CN114193464A - 一种斧足式仿生探测装置 - Google Patents

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CN114193464A CN202111072880.XA CN202111072880A CN114193464A CN 114193464 A CN114193464 A CN 114193464A CN 202111072880 A CN202111072880 A CN 202111072880A CN 114193464 A CN114193464 A CN 114193464A
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方宁
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Abstract

本发明公开了一种斧足式仿生探测装置，主要包括贝壳壳体、斧足结构、机械臂、摆动机构、视觉模块。采用连杆机构和棘轮机构相结合的方式设计斧足机构，结合舵机转向机构，可实现灵活爬行移动。设计摆动机构与贝壳上下外壳相连接，通过挤压水囊，可利用反作用力辅助行进。设计自适应机械手，可根据检测到的物体大小，指尖张开适合的角度，稳定抓取不同大小和尺寸的物体。本发明的斧足式仿生探测装置具有结构紧凑、功能多样、适应强等特点，可应用于水下和陆地上进行探测。

Description

一种斧足式仿生探测装置
技术领域
本发明涉及水下探测技术与仿生机器人领域，尤其是涉及斧足式仿生探测装置。
背景技术
在现代探测技术中，陆地探测机器人和水下探测机器人的技术发展非常迅速，分别能够实现对陆地或者水底环境的探测以及定位和地图构建功能。国内外的探测机器人种类很多，用途各异，但大都受环境的制约，陆地机器人和水下机器人只能单独实现陆地和海底环境的探测。例如，一种公布号为CN102486648B的中国专利公开了一种自主移动机器人平台，主要包括运动驱动系统、环境感知系统、平台控制系统。该移动机器人通过摆动腿臂机构，利用腿臂机构上的反偏向轮与地面或者空间中媒质的作用力实现机器人的平稳运动，能够自主地对环境进行感知。虽然该平台提供了多个研究领域的实验与验证的功能，但是仍以移动行进为发明的主要技术方案，不能实现在陆地上、水下的探测。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了斧足式仿生探测装置，该探测装置具有使用方式简便且运动灵活的效果。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种斧足式仿生探测装置，其特征在于：包括贝壳壳体以及与所述贝壳壳体匹配的斧足结构、机械手、摆动机构、视觉模块、转向轮机构。
所述贝壳壳体包括贝壳下壳体和贝壳上壳体；所述的贝壳下壳体呈半椭圆形，所述斧足机构与贝壳下壳体相连接；所述视觉模块安装在贝壳上壳体上，所述转向轮机构固定于贝壳下壳体；所述斧足机构包括第一连杆腿机构、中间轮腿机构、第二连杆腿机构、柔性薄膜和斧足固定架；所述第一连杆腿机构与柔性薄膜连接，位于柔性薄膜右侧；所述中间轮腿机构与柔性薄膜连接，位于柔性薄膜中间；所述第二连杆腿机构与柔性薄膜连接，位于柔性薄膜左侧；所述的第一连杆腿机构、中间轮腿机构、第二连杆腿机构、柔性薄膜通过斧足固定架固定在贝壳下壳体内。
所述第一连杆腿机构包括腿机构和舵机一；所述腿机构安装在柔性薄膜内，所述舵机一与腿机构转动连接；所述中间轮腿机构包括棘轮机构和中间固定架，所述棘轮机构安装在柔性薄膜内。
本发明进一步设置为:所述腿机构包括连杆一、连杆二、连杆三、连杆四、连杆五、连杆六、连杆七、连杆八、连杆九、连杆十、连杆十一、连杆十二、连杆十三；各连杆之间通过铰链连接形成转动副；连杆三在舵机一的带动下可绕舵机一的中心做圆周运动；连杆十一和连杆十二交点处与柔性薄膜表面粘结，可带动柔性薄膜摆动。
通过采用上述技术方案，采用连杆机构形式的腿机构，运动质量轻，移动迅速，方便灵活，且在水下可带动柔性薄膜摆动产生浮力，可应用于各种环境中。
本发明进一步设置为:所述棘轮机构包括摇杆、棘爪、棘轮，所述摇杆与中间固定架连接，所述棘爪固定连接在摇杆上，所述棘轮与棘爪相接触，通过棘爪带动棘轮转动。
本发明进一步设置为:所述机械手包括固定座、支架、大臂、小臂、二指夹具，所述固定座安装在贝壳下壳体上，所述支架固定于固定座，所述大臂安装在支架上，所述小臂与大臂铰接，所述二指夹具与大臂相连接，用于物体的抓取。
通过采用上述技术方案，设计自适应机械手，可根据检测到的大小，指尖张开适合的角度，精准稳定抓取不同大小和尺寸的物体。
本发明进一步设置为：所述摆动机构包括连接杆一、推杆电机、连接杆二、活塞、腔体、喷管和固定杆，所述连接杆一与贝壳上壳体相连接，所述连接杆二与贝壳下壳体相连接，所述推杆舵机一端连接连接杆一与连接杆二，另一端连接活塞，所述腔体套在活塞上，所述固定杆固定在腔体上，所述喷管与腔体相连接。
进一步地，所述视觉模块包括固定支架和摄像头，所述固定支架安装在贝壳上壳体，所述摄像头安装在固定支架上。
进一步地，所述转向轮机构包括右轮、轮子连接杆、固定板、舵机和左轮，所述轮子连接杆安装在贝壳壳体的连接处，所述右轮安装在轮子连接杆，所述固定板垂直固定于轮子连接杆、所述舵机固定在固定板上。
本发明提供一种斧足式仿生探测装置的应用方法，其特征在于包含如下步骤；
在陆地爬行时，斧足机构内的第一连杆腿机构在舵机一带动下做往复摆动。其中，连杆三在舵机作用下做圆周运动，带动连杆十一和连杆十二往复摆动，实现第一连杆腿机构的前进功能；第二连杆腿机构与第一连杆腿机构运动过程相同，在舵机带动下做往复摆动；中间轮腿机构中的棘轮可随着装置的整体运动而滚动；第一连杆腿机构、中间轮腿机构、第二连杆腿机构共同运动，带动转向轮机构运动，进而实现装置整体的爬行运动；转向轮机构在舵机三的配合下可以左右转动，进而实现转向控制。
在水下游动时，斧足机构通过快速往复摆动带动柔性薄膜在水中往复摆动，为整个装置提供摆动浮力；摆动机构的推杆电机向左运动时，带动活塞向左运动实现抽水功能，当电机向右运动时，活塞向右运动，使得喷嘴喷水，整个装置可利用反作用力进行前行；在需要进行抓取动作时，先通过视觉模块采集到物体图像信息，然后机械臂开始运动，通过二指夹具抓取物品。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
1、采用仿贝壳的整体结构，通过斧足机构、摆动机构、机械手和视觉模块的协同操作，可在水下和陆地上进行运动，具有结构紧凑、功能多样、适应性强等特点。
2、采用连杆机构形式的腿机构，运动质量轻，移动迅速，方便灵活，可应用于各种环境中。设计摆动机构与贝壳上下外壳相连接，在水下运动时通过挤压水囊，利用反作用力前行，具有良好的运动能力。
3、设计自适应机械手，可根据检测到的物体大小，指尖张开合适的角度，准确抓取不同大小和尺寸的物体。
综上所述，本发明具有结构紧凑、运动灵活、功能多样、扩展性强，更能满足复杂环境下的可控性和适应能力的需求。
附图说明
图1是本发明机器人的整体结构的轴测图；
图2是本发明机器人的贝壳壳体的正视图；
图3是本发明机器人的斧足机构的轴测图；
图4是本发明机器人的腿机构的轴测图；
图5是本发明机器人的棘轮机构的轴测图；
图6是本发明机器人的腿机构的运动原理图；
图7是本发明机器人的棘轮机构的正视图；
图8是本发明机器人的机械手的轴测图；
图9是本发明机器人的摆动机构的轴测图；
图10是本发明机器人的视觉模块的正视图；
图11是本发明机器人的转向轮机构的正视图；
图中：1、贝壳壳体，2、斧足结构，3、机械手，4、摆动机构，5、视觉模块，6、转向轮机构，11、贝壳下壳体，12、贝壳上壳体，21、第一连杆腿机构，22、中间轮腿机构， 23、第二连杆腿机构，24、柔性薄膜，25、斧足固定架，211、腿机构，212、舵机一，221、棘轮机构，222、中间固定架，2111、连杆一，2112、连杆二，2113、连杆三，2114、连杆四， 2115、连杆五，2116、连杆六，2117、连杆七，2118、连杆八，2119、连杆九，21110、连杆十，21111、连杆十一，21112、连杆十二，21113、连杆十三，2211、摇杆，2212、棘爪，2213、棘轮，31、固定座，32、支架，33、大臂，34、小臂，35、二指夹具，41、连接杆一，42、推杆电机，43、连接杆二，44、活塞，45、腔体，46、喷管，47、固定杆，51、固定支架， 52、摄像头，61、右轮，62、轮子连接杆，63、固定板，64、舵机三，65左轮。
具体实施方式
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，显然以下所描述的实施例是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种斧足式仿生探测装置，其特征在于：包括贝壳壳体1以及与所述贝壳壳体匹配的斧足结构2、机械手3、摆动机构4、视觉模块5和转向轮机构6；
如图2所示，所述贝壳壳体1包括贝壳下壳体11和贝壳上壳体12；所述的贝壳下壳体11呈半椭圆形，所述斧足机构2与贝壳下壳体11的后端面相连接；所述视觉模块5安装在贝壳上壳体12上；
如图3、如图4、如图5所示，所述斧足机构2包括第一连杆腿机构21、中间轮腿机构22、第二连杆腿机构23、柔性薄膜24和斧足固定架25；所述第一连杆腿机构21与柔性薄膜24连接，位于柔性薄膜24右侧；所述中间轮腿机构22与柔性薄膜24连接，位于柔性薄膜24中间；所述第二连杆腿机构23与柔性薄膜24连接，位于柔性薄膜24左侧；所述的第一连杆腿机构21、中间轮腿机构22、第二连杆腿机构23、柔性薄膜24通过斧足固定架25 固定在贝壳下壳体11内；所述第一连杆腿机构21包括腿机构211和舵机一212；所述腿机构安装在柔性薄膜24内；所述舵机一212与腿机构211转动连接；所述中间轮腿机构22包括棘轮机构221和中间固定架222，所述棘轮机构安装在柔性薄膜24内；
如图6所示，所述腿机构211包括连杆一2111、连杆二2112、连杆三2113、连杆四2114、连杆五2115、连杆六2116、连杆七2117、连杆八2118、连杆九2119、连杆十21110、连杆十一21111、连杆十二21112、连杆十三21113；各连杆之间通过铰链连接形成转动副；连杆三2113在舵机一212的带动下可绕舵机一212的中心做圆周运动；连杆十一21111和连杆十二21112交点处与柔性薄膜表面粘结，可带动柔性薄膜摆动。
连杆2111固定在斧足固定架25上，舵机一212带动连杆2113的端点C绕舵机中心转动时，连杆十一21111和连杆十二21112的交点D可沿着图6所示的运动轨迹进行往复摆动。
如图7所示，所述棘轮机构221包括摇杆2211、棘爪2212、棘轮2213，所述摇杆 2211与中间固定架222连接，所述棘爪2212固定连接在摇杆2211上。
如图8所示，所述机械手3包括固定座31、支架32、大臂33、小臂34、二指夹具 35，所述固定座31安装在贝壳下壳体11上，所述支架32固定于固定座31，所述大臂33安装在支架32上，所述小臂34与大臂33铰接，所述二指夹具35与大臂33相连接，用于物体的抓取；所述的小臂34、大臂33和二指夹具35内部都安装有关节舵机，以驱动机械手的旋转和抓取动作。
如图9、10、11所示，所述摆动机构4包括连接杆一41、推杆电机42、连接杆二43、活塞44、腔体45、喷管46和固定杆47，所述连接杆一41与贝壳上壳体12相连接，所述连接杆二42与贝壳下壳体11相连接，所述推杆电机42一端连接连接杆一41与连接杆二43，另一端连接活塞44，所述腔体45套在活塞44上，所述固定杆47固定在腔体45上，所述喷管46与腔体45相连接。
所述视觉模块5包括固定支架51和摄像头52，所述固定支架安装在贝壳上壳体12，所述摄像头52安装在固定支架51上，所述转向轮机构6包括右轮61、轮子连接杆62、固定板63、舵机64和左轮65，所述轮子连接杆62安装在贝壳壳体1的连接处，所述右轮61安装在轮子连接杆62，所述固定板63垂直固定于轮子连接杆62、所述舵机64固定在固定板 63上。
视觉模块5可实时对前方环境进行图像采集，实现环境图像的探测功能；在贝壳上壳体12上也可安装各种温度传感器、超声波传感器等，以实现对环境温度、障碍物距离信息的采集。
一种斧足式仿生探测装置的应用方法，包含如下步骤：
在陆地爬行时，斧足机构2内的第一连杆腿机构21在舵机一212带动下做往复摆动。其中，连杆三2113在舵机一212作用下做圆周运动，带动连杆十一21111和连杆十二21112往复摆动，实现第一连杆腿机构21的前进功能；第二连杆腿机构23与第一连杆腿机构21运动过程相同，在舵机带动下做往复摆动；中间轮腿机构22中的棘轮2213可随着装置的整体运动而滚动；第一连杆腿机构21、中间轮腿机构22、第二连杆腿机构23共同运动，带动转向轮机构6运动，进而实现装置整体的爬行运动；转向轮机构6在舵机三64的配合下可以左右转动，进而实现转向控制；
在水下游动时，斧足机构2通过快速往复摆动带动柔性薄膜24在水中往复摆动，为整个装置提供摆动浮力；摆动机构4的推杆电机42向左运动时，带动活塞44向左运动实现抽水功能，当电机向右运动时，活塞44向右运动，使得喷嘴喷水，整个装置可利用反作用力进行前行；在需要进行抓取动作时，先通过视觉模块5采集到物体图像信息，然后机械臂3开始运动，通过二指夹具35抓取物品。
上述具体实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (4)

1.一种斧足式仿生探测装置，其特征在于：包括贝壳壳体(1)以及与所述贝壳壳体匹配的斧足结构(2)、机械手(3)、摆动机构(4)、视觉模块(5)与转向轮机构(6)；
所述贝壳壳体(1)包括贝壳下壳体(11)和贝壳上壳体(12)。所述斧足机构(2)与贝壳下壳体(11)后端面相连接，所述视觉模块(5)安装在贝壳上壳体(12)上，所述转向轮机构(6)固定于贝壳下壳体(12)；
所述斧足机构(2)包括第一连杆腿机构(21)、中间轮腿机构(22)、第二连杆腿机构(23)、柔性薄膜(24)和斧足固定架(25)，所述第一连杆腿机构(21)与柔性薄膜(24)连接，位于柔性薄膜(24)右侧，所述中间轮腿机构(22)与柔性薄膜(24)连接，位于柔性薄膜(24)中间，所述第二连杆腿机构(23)与柔性薄膜(24)连接，位于柔性薄膜(24)左侧；所述的第一连杆腿机构(21)、中间轮腿机构(22)、第二连杆腿机构(23)、柔性薄膜(24)通过斧足固定架(25)固定在贝壳下壳体(11)内；
所述第一连杆腿机构(21)和第二连杆腿机构(23)具有相同的结构，都包括腿机构(211)和舵机一(212)，所述腿机构安装在柔性薄膜(24)内，所述舵机一(212)与腿机构(211)的连杆三(2113)相连接；所述中间轮腿机构(22)包括棘轮机构(221)和中间固定架(222)；
所述腿机构(211)包括连杆一(2111)、连杆二(2112)、连杆三(2113)、连杆四(2114)、连杆五(2115)、连杆六(2116)、连杆七(2117)、连杆八(2118)、连杆九(2119)、连杆十(21110)、连杆十一(21111)、连杆十二(21112)、连杆十三(21113)；各连杆之间通过铰链连接形成转动副；连杆三(2113)在舵机一(212)的带动下可绕舵机一(212)的中心做圆周运动；连杆十一(21111)和连杆十二(21112)交点处与柔性薄膜(24)表面粘结，可带动柔性薄膜(24)摆动。
所述棘轮机构(221)包括摇杆(2211)、棘爪(2212)、棘轮(2213)，所述摇杆(2211)与中间固定架(222)连接，所述棘爪(2212)固定连接在摇杆(2211)上；
所述机械手(3)包括固定座(31)、支架(32)、大臂(33)、小臂(34)、二指夹具(35)，所述固定座(31)安装在贝壳下壳体(11)上，所述支架(32)固定于固定座(31)，所述大臂(33)安装在支架(32)上，所述小臂(34)与大臂(33)铰接，所述二指夹具(35)与大臂(33)相连接，用于物体的抓取；
所述摆动机构(4)包括连接杆一(41)、推杆电机(42)、连接杆二(43)、活塞(44)、腔体(45)、喷管(46)和固定杆(47)，所述连接杆一(41)与贝壳上壳体(12)相连接，所述连接杆二(42)与贝壳下壳体(11)相连接，所述推杆电机(42)一端连接连接杆一(41)与连接杆二(43)，另一端连接活塞(44)，所述腔体(45)套在活塞(44)上，所述固定杆(47)固定在腔体(45)上，所述喷管(46)与腔体(45)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种斧足式仿生探测装置，其特征在于：所述视觉模块(5)包括固定支架(51)和摄像头(52)，所述固定支架安装在贝壳上壳体(12)，所述摄像头(52) 安装在固定支架(51)上。
3.根据权利要求1所述的一种仿翼龙载物机器人，其特征在于：所述转向轮机构(6)包括右轮(61)、轮子连接杆(62)、固定板(63)、舵机三(64)和左轮(65)，所述轮子连接杆(62)安装在贝壳壳体(1)的连接处，所述右轮(61)安装在轮子连接杆(62)，所述固定板(63)垂直固定于轮子连接杆(62)、所述舵机三(64)固定在固定板(63)上。
4.一种斧足式仿生探测装置的应用方法，采用权利要求1-3所限定的斧足式仿生探测装置，其特征在于包含如下步骤：在陆地爬行时，斧足机构(2)内的第一连杆腿机构(21)在舵机一(212)带动下做往复摆动。其中，连杆三(2113)在舵机一(212)作用下做圆周运动，带动连杆十一(21111)和连杆十二(21112)往复摆动，实现第一连杆腿机构(21)的前进功能；第二连杆腿机构(23)与第一连杆腿机构(21)运动过程相同，在舵机带动下做往复摆动；中间轮腿机构(22)中的棘轮(2213)可随着装置的整体运动而滚动；第一连杆腿机构(21)、中间轮腿机构(22)、第二连杆腿机构(23)共同运动，带动转向轮机构(6)运动，进而实现装置整体的爬行运动；转向轮机构(6)在舵机三(64)的配合下可以左右转动，进而实现转向控制。
在水下游动时，斧足机构(2)通过快速往复摆动带动柔性薄膜(24)在水中往复摆动，为整个装置提供摆动浮力；摆动机构(4)的推杆电机(42)向左运动时，带动活塞(44)向左运动实现抽水功能，当电机向右运动时，活塞(44)向右运动，使得喷嘴喷水，整个装置可利用反作用力进行前行；在需要进行抓取动作时，先通过视觉模块(5)采集到物体图像信息，然后机械臂(3)开始运动，通过二指夹具(35)抓取物品。
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