CN210634664U - 一种可避障蜘蛛六足机器人 - Google Patents

Abstract

一种可避障蜘蛛六足机器人，包括主体；所述主体上铰接有六个结构一致的机械足；所述机械足包括铰接于主体上的第一支撑臂；所述第一支撑臂外侧端铰接有第二支撑臂，所述第二支撑臂的外侧端铰接有第三支撑臂；所述主体上固定有第一舵机，所述第一舵机的输出轴与第一支撑臂连接；所述第一支撑臂与第二支撑臂的铰接处设有第二舵机，所述第二舵机的输出轴与第二支撑臂连接；所述第二支撑臂与第三支撑臂的铰接处设有第三舵机，所述第三舵机的输出轴与第三支撑臂连接；本实用新型提出的一种可避障蜘蛛六足机器人小巧玲珑，机械传动简单，能稳定的实现寻迹、避障和图像采集，能替代人进行一些恶劣环境下的勘探以及现场信息采集。

Description

一种可避障蜘蛛六足机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人领域，尤其涉及到一种可避障蜘蛛六足机器人。

背景技术

随着社会的发展和科学技术水平的提高，人们对能在各种特殊环境下工作的特种机器人的需求不断增强。当前对于移动式机器人多采用轮式或履带式移动平台，无法满足在复杂地形路面上的行走要求，因此，设计一种能够在各种复杂路面上平稳移动的机器人成为亟待解决问题。在寻找解决问题的方法的过程中发现，自然界中蜘蛛因其独特的爬行机理可以在垂直的墙壁甚至倒立在天花板上爬行。正是基于此现象，并结合仿生学原理进行蜘蛛机器人的样机研制与步态研究，具有重要的理论研究意义和技术应用价值；

而小型机器人可以为验证大型机器人的相关算法提供平台，因此全球各地涌现出了大批机器人粉，通过机器人实现了很多奇思妙想。而市面上已有的机器人产品，多为轮式或履带式机器人。这两种类型的机器人的运动功能实现起来较为简单，但是遇到阶梯、沙地等非常规场地时，行动会受到极大限制。为此，我们小组在仿生学的基础上，通过对蜘蛛运动的观察，决定设计出一款六足机器人，并以此机器人为平台，利用视觉传感器，实现蜘蛛机器人的避障功能。

本实用新型就是为了解决以上问题而进行的改进。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种可避障蜘蛛六足机器人，从而解决上述缺陷。

本实用新型为解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种可避障蜘蛛六足机器人，包括主体。

所述主体上铰接有六个结构一致的机械足；所述机械足包括铰接于主体上的第一支撑臂；所述第一支撑臂外侧端铰接有第二支撑臂，所述第二支撑臂的外侧端铰接有第三支撑臂；所述主体上固定有第一舵机，所述第一舵机的输出轴与第一支撑臂连接；所述第一支撑臂与第二支撑臂的铰接处设有第二舵机，所述第二舵机的输出轴与第二支撑臂连接；所述第二支撑臂与第三支撑臂的铰接处设有第三舵机，所述第三舵机的输出轴与第三支撑臂连接。

进一步的，所述主体上设有单片机，所述第一舵机、第二舵机、第三舵机通过电连接与单片机连接。

进一步的，所述第一舵机固定于主体的上表面，所述第一舵机的输出轴向上端延伸。

进一步的，所述第一支撑臂包括横向支臂和连接支臂，所述横向支臂的内侧端固定于第一舵机的输出轴上，所述横向支臂与主体相平行；所述连接支臂固定于横向支臂的外侧端，所述连接支臂的外侧段向斜下方延伸，所述第二舵机固定于连接支臂的侧面。

更进一步的，所述横向支臂的面与连接支臂的面相垂直。

本实用新型的优点在于：

本实用新型提出的一种可避障蜘蛛六足机器人使用简单，只需将其放于指定位置并打开开关即可使用；该机器人小巧玲珑，机械传动简单，能稳定的实现寻迹、避障和图像采集，能替代人进行一些恶劣环境下的勘探以及现场信息采集以及巡视设备工作状况；集寻迹、避障、现场视频采集等功能于一身，智能性高；根据仿生学原理，以蜘蛛足部轨迹为出发点，得出本实用新型的腿部机构。

附图说明

图1是本实用新型提出的一种可避障蜘蛛六足机器人的结构示意图；

图2是该机器人中机器臂的结构示意图；

图3是该机器人不转向时，机器臂的落脚点示意图；

图4是该机器人转向时，机器臂的落脚点示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本实用新型。

如图1至图4所示，本实用新型提出的一种可避障蜘蛛六足机器人包括主体1；所述主体1上铰接有六个结构一致的机械足；所述机械足包括铰接于主体1上的第一支撑臂11；所述第一支撑臂外侧端铰接有第二支撑臂12，所述第二支撑臂12的外侧端铰接有第三支撑臂；所述主体1上固定有第一舵机，所述第一舵机的输出轴与第一支撑臂11连接；所述第一支撑臂11与第二支撑臂12的铰接处设有第二舵机，所述第二舵机的输出轴与第二支撑臂12连接；所述第二支撑臂12与第三支撑臂13的铰接处设有第三舵机，所述第三舵机的输出轴与第三支撑臂13连接。

本实用新型的进一步设置为：所述主体上设有单片机，所述第一舵机、第二舵机、第三舵机通过电连接与单片机连接；所述单片机的型号为STM32F7XX。

进一步的，所述第一舵机固定于主体1的上表面，所述第一舵机的输出轴向上端延伸。

进一步的，所述第一支撑臂11包括横向支臂111和连接支臂 112，所述横向支臂111的内侧端固定于第一舵机的输出轴上，所述横向支臂111与主体相平行；所述连接支臂112固定于横向支臂向 111的外侧端，所述连接支臂112的外侧段向斜下方延伸，所述第二舵机固定于连接支臂112的侧面。

更进一步的，所述横向支臂111的面与连接支臂112的面相垂直。

自然界中，六足昆虫在行走时大部分都不是六条腿同时前进，而是将六条腿分为两组，用稳定的三角型支撑结构，互相交替前进，其中三角步态最为常见。蜘蛛在运动过程中始终保持一边一条腿和另一边的两条腿同时着地，形成稳定的三角形结构，保持身体平衡。

本实用新型提出的一种可避障蜘蛛六足机器人通过18个舵机的偏转来模仿蜘蛛腿的摆动，以实现机器人的运动功能。该蜘蛛机器人的控制方案分为两种：

第一种是机器人直行。我们标定蜘蛛的左边三条腿从前到后的顺序分别为左一、左二、左三，右边三条腿从前到后的顺序分别为右一、右二、右三。蜘蛛直行时的腿部运动为，步骤一：左一、左三、右二下部关节向内转动抬起，左二、右一、右三支撑身体，左一、左三、右二上部关节正向转动使腿向前，然后下部关节向下转动落地；步骤二：左二、右一、右三下部关节向内转动抬起，左一、左三、右二支撑身体，同时上部关节反向转动将蜘蛛身体重心前移，左二、右一、右三下部关节向外转动落地。步骤一步骤二如此反复，依靠上部关节前后划动来实现直行过程。

第二种是机器人转弯。当机器人检测到前方有障碍物时，机器人算法驱动舵机实现定点转弯从而避开障碍物。仿生六足机器人的行走、转弯都是两部分组成的，即抬腿摆动相，支撑摩擦相。当蜘蛛六足机器人由站立姿态向原点转弯步态变换的时候，若先是A组腿先执行抬腿摆动相，其绕原点的旋转的顺序与优先由B组腿执行的顺序刚好相反。

该蜘蛛六足机器人的信号采集和处理的实现。我们采用的是帧差法。帧差法是最为常用的运动目标检测和分割方法之一，基本原理就是在图像序列相邻两帧或三帧间采用基于像素的时间差分通过闭值化来提取出图像中的运动区域。由于相邻两帧间的时间间隔非常短，用前一帧图像作为当前帧的背景模型具有较好的实时性，其背景不积累，且更新速度快、算法简单、计算量小。基于帧差法的研究，我们采用Openmv视觉传感器，它是国外的一种基于 micropython驱动的开源机器视觉模块，在机器视觉算法上，已经做了很大的优化，可以很好的在MCU上快速运行，比如颜色跟踪等，我们采用的openmv3运算速度较快，障碍物与背景颜色不一致，因此可以通过颜色识别判定何为障碍物，在检测到有障碍物事，机器人通过舵机的运动转弯到没有障碍物的地方继续前进。

该机器人转向的实现：当机器人检测到前方有障碍物时，机器人算法驱动舵机实现定点转弯从而避开障碍物。仿生六足机器人绕着其自身的中点自转，其与之前的行走步态相类似，都是由抬腿摆动相、支撑摩擦相组成。当仿生六足机器人由站立姿态向原点转弯步态变换的时候，若先是A组腿先执行抬腿摆动相，其绕原点的旋转的顺序与优先由B组腿执行的顺序刚好相反。

如图3所示，为仿生六足机器人的站立姿态，从图中可以看出：在蜘蛛六足机器人的初始设置中，其六条腿的站立点都是在以蜘蛛六足机器人的中心为原点的圆中。当蜘蛛六足机器人原点转弯时，其每条腿都是在这个圆上运动的。如图4所示为蜘蛛六足机器人由站立姿态向绕原点转弯步态变化时的第一步。

在仿生六足机器人的初始设置中，其六条腿的站立点都是在以仿生六足机器人的中心为原点的圆中。当仿生六足机器人原点转弯时，其每条腿都是在这个圆上运动的。由于仿生六足机器人是以点来支撑的，其每个步态的轨迹并不需要如图中为一段圆弧，在这里拆分成长度为width的直线一断来逼近圆弧，这样可以减少运算量。图2为六足机器人由站立姿态向绕原点转弯步态变化时的第一步。

六足机器人原点转弯时腿部姿态变换图1站立姿态A组腿抬腿从中可以看出其与行走步态时相类似，不过其轨迹的投影是与Y轴成一定角度的为，通常在绕原点转弯时，其步态的行走距离是已知的。只要求解出，在已知起始点的位置坐标，就可以求解出仿生六足机器人的腿部在抬腿摆动相结束时所处的位置坐标。

因仿生六足机器人的每条腿在原点转弯时，其运动类似，在这里只分析A1腿ɑ的求解。如图1中d1是A1腿部末端原点坐标轴上Y轴的投影；d2是A1腿部在Y轴的投影；d3是A1腿部中点到原点的距离；width是绕原点转弯时一个步态的行走距离。这些参数都是在机构设计与初始化参数设置中已知的。设A1腿末端的初始点的相对于腿部的坐标轴为(x,y)(因高度在初始与结束后不变，在此忽略z)。由坐标变换可得(x0,y0)相对于原点的坐标为(x+d3,y+d2)。 r是原点到A1腿部末端的距离，也是仿生六足机器人在原点转弯步态中腿部末端所在点的圆的半径。依图与几何知识可得：

∠3＝∠2-∠1

由以上三式可得仿生六足机器人的A1腿的抬腿摆动相结束后相对于A1腿部坐标轴的坐标。由此可以由六次项规划对轨迹进行求解，再有腿部的数学模型求解出关节的旋转角度。

本实用新型的工作原理：

本实用新型提出的一种可避障蜘蛛六足机器人，我们借鉴了自然界昆虫的运动原理。在前胸、中胸和后胸各有一对，我们相应地称为前足、中足和后足。每个足由基节、转节和腿节几部分组成，将六足分为A、B两组，在最末节的端部的第三支撑臂，可以用它们来抓住地面。

蜘蛛六足机器人前进的实现，行走是以三条腿为一组进行的，即一侧的前、后足与另一侧的中足为一组，这样就形成了一个三角形支架结构，当这三条腿放在地面并向后蹬时，另外三条腿即抬起向前准备替换；前足用爪固定物体后拉动机身向前，中足用来支持并举起所属一侧的身体，后足则推动机身前进，同时使机身转向。这种行走方式使机身可以随时随地停息下来，因为重心总是落在三角支架之内。

以上实施方式只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让本领域的技术人员了解本实用新型的内容并加以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围，凡根据本实用新型精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种可避障蜘蛛六足机器人，包括主体(1)，其特征在于：

所述主体(1)上铰接有六个结构一致的机械足；所述机械足包括铰接于主体(1)上的第一支撑臂(11)；所述第一支撑臂外侧端铰接有第二支撑臂(12)，所述第二支撑臂(12)的外侧端铰接有第三支撑臂；所述主体(1)上固定有第一舵机，所述第一舵机的输出轴与第一支撑臂(11)连接；所述第一支撑臂(11)与第二支撑臂(12)的铰接处设有第二舵机，所述第二舵机的输出轴与第二支撑臂(12)连接；所述第二支撑臂(12)与第三支撑臂(13)的铰接处设有第三舵机，所述第三舵机的输出轴与第三支撑臂(13)连接。

2.根据权利要求1所述的一种可避障蜘蛛六足机器人，其特征在于：所述主体上设有单片机，所述第一舵机、第二舵机、第三舵机通过电连接与单片机连接。

3.根据权利要求1所述的一种可避障蜘蛛六足机器人，其特征在于：所述第一舵机固定于主体(1)的上表面，所述第一舵机的输出轴向上端延伸。

4.根据权利要求3所述的一种可避障蜘蛛六足机器人，其特征在于：所述第一支撑臂(11)包括横向支臂(111)和连接支臂(112)，所述横向支臂(111)的内侧端固定于第一舵机的输出轴上，所述横向支臂(111)与主体相平行；所述连接支臂(112)固定于横向支臂(111)的外侧端，所述连接支臂(112)的外侧段向斜下方延伸，所述第二舵机固定于连接支臂(112)的侧面。

5.根据权利要求4所述的一种可避障蜘蛛六足机器人，其特征在于：所述横向支臂(111)的面与连接支臂(112)的面相垂直。

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