CN204295693U - 一种携爪救援机器人 - Google Patents

Abstract

一种携爪救援机器人，它涉及一种机器人，以解决现有轮式机器人和履带式机器人用于救援工作对地形适应能力差，以及现有足式移动救援机器人不能多方位抓取目标体，使用不灵活，适应性差的问题，它包括底盘、提升机械臂、捕获机构、第一舵机和四条腿；捕获机构包括第二舵机、第三舵机和夹具，夹具包括连接架和两套齿轮连杆机构；每套齿轮连杆机构包括齿轮、第一连杆、第二连杆和抓取臂；提升机械臂的高端与第二舵机的壳体连接；底盘的周向均布固装有四条腿，每条腿包括第四舵机、第五舵机、第一U形槽、第二U形槽、行走杆、第一连接柱、第二连接柱、第三连接柱、两个第三连杆、两个第四连杆和两个第五连杆。本实用新型可作抢险救援或玩具用。

Description

一种携爪救援机器人

技术领域

本实用新型涉及一种机器人，属于机器人技术领域。

背景技术

机器人是人类二十世纪最伟大的发明之一，人类对于机器人的研究由来已久。上世纪70年代之后，计算机技术、控制技术、传感技术和人工智能技术迅速发展，机器人技术也随之进入高速发展阶段，成为综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科而形成的高新技术。其本质是感知、决策、行动和交互四大技术的综合，是当代研究地十分活跃而且应用日益广泛的领域。机器人应用水平的是展现一个国家工业自动化水平的重要标志。

与此同时，在社会物质文明高度发达的今天，人类虽然能够创造出比较良好的生活环境，但是对于大自然的探索与了解，以及自然灾害的防治，各种危险情况下的工作却一直束手无策。因此利用机器人代替人类进行操作的设想就成为了在危险环境工作的必然选择。对这些环境进行不断的探索和研究，寻求一条解决问题的可行途径成为科学技术发展和人类社会进步的需要。由于这些环境有着不规则和不平坦的地形等共同特点，轮式机器人和履带式机器人的应用受到极大限制，足式移动救援机器人随对行走路面的要求较低，可用于工程探险勘测等人类无法完成或具有一定危险性的工作，但是不能多方位抓取目标体，使用不灵活，适应性差。

实用新型内容

本实用新型是为解决现有轮式机器人和履带式机器人用于救援工作对地形适应能力差，以及现有足式移动救援机器人不能多方位抓取目标体，使用不灵活，适应性差的问题，进而提供一种携爪救援机器人。

本实用新型为解决上述问题采取的技术方案是：本实用新型的一种携爪救援机器人包括底盘、提升机械臂、捕获机构、第一舵机和四条腿；

捕获机构包括第二舵机、第三舵机和夹具，夹具包括连接架和两套齿轮连杆机构；每套齿轮连杆机构包括齿轮、第一连杆、第二连杆和抓取臂；提升机械臂的高端与第二舵机的壳体连接，第二舵机的输出轴水平设置，第二舵机的输出轴固装有连接架，连接架上固装有第三舵机，第三舵机的输出轴竖向设置，第三舵机的输出轴上安装有两个齿轮中的其中一个齿轮，两套齿轮连杆机构正对布置，两个齿轮啮合，每套齿轮连杆机构的齿轮与第一连杆的一端连接，第一连杆的另一端与抓取臂的一端铰接，第二连杆的一端与连接架铰接，第二连杆的另一端与抓取臂铰接；底盘的下部固装有第一舵机，第一舵机的输出轴竖向设置，第一舵机的输出轴与提升机械臂的底端连接；

底盘的周向均布固装有四条腿，每条腿包括第四舵机、第五舵机、第一U形槽、第二U形槽、行走杆、第一连接柱、第二连接柱、第三连接柱、两个第三连杆、两个第四连杆和两个第五连杆；第四舵机固装在底盘上，第四舵机的输出轴竖向设置并布置在第一U形槽内，第四舵机的输出轴与第一U形槽的一个侧臂连接，第一U形槽的横臂与第二U形槽的横臂连接，第五舵机的输出轴水平设置且布置在第二U形槽内，两个第三连杆并列布置且两个第三连杆的一端分别与第二U形槽相对应的两侧臂铰接，第五舵机的输出轴与两个第三连杆中的其中一个第三连杆的一端连接，两个第四连杆并列布置，两个第三连杆的另一端和两个第四连杆的另一端分别套装在的第一连接柱上，两个第四连杆的一端套装在第二连接柱上，两个第五连杆并列布置，两个第五连杆的一端分别固接在第五舵机的壳体上，两个第五连杆的另一端套装在第三连接柱上，第一连接柱、第二连接柱和第三连接柱水平且平行设置，行走杆套装在第二连接柱和第三连接柱上。

本实用新型的有益效果是：一、本实用新型的捕获机构为二个自由度机构，第二舵机可实现夹具的旋转，第三舵机带动两齿轮运动实现抓取臂的由内向外抓取和由外向内的平面抓取，捕获机构的二个自由度分别控制抓取臂的转动和夹紧松开动作；第一舵机带动提升机械臂实现旋转自由度，提升机械臂可实现三个自由度，使捕获机构实现俯仰、前伸运动、后移运动、往上运动和往下运动。提升机械臂以及捕获机构的多自由度的组合可以确保机械爪可以以任何位姿达到空间中运动范围内的任意一点，执行夹取搬运等任务，达到多方位抓取目标体的目的。二、本实用新型的四足机器人的四足行走部分依据仿生学原理制作，腿部的第三连杆、第四连杆、第五连杆以及行走杆构成平行四边形的传动结构，通过第一连接柱、第二连接柱和第三连接柱把旋转运动转化为上下运动，使行进时更稳定，且减少摩擦阻力，机器人具有较强的越障能力，特别适合在泥石流、矿难等灾难环境中执行任务，对地形适应能力好；四条腿布置在底盘的四个角上，每条腿包括第四舵机和第五舵机实现两个自由度，第四舵机实现行走杆绕腿根部的旋转自由度，第五舵机实现行走杆的抬起放下运动自由度；通过设计不同样式的步态，如对角步态，可以以不同的速度行进。同时由于其腿部结构的特殊，可以很方便的执行转向步态。其转弯半径最小可为零(即原地转弯)，最大可为无穷大(即直线前进)。三、本实用新型结构简单，设计合理，设计独特的四足机器人，利用较少的自由度，完成前进、转弯、后退等步态动作，本实用新型可用于完成排雷、清障等危险任务。机械臂可以灵活转动，使用时在机械臂末端安装摄像头后，依靠机械臂转动给摄像头调整视角，可视角度水平方向能达到180度，垂直方向能达到270度以上，依靠舵机的转动，完成例如圆圈舞等简易动作，并规划其展示效果。利用本实用新型进行四足机器人常用步态和腿机构的基础研究，也能够促进四足机器人关键技术的发展和扩展四足机器人的应用领域，如教学教具以及玩具等，适应性好。

附图说明

图1是本实用新型的立体结构示意图，图2是图1的D向视图，图3是图1的俯视图，图4是图1的E向视图，图5是本实用新型的对角步态的步态图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图4说明，本实施方式的一种携爪救援机器人包括底盘1、提升机械臂A、捕获机构B、第一舵机2和四条腿C；

捕获机构B包括第二舵机B1、第三舵机B2和夹具B3，夹具B3包括连接架B3-1和两套齿轮连杆机构B3-2；每套齿轮连杆机构包括齿轮B3-3、第一连杆B3-4、第二连杆B3-5和抓取臂B3-6；提升机械臂A的高端与第二舵机B1的壳体连接，第二舵机B1的输出轴水平设置，第二舵机B1的输出轴固装有连接架B3-1，连接架B3-1上固装有第三舵机B2，第三舵机B2的输出轴竖向设置，第三舵机B2的输出轴上安装有两个齿轮B3-3中的其中一个齿轮B3-3，两套齿轮连杆机构B3-2正对布置，两个齿轮B3-3啮合，每套齿轮连杆机构B3-2的齿轮B3-3与第一连杆B3-4的一端连接，第一连杆B3-4的另一端与抓取臂B3-6的一端铰接，第二连杆B3-5的一端与连接架B3-1铰接，第二连杆B3-4的另一端与抓取臂B3-6铰接；底盘1的下部固装有第一舵机2，第一舵机2的输出轴竖向设置，第一舵机2的输出轴与提升机械臂A的底端连接；

底盘1的周向均布固装有四条腿C，每条腿C包括第四舵机C1、第五舵机C2、第一U形槽C3、第二U形槽C4、行走杆C5、第一连接柱C6、第二连接柱C7、第三连接柱C8、两个第三连杆C9、两个第四连杆C10和两个第五连杆C11；第四舵机C1固装在底盘1上，第四舵机C1的输出轴竖向设置并布置在第一U形槽C3内，第四舵机C1的输出轴与第一U形槽C3的一个侧臂连接，第一U形槽C3的横臂与第二U形槽C4的横臂连接，第五舵机C2的输出轴水平设置且布置在第二U形槽C4内，两个第三连杆C9并列布置且两个第三连杆C9的一端分别与第二U形槽C4相对应的两侧臂铰接，第五舵机C2的输出轴与两个第三连杆C9中的其中一个第三连杆C9的一端连接，两个第四连杆C10并列布置，两个第三连杆C9的另一端和两个第四连杆C10的另一端分别套装在的第一连接柱C6上，两个第四连杆C10的一端套装在第二连接柱C7上，两个第五连杆C11并列布置，两个第五连杆C11的一端分别固接在第五舵机C2的壳体上，两个第五连杆C11的另一端套装在第三连接柱C8上，第一连接柱C6、第二连接柱C7和第三连接柱C8水平且平行设置，行走杆C5套装在第二连接柱C7和第三连接柱C8上。

本实施方式还可使用摄像头，摄像头安装在第三舵机的前壁面上，可以实现救援目标体及区域图像的抓拍。本实施方式的舵机为现有技术，它主要由外壳、无核心马达、减速齿轮与位置检测器构成，它的主要功能相当于伺服电机，可用伺服电机替代，为提升机械臂、捕获机构和腿提供运动(提升、转动或翻转等步态)的动力。本实施方式的控制系统可采用现有技术的控制系统。

具体实施方式二：结合图1-图2说明，本实施方式的每条腿C的第一U形槽C3和第二U形槽C4均为碳钢槽或不锈钢槽。如此设置，稳定牢靠，强度大。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2说明，本实施方式的每条腿C的第一连接柱C6、第二连接柱C7和第三连接柱C8均为ABS塑料连接柱。如此设置，强度大，廉价易得。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图2说明，本实施方式所述提升机械臂A包括第六舵机A1、第七舵机A2、第八舵机A3、槽形件A4、两个第六连杆A5和两个第七连杆A6；第六舵机A1的输出轴水平布置，第六舵机A1安装在底盘1的上表面上，第六舵机A1的输出轴与并列设置的两个第六连杆A5中的其中一个第六连杆A5的一端连接，第七舵机A2布置在两个第六连杆A5的另一端之间且三者连接为一体，第七舵机A2的输出轴水平设置，第七舵机A2的输出轴与并列设置的两个第七连杆A6中的其中一个第七连杆A6的一端连接，第八舵机A3的输出轴水平布置，第八舵机A3布置在两个第七连杆A6的另一端之间且与槽形件A4固接，第八舵机A3的输出轴与两个第七连杆A6中的其中一个第七连杆A6连接，槽形件A4与第二舵机B1的壳体固接。如此设置，第六舵机A1、第七舵机A2和第八舵机A3分别实现一个旋转自由度，实现捕获机构实现前伸运动、后移运动、往上运动和往下运动，使用灵活，满足实际救援工作的需要。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图2说明，本实施方式所述底盘1包括上平板1-1、下平板1-2和两条筋板1-3，上平板1-1和下平板1-2之间布置与二者连接的两条筋板1-3，第一舵机2安装在上平板1-1的下表面上。如此设置，连接方便可靠，使用便捷。其它与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：结合图2说明，本实施方式所述连接架B3-1包括立板B3-11、上连接板B3-12和下连接板B3-13，立板B3-11与平行设置的上连接板B3-12和下连接板B3-13连接为一体，第三舵机B2布置在上连接板B3-12和下连接板B3-13之间，第二舵机B2的输出轴与立板B3-11连接。如此设置，连接方便可靠，使用便捷。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图2说明，本实施方式的上平板1-1、下平板1-2和两条筋板1-3均为环氧树脂板。如此设置，质轻，强度大，廉价易得。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式八：结合图1和2说明，本实施方式所述连接架B3-1为环氧树脂连接架。如此设置，质轻，强度大，廉价易得。其它与具体实施方式一或六相同。

工作原理

结合图1-图5说明，不同的四足动物由于身体条件的限制和神经控制能力的差异，其步态呈现不同的形式，即使是同一种动物在不同的运动状态下步态差异也是相当大的，例如马的慢走和奔跑就属于两种完全不同的步态。动物的运动形式由相位差和占空系数两个参数表征。四足哺乳类动物具有四种典型步态：

1)爬行步态，各足依次起落，占空系数大于0.75、小于1，相位差为1/4；

2)对角步态，对角腿成对起落，占空系数0.5，两对之间相位差为1/2；

3)蹄溜步态，同侧的腿成对起落，占空系数为0.5，两对之间相位差为1/2；

4)疾驰步态，前后腿成对起落，存在四腿同时腾空时刻，占空系数小于0.5，后腿相对前腿之间的相位差为小于1/2。

爬行步态是指机器人在任意时刻都用其三条腿来支撑机体,另一条腿则用来搜寻下一个稳定支撑点的一种规则步态。四足步行机器人的步态规划的好坏直接影响到机器人步行过程中的平稳性、关节所需驱动转矩的大小等因素。而爬行步态即是一种速度较慢但稳定程度较高的步态。

对角步态，又称为对角小跑步态，由于其占空系数较小，相对来说，行进速度要快。与属于静态稳定的爬行步态不同，对角步态属于动态稳定步态。对角小跑步态一个步态周期的腿机构的运动规律为(如图5所示，其中黑色实心圆圈表示支撑腿，空心圆圈表示摆动腿，黑色实心椭圆形圈表示底盘重心)：4条腿分成2组，位于对角线上的2条腿为一组，这2条腿同时抬起、摆动、落地、支撑。腿在空中的抬起、摆动、落地3个过程，称为摆动相，腿在地面上称为支撑相。

当占空比的占空系数为0.5时，机器人对角步态各腿及机体重心的移动顺序如下图所示：初始状态时四足着地，重心在对角腿足端连线的交叉点；行进起始时腿1和腿3抬起向前摆动，腿2和腿4支撑的同时驱动各个关节使机体向前平移至腿1和腿3足端连线中点；机体重心到达规定位置时腿1和腿3同时着地，腿2和腿4同时抬起并以相同的运动形式交替抬起落下。行进过程中为避免干扰，只有当摆动的对角腿同时抬起足端完全离开地面时，支撑腿的各个关节才开始运动使机身向前平移。

Claims (8)

1.一种携爪救援机器人，其特征在于：它包括底盘(1)、提升机械臂(A)、捕获机构(B)、第一舵机(2)和四条腿(C)；

捕获机构(B)包括第二舵机(B1)、第三舵机(B2)和夹具(B3)，夹具(B3)包括连接架(B3-1)和两套齿轮连杆机构(B3-2)；每套齿轮连杆机构包括齿轮(B3-3)、第一连杆(B3-4)、第二连杆(B3-5)和抓取臂(B3-6)；提升机械臂(A)的高端与第二舵机(B1)的壳体连接，第二舵机(B1)的输出轴水平设置，第二舵机(B1)的输出轴固装有连接架(B3-1)，连接架(B3-1)上固装有第三舵机(B2)，第三舵机(B2)的输出轴竖向设置，第三舵机(B2)的输出轴上安装有两个齿轮(B3-3)中的其中一个齿轮(B3-3)，两套齿轮连杆机构(B3-2)正对布置，两个齿轮(B3-3)啮合，每套齿轮连杆机构(B3-2)的齿轮(B3-3)与第一连杆(B3-4)的一端连接，第一连杆(B3-4)的另一端与抓取臂(B3-6)的一端铰接，第二连杆(B3-5)的一端与连接架(B3-1)铰接，第二连杆(B3-4)的另一端与抓取臂(B3-6)铰接；底盘(1)的下部固装有第一舵机(2)，第一舵机(2)的输出轴竖向设置，第一舵机(2)的输出轴与提升机械臂(A)的底端连接；

底盘(1)的周向均布固装有四条腿(C)，每条腿(C)包括第四舵机(C1)、第五舵机(C2)、第一U形槽(C3)、第二U形槽(C4)、行走杆(C5)、第一连接柱(C6)、第二连接柱(C7)、第三连接柱(C8)、两个第三连杆(C9)、两个第四连杆(C10)和两个第五连杆(C11)；第四舵机(C1)固装在底盘(1)上，第四舵机(C1)的输出轴竖向设置并布置在第一U形槽(C3)内，第四舵机(C1)的输出轴与第一U形槽(C3)的一个侧臂连接，第一U形槽(C3)的横臂与第二U形槽(C4)的横臂连接，第五舵机(C2)的输出轴水平设置且布置在第二U形槽(C4)内，两个第三连杆(C9)并列布置且两个第三连杆(C9)的一端分别与第二U形槽(C4)相对应的两侧臂铰接，第五舵机(C2)的输出轴与两个第三连杆(C9)中的其中一个第三连杆(C9)的一端连接，两个第四连杆(C10)并列布置，两个第三连杆(C9)的另一端和两个第四连杆(C10)的另一端分别套装在的第一连接柱(C6)上，两个第四连杆(C10)的一端套装在第二连接柱(C7)上，两个第五连杆(C11)并列布置，两个第五连杆(C11)的一端分别固接在第五舵机(C2)的壳体上，两个第五连杆(C11)的另一端套装在第三连接柱(C8)上，第一连接柱(C6)、第二连接柱(C7)和第三连接柱(C8)水平且平行设置，行走杆(C5)套装在第二连接柱(C7)和第三连接柱(C8)上。

2.根据权利要求1所述的一种携爪救援机器人，其特征在于：每条腿(C)的第一U形槽(C3)和第二U形槽(C4)均为碳钢槽或不锈钢槽。

3.根据权利要求1或2所述的一种携爪救援机器人，其特征在于：每条腿(C)的第一连接柱(C6)、第二连接柱(C7)和第三连接柱(C8)均为ABS塑料连接柱。

4.根据权利要求3所述的一种携爪救援机器人，其特征在于：所述提升机械臂(A)包括第六舵机(A1)、第七舵机(A2)、第八舵机(A3)、槽形件(A4)、两个第六连杆(A5)和两个第七连杆(A6)；第六舵机(A1)的输出轴水平布置，第六舵机(A1)安装在底盘(1)的上表面上，第六舵机(A1)的输出轴与并列设置的两个第六连杆(A5)中的其中一个第六连杆(A5)的一端连接，第七舵机(A2)布置在两个第六连杆(A5)的另一端之间且三者连接为一体，第七舵机(A2)的输出轴水平设置，第七舵机(A2)的输出轴与并列设置的两个第七连杆(A6)中的其中一个第七连杆(A6)的一端连接，第八舵机(A3)的输出轴水平布置，第八舵机(A3)布置在两个第七连杆(A6)的另一端之间且与槽形件(A4)固接，第八舵机(A3)的输出轴与两个第七连杆(A6)中的其中一个第七连杆(A6)连接，槽形件(A4)与第二舵机(B1)的壳体固接。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种携爪救援机器人，其特征在于：所述底盘(1)包括上平板(1-1)、下平板(1-2)和两条筋板(1-3)，上平板(1-1)和下平板(1-2)之间布置与二者连接的两条筋板(1-3)，第一舵机(2)安装在上平板(1-1)的下表面上。

6.根据权利要求5所述的一种携爪救援机器人，其特征在于：所述连接架(B3-1)包括立板(B3-11)、上连接板(B3-12)和下连接板(B3-13)，立板(B3-11)与平行设置的上连接板(B3-12)和下连接板(B3-13)连接为一体，第三舵机(B2)布置在上连接板(B3-12)和下连接板(B3-13)之间，第二舵机(B2)的输出轴与立板(B3-11)连接。

7.根据权利要求5所述的一种携爪救援机器人，其特征在于：上平板(1-1)、下平板(1-2)和两条筋板(1-3)均为环氧树脂板。

8.根据权利要求1或6所述的一种携爪救援机器人，其特征在于：所述连接架(B3-1)为环氧树脂连接架。