CN218258446U - 一种仿生蜘蛛 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种仿生蜘蛛，包括躯干部、行走部以及电源部。行走部在电源部的电力支持下用来驱动躯干部执行行走动作，其由多个独立动作的行走组件构成。行走组件包括有髋关节、大腿关节、膝关节以及行走小腿。各关节分别由四个独立的动力源进行驱动。如此，一方面，行走组件具有极简的设计结构，有效地降低了其制造困难度；另一方面，行走组件具有较强的地形适应能力，且还有效地确保了仿生蜘蛛在执行爬行动作进程中具有优良的灵敏度；再一方面，在实际执行爬行运动中，躯干部相距地面所形成的空档高度值相对较大，可以轻松地越过高障碍物，进而有效地提升了其越障能力。

Description

一种仿生蜘蛛

技术领域

本实用新型涉及仿生机器人制造技术领域，尤其是一种仿生蜘蛛。

背景技术

近年来，仿生科技正在快速发展，尤其是在机器人行业，从蜘蛛到鸟类，从章鱼到蟑螂，各种生物为技术进步提供了源源不断的灵感，仿生科技也成为机器人技术发展最快的领域之一。仿生机器人是指模仿生物、利用生物特性执行特定工作的机器人。仿生机器人研究的前提是对生物本质的深刻认识以及对现有科学技术的充分掌握，研究涉及多学科的交叉融合，其发展趋势应该是将现代机构学和机器人学的新理论、新方法与复杂的生物特性相结合，实现结构仿生、材料仿生、功能仿生、控制仿生和群体仿生的统一，以达到与生物更加近似的性能，适应复杂多变的环境，最终实现宏观和微观相结合的仿生机器人系统，从而实现广阔的应用。

中国实用新型专利CN206171602U公开了一种仿生四足蜘蛛机器人，如图1中所示，其包括一作为躯体的本体，所述本体两侧设有两对对称设置的腿部爬行机构，所述本体前侧设有嘴部夹持装置，所述本体中部设有摄像头模块；所述腿部爬行机构和嘴部夹持装置均由相应压电片驱动运动，所述腿部爬行机构的压电片组、嘴部夹持装置的竖直压电片和水平压电片、摄像头模块均与控制模块连接。所述腿部爬行机构是一由压电片驱动联动的平面四杆机构，其包括铰接在本体上的水平设置的机架杆，所述机架杆的内端铰接有竖直平面上设置的第一连架杆，其外端铰接有竖直平面上设置的第二连架杆，所述第二连架杆的上端是一向外弯折的弯曲结构的后腿，所述第一连架杆与第二连架杆的弯折处之间通过连杆连接，所述第一连架杆、第二连架杆、以及机架杆上均安装有产生弯矩带动相应部件动作的对称设置的压电片组。在实际应用中，该款仿生四足蜘蛛机器人具有优良的底面附着力，然而亦存在有以下严重问题，具体体现在以下几方面：1)仿生四足蜘蛛机器人的腿部爬行机构设计结构较为复杂，组装困难度较高，且对各组成零件制造精度以及组装精度有着极高要求；2)腿部爬行机构的关节数目不足，进而导致动作灵活性不高；3)在实际执行爬行运动中，作为躯体的本体相距地面所形成的空档高度极为有限，进而严重地限制了其越障能力。因而，亟待课题组解决上述技术问题。

实用新型内容

故，本实用新型课题组鉴于上述现有的问题以及缺陷，乃搜集相关资料，经由多方的评估及考量，并经过课题组人员不断探讨以及设计改进，最终导致该仿生蜘蛛的出现。

为了解决上述技术问题，本实用新型涉及了一种仿生蜘蛛，包括躯干部、行走部以及电源部。行走部在电源部的电力支持下以用来驱动躯干部执行行走动作，其由多个与躯干部可拆卸连接的、且独立动作的行走组件构成。行走组件包括有髋关节、大腿关节、膝关节、行走小腿、第一驱动部、第二驱动部、第三驱动部以及第四驱动部。第一驱动部用来驱动髋关节相对于躯干部执行偏摆运动，且其直接组装于躯干部。第二驱动部作为髋关节和大腿关节之间的连接过渡，且其同时被用作大腿关节相对于髋关节执行偏摆运动的动力源。第三驱动部作为大腿关节和膝关节之间的连接过渡，且其同时被用作膝关节相对于大腿关节执行周向旋转运动的动力源。第四驱动部作为膝关节和行走小腿之间的连接过渡，且其同时被用作行走小腿相对于膝关节执行偏摆运动的动力源。

作为一种设计优选，第一驱动部、第二驱动部、第三驱动部、第四驱动部分别为第一舵机、第二舵机、第三舵机、第四舵机。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，躯干部包括有上置基板和下置基板。上置基板平行地布置于下置基板的正上方，且相互协同以实现对第一舵机的安装固定。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，行走组件在第一驱动部、第二驱动部、第三驱动部和第四驱动部的协同作用下可由舒展状态变型为收拢状态。行走小腿整体上呈现弧形。当行走组件均处于收拢状态时，各行走小腿共同围拢而成一虚拟球形面。且虚拟球形面的中轴线与躯干部沿高度方向上的中心轴线完全重合。

作为本实用新型技术方案的更进一步改进，行走组件的数目设为2N，N≥2，且两两一组、对称地布置于躯干部的两侧。

作为本实用新型技术方案的更进一步改进，当仿生蜘蛛处于行走状态时，至少3件行走组件与地面相顶触。

作为上述技术方案的另一种优选变形方案，行走组件的数目设为4，且两两一组、对称地布置于躯干部的两侧。行走小腿在第一驱动部、第二驱动部、第三驱动部和第四驱动部的协同作用下可相对于躯干部发生相对位置变动。两相邻行走组件相对于躯干部执行周向翻转运动，与此同时，剩余的两相邻行走组件相对于所述躯干部反向地执行周向翻转运动，直至两组行走小腿协同剩余两组行走小腿以首尾对接状围拢而成一虚拟柱形，至此，仿生蜘蛛完成收拢变形。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，电源部被躯干部所负担，且同时为第一驱动部、第二驱动部、第三驱动部、第四驱动部提供电力支持。

作为本实用新型技术方案的更进一步改进，仿生蜘蛛还包括有智能行走控制部。智能行走控制部包括摄像模组和控制器。摄像模组用来实时收集外部环境数据，且其由躯干部进行支撑。控制器由躯干部所负担，其被用来接受摄像模组所采集到的外部环境数据，经分析、处理后以分别发出动作控制信号至第一驱动部、第二驱动部、第三驱动部以及第四驱动部。

作为本实用新型技术方案的更进一步改进，摄像模组沿着高度方向可自由地执行伸缩运动。当其位于上极限位置高度时，摄像模组完全超越处于行走状态下的行走部。当其位于下极限位置高度时，摄像模组完全地隐于躯干部中。

作为本实用新型技术方案的更进一步改进，控制器基于STM32单片机协议进行开发，其包括有系统供电模块、驱动控制模块、无线通信模块以及数据收集模块。其中，系统供电模块由电源部提供电力支持。驱动控制模块用来产生动作控制信号，且协同无线通信模块以控制第一驱动部、第二驱动部、第三驱动部以及第四驱动部的动作进程。数据收集模块用来实时接收由摄像模组所采集到的外部环境数据。

相较于传统设计结构的仿生蜘蛛，在本实用新型所公开的技术方案中，其用来执行爬行动作的行走组件由多关节构成，分别为髋关节、大腿关节、膝关节、行走小腿，且每个关节均配套有独立的驱动部。在仿生蜘蛛执行爬行动作时，各行走组件在驱动力作用下发生姿态改变，且多行走组件相互协作。

在设计、制造、实际应用进程中该仿生蜘蛛分别取得了以下几方面的有益效果：

1)在确保仿生蜘蛛具有良好爬行性能的前提下，其行走组件具有极简的设计结构，利于对其各组成关节零件执行设计、制造操作，且极大地放松对装配精度的要求，从而有效地降低了行走组件的制造困难度；

2)行走组件具有四个相互独立的关节，且由四个独立的动力源进行驱动，因而，具有较强的地形适应能力，且还有效地确保了仿生蜘蛛在执行爬行动作进程中具有优良的灵敏度；

3)在实际执行爬行运动中，躯干部相距地面所形成的空档高度值相对较大，可以轻松地越过高障碍物，进而有效地提升了其越障能力。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中仿生四足蜘蛛机器人的立体示意图。

图2是本实用新型中仿生蜘蛛行走状态下的立体示意图。

图3是本实用新型仿生蜘蛛中躯干部的立体示意图。

图4是本实用新型仿生蜘蛛中行走组件一种视角的立体示意图。

图5是本实用新型仿生蜘蛛中行走组件另一种视角的立体示意图。

图6是本实用新型仿生蜘蛛中行走小腿的立体示意图。

图7是本实用新型中仿生蜘蛛第一种收拢方式下的立体示意图。

图8是本实用新型中仿生蜘蛛第二种收拢方式下的立体示意图。

1-躯干部；11-上置基板；12-下置基板；2-行走部；21-行走组件；211-髋关节；212-大腿关节；213-膝关节；214-行走小腿；2141-减重槽；215-第一舵机；216-第二舵机；217-第三舵机；218-第四舵机；3-电源部。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

下面结合具体实施例，对本实用新型所公开的内容作进一步详细说明，图2示出了本实用新型中仿生蜘蛛行走状态下的立体示意图，可知，其主要由躯干部1、行走部2以及电源部3等几部分构成。其中，行走部2在电源部3的电力支持下以用来驱动躯干部1执行行走动作，其由多个与躯干部1可拆卸连接的、且独立动作的行走组件21构成。行走组件21的数目设为4，且两两一组、对称地布置于躯干部1的两侧。在仿生蜘蛛执行爬行或越障进程中，各行走组件21需相互协作，以执行姿态的实时适应性变换。

图4、图5分别示出了本实用新型仿生蜘蛛中行走组件两种不同视角的立体示意图，结合可以明确地看出，行走组件21主要由髋关节211、大腿关节212、膝关节213、行走小腿214、第一舵机215、第二舵机216、第三舵机217以及第四舵机218。其中，第一舵机215用来驱动髋关节211相对于躯干部1执行偏摆运动，且其直接组装于躯干部1。第二舵机216作为髋关节211和大腿关节212之间的连接过渡，且其同时被用作大腿关节212相对于髋关节211执行偏摆运动的动力源。第三舵机217作为大腿关节212和膝关节213之间的连接过渡，且其同时被用作膝关节213相对于大腿关节212执行周向旋转运动的动力源。第四舵机218作为膝关节213和行走小腿214之间的连接过渡，且其同时被用作行走小腿214相对于膝关节213执行偏摆运动的动力源。另外，结合附图2中所示还可以明确地看出，电源部3借由安装支架可拆卸地躯干部1的顶壁上，同时为第一舵机215、第二舵机216、第三舵机217、第四舵机218提供电力支持。

在设计、制造、实际应用进程中该仿生蜘蛛分别取得了以下几方面的有益效果：

1)行走组件21具有极简的设计结构，利于对其各组成关节零件执行设计、制造操作，且极大地放松对装配精度的要求，从而有效地降低了行走组件的制造困难度；

2)行走组件21具有四个相互独立的关节，即上文中所述的髋关节211、大腿关节212、膝关节213、行走小腿214。四个关节分别由四个独立的动力源(即上文中所述的第一舵机215、第二舵机216、第三舵机217、第四舵机218)进行驱动，因而，具有较强的地形适应能力，且还有效地确保了仿生蜘蛛在执行爬行动作进程中具有优良的灵敏度；

3)在实际执行爬行运动中，躯干部1相距地面所形成的空档高度值相对较大，可以轻松地越过高障碍物，进而有效地提升了其越障能力。

在此需要说明以下两点：1)根据设计常识，上述的舵机主要应用于飞行器制造技术领域，其用来调飞机在飞行时的方向和升降的一种动力装置。舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已到达定位。经过实际实验论证，当舵机被用作髋关节211、大腿关节212、膝关节213、行走小腿214的动力源时亦可取得良好的应用效果；2)如图6中所示，沿其长度方向，在行走小腿214的内侧壁上还成型出有多个减重槽2141，从而可有效地减轻行走小腿214的自重，进而为实现节能降耗这一设计目标作了良好的铺垫。

根据设计常识，躯干部1可以采取多种设计结构以实现对用来作为髋关节211动力源的第一舵机215的可靠、稳定固定，在此推荐一种设计结构简单、易于制造实施的实施方案，具体如下：如图3中所示，躯干部1主要由上置基板11和下置基板12构成。上置基板11平行地布置于下置基板12的正上方，且相互协同以实现对第一舵机215的安装固定。

再者，出于确保仿生蜘蛛的爬行稳定性，避免因支撑力分别不均衡而导致倾翻现象的发生方面考虑，当仿生蜘蛛处于行走状态时，四件走组件21交替地与地面相接触，且在相对于地面落定的瞬间确保至少3件行走组件21与地面保持于顶触态。

出于提高仿生蜘蛛的地形适应能力，尽可能地拓展其适用范围方面考虑，仿生蜘蛛还增设有智能行走控制部(图中未示出)。智能行走控制部包括摄像模组和控制器。摄像模组用来实时收集外部环境数据，且其由躯干部1进行支撑。控制器由躯干部1所负担，其被用来接受摄像模组所采集到的外部环境数据，经分析、处理后以分别发出动作控制信号至第一舵机215、第二舵机216、第三舵机217以及第四舵机218。在仿生蜘蛛实际爬行进程中，通过摄像模组实时地对周围地形进行图像收集，并及时发送至控制器进行图像去噪、分析，以得出地形数据，且随即发送至各第一舵机215、第二舵机216、第三舵机217以及第四舵机218，为各行走组件21的动作姿态调整作充足的底层数据支撑。

经过长期实验论证，当控制器基于STM32单片机协议进行开发时，仿生蜘蛛可以取得较好的动作协调性能以及地形适应能力。具体如下：控制器主要由系统供电模块、驱动控制模块、无线通信模块以及数据收集模块等几部分构成。其中，系统供电模块由电源部3提供电力支持。驱动控制模块用来产生动作控制信号，且协同无线通信模块以控制第一舵机215、第二舵机216、第三舵机217以及第四舵机218的动作进程。数据收集模块用来实时接受经由摄像模组所采集到的外部环境数据。

在此，还需要说明的是，现有的仿生蜘蛛大多采用爬行单一行进模式。尽管仿生蜘蛛在面临未知的作业环境时，具有较强的地形适应能力，但总体上看，爬行运动依然存在移动速度慢、能效偏低等缺点。鉴于此，作为上述仿生蜘蛛设计结构的进一步优化，如图7中所示，行走组件21在第一舵机215、第二舵机216、第三舵机217和第四舵机218的协同作用下可自由地由舒展状态变型为收拢状态。行走小腿214整体上呈现弧形。当行走组件21均处于收拢状态时，各行走小腿214共同围拢而成一虚拟球形面。且虚拟球形面的中轴线与躯干部1沿高度方向上的中心轴线完全重合。

作为另一种设计优选，图8示出了本实用新型中仿生蜘蛛另一种收拢方式下的立体示意图，可知，行走小腿214在第一舵机215、第二舵机216、第三舵机217和第四舵机218的协同作用下可相对于躯干部1发生相对位置变动。两相邻行走组件21相对于躯干部1执行周向翻转运动，与此同时，剩余的两相邻行走组件21相对于躯干部1反向地执行周向翻转运动，直至两组行走小腿21协同剩余两组行走小腿21以首尾对接状围拢而成一虚拟柱形，至此，仿生蜘蛛完成收拢变形。

在具有爬行能力的前提下，上述两种变型方式均使得该仿生蜘蛛兼具有滚动功能，区别点仅在于：在执行变型动作的进程中，髋关节211、大腿关节212、膝关节213、行走小腿214的动作进程以及姿态配合关系的不同，即意味着与第一舵机215、第二舵机216、第三舵机217和第四舵机218相对应的控制程式有所区别。在实际应用中，仿生蜘蛛在不同地形条件下可以通过调整其自身结构而采用不同的运动形式，并实现不同运动形式之间的灵活切换。当机器人以爬行姿态行进时，采用四足三角步态保证机器人的稳定行走；而当机器人以滚动姿态行进时，各行走小腿214共同围拢而成一虚拟球形面或虚拟柱形，从而可连续地采取翻滚动作以快速高效地通过较平坦的路面。

另外，经过长期实验论证，两种形式变型后的仿生蜘蛛均充分地利用了四足爬行和周向翻滚的优点，使其既能以爬行模式通过崎岖地形，亦可以在平坦地形中沿曲线轨迹小范围滚动和沿直线的大范围滚动，从而适应多重特征任务环境，更加符合现实生活中的运动场景。

上述两种变型结构的滚动原理大致如下：仿生学研究表明,自然界中存在许多以四肢与躯干作为滚动体的运动方式，这类翻滚运动是通过改变躯体中器官之间的相对位置，以此改变质心位置，达成利用重心驱动的目的。借鉴于上述生物学，当欲使仿生蜘蛛执行滚动动作时，各行走组件21在与之相对应第一舵机215、第二舵机216、第三舵机217和第四舵机218的驱动下进行姿态变化，进而实现其整体质心的改变。

出于避免仿生蜘蛛在由爬行姿态转换为滚动姿态的进程中摄像模组因与外围件相干涉而发生碰撞损伤现象的发生方面考虑，作为上述仿生蜘蛛结构的进一步优化，摄像模组可沿着高度方向可自由地执行伸缩运动。在仿生蜘蛛以爬行姿态进行行进时，摄像模组位于上极限位置高度，此时，摄像模组完全超越处于行走状态下的行走部2，以方便地收集周边环境及地形信息。而当仿生蜘蛛以滚动姿态进行行进时，摄像模组位于下极限位置高度时，摄像模组完全地隐于躯干部1中，避免在仿生蜘蛛执行收拢变形进程中与髋关节211或/和大腿关节212发生干涉情况。

最后需要说明的是，在驱动功率以及动作自由度得到满足的前提下，用来分别对髋关节211、大腿关节212、膝关节213、行走小腿214进行独立驱动的第一舵机215、第二舵机216、第三舵机217、第四舵机218亦可以根据具体应用场景以及设计要求的不同择优选取其他驱动动力源，例如：步进电机、直流伺服电机、液压缸连杆驱动机构等。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种仿生蜘蛛，包括躯干部、行走部以及电源部；所述行走部在所述电源部的电力支持下用来驱动所述躯干部执行行走动作，其由多个与所述躯干部可拆卸连接的、且独立动作的行走组件构成，其特征在于，所述行走组件包括有髋关节、大腿关节、膝关节、行走小腿、第一驱动部、第二驱动部、第三驱动部以及第四驱动部；所述第一驱动部用来驱动所述髋关节相对于所述躯干部执行偏摆运动，且其直接组装于所述躯干部；所述第二驱动部作为所述髋关节和所述大腿关节之间的连接过渡，且其同时被用作所述大腿关节相对于所述髋关节执行偏摆运动的动力源；所述第三驱动部作为所述大腿关节和所述膝关节之间的连接过渡，且其同时被用作所述膝关节相对于所述大腿关节执行周向旋转运动的动力源；所述第四驱动部作为所述膝关节和所述行走小腿之间的连接过渡，且其同时被用作所述行走小腿相对于所述膝关节执行偏摆运动的动力源。

2.根据权利要求1所述的仿生蜘蛛，其特征在于，所述第一驱动部、所述第二驱动部、所述第三驱动部、所述第四驱动部分别为第一舵机、第二舵机、第三舵机、第四舵机。

3.根据权利要求2所述的仿生蜘蛛，其特征在于，所述躯干部包括有上置基板和下置基板；所述上置基板平行地布置于所述下置基板的正上方，且相互协同以实现对所述第一舵机的安装固定。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的仿生蜘蛛，其特征在于，所述行走组件在所述第一驱动部、所述第二驱动部、所述第三驱动部和所述第四驱动部的协同作用下可由舒展状态变型为收拢状态；所述行走小腿整体上呈现弧形；当所述行走组件均处于收拢状态时，各所述行走小腿共同围拢而成一虚拟球形面；且所述虚拟球形面的中轴线与所述躯干部沿高度方向上的中心轴线完全重合。

5.根据权利要求4所述的仿生蜘蛛，其特征在于，所述行走组件的数目设为2N，N≥2，且两两一组、对称地布置于所述躯干部的两侧。

6.根据权利要求5所述的仿生蜘蛛，其特征在于，当所述仿生蜘蛛处于行走状态时，其中至少3件所述行走组件与地面相顶触。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的仿生蜘蛛，其特征在于，所述行走组件的数目设为4，且两两一组、对称地布置于所述躯干部的两侧；所述行走小腿在所述第一驱动部、所述第二驱动部、所述第三驱动部和所述第四驱动部的协同作用下可相对于所述躯干部发生相对位置变动；两相邻所述行走组件相对于所述躯干部执行周向翻转运动，与此同时，剩余的两相邻所述行走组件相对于所述躯干部反向地执行周向翻转运动，直至两组所述行走小腿协同剩余两组所述行走小腿以首尾对接状围拢而成一虚拟柱形，至此，所述仿生蜘蛛完成收拢变形。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的仿生蜘蛛，其特征在于，所述电源部被所述躯干部所负担，且同时为所述第一驱动部、所述第二驱动部、所述第三驱动部、所述第四驱动部提供电力支持。

9.根据权利要求8所述的仿生蜘蛛，其特征在于，还包括有智能行走控制部；所述智能行走控制部包括摄像模组和控制器；所述摄像模组用来实时收集外部环境数据，且其由所述躯干部进行支撑；所述控制器由所述躯干部所负担，其被用来接受所述摄像模组所采集到的外部环境数据，经分析、处理后以分别发出动作控制信号至所述第一驱动部、所述第二驱动部、所述第三驱动部以及所述第四驱动部。

10.根据权利要求9所述的仿生蜘蛛，其特征在于，所述摄像模组沿着高度方向可自由地执行伸缩运动；当其位于上极限位置高度时，所述摄像模组完全超越处于行走状态下的所述行走部；当其位于下极限位置高度时，所述摄像模组完全地隐于所述躯干部中。

11.根据权利要求10所述的仿生蜘蛛，其特征在于，所述控制器基于STM32单片机协议进行开发，其包括有系统供电模块、驱动控制模块、无线通信模块以及数据收集模块；其中，所述系统供电模块由所述电源部提供电力支持；所述驱动控制模块用来产生动作控制信号，且协同所述无线通信模块以控制所述第一驱动部、所述第二驱动部、所述第三驱动部以及所述第四驱动部的动作进程；所述数据收集模块用来实时接受经由所述摄像模组所采集到的外部环境数据。

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