CN114735107B - 一种仿蟹机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿蟹机器人及其控制方法，其中底板下方并排设置多个腿组，腿组包括两个三连杆机构，对称设置在腿部安装框架两端；腿部安装框架包括上支撑板和下支撑板；三连杆机构中，第一连杆转动设置于下支撑板底部，第二连杆转动设置于上支撑板底部；第三连杆一端与第一连杆另一端铰接；第二连杆另一端铰接于第三连杆中部；中间连杆两端分别与两个第一连杆另一端铰接；第一舵机通过舵机安装框架固定在下支撑板上，第一舵机的舵臂与第一连杆中点位置铰接；第一舵机驱动中间连杆，使腿组中的两条腿作一个抬起、另一个落下的周期运动。控制时，相邻的两个腿组步态时序差为半个周期，间隔的两个腿组步态时序相同。本发明控制实现简单。

Description

一种仿蟹机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及仿生机器人，具体涉及一种仿蟹机器人及其控制方法。

背景技术

既有的仿蟹机器人中，CN111251797A公开了一种两栖机器人，其步行足单元包括三对六条且呈放射状连接在躯体框架上的步行足，通过控制多个步行足运动姿态的变化实现陆地爬行。存在的问题在于：各步行足的运动姿态完全依靠控制实现，步行足间没有联动，控制实现复杂。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提出一种控制实现简单的仿蟹机器人，本发明的第二目的是提出该仿蟹机器人的控制方法。

技术方案：本发明所述的仿蟹机器人，包括底板和底板下方并排设置的多个腿组，底板底部设有腿部安装框架；腿组包括两个三连杆机构，对称设置在腿部安装框架两端；两个三连杆机构通过中间连杆相连，三连杆机构末端设有足节；腿部安装框架上固定有第一舵机，用以驱动中间连杆，使腿组中的两条腿作一个抬起、另一个落下的周期运动。

腿组中的两条腿基于三连杆机构及中间连杆，可实现联动，进而简化了仿蟹机器人腿部结构，减少了舵机数量，降低了控制难度。

进一步地，腿部安装框架包括通过第一铝柱相连的上支撑板和下支撑板；三连杆机构包括第三连杆、转动设置于下支撑板底部的第一连杆，以及转动设置于上支撑板底部的第二连杆；第三连杆一端与第一连杆另一端铰接，第三连杆末端连接足节；第二连杆另一端铰接于第三连杆中部；中间连杆两端分别与两个第一连杆另一端铰接；第一舵机通过舵机安装框架固定在下支撑板上，第一舵机的舵臂与中间连杆中点位置铰接。

进一步地，第三连杆末端设有U型架，足节转动设置在U型架上，U型架上设有用于驱使足节转动的第五舵机。在仿蟹机器人行走时，足节随之转动，更贴合螃蟹的真实运动特点，仿生度高，能够适应非常规、复杂路况。

进一步地，现有的仿蟹机器人多只能左右横向移动，而无法实现全向移动，灵活性差，限制了机器人的应用。为此，腿部安装框架上固定有第四舵机，第四舵机伸出腿部安装框架的输出轴上设有一字舵臂，该一字舵臂与底板相连接。当第四舵机转动时，可使腿部安装框架及腿组作整体转动，进而仿蟹机器人可斜向行走，此过程不需要单独控制各个腿组转向。

进一步地，底板下方设有轴承支撑机构，轴承支撑机构包括设置在上支撑板与下支撑板之间的横板，横板两端通过第二铝柱与底板相连，上支撑板在两个第二铝柱之间转动；横板上设置多个万向球轴承，万向球轴承顶端与上支撑板相切。该轴承支撑机构能够分担支撑压力，同时还具有一定的缓冲作用，能够保证机器人整体的稳定性。

本发明还保护一种仿蟹机器人的控制方法，相邻的两个腿组步态时序差为半个周期，间隔的两个腿组步态时序相同。

进一步地，在腿组运动的同时，各足节末端按照设定的轨迹移动。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：本发明精简了仿蟹机器人腿部结构，腿组中的两个腿能够联动，舵机少，控制实现简单。

附图说明

图1是仿蟹机器人的仰视图；

图2是仿蟹机器人的主视图；

图3是仿蟹机器人的俯视图；

图4是腿组的结构示意图；

图5是轴承支撑机构的结构示意图；

图6是螯足的结构示意图；

图7是第二腿组中左足节末端轨迹图；

图8是第二腿组中右足节末端轨迹图；

图9是第二腿组中θ₂＝0°变化到θ₂＝90°的示意图；

图10是第二腿组中θ₂＝90°变化到θ₂＝180°的示意图；

图11是第二腿组中θ₂＝180°变化到θ₂＝270°的示意图；

图12是第二腿组中θ₂＝270°变化到θ₂＝360°的示意图；

图13是第一腿组中左腿的时序图；

图14是第二腿组中左腿的时序图；

图15是第三腿组中左腿的时序图；

图16是第四腿组中左腿的时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1至图6所示，一种仿蟹机器人，包括底板1和四个结构相同并排设置的腿组2，四个腿组2按序为第一腿组、第二腿组、第三腿组和第四腿组，均设置在腿部安装框架4上。在底板1顶部设有控制模块7和一对螯足3，其中控制模块7为嵌入式控制器，用于控制机器人动作。螯足3用于抓取、夹持物块。

腿组2包括中间连杆24、两个三连杆机构21和两个足节22，两个三连杆机构21分别设置在腿部安装框架4两端。腿部安装框架4包括上支撑板41和下支撑板42，上、下支撑板通过第一铝柱43相连。三连杆机构21包括第一连杆211、第二连杆212和第三连杆213，第一连杆211通过90°角码转动设置于下支撑板42底部，第二连杆212通过90°角码转动设置于上支撑板41底部。第三连杆213一端与第一连杆211另一端铰接，第三连杆213末端设有U型架214，足节22转动设置在U型架214上，U型架214上设有用于驱使足节22转动的第五舵机。第二连杆212另一端铰接于第三连杆213中部；中间连杆24两端分别与两个第一连杆211另一端铰接；第一舵机23通过舵机安装框架44固定在下支撑板42上，第一舵机23的舵臂与中间连杆24中点位置铰接。第一舵机23的舵臂与两个第一连杆211的长度一致。第一舵机23驱动其舵臂作360°旋转，带动中间连杆24使第一连杆211作360°转动，第二连杆212作一定角度的往复摆动。腿组2中的两条腿作一个抬起、另一个落下的周期运动。

此外，上支撑板41上固定有第四舵机8，第四舵机8伸出上支撑板41的输出轴上设有一字舵臂5，该一字舵臂5与底板1固定连接。底板1下方设有两个轴承支撑机构6，左右各一。具体地，轴承支撑机构6包括设置在上支撑板41与下支撑板42之间的横板61，横板61两端通过第二铝柱62与底板1相连，上支撑板41在两个第二铝柱62之间转动；横板61上设置多个万向球轴承63，万向球轴承63顶端与上支撑板41相切。轴承支撑机构6使得腿组2在骤然下落时能获得一定的缓冲，以增加转向的稳定性。当第四舵机8转动时，可改变腿组2的运动方向，使机器人调整运动方向，而不需要单独控制每个腿组2转向。第四舵机8可在不干涉各个腿组2的情况下提供动力，使腿组2相对于底板1转动，实现转向功能。

螯足3包括安装在底板1上的第二舵机31，该第二舵机31用于驱动主螯钳34左右转动，在主螯钳34上转动连接有开合钳33，主螯钳34上还设有用于驱动开合钳33转动的第三舵机32，以实现实现对物块的抓取与释放。

仿蟹机器人的步态控制方法具体如下：

仿蟹机器人行走时至少有四条腿同时着地以保证稳定，同侧的间隔的两腿足端状态相同；同侧相邻两腿足端状态不同，两侧相对的两腿足端状态不同。对腿组2的连杆机构进行分析，可以得到腿组2左、右足节末端的轨迹如图7和图8，与螃蟹的实际轨迹曲线较为相似。

为验证机器的运动效果，对装置进行运动仿真。设第一腿组第一舵机23的舵臂为R1，与水平方向交角为θ₁，第一腿组的左足为L1；第二腿组第一舵机23的舵臂为R2，与水平方向交角为θ₂，第二腿组的左足为L2；第三腿组第一舵机23的舵臂为R3，与水平方向交角为θ₃，第三腿组的左足为L3；第四腿组第一舵机23的舵臂为R4，与水平方向交角为θ₄，第四腿组的左足为L4。面朝舵臂，其逆时针旋转时，θ为正。

以第二腿组的θ₂为例，根据图7和图8，将一个周期分为4个阶段。第一阶段，θ₂＝0°变化到θ₂＝90°过程中，此过程的初状态为a，末状态为c，中间特征状态为b及腿组末端轨迹曲线见图9，其中状态a整个腿组姿态低且左右两足同时支撑地面，这种状态称之为低姿态支撑态，状态c腿组左足抬起悬空，右足支撑，此状态称之为左抬腿状态；第二阶段，θ₂＝90°变化到θ₂＝180°过程中，此过程的初状态为c，末状态为e，中间特征状态为d及腿组末端轨迹曲线见图10，其中状态c为左抬腿状态，状态e整个腿组姿态明显高且左右两足同时支撑地面，此状态称之为高姿态支撑状态；第三阶段，θ₂＝180°变化到θ₂＝270°过程中，此过程的初状态为e，末状态为g，中间特征状态为f及腿组末端轨迹曲线见图11，其中状态e为高姿态支撑状态，状态g腿组右足抬起悬空，左足支撑，此状态称之为右抬腿状态；第四阶段，θ₂＝270°变化到θ₂＝360°过程中，此过程的初状态为g，末状态为i，中间特征状态为h及腿组末端轨迹曲线见图12，其中状态g为右抬腿状态，状态i为低姿态支撑态；

一个步态周期分为4个阶段。初状态时θ₁＝θ₂＝θ₃＝θ₄＝0°第一阶段：使θ₁＝-90°，θ₂＝90°，θ₃＝-90，θ₄＝90°，此时第一、第三腿组处于右抬腿状态，第二、第四腿组处于左抬腿状态；使得L2-L4-R1-R3处于移动相，L1-L3-R2-R4处于支撑相。第二阶段：使θ₁＝-180°，θ₂＝180°，θ₃＝-180，θ₄＝180°，此时第一、第三腿组在高姿态悬空下足节22处舵机，使得腿组末端能顺利收拢。第一、第三腿组和对应的足节22处舵机起支撑第一、第三腿组收拢腿组末端的作用，使得L1-L3-R1-R3处于移动相，L2-L4-R2-R4处于支撑相。第三阶段：使θ₁＝-270°，θ₂＝270°，θ₃＝-270，θ₄＝270°，此时第一、第三腿组处于左抬腿状态，第二、第四腿组处于右抬腿状态；通过调整第四腿组右侧的舵机，使得R4处于支撑状态，增加一个支持相，使得移动更加平稳，使得L1-L3-R1处于移动相，L2-L4-R2-R3-R4处于支撑相。第四阶段：使θ₁＝-360°，θ₂＝360°，θ₃＝-360，θ₄＝360°，此时第一、第三腿组和第二、第四腿组都处于低姿态的支撑状态，但考虑到运动的惯性，调节L2，L4，R2，R4处的舵机，使其稍微离开地面，使得各腿组的负载均匀，使得L2-L4-R2-R4处于移动相，L1-L3-R1-R3处于支撑相。

总体而言，本机器人的整体步态为类对角步态，第一、第三腿组和第二、第四腿组存在半个周期差。进一步研究腿组纵向的位移和时间的关系，因右侧步足和左侧步足状态相异且路径对称，故以整个机器人的左侧步足为例，第一腿组的左足L1和第三腿组的左足L3，同时处于支撑或者同时处于移动；第二腿组的左足L2和第四腿组的左足L4同时处于支撑或者同时处于移动，见图13至图16；因为连杆机构运动具有确定性，因此各腿组纵向轨迹完全对称。第一腿组的左足L1和第二腿组的左足L2，状态相反；第三腿组的左足L3和第四腿组的左足L4，状态相反；第一腿组的左足L1和第二腿组的左足L2之间存在半个周期差，第三腿组的左足L3和第四腿组的左足L4之间存在半个周期差。

Claims (6)

1.一种仿蟹机器人，包括底板（1）和底板（1）下方并排设置的多个腿组（2），其特征在于：底板（1）底部设有腿部安装框架（4）；腿组（2）包括两个三连杆机构（21），对称设置在腿部安装框架（4）两端；两个三连杆机构（21）通过中间连杆（24）相连，三连杆机构（21）末端设有足节（22）；腿部安装框架（4）上固定有第一舵机（23），用以驱动中间连杆（24），使腿组（2）中的两条腿作一个抬起、另一个落下的周期运动；

腿部安装框架（4）包括通过第一铝柱（43）相连的上支撑板（41）和下支撑板（42）；三连杆机构（21）包括第三连杆（213）、一端转动设置于下支撑板（42）底部的第一连杆（211），以及一端转动设置于上支撑板（41）底部的第二连杆（212）；第三连杆（213）一端与第一连杆（211）另一端铰接，第三连杆（213）末端连接足节（22）；第二连杆（212）另一端铰接于第三连杆（213）中部；中间连杆（24）两端分别与两个第一连杆（211）另一端铰接；第一舵机（23）通过舵机安装框架（44）固定在下支撑板（42）上，第一舵机（23）的舵臂与中间连杆（24）中点位置铰接。

2.根据权利要求1所述的仿蟹机器人，其特征在于：第三连杆（213）末端设有U型架（214），足节（22）转动设置在U型架（214）上，U型架（214）上设有用于驱使足节（22）转动的第五舵机。

3.根据权利要求1所述的仿蟹机器人，其特征在于：腿部安装框架（4）上固定有第四舵机（8），第四舵机（8）伸出腿部安装框架（4）的输出轴上设有一字舵臂（5），该一字舵臂（5）与底板（1）相连接。

4.根据权利要求3所述的仿蟹机器人，其特征在于：底板（1）下方设有轴承支撑机构（6），轴承支撑机构（6）包括设置在上支撑板（41）与下支撑板（42）之间的横板（61），横板（61）两端通过第二铝柱（62）与底板（1）相连，上支撑板（41）在两个第二铝柱（62）之间转动；横板（61）上设置多个万向球轴承（63），万向球轴承（63）顶端与上支撑板（41）相切。

5.一种权利要求2所述的仿蟹机器人的控制方法，其特征在于：相邻的两个腿组（2）步态时序差为半个周期，间隔的两个腿组（2）步态时序相同。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：在腿组（2）运动的同时，各足节（22）末端按照设定的轨迹移动。

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