CN102815347A - 一种模块化可重构单链式爬行机器人及其行进方法 - Google Patents

Abstract

一种模块化可重构单链式爬行机器人及其行进方法，爬行机器人由多个单体首尾相连组成，所述单体均由前臂、中臂和后臂组成，爬行机器人单体的前臂、中臂和后臂为单体的关节，爬行机器人工作时，各关节在自身舵机的驱动下，两个U形框发生转动，前臂和后臂为俯仰转动，中臂为左右转动，爬行机器人的行进包括直线运动步态和角度转向调整步态。本发明控制方法简单高效，便于***扩展，并可进行仿生学研究；单体组装方便，各单体结构一致，通用性强；各单体能够重复使用，从而减少了成本。

Description

一种模块化可重构单链式爬行机器人及其行进方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及爬行机器人，为一种模块化可重构单链式爬行机器人及其行进方法。

背景技术

爬行机器人通常具有高度的灵活性、强大的适应性以及结构紧凑等特点，广泛的应用于震后救灾、洪涝灾害、海啸等复杂、危险的环境，也常常应用于仿生研究，因而受到广泛研究。

如专利号为CN200610054565.3，专利名称为尺蠖式爬行机器人装置的中国发明专利，公开了一种尺蠖式爬行机器人装置，由前卡紧装置、后卡紧装置、伸缩腰、安全锁紧装置等部分组成。利用交替工作的前后卡紧装置与能伸长和缩短的伸缩腰与配合，作尺蠖式前进。

再如专利号为CN201010219094.3，专利名称为九自由度四足仿生爬行机器人的中国发明专利，公开了一种九自由度四足仿生爬行机器人，包括前躯体、后躯体和四个结构相同的由平行四连杆机构组成的腿部，驱动电机数量少，且足部始终垂直于地面，能在各种复杂地表爬行而不会侧滑。

但目前已知的爬行机器人存在如下问题：（1）集中式有线控制，安装复杂，不便于***扩展（2）机械结构复杂，不易控制，成本较高（3）运动能力不足。

模块化可重构机器人概念的提出为其提供了解决之道。模块化可重构机器人利用模块之间的连接性和互换性,以及模块传感器感知到的周围环境信息,通过模块之间的连接断开操作和相互运动来自动改变整体构形,扩展运动形式,完成多种运动及操作任务,具有良好的环境适应性、任务适应能力和自修复等特点。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有爬行机器人存在控制算法复杂、组装不便以及运动能力不足等缺陷，本发明提供一种组装方便、运动能力强以及易于控制的模块化可重构单链式爬行机器人。

本发明的技术方案为：一种模块化可重构单链式爬行机器人，由多个单体首尾相连组成，所述单体均由前臂、中臂和后臂组成，

前臂包括前右U形框、前左U形框、前臂电路板、前臂舵机、前臂驱动轴、前臂从动轴和对接导头，所述前右U形框和前左U形框均由一块底板及两块连接板组成，两块连接板对称设置在底板的两侧，构成U形结构，前臂舵机通过舵机固定架固定在前右U形框内，并与前臂电路板电连接，前右U形框和前左U形框的连接板分别通过前臂驱动轴和前臂从动轴铰接，构成一个完整框体，前臂电路板固定在所述框体内，其中前臂驱动轴与前左U形框固定连接，前臂从动轴与前右U形框固定连接，前臂驱动轴与前臂舵机的输出轴联动，对接导头设置在前左U形框的底板上，位于前左U形框外，前右U形框的底板上设有螺纹孔；

中臂包括上U形框、下U形框、中臂电路板、中臂舵机、中臂驱动轴和中臂从动轴，所述上U形框和下U形框均由一块底板及两块连接板组成，两块连接板对称设置在底板的两侧，构成U形结构，中臂舵机通过舵机固定架固定在下U形框内，并与中臂电路板电接连，上U形框和下U形框的连接板分别通过中臂驱动轴和中臂从动轴铰接，构成一个完整框体，中臂电路板固定在所述框体内，其中中臂驱动轴与上U形框固定连接，中臂从动轴与下U形框固定连接，中臂驱动轴与中臂舵机的输出轴联动，上U形框的底板上设有与前右U形框的底板对应的螺纹孔，两个U形框通过所述螺纹孔由螺栓固定连接，下U形框的底板上设有螺纹孔；

后臂包括后右U形框、后左U形框、后臂电路板、后臂舵机、后臂驱动轴和后臂从动轴，所述后右U形框和后左U形框均由一块底板及两块连接板组成，两块连接板对称设置在底板的两侧，构成U形结构，后臂舵机通过舵机固定架固定在后左U形框内，并与后臂电路板电连接，后左U形框和后右U形框的连接板分别通过后臂驱动轴和后臂从动轴铰接，构成一个完整框体，后臂电路板固定在所述框体内，其中后臂驱动轴与后右U形框固定连接，后臂从动轴与后左U形框固定连接，后臂驱动轴与后臂舵机的输出轴联动，后左U形框的底板设有与中臂下U形框的底板对应的螺纹孔，两个U形框通过所述螺纹孔由螺栓固定连接，后右U形框的底板设有卡槽，所述卡槽与另一单体的前臂对接导头对应，构成卡接结构；

前臂与中臂、中臂与后臂连接时，驱动轴的方向相互垂直。

所述前右U形框、前左U形框、上U形框、下U形框、后右U形框和后左U形框的底板为大小一致的长方形。

上述一种模块化可重构单链式爬行机器人的行进方法为，爬行机器人单体的前臂、中臂和后臂为单体的关节，爬行机器人工作时，各关节的电路板控制其所处关节的舵机运转，各关节在自身舵机的驱动下，两个U形框发生转动，前臂和后臂为俯仰转动，中臂为左右转动，爬行机器人的行进包括直线运动步态和角度转向调整步态，

直线运动步态为周期式运动，首先为初始状态，然后通过单体前臂与后臂的俯仰转动动作，利用关节与地面的摩擦力，实现向前运动，直至各关节回到初始状态，完成一个周期的运动，为模块化可重构单链式爬行机器人下一周期的直线运动做好准备；模块化可重构单链式爬行机器人整体以波浪式地向前推进，在直线运动过程中，每个单体的中臂都处于被动运动状态；

角度调整步态为周期式运动，首先初始状态，然后模块化可重构单链式爬行机器人通过各单体前、后臂两个节点和中臂与地面的交替接触来不断调整，其中中臂转动调整角度，前臂、后臂利用与地面的摩擦力固定自身位置，作为中臂转动时的支点，进行角度调整，直至各关节回到初始状态，完成一个周期的运动，模块化可重构单链式爬行机器人通过多个周期的调整实现角度的连续调整。

本发明的有益效果主要表现在：1、控制方法简单高效，便于***扩展，并可进行仿生学研究；2、单体组装方便，各单体结构一致，通用性强；3、各单体能够重复使用，从而减少了成本。

附图说明

图1是本发明单体的结构图。

图2是本发明单体的上视图。

图3是本发明单体的前视图。

图4是本发明前臂结构图。

图5是本发明前臂上视图。

图6是本发明中臂结构图。

图7是本发明中臂前视图。

图8是本发明后臂结构图。

图9是本发明后臂上视图。

图10是本发明后臂前视图。

图11是本发明模块化可重构单链式爬行机器人的实施例结构图。

图12是本发明模块化可重构单链式爬行机器人实施例的直线运动步态图。

图13是本发明模块化可重构单链式爬行机器人实施例的角度调整步态图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明的单体主要由前臂1、中臂2和后臂3组成。

参见图2，此图为单体的上视图。

参见图3，此图为单体的前视图。

参见图4与图5，前臂包括前右U形框105、前左U形框101、前臂舵机104、前臂舵机固定架103、前臂电路板102、前臂驱动轴108、前臂从动轴106以及连接导头107。所述前右U形框105和前左U形101框均由一块底板及两块连接板组成，两块连接板对称设置在底板的两侧，构成U形结构，前臂舵机固定架103将前臂舵机104和前右U形框105固定在一起，前臂电路板102固定在前左U形框105内，前臂电路板102上为控制前臂动作的控制电路。前臂从动轴106与前右U形框105用螺丝固定，前臂驱动轴108与前左U形框101固定。前臂驱动轴108内侧设有螺纹孔，与舵机104的输出轴外螺纹咬合，实现联动。前右U形框105和前左U形框101通过前臂驱动轴108及前臂从动轴106铰接装配为一体，成为单体的一个关节。前臂舵机104通电旋转的时候，通过前臂驱动轴108带动前左U形框101旋转，前右U形框105和前臂舵机104相对保持不动，则前右U形框105和前左U形框101之间形成相互转动。前臂从动轴106起着轴向的支撑作用。前臂的前左U形框101的底板上设置连接导头107，用于实现各单体之间的连接，与另一单体的后臂连接，前右U形框105的四个角上设计有螺纹孔，用于实现前臂和中臂的连接。

参见图6与图7，中臂包括上U形框201、下U形框202、中臂舵机固定架203、中臂舵机204、中臂电路板206、中臂驱动轴208和中臂从动轴205，所述上U形框201和下U形框202均由一块底板及两块连接板组成，两块连接板对称设置在底板的两侧，构成U形结构，中臂舵机204通过中臂舵机固定架203固定在下U形框202内，上U形框201和下U形框202的连接板分别通过中臂驱动轴208和中臂从动轴205铰接，构成一个完整框体，中臂电路板206固定在上U形框201内，中臂电路板206上为控制中臂动作的控制电路；其中中臂驱动轴208与上U形框201固定连接，中臂从动轴205与下U形框202固定连接，中臂驱动轴208与中臂舵机204的输出轴联动，上U形框201的底板上设有与前臂的前右U形框105的底板对应的螺纹孔，两个U形框通过所述螺纹孔由螺栓固定连接，下U形框202与前臂的前右U形框105完全一致，底板上设有螺纹孔，用于中臂与后臂的连接。

参见图8、图9与图10，后臂包括后右U形框305、后左U形框301、后臂舵机302、后臂电路板304、后臂舵机固定架306、后臂驱动轴307和后臂从动轴303，以及用于实现单体之间连接的卡槽308，所述后右U形框305和后左U形框301均由一块底板及两块连接板组成，两块连接板对称设置在底板的两侧，构成U形结构，后臂舵机302通过后臂舵机固定架306固定在后左U形框301内，后左U形框301和后右U形框305的连接板分别通过后臂驱动轴307和后臂从动轴303铰接，构成一个完整框体，后臂电路板304固定在后右U形框305内，后臂电路板304上为控制后臂动作的控制电路。其中后臂驱动轴307与后右U形框305固定连接，后臂从动轴303与后左U形框301固定连接，后臂驱动轴307与后臂舵机302的输出轴联动，后左U形框301的底板设有与中臂下U形框202的底板对应的螺纹孔，两个U形框通过所述螺纹孔由螺栓固定连接，后右U形框305的底板设有卡槽308，所述卡槽308与另一单体的前臂对接导头对应，构成卡接结构。

本发明同一单体的前臂、中臂和后臂都是通过螺纹孔连接，单体之间是通过连接导头连接。中臂的上U形框201还可设置卡槽207，所述卡槽结构与后臂的卡槽308结构一样，用于中臂以后的扩展使用。

参见图11，为本发明的实施例，模块化可重构单链式爬行机器人由3个单体组成，各单体之间通过导头和卡槽首尾连接。爬行机器人单体的前臂、中臂和后臂为单体的关节，爬行机器人工作时，各关节的电路板控制其所处关节的舵机运转，各关节在自身舵机的驱动下，两个U形框发生转动，前臂和后臂为俯仰转动，中臂为左右转动。

参见图12，为本发明实施例的模块化可重构单链式爬行机器人直线运动步态图。三个单体共计9个关节J₁～J₉，Step1～Step6为一个运动周期，参见表1，为模块化可重构单链式爬行机器人直线运动时的步态表，其中A表示关节向上偏转角度θ，-A表示向下偏转角度θ。

表1

其中Step1是初始状态，模块化可重构单链式爬行机器人处于初始状态，为下一个步骤做好准备。Step2中，关节J₁、J₃以及J₆由初始状态变为向下偏转θ角度，而关节J₂、J₅以及J₈为中臂，在整个直线运动过程中一直处于被动状态。关节J₄和J₉由初始状态变为向上偏转θ角度，关节J₇在这一阶段暂时处于被动状态。如此，整个机器人便形成两个梯形波，为机器人整体向前挪动做好准备。Step3中，关节J₁与J₃由向下偏转θ角度变为向上偏转θ角度，关节J₄和J₉由向上偏转θ角度变为向下偏转θ角度，关节J₆由向下偏转θ角度回到初始状态，关节J₇由初始状态变为向上偏转θ角度。在这些关节变化的过程中，机器人向前移动一段距离。Step4中，关节J₁和J₃由向上偏转θ角度变为向下偏转θ角度，关节J₄由向下偏转θ角度变为向上偏转θ角度，关节J₆由初始状态变为向下偏转θ角度，关节J₇在这一阶段暂时处于被动状态，关节J₉由向下偏转θ角度回到初始状态。在这些关节变化的过程中，机器人又向前移动一段距离。Step5中，关节J₁由向下偏转θ角度回到初始状态，关节J₃由向下偏转θ角度变为向上偏转θ角度，关节J₄由向上偏转θ角度回到初始状态，关节J₆由向下偏转θ角度回到初始状态，关节J₇回到初始状态，关节J₉由初始状态变为向下偏转θ角度。在这些关节变化的过程中，机器人又向前移动一段距离。如此，又向前挪动了一段距离。Step6中，所有节点都回到初始状态，为下一周期做准备。重复着Step1到Step6的步骤，模块化可重构单链式爬行机器人整体就可以波浪式地向前推进。

参见图13，为本发明实施例的模块化可重构单链式爬行机器人角度调整步态图。Step1～Step6为一个运动周期，表2为模块化可重构单链式爬行机器人角度调整时的步态表，其中A表示关节向上偏转角度θ，-A表示向下偏转角度θ，B表示关节向左偏转角度η，-B表示向右偏转角度η。当模块化可重构爬行机器人的关节数发生变化时，只要增减列数，重新建立新的步态表即可。

表2

其中Step1为爬行机器人原始状态，整个爬行机器人处于伸展状态。在Step2中，关节J₁和J₉由初始状态变为向下偏转θ角度，其余关节不做动作，使关节J₂~J₈处于悬空状态。Step3中，首先关节J₂和J₈分别向右、向左偏转η角度，然后关节J₁和J₉由向下偏转θ角度回到初始状态。Step4中，关节J₃由初始状态变为向上偏转θ角度，其余关节保持不动。Step5中，关节J₂由向右偏转η角度回到初始状态，关节J₃由向上偏转θ角度回到初始状态，关节J₇由初始状态变为向上偏转θ角度。Step6中，关节J₈由向左偏转η角度回到初始状态，关节J₇由向上偏转θ角度回到初始状态，从而使整个爬行机器人处于原始状态。经过Step1～Step6，模块化可重构单链式爬行机器人完成一次角度调整。

Claims (3)

1.一种模块化可重构单链式爬行机器人，其特征是由多个单体首尾相连组成，所述单体均由前臂、中臂和后臂组成，

前臂包括前右U形框、前左U形框、前臂电路板、前臂舵机、前臂驱动轴、前臂从动轴和对接导头，所述前右U形框和前左U形框均由一块底板及两块连接板组成，两块连接板对称设置在底板的两侧，构成U形结构，前臂舵机通过舵机固定架固定在前右U形框内，并与前臂电路板电连接，前右U形框和前左U形框的连接板分别通过前臂驱动轴和前臂从动轴铰接，构成一个完整框体，前臂电路板固定在所述框体内，其中前臂驱动轴与前左U形框固定连接，前臂从动轴与前右U形框固定连接，前臂驱动轴与前臂舵机的输出轴联动，对接导头设置在前左U形框的底板上，位于前左U形框外，前右U形框的底板上设有螺纹孔；

中臂包括上U形框、下U形框、中臂电路板、中臂舵机、中臂驱动轴和中臂从动轴，所述上U形框和下U形框均由一块底板及两块连接板组成，两块连接板对称设置在底板的两侧，构成U形结构，中臂舵机通过舵机固定架固定在下U形框内，并与中臂电路板电接连，上U形框和下U形框的连接板分别通过中臂驱动轴和中臂从动轴铰接，构成一个完整框体，中臂电路板固定在所述框体内，其中中臂驱动轴与上U形框固定连接，中臂从动轴与下U形框固定连接，中臂驱动轴与中臂舵机的输出轴联动，上U形框的底板上设有与前右U形框的底板对应的螺纹孔，两个U形框通过所述螺纹孔由螺栓固定连接，下U形框的底板上设有螺纹孔；

后臂包括后右U形框、后左U形框、后臂电路板、后臂舵机、后臂驱动轴和后臂从动轴，所述后右U形框和后左U形框均由一块底板及两块连接板组成，两块连接板对称设置在底板的两侧，构成U形结构，后臂舵机通过舵机固定架固定在后左U形框内，并与后臂电路板电连接，后左U形框和后右U形框的连接板分别通过后臂驱动轴和后臂从动轴铰接，构成一个完整框体，后臂电路板固定在所述框体内，其中后臂驱动轴与后右U形框固定连接，后臂从动轴与后左U形框固定连接，后臂驱动轴与后臂舵机的输出轴联动，后左U形框的底板设有与中臂下U形框的底板对应的螺纹孔，两个U形框通过所述螺纹孔由螺栓固定连接，后右U形框的底板设有卡槽，所述卡槽与另一单体的前臂对接导头对应，构成卡接结构；

前臂与中臂、中臂与后臂连接时，驱动轴的方向相互垂直。

2.根据权利要求1所述的一种模块化可重构单链式爬行机器人，其特征是所述前右U形框、前左U形框、上U形框、下U形框、后右U形框和后左U形框的底板为大小一致的长方形。

3.权利要求1或2所述的一种模块化可重构单链式爬行机器人的行进方法，其特征是爬行机器人单体的前臂、中臂和后臂为单体的关节，爬行机器人工作时，各关节的电路板控制其所处关节的舵机运转，各关节在自身舵机的驱动下，两个U形框发生转动，前臂和后臂为俯仰转动，中臂为左右转动，爬行机器人的行进包括直线运动步态和角度转向调整步态，

直线运动步态为周期式运动，首先为初始状态，然后通过单体前臂与后臂的俯仰转动动作，利用关节与地面的摩擦力，实现向前运动，直至各关节回到初始状态，完成一个周期的运动，为模块化可重构单链式爬行机器人下一周期的直线运动做好准备；模块化可重构单链式爬行机器人整体以波浪式地向前推进，在直线运动过程中，每个单体的中臂都处于被动运动状态；

角度调整步态为周期式运动，首先初始状态，然后模块化可重构单链式爬行机器人通过各单体前、后臂两个节点和中臂与地面的交替接触来不断调整，其中中臂转动调整角度，前臂、后臂利用与地面的摩擦力固定自身位置，作为中臂转动时的支点，进行角度调整，直至各关节回到初始状态，完成一个周期的运动，模块化可重构单链式爬行机器人通过多个周期的调整实现角度的连续调整。

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