CN113650699A - 一种非结构化环境下的仿生蟑螂特种机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非结构化环境下的仿生蟑螂特种机器人,该机器人分为四个部分:外壳、控制装置、机械机构以及摄像头模块。外壳、控制装置、机械机构以及摄像头模块相互协同配合,实现机器人在特种环境下的作业功能。控制装置作为整个机器人的核心,通过控制电机进而控制机器人的行走步态及速度,机器人的行走步态一方面决定与电机转动的角速度,另一方面还决定于其独特的腿部机械结构,在电机转轴的带动下,六足结构相互配合,完成不同速度的行走,转向及翻越障碍的功能,从而完成特种作业。本发明利用自身快速性、灵活性、小巧的特点在非结构化地形中进行特种作业,可通过配置摄像头回传所观察的图像。
Description
技术领域
本发明涉及多足机器人,尤其涉及一种仿生蟑螂机器人,属于仿生机械设计技术领域。
背景技术
灾后的灾区环境极其不稳定,很有可能因为余震而导致二次坍塌,威胁到救援人员的生命安全,因此,为了保证救援人员的生命安全,我们需要开发能够替代救援人员进入到废墟进行搜索的机器人。
目前已经应用的救援机器人往往体型较大,十分笨重,无法穿越狭小缝隙,进入到废墟内部,解救深埋人员。并且其中一些履带式的机器行动速度和敏捷程度受到不同程度的限制,延长了搜救的工作时间,不利于在“黄金72”小时内尽可能地搜救被困人员。
仿生蟑螂机器人往往具有奔跑速度快、运动灵活、生存能力强、能穿越狭窄缝隙的特点。据此设计出的仿生蟑螂六足机器人可以在离散的非连续性崎岖的地面环境中作业。仿生蟑螂机器人的足式结构可以使得其拥有灵活的运动能力;较小的体积有利于其穿越狭窄的缝隙;六足的设计使得机器人在恶劣环境中能够更好地生存,且行走时的稳定性更高。具有这些优点使得该机器人不仅仅可以应用于灾区救援,还可以应用于辅助探查路况、狭窄区域寻找目标物等等。
目前已经发明的蟑螂机器人往往侧重于研究从结构上更好地模仿六足昆虫,而并非针对特定的场景及应用进行设计,如“一种基于双四连杆机构的仿生蟑螂机器人”,针对于仿生蟑螂的腿部运动设计了双四连杆的运动方式,但没有对机器人的整体进行设计,不具有具体的实际功能,并且该机器人的腿部运动方式使得机器人无法像蟑螂一样快速移动。
基于此,本发明制作了一种仿生蟑螂的机器人。在机械结构方面,其腿部应用的四连杆结构使得该机器人拥有了腿部急回特性,且运动轨迹保持在同一个平面内,使得该机器人拥有更快的奔跑速度,并且可以自行选择从动杆的长度,以此来适应不同低矮缝隙的需求。机身采用分离式设计以满足不同足数的需要。为了缩小机器人体积,在电器气控制方面,采用了控制器、驱动、电源模块一体化的集成设计。安装可以实时回传图像的摄像头,并在摄像头中加入可以进行人像检测、物体检测的算法。并且为了更精准地控制每条腿的步态,使用了六个带编码器和齿轮箱的电机进行分别控制。
发明内容
本发明仿生了蟑螂制作了一种可以应用于非结构环境下的特种作业,尤其是灾区救援的机器人,其拥有替代人类进入狭小空间并进行快速搜索的能力。
本发明所采用的技术方案可参照图1,一种非结构化环境下的仿生蟑螂特种机器人,该机器人分为四个部分:外壳、控制装置、机械机构以及摄像头模块。
外壳、控制装置、机械机构以及摄像头模块相互协同配合,实现机器人在特种环境下的作业功能。第一外壳(1)及第二外壳(6)作为搭载其余模块的载体,起到支撑、保护内部模块的作用。控制装置(2)作为整个机器人的核心,通过控制电机(3)进而控制机器人的行走步态及速度,机器人的行走步态一方面决定与电机(3)转动的角速度,另一方面还决定于其独特的腿部机械结构(5),在电机转轴的带动下,六足结构相互配合,完成不同速度的行走,转向及翻越障碍的功能,从而完成特种作业,并且实时回传至PC端,保证机器人有条不紊工作。同时,控制***(2)也为摄像头模块(7)供电,保证其独立工作。
外壳分分为第一外壳(1)及第二外壳(6),第一外壳(1)搭载在第二外壳(6)上。第一外壳(1)采用软壳材质,避免机器人内部结构裸露。第二外壳(6)为主体搭载结构,采用分离式设计结构,由前足、中足、后足的六足行走方式转化为前足、后足的四足行走方式。使用六足行走所采用的三角形步态更利于机器人的稳定,而四足的工作方式使得机器人在狭小空间中的作业更具有优势。两部分结构使用螺栓连接的方式进行连接,可按照使用需求对机器人该部分外壳进行拆卸。
控制装置(2)的PCB板上集成STM32系列的最小***、电机驱动、电源降压模块,蓝牙接收模块,可有效节省机器人内部的空间。
机械结构由动力提供装置,腿部机械结构组成。其中,动力提供装置由电源(4)、电机(3)组成,其中电机还包括了齿轮箱、编码器。机器人的腿部结构为四连杆中的曲柄摇杆机构,一方面,利用了四连杆的急回特性来减少机器人收腿时所需的时间,从而提高了机器人前进时的效率。另一方面,调整了机架与水平面之间的角度,尽可能增大机器人前进时的步幅,从而提高机器人的移动速度。同时将传统的四连杆机构进行了一些改变,加入的从动杆(11)是原有的连杆结构的改变可以提高该机械结构的稳定性,并且在仿真的过程中可以观察到,机器人腿部的运动方式与昆虫的运动方式类似。
腿部的机械结构如图3、图4所示。机架(9)固定在曲柄(8)上,不随腿部的动作而转动。机架(9)、摇杆(10)、连杆(11)及曲柄(8)的四条臂构成四连杆的结构。曲柄(8)、机架(9)、通过动力输出轴(14)相连;曲柄(8)和连杆(11)通过第四关节轴(20)相连;摇杆(10)和连杆(11)通过第一关节轴(16)相连;机架(9)和摇杆(10)通过连接轴(15)相连。当曲柄(8)围绕着动力输出轴(14)做匀速周期运动时,摇杆(10)在一定范围内做扇形的摆幅运动,连杆(11)在第一关节轴(16)、第四关节轴(20)两轴的带动下做运动,其连杆(11)上的第二关节轴(17)运动一圈的轨迹则类似于蟑螂在地上爬行时的抬腿、前进、收腿的动作。从动臂(13)通过第三关节轴(19)固定在机架(9)上,从动臂(13)、从动杆(12)通过连接轴2(18)进行连接,从动杆(12)通过第二关节轴(17)与连杆(11)相连接,因此从动杆(12)可以随着连杆(11)的运动达到向前行走的效果。
摄像头模块(7)是独立于其他模块的部分。其自身拥有运算能力、数据处理能力,可以进行人脸、物体的检测,通过适配的WIFI回传图像至PC端。
本发明最终达到的效果如下:
仿生了蟑螂的特点,利用自身快速性、灵活性、小巧的特点在非结构化地形中进行特种作业,可通过配置摄像头回传所观察的图像。
附图说明
图1是一种应用于非结构化环境下的搜索机器人的示意图。
图2是一种应用于非结构化环境下的搜索机器人的***视图。
图3是仿生蟑螂机器人在狭窄环境中作业的示意图。
图4是仿生蟑螂机器人腿部机械结构的示意图。
图5是放生蟑螂机器人腿部机械结构的***示图。
图中:1、第一外壳,2、控制装置,3、电机,4、电池,5、腿部机械结构,6、第二外壳,7、摄像头,8、曲柄,9、机架,10、摇杆,11、连杆,12、从动杆,13、从动臂,14、动力输出轴,15、连接轴1,16、第一关节轴,17、第二关节轴,18、连接轴2,19、第三关节轴,20、连接轴3。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图2所示,该机器人的构造可以分为四个部分:外壳、控制装置、机械机构以及摄像头模块。
第一外壳(1)采用软壳材质,使机器人外壳坚硬酷似蟑螂,避免机器人内部受到轻微损伤。第二外壳(6)采用分离式设计结构,由前足、中足、后足的六足行走方式转化为前足、后足的四足行走方式。使用六足行走所采用的三角形步态更利于机器人的稳定,而四足的工作方式使得机器人在狭小空间中的作业更具有优势。实际使用过程中,对第二外壳(6)中进行连接的贴片进行拆卸。
控制装置(2)是绘制的PCB板,集成了STM32系列的最小***、基于H桥电路的电机驱动、电源降压模块,实现了对该机器人进行人为控制、控制装置对电机的控制,可有效节省机器人内部的空间。
腿部的机械结构如图3、图4所示。机架(9)是固定在曲柄(8)上的部分,不随腿部的动作而转动。机架(9)、摇杆(10)、连杆(11)、曲柄(8)四条臂构成了四连杆的结构,当曲柄(8)围绕着动力输出轴(14)做匀速周期运动时,摇杆(10)在一定范围内做扇形的摆幅运动,连杆(11)在第一关节轴(16)、连接轴3(20)轴的带动下做运动,其连杆(11)上的第二关节轴(17)运动一圈的轨迹则类似于蟑螂在地上爬行时的抬腿、前进、收腿的动作。从动臂(13)通过第三关节轴(19)固定在机架(9)上,从动臂(13)、从动杆(12)通过连接轴2(18)进行连接,从动杆(12)通过第二关节轴(17)与连杆(11)相连接,因此从动杆(12)可以随着连杆(11)的运动达到向前行走的效果。
当曲柄(8)旋转时,曲柄(8)与连杆(10)出现两次共线的情况。此时曲柄(8)的中心与从动杆(11)的距离分别为最长和最短。因此,此时的从动臂(12)分别处于两个极限位置。
考虑到机器人的工作地点均为空间较为狭窄的非结构地形,为了能够让机器人在这种较严苛的环境下正常工作,提供了另外一种可以用于工作的腿部结构,如图2,在去除掉了从动杆(12)和从动臂(13)后,机器人可以在空间高度较低的环境下进行工作,降低了机器人对于空间高度的需求。
摄像头模块(7)是独立于其他模块的部分。基于STM32的openMV自身拥有运算能力、数据处理能力,可以进行人脸、物体的检测,通过适配的WIFI回传图像至PC端。
最后要说明的是:以上实施例仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案,因此尽管本说明书参照上述实施例已经进行了详细的说明,但是,本领域的普通技术人员应当理解,仍然可以对本发明进行修改或等同替换,而一切不脱离发明精神和范围的技术方案及其改进,均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种非结构化环境下的仿生蟑螂特种机器人,其特征在于:该机器人分为四个部分:外壳、控制装置、机械机构以及摄像头模块;
外壳、控制装置、机械机构以及摄像头模块相互协同配合,实现机器人在特种环境下的作业功能;第一外壳(1)及第二外壳(6)作为搭载其余模块的载体,起到支撑、保护内部模块的作用;控制装置(2)作为整个机器人的核心,通过控制电机(3)进而控制机器人的行走步态及速度,机器人的行走步态一方面决定与电机(3)转动的角速度,另一方面还决定于腿部机械结构(5),在电机转轴的带动下,六足结构相互配合,完成不同速度的行走,转向及翻越障碍的功能,从而完成特种作业,并且实时回传至PC端,控制***(2)也为摄像头模块(7)供电。
2.根据权利要求1所述的一种非结构化环境下的仿生蟑螂特种机器人,其特征在于:外壳分分为第一外壳(1)及第二外壳(6),第一外壳(1)搭载在第二外壳(6)上;第一外壳(1)采用软壳材质,避免机器人内部结构裸露;第二外壳(6)为主体搭载结构,采用分离式设计结构,由前足、中足、后足的六足行走方式转化为前足、后足的四足行走方式;两部分结构使用螺栓连接的方式进行连接,可按照使用需求对机器人该部分外壳进行拆卸。
3.根据权利要求1所述的一种非结构化环境下的仿生蟑螂特种机器人,其特征在于:控制装置(2)的PCB板上集成STM32系列的最小***、电机驱动、电源降压模块,蓝牙接收模块,可有效节省机器人内部的空间。
4.根据权利要求1所述的一种非结构化环境下的仿生蟑螂特种机器人,其特征在于:机械结构由动力提供装置,腿部机械结构组成;其中,动力提供装置由电源(4)、电机(3)组成,电机还包括了齿轮箱、编码器;机器人的腿部结构为四连杆中的曲柄摇杆机构。
5.根据权利要求4所述的一种非结构化环境下的仿生蟑螂特种机器人,其特征在于:机架(9)固定在曲柄(8)上,不随腿部的动作而转动;机架(9)、摇杆(10)、连杆(11)及曲柄(8)的四条臂构成四连杆的结构;曲柄(8)、机架(9)、通过动力输出轴(14)相连;曲柄(8)和连杆(11)通过第四关节轴(20)相连;摇杆(10)和连杆(11)通过第一关节轴(16)相连;机架(9)和摇杆(10)通过连接轴(15)相连;当曲柄(8)围绕着动力输出轴(14)做匀速周期运动时,摇杆(10)在一定范围内做扇形的摆幅运动,连杆(11)在第一关节轴(16)、第四关节轴(20)两轴的带动下做运动,其连杆(11)上的第二关节轴(17)运动一圈的轨迹则类似于蟑螂在地上爬行时的抬腿、前进、收腿的动作;从动臂(13)通过第三关节轴(19)固定在机架(9)上,从动臂(13)、从动杆(12)通过连接轴2(18)进行连接,从动杆(12)通过第二关节轴(17)与连杆(11)相连接,从动杆(12)随着连杆(11)的运动向前行走。
6.根据权利要求1所述的一种非结构化环境下的仿生蟑螂特种机器人,其特征在于:摄像头模块(7)是独立于其他模块的部分;其自身拥有运算能力、数据处理能力,进行人脸、物体的检测,通过适配的WIFI回传图像至PC端。
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