CN100540385C - 模块化机械螃蟹 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化机械螃蟹。它包括躯干和至少一对步行足，躯干上安装有控制器和遥控装置，每条步行足都由三个模块化结构前端、中端和末端串联组成，躯干与步行足通过固定板相连，步行足前端安装有减震模块和三维力传感器，每个模块化结构都包括直流伺服电机、传动机构和传递关节块，各模块化结构之间通过传递关节块连接，传递关节块连接传动机构，传动机构连接直流伺服电机。本发明采用模块化结构设计、模块化结构具有自锁和可调保护电机特性、机器人具有复杂环境下的自翻转行走功能、可两栖环境运动和作业、有减震抗震特性、足尖多维传感、具有多自由度复合足机械手、并且加工简单、组装、控制、维修方便。

Description

模块化机械螃蟹

(一)技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种采用模块化结构设计具有两栖活动和自翻转能力的仿生机械螃蟹。

(二)背景技术

仿生学(Bionics)是20世纪60年代出现的一门综合性边缘科学，它由生命科学与工程技术学科相互渗透、相互结合而成，通过学习、模仿、复制和再造生物***的结构、功能、工作原理及控制机制，来改进现有的或创造性的机械、仪器、建筑和工艺过程。仿生机器人这门学科产生和存在的前提就在于，生物经过了长期的自然选择进化而来，在结构、功能执行、信息处理、环境适应、自主学习等多方面具有高度的合理性、科学性和进步性。而非结构化的、未知的工作环境、复杂的精巧的高难度的工作任务和对于高精确度、高灵活性、高可靠性、高鲁棒性、高智能性的目标需求则是仿生机器人提出和发展的客观动力。

仿生机器人的类型很多。为对其有清楚的认识，按其模仿特性进行分类。其中，仿人手臂型主要是研究7自由度和多自由度的关节型机器人操作臂、多指灵巧手及手臂和灵巧手的组合；仿人双足型主要是研究双足步行机器人机构；宏型仿非人生物机器人主要是研究多足步行机器人(四足、六足、八足)，蛇形机器人，水下鱼形机器人等，其体积结构较大；微型仿非人生物机器人主要是研究各类昆虫型机器人，如仿尺蠖虫行进方式的爬行机器人，微型机器狗，蟋蟀微机器人，蟑螂微机器人，蝗虫微机器人等。仿生机器人的主要特点：一是多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人，机构复杂；二是其驱动方式有些不同于常规的关节型机器人，采用绳索或人造肌肉驱动。

由于仿生机器人所具有的灵巧动作对于人类的生产和科学研究活动有着极大的帮助，所以，自80年代中期来，机器人科学家们就开始了有关仿生机器人的研究。步行机器人的研究水平是随着控制水平的提高而不断发展起来的，经历了由早期的机械式、近期具有简单的控制方式到现在由电子计算机控制的过程。下面是国内外制作出的仿生多足步行机器人。

1.Lemur系列六足步行机器人

美国国家航空和宇宙航行局(NASA)研制成功了用于执行多重太空任务的六足机器人Lemur--Limbed Excursion Mechanical Utility Robot。该机器人是模仿螃蟹腿的结构与章鱼的身体外形特点设计的，它具有6只机械手“脚”，机械手“脚”上装备有可折叠工具，6只“脚”与一个圆形壳体相连。每只机械手有四个运动自由度和一个操作自由度，分别是肩部三个方向的转动自由度，肘部一个俯仰的自由度和机械手爪的加紧自由度。整个机器人重12千克，每只脚安装有一组用来解决不同任务的工具，Lemur可以用三只脚站立保持平衡状态，这时它可以用另外两只脚作业，四只脚支撑地面，一只脚再拧螺栓，另一只脚装有手电筒给前一只脚照明。借助于安装在旋转平台上的两台立体照相机，Lemur可以不转动圆形壳体而观察任何方向。

2.水下自主行走装置(ALUV)

为了对付岸边的水雷，美国罗克威尔公司及IS机器人公司在DARPA资助下研制了一种名叫“水下自主行走装置”(Autonomous Legged Underwater Vehicle，ALUV)的机器人，它是仿造螃蟹的外形制造的。它抗撞击，电子部件全部包在防水的体腔中，每条足有两个自由度，具有两栖运动性能。这种机器蟹可以隐藏在海浪下面，在水中行走，迅速通过岸边的浪区。当风浪太大时，它可以将脚埋入泥沙中，通过振动，甚至可将整个身子都隐藏在泥沙中。ALUV长约56厘米，重10.4公斤，包括一个3.17公斤重的压载物。为了携带传感器，它的脚比较大，便于发现目标。当它遇到水雷时，就把它抓住，然后等待近海登陆艇上的控制中心的命令。一旦收到信号，这个小东西就会自己***，同时引爆水雷。

3.Hamlet仿昆虫六足步行机器人

新西兰的坎特伯雷大学(University of Canterbury)在2000年底研制成功了一种微型伺服电机驱动的六足步行机器人，它是以竹节虫为生物模拟对象的具有全方位步态的步行机器人。该机器人共有六条三关节的步行足，单个关节由一台功率为10W的Maxon电机驱动通过齿轮箱减速输出4.5Nm的扭矩。每条步行足端部装有一个框架应变结构的三维力传感器，并使用碳纤维包覆的保护鞘对接触地面的足端进行保护。该机器人采用二级分布式控制框架，硬件部分采用了集成了2个TMS320C44芯片的集成控制板卡对关节驱动信号和力、姿态传感器信号进行处理运算。该机器人尺寸为650mm×500mm×400mm，重12.7kg，能以0.2m/s的平均速度在复杂地形中自主行走运动，并具有越障能力。

4.波士顿动力公司系列机器人

2006年7月，波士顿动力公司在美国海军陆战队的“New River”基地展示了两部最新研制的四腿机器人——“BIG DOG”。“大狗”不但能够行走和奔跑，而且还可跨越一定高度的障碍物。该机器人的动力来自一部带有液压***的汽油发动机。“大狗”的四条腿完全模仿动物的四肢设计，内部安装有特制的减震装置。机器人的长度为1米，高70厘米，重量为75千克。“大狗”机器人的内部安装有一台计算机，可根据环境的变化调整行进姿态。而大量的传感器则能够保障操作人员实时地跟踪“大狗”的位置并监测其***状况。这种机器人的行进速度可达到5千米/小时，能够攀越35度的斜坡，最多可携带重量为50千克的武器和其他物资。

5.西班牙工业协会四足机器人(SILO4)

西班牙工业自动化协会研制了四足机器人——SILO4。此机器人的结构具有以下特征：体积：310×300×300mm³，总重：30Kg，最大速度：1.5m/min，承载能力：15Kg，跨越障碍物最大高度：250mm。SILO4每条腿有3各关节也就有3个自由度，全部由直流伺服电机驱动，电机镶嵌在身体内部，结构紧凑，采用环面蜗轮蜗杆传动。其足部为被动万向关节结构，有3个自由度，可以根据地面情况自动调整姿态。在轴线垂直于小腿的两个关节上加了电位计，用于角度测量。

6.德国Bremen大学仿蝎子八足步行机器人

德国Bremen大学研制了仿蝎子八足步行机器人。此机器人总长65cm，宽40cm。重11.5kg。由24V、6W直流电机驱动。它的设计本着模块化思想，关节形式是相同的。在它的末梢部装有弹性元件，以减小机械压力。在末端通过线性电位计测量着地点的接触力。控制硬件采用Motorola MPC555微控器及Xilinx Virtex E FPGA做控制芯片。MPC555被用来处理非腿部信号，及行为层控制。FPGA芯片被用来处理腿部传感信号(包括足尖受力，关节位置，和电机的驱动电流)以及对关节位置的PID控制。控制策略上综合CPG和Reflex反馈控制的优点，建立了基于常规行为动作和反馈动作的行为单元(RMB)及姿态控制单元(PMB)。

国内在相关领域的研究起步较晚，从20世纪80年代开始研究步行机，目前有北航、上海交大、北科大、国防科大、东南大学、沈阳自动化所和哈工大等科研院所正在从事仿生机器人的研究，并取得了一系列的成果。

1980年，中国科学院长春光学精密机械研究所采用平行四边形和凸轮机构研制出一台八足螃蟹式步行机，主要用于海底探测作业，并做了越障、爬坡和通过沼泽地的试验。

1989年，北京航空航天大学在张启先教授的指导下，孙汉旭博士进行了四足步行机的研究，试制成功一台四足步行机，并进行了步行实验；钱晋武博士研究地壁两用六足步行机器人，进行了步态和运动学方面的研究。

1990年，中国科学院沈阳自动化研究所研制出全方位六足步行机，不仅能在平地步行，还能上楼梯。该所还研制了水下六足步行机以及采用连杆机构来实现动态步行的四足步行机模型。

2000年，上海交通大学马培荪等对第一代形状记忆合金SMA驱动的微型六足机器人进行改进，开发出具有全方位运动能力的微型双三足步行机器人MDTWR。

2004年，上海交通大学机器人研究所的孙安等人基于仿生学原理，通过对生态龟的生活习性、结构特点、运动方式的观察与研究，设计一种两栖仿生机器龟。此机器人具有生态龟的结构形态和运动形式，能够进行水陆西栖爬行，且具有好的稳定性。

我国仿生机器蟹的基础技术研究已经开展，但目前仿生机器蟹中，锥齿轮传动方式、电机直接驱动关节和绳轮传动方式都使用过。前三型机器人有一个共同的缺点：(1)传动比小，承载能力差；(2)传动间隙大；(3)无自锁能力。

(三)发明内容

本发明的目的在于公开一种仿生多足机器人的模块化传动、组装结构设计以及基于此结构设计的两栖仿生机械螃蟹。

本发明的目的是这样实现的：它包括躯干和至少一对步行足，躯干上安装有控制器和遥控装置，每条步行足都由前端模块化结构、中端模块化结构和末端模块化结构三个模块化结构串联组成，躯干与步行足末端通过固定板相连，步行足前端安装有减震缓冲器和三维力传感器，每个模块化结构都包括直流伺服减速电机、传动机构和传递关节块，传递关节块连接传动机构，传动机构连接直流伺服减速电机，各模块化结构之间通过传递关节块连接，各所述的模块化结构还包括：四个连接铜柱2、连接法兰4、电机编码器5、电机后端盖6，推力轴承9、固定销10、第一卡簧11、薄铜垫片12、涡轮支撑轴承13、支撑轴承14、固定加强板16、可调端盖18、钢球19、销钉20、可调固紧螺丝21、第二卡簧22、电位计23、铜套24、电位计支撑架26、方形箱体28、编码器固定支架29、光电传感器30和光栅31，传动机构包括涡轮25和蜗杆27，直流伺服减速电机1通过四个连接铜柱2与连接法兰4固联，连接法兰4与电机后端盖6固联，电机编码器5通过编码器固定支架29固定在连接法兰4上，电机编码器5的前端设置光电传感器30，直流伺服减速电机1的转子后端输出轴连接光栅31，直流伺服减速电机1与方形箱体28固联，直流伺服减速电机1输出轴由内向外分别安装推力轴承9、蜗杆27、支撑轴承14、钢球19和可调端盖18，蜗杆27通过固定销10与直流伺服减速电机1输出轴固联，可调端盖18与方形箱体28相连，蜗杆27通过固定销10与直流伺服减速电机1输出轴固联，其轴向后端设置推力轴承9，前端设置钢球19，径向设置支撑轴承14，涡轮25与其输出轴通过涡轮支撑轴承13安装在方形箱体28上，其中涡轮25一端安装有一个铜套24，铜套24内部为一个涡轮支撑轴承，铜套24外设置可调固紧螺丝21，两个传递关节块17通过销钉20与涡轮25输出轴固联，在涡轮25输出轴的最外端安装有一个电位计23，电位计23通过电位计支撑架26固定在方形箱体28上且涡轮25输出轴的最外端固定有第二卡簧22，在传递关节块17和方形箱体28之间安装有薄铜垫片12和第一卡簧11，传递关节块17的内部有固定加强板16。

本发明还有这样一些特征：

1、所述的前端模块化结构的直流伺服减速电机后端连接机械手，机械手包括：驱动电机47、机械支架48、销49、滑轴50、第一轴51、支撑轴52、两个手指53、丝杠54和第二轴55，驱动电机47安装在机械支架48上，机械支架48与直流伺服减速电机后端连接，丝杠54一端通过销49与驱动电机47输出轴固联，另一端通过轴承搭接在支撑轴52上，中间穿过滑轴50，滑轴50中间为一个螺母，滑轴50同时穿过机械支架48一字形滑槽和两个手指53的一字形滑槽，两个手指53分别通过第一轴51和第二轴55安装在机械支架48上。

2、所述的前端模块化结构的直流伺服减速电机后端连接剪刀手，剪刀手包括：驱动电机47、机械支架48、销49、滑轴50、第一轴51、支撑轴52、两个手指53、丝杠54和第二轴55，驱动电机47安装在机械支架48上，机械支架48与直流伺服减速电机后端连接，丝杠54一端通过销49与驱动电机47输出轴固联，另一端通过轴承搭接在支撑轴52上，中间穿过滑轴50，滑轴50中间为一个螺母，滑轴50同时穿过机械支架48一字形滑槽和两片剪刀56的一字形滑槽，两片剪刀56分别通过第一轴51和第二轴55安装在机械支架48上。

3、所述的减震缓冲器包括：连接限位块37、一级弹簧38、滑块40、二级弹簧41、滑缸42、滑块体43和三维力传感器45，减震缓冲器通过连接限位块37与直流伺服减速电机后端连接，滑块体43和滑块40固联安装在滑缸42内，滑块40的上下分别安装有处于压缩状态的一级弹簧38和二级弹簧41，滑块体43下端与三维力传感器45相连。

4、所述的躯干为矩形或圆形框架式。

5、所述的躯干与步行足外侧设置有胶质密封护套。

本发明仿生机械螃蟹所有关节均由模块化传动结构组成，组成原理如下：机械螃蟹由八条步行足并联构成，每条步行足由三个模块化传动结构串联组成。机械螃蟹的八条步行足分别为六条普通步行足和两条多功能复合足，两条多功能复合足分别为剪刀手和抓取机械手。机械螃蟹每条步行足都有三个行走关节，腿尖有三维力传感器，检测步行足的落地情况。

本发明是根据已有的生物螃蟹仿生学理论，设计出由直流电机减速驱动涡轮蜗杆可调传动机构的模块化结构，再用此模块化结构设计的具有两栖活动和自翻转能力的机械螃蟹多足仿生机器人。本发明机械螃蟹具有8条步行足，其中有六条普通步行足，另两条步行足可以为普通步行足或多功能复合足，多功能复合足分别为剪刀手和抓取机械手步行足，每条普通步行足的前端都装有三维力传感器，感知步行足的落地情况。仿生螃蟹由单片机的控制可在两栖环境下前行、后退、横行、翻转、避障等。整个机器人具有体积小、动作灵敏、环境适应性强等优点。经综合考虑，我们设计了蜗轮蜗杆模块化传动机构来实现腿部关节的传动。它具有结构紧凑、传动比大、传动平稳以及在一定的条件下具有可靠的自锁性等优点。

本发明的意义在于在现有的多足机器人研究成果下，寻找一种新的高效率、易加工、易维修、对电机有保护功能的机构传动方式，从而建立一个对复杂地形高度适应、性能可靠、体积小巧、具有自翻转行走功能、并具有两栖环境下活动能力和执行特定任务的微小型爬行机器人平台。它可以充当通信***的载体，代替人进入某些特殊环境，完成民用中各方面的任务，在航天探测、工业、考古、勘探以及玩具开发等领域都具有很强的实用价值，具有广阔的应用前景。

本发明机器人的优点有：模块化结构设计、模块化结构具有自锁和可调保护电机特性、机器人具有复杂环境下的自翻转行走功能、可两栖环境运动和作业、有减震抗震特性、足尖多维传感、具有多自由度复合足机械手、并且加工简单、组装、控制、维修方便。

(四)附图说明

图1是模块化传动结构俯视图；

图2是模块化传动结构正视图；

图3是模块化传动结构斜视图；

图4是模块化传动结构底视图；

图5是机械螃蟹普通步行足结构图；

图6是减震缓冲器结构图；

图7是仿生机械螃蟹复合足(鳌足)前端机械手结构设计；

图8是仿生机械螃蟹复合足(鳌足)前端剪刀手结构设计；

图9是仿生机械螃蟹复合足(鳌足)前端机械手和剪刀手俯视图；

图10是仿生机械螃蟹复合足(鳌足)组装示意图(机械手)；

图11是仿生机械螃蟹复合足(鳌足)组装示意图(剪刀手)；

图12是仿生机械螃蟹复合足(鳌足)斜视图(机械手)；

图13是仿生机械螃蟹双步行足安装示意图；

图14是模块化机械螃蟹整体实施方案1；

图15是模块化机械螃蟹整体实施方案2；

图16是模块化机械螃蟹整体实施方案3；

图17是模块化机械螃蟹整体实施方案4；

图18是模块化机械螃蟹整体实施方案5；

图19是模块化机械螃蟹初始状态示意图；

图20是模块化机械螃蟹向上翻转示意图；

图21是模块化机械螃蟹翻转过来示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：

本发明模块化机械螃蟹每条步行足都由三块模块化传动结构前端、中端和末端串联组成，只不过有两个步行足为实现特定任务的需要设计为复合式步行足——鳌足，而机械螃蟹整体是由八条步行足并联组成。所以模块化传动结构是机械螃蟹的基本单元，此结构具有通用性强、输出自锁、可调保护电机、传动角度大(＜270°)、易控制、易加工、易组装和维修的优点。本发明所述的模块化传动结构不仅仅可以应用在八足螃蟹身上，凡是足式、蛇形等爬行机器人都可以使用该机构，例如双足、四足、五足、六足机器人等。

结合图1、图2、图3和图4，每一个模块化传动结构都由一个直流伺服电机经减速器减速驱动，传动机构采用涡轮蜗杆机构，使输入、输出轴线正交，并具有自锁和可调特性。它具体主要包括：直流伺服减速电机1、四个连接铜柱2、四个固定螺丝3、连接法兰4、电机编码器5、电机后端盖6，固定螺丝7、电机与箱体固定螺丝8、推力轴承9、固定销10、卡簧11、铜垫片12、涡轮支撑轴承13、支撑轴承14、固定螺丝15、固定加强板16、传递关节块17、可调端盖18、钢球19、销钉20、可调固紧螺丝21、卡簧22、电位计23、铜套24、涡轮25、电位计支撑架26、蜗杆27、方形箱体28、编码器固定支架29、光电传感器30和光栅31。

模块化传动结构组装结构如下：直流伺服减速电机1为整个模块提供动力，电机直流伺服减速电机1通过四个连接铜柱2和四个固定螺丝3与连接法兰4固联，连接法兰4又通过螺丝与电机后端盖6固联。电机编码器5通过编码器固定支架29和固定螺丝7固定在连接法兰4上，电机编码器5的前端有一光电传感器30，直流伺服减速电机1的转动带动了光栅31的转动，而光电传感器30通过测光栅31的转动就可以测出电机的转动位置，从而使电机转动产生反馈，指导上层控制。直流伺服减速电机1通过螺丝8与方形箱体28固联，直流伺服减速电机1输出轴由内向外安装的分别是推力轴承9、蜗杆27、支撑轴承14、钢球19和可调端盖18，蜗杆27通过固定销10与直流伺服减速电机1输出轴固联，可调端盖18通过螺纹与方形箱体28相连，固定螺丝15的作用是阻止可调端盖18与方形箱体28位置调节好后发生相对转动。蜗杆27通过固定销10与直流伺服减速电机1输出轴固联后，其轴向后端有推力轴承9的支撑，前端有钢球19的限位，径向有支撑轴承14的支撑，所以在各种作用力的作用下电机轴都不会被压入直流伺服减速电机1或是拔出直流伺服减速电机1，这样就有效的保护了直流伺服减速电机1不受损害，延长了使用寿命。涡轮25与其输出轴加工为一体，通过涡轮支撑轴承13安装在方形箱体28上，其中一端安装有一个铜套24，铜套24内部为一个涡轮支撑轴承，外端有可调固紧螺丝21进行位置调节，铜套24外径要略大于涡轮25的外径，为的是能使涡轮25安装进方形箱体28上。两个传递关节块17通过销钉20与涡轮25输出轴固联，在涡轮25输出轴一个最外端安装有一个电位计23，电位计23通过电位计支撑架26固定在方形箱体28上，最外端有卡簧22固定，电位计23的作用是在直流伺服减速电机1上电时测出关节的初始位置，为控制***反馈初始控制信号，控制***再以这个信号为零起点通过电机编码器5计算直流伺服减速电机1转过的角度。在传递关节块17和方形箱体28之间安装有薄铜垫片12和卡簧11，铜垫片12起到滑动轴承的作用，卡簧11起限位和固定的作用。此外在传递关节块17的内部有固定加强板16，起到加固和连接的作用。

模块化传动结构传动原理：直流伺服减速电机1提供动力，带动蜗杆27转动，蜗杆27与涡轮25配合使电机输出力方向改变90度，传递关节块17与涡轮25固联，涡轮25转动带动传递关节块17转动，传递关节块17另一端又与下一节模块化传动结构相连，这样动力就一节一节的传递下去了。

本实施例的要点是：一种由直流电机减速驱动涡轮蜗杆可调传动机构的模块化结构，再用此模块化结构设计的具有两栖活动和自翻转能力的机械螃蟹多足仿生机器人。机械螃蟹有多种实施方式，其中最典型的一种是：机械螃蟹有八条步行足，分别是六条普通步行足和两条多功能复合足，两条多功能复合步行足分别为剪刀手和抓取机械手。仿生螃蟹每条步行足都有三个行走关节(即有三个自由度)，腿尖有三维力传感器，感知步行足的落地情况。机械螃蟹详细设计如下：

1.机械螃蟹单腿结构设计：

结合图5，本实施例中，每条普通步行足由三个模块化传动结构32、33和34串联组成，形成机械螃蟹单腿的大腿和小腿，小腿根部由模块化传动结构34的涡轮蜗杆结构与大腿相连。大腿根部由模块化传动结构32和33通过固定板36与主机架相连，构成两自由度胯骨关节。所以整条腿具有三个自由度，分别形成膝关节的一个上下抬起自由度、胯骨关节的一个左右摆动自由度和一个上下抬起自由度，其中两个上下抬起自由度可转动270°，满足机器蟹可翻转行走的需要。步行足前端安装有减震缓冲器35和三维力传感器。

2.减震缓冲器设计：

机器蟹在行走过程中，每条步行足落地的一瞬间与地面都是刚性碰撞，刚性碰撞对机器蟹的使用寿命造成了极大的伤害，增加减震缓冲器可以减轻步行足落地时的撞击，有效的保护了机械螃蟹。减震缓冲器安装在机械螃蟹每条步行足的最前端，它由两级弹簧减震，在其前端安装有三维力传感器，可实时检测机械蟹步行足受力情况。

结合图6，减震缓冲器包括：连接限位块37、一级弹簧38、连接螺丝39、滑块40、二级弹簧41、滑缸42、滑块体43、螺丝44、三维力传感器45和螺丝46。安装示意图如图6，减震缓冲器通过连接限位块37和螺丝46与模块化传动结构电机后端连接，滑块体43和滑块40通过连接螺丝39固联后安装在滑缸42内，并且在力的作用下可以在滑缸42内做微小的上下滑动，滑块40的上下分别安装有处于压缩状态的一级弹簧38和二级弹簧41，起到减震的作用。滑块体43下端通过螺丝44与三维力传感器45相连。

机器人使用的三维力传感器45与机器人的接口包括机械接口和电气接口两部分。传感器对机器人本体的安装方式采用顶装式。本传感器采用嵌入式集成片上***，整个处理电路分成信号放大电路和信号处理电路两大模块，其中信号放大电路集成在传感器内部，信号处理电路放在传感器外部。电气接口通过一个4芯接口与机器人控制***连接，其中PIN1、PIN2用于实现CAN总线，PIN3、PIN4用于外接电源。

3.仿生机械螃蟹复合足(鳌足)结构设计：

两条复合式步行足(即鳌足)是为机器蟹执行特定环境下的特定任务而设计的，此步行足兼有行走、抓取和剪断的功能。械螃蟹复合足(鳌足)与机械螃蟹普通步行足结构的三个模块化结构安装完全相同，不同的是将普通步行足最前端的减震缓冲器35换成具有抓取或剪断功能的机械手。其中一条步行足前端为抓取机械手(图7)，另一条步行足前端为剪刀手(图8)。两个步行足相互配合可完成指令要求的一些特定任务。

结合图7，机械手包括：驱动电机47、机械支架48、销49、滑轴50、轴51、支撑轴52、两个手指53、丝杠54和轴55。驱动电机47安装在机械支架48上，机械支架48通过螺丝与模块化传动结构电机后端连接，丝杠54一端通过销49与驱动电机47输出轴固联，另一端通过轴承搭接在支撑轴52上，中间穿过滑轴50，滑轴50中间为一个螺母，丝杠54的转动可以带动滑轴50上下运动，滑轴50同时穿过机械支架48一字形滑槽和两个手指53的一字形滑槽，滑轴50的上下运动就会带动两个手指53的张开与闭合，达到抓取货物的功能。两个手指53分别通过轴51和轴55安装在机械支架48上。

图8为剪刀手的结构设计，基本结构与图7所示机械手相同，不同的是将前端两个手指53换作了两片剪刀56。图9为前端机械手和剪刀手的俯视图。图10为仿生机械螃蟹复合足(鳌足)组装示意图(机械手)。图11为仿生机械螃蟹复合足(鳌足)组装示意图(剪刀手)。图12是仿生机械螃蟹复合足(鳌足)斜视图(机械手)。

4.机器蟹总体结构布置：

机械螃蟹整体包括躯干、普通步行足、多功能复合足和胶质密封护套四部分，其中八条步行足各直接与矩形或圆形框架式躯干(见图14-18)相连；躯干上装有作为仿生螃蟹控制中心的控制器和遥控装置。每条步行足都由基节、股节、胫节三部分组成，每一部分都是模块化结构组成，都有相应的控制单元实现动作；整个机器人用胶质护套包裹起来，以确保机械螃蟹可在两栖环境中正常运行。

图13给出了两条普通步行足组装示意图。

图14为模块化机械螃蟹整体实施方案1，螃蟹的八条步行足均为普通步行足，并且均布在躯干的两侧，通过基节驱动电机支座与躯干直接固连，构成了螃蟹的整体。此种结构的机械螃蟹具有自翻转行走、两栖行走等功能。

图15为模块化机械螃蟹整体实施方案2，此种布置的机器蟹八条步行足成方形布置，其中六条步行足为普通步行足，另两条为多功能复合步行足，分别为剪刀手和抓取机械手。机器蟹具有自翻转行走、两栖行走、作业等功能。

图16是模块化机械螃蟹整体实施方案3，此种布置的机器蟹八条步行足成方形布置，八条步行足均为多功能复合步行足。机器蟹具有自翻转行走、两栖行走、作业等功能。

图17为模块化机械螃蟹整体实施方案4，此种方案设计的机器蟹八条步行足为放射形布置，每条步行足之间的角度均按照生物螃蟹步行足的角度而设计。机器蟹兼有行走、翻转、抓取等特性。

图18是模块化机械螃蟹整体实施方案5，此种布置的机器蟹八条步行足成方形布置，整体与前四种布置基本相同，不同的是在机械螃蟹的躯干上增加了两个模块化传动结构57和58，躯干也被分成三部分，第一部分和第三部分分别安装有两条步行足，第二部分安装有四条步行足和两个模块化传动结构57和58，两个模块化传动结构57和58的作用是可分别使第一部分和第三部分旋转抬起，增加了机械螃蟹机械手作业的灵活性。

5.机械螃蟹密封设计：

机械螃蟹采取的是整体密封或是各个模块分密封的方式，使其能在两栖环境下进行运动和作业。整体密封采用橡胶套整体包裹的方式，这样密封的机械螃蟹为一个整体，密封性比较好，不容易泄露。各个模块分密封的方式是将各个驱动电机和控制电路进行密封，而其他的部件不进行密封，此种密封具有维修方便的特点。

6.机械螃蟹行走动作描述：

在仿生螃蟹中心控制器中存储了针对不同步态行走的指令，其中包括遇到障碍物时的指令。当欲让机器人按照某一步态行走时，通过遥控装置将要执行的指令的序号发给中心控制器。中心控制器继而会按照具体的指令控制各条步行腿动作。当行进时遇到障碍物时，由被安装在步行足上的三维力传感器感知后，将信号发给中心控制器，中心控制器会调用相应的指令，改变预设定的关节摆角，使腿跨过障碍。

7.机械螃蟹自翻转动作描述：

图19是模块化机械螃蟹初始状态示意图，图20是模块化机械螃蟹向上翻转示意图，图21是模块化机械螃蟹翻转过来示意图。模块化机械螃蟹设计成具有自翻转的特性是因为机械螃蟹一般应用在野外、沙滩或是有海浪的地带，这样的环境下机械螃蟹很容易发生翻转，自翻转的特性可以保证机械螃蟹在发生翻转后仍能继续行走、工作，特别是在水下运动时增强其耐波性。

Claims (8)

1、一种模块化机械螃蟹，它包括躯干和至少一对步行足，躯干上安装有控制器和遥控装置，每条步行足都由前端模块化结构、中端模块化结构和末端模块化结构三个模块化结构串联组成，躯干与步行足末端通过固定板相连，步行足前端安装有减震缓冲器和三维力传感器，每个模块化结构都包括直流伺服减速电机、传动机构和传递关节块，传递关节块连接传动机构，传动机构连接直流伺服减速电机，各模块化结构之间通过传递关节块连接，其特征在于：各所述的模块化结构还包括：四个连接铜柱(2)、连接法兰(4)、电机编码器(5)、电机后端盖(6)，推力轴承(9)、固定销(10)、第一卡簧(11)、薄铜垫片(12)、涡轮支撑轴承(13)、支撑轴承(14)、固定加强板(16)、可调端盖(18)、钢球(19)、销钉(20)、可调固紧螺丝(21)、第二卡簧(22)、电位计(23)、铜套(24)、电位计支撑架(26)、方形箱体(28)、编码器同定支架(29)、光电传感器(30)和光栅(31)，传动机构包括涡轮(25)和蜗杆(27)，直流伺服减速电机(1)通过四个连接铜柱(2)与连接法兰(4)固联，连接法兰(4)与电机后端盖(6)固联，电机编码器(5)通过编码器固定支架(29)固定在连接法兰(4)上，电机编码器(5)的前端设置光电传感器(30)，直流伺服减速电机(1)的转子后端输出轴连接光栅(31)，直流伺服减速电机(1)与方形箱体(28)固联，直流伺服减速电机(1)输出轴由内向外分别安装推力轴承(9)、蜗秆(27)、支撑轴承(14)、钢球(19)和可调端盖(18)，蜗杆(27)通过固定销(10)与直流伺服减速电机(1)输出轴固联，可调端盖(18)与方形箱体(28)相连，蜗杆(27)通过固定销(10)与直流伺服减速电机(1)输出轴固联，其轴向后端设置推力轴承(9)，前端设置钢球(19)，径向设置支撑轴承(14)，涡轮(25)与其输出轴通过涡轮支撑轴承(13)安装在方形箱体(28)上，其中涡轮(25)一端安装有一个铜套(24)，铜套(24)内部为一个涡轮支撑轴承，铜套(24)外设置可调固紧螺丝(21)，两个传递关节块(17)通过销钉(20)与涡轮(25)输出轴固联，在涡轮(25)输出轴的最外端安装有一个电位计(23)，电位计(23)通过电位计支撑架(26)固定在方形箱体(28)上且涡轮(25)输出轴的最外端固定有第二卡簧(22)，在传递关节块(17)和方形箱体(28)之间安装有薄铜垫片(12)和第一卡簧(11)，传递关节块(17)的内部有固定加强板(16)。

2、根据权利要求1所述的模块化机械螃蟹，其特征在于所述的前端模块化结构的直流伺服减速电机后端连接机械手，机械手包括：驱动电机(47)、机械支架(48)、销(49)、滑轴(50)、第一轴(51)、支撑轴(52)、两个手指(53)、丝杠(54)和第二轴(55)，驱动电机(47)安装在机械支架(48)上，机械支架(48)与直流伺服减速电机后端连接，丝杠(54)一端通过销(49)与驱动电机(47)输出轴固联，另一端通过轴承搭接在支撑轴(52)上，中间穿过滑轴(50)，滑轴(50)中间为一个螺母，滑轴(50)同时穿过机械支架(48)一字形滑槽和两个手指(53)的一字形滑槽，两个手指(53)分别通过第一轴(51)和第二轴(55)安装在机械支架(48)上。

3、根据权利要求1所述的模块化机械螃蟹，其特征在于所述的前端模块化结构的直流伺服减速电机后端连接剪刀手，剪刀手包括：驱动电机(47)、机械支架(48)、销(49)、滑轴(50)、第一轴(51)、支撑轴(52)、两个手指(53)、丝杠(54)和第二轴(55)，驱动电机(47)安装在机械支架(48)上，机械支架(48)与直流伺服减速电机后端连接，丝杠(54)一端通过销(49)与驱动电机(47)输出轴固联，另一端通过轴承搭接在支撑轴(52)上，中间穿过滑轴(50)，滑轴(50)中间为一个螺母，滑轴(50)同时穿过机械支架(48)一字形滑槽和两片剪刀(56)的一字形滑槽，两片剪刀(56)分别通过第一轴(51)和第二轴(55)安装在机械支架(48)上。

4、根据权利要求1、2或3所述的模块化机械螃蟹，其特征在于所述的减震缓冲器包括：连接限位块(37)、一级弹簧(38)、滑块(40)、二级弹簧(41)、滑缸(42)、滑块体(43)和三维力传感器(45)，减震缓冲器通过连接限位块(37)与直流伺服减速电机后端连接，滑块体(43)和滑块(40)固联安装在滑缸(42)内，滑块(40)的上下分别安装有处于压缩状态的一级弹簧(38)和二级弹簧(41)，滑块体(43)下端与三维力传感器(45)相连。

5、根据权利要求1、2或3所述的模块化机械螃蟹，其特征在于所述的躯干为矩形或圆形框架式。

6、根据权利要求4所述的模块化机械螃蟹，其特征在于所述的躯干为矩形或圆形框架式。

7、根据权利要求5所述的模块化机械螃蟹，其特征在于所述的躯干与步行足外侧设置有胶质密封护套。

8、根据权利要求6所述的模块化机械螃蟹，其特征在于所述的躯干与步行足外侧设置有胶质密封护套。

Images