CN110077486B

CN110077486B - 一种仿生八足特种机器人

Info

Publication number: CN110077486B
Application number: CN201910401095.0A
Authority: CN
Inventors: 杨子豪; 苑明海; 杨泽南; 颜廷鹏; 马正阔; 任东方; 孟创熙
Original assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Current assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2021-06-25
Anticipated expiration: 2039-05-15
Also published as: CN110077486A

Abstract

本发明公开了机器人技术领域的一种仿生八足特种机器人，旨在解决现有技术中轮式和履带式机器人在复杂地面环境中运动能力不足的技术问题，一种仿生八足特种机器人，包括躯干，躯干左、右两侧各有四条机械足，所述机械足包括第一行走机构和第二行走机构，第一行走机构通过机架与躯干固连，第二行走机构和第一行走机构分别与电机2的转子和定子连接，第一行走机构和第二行走机构互相配合实现躯干平稳运动。本发明所述仿生八足特种机器人可以通过机构调整，模仿多种八足类生物，如蜘蛛、螃蟹等，整体的运动速度可调，结构紧凑、性能可靠、变化灵活具有越障功能。

Description

一种仿生八足特种机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种仿生八足特种机器人。

背景技术

轮式和履带式机器人由于移动速度快、运动效率巧、控制方便、性能可靠等优点，一直是地面移动机器人的首选类型。但是，在对复杂地形环境适应性、运动灵活性、运动效率等方面，轮式和履带式机器人都存在明显局限性。人们迫切需求一种能够在复杂环境中作业的机器人，相对于轮式和履带式机器人，多足步行机器人特别是八足机器人有着超强的环境适应能力，同时对地面破坏小、灵活度高，而且其冗余结构也保证了在一条腿失去运动能力的情况下同样保证稳定的行走。优化八足仿生机器人设计，正成为国内外八足仿生机器人的研究热点与难点。目前，国内外对于八足仿生特种机器人的研究还不够深入，机构设计不够优化，只能模仿单一八足类生物的运动且运动速度不可调节，具有很大局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿生八足特种机器人，以解决现有技术中轮式和履带式机器人在复杂地面环境中运动能力不足的技术问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种仿生八足特种机器人，包括躯干，躯干左、右两侧各有四条机械足，所述机械足包括第一行走机构和第二行走机构，第一行走机构通过机架与躯干固连，第二行走机构和第一行走机构分别与电机2的转子和定子连接，第一行走机构和第二行走机构互相配合实现躯干平稳运动。

左侧四条所述机械足等距排列，在机构设计与运动副连接上完全相同；右侧四条所述机械足等距排列，在机构设计与运动副连接上完全相同；左、右两侧的机械足在机构设计与运动副连接上完全镜像对称。

所述第一行走机构包括摆杆，摆杆一端与电机1的转子固连，另一端与电机2的定子固连，电机2的转子与第二行走机构固连；电机1的定子与机架固连。

电机1与电机2为带自锁的步进电机。

所述第二行走机构包括T形架，T形架通过第一通孔与电机2的转子固连；T形架的一条横臂与电机3的定子固连，曲柄一端与电机3的转子固连，另一端与连杆铰接，连杆的另一端与摇杆上的第二通孔铰接；T形架的另一条横臂与螺母的凸台上的第三通孔铰接，螺母在丝杠的驱动下沿丝杠轴线上下移动；丝杠一端伸入丝杠支撑座的支撑孔内，另一端通过联轴器与电机4的转子连接，电机4的定子通过第一电机固定架和第二电机固定架与摇杆固连，丝杠支撑座与摇杆固连。

所述摇杆的一端与弹簧固连，弹簧的另一端与足底的平面端固连，足底的另一端为球面。

所述电机3位伺服电机，所述电机4为带自锁的步进电机。

所述第二通孔的轴线与第三通孔的轴线的公垂线与丝杠的轴线平行。

摆杆与曲柄摇杆机构发生相对转动时的自由度J2、曲柄滑块机构中曲柄自由度J3、滚珠丝杠机构中丝杠与螺母构成的自由度J4均位于XOY平面内，摆杆与机架构成的自由度J1位于XOZ平面内。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

（1）本发明所述仿生八足特种机器人可以通过机构调整，模仿多种八足类生物，如蜘蛛、螃蟹等，整体的运动速度可调，结构紧凑、性能可靠、变化灵活具有越障功能；

（2）本发明所述仿生八足特种机器人各机械足上的电机1、电机2、电机3、电机4各自独立互相配合，控制灵活；

（3）本发明所述仿生八足特种机器人各机械足相互独立，可通过调节各个足之间运动关系，实现多种步态。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种仿生八足特种机器人的整体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种仿生八足特种机器人的机械足的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种仿生八足特种机器人的机械足的结构分解示意图；

图4是本发明实施例提供的一种仿生八足特种机器人的机械足的机械原理图；

图5是本发明实施例提供的一种仿生八足特种机器人模仿蜘蛛运动时的示意图；

图6是本发明实施例提供的一种仿生八足特种机器人模仿螃蟹运动时的示意图；

图中：1.左一足L1；2.左二足L2；3.左三足L3；4.左四足L4；5.右一足R1；6.右二足R2；7.右三足R3；8.右四足R4；9.躯干；101.足底；102.弹簧；103.摇杆；104.丝杠支撑座；105.螺母；106.丝杠；107.第一电机固定架；108.第二电机固定架；109.电机4；110.联轴器；111.T形架；112.电机3；113.摆杆；114.电机1；115.机架；116.曲柄；117.连杆；118.电机2；119.第三通孔；120.第二通孔；121.第一通孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1所示，一种仿生八足特种机器人，包括：躯干、机械足，机械足分为左一足L1、左二足L2、左三足L3、左四足L4、右一足R1、右二足R2、右三足R3、右四足R4。左侧各机械足在机构设计与运动副连接上完全相同，等距排列，右侧各机械足在机构设计与运动副连接上也完全相同，等距排列，左、右两侧的机械足在机构设计与运动副连接上完全镜像对称。机械足通过机架固定在躯干上。

如图2、图3所示，摆杆一端与电机1的转子固连，另一端与电机2的定子固连，电机2的转子与T形架固连；电机1的定子与机架固连，摆杆、电机1、机架构成第一行走机构，第一行走机构实现前、后方向的移动。电机1与电机2均为带自锁的步进电机。

第二行走机构包括T形架、电机2、电机3、曲柄、连杆、摇杆、丝杠支撑座、螺母、丝杠、第一电机固定架、第二电机固定架、电机4、联轴器、弹簧、足底。第二机构实现机械足的抬起与收回动作。足底两端面一端为球面另一端为平面，摇杆上钻有第二通孔，螺母一侧焊接有一个钻有第三通孔的凸台，T形架上钻有第一通孔，电机3为伺服电机，电机4为带自锁的步进电机。足底平面端与弹簧一端固连，弹簧另一端与摇杆固连，丝杠支撑座与第一、第二电机固定架均固定在摇杆上，螺母与丝杠及其内部的滚珠构成滚珠丝杠副，丝杠一端伸入丝杠支撑座的支撑孔内，联轴器将丝杠另一端与电机4的转子连接，电机4的定子通过电机固定架与摇杆固连。摇杆与连杆、连杆与曲柄、T形架与螺母均连接成转动副。曲柄一端与电机3的转子固连，电机3的定子固连在T形架上，构成摇杆长度可调节的曲柄摇杆机构。本实施例中曲柄摇杆机构中摇杆的长度不等于摇杆的绝对长度，是指接入曲柄摇杆机构的有效长度。

T形架上的第一通孔与电机2的转子固连，电机2的定子与摆杆一端固连。摆杆另一端与电机1的转子固连，电机1的定子固连在机架上。机架与躯干固连。摇杆上第二通孔轴线与螺母一侧焊接凸台上第三通孔轴线的公垂线与丝杠轴线平行，以此保证滚珠丝杠机构中螺母相对丝杠移动的距离等于摇杆变化的长度。

T形架上的第一通孔位于整个空间足部机构的质心附近，以此避免电机2接通，摆杆与曲柄摇杆机构发生相对转动时，克服较大的偏心力矩。

如图4所示，摆杆与曲柄摇杆机构发生相对转动时的自由度J2、曲柄滑块机构中曲柄自由度J3、滚珠丝杠机构中丝杠与螺母构成的自由度J4均位于XOY平面内，摆杆与机架构成的自由度J1位于XOZ平面内。

本发明实施例中，每个足部机构包含4个自由度，可以通过XOZ面内的自由度J1，变换模仿生物的类型；可以通过XOY面内自由度J2，调节摆杆与T形架之间的角度，实现越障功能；可以通过XOY面内自由度J4，改变滚珠丝杠机构中丝杠与螺母的相对位置，调节曲柄摇杆机构中摇杆的长度，进而改变足部与地面接触点的轨迹，从而调节八足机器人整体的运动速度。

使用时，首先通过机构调整，摆杆与机架构成自由度J1，接通步进电机1，通过自由度J1，选择需要模仿的八足类生物的类型，如蜘蛛、螃蟹等，其运动时的状态如图5、图6所示。步进电机1自锁。其次，滚珠丝杠机构中丝杠与螺母构成自由度J4，接通步进电机4，通过自由度J4，调节曲柄摇杆机构中摇杆的长度，进而改变运动时足部与地面接触点的轨迹，从而调节八足机器人整体的运动速度，选择好合适的运动速度之后，步进电机4自锁。然后，接通伺服电机3，曲柄摇杆机构运动，八足机器人整体向前运动速度。当遇到障碍时，摆杆与曲柄摇杆机构之间有相对转动的自由度J2，接通步进电机2，调节摆杆与T形架之间的角度，实现越障功能。越过障碍后，步进电机2反转相同角度，机构恢复原状态，步进电机2自锁，八足机器人整体继续向前运动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种仿生八足特种机器人，其特征是，包括躯干（9），躯干（9）左、右两侧各有四条机械足，所述机械足包括第一行走机构和第二行走机构，第一行走机构通过机架（115）与躯干（9）固连，第二行走机构和第一行走机构分别与电机2（118）的转子和定子连接，第一行走机构和第二行走机构互相配合实现躯干（9）平稳运动；

所述第一行走机构包括摆杆（113），摆杆（113）一端与电机1（114）的转子固连，另一端与电机2（118）的定子固连，电机2（118）的转子与第二行走机构固连；电机1（114）的定子与机架（115）固连；

所述第二行走机构包括T形架（111），T形架（111）通过第一通孔（121）与电机2（118）的转子固连；

T形架（111）的一条横臂与电机3（112）的定子固连，曲柄（116）一端与电机3（112）的转子固连，另一端与连杆（117）铰接，连杆（117）的另一端与摇杆（103）上的第二通孔（120）铰接；

T形架（111）的另一条横臂与螺母（105）的凸台上的第三通孔（119）铰接，螺母（105）在丝杠（106）的驱动下沿丝杠（106）轴线上下移动；

丝杠（106）一端伸入丝杠支撑座（104）的支撑孔内，另一端通过联轴器（110）与电机4（109）的转子连接，电机4（109）的定子通过第一电机固定架（107）和第二电机固定架（108）与摇杆（103）固连，丝杠支撑座（104）与摇杆（103）固连。

2.根据权利要求1所述的仿生八足特种机器人，其特征是，左侧四条所述机械足等距排列，在机构设计与运动副连接上完全相同；右侧四条所述机械足等距排列，在机构设计与运动副连接上完全相同；左、右两侧的机械足在机构设计与运动副连接上完全镜像对称。

3.根据权利要求1所述的仿生八足特种机器人，其特征是，电机1（114）与电机2（118）为带自锁的步进电机。

4.根据权利要求1所述的仿生八足特种机器人，其特征是，所述摇杆（103）的一端与弹簧（102）固连，弹簧（102）的另一端与足底（101）的平面端固连，足底（101）的另一端为球面。

5.根据权利要求1所述的仿生八足特种机器人，其特征是，所述电机3（112）为伺服电机，所述电机4（119）为带自锁的步进电机。

6.根据权利要求1所述的仿生八足特种机器人，其特征是，所述第二通孔（120）的轴线与第三通孔（119）的轴线的公垂线与丝杠（106）的轴线平行。

7.根据权利要求1所述的仿生八足特种机器人，其特征是，摆杆(113)与曲柄摇杆机构发生相对转动时的自由度J2、曲柄滑块机构中曲柄自由度J3、滚珠丝杠机构中丝杠（106）与螺母（105）构成的自由度J4均位于XOY平面内，摆杆(113)与机架（115）构成的自由度J1位于XOZ平面内。