CN114633251B - 一种滚动行进的单自由度蜣螂仿生机器人 - Google Patents

Abstract

一种蜣螂仿生机器人，具体涉及滚动行进的单自由度蜣螂仿生机器人。包含第一至第六连杆(B、C、D、E、I、K)；Oloid外壳第一至第四分块(F、G、H、I)；副足(A、L)。将电机安装于第二连杆(C)的内部，并在第六连杆(K)的内部安装与电机具有相同质量的配重块，保障机构的平衡。Oloid外壳第一至第四分块(F、G、H、I)通过第三、第四连杆以及第四、第五连杆所形成的转动副与Schatz机构装配在一起。该机器人能够平稳地在地面上滚动。在一个电机的驱动下实现直线行进与转向动作。本发明可用于探测、载运等领域。

Description

一种滚动行进的单自由度蜣螂仿生机器人

技术领域

本发明属于仿生机器人领域，具体涉及一种滚动行进的单自由度蜣螂仿生机器人。

背景技术

近年来，蚂蚁、蜣螂等具有短途运输优势的昆虫引起了科研人员的研究兴趣。与其他生物不同，蜣螂将它们将要搬运的货物(动物粪便)制作成粪球，并推动其在地面上平稳滚动。这意味着它们所需运输的货物成为了移动装置的一部分，直接参与移动，减小了对蜣螂本体的负担。故而，蜣螂能够搬运的粪球的重量能达到蜣螂自身重量的70倍。这种高效的运输方式引起了科学家们的注意，并发明了一些仿生蜣螂的机器人。如在2017年国际先进机器人和智能系统会议上展示的蜣螂机器人，J.Ignasov等在发表在Artificial Life andRobotics上的仿生蜣螂机器人，以及M.Thor等发表在Artificial Life and Robotics上的仿生蜣螂机器人模型。然而，上述机器人采用的都是开链连杆机构来模仿蜣螂的腿，需要配备多个电机，增加了机器人的体积以及控制系统的复杂性。同时，上述机器人并没有将运载物作为移动装置设计在机器人中，而是通过腿部机构去推动运载物移动。由于开链连杆机构与运载物之间接触的复杂性，导致机器人在搬运物体时很不稳定。

由于闭链连杆机构具有高刚度、少自由度的特点，在移动机器人领域具有很大的应用潜力。Schatz机构是一种具有6个转动副的单自由度空间闭链连杆机构。其部分连杆具有空间往复运动，故常应用于工业搅拌机。利用该机构连杆独特的空间运动，姚燕安、姚舜等人提出了一系列基于Schatz机构的移动机器人。使用单个Schatz机构构造的机器人如:刘超等发表在Journal of Mechanisms and Robotics上的八面体移动Schatz机器人、中国专利申请CN20191110102.8公开的一种基于海胆仿生的被动驱动型探测机器人。它们都是将Schatz机构某一连杆的外形进行设计，使得机器人与地面之间的接触呈现不同状态。

上述机器人均能够在一个电机的驱动下，通过控制电机转速来控制机器人直线行进或向左、向右转向。通过改变电机转向来控制机器人前后移动方向。但在移动过程中质心波动大，机器人装载空间小。

Oloid曲面是两个相互垂直，半径相等并通过彼此圆心圆环的包络面，具有可展性。由德国科学家Paul Schatz提出。该曲面能够在地面平稳滚动，并且在滚动过程中始终以一条等长的线段与地面接触。在移动机器人领域有很大应用潜力。

发明内容

本发明要解决的技术问题：1.发明出一种Oloid曲面的驱动装置；2.在已有基于单环Schatz机构的移动机器人的基础上，通过对蜣螂搬运粪球运动的仿生。对零件外形进行设计，拓展出一种能在地面平稳滚动的移动机器人，增强机器人的运载能力，提高机构的运动稳定性。

本发明的技术方案：

一种滚动行进的单自由度蜣螂仿生机器人，其特征在于：包括Schatz机构第一至第六连杆、Oloid外壳第一至第四分块。

所述的第一连杆左右两端均布有第一、第二法兰联轴器，分别与安装与第二连杆中的电机轴、安装于第六连杆中的配重轴连接。

所述的第一连杆中部的上下两端均布有完全相同的两个副足连杆，并以螺栓螺母固连在第一连杆上。

所述的第二连杆与第六连杆完全相同，分为上端部分和下端部分，两部分间通过螺栓固连。其中第二、六连杆下端部分分别与电机和配重块通过螺栓连接。其中第二、六连杆上端部分设有通孔，通过使用将螺栓与轴承配合的方式形成转动副，并使用螺母进行轴向定位的方法，与第三、五连杆连接。

所述第二连杆上端部分有设有两个走线通道，分别通过电机的正负极电线。

所述第三、五连杆完全相同，为两端设有相互垂直的小通孔和大通孔的空心方管，第三、五连杆结构上的小通孔与与第二连杆或第六连杆上端通孔配合形成转动副。第三、五连杆结构上的大通孔通过使用将螺栓与轴承配合的方式形成转动副，并使用螺母进行轴向定位的方法，与第四连杆连接。电机电源线从第三连杆内部中穿出，正负极电线分别从第三连杆与第四连杆所形成的转动副两侧绕过，进入第四连杆内部。

所述的第四连杆，为空心方管，两端设有相互垂直的通孔，分别与第三、第五连杆的大通孔连接。在第四连杆中部设有通孔，电机电源线从通孔中穿出与通过粘接的方法安装于第四连杆上的电控部件相连。

所述Oloid外壳设计技术方案如下：1.将Oloid曲面填充成一个实体；2.在实体内部根据转载物尺寸挖去一圆柱形空间，且该柱体关于Oloid曲面中心对称；3.将由构造曲面的两个相互垂直的圆环所形成的锐边进行切除，根据Oloid曲面及Schatz机构的运动学原理，留出第三、第五连杆活动空间；4.在实体上以构造曲面的两个相互垂直的圆环的圆心为中心，对称地设计减重圆孔；5.过构造曲面的两个相互垂直的圆环的圆心设计通孔。通过使用将螺栓与轴承配合的方式形成转动副，并用螺母进行轴向定位的方法。在这两通孔位置将Oloid外壳与第三、四连杆，第四、五连杆连接；6.使用经过Oloid曲面质心的两个相互垂直平面将外壳划分为四个分块，所述两平面其中一个通过组成Oloid曲面两圆的圆心，另一个过这两圆心连线的中点垂直于该平面。所述四个分块命名为：左1、左2、右1、右2。其中左1与左2完全一致，右1与右2完全一致。左1分块与右1分块之间通过螺栓螺母连接，左2分块与右2分块之间通过螺栓螺母连接。

所述电机与配重块质量与尺寸完全相同。

所述一种滚动行进的单自由度蜣螂仿生机器人在Schatz机构的驱动下以Oloid外壳在地面滚动、位于第一连杆上的副足推动的方式在地面移动，其运动轨迹与Oloid曲面在地面滚动轨迹一致。可在单个电机的驱动下，根据电机转速以及转向改变移动方向。机器人实现移动与转向的步骤如下：

A1.机器人尚未启动时，Oloid外壳以线段形式与地面接触，同时位于第一连杆上的副足支撑在地面。

A2.当位于第二连杆内部的电机开始逆时针(以视野中第一连杆在Oloid外壳前为正视图)整周转动后，第三连杆逆时针转动，第三连杆与第四连杆所形成的转动副向左前移动，带动Oloid外壳向左前滑移，同时第一连杆向左倾斜。当电机转动角度大于180°后，第三连杆与第四连杆所形成的转动副向右前移动，带动Oloid外壳向右前滑移，第一连杆向右倾斜。电机匀速转动一周，机器人前进的左右方向分量一致，整体直线向前移动。

A3.当电机转速发生改变时，机器人将改变行进方向。若第三连杆处于a2所述过程电机转角为0至180°范围内，电机转速增加，此时第三连杆与第四连杆所形成的转动副向左前移动趋势增大。其对地面的冲击增大，该部位的摩擦力将大于第四连杆与第五连杆所形成的转动副在地面的投影部位。机器人向右转向。反之，若第三连杆处于所述过程电机转角为180°至360°范围内，电机转速增加，机器人向左转向。电机转速减小过程与上述过程相反。

A4.当电机转动方向由逆时针改为顺时针时，第一连杆先被举起，此时机器人只有Oloid外壳与地面接触，在摩擦力与惯性力作用下，Oloid外壳与地面产生相对滑动，偏移一定角度。最后第一连杆的副足端点接触地面，完成转向动作。

附图说明

图1机器人三维轴测图

图2第一连杆装配三维图

图3第二、第六连杆装配及零件图

图4第三、五连杆三维图

图5第四连杆三维图

图6 Oloid外壳三维轴测图

图7 Oloid外壳剖视图

图8 Oloid外壳与第四、第五连杆装配关系图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

一种滚动行进的单自由度蜣螂仿生机器人，包括第一至第六连杆(B、C、D、E、J、K)；Oloid外壳第一至第四分块(F、G、H、I)；副足(A、L)。

如图2所示，第一连杆左右两端均布有第一、第二法兰联轴器(F1、F2)。通过位于第一连杆两侧的安装孔使用螺栓螺母方式与第一连杆固连。并且第一、第二法兰联轴器(F1、F2)分别与安装与第二连杆中的电机轴、安装于第六连杆中的配重轴连接。第一连杆中部的上下两端均布有完全相同的两个副足连杆，并以螺栓螺母固连在第一连杆上。

如图3所示，第二连杆与第六连杆结构和尺寸完全相同。其分为上端(C1和K1)和下端(C2和K2)两个部分，两部分间通过螺栓固连。其中第二、六连杆下端部分(C2、K2)分别与电机和配重通过螺栓连接。第二、六连杆上端部分(C1、K1)设有通孔，通过使用将螺栓与轴承配合的方式形成转动副，并使用螺母进行轴向定位的方法，与第三、五连杆连接。第二连杆上端部分(C1)有设有两个走线通道(T1、T2)，分别通过电机的正负极电线，为保证对称第六连杆上端部分(K1)与之相同。

如图4所示，第三、五连杆结构和尺寸完全相同。其为两端设有相互垂直的小通孔(D1和J1)和大通孔(D2和J2)的空心方管，其中小通孔(D1和J1分别)与第二连杆以及第六连杆上端通孔配合形成转动副。另一端的大通孔(D2和J2)通过使用将螺栓与轴承配合的方式形成转动副，并使用螺母进行轴向定位的方法，与第四连杆连接。电机电源线从第三连杆内部中穿出，正负极电线分别从第三连杆与第四连杆所形成的转动副两侧绕过，进入第四连杆内部。

如图5所示，第四连杆为空心方管，两端设有相互垂直的通孔(E1、E2)，分别与第三、第五连杆的大通孔(D2、J2)连接。在第四连杆中部设有通孔(E3)，电机电源线从通孔中穿出与通过粘接的方法安装于第四连杆上的电控部件相连。

如图6、7所示。Oloid外壳由第一至第四分块(F、G、H、I)通过通孔(Fa1、Fa2、Ga1、Ga2、Ha1、Ha2、Ia1、Ia2)使用螺栓螺母装配而成。装配体内部设计有一圆柱载物空间(N)及(O1、O2)两个用于安置电路的环形空间。通过如图8所示，使用将螺栓(S)与轴承(R1、R2)配合的方式形成转动副，并用螺母(Sh)进行轴向定位的方法，将Oloid外壳的四个模块与第三、四连杆，第四、五连杆连接。

第三至第五连杆两端相互垂直的通孔之间的距离相等，并等于形成Oloid曲面两相互垂直的圆环的半径。

第一连杆两端法兰联轴器轴线间的距离为上述距离的3倍。

Claims (2)

1.一种滚动行进的单自由度蜣螂仿生机器人，其特征在于：基于Schatz机构与Oloid曲面，包含第一至第六连杆(B、C、D、E、I、K)，Oloid外壳第一至第四分块(F、G、H、I)，副足(A、L)；

第一连杆左右两端均布有第一、第二法兰联轴器(F1、F2)，通过位于第一连杆两侧的安装孔使用螺栓螺母方式与第一连杆固连，并且第一、第二法兰联轴器(F1、F2)分别与安装与第二连杆中的电机轴、安装于第六连杆中的配重轴连接，第一连杆中部的上下两端均布有完全相同的两个副足连杆，并以螺栓螺母固连在第一连杆上；

第二连杆与第六连杆结构和尺寸完全相同，其分为上端部分和下端部分，两部分间通过螺栓固连，其中第二、六连杆下端部分分别与电机和配重通过螺栓连接，第二、六连杆上端部分设有通孔，通过使用将螺栓与轴承配合的方式形成转动副，并使用螺母进行轴向定位的方法，与第三、五连杆连接，第二连杆上端部分(C1)设有两个走线通道(T1、T2)，分别通过电机的正负极电线，为保证对称第六连杆上端部分(K1)与之相同；

第三、五连杆结构和尺寸完全相同，其为两端设有相互垂直的小通孔、大通孔的空心方管，其中第三、五连杆结构上的小通孔分别与第二连杆以及第六连杆上端通孔配合形成转动副，第三、五连杆结构上的大通孔通过使用将螺栓与轴承配合的方式形成转动副，并使用螺母进行轴向定位的方法，与第四连杆连接，电机电源线从第三连杆内部中穿出，正负极电线分别从第三连杆与第四连杆所形成的转动副两侧绕过，进入第四连杆内部；

第四连杆为空心方管，两端设有相互垂直的通孔(E1、E2)，分别与第三、第五连杆的大通孔(D2、J2)连接，在第四连杆中部设有通孔(E3)，电机电源线从通孔中穿出与通过粘接的方法安装于第四连杆上的电控部件相连；

Oloid外壳由第一至第四分块(F、G、H、I)通过通孔(Fa1、Fa2、Ga1、Ga2、Ha1、Ha2、Ia1、Ia2)使用螺栓螺母装配而成，装配体内部设计有一圆柱载物空间(N)及(O1、O2)两个用于安置电路的环形空间，使用将螺栓(S)与轴承(R1、R2)配合的方式形成转动副，并用螺母(Sh)进行轴向定位的方法，将Oloid外壳的四个模块与第三、四连杆，第四、五连杆连接；

第三至第五连杆两端相互垂直的通孔之间的距离相等，并等于形成Oloid曲面两相互垂直的圆环的半径；

第一连杆两端法兰联轴器轴线间的距离为上述第三至第五连杆两端相互垂直的通孔 之间距离的倍。

2.根据权利要求1所述的一种滚动行进的单自由度蜣螂仿生机器人，其特征在于：所有的运动副都是转动副，且除了第一连杆两侧转动副的轴线相互平行以外，其余两相邻转动副轴线相互垂直。