CN110244737B - 一种带有多方向自主避障功能的小型足式气动爬行机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种带有多方向自主避障功能的小型足式气动爬行机器人，包括机器主体、气动***和传感控制***，所述机器主体包括上层亚克力板、下层钢板、两条滑轨、四条支撑腿和支撑板，所述气动***包括第一单轴气动缸、第二单轴气动缸、双轴气动缸和三个电磁换向阀，固定于所述机器主体上并用于控制所述气动***运动的所述传感控制***包括单片机、红外模块和超声波传感模块，所述红外模块、超声波传感模块均与所述单片机信号链接。该机器人控制简单、动作流畅自然，通过在机器人机身上设置多个红外传感器和超声波传感器探测周围的障碍物，此时通过单片机输出相应的控制信号，控制机器人做出的移动，实现自动避障。

Description

一种带有多方向自主避障功能的小型足式气动爬行机器人
技术领域
本发明涉及爬行机器人技术领域，特别是涉及一种带有多方向自主避障功能的小型足式气动爬行机器人。
背景技术
新世纪以来，机器人技术得到突飞猛进的发展，被广泛应用于生产生活的各个领域。其中随着气动技术的发展，气动机器人以其工作稳定、体积小与动作灵活等优势得到了越来越多的开发与应用。但是很少有针对学生等初入门者的学习设备，目前可供学习的设备资金投入较大，学习效果不好，参与性也不强。并且机器人所面临的工作环境也越来越复杂，因此在移动过程中，机器人常常由于不能及时避障而发生碰撞或摔损等现象。
发明内容
本发明的目的是提供一种带有多方向自主避障功能的小型足式气动爬行机器人，以解决上述现有技术存在的问题，控制简单、动作流畅，能够实现多方向自动避障。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种带有多方向自主避障功能的小型足式气动爬行机器人，包括机器主体、气动***和传感控制***，所述机器主体包括上层亚克力板、下层钢板、两条滑轨、四条支撑腿和支撑板，两条所述滑轨分别安装在所述钢板的左右两侧，四条所述支撑腿两两固定安装在与两侧所述滑轨配合的滑槽上，所述支撑板位于所述钢板下方并平行于地面；所述气动***包括第一单轴气动缸、第二单轴气动缸、双轴气动缸和三个电磁换向阀，所述第一单轴气动缸和第二单轴气动缸分别用于驱动两侧所述支撑腿前后移动，所述双轴气动缸安装在所述钢板底部，所述双轴气动缸的伸缩轴与支撑板固定连接，三个所述电磁换向阀设置在所述钢板上并分别用于控制三个气动缸；固定于所述机器主体上并用于控制所述气动***运动的所述传感控制***包括单片机、红外模块和超声波传感模块，所述红外模块、超声波传感模块均与所述单片机信号链接。
进一步地，四条所述支撑腿分别为位于所述机器主体右侧的两条第一支撑腿和位于所述机器主体左侧的两条第二支撑腿，所述第一单轴气动缸用于驱动所述第二支撑腿运动，所述第二单轴气动缸用于驱动所述第一支撑腿运动。
进一步地，与控制***联接的三个所述电磁换向阀分别为第一电磁换向阀、第二电磁换向阀和第三电磁换向阀，所述第一电磁换向阀用于控制所述第二单轴气动缸，所述第二电磁换向阀用于控制所述双轴气动缸，所述第三电磁换向阀用于控制所述第一单轴气动缸。
进一步地，所述单片机连接有电控元件，放置于所述亚克力板上的所述电控元件包括继电器和电压转换模块。
进一步地，所述红外模块包括第一红外传感器和第二红外传感器，两个红外传感器分别位于所述机器主体前端的左右两侧。
进一步地，所述超声波传感模块包括第一超声波传感器、第二超声波传感器和第三超声波传感器，所述第一超声波传感器和第三超声波传感器分别固定安装于所述机器主体顶部的左右端，所述第二超声波传感器固定安装于所述机器主体顶部的前端。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的带有多方向自主避障功能的小型足式气动机器人控制简单、动作流畅自然，特殊的腿部结构设计，能够保证足式机器人转向过程中机体始终和地面平行，机器人行走更加平稳。机器人机身上安装多个红外传感器和超声波传感器探测周围的障碍物，可实现多方向自动避障。
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为带有多方向自主避障功能的小型足式气动爬行机器人的三维图；
图2为本发明的气动原理图；
其中，1.1，第一单轴气动缸；1.2，第二单轴气动缸；2，单片机；3.1，第一电磁换向阀；3.2，第二电磁换向阀；3.3，第三电磁换向阀；4.1，第一红外传感器；4.2，第二红外传感器；5.1，第一支撑腿；5.2，第二支撑腿；6.1，第一导轨；6.2，第二导轨；7，双轴气动缸；8，支撑板；9.1，第一超声波传感器；9.2，第二超声波传感器；9.3，第三超声波传感器。
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带有多方向自主避障功能的小型足式气动爬行机器人，既能充分体现机电液一体化，结构又简单的小型化气动机器人可以很好的起到指导学习的作用，为以后研发更加复杂化、人性化、智能化的仿生机器人奠定基础。
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。
请参考图1-2，其中，图1为带有多方向自主避障功能的小型足式气动爬行机器人的三维图；图2为本发明的气动原理图。
如图1-2所示，本发明提供一种带有多方向自主避障功能的小型足式气动爬行机器人，包括机器主体、气动***和传感控制***，机器主体包括上层亚克力板、下层钢板、两条滑轨(图1中的第一导轨6.1和第二导轨6.2)、四条支撑腿和支撑板8，两条滑轨分别安装在钢板的左右两侧，四条支撑腿两两固定安装在与两侧滑轨配合的滑槽上，支撑板8位于钢板下方并平行于地面；上层亚克力板用于存放电控元件(单片机2、继电器和电压转换模块)，下层钢板用于存放三个电磁换向阀和六个节流阀，四条支撑腿通过导轨连接在下层钢板的左右两侧由两个单轴气缸提供动力，支撑板8通过螺栓螺母固定在机器人中心由双轴气动缸7提供动力。机器人中心支撑板8的脚板和其它四条支撑腿的脚板始终保持平行，即机器人在行走过程中机身始终能与地面保持平行，通过4条腿的规律动作，可实现机器人的前进、后退、左转、右转动作。
气动***包括第一单轴气动缸1.1、第二单轴气动缸1.2、双轴气动缸7和三个电磁换向阀，第一单轴气动缸1.1和第二单轴气动缸1.2分别用于驱动两侧支撑腿前后移动，三个电磁换向阀设置在钢板上并分别用于控制三个气动缸；双轴气动缸7固定设置在机身底部，且伸缩轴与支撑板8固定连接，左右侧支撑腿分别设置有两个支撑足，且支撑腿均为一体连接(即单侧的两个支撑足为一体式)，左右支撑腿分别通过滑槽与滑轨滑动连接，滑轨分别设置在机身左右两侧的底端。单轴气动缸分别设置在机身两侧，且伸缩轴分别与支撑腿固定连接。三个转向电磁阀均设置在机身顶部，并分别控制三个气动缸。
固定于机器主体上并用于控制气动***运动的传感控制***包括单片机2、红外模块和超声波传感模块，红外模块、超声波传感模块均与单片机2信号链接。机器人机身上左右两侧和前方设置超声波传感器(HC-SR04)，用于探测周围环境，机器人机身左前方和右前方装有红外模块，作为避障的辅助模块，用于斜面检测，利用机器人机身携带的超声波传感器和红外传感器检测周围环境，通过单片机2(STM32F103VET6)输出相应的控制信号，控制机器人做出相应的移动，从而实现行进中的机器人能够自动探测和规避障碍物。
进一步地，四条支撑腿分别为位于机器主体右侧的两条第一支撑腿5.1和位于机器主体左侧的两条第二支撑腿5.2，第一单轴气动缸1.1用于驱动第二支撑腿5.2运动，第二单轴气动缸1.2用于驱动第一支撑腿5.1运动。与控制***联接的三个电磁换向阀分别为第一电磁换向阀3.1、第二电磁换向阀3.2和第三电磁换向阀3.3，第一电磁换向阀3.1用于控制第二单轴气动缸1.2，第二电磁换向阀3.2用于控制双轴气动缸7，第三电磁换向阀3.3用于控制第一单轴气动缸1.1。单片机2连接有电控元件，放置于亚克力板上的电控元件包括继电器和电压转换模块。红外模块包括第一红外传感器4.1和第二红外传感器4.2，两个红外传感器分别位于机器主体前端的左右两侧。超声波传感模块包括第一超声波传感器9.1、第二超声波传感器9.2和第三超声波传感器9.3，第一超声波传感器9.1和第三超声波传感器9.3分别固定安装于机器主体顶部的左右端，第二超声波传感器9.2固定安装于机器主体顶部的前端。
机器人行走过程说明：
前进过程：1.双轴气动缸7伸出，推动支撑板8使机器人四条支撑腿脱离地面；2.机器人左右侧单轴气动缸同时动作，使左右侧支撑腿在导轨上伸出相同长度；3.双轴气动缸7缩回，推动支撑板8使机器人用四条支撑腿支撑地面；4.机器人左右两侧气动缸单轴气动缸同时动作，使支撑腿缩回相同长度的同时带动机器人本体向前移动。以此完成机器人的一个前进周期步态，多个周期的前进步态可实现机器人的连续前进功能。后退过程：1.机器人左右两侧单轴气动缸同时动作，使支撑腿伸出相同长度的同时带动机器人本体向后移动；2.双轴气动缸7伸出，推动支撑板8使机器人四条支撑腿脱离地面；3.机器人左右两侧单轴气动缸同时动作，使支撑腿在导轨上缩回相同长度；4.双轴气动缸7缩回，推动支撑板8使机器人用四条支撑腿支撑地面；以此完成机器人的一个后退周期步态，多个周期的后退步态可实现机器人的连续后退功能。
机器人转向过程说明：
左转动作：1.双轴气动缸7伸出，推动支撑板8使机器人四条支撑腿脱离地面；2.机器人第一单轴气动缸1.1动作，使右侧支撑腿5.2在导轨上伸出；3.双轴气动缸7缩回，推动支撑板8使机器人用四条支撑腿支撑地面；4.机器人第一单轴气动缸1.1动作，使支撑腿5.2缩回的同时带动机器人本体向左转动；以此完成机器人的一个左转周期步态，多个周期的左转步态可实现机器人的向左转向功能。右转动作：1.双轴气动缸7伸出，推动支撑板8使机器人四条支撑腿脱离地面；2.机器人第二单轴气动缸1.2动作，使第二支撑腿5.1在导轨上伸出；3.双轴气动缸7缩回，推动支撑板8使机器人用四条支撑腿支撑地面；4.机器人第一单轴气动缸1.1动作，使支撑腿5.2缩回的同时带动机器人本体向右转动；以此完成机器人的一个右转周期步态，多个周期的右转步态可实现机器人的向右转向功能。
机器人避障说明：
通过在机器人机身上左右两侧和前方设置超声波传感器探测周围的障碍物，选用HC-SR04作为超声波测距模块，模块包括超声波发射器、接收器与控制电路，可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm；又在机器人左前方和右前方装有红外模块，可作为避障的辅助模块，用于斜面检测；通过机器人机身携带的超声波传感器和红外传感器检测周围环境，此时通过单片机2(STM32F103VET6)输出相应的控制信号，控制机器人做出的移动，从而实现行进中的机器人能够自动探测和规避障碍物。调节节流阀来控制进气量进而控制机器人的速度，并且通过单片机控制来实现不同运动之间的转换。
本发明的带有多方向自主避障功能的小型足式气动爬行机器人，通过单片机预先设计好的程序可实现机器人前进、后退、左转、右转和避障的运动；为使机器人行走更加平稳，通过在机器人机身上设置多个和超声波传感器探测周围的障碍物，此时通过单片机输出相应的控制信号，控制机器人做出的移动，实现自动避障。
本发明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 (6)

1.一种带有多方向自主避障功能的小型足式气动爬行机器人，其特征在于：包括机器主体、气动***和传感控制***，所述机器主体包括上层亚克力板、下层钢板、两条滑轨、四条支撑腿和支撑板，两条所述滑轨分别安装在所述钢板的左右两侧，四条所述支撑腿两两固定安装在与两侧所述滑轨配合的滑槽上，所述支撑板位于所述钢板下方并平行于地面；所述气动***包括第一单轴气动缸、第二单轴气动缸、双轴气动缸和三个电磁换向阀，所述第一单轴气动缸和第二单轴气动缸分别用于驱动两侧所述支撑腿前后移动，所述双轴气动缸安装在所述钢板底部，所述双轴气动缸的伸缩轴与支撑板固定连接，三个所述电磁换向阀设置在所述钢板上并分别用于控制三个气动缸；固定于所述机器主体上并用于控制所述气动***运动的所述传感控制***包括单片机、红外模块和超声波传感模块，所述红外模块、超声波传感模块均与所述单片机信号链接。
2.根据权利要求1所述的带有多方向自主避障功能的小型足式气动爬行机器人，其特征在于：四条所述支撑腿分别为位于所述机器主体右侧的两条第一支撑腿和位于所述机器主体左侧的两条第二支撑腿，所述第一单轴气动缸用于驱动两条所述第二支撑腿运动，所述第二单轴气动缸用于驱动两条所述第一支撑腿运动。
3.根据权利要求1所述的带有多方向自主避障功能的小型足式气动爬行机器人，其特征在于：与控制***联接的三个所述电磁换向阀分别为第一电磁换向阀、第二电磁换向阀和第三电磁换向阀，所述第一电磁换向阀用于控制所述第二单轴气动缸，所述第二电磁换向阀用于控制所述双轴气动缸，所述第三电磁换向阀用于控制所述第一单轴气动缸。
4.根据权利要求1所述的带有多方向自主避障功能的小型足式气动爬行机器人，其特征在于：所述单片机连接有电控元件，放置于所述亚克力板上的所述电控元件包括继电器和电压转换模块。
5.根据权利要求1所述的带有多方向自主避障功能的小型足式气动爬行机器人，其特征在于：所述红外模块包括第一红外传感器和第二红外传感器，两个红外传感器分别位于所述机器主体前端的左右两侧。
6.根据权利要求1所述的带有多方向自主避障功能的小型足式气动爬行机器人，其特征在于：所述超声波传感模块包括第一超声波传感器、第二超声波传感器和第三超声波传感器，所述第一超声波传感器和第三超声波传感器分别固定安装于所述机器主体顶部的左右端，所述第二超声波传感器固定安装于所述机器主体顶部的前端。
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