CN114802518A - 一种仿生可变形六足机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生可变形六足机器人，属于仿生机器人设计技术领域。包括机身、腿、控制板、电机驱动和电池机构；六个腿沿机身的两侧对称布置；电池与控制板连接，控制板与电机驱动连接，电机驱动与电动机连接，电动机与腿连接。每组的三条腿可以通过电机驱动进行弯折，三条腿相扣从而变形为轮结构。在足结构状态时，机器人能够以三角步态前进；在轮结构状态时，机器人能以两轮驱动前进。机器人在平坦路面可以以轮结构行进，相比传统足结构机器人能够大幅度提高行进速度，在非结构化地形以足结构行进，相比传统轮式机器人能够大幅度提高地形适应能力。机器人自由度高，轻便灵活，对地形适应能力以及在各种路况下的性能较高。
Description
技术领域
本发明公开了一种仿生可变形六足机器人，属于仿生机器人设计技术领域。
背景技术
仿生六足机器人，作为多足机器人的代表，可在非结构化地形上行走，较常规机器人具有很强的越障能力与环境适应性。但是目前的机器人多采用单一足结构或轮结构，足结构在非结构化地形上适应能力较强，但在平坦路面上行走的步幅和步频均难以达到快速行走的要求，而轮结构在平坦路面上行进速度较快，但在非结构化地形上运动能力较差。目前有针对轮足机器人的研究设计，但大部分只是简单的将轮结构和足结构相结合，在原有单一行进结构的基础上性能有所提升，但仍然存在负载能力不足、运动速度较慢、运动效率较低等问题。近年来机器人在地质勘探，灾难救援等危险复杂情况下具有越来越高的应用价值，因此设计一种轻巧灵活，结构稳定，运行速度快，运动效率高，地形适应能力强的六足机器人已经是当前研究的重点。
发明内容
本发明的目的在于提出一种仿生六足机器人。本发明针对单一行进结构机器人地形适应能力差、运动效率低、运动速度慢的缺陷设计了全新的足结构，使其能在电机的驱动下弯曲组合形成轮型结构，使机器人具备了在轮结构和足结构之间相互变形转换的功能，是以节肢动物摩洛哥后空翻蜘蛛为原型设计制造的。主控板通过对每个电机和舵机的精准控制实现机器人的行走和变形等动作，大幅度提高了地形适应能力、稳定性和运动效率。
现有大多轮足机器人的本质仍是足结构机器人，通过将足结构触地的足更换为轮形成轮足机器人，运动姿态和运动方式也和足结构机器人没有大的差异。现有足结构机器人运动的过程中，每条腿的根部与主体是固定的，每条腿只能相对腿根部与主体的固定点进行运动。本发明提出的新型轮足结构通过增加轮足盘的方式，将现有足结构与主体的固定点移动到轮足盘，而轮足盘可通过电机控制相对主体进行旋转动作，使得腿结构根部的固定点可移动，解除了现有腿结构根部固定的限制，提高了腿运动的自由度。通过这种方式结合足结构本身高自由度的特点，可以通过腿的弯曲组合将三条腿变形为近似轮形，再通过轮足盘的旋转，使三条腿组合成轮结构的同时一同旋转，完成轮式运动。
本发明提出的新型轮足结构可以在轮结构和足结构之间自由变形切换运动结构，且变形过程简便快速，在实际应用下可以通过当前所处地形状况选择最适合的运动结构进行运动。在平坦路面上可选择轮结构行进，相比传统足结构和现有轮足结构，运动速度更快。而在非结构化地形上机器人可选择足结构行进，相比轮结构地形适应能力更强，运动速度和运动效率更快。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种仿生六足机器人，包括机身1、轮足盘2、腿3。机身1为球形，六条腿3分为两组，每组三条腿，两组三条腿沿机身1的两侧对称布置；每条腿3的根部通过第三关节9与轮足盘2旋转连接，从而使仿生六足机器人在轮结构下行进时，每组的三条腿之间能保持相对静止的状态前进。
进一步地，所述的第三关节9内设有电机，能够带动腿3绕关节9相对轮足盘旋转。
进一步地，仿生六足机器人还包括电动机4、控制板5和电池6。所述的电动机4、控制板5、电池6装在机身1内。电池6与控制板5连接，控制板5与电机4连接，电机4与轮足盘2连接，轮足盘2与三条腿3连接。所述控制板5与仿生六足机器人所有的电机和舵机相连，用于控制机器人运动。
进一步地，腿3由第三关节9、支撑主体13、第一旋转平台11、第二旋转平台12、万向节10、第二关节8、小腿14、第一关节7和足15组成。所述轮足盘2上有三个沿周向均布连接槽。第二旋转平台12通过第三关节9与连接槽旋转连接，在第三关节9内置电机驱动作用下绕第三关节9旋转。第一旋转平台11和第二旋转平台12通过内部电机轴进行插接，使第一旋转平台11能够绕第二旋转平台12轴向进行旋转。所述支撑主体13通过万向节10与第一旋转平台11相连，通过万向节10进行两个方向的旋转动作。所述小腿14通过第二关节8与支撑主体13旋转连接，通过第二关节8的内部电机使小腿14绕第二关节8进行旋转动作。足15通过第一关节7与小腿14旋转连接，通过第一关节7内部电机使足15绕第一关节7进行旋转动作。
进一步地，所述的足15为镂空结构。
进一步地，所述的支撑主体13两端设有镂空构。
进一步地，所述的万向节13和第一旋转平台11、第二旋转平台12的组合提升腿3整体的自由度，使腿3的灵活性大大提高，可以在非结构化地形上具有较强的适应能力。
进一步地，所述的第一关节7、第二关节8和第三关节9均为舵机连接结构。
与现有技术相比，本发明具有以下创新性：
1、设计了轮足转换变形结构，真正实现了将轮结构和足结构的融合，可根据地形条件自由切换行进结构，实现在各种地形下都能有较好的性能表现，在进一步提升地形适应能力的同时全方位提高了运动速度和运动效率。
2、机器人机械结构牢固，稳定性较高，机器人结构布局合理，在简单的结构基础上实现了对各个关节的精准控制，使得在结构稳定的基础上控制更加灵活。
3、腿部使用了多关节设计，通过高精度的舵机控制使得机器人能实现高灵活性的全方位运动，在灾害救援、无人侦察、定向攻击等领域有广泛的应用前景。
4、该新型轮足结构可以放大推广，可成为载人载具的行进结构，相比现有轮式/履带式载人载具的行进结构，该新型轮足结构对运动效率及功能性等指标有较大提升。
5、机器人工作时，电池为整个机器人提供动力，控制板控制电机工作，电机驱动腿进行工作。每一条腿安装有六个电机，可实现腿的任意动作。六条腿分为两组，每组三条腿，每组三条腿的根部关节固定在一个圆形平台上，圆形平台由固定在机身上的大电机驱动。每组的三条腿可以通过电机驱动进行弯折，三条腿相扣从而变形为轮结构。在足结构状态时，机器人能够以三角步态前进；在轮结构状态时，机器人能以两轮驱动前进。机器人在平坦路面可以以轮结构行进，相比传统足结构机器人能够大幅度提高行进速度，在非结构化地形可以以足结构行进，相比传统轮式机器人能够大幅度提高地形适应能力。机器人自由度高，轻便灵活，对地形适应能力以及在各种路况下的性能较高。
附图说明
图1机器人整体外观。
图2机器人内部结构。
图3腿结构示意图。
图4腿结构示意图。
图5轮形态侧视图。
图6足形态侧视图。
图7机器人俯视图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明采用的技术方案是一种仿生六足机器人，该机器人的外观如图1所示，包括机身1、轮足盘2、腿3。机身1设计为球形，从而保证机身的重心较稳定，不会由于腿及轮足盘的运动发生偏转等。六条腿3分为两组，每组三条腿，两组三条腿沿机身1的两侧对称布置；每条腿3的根部通过关节9与轮足盘2旋转连接，从而能让机器人在轮结构下行进时每组的三条腿3之间能保持相对静止的状态前进。关节9内设有电机，能够带动腿3绕关节9相对轮足盘旋转，完成所需动作。仿生六足机器人还包括电动机4、控制板5和电池6。机器人的内部结构如图2所示，所述的电动机4、控制板5、电池6装在机身1内。如图2，电池6与控制板5连接，控制板5与电机4连接，电机4与轮足盘2连接，轮足盘2与三条腿3连接。同时控制板5与机器人所有的电机和舵机相连，用于控制机器人运动。
机器人的腿3的结构如图3、图4所示，由第三关节9、支撑主体13、第一旋转平台11、第二旋转平台12、万向节10、第二关节8、小腿14、第一关节7和足15组成。轮足盘2上有三个连接槽，以轮足盘2圆心旋转对称分布。第二旋转平台12通过第三关节9与连接槽旋转连接，在第三关节9内置电机驱动作用下绕第三关节9旋转。第一旋转平台11和第二旋转平台12通过内部电机轴进行插接，使第一旋转平台11能够绕第二旋转平台12轴向进行旋转。所述支撑主体13通过万向节10与第一旋转平台11相连，通过万向节10进行两个方向的旋转动作。小腿14通过第二关节8与支撑主体13旋转连接，通过第二关节8的内部电机使小腿14绕第二关节8进行旋转动作。足15通过第一关节7与小腿14旋转连接，通过第一关节7内部电机使足15绕第一关节7进行旋转动作。足15采用镂空设计，在保证强度的同时减轻重量，也增大了足15绕第一关节7旋转的幅度。支撑主体13两端有大部分的镂空设计，提高小腿14相对支撑主体13的活动空间以及支撑主体13相对第一旋转平台11的活动空间，提升腿部运动的灵活度。万向节13和第一旋转平台11、第二旋转平台12的组合提升了腿3整体的自由度，使腿3的灵活性大大提高，可以在非结构化地形上具有较强的适应能力。
机器人俯视图如图7所示，六个腿分为左组16和右组17。
该机器人的行走过程如下所述：
1)直行时，左组16和右组17交替向前转动，以三角步态前进，运动情况完全对称。
2)后退时，左组16和右组17交替向后转动，以三角步态后退，运动情况完全对称。
3)原地左转时，左组16与右组17同时触地，且左组16向后转动，右组17向前转动，由于左组16左侧摩擦力大，右组17右侧摩擦力大，因此机器人可以实现原地左转。
4)原地右转时，左组16与右组17同时触地，且左组16向前转动，右组17向后转动，由于左组16左侧摩擦力大，右组17右侧摩擦力大，因此机器人可以实现原地右转。
5)足结构变形为轮结构时，舵机9向外旋转，使由支撑主体13、旋转平台11、旋转平台12构成的直线平行于轮足盘表面，旋转平台11转动至旋转平台11的横轴和旋转平台12上的舵机9的横轴平行，舵机8和舵机7转动，使小腿14和支撑主体13所成夹角为60度，足15和小腿14所成夹角为120度。三条腿对于轮足盘圆心旋转对称。变形后的轮结构侧视图如图5所示。变形为轮结构后可通过电机4控制轮足盘旋转，带动三条腿一起旋转，完成轮式运动。
6)轮结构变形为足结构时，旋转平台11向外旋转90度，舵机8和舵机7旋转将腿打开，舵机9向内旋转让腿触地，三条腿依次变形即可完全变为足结构。变形后的足结构侧视图如图6所示。
Claims (9)
1.一种仿生可变形六足机器人，其特征在于：包括机身(1)、轮足盘(2)、腿(3)；机身(1)为球形，六条腿(3)分为两组，每组三条腿，两组三条腿沿机身(1)的两侧对称布置；每条腿(3)的根部通过第三关节(9)与轮足盘(2)旋转连接，从而使仿生六足机器人在轮结构下行进时，每组的三条腿之间能保持相对静止的状态前进。
2.根据权利要求1所述的一种仿生可变形六足机器人，其特征在于：所述的第三关节(9)内设有电机，能够带动腿(3)绕第三关节(9)相对轮足盘旋转。
3.根据权利要求1所述的一种仿生可变形六足机器人，其特征在于：仿生六足机器人还包括电动机(4)、控制板(5)和电池(6)；所述的电动机(4)、控制板(5)、电池(6)装在机身(1)内；电池(6)与控制板(5)连接，控制板(5)与电机(4)连接，电机(4)与轮足盘(2)连接，轮足盘(2)与三条腿(3)连接；所述控制板(5)与仿生六足机器人所有的电机和舵机相连，用于控制仿生六足机器人运动。
4.根据权利要求1所述的一种仿生可变形六足机器人，其特征在于：腿(3)由第三关节(9)、支撑主体(13)、第一旋转平台(11)、第二旋转平台(12)、万向节10、第二关节(8)、小腿14、第一关节(7)和足(15)组成；所述轮足盘(2)上有三个沿周向均布连接槽；第二旋转平台(12)通过第三关节(9)与连接槽旋转连接，在第三关节(9)内置电机驱动作用下绕第三关节(9)旋转；第一旋转平台(11)和第二旋转平台(12)通过内部电机轴进行插接，使第一旋转平台(11)能够绕第二旋转平台(12)轴向进行旋转；所述支撑主体(13)通过万向节(10)与第一旋转平台(11)相连，通过万向节(10)进行两个方向的旋转动作；所述小腿(14)通过第二关节(8)与支撑主体(13)旋转连接，通过第二关节(8)的内部电机使小腿14绕第二关节(8)进行旋转动作；足(15)通过第一关节(7)与小腿(14)旋转连接，通过第一关节(7)内部电机使足(15)绕第一关节(7)进行旋转动作。
5.根据权利要求4所述的一种仿生可变形六足机器人，其特征在于：所述的足(15)为镂空结构。
6.根据权利要求4所述的一种仿生可变形六足机器人，其特征在于：所述的支撑主体(13)两端设有镂空构。
7.根据权利要求4所述的一种仿生可变形六足机器人，其特征在于：所述的万向节(13)和第一旋转平台(11)、第二旋转平台(12)的组合提升腿(3)整体的自由度。
8.根据权利要求4所述的一种仿生可变形六足机器人，其特征在于：所述的第一关节(7)、第二关节(8)和第三关节(9)均为舵机连接结构。
9.根据权利要求4所述的一种仿生可变形六足机器人，其特征在于：该仿生六足机器人的行走过程如下所述：
1)直行时，左组(16)和右组(17)交替向前转动，以三角步态前进，运动情况完全对称；
2)后退时，左组(16)和右组(17)交替向后转动，以三角步态后退，运动情况完全对称；
3)原地左转时，左组(16)与右组(17)同时触地，且左组(16)向后转动，右组(17)向前转动，由于左组(16)左侧摩擦力大，右组(17)右侧摩擦力大，实现原地左转；
4)原地右转时，左组(16)与右组(17)同时触地，且左组(16)向前转动，右组(17)向后转动，由于左组(16)左侧摩擦力大，右组(17)右侧摩擦力大，实现原地右转；
5)足结构变形为轮结构时，关节(9)向外旋转，使由支撑主体(13)、旋转平台(11)、旋转平台(12)构成的直线平行于轮足盘表面，旋转平台(11)转动至旋转平台(11)的横轴和旋转平台(12)上的第三关节(9)的横轴平行，第二关节(8)和第一关节(7)转动，使小腿(14)和支撑主体(13)所成夹角为60度，足(15)和小腿(14)所成夹角为120度；
6)轮结构变形为足结构时，旋转平台(11)向外旋转90度，第二关节(8)和第一关节(7)旋转将腿打开，第三关节(9)向内旋转让腿触地，三条腿依次变形即可完全变为足结构。
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