CN107672683A - 一种仿生机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生机器人，基于仿生干黏附技术的腿式匍匐爬行机器人，包括本体、控制模块和腿式结构，腿式结构与本体相连，腿式结构为多个，包括大腿固定座、大腿旋转零件、大腿抬腿零件、小腿旋转零件、黏附脚掌、第一电机、第二电机和第三电机，大腿固定座固定于本体上，第一电机驱动大腿旋转零件转动，第二电机驱动大腿抬腿零件转动，第三电机驱动小腿旋转零件转动，脚掌与小腿旋转零件转动连接，控制模块分别控制第一电机、第二电机和第三电机的转动。本发明通过设置灵活的腿式结构和优异的黏附脚掌，使得仿生机器人不但可以适应空间微重力环境，而且具有优异的越障能力，从而实现对太空舱内狭小空间内线缆、直角面等复杂地形的过渡。

Description

一种仿生机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种仿生机器人。

背景技术

随着载人航天技术的飞速发展，为了降低宇航员工作负荷，减少载人航天的成本，对于在轨服务机器人的需求越来越强烈。特别是针对太空舱内狭小复杂空间(宇航员难以抵达的空间，如太空舱内电器设备间狭缝空间、内设设备与舱体的狭小空间等)的阻燃、清洁、线路故障等问题的检测与维修，目前没有可适用的在轨检测机器人。

当前国内外在轨检测与维修机器人主要集中于大型机械臂研究，如加拿大SRMS***、美国DARPA凤凰计划，但无法实现对太空舱内狭小复杂空间的检测与维修。而狭小空间运动研究主要集中在仿生昆虫爬行机器人以及小型轮式机器人重力环境下的运动，以上所述的机器人都无法适应太空舱所处的微重力环境，也不能应对空间内复杂的电缆线路、直角面过渡等问题。

基于干黏附技术的仿生机器人的种类较多，如美国斯坦福大学在2006年提出一种名为Stickybot的仿壁虎机器人，虽然能够实现竖直面爬行，但无法实现转弯与越障。加州大学伯克利分校研制的MechoGecko，通过主动轮上的三个黏附足实现对墙面的黏附，但无法在非平整表面黏附运动。国内南京航空航天大学研制了IBSS-6能在竖直光滑表面(玻璃、塑料)爬行，并实现转弯。可见，虽然基于干黏附技术的仿生机器人已有成熟研究，但是针对于太空微重力狭小复杂空间的在轨检测机器人缺乏研究。

针对上述现有技术的不足，本发明提出一种新型适用于太空舱内狭小复杂空间检测的仿生机器人，其是基于仿生干黏附技术的腿式匍匐爬行机器人。其具有的仿生干黏附脚掌可以适应太空舱内的微重力环境，为机器人的检测作业运动提供可靠的黏附力；其灵活的腿式机构，使得仿生机器人具有优异的越障能力，可实现对线缆、直角面等复杂地形的过渡；其仿壁虎式的匍匐爬行结构，使得仿生机器人具有在狭小空间运动的能力。本发明的实现为太空舱内狭小复杂空间的检测提供一种机器人，以提高太空舱内的安全性，降低宇航员工作负荷，减少载人航天的运行成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿生机器人，通过设置灵活的腿式结构，使得仿生机器人具有优异的越障能力和狭小空间的穿越能力，从而实现对线缆、直角面等复杂地形的过渡。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种仿生机器人，包括本体、控制模块和腿式结构，所述腿式结构与所述本体相连，所述腿式结构为多个，包括大腿固定座、大腿旋转零件、大腿抬腿零件、小腿旋转零件、脚掌、第一电机、第二电机和第三电机，所述大腿固定座固定于所述本体上，所述第一电机驱动所述大腿旋转零件转动，所述第二电机驱动所述大腿抬腿零件转动，所述第三电机驱动所述小腿旋转零件转动，所述仿生脚掌与所述小腿旋转零件转动连接，所述控制模块分别控制所述第一电机、所述第二电机和所述第三电机的转动。

优选地，还包括摄像单元，所述本体上设置有用于与所述摄像单元相连的摄像接口，所述控制模块与所述摄像接口相连。

优选地，所述脚掌包括脚掌主体和脚掌延伸部，所述脚掌延伸部为多个且呈脚趾状分布于所述脚掌主体一侧。

优选地，所述脚掌主体与所述小腿旋转零件通过杆件相连，所述杆件下端与所述脚掌主体通过球关节相连，所述脚掌主体与所述小腿旋转零件间设置有弹簧，所述弹簧套设于所述杆件上。

优选地，所述脚掌主体和所述脚掌延伸部的下表面均设置有仿壁虎刚毛黏附材料。

优选地，所述脚掌延伸部的下表面与所述脚掌主体的下表面共面，所述脚掌延伸部的厚度由接近所述脚掌主体的一端到远离所述脚掌主体的一端逐渐变薄。

优选地，所述腿式结构上设置有分别控制所述第一电机、所述第二电机和所述第三电机工作转动范围的第一磁性开关、第二磁性开关和第三磁性开关，所述大腿固定座、所述大腿旋转零件、所述大腿抬腿零件、所述小腿旋转零件和所述脚掌为非磁性材料。

优选地，所述大腿固定座、所述大腿旋转零件、所述大腿抬腿零件和所述小腿旋转零件为铝合金材料，所述脚掌为柔性材料。

优选地，所述本体上设置有电池，所述电池分别为所述控制模块、所述第一电机、所述第二电机和所述第三电机供电。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的仿生机器人，其具有的干黏附脚掌可以适应太空舱内的微重力环境，为机器人的检测作业运动提供可靠的黏附力；其灵活的腿式机构，使得仿生机器人具有优异的越障能力，可实现对线缆、直角面等复杂地形的过渡；其仿壁虎式的匍匐爬行结构，使得仿生机器人具有在狭小空间运动的能力。本发明的实现为太空舱内狭小复杂空间的检测提供一种仿生机器人，以提高太空舱内的安全性，降低宇航员工作负荷，减少载人航天的运行成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为本发明仿生机器人结构示意图；

图2为本体结构主视图；

图3为本体结构俯视图；

图4为本体结构左视图；

图5为大腿固定座主视图；

图6为大腿固定座俯视图；

图7为大腿固定座左视图；

图8为大腿旋转零件主视图；

图9为大腿旋转零件俯视图；

图10为大腿旋转零件左视图；

图11为大腿抬腿零件主视图；

图12为大腿抬腿零件俯视图；

图13为大腿抬腿零件左视图；

图14为小腿旋转零件主视图；

图15为小腿旋转零件俯视图；

图16为小腿旋转零件左视图；

图17为脚掌结构主视图；

图18为脚掌结构俯视图；

图19为脚掌结构左视图；

附图标记说明：1、脚掌；2、小腿旋转零件；3、大腿抬腿零件；4、大腿旋转零件；5、大腿固定座；6、控制模块；7、本体；8、摄像接口；9、固定座安装孔；10、控制模块安装孔；11、摄像接口槽；12、安装槽；13、第一电机安装孔；14、大腿固定座安装孔；15、第一轴线；16、第一盒体安装槽；17、第一电机连接孔；181、第一磁钢安装孔；182、第二磁钢安装孔；19、第二固定孔；20、第一固定孔；21、第二电机连接孔；22、第三电机安装孔；23、第二电机安装孔；24、第二电机位置孔；251、第二盒体安装槽；252、第三盒体安装槽；26、散热片；27、脚掌安装孔；28、第三电机连接孔；29、第三磁钢安装孔；30、加强筋；31、第三固定孔；32、杆件；33、弹簧螺纹孔；34、脚掌延伸部；35、球关节。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种具有优异的越障能力，能在太空舱内微重力狭小复杂环境进行匍匐运动仿生机器人。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种仿生机器人，包括本体7、控制模块6和四个腿式结构。腿式结构与本体7相连，分布于本体7的四周，包括大腿固定座5、大腿旋转零件4、大腿抬腿零件3、小腿旋转零件2、脚掌1、第一电机、第二电机和第三电机。

本体7的结构如图2-4所示。本体7上表面设置有安装槽12，控制模块6设置于安装槽12内。本体底部设置有电池，电池分别为控制模块6、第一电机、第二电机和第三电机供电。本体7的一侧设置有用于与摄像单元相连的摄像接口8，控制模块6与摄像接口8相连。

大腿固定座5固定于本体7上的固定座安装孔9处，大腿旋转零件4与大腿固定座5绕第一轴线15转动连接，第一电机驱动大腿旋转零件4转动。大腿抬腿零件3与大腿旋转零件4绕第二轴线转动连接，第二电机驱动大腿抬腿零件3转动。小腿旋转零件2与大腿抬腿零件3绕第三轴线转动连接，第三电机驱动小腿旋转零件2转动。脚掌1与小腿旋转零件2转动连接，第一轴线15平行于第三轴线，第一轴线15垂直于第二轴线，第一轴线15垂直于本体7的底面。控制模块6分别控制第一电机、第二电机和第三电机的转动。

大腿固定座5的结构如图5-7所示。第一电机安装于图5下方弧形边沿处。第一电机输出的动力经减速机构减速后以第一轴线15为中心输出至大腿旋转零件4，驱动大腿旋转零件4转动。第一电机及其减速机构通过紧固件固定在大腿固定座5上的第一电机安装孔13处。

大腿旋转零件的结构如图8-10所示。第一电机的动力输出端伸入第一电机连接孔17内。第一电机连接孔17为类T形槽结构，第一电机的动力输出端的横截面为异形结构，从而与第一电机连接孔17接触限位，使大腿旋转零件4能够对第一电机的动作进行响应。为了使第一电机的动力输出端与第一电机连接孔17的接触更紧密，从而使传动更稳定，大腿旋转零件4上还设置有第一固定孔20。第一固定孔20的轴向垂直于第一电机连接孔17的延伸方向。

第一磁性开关用于对第一电机的动作进行控制，包括第一盒体和第一磁钢。当第一磁钢与第一盒体的距离达到某一设定值时，第一磁性开关会有中断信号输入控制模块6，使第一电机停转。大腿旋转零件4上设置有第一磁钢安装孔181，大腿固定座5上设置有第一盒体安装槽16。

大腿抬腿零件3的结构如图11-13所示。大腿抬腿零件3上在第二电机位置孔24处安装有第二电机，通过在第二电机安装孔22处设置紧固件将第二电机及其减速机构固定于大腿抬腿零件3上。大腿旋转零件4上设置有第二电机连接孔21，第二电机输出的动力经减速机构减速后以第二轴线为中心输出至大腿旋转零件4，驱动大腿抬腿零件3相对大腿旋转零件4转动。

第二电机连接孔21为类T形槽结构，第二电机的动力输出端的横截面为异形结构，从而与第二电机连接孔21接触限位，使大腿旋转零件4能够对第二电机的动作进行响应。为了使第二电机的动力输出端与第二电机连接孔21的接触更紧密，从而使传动更稳定，大腿旋转零件4上还设置有第二固定孔19。第二固定孔19的轴向垂直于第二电机连接孔21的延伸方向。

第二磁性开关用于对第二电机的动作进行控制，包括第二盒体和第二磁钢。当第二磁钢与第二盒体的距离达到某一设定值时，第二磁性开关会有中断信号输入控制模块6，使第二电机停转。大腿旋转零件4上设置有第二磁钢安装孔182，大腿抬腿零件3上设置有第二盒体安装槽251。

小腿旋转零件2的结构如图14-16所示。大腿抬腿零件3上开设有第三电机安装孔22，通过在第三电机安装孔22处设置紧固件将第三电机及其减速机构固定于大腿抬腿零件3上。小腿旋转零件2上设置有第三电机连接孔28，第三电机输出的动力经减速机构减速后以第三轴线为中心输出至小腿旋转零件2，驱动小腿旋转零件2相对大腿抬腿零件3转动。

第三电机的动力输出端伸入第三电机连接孔28内。第三电机连接孔28为类T形槽结构，第三电机的动力输出端的横截面为异形结构，从而与第三电机连接孔28接触限位，使大腿旋转零件4能够对第三电机的动作进行响应。为了使第三电机的动力输出端与第三电机连接孔28的接触更紧密，从而使传动更稳定，小腿旋转零件2上还设置有第三固定孔31。第三固定孔31的轴向垂直于第三电机连接孔28的延伸方向。

第三磁性开关用于对第一电机的动作进行控制，包括第三盒体和第三磁钢。当第三磁钢与第三盒体的距离达到某一设定值时，第三磁性开关会有中断信号输入控制模块6，使第三电机停转。小腿旋转零件2上设置有第三磁钢安装孔29，大腿抬腿零件3上设置有第三盒体安装槽252。

第一盒体安装槽16、第二盒体安装槽251和第三盒体安装槽252的直径为4mm，其前端均有固定螺钉用来定位。

由于第二电机和第三电机均设置于大腿抬腿零件3上，为了便于散热，大腿抬腿零件3上相应设置了散热片26。

脚掌1的结构如图17-19所示。脚掌1包括脚掌主体和脚掌延伸部34，脚掌延伸部34为多个且呈脚趾状分布于脚掌主体一侧。小腿旋转零件2上设置有脚掌安装孔27，脚掌安装孔27为圆柱孔。脚掌主体与小腿旋转零件2通过杆件32相连，杆件32上端伸入脚掌安装孔27内，杆件32下端与脚掌主体通过球关节35相连。脚掌主体与小腿旋转零件2间设置有弹簧，弹簧套设于杆件32上。脚掌主体和脚掌延伸部34的下表面均设置有仿壁虎刚毛黏附材料。脚掌延伸部34的下表面与脚掌主体的下表面共面，脚掌延伸部34的厚度由接近脚掌主体的一端到远离脚掌主体的一端逐渐变薄。

脚掌1既可以在弹簧的作用下上下移动，也可以绕球关节35摆动，同时也可以绕杆件32的轴线旋转，弹簧能够使脚掌1及时复位。通过提高脚掌1运动的灵活性，提高了仿生机器人的越障能力。

脚掌1上设置的仿壁虎刚毛黏附材料几乎对所有表面都具有黏附性能，从而保证仿生机器人在微重力环境下稳定黏附和攀爬。

大腿固定座5、大腿旋转零件4、大腿抬腿零件3和小腿旋转零件2为铝合金材料，脚掌1为柔性材料，一方面在降低重量的同时提高腿式结构机械强度，另一方面避免了对磁性开关产生影响。

在四个腿式结构中，脚掌1的自由度为不可控自由度，可控自由度有三个，分别由第一电机、第二电机和第三电机驱动，由第一磁性开关、第二磁性开关、第三磁性开关和控制模块进行控制。控制模块6包括单片机和控制电路，通过单片机发送的脉冲信号来对步进电机的转速和转动角度进行控制，利用磁性开关产生的磁场感应信号作为第一电机、第二电机和第三电机运动的限位信号，从而控制机器人的步态轨迹。

本实施方式提供的仿生机器人为模仿四足匍匐动物行进方式的匍匐式机器人。相比于传统四足立式动物，四足匍匐动物(例如壁虎)能够在狭小空间进行快速地运动，原因在于其腿部骨骼的独特构造。传统四足立式动物的腿部结构各关节旋转轴线与地面平行，而匍匐动物的腿部关节旋转轴线与地面垂直，使得仿生机器人的身体扁平、质心低，能够在狭小空间进行快速的穿行。本发明采用匍匐动物腿部关节结构作为机器人腿部结构的设计原型，使得机器人两个转动关节与地面垂直，能在狭小空间内进行稳定的黏附爬行以及快速的运动模式切换。

本实施方式中第一轴线15平行于第三轴线，第一轴线15垂直于第二轴线，第一轴线15垂直于本体7的底面。在行走的过程中，本体7是与地面或墙面平行的，因而本实施方式所公开的仿生机器人的腿式结构是在机器人本体的四周横向延伸设置的，腿式结构与本***于同一高度层，其整体高度低，占用空间小，重心较低，能够在狭小空间内穿行。又因为第一轴线和第三轴线垂直于地面，即其行进时腿式结构的动作方式主要为绕本体摆动，因而无论在经过横向、纵向还是斜向狭缝时，机器人的整体高度均不会发生明显变化，能够轻松的穿过狭缝，这是现有技术中的机器人无法达到的。通过两个电机实现腿式结构沿前后方向的两级旋转摆动，不但可以增大机器人足端的运动空间，而且加快了腿的摆动速度，提高了行进效率。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种仿生机器人，其特征在于，包括本体、控制模块和腿式结构，所述腿式结构与所述本体相连，所述腿式结构为多个，包括大腿固定座、大腿旋转零件、大腿抬腿零件、小腿旋转零件、脚掌、第一电机、第二电机和第三电机，所述大腿固定座固定于所述本体上，所述第一电机驱动所述大腿旋转零件转动，所述第二电机驱动所述大腿抬腿零件转动，所述第三电机驱动所述小腿旋转零件转动，所述脚掌与所述小腿旋转零件转动连接，所述控制模块分别控制所述第一电机、所述第二电机和所述第三电机的转动。

2.根据权利要求1所述的仿生机器人，其特征在于，还包括摄像单元，所述本体上设置有用于与所述摄像单元相连的摄像接口，所述控制模块与所述摄像接口相连。

3.根据权利要求2所述的仿生机器人，其特征在于，所述脚掌包括脚掌主体和脚掌延伸部，所述脚掌延伸部为多个且呈脚趾状分布于所述脚掌主体一侧。

4.根据权利要求3所述的仿生机器人，其特征在于，所述脚掌主体与所述小腿旋转零件通过杆件相连，所述杆件下端与所述脚掌主体通过球关节相连，所述脚掌主体与所述小腿旋转零件间设置有弹簧，所述弹簧套设于所述杆件上。

5.根据权利要求4所述的仿生机器人，其特征在于，所述脚掌主体和所述脚掌延伸部的下表面均设置有仿壁虎刚毛黏附材料。

6.根据权利要求5所述的仿生机器人，其特征在于，所述仿生脚掌延伸部的下表面与所述仿生脚掌主体的下表面共面，所述脚掌延伸部的厚度由接近所述脚掌主体的一端到远离所述脚掌主体的一端逐渐变薄。

7.根据权利要求1所述的仿生机器人，其特征在于，所述腿式结构上设置有分别控制所述第一电机、所述第二电机和所述第三电机工作转动范围的第一磁性开关、第二磁性开关和第三磁性开关，所述大腿固定座、所述大腿旋转零件、所述大腿抬腿零件、所述小腿旋转零件和所述脚掌为非磁性材料。

8.根据权利要求7所述的仿生机器人，其特征在于，所述大腿固定座、所述大腿旋转零件、所述大腿抬腿零件和所述小腿旋转零件为铝合金材料，所述脚掌为柔性材料。

9.根据权利要求1所述的仿生机器人，其特征在于，所述本体上设置有电池，所述电池分别为所述控制模块、所述第一电机、所述第二电机和所述第三电机供电。