CN114408049B - 一种舵机驱动四足连杆机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种舵机驱动四足连杆机器人，属于机器人技术领域，在最大限度上减少了驱动数量，仅用两个微型舵机驱动便能实现机器人在二维平面上的自由运动，不仅降低了驱动机构的复杂性，让小型化设计更加简单，而且减少了因冗余驱动产生的能量消耗，提高了机器人的运动效率。利用连杆机构对机器人运动进行约束，进而实现了在单一驱动作用下的对角步态爬行，同时较低的重心设计可通过替换足部黏附材料实现垂直壁面与天花板上的爬行，提高运动稳定性的同时降低了运动机构的复杂性。

Description

一种舵机驱动四足连杆机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种舵机驱动四足连杆机器人。

背景技术

随着科学技术的发展，人们对工作条件和生活质量的要求也越来越高。高层建筑的清洁、核电站和石化企业的储罐检查和维护等领域都需要机器人代替人工实现自动化。爬壁机器人作为移动机器人的一个特殊分支，其主要特点是能克服重力作用在复杂的3D环境如竖直墙壁、玻璃、壳体、倒立天花板上自由运动。由于爬壁机器人工作环境的特殊性、应用前景的广泛性以及研究技术上所具有的挑战性，自1966年在日本问世以来一直受到世界各国科研工作者的广泛关注。其中研发适用于狭小空间运动的小型化爬壁机器人一直是研究工作的难点，且此类机器人的运动控制与步态规划研究也是关键，因此有必要设计一种舵机驱动四足连杆机器人的运动机构。

不同于传统爬壁机器人，这类机器人由于需要深入狭小复杂的受限空间，其整体尺寸通常具有小型化、扁平化的特点，并具有在二维空间表面自由运动能力，因此，具有多电机驱动、多自由度运动能力的多足爬壁机器人的运动机构因为难以小型化设计而显得并不适用。实现二维空间的自由运动在理论上只需要机器人最少有两个运动自由度，而传统的多足机器人设计为了满足机器人足部抬起与放下运动的需求，需要在踝、膝、髋等关节设置多个自由度，这就造成了机器人运动机构复杂、电机数量过多的问题，也让机器人小型化变得尤为困难。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种舵机驱动四足连杆机器人，以解决现有技术中机器人运动机构复杂、电机数量过多的问题，也让机器人小型化变得尤为困难的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种舵机驱动四足连杆机器人，包括：前摆动杆、第一连接杆、第二连接杆、驱动杆、后摆动杆、若干个支撑足和若干个微型舵机；

前摆动杆、后摆动杆和第二连接杆呈Z字型铰接，前摆动杆和后摆动杆相互平行，第一连接杆和驱动杆铰接，并分别连接后摆动杆和前摆动杆的中点位置，微型舵机设置在驱动杆上分别与前摆动杆和第一连接杆连接，若干个支撑足分别设置在前摆动杆和后摆动杆上。

优选地，所述支撑足包括：支撑足主体、轮轴、轮胎、单向轴承、密封挡板和减震弹簧；单向轴承与轮胎装配，轮胎与支撑足主体通过轮轴连接，密封挡板设置在支撑足主体上限位轮轴，减震弹簧安装在支撑足主体上。

优选地，轮胎和单向轴承相对固定并能绕轮轴单向转动。

优选地，密封挡板中心开设有圆孔，密封挡板通过中心的圆孔嵌套在支撑足主体上。

优选地，支撑足主体上开设有凹槽，减震弹簧安装在支撑足主体的凹槽中。

优选地，所述若干个微型舵机包括驱动舵机和转向舵机，驱动舵机通过齿轮与前摆动杆连接，转向舵机通过齿轮与第一连接杆。

优选地，所述驱动杆上开设了若干个矩形通孔和若干个螺纹孔用于装配微型舵机。

优选地，前摆动杆、后摆动杆和第二连接杆之间以圆柱副相互铰接，并在内部安装有轴承，通过螺母连接进行水平和垂直方向上的限位。

优选地，以前摆动杆上表面为基准面，前摆动杆、第一连接杆、第二连接杆、驱动杆和后摆动杆的上表面为垂直定位面，后摆动杆位于基准面上，第二连接杆位于基准面上方10mm，第一连接杆位于基准面下方10mm，驱动杆位于基准面下方20mm。

优选地，前摆动杆、第一连接杆、第二连接杆和后摆动杆均宽10mm、厚5mm、末端为半圆状，以直径5mm的圆形通孔相互铰接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所公开的一种舵机驱动四足连杆机器人，在最大限度上减少了驱动数量，仅用两个微型舵机驱动便能实现机器人在二维平面上的自由运动，不仅降低了驱动机构的复杂性，让小型化设计更加简单，而且减少了因冗余驱动产生的能量消耗，提高了机器人的运动效率。前摆动杆和后摆动杆分别作为机器人的“臂”和“腿”将两对足并列相连，通过以中心为轴往复水平摆动的方式实现运动；第二连接杆以转动副的形式连接左前足与右后足支点，以实现前后两对足对角步态的约束；驱动杆和第一连接杆分别作为四足爬行机器人的“颈”与“脊”，首尾相连并以转动副的形式连接前摆动杆和后摆动杆的中心位置，在作为“颈”的驱动杆上放置两个微型舵机分别与“臂”和“脊”的转动副相连，分别控制机器人的前进与转向，本发明利用连杆机构对机器人运动进行约束，进而实现了在单一驱动作用下的对角步态爬行，提高运动稳定性的同时降低了运动机构的复杂性。

进一步地，采用单向轴承配合轮胎的方式代替仿壁虎吸附结构作为爬行足，单向轴承可以控制其在前进时滚动、在后退时滑动，进而实现各向异性摩擦，在支撑足主体上爬行足与支撑点之间用弹簧进行缓冲连接，减少震动的同时提高机器人对非平整地形的适应能力。

进一步地，密封挡板设置在支撑足主体上用于限位轮轴。

进一步地，减震弹簧安装在支撑足主体的凹槽中，有利于节省空间，满足机器人的小型化设计。

进一步地，在最大程度上减少了驱动数量，并简化了运动机构，提高了运动效率，实现了四足机器人在二维平面上对角步态的前进与转向爬行。

进一步地，前摆动杆、后摆动杆和第二连接杆之间以圆柱副相互铰接，并在内部安装有轴承，通过螺母连接进行水平和垂直方向上的限位，有利于减小摩擦。

进一步地，后摆动杆位于基准面上，第二连接杆位于基准面上方10mm，第一连接杆位于基准面下方10mm，驱动杆位于基准面下方20mm，采用此种布局可以最终让前后两个摆动杆处于同一基准面，提高机器人运动过程中的稳定性。

进一步地，前摆动杆、第一连接杆、第二连接杆、驱动杆和后摆动杆均宽10mm、厚5mm、末端为半圆状，以直径5mm的圆形通孔相互铰接，采用此种设计可以在保证机器人运动机构正常工作的前提下减轻结构件的重量，有利于机器人的小型化设计。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的足部装配示意图；

图3为图1中的前摆动杆零件示意图；

图4是图1中的驱动杆零件示意图。

其中：1-前摆动杆；2-第一连接杆；3-第二连接杆；4-支撑足主体；5-驱动杆；6-微型舵机；7-齿轮；8-后摆动杆；9-连接栓；10-螺钉；11-螺母；13-轮轴；14-轮胎；15-单向轴承；16-密封挡板；17-减震弹簧。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明所公开的一种舵机驱动的四足连杆机器人，包括，成对运动足，前摆动杆1和后摆动杆8将两对足并列相连，通过以中心为轴往复水平摆动的方式实现运动。连接杆“筋”，第二连接杆3以转动副的形式连接左前足与右后足支点，即前摆动杆1、后摆动杆8和第二连接杆3呈Z形连接，以实现前后两对足对角步态的约束。仿脊椎连杆第一连接杆2和驱动杆5，驱动杆5“颈”与第一连接杆2“脊”首尾相连并以转动副的形式连接前摆动杆1“臂”与后摆动杆8“腿”的中心位置。微型舵机6，在作为“颈”的驱动杆5上放置两个微型舵机6分别与前摆动杆1“臂”和第一连接杆2“脊”的转动副相连，分别控制机器人的前进与转向。齿轮7，用于连接微型舵机6与前摆动杆1“臂”、第一连接杆2“脊”上的齿轮状通孔，将微型舵机6的扭矩传导并最终作用于前摆动杆1和第一连接杆2上。螺钉10，用于将微型舵机6固定在驱动杆5“颈”上，每个微型舵机6两侧各有一个圆形通孔与螺钉10配合。螺母11，用于将连杆与连杆前摆动杆1、第二连接杆3和后摆动杆8之间在水平和垂直方向上的限位。连接栓9，用于连接后摆动杆8“腿”和第一连接杆2“脊”，将后摆动杆8“腿”中间的圆孔与第一连接杆2“脊”末端的圆孔对齐，插入连接栓9即可完成两个连杆之间的铰接，并可通过螺母11进行限位。

进一步地，前摆动杆1、第二连接杆3和后摆动杆8以圆柱副相互铰接，并在内部安装有轴承以减少摩擦。

进一步地，前摆动杆1、第二连接杆3和后摆动杆8铰接处以螺母11螺栓10的方式在垂直方向上固定，其中第一连接杆2“脊”与后摆动杆8“腿”之间以上下均带有螺杆的连接栓9相连。

进一步地，以前摆动杆1“臂”上表面为基准面，第一连接杆2、第二连接杆3、驱动杆5和后摆动杆8上表面为垂直定位面，后摆动杆8“腿”位于基准面上，第二连接杆3“筋”位于基准面上方10mm，第一连接杆2“脊”位于基准面下方10mm，驱动杆5“颈”位于基准面下方20mm。

本发明结构紧凑，在最大程度上减少了驱动数量，并简化了运动机构，提高了运动效率，实现了四足机器人在二维平面上对角步态的前进与转向爬行，同时较低的重心设计可通过替换足部黏附材料实现垂直壁面与天花板上的爬行。

如图2所示，每个支撑足由支撑足主体4、轮轴13、轮胎14、单向轴承15、密封挡板16和减震弹簧17组成。在装配过程中，先将单向轴承15与轮胎14通过内部凹槽相配合，再将二者与支撑足主体4下部的圆孔对齐并穿过轮轴13进行限位，最后再将密封挡板16通过中心的圆孔嵌套在支撑足主体4上完成对轮轴13的限位，并将减震弹簧17安装在支撑足主体4的凹槽中。在运动过程中，轮胎14和单向轴承15相对固定并可绕轮轴13单向转动，支撑足整体4可在小范围内自由转动。

进一步地，在第二连接杆3“筋”的约束下，前摆动杆1“臂”和后摆动杆8“腿”可实现对角步态摆动。

如图3所示，以后摆动杆8“腿”为例，第一连接杆2、第二连接杆3、驱动杆5和后摆动杆8均宽10mm、厚5mm、末端为半圆状，以直径5mm的圆形通孔铰接其他连杆，铰接点之间可设计键槽形通孔以减轻质量，在与微型舵机6的连接处需要将通孔设计成齿轮状。

进一步地，微型舵机6与前摆动杆1和第一连接杆2之间通过齿轮7相连并固定。

如图4所示，驱动杆5“颈”上设计了两个矩形通孔用于配合微型舵机6，两对规格M2的圆形螺纹通孔用于配合螺钉10将微型舵机6固定，并在前后两个舵机之间设计了垂直方向5mm的高度差用于调节连杆之间的垂直高度。

进一步地，位于驱动杆5“颈”前端的驱动舵机通过小幅度持续往复转动带动前摆动杆1“臂”和后摆动杆8“腿”摆动以实现机器人的前进运动，后端的转向舵机在需要时可通过缓慢单向转动让驱动杆5“颈”与第一连接杆2“脊”之间发生相对运动以实现机器人的转向运动。

本发明的使用方法为：

机器人在驱动舵机和转向舵机的驱动下，通过实现前进和转向运动。

若要实现前进运动，首先需要保持转向舵机静止，以前摆动杆1“臂”和驱动杆5“颈”垂直状态为初始态，让微型舵机6进行最大幅度为±45°的周期性摆动。此时第一连接杆2“脊”相对驱动杆5“颈”静止，在第二连接杆3“筋”的约束下，后摆动杆8“腿”也会发生转动且方向与前摆动杆1“臂”相反，机器人的四个支撑足最终会以对角步态运动。同时由于单向轴承的作用，支撑足前进时受到的摩擦力要远小于后退时，因此机器人最终会持续向前运动。

若要实现转向运动，首先需要将微型舵机6角度调整至初始态即前摆动杆1“臂”和驱动杆5“颈”垂直状态，让微型舵机6根据需求进行最大幅度为±60°的顺时针或逆时针转动。完成转向后，前摆动杆1“臂”与后摆动杆8“腿”的平衡状态不再相互平行，因此在驱动前摆动杆1“臂”运动时，机器人将进行转向运动。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种舵机驱动四足连杆机器人，其特征在于，包括：前摆动杆（1）、第一连接杆（2）、第二连接杆（3）、驱动杆（5）、后摆动杆（8）、若干个支撑足和若干个微型舵机（6）；

前摆动杆（1）、后摆动杆（8）和第二连接杆（3）呈Z字型铰接，前摆动杆（1）和后摆动杆（8）相互平行，若干个微型舵机（6）均固定在驱动杆（5）上并分别与第一连接杆（2）和前摆动杆（1）的中点位置连接，第一连接杆（2）一端连接后摆动杆（8）的中点位置，另一端连接微型舵机（6），若干个支撑足分别设置在前摆动杆（1）和后摆动杆（8）上；

所述若干个微型舵机（6）包括驱动舵机和转向舵机，驱动舵机通过齿轮（7）与前摆动杆（1）连接，转向舵机通过齿轮（7）与第一连接杆（2）连接；

所述支撑足包括：支撑足主体（4）、轮轴（13）、轮胎（14）、单向轴承（15）、密封挡板（16）和减震弹簧（17）；支撑足主体（4）固定在前摆动杆（1）和后摆动杆（8）上，单向轴承（15）与轮胎（14）装配，轮胎（14）与支撑足主体（4）通过轮轴（13）连接，密封挡板（16）设置在支撑足主体（4）上用于限位轮轴（13），减震弹簧（17）安装在支撑足主体（4）上；

当机器人前进时，转向舵机静止，摆动杆（1）和驱动杆（5）垂直，微型舵机（6）进行周期性摆动，第一连接杆（2）相对驱动杆（5）静止，后摆动杆（8）转动且方向与前摆动杆（1）相反，实现以对角步态向前运动；

当机器人转向时，微型舵机（6）角度调整至前摆动杆（1）和驱动杆（5）垂直，微型舵机（6）进行顺时针或逆时针转动，实现转向运动。

2.根据权利要求1所述的一种舵机驱动四足连杆机器人，其特征在于，轮胎（14）和单向轴承（15）相对固定并能绕轮轴（13）单向转动。

3.根据权利要求1所述的一种舵机驱动四足连杆机器人，其特征在于，密封挡板（16）中心开设有圆孔，密封挡板（16）通过中心的圆孔嵌套在支撑足主体（4）上。

4.根据权利要求1所述的一种舵机驱动四足连杆机器人，其特征在于，支撑足主体（4）上开设有凹槽，减震弹簧（17）安装在支撑足主体（4）的凹槽中。

5.根据权利要求1所述的一种舵机驱动四足连杆机器人，其特征在于，所述驱动杆（5）上开设了若干个矩形通孔和若干个螺纹孔用于装配微型舵机（6）。

6.根据权利要求1所述的一种舵机驱动四足连杆机器人，其特征在于，前摆动杆（1）、后摆动杆（8）和第二连接杆（3）之间以圆柱副相互铰接，并在内部安装有轴承，通过螺母（11）连接进行水平和垂直方向上的限位。

7.根据权利要求1所述的一种舵机驱动四足连杆机器人，其特征在于，以前摆动杆（1）上表面为基准面，前摆动杆（1）、第一连接杆（2）、第二连接杆（3）、驱动杆（5）和后摆动杆（8）的上表面为垂直定位面，后摆动杆（8）位于基准面上，第二连接杆（3）位于基准面上方10mm，第一连接杆（2）位于基准面下方10mm，驱动杆（5）位于基准面下方20mm。

8.根据权利要求1所述的一种舵机驱动四足连杆机器人，其特征在于，前摆动杆（1）、第一连接杆（2）、第二连接杆（3）和后摆动杆（8）均宽10mm、厚5mm、末端为半圆状，以直径5mm的圆形通孔相互铰接。