CN115140214A - 救灾六足仿生机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种救灾六足仿生机器人，包括机体、设置于机体上的六个腿部机构和与腿部机构连接的足部机构，所述腿部机构包括与所述机体连接的第一舵机、与第一舵机连接的第一支架、设置于第一支架上的第二舵机、第二支架、设置于第二支架上的第三舵机以及与第二舵机和第三舵机连接的第一连杆，所述足部机构包括与第二支架连接的外壳、足部本体以及与足部本体连接且用于调节足部本体与外壳之间距离的调节机构。本发明的救灾六足仿生机器人，来源于仿生学，可以提高对复杂地形的适应能力，体积小，腿细长且能支撑起身体和行走功能。

Description

救灾六足仿生机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体地说，本发明涉及一种救灾六足仿生机器人。

背景技术

地震是一项重大灾害之一，其对人们的生产生活造成了很大的损害，汶川大地震是建国以来发生的破坏性最大的一次地震，范围也最广。随着智能设备的发展，越来越多的智能设备被用于抗震救灾与矿难等灾害救援中，各种智能机器人占据了救灾智能设备的绝大部分。目前智能机器人在救灾中主要发挥环境探测、通讯搭建、物资运输等作用。

目前救灾机器人为陆基机器人，根据行走机构的不同可分为轮式机器人、履带机器人、摆臂式履带机器人、多足机器人。这些机器人因为行进机构的不同而有着不同的机械特性。前面三种移动机器人各有各的应用场景，但都不适用于狭小的灾区废墟环境，研究六足仿生机器人应用于救灾的意义在于扩充现有救灾机器人的应用场景，与其他机器人相比有着跃障能力强、功耗低、工作空间大等优点。使得更多的机器人替代人工进入灾区危险地区，减少救灾过程中的人员伤亡。

虽然六足机器人在近些年取得了重大发展，但大多在机械结构、控制步态等领域，与早已成熟的轮式机器人相比，六足机器人依旧不够智能。目前轮式机器人已经能够实现SLAM自主导航避障，四足、六足机器人依旧停留在步态控制的研究当中，将轮式机器人平台相对成熟的导航系统适配应用在六足机器人平台上的实验较少，更多的研究实验是将SLAM应用于大型四足机器人，例如波士顿动力的Spotmini仿生狗机器人。国内外研究对多足机器人的结构功能做出改进，而对机器人的智能化、协作化的研究较少，六足机器人的功能定位为搬运和越障，对其勘测、协作、体积方面的提升不够注重。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种救灾六足仿生机器人，目的是提高对复杂地形的适应能力。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：救灾六足仿生机器人，包括机体、设置于机体上的六个腿部机构和与腿部机构连接的足部机构，所述腿部机构包括与所述机体连接的第一舵机、与第一舵机连接的第一支架、设置于第一支架上的第二舵机、第二支架、设置于第二支架上的第三舵机以及与第二舵机和第三舵机连接的第一连杆，所述足部机构包括与第二支架连接的外壳、足部本体以及与足部本体连接且用于调节足部本体与外壳之间距离的调节机构。

所述调节机构包括设置于所述第二支架上的第四舵机以及设置于所述外壳上且与第四舵机和所述足部本体连接的第一传动机构。

所述第一传动机构为齿轮齿条机构，第一传动机构的齿轮与所述第四舵机连接，第一传动机构的齿条为可移动的设置于所述外壳上，齿条的下端通过球铰链与所述足部本体连接。

所述第一舵机的动力输出端与所述机体连接，第一舵机的动力输出端的轴线与所述第二舵机的动力输出端的轴线在空间上相垂直。

所述第二舵机的动力输出端的轴线与所述第三舵机的动力输出端的相平行。

所述第一连杆的一端与所述第二舵机的动力输出端连接，第一连杆的另一端与所述第三舵机的动力输出端连接。

所述的救灾六足仿生机器人还包括第二连杆，第二连杆的一端与所述第一支架转动连接，第二连杆的另一端与所述第二支架转动连接，第二连杆的长度方向与所述第一连杆的长度方向相平行。

所述的救灾六足仿生机器人还包括执行夹机构，执行夹机构包括设置于所述机体上的底座、大臂、设置于底座上且与大臂连接的第五舵机、设置于大臂上的第六舵机8、与第六舵机8连接的小臂、夹爪组件和设置于小臂上且用于控制夹爪组件进行旋转的第七舵机。

所述夹爪组件包括与所述第七舵机连接的夹爪支架、导滑座、固定设置于导滑座上的第一夹爪、可移动的设置于导滑座上且与第一夹爪相配合的第二夹爪、设置于夹爪支架上的第八舵机以及与第八舵机和第二夹爪连接的第二传动机构。

所述第二传动机构为齿轮齿条机构，第二传动机构的齿轮与所述第八舵机连接，第二传动机构的齿条为可移动的设置于所述导滑座上，该齿条与所述第二夹爪连接。

本发明的救灾六足仿生机器人，来源于仿生学，可以提高对复杂地形的适应能力，体积小，腿细长且能支撑起身体和行走功能，

附图说明

本说明书包括以下附图，所示内容分别是：

图1是本发明救灾六足仿生机器人的结构示意图；

图2是腿部机构的结构示意图；

图3是足部机构的结构示意图；

图4是机体的结构示意图；

图5是腿部第二关节的结构示意图；

图6是执行夹机构的结构示意图；

图7是夹爪组件的结构示意图；

图8是舵机控制板内部供电电路图；

图9是供电电路的接线图；

图中标记为：1、第一夹爪；2、第二夹爪；3、第八舵机；4、夹爪支架；5、第七舵机；6、舵机支架；7、小臂；8、第六舵机；9、大臂支架；10、第五舵机；11、大臂；12、底座；13、第三支撑架；14、连接杆；15、足部本体；16、齿条；17、外壳；18、第三舵机；19、第一连杆；20、第二舵机；21、第二连杆；22、第一支架；23、第二支架；24、第一舵机；25、第四舵机；26、齿轮；27、舵盘；28、第二支撑架；29、第一支撑架；30、齿轮；31、齿条；32、导滑座；33、第一降压模块；34、第二降压模块；35、5V电池；36、控制器；37、电源；38、舵机控制板。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

需要说明的是，在下述的实施方式中，所述的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”、“第七”“第八”和“第九”并不代表结构和/或功能上的绝对区分关系，也不代表先后的执行顺序，而仅仅是为了描述的方便。

如图1至图7所示，本发明提供了一种救灾六足仿生机器人，包括机体、设置于机体上的六个腿部机构和与腿部机构连接的足部机构，腿部机构包括与机体连接的第一舵机24、与第一舵机24连接的第一支架22、设置于第一支架22上的第二舵机20、第二支架23、设置于第二支架23上的第三舵机18以及与第二舵机20和第三舵机18连接的第一连杆19，足部机构包括与第二支架23连接的外壳17、足部本体15以及与足部本体15连接且用于调节足部本体15与外壳17之间距离的调节机构。

具体地说，如图1所示，六个腿部机构分布在机体的相对两侧，机体的每侧布置三个腿部机构，处于机体同一侧的三个腿部机构为沿机体的长度方向依次布置。腿部机构模仿蚂蚁腿部结构，结构中空细长且腿部由三个转动关节和一个移动关节组成，四个关节驱动的连杆对应昆虫腿部分别为基节、骨节、胫节、足。前三个关节为驱动关节，主要负责本体的运动，第四个关节为了保证腿部末端始终垂直于地面，增强运动时的稳定性。六足共24个关节，采用模块化设计，具备多种功能且体积小，能够进入狭窄洞穴，在无光环境下勘测地形，补全了目前在小型勘测机器人研究方面的缺失。并且增大了机器人底盘的高度，机器人运动时，底盘高度(也即机体与地面之间的距离)最高可以达到180mm，让机器人跨越障碍物的范围增加。

如图1、图2和图4所示，第一舵机24的动力输出端与机体连接，第一舵机24的动力输出端的轴线与第二舵机20的动力输出端的轴线在空间上相垂直。第二舵机20的动力输出端的轴线与第三舵机18的动力输出端的相平行。第一舵机24的动力输出端为舵盘27，该舵盘27与机体固定连接，第一舵机24的壳体与第一支架22固定连接，第二舵机20的壳体与第一支架22固定连接，第二舵机20的动力输出端与第一连杆19的一端固定连接，第三舵机18的壳体与第二支架23固定连接，第三舵机18的动力输出端与第一连杆19的另一端固定连接。第二舵机20的动力输出端与第三舵机18的动力输出端的轴线与第一方向相平行，第一舵机24的动力输出端的轴线与第二方向相平行，机体的长度方向与第一方向相平行，机体的宽度方向与第三方向相平行，第一方向和第三方向相垂直，第二方向与第一方向和第三方向相垂直，第一方向和第三方向均为水平方向时，第二方向为竖直方向。第一连杆19的长度方向与第一方向相垂直，第一连杆19朝向机体的外侧伸出，第二支架23和足部机构位于机体的外部。

如图1至图3所示，调节机构包括设置于第二支架23上的第四舵机25以及设置于外壳17上且与第四舵机25和足部本体15连接的第一传动机构。第一传动机构为齿轮齿条机构，第一传动机构的齿轮26与第四舵机25连接，第一传动机构的齿条16为可移动的设置于外壳17上，外壳17对齿条16起到导向作用，齿条16的下端通过球铰链与足部本体15连接。外壳17与第二支架23固定连接，第四舵机25的壳体与第二支架23固定连接，第四舵机25的动力输出端的轴线与第一方向相平行。第四舵机25的动力输出端与第一传动机构的齿轮26固定连接，齿轮26与齿条16相啮合，足部本体15位于外壳17的下方，足部本体15用于与机器人所在位置处的地面相接触，足部本体15相对于齿轮26可以转动且足部本体15相对于齿轮26可以实现三个自由度的转动，灵活性好，保证六足机器人在行走的过程中始终可以使腿部与地面接触的部分的面积最大，运动平稳。调节机构通过第四舵机25的运转，配合传动机构，可以实现足部本体15的高度位置的有效控制，提高对地形的适应能力，同时通过第三舵机18的运转，可以使第二支架23相对于机体进行上下旋转，第二支架23带动足部机构同时进行动作，可以确保外壳17能够始终垂直于下方足部本体15所在位置处的地面，机器人行走过程中，可以使外壳17处于相对于地面为垂直的状态，这样可以增强机器人运动时的稳定性。

如图1和图2所示，本发明的救灾六足仿生机器人还包括第二连杆21，第二连杆21的一端与第一支架22转动连接，第二连杆21的另一端与第二支架23转动连接，第二连杆21的长度方向与第一连杆19的长度方向相平行，第二舵机20和第三舵机18位于第一连杆19和第二连杆21之间，第一连杆19和第二连杆21的长度大小相同，第二连杆21与第一支架22的转动连接点的轴线与第二舵机20的动力输出端的轴线为同一直线，第二连杆21与第二支架23的转动连接点的轴线与第三舵机18的动力输出端的轴线为同一直线。设置第一连杆19和第二连杆21，可以保证腿部运动时的稳定性。

如图1和图6所示，本发明的救灾六足仿生机器人还包括执行夹机构，执行夹机构是用于夹取物体，执行夹机构设置在机体的顶部。执行夹机构包括设置于机体上的底座12、大臂11、设置于底座12上且与大臂11连接的第五舵机10、设置于大臂11上的第六舵机8、与第六舵机8连接的小臂7、夹爪组件和设置于小臂7上且用于控制夹爪组件进行旋转的第七舵机5。第五舵机10固定设置在第三支架上，第三支架为可旋转的设置于底座12上，第三支架的旋转中心线与第三方向相平行，大臂11的长度方向上的一端与第五舵机10的动力输出端固定连接，第五舵机10用于带动大臂11上下旋转，第五舵机10的动力输出端的轴线与第三方向相垂直。第六舵机8固定安装在大臂11的长度方向上的另一端，大臂11的长度方向与第五舵机10的动力输出端的轴线相垂直，第六舵机8的动力输出端与小臂7的长度方向上的一端固定连接，第六舵机8的动力输出端的轴线与第五舵机10的动力输出端的轴线相平行，第六舵机8用于带动小臂7上下旋转。第七舵机5固定安装在小臂7的长度方向上的另一端，第七舵机5的动力输出端与夹爪组件连接，第七舵机5用于带动夹爪组件进行旋转，第七舵机5带动夹爪组件进行旋转时的旋转中心线(也即第七舵机5的动力输出端的轴线)与第六舵机8的输出端的轴线在空间上相垂直，且第七舵机5带动夹爪组件进行旋转时的旋转中心线与小臂7的长度方向相平行。通过大臂11、小臂7、第五舵机10和第六舵机8的配合，可以实现夹爪组件的位置和角度的控制和调节。

如图1和图5所示，夹爪组件包括与第七舵机5连接的夹爪支架4、导滑座32、固定设置于导滑座32上的第一夹爪1、可移动的设置于导滑座32上且与第一夹爪1相配合的第二夹爪2、设置于夹爪支架4上的第八舵机3以及与第八舵机3和第二夹爪2连接的第二传动机构。夹爪支架4与第七舵机5的动力输出端固定连接，导滑座32与夹爪支架4固定连接，第一夹爪1固定设置在导滑座32上，第二夹爪2与第一夹爪1为相对布置，第二夹爪2在导滑座32上进行移动时的移动方向与第七舵机5的动力输出端的轴线在空间上相垂直，导滑座32对第二夹爪2起到导向作用。第一夹爪1与第二夹爪2相配合，用于夹取物体。第八舵机3和第二传动机构相配合，用于控制第二夹爪2在导滑座32上进行移动，控制第二夹爪2与第一夹爪1之间的距离的调节，也即实现夹爪组件的开度大小的调节，满足不同尺寸的物体的抓取。

如图1和图5所示，第二传动机构为齿轮齿条机构，第二传动机构的齿轮30与第八舵机3连接，第二传动机构的齿条31为可移动的设置于导滑座32上，该齿条31与第二夹爪2连接。第八舵机3固定安装在夹爪支架4上，齿轮30与第八舵机3的动力输出端固定连接，第八舵机3的动力输出端的轴线与第七舵机5的动力输出端的轴线相垂直，第二夹爪2在导滑座32上进行移动时的移动方向也与第八舵机3的动力输出端的轴线相垂直。齿轮30与齿条31固定连接，第二夹爪2的一端与齿条固定连接，第一夹爪1和第二夹爪2朝向导滑座32的外侧伸出。

如图1和图6所示，作为优选的，底座12内设置用于控制第三支架进行旋转的第九舵机，第九舵机的输出端与第三支架固定连接，第九舵机的旋转中心线的轴线与第三方向相平行，第九舵机用于带动第三支架进行旋转。

如图1所示，机体包括支撑架，支撑架设置多个，所有支撑架处于与第三方向相平行的同一直线上，相邻两个支撑架通过连接杆14固定连接，连接杆14设置多个，底座12固定安装在处于最上层的支撑架上，第一舵机24的动力输出端与处于最下层的支撑架固定连接。

如图1所示，在本实施例中，支撑架设置三个，分别为第一支撑架29、第二支撑架28和第三支撑架13，第一支撑架29、第二支撑架28和第三支撑架13处于与第三方向相平行的同一直线上，第一支撑架29和第二支撑架28通过多个连接杆14固定连接，第二支撑架28和第三支撑架13通过多个连接杆14固定连接，底座12固定安装在第三支撑架13上，第一舵机24的动力输出端与第一支撑架29固定连接。

上述结构的救灾六足仿生机器人，整个腿部结构对称安装在支撑架两侧，由控制系统控制其关节的转动和升降来实现机器人的定向移动，且24个自由度使得机器人更加灵活，能适应复杂地形。第一舵机24、第二舵机20、第三舵机18、第四舵机25、第五舵机10、第六舵机8、第七舵机5、第八舵机3和第九舵机均为MG995舵机，机体上设置用于对舵机提供电能的电源，电源为4S聚合物电池。

为了满足多舵机控制，机器人采用上位机、下位机分离式控制。机体上设置视觉传感器和激光雷达，上位机主要支持视觉传感器和激光雷达获取信息的计算，实现仿生机器人自主导航和主动避障功能。下位机主要实现对第一舵机24、第二舵机20、第三舵机18、第四舵机25、第五舵机10、第六舵机8、第七舵机5、第八舵机3和第九舵机的控制和动作组的存储，实现机器人运动功能。故扩展的支撑架用于放置控制系统电池及传感器等，支撑架上设置多个安装孔，便于接线的同时也减轻了重量。

对机器人舵机接口、供电电路、通信和手柄进行设计，实现通讯和手动控制功能，并且设计供电电路使其断电后仍能提供短时间电力，能够发送定位。选择三角步态定为仿生机器人的行走步态，提高行走时的稳定性。

在ROS(机器人操作系统)开发平台中使用2D激光雷达、深度相机开发SLAM(同时定位与地图构建)建图系统。并使用AI算法实现六足机器人的避障导航。实现了机器人的避障导航和建图能力，大大提高了在救灾时能力。救灾六足仿生机器人的控制系统包括控制器，控制器的型号为NVIDIA JETSON NANO，控制器的工作电压为5V。

考虑到聚合物电池的比能量高，同时质量轻便，选择聚合物电池为整个机器人系统的主要供电能源。图9为机器人供电电路的接线，主要供电电源为4S聚合物电池，电源与第一降压模块和第二降压模块电连接，第一降压模块与第一舵机24、第二舵机20、第三舵机18、第四舵机25、第五舵机10、第六舵机8、第七舵机5、第八舵机3和第九舵机的控制板为电连接，共设置24个舵机，也即第一降压模块与24个舵机的控制板电连接，第一降压模块为24个舵机的控制板供电。第二降压模块与控制器电连接，第二降压模块为控制器供电。控制器的工作电压为5V，所以第二降压模块直接选用5V降压模块。24路舵机的控制板的电压范围为5V-12V，低于5V会开始低压报警激发蜂鸣器。当舵机的转速达到0.18sec/60度时需要的电压为6.6V，当舵机的转速不超过0.22sec/60度时则需要4.8V。为了满足两种不同的电压需求，第一降压模块选择可调式降压模块。

机器人在进入危险环境后可能会出现舵机损坏、堵转等情况，这些情况会导致机器人丧失运动能力。为了防止机器人在丧失行走能力后出现位置移动的情况，如图9所示，在第二降压模块和控制器之间串联了一个5V电池，这样可以在电源失效后，通过5V电池向控制器供电，保证控制器仍然可以持续供电一段时间，实时向控制终端发送机器人的位置信息。

图8所示为舵机控制板内部供电电路，使用稳压器(型号为AMS1117ADJ)来将电源提供的12V电压降压到5V供应给24颗舵机，再使用另一稳压器(型号为AMS1117_3.3)将获得的5V电压降压到3.3V给MCU(控制器)供电，使整个系统可以正常运转。

整体工作过程：在控制系统和导航下，能通过手柄或自动控制机器人的行动方向，以三角步态为仿生机器人的行走步态，机器人在灾害时翻越复杂地形，通过狭窄地区。通过定位和同步建图功能实时发送搜寻到的信息，同时机器人的识别导航避障功能，能够更快的行进，到达救援地。执行夹还可以夹取一些东西，比如路径上不好翻越的障碍物，或者给等待救援的人们送点急救物资等。

上述结构的救灾六足仿生机器人，具有如下的优点：

1.整体结构体积小，设计的结构多孔状结构，且用3D打印技术制作，成本较低，选用的MG995舵机和聚合物电池都是质量较轻的，便于行走在狭窄的救援场地；

2.借鉴蚂蚁腿部结构设计的六足机器人，24个关节能适应更复杂的地形，同时配合控制系统和定位导航避障建图系统，克服了现有救灾机器人体积太大的缺点，能够进入复杂狭窄的场所进行搜救，更是克服了小型六足机器人很少将导航避障系统结合进来的缺陷，实现了在搜救时能够自动导航避障，同时能够定位建图，将路线上的地形三维实时的反馈；

3.执行夹结构能够更好地达到搜救地方，路遇不好翻越的障碍时，可以自动或手柄手动搬离障碍物，同时还能为救援时间长受困的人们送去及时救援物资。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.救灾六足仿生机器人，包括机体、设置于机体上的六个腿部机构和与腿部机构连接的足部机构，其特征在于：所述腿部机构包括与所述机体连接的第一舵机、与第一舵机连接的第一支架、设置于第一支架上的第二舵机、第二支架、设置于第二支架上的第三舵机以及与第二舵机和第三舵机连接的第一连杆，所述足部机构包括与第二支架连接的外壳、足部本体以及与足部本体连接且用于调节足部本体与外壳之间距离的调节机构。

2.根据权利要求1所述的救灾六足仿生机器人，其特征在于：所述调节机构包括设置于所述第二支架上的第四舵机以及设置于所述外壳上且与第四舵机和所述足部本体连接的第一传动机构。

3.根据权利要求2所述的救灾六足仿生机器人，其特征在于：所述第一传动机构为齿轮齿条机构，第一传动机构的齿轮与所述第四舵机连接，第一传动机构的齿条为可移动的设置于所述外壳上，齿条的下端通过球铰链与所述足部本体连接。

4.根据权利要求1至3任一所述的救灾六足仿生机器人，其特征在于：所述第一舵机的动力输出端与所述机体连接，第一舵机的动力输出端的轴线与所述第二舵机的动力输出端的轴线在空间上相垂直。

5.根据权利要求4所述的救灾六足仿生机器人，其特征在于：所述第二舵机的动力输出端的轴线与所述第三舵机的动力输出端的相平行。

6.根据权利要求5所述的救灾六足仿生机器人，其特征在于：所述第一连杆的一端与所述第二舵机的动力输出端连接，第一连杆的另一端与所述第三舵机的动力输出端连接。

7.根据权利要求1至6任一所述的救灾六足仿生机器人，其特征在于：还包括第二连杆，第二连杆的一端与所述第一支架转动连接，第二连杆的另一端与所述第二支架转动连接，第二连杆的长度方向与所述第一连杆的长度方向相平行。

8.根据权利要求1至7任一所述的救灾六足仿生机器人，其特征在于：还包括执行夹机构，执行夹机构包括设置于所述机体上的底座、大臂、设置于底座上且与大臂连接的第五舵机、设置于大臂上的第六舵机8、与第六舵机8连接的小臂、夹爪组件和设置于小臂上且用于控制夹爪组件进行旋转的第七舵机。

9.根据权利要求8所述的救灾六足仿生机器人，其特征在于：所述夹爪组件包括与所述第七舵机连接的夹爪支架、导滑座、固定设置于导滑座上的第一夹爪、可移动的设置于导滑座上且与第一夹爪相配合的第二夹爪、设置于夹爪支架上的第八舵机以及与第八舵机和第二夹爪连接的第二传动机构。

10.根据权利要求9所述的救灾六足仿生机器人，其特征在于：所述第二传动机构为齿轮齿条机构，第二传动机构的齿轮与所述第八舵机连接，第二传动机构的齿条为可移动的设置于所述导滑座上，该齿条与所述第二夹爪连接。

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