CN202345806U - 一种六足蚂蚁机器人系统 - Google Patents

Abstract

一种六足蚂蚁机器人系统，它是由六足机构、传动机构、头部机构、控制机构四个部分组成，它们之间的位置连接关系、信号走向是：其头部机构位于机器人前端，传动机构相当于机器人的“身体驱干”，处于中间位置；六足机构位于传动机构两侧，控制结构位于传动机构内部，由控制机构给信号，传动机构来实现力的输出，头部机构和六足机构来输出机器人的动作。本发明实现了单一电机驱动六足，并且能使六足做出转向、后退等六种动作，比用舵机来控制机器人的足部要更加稳定，更加简便；本实用新型实现了机器人头部的遥控取物；它在足式机器人技术领域里具有实用价值和广阔的应用前景。

Description

一种六足蚂蚁机器人系统

(一)技术领域

本实用新型涉及一种六足蚂蚁机器人系统，属于足式机器人技术领域。

(二)背景技术

●嫦娥登月计划已经启动了，但是我们的月球机器人在何处呢？对月球更多的研究我们不得不让登月机器人来面对在月球或太空中搬运、组装、维修、检查、处理有害对象、补充燃料等，因此急需许多先进登月机器人完成各种特殊任务。因此它的机械系统也非常特殊。传统的登月机器人是轮式机器人，这种机器人在低重力的环境下，完成前进、后退、转弯、爬坡、取物、采样，翻转、爬越、绕过障碍物或上阶梯等基本功能都有很大的局限性。现行的解决方法是在轮上装上履带，但是这类机器人仍然有很大的局限性。

●本实用新型仿效蚂蚁步行姿态，其步态说明如下，见图1：

1)开始运动时，2、4、6号腿抬起准备向前摆动，1、3、5处于支撑状态

2)前进时，2、4、6向前跨步，1、3、5一面支撑机器人本体，一面驱动机器人本体，向前运动一个半步长s

3)机体移动到位时，2、4、6立即放下，呈支撑态，使机器人的重心位置处于2、4、6三条支撑腿所构成的三角形稳定区内，1、3、5己抬起并准备向前跨步

4)继续前进时，1、3、5向前跨步，2、4、6一面支撑机器人本体，一面驱动机器人本体，向前运动一个半步长s

5)周而复始，不断从步态(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(a)循环往复，从而实现机器人的前进

●用单一电机实现仿蚂蚁的六足稳健行进。巧妙的利用四连杆机构实现三足互换交替行进。

●在蚂蚁的稳健行走的基础上，我们将赋予其更多的功能。我们计划通过单片机的运用来实现蚂蚁触角判别方向的功能，以及通过声控和光控装置来实现蚂蚁机器人对声音与光的感应。粗略的说就是：设计一个棘轮机构使得电动机正转时六足同时向前行进，反转时某一个单侧三腿行进。当没碰上障碍时，蚂蚁正常的向前六足行进。我们还希望能够实现以下功能：当触角碰上障碍时，触动开关，通过单片机的控制使其只有某个单侧运动，这样蚂蚁就改变了其行进方向，成功的实现了避障的功能。装上声控及光控元件后，通过单片机的控制，蚂蚁就能对声音和光做出一系列的反应了。

(三)发明内容

本实用新型一种六足蚂蚁机器人系统，它是由六足机构、传动机构、头部机构、控制机构四个部分组成，它们之间的位置连接关系、信号走向是：其头部机构位于机器人前端，传动机构相当于机器人的“身体驱干”，处于中间位置；六足机构位于传动机构两侧，控制结构位于传动机构内部，由控制机构给信号，传动机构来实现力的输出，头部机构和六足机构来输出机器人的动作。

所述六足机构是为了解决机器人的步态问题，使机器人通过一个电机的带动就能实现仿效蚂蚁的六足步态，其结构图如图2，其整体结构及运动模式如图3，它由六足(图4)、偏心轮、连杆和横梁(图5)组成。其间位置连接关系是：横梁与六足的前、后足的中孔连接，连杆的一头与六足的前、后足的顶孔连接，另一头与六足的中足的中孔连接；偏心轮固接在横梁上；偏心轮上有一沉孔用于装配轴承；该六足是圆弧形板式结构，见图4，其上设置有3个连接用孔；该偏心轮是圆弧形板料结构；该连杆是头部呈半圆形的矩形板料，其半圆形头部设置有连接用孔；该横梁是头部呈半圆形的矩形板料，见图5，其上设置有圆孔和沟槽，便于横梁与其它件的连接和固定。其配合的运动的方案为：左右两侧的中足时刻保持在360°的角度，这样就能使蚂蚁的行走协调。为了实现两侧中足的角度差，我们采用了偏心轮的方案。这样就变成了左右两侧偏心轮的轮轴保持在360°的角度差。在向某一侧转向时，必须使一侧停转，一侧运动。在转向之后，两侧偏心轮必须又处于相对位置。同一侧的前足和后足与中足总是保持相反的行进方向。

所述传动机构是为了解决六足蚂蚁机器人的前进、后退、转弯等步行方式而设计的，通过它，能使一个电机的输出的力驱动六条足的运动，加之六足机构的配合使之变成仿效蚂蚁的步行方式。见图8，它由减速电机、电磁离合器、棘轮机构、传动杆、传动齿轮、传动轴和固定环几部分组成，其间位置连接关系是：减速电机与传动齿轮连接；传动齿轮固定在传

动杆上，传动杆上装配有三个电磁离合器；每个电磁离合器与一个传动齿轮配合；每个传动齿轮固定在一段传动轴上；三段传动轴之间用棘轮机构配合；三段传动轴用四个固定环固定在一致的水平位置。

该减速电机的规格为：DC-24V，rpm-50。

该电磁离合器的结构如图6所示，它主要由激磁线圈、铁芯、衔铁、摩擦片及连接件组成，一般采用直流24V作为供电电源。主动轴1的花键轴端，装有主动摩擦片2，它可以沿轴向自由移动，因系花键连接，将随主动轴一起转动。从动摩擦片3与主动摩擦片2交替装叠，其外缘凸起部分卡在与从动齿轮4固定在一起的套筒5内，因而从动摩擦片可以随同从动齿轮，在主动轴转动时它可以不转。当激磁线圈6通电后，将摩擦片吸向铁芯7，衔铁8也被吸住，紧紧压住各摩擦片。依靠主、从动摩擦片之间的摩擦力，使从动齿轮随主动轴转动。线圈断电时，装在内外摩擦片之间的圈状弹簧使衔铁和摩擦片复原，离合器即失去传递力矩的作用。线圈一端通过电刷和滑环9输入直流电，另一端可接地。电磁离合器是一种自动化执行元件，它利用电磁力的作用来传递或中止机械传动中的扭矩。根据结构不同，分为摩擦片式电磁离合器、牙嵌式电磁器、磁粉式电磁器和涡流式电磁离合器等。

该棘轮机构如图7示，它是圆筒对应相切结构，当上侧轴顺时针方向(从上往下看)转动带动下侧轴一起转动，当上侧轴逆时针方向转动，下侧轴不随上侧轴一起转动。如图8所示，零件名称及功能详述如下：

序号10：一个24V减速电机，通过电信号可以实现正反转两种状态。

序号11：三个上、中、下电磁离合器，加上24V电压，齿轮与主动部分吸合，此时齿轮随着1轴转。

序号12：三根分开的传动轴，这三根传动轴分别和三个齿轮配合，三根传动轴之间由两个棘轮机构13相配合。

结合起来说就是：假如要实现机器人前进，电机正转，中间11号电磁离合器吸合，中间12号传动轴前转，通过棘轮机构卡死左右两侧传动轴使得左右两侧的偏心轮16恰恰好在相差360°的位置一起转动。假如需要机器人左前转，电机正转，下侧11号电磁离合器吸合，下传动轴正转，此时由于棘机构处于落扣状态，中间及上传动轴不随下传动轴转，所以此时只有上侧三条腿运动，各种状态依次类推。

运动状态表：

下离合器吸合

中离合器吸合

上离合器吸合

电机正转	左前转	前进	右前转
				电机反转	左后转	后退	右后转

该中间部分的传动杆是直径为6mm，长度为84mm的圆杆，左右两侧传动杆的长度为11mm，直径为4mm的圆杆用于配合轴承，利于杆的转动。

该传动齿轮是普通圆柱直齿轮，其厚度为5mm，外齿直径为26.85mm，中间通孔为6mm的齿轮，齿轮外侧有一凸台，凸台径向有一螺纹孔，用于紧固齿轮和传动杆，使之牢固配合。

该传动轴是普通圆轴，轴的外侧有长度为15mm直径为4mm的圆杆，用于配合轴承和偏心轮，轴的内侧有一正方形方杆，用于配合棘轮，使之与棘轮处于卡死状态。

该固定环是用于固定三段轴的位置，它的形状是连接机器人机架部分的凹槽型，可以直接装配在机架上，其固定传动轴的部分是圆环形状，圆环上装配轴承，轴承与传动轴装配。

所述头部机构是机器人的“头部”，它由减速电机、弹力绳、遥控模块和夹持装置组成，其间位置连接关系是：遥控模块给减速电机发送信号，遥控减速电机的正反转，减速电机与弹力绳连接，弹力绳与夹持装置连接；遥控模块还与另外两个减速电机连接，减速电机固定在机器人机架上，控制机器人头部的俯仰和水平移动；该减速电机的数量是3台，其技术指标是DC-6V，rpm-2；该弹力绳是普通弹力绳，有很小的弹性；该遥控模块是PCM1024八通道遥控模块；该夹持装置是硬铝材质的，其形状为圆弧形，每个夹持杆上都有两个孔，一个用于固定夹持杆和头部，一个用于与弹力绳连接。它能实现机器人头部的俯仰和左右移动，还能实现对物品的夹持，使机器人在指定位置进行物品采集。

通过用遥控器点动实现各个部分的动作。而夹子的设计如附图9示，可以设计让电机正转时将线绳卷起，线绳带动两个夹子实现对物品的夹持作用，当要打开夹子时，则让电机反转，由于线绳不能承受压力，此时夹子就会在橡皮筋的弹力作用下而打开。

①该机构实现嘴部的夹放，嘴部两侧由弹性绳拉住使得嘴部在自由状态时能稳定在某个位置电机正转时嘴合上，反转时，分开。

②由两个电机实现前后左右四个自由度的转动。

所述控制机构是机器人的电路控制部分，其结构包括继电器、遥控器和接收模块等，其间位置连接关系是：接收模块接收遥控器的信号，接收模块的六个通道与继电器组成的电路相连；该继电器是单刀双掷开关继电器；该遥控器是一般用频率段的无线遥控器；该接收模块是八通道接收模块，其中六个通道与继电器组成的电路相连，用于给出六种机器人的运动动作。其设计方案如下：

首先我们采用8通道输出的接收模块。用其中的7个遥控信号产生以上需要的信号。电机与相应的离合器并联。

其中四个信号与两个双刀双掷继电器的常闭开关相连，然后接到L298N芯片的四个输入端，来控制四个转弯信号。

一个信号与一个动合继电器开关的线圈相连，控制前进。一个信号与两个双刀双掷继电器的线圈相连，控制后退。

其中，该偏心轮上沉孔的直径为6mm；直径偏心范围为6.5mm；

其中，该传动机构中减速电机的型号是ZGB37RDI111i；

其中，该电磁离合器的规格型号为DLD-4-8NM；

其中，该头部机构中减速电机的型号是ZGA20RU1100i。

其中，该中间部分传动杆的直径为6mm，长度为84mm；左右两侧传动杆的直径为4mm，长度为11mm。

其中，该传动齿轮的厚度为5mm，外齿直径为26.85mm，中间通孔为6mm；

其中，该齿轮外侧凸台的厚度为5mm，直径为10mm，中间通孔为6mm；

其中，该传动轴是直径为8mm，长度20mm的圆轴。

该装置工作原理及流程如下：

由遥控器给出信号，控制模块将信号转变为电信号，电信号分别给减速电机、微型电磁离合器，减速电机和微型电磁离合器根据信号，做出相应的动作，这些动作将相应的力传递到机器人的足部结构和头部结构，使得机器人的足部和头部做出相应的动作。

本实用新型的优点及功效是：本实用新型实现了单一电机驱动六足，并且能使六足做出转向、后退等六种动作，比用舵机来控制机器人的足部要更加稳定，更加简便；本实用新型实现了机器人头部的遥控取物；如能再加上一些光感、声控装置，本实用新型可用于信息采集、危地寻人。

(四)附图说明

图1是本实用新型微型六足仿生机器人步态示意图

图1(a)中2、4、6为摆动腿，当其摆动时，1、3、5腿作为支撑腿示意图。

图1(b)中为2、4、6摆动腿摆动到位，身体未前移的情况示意图。

图1(c)中为2、4、6摆动腿摆动到位，身体前移后六条腿和蚂蚁身体的位置情况示意图。

图1(d)(e)(f)为1、3、5腿为摆动腿的蚂蚁行进情况示意图，与图1(a)(b)(c)的情况一致，当六个图完成后，蚂蚁完成一次行进。

图2是本实用新型足部机构示意图

图3是本实用新型运动模式示意图

图4是本实用新型足部设计示意图

图5(a)、(b)是本实用新型横梁设计示意图

图6是本实用新型电磁离合器示意图

图7是本实用新型棘轮结构示意图

图8是本实用新型传动机构总体示意图

图9是本实用新型头部结构示意图

图10是本实用新型控制模块电路示意图

图中符号说明如下：

图1中：实心黑点表示支撑腿，空心点表示摆动腿，S表示半步长。

图6中：1是主轴；2是主动摩擦片；3是从动摩擦片；4是从动齿轮；5是套筒；6是激磁线圈；7是铁芯；8是衔铁；9是滑环。

图8中：10是减速电机；11是电磁离合器；12是传动轴；13是棘轮机构；14是传动杆；15是固定环；16是偏心轮。

(五)具体实施方式：

下面结合附图，对本实用新型进行具体说明。

见图1，本实用新型一种六足蚂蚁机器人系统，它是由六足机构、传动机构、头部机构、控制机构四个部分组成，它们之间的位置连接关系、信号走向是：其头部机构位于机器人前端，传动机构相当于机器人的“身体驱干”，处于中间位置；六足机构位于传动机构两侧，控制结构位于传动机构内部，由控制机构给信号，传动机构来实现力的输出，头部机构和六足机构来输出机器人的动作。

所述六足机构是为了解决机器人的步态问题，使机器人通过一个电机的带动就能实现仿效蚂蚁的六足步态，其结构图如图2，其整体结构及运动模式如图3，它由六足(图4)、偏心轮、连杆和横梁图5(a)、(b)组成。其间位置连接关系是：横梁与前、后足的中孔连接，连杆的一头与前、后足的顶孔连接，另一头与中足的中孔连接；偏心轮固接在横梁上；偏心轮上有一直径为6mm的沉孔用于装配轴承；该六足是圆弧形板式结构，见图4，其上设置有3个连接用孔；该偏心轮是圆弧形板料结构，其直径偏心范围是6.5mm；该连杆是头部呈半圆形的矩形板料，其半圆形头部设置有连接用孔；该横梁是头部呈半圆形的矩形板料，见图5(a)、(b)，其上设置有圆孔和沟槽，便于横梁与其它件的连接和固定。其配合的运动的方案为：左右两侧的中足时刻保持在360°的角度，这样就能使蚂蚁的行走协调。为了实现两侧中足的角度差，我们采用了偏心轮的方案。这样就变成了左右两侧偏心轮的轮轴保持在360°的角度差。在向某一侧转向时，必须使一侧停转，一侧运动。在转向之后，两侧偏心轮必须又处于相对位置。同一侧的前足和后足与中足总是保持相反的行进方向。

所述传动机构是为了解决六足机器人的前进、后退、转弯等步行方式而设计的，见图8，通过它，能使一个电机的输出的力驱动六条足的运动，加之六足机构的配合使之变成仿效蚂蚁的步行方式。它由减速电机10、电磁离合器11、传动轴12、棘轮机构13、传动杆14、齿轮、固定环15、偏心轮16等几部分组成，其间位置连接关系是：减速电机10与齿轮连接；齿轮固定在传动杆14上，传动杆14上装配有三个电磁离合器11；每个电磁离合器11与一个齿轮配合；每个齿轮固定在一段传动轴12上；三段传动轴12之间用棘轮机构13配合；三段传动轴12用四个固定环15固定在一致的水平位置。见图6，该电磁离合器11的结构，主要由激磁线圈6、铁芯7、衔铁8、主、从动摩擦片2、3及连接件组成，主动轴1的花键轴端，装有主动摩擦片2，它可以沿轴向自由移动，因系花键连接，将随主动轴1一起转动。从动摩擦片3与主动摩擦片2交替装叠，其外缘凸起部分卡在与从动齿轮4固定在一起的套筒5内，因而从动摩擦片可以随同从动齿轮4，在主动轴1转动时它可以不转。它一般采用直流24V作为供电电源。该棘轮机构13如图7示，当上侧传动轴顺时针方向(从上往下看)转动带动下侧传动轴一起转动，当上侧传动轴逆时针方向转动，下侧传动轴不随上侧传动轴一起转动。其中，减速电机的型号是ZGB37RDI111i；电磁离合器的规格型号为DLD-4-8NM。

所述头部机构是机器人的“头部”，它由减速电机、弹力绳、遥控模块、和夹持装置组成，其间位置连接关系是：遥控模块给减速电机发送信号，遥控电机的正反转，减速电机与弹力绳连接，弹力绳与夹持装置连接；遥控模块还与另外两个减速电机连接，减速电机固定在机器人机架上，控制机器人头部的俯仰和水平移动；该减速电机的型号是ZGA20RU1100i，其技术指标是DC-6V，rpm-2；该弹力绳是普通弹力绳，有很小的弹性；该遥控模块是PCM1024八通道遥控模块；该夹持装置是硬铝材质的，其形状为圆弧形，每个夹持杆上都有两个孔，一个用于固定夹持杆和头部，一个用于与弹力绳连接。它能实现机器人头部的俯仰和左右移动，还能实现对物品的夹持，使机器人在指定位置进行物品采集。

通过用遥控器点动实现各个部分的动作。而夹子的设计如图9所示，可以设计让电机正转时将线绳卷起，线绳带动两个夹子实现对物品的夹持作用，当要打开夹子时，则让电机反转，由于线绳不能承受压力，此时夹子就会在橡皮筋的弹力作用下而打开。

①该机构实现嘴部的夹放，嘴部两侧由弹性绳拉住使得嘴部在自由状态时能稳定在某个位置电机正转时嘴合上，反转时，分开。

②由两个电机实现前后左右四个自由度的转动。

所述控制机构是机器人的电路控制部分，见图10，其结构包括继电器、遥控制模块和接收模块等，其间位置连接关系是：遥控模块是一个无线遥控器，接收模块接收遥控器的信号，接收模块的六个通道与继电器组成的电路相连；该继电器是：单刀双掷开关继电器；该遥控模块是：一般用频率段的遥控器；该接收模块是：八通道接收模块，其中六个通道与继电器组成的电路相连，用于给出六种机器人的运动动作。

Claims (6)

1.一种六足蚂蚁机器人系统，其特征在于：它是由六足机构、传动机构、头部机构、控制机构四个部分组成，其头部机构位于机器人前端，传动机构处于中间位置；六足机构位于传动机构两侧，控制结构位于传动机构内部；

所述六足机构由六足、偏心轮、连杆和横梁组成，横梁与六足的前、后足的中孔连接，连杆的一头与六足的前、后足的顶孔连接，另一头与六足的中足的中孔连接；偏心轮固接在横梁上；该六足是圆弧形板式结构，其上设置有3个连接用孔；该偏心轮是圆弧形板料结构，其上设置有一沉孔；该连杆是头部呈半圆形的矩形板料，其半圆形头部设置有连接用孔；该横梁是头部呈半圆形的矩形板料，其上设置有圆孔和沟槽；左右两侧的中足时刻保持在360°的角度，左右两侧偏心轮的轮轴保持在360°的角度差，同一侧的前足和后足与中足总是保持相反的行进方向；

所述传动机构是由减速电机、电磁离合器、棘轮机构、传动杆、传动齿轮、传动轴和固定环几部分组成，减速电机与传动齿轮连接；传动齿轮固定在传动杆上，传动杆上装配有三个电磁离合器；每个电磁离合器与一个传动齿轮配合；每个传动齿轮固定在一段传动轴上；三段传动轴之间用棘轮机构配合；三段传动轴用四个固定环固定在一致的水平位置；该减速电机的规格为：DC-24V，rpm-50；该电磁离合器的型号为DLD-4-8NM；该棘轮机构是圆筒对应相切结构；该中间部分的传动杆是普通圆杆，左右两侧的传动杆也是普通圆杆；该传动齿轮是普通圆柱直齿轮，齿轮外侧有一凸台，凸台径向有一螺纹孔；该传动轴是普通圆轴，轴的外侧有长度为15mm直径为4mm的圆杆配合轴承和偏心轮，轴的内侧有一正方形方杆配合棘轮；该固定环的形状是连接机器人机架部分的凹槽型，直接装配在机架上，其固定传动轴的部分是圆环形状，圆环上装配轴承，轴承与传动轴装配；

所述头部机构是机器人的“头部”，它由减速电机、弹力绳、遥控模块和夹持装置组成，遥控模块给减速电机发送信号，减速电机与弹力绳连接，弹力绳与夹持装置连接；遥控模块还与另外两个减速电机连接，减速电机固定在机器人机架上，该减速电机的数量是3台，其技术指标是DC-6V，rpm-2；该弹力绳是普通弹力绳；该遥控模块是PCM1024八通道遥控模块；该夹持装置的形状为圆弧形，每个夹持杆上都有两个孔，一个固定夹持杆和头部，一个与弹力绳连接；

所述控制机构是机器人的电路控制部分，包括继电器、遥控器和接收模块，接收模块接收遥控器的信号，接收模块的六个通道与继电器组成的电路相连；该继电器是单刀双掷开关继电器；该遥控器是一般用频率段的无线遥控器；该接收模块是八通道接收模块，其中六个通道与继电器组成的电路相连。

2.根据权利要求1所述的一种六足蚂蚁机器人系统，其特征在于：该偏心轮上沉孔的直径为6mm；直径偏心范围为6.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种六足蚂蚁机器人系统，其特征在于：该中间部分传动杆的直径为6mm，长度为84mm；左右两侧传动杆的直径为4mm，长度为11mm。

4.根据权利要求1所述的一种六足蚂蚁机器人系统，其特征在于：该传动齿轮的厚度为5mm，外齿直径为26.85mm，中间通孔为6mm。

5.根据权利要求1所述的一种六足蚂蚁机器人，其特征在于：该齿轮外侧凸台的厚度为5mm、直径为10mm、中间通孔为6mm。

6.根据权利要求1所述的一种六足蚂蚁机器人系统，其特征在于该传动轴是直径为8mm，长度20mm的圆轴。

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