态下,此时仿生腿进行折叠收缩,舵机带动大腿杆(12)向躯干上方转动,使其与躯干形成一个特定角度;躯干各关节电机向相同方向转动,使躯干形成一个环形,并且尾部关节(8)处于所形成的环形内侧,紧贴头部关节(1),仿蝾螈机器人的弯曲变形突出了其轻便小巧容易携带的特点。
此外,需要说明的是,使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件,仅仅是为了便于对相应零部件进行区别,如没有另行声明,上述词语并没有特殊含义,因此不能理解为对本发明保护范围的限制.
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种仿蝾螈机器人,包括躯干和仿生腿,躯干由头部关节、多个连接关节、多个髋关节和尾部关节首尾相连组成,各个关节均由驱动舵机和刚性壳组成;仿生腿由大腿杆,小腿杆,连杆,足端杆四部分组成。
2.根据权利要求1所述的仿蝾螈机器人,其特征在于:所述头部关节的刚性壳与相邻连接关节的驱动舵机的输出轴相连构成转动副,实现头部关节与下一相邻连接关节的相对转动,所述连接关节的刚性壳与下一相邻关节的驱动舵机的输出轴相连形成转动副,所述髋关节刚性壳内腔两侧分别放置连接腿部的驱动舵机,髋关节的刚性壳与下一相邻关节的驱动舵机输出轴相连形成转动副,所述尾关节的驱动舵机的输出轴与上一相邻连接关节的刚性壳相连形成转动副,各个关节通过驱动舵机实现相邻关节之间的相对转动。
3.根据权利要求1所述的仿蝾螈机器人,其特征在于:所述仿生腿包括大腿杆、连杆、小腿杆和足端杆四部分,大腿杆一端连接在髋关节舵机的输出轴上,另一端连接在小腿杆上,大腿杆中部连接孔用来连接连杆,足端杆一端连接连杆,中部连接孔连接小腿杆,仿生腿四根杆在连接部分构成平行四边形,每组仿生腿中有两个小腿杆,两个连杆,小腿杆和连杆分别连接在大腿杆和足端杆的两侧,小腿杆和连杆之间存在空隙,便于仿生腿的折叠。
4.根据权利要求1所述的仿蝾螈机器人,其特征在于:行走时仿生腿伸展,形成平行四边形结构,通过转动大腿杆使平行四边形结构变形实现迈步行走,机器人躯干通过舵机的转动实现相应的弯曲,使机器人的运动灵活协调,对于复杂地面环境有较强的通过性。
5.根据权利要求1所述的仿蝾螈机器人,其特征在于:在爬行状态下,仿生腿收缩,杆件贴近髋关节,机器人躯干部分接触地面,躯干关节连接处的舵机相互转动使机器人可以蠕动前进,并且机器人可以根据传感器反馈进行对障碍物的规避,机器人躯干弯曲可沿障碍物边缘进行蠕动爬行。
6.根据权利要求1所述的仿蝾螈机器人,其特征在于:为了便于携带和具有更好的隐蔽性,可以进行蜷缩,仿生腿进行折叠收缩,腿部整体向上转动一定角度,躯干各关节进行同方向转动,使躯干弯曲成为环形,头部关节和尾部关节进行接触,并且尾部关节位于躯干形成环形的内侧。
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