CN104802875A - 一种六足仿生爬行机器人 - Google Patents

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王贺升
陈卫东
桂博文
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    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
    • B62D57/02—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
    • B62D57/032—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members with alternately or sequentially lifted supporting base and legs; with alternately or sequentially lifted feet or skid

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Abstract

一种仿生六足爬行机器人，包括躯体框架、供电电源、计算机控制***、六条仿生C形腿、与六条仿生C形腿对应配置的六个电机、六个驱动器以及六个位置传感器，所述的供电电源、电机、驱动器、计算机控制***安装固定于躯体框架中，所述仿生C形腿对称安装于机器人躯体框架两侧，所述电机与减速机相连，电机经减速机带动仿生C形腿的腿部旋转运动，所述计算机控制***与六个驱动器依次相连，每个驱动器与供电电源、电机和位置传感器相连。本发明提供的机器人越障能力强，控制***精度高，对于沙漠等松软地面环境适应能力较好，可用于复杂环境探测等领域。

Description

一种六足仿生爬行机器人
技术领域
本发明涉及到移动机器人领域，尤其涉及到一种运行在沙漠、山地等复杂环境下新型六足仿生爬行机器人。
背景技术
移动机器人是近年来机器人技术领域的研究热点之一。传统的移动机器人主要包括轮式机器人、履带机器人和足式机器人。在沙漠、碎石等荒漠地形和崎岖表面的环境下，轮式机器人和履带机器人均存在容易沉陷入沙地的缺点，而且对于未知的不规则障碍，也无法迅速自主翻越，因此对环境适应性较差。
对现有专利文档进行检索发现，专利申请公开号：CN 102416986 A，名称：一种六足蚂蚁机器人，该发明描述：由六足机构、传动机构、头部机构、控制机构四个部分组成，其头部机构位于机器人前端，传动机构相当于机器人的“身体驱干”，处于中间位置；六足机构位于传动机构两侧，控制结构位于传动机构内部，由控制机构给信号，传动机构来实现力的输出，头部机构和六足机构来输出机器人的动作。实现了单一电机驱动六足，并且能使六足做出转向、后退等六种动作。该发明驱动单元仅为单一电机，受限于电机尺寸、功率，攀爬越障能力有限，而且依靠齿轮机构实现多足的运行，无法做到精确控制各足位置，爬行步态单一，可控性较差。
检索还发现，专利申请公开号：CN 102107685 A名称：偏心轮腿六足机器人，该发明机身笨重，电机输出轴与腿直接相连，因而驱动力矩有限，承受负载能力和脱离沉陷环境能力较差。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的不足，提供一种六足仿生爬行机器人，越障能力强、精度高、稳定性好，能适应复杂地形环境。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种仿生六足爬行机器人，包括躯体框架、供电电源、计算机控制***、六条仿生C形腿、与六条仿生C形腿对应配置的六个电机、六个驱动器以及六个位置传感器，所述的供电电源、电机、驱动器、计算机控制***安装固定于躯体框架中，所述仿生C形腿对称安装于机器人躯体框架两侧，所述电机与减速机相连，电机经减速机带动仿生C形腿的腿部旋转运动，所述计算机控制***与六个驱动器依次相连，每个驱动器与供电电源、电机和位置传感器相连。
所述躯体框架由三根横梁与两根纵梁组成，整体呈“日”字形。
中间的仿生C型腿与其他仿生C形腿错开安装，避免与其他仿生C形腿碰撞。
所述仿生C型腿外表面包裹有橡胶毛刺层，用于增大接触面积和摩擦力。
所述计算机控制***同时接有紧急停止开关和电流计。
所述电机与减速机相连，减速机输出轴通过键槽配合与仿生C形腿的伸出轴抱轴安装，再通过轴承块固定到躯体框架上。
所述仿生C形腿的伸出轴与副轴上各安装有一个齿轮，两个齿轮齿数相同，啮合传动伸出轴的旋转，副轴末端安装位置传感器。
所述仿生C形腿通过腿扣固定在抱轴末端。
所述电机与减速机通过减速机法兰连接，电机的输出轴作为减速机的输入轴，减速机上开有螺纹孔，与减速机法兰固定，减速机法兰和轴承块开有凹槽和螺纹孔，连接环嵌入其中，减速机法兰、轴承块和连接环三者通过螺丝连接锁紧，两个轴承压入轴承块中，内部通过卡簧卡紧，伸出轴与一轴承通过过盈配合和卡簧连接，保证无轴向滑动和周向相对滑动。
所述位置传感器为光电编码器。
本发明与现有技术相比，其所带来的有益效果如下：
1、采用6个电机与驱动器驱动6条C形腿，每条腿可独立控制，位置传感器能准确测取腿部位置，保证了控制***的精确性，可实现多种爬行步态。
2、C形腿与地面接触面积大，弹性好，表面粘有带沟纹的橡胶材料用以增大摩擦力，可以克服沉陷、打滑等问题，高速爬行时躯体稳定性也更好。
附图说明
图1是本发明的六足仿生爬行机器人正面整体示意图；
图2是本发明的六足仿生爬行机器人背面整体示意图；
图3是本发明的躯体框架正面示意图；
图4是本发明的躯体框架背面示意图；
图5是本发明的腿部结构示意图；
图6是本发明的电机、减速机、轴承块、编码器装配示意图一；
图7是本发明的电机、减速机、轴承块、编码器装配示意图二；
图8是本发明的电机、减速机、轴承块、编码器装配分解图；
图9是本发明的机器人爬行步态时序图；
图10是本发明的机器人爬行步态图；
图11是本发明的机器人起始位置示意图；
图12是本发明的机器人爬行初始位置示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明技术方案做一详细的描述。
如图1、图2所示，本发明提供的六足仿生爬行机器人，由躯体框架、作为供电电源的电池1、仿生C形腿2、电机3、驱动器4、位置传感器5和计算机控制***组成。如图3、图4所示，躯体框架由三根横梁25与两根纵梁6组成，两块轻型工程塑料板7连接于躯体框架上，用于固定电池1、六个驱动器4和工控机8。中部的横梁两端略微伸出框架外。躯体框架的横梁25和纵梁6均由铝合金材料加工而成，同时做了局部加强和简化了不必要的部分，便于整机的轻质化。整个框架较为扁平，呈“日”字形，同时结构强度足够，能承受较大负荷。
计算机控制***由工控机构成，工控机通过网线与六个驱动器依次相连，每个驱动器与电池、电机和位置传感器相连。计算机控制***同时接有紧急停止开关和电流计。
仿生C形腿共六个，每组三个安装于躯体框架两侧，每条腿分别位于前、中、后部位置。其中中部的仿生C形腿稍微外伸，与前部和后部的腿错开。图5所示为仿生C形腿结构，它由仿生C形腿9和腿扣10组成。在仿生C形腿9和腿扣10上均有两排孔，两者通过螺丝固定。腿扣10上开有六边形孔，与伸出轴11配合，同时通过螺丝锁紧腿扣10上的开口以及紧定螺丝孔锁紧腿扣10与伸出轴11，从而完成C形腿结构与伸出轴11的固定。
图6、图7、图8所示为电机、减速机、轴承块装配示意图。电机12与减速机13通过法兰连接，电机12的输出轴作为减速机13的输入轴。减速机13上开有四个螺纹孔，与减速机法兰14固定。减速机法兰14和轴承块18开有凹槽和螺纹孔，连接环15嵌入其中，三者通过螺丝连接锁紧。两个轴承19压入轴承块中，内部通过卡簧卡紧。伸出轴11与下部轴承19通过过盈配合和卡簧连接，保证了无轴向和周向相对滑动。下部齿轮20的台阶上开有槽，与伸出轴11通过平键连接。齿轮20上的紧定螺丝保证了齿轮20与伸出轴11的锁紧。上部齿轮22与副轴21紧配连接，与下部齿轮20齿数相同，啮合传动伸出轴11的旋转。副轴21也与上部轴承23通过过盈配合连接，尾部伸出的直径较小的一段通过编码器安装盖17输入光电编码器16，从而将末端伸出轴11的旋转传递给光电编码器16，实现了仿生C形腿9的旋转位置信息的测量。
图9所示为机器人爬行步态时序图，图10所示为本发明的机器人爬行步态图，机器人的六足按顺序编号。机器人以三角步态爬行时，腿111，333，555构成一组腿，腿222，444，666构成另一组腿。在起始位置时，六条腿都处于直立位置，如图11所示。然后一组腿111，333，555顺时针旋转180°到达爬行初始步态位置，如图12所示。悬在空中的一组腿被称为摆动相，立在地面上的一组腿被称为支撑相。每组腿在支撑相与摆动相之间按照图5的时序交替切换，如此保证机器人能平稳爬行。机器人停止爬行时，六条腿均摆动到图11所示的初始位置，立于地面。
上述实施例仅用于说明本发明技术方案，但其并不是用来限定本发明。任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的内容对本发明所提出的方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明的技术内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种仿生六足爬行机器人，其特征在于，包括躯体框架、供电电源、计算机控制***、六条仿生C形腿、与六条仿生C形腿对应配置的六个电机、六个驱动器以及六个位置传感器，所述的供电电源、电机、驱动器、计算机控制***安装固定于躯体框架中，所述仿生C形腿对称安装于机器人躯体框架两侧，所述电机与减速机相连，电机经减速机带动仿生C形腿的腿部旋转运动，所述计算机控制***与六个驱动器依次相连，每个驱动器与供电电源、电机和位置传感器相连。
2.根据权利要求1所述的仿生六足爬行机器人，其特征在于，所述躯体框架由三根横梁与两根纵梁组成，整体呈“日”字形。
3.根据权利要求1所述的仿生六足爬行机器人，其特征在于，中间的所述仿生C型腿与其他仿生C形腿错开安装，避免与其他仿生C形腿碰撞。
4.根据权利要求3所述的仿生六足爬行机器人，其特征在于，所述仿生C型腿外表面包裹有橡胶毛刺层，用于增大接触面积和摩擦力。
5.根据权利要求4所述的仿生六足爬行机器人，其特征在于，所述计算机控制***同时接有紧急停止开关和电流计。
6.根据权利要求4所述的仿生六足爬行机器人，其特征在于，所述电机与减速机相连，减速机输出轴通过键槽配合与仿生C形腿的伸出轴抱轴安装，再通过轴承块固定到躯体框架上。
7.根据权利要求6所述的仿生六足爬行机器人，其特征在于，所述仿生C形腿的伸出轴与副轴上各安装有一个齿轮，两个齿轮齿数相同，啮合传动伸出轴的旋转，副轴末端安装位置传感器。
8.根据权利要求7所述的仿生六足爬行机器人，其特征在于，所述仿生C形腿通过腿扣固定在抱轴末端。
9.根据权利要求8所述的仿生六足爬行机器人，其特征在于，所述电机与减速机通过减速机法兰连接，电机的输出轴作为减速机的输入轴，减速机上开有螺纹孔，与减速机法兰固定，减速机法兰和轴承块开有凹槽和螺纹孔，连接环嵌入其中，减速机法兰、轴承块和连接环三者通过螺丝连接锁紧，两个轴承压入轴承块中，内部通过卡簧卡紧，伸出轴与一轴承通过过盈配合和卡簧连接，保证无轴向滑动和周向相对滑动。
10.根据权利要求1所述的仿生六足爬行机器人，其特征在于，所述位置传感器为光电编码器。
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