CN113911229B - 一种适用于不同工作环境可以变胞的六足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业机器人领域，具体的是一种适用于不同工作环境可以变胞的六足机器人，六足机器人包括机械腿模块、基节、变形躯干模块和承载平台模块，基节连接在机械腿模块和变形躯干模块之间，变形躯干模块和承载平台模块相连接，承载平台模块设置在六足机器人的中间位置。变形躯干模块中的数字舵机控制机器人变化姿态，即变胞的机构，变胞功能是最突出的特点。本发明设计的机器人有两种行走方式，机械腿可以根据不同地形环境变换行走方式，即在平坦地面可以轮式滚动行走，凹凸地面可以切换足式爬行，数字舵机能够调节机身构态，并且精确的控制机器人转向和自身移动速度，能够迅速地适应不同工作环境，为各种勘探任务和救援场合提供有力的保障。

Description

一种适用于不同工作环境可以变胞的六足机器人

技术领域

本发明涉及工业机器人领域，具体的是一种适用于不同工作环境可以变胞的六足机器人。

背景技术

近几十年来，机器人工业蓬勃发展，各类机器人不断被发明用以帮助人们提升生活质量。归功于现代计算机技术的进步，移动机器人也已取得明显的发展，随着人们生产生活的需要，对于移动机器人的工作效率、精密度等要求也逐渐提高，而在对于各类复杂工作环境如天灾后的废墟勘探或者位置区域的地形探索，只能针对单一地形进行移动的机器人已经无法满足使用需求，因此综合性能较好的移动机器人或者机器人平台是非常必要的。目前的机器人发展按照机械足分类，可分为足式、轮式、履带式三类移动机器人；按照使用环境的不同可分为军用机器人、医疗机器人和家用机器人；按照机械结构拓扑图是否可变又分为传统不可变结构机器人和变胞机器人。

足式机器人相较于轮式机器人和履带式机器人对复杂工作地形具有更强的适应性且由于其多足的特性使得灵活性和稳定性也更强，在遭遇单腿损坏的情况下有足够的支撑足和驱动足来保证继续移动。相对的，由于其多足的特性所以操控难度要高于轮式与履带式机器人，履带式机器人相较于轮式机器人越障能力强，地形适应性强、可负载重量大等优点，而且能够实现原地转弯。相对的，履带式机器人移动速度相对较慢，工作效率低且噪音较大，适用于户外和城市环境，尤其是在爬楼梯，越过障碍物等方面比轮式机器人更好。

相较于传统结构不可变的移动机器人，二十世纪九十年代出现的变胞机器人目前正逐步崛起，变胞机器人根据其名字可知是一种可变形的机器人且在变形之后依然保留运动能力。变胞机器人一般是基于生物特征通过变形模仿不同动物的运动形态。另一种变胞是通过机构折叠实现不同移动方式的切换。该发明系六足变胞机器人，可根据不同地形环境决定是否切换轮式滚动方式或足式爬行方式，并且在这两种行走方式下，机器人有不同的机身姿态。因此将变胞机构引入传统移动机器人以实现机器人在不同工作环境下进行变胞的工作形态，对于提高机器人的工作效率可靠性等都具有重要意义。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种适用于不同工作环境可以变胞的六足机器人，根据不同场合，切换机器人行走方式，可以使用足式爬行，亦可以使用轮式滚动行走，并且调节机身姿态和转向，更好地适应不同地形环境，旨在进一步提升防灾救援能力和侦查避障能力。生活周围处处有安全隐患，一旦发生重大事故，在人类能力达不到的情况下，该机器人可以提供及时的救援力量，也可以迅速适应各类复杂地形环境，进行灾害险情的侦查和预警。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种适用于不同工作环境可以变胞的六足机器人，所述六足机器人包括机械腿模块、基节、变形躯干模块和承载平台模块，基节连接在机械腿模块和变形躯干模块之间，变形躯干模块和承载平台模块相连接，承载平台模块设置在六足机器人的中间位置。

进一步地，所述机械腿模块和变形躯干模块均设置有六个，机械腿模块包括跗节、胫节、腿节、数字舵机、无刷电机，跗节的内部安装有无刷电机，胫节的内部安装有数字舵机，跗节和胫节通过螺栓相连接。

进一步地，所述腿节的两侧设置有两个互相垂直的转动副，基节的侧端设置有两个呈120°的转动副，腿节上的一侧转动副和胫节通过螺栓相连接，腿节上的另一侧转动副和基节通过螺栓相连接。

进一步地，所述变形躯干模块包括变形躯干节、活塞连杆一、活塞连杆二、数字舵机，变形躯干模块设置在基节之间，变形躯干节的两端和基节的两个转动副转动设置。

进一步地，所述变形躯干节的内部安装有数字舵机，位于两侧的变形躯干节和承载平台模块通过活塞连杆一、活塞连杆二相连接，活塞连杆一、活塞连杆二的两端均为转动设置。

进一步地，所述腿节作为机械腿模块中长度最短的结构，且作为该模块的根部，需要承受较高的载荷，选用铝合金材料。

进一步地，所述机械腿模块中的数字舵机是驱动机器人移动的装置，该数字舵机通过和无刷电机共同驱使机器人移动；变形躯干模块中的数字舵机是控制机器人变化姿态即变胞的装置，两者装置相同但所起到的作用不同。

进一步地，所述机械腿模块中的跗节和无刷电机分别作为足式构态和轮式构态的行走机构，在默认构态机器人是足式行走状态，机器人的六个机械腿模块中的跗节与地面接触，数字舵机驱动跗节移动，从而实现机器人行走功能；在轮式构态变形躯干节组合形成为矩形，位于中间的两侧对称的两个机械腿模块向上收拢且不接触地面，四角的四个机械腿模块中的跗节与地面平行，四个机械腿模块中的胫节与跗节呈锐角以支撑机身，无刷电机接触地面，同时作为行走机构和驱动机构。

本发明的有益效果：

1、本发明机械腿模块中的数字舵机是驱动机器人移动的装置，该数字舵机通过和无刷电机共同驱使机器人移动；变形躯干模块中的数字舵机是控制机器人变化姿态，即变胞的装置，两者装置相同，但所起到的作用不同。本发明通过数字舵机和无刷电机可以控制机器人移动和变形，从而实现该机器人最突出的变胞功能；

2、本发明设计的六足机器人六个相同机械腿集成于机身，通过数字舵机的控制，可以在足式爬行和轮式滚动两种行走模式下高效切换，并且通过调节基节和腿节之间的角度，可以实现机器人转向；固连于变形躯干中的舵机可以调节机身姿态，使之调整为正六边形矩形姿态；此外舵机能够精确的控制自身移动速度和转向，为各种救援场合和各种勘探任务提供有力的保障。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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是本发明整体结构示意图；

图2是本发明机械腿模块***示意图；

图3是本发明整体结构俯视示意图；

图4是本发明变形躯干模块***示意图；

图5是本发明六足机器人默认构态示意图；

图6是本发明六足机器人第二构态示意图；

图7是本发明六足机器人轮式构态示意图；

图中附图标记如下：

1-跗节；2-胫节；3-腿节；4-基节；5-变形躯干节；6-活塞连杆一；7-活塞连杆二；8-承载平台模块；10-螺栓；11-数字舵机；12-无刷电机。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种适用于不同工作环境可以变胞的六足机器人，如图1所示，包括机械腿模块、基节4、变形躯干模块和承载平台模块8，机械腿模块包括跗节1、胫节2、腿节3、数字舵机11、无刷电机12，变形躯干模块包括变形躯干节5、活塞连杆一6、活塞连杆二7、数字舵机11，基节4用于连接机械腿模块和变形躯干模块，承载平台模块8设置在机器人的中间位置。机械腿模块中的数字舵机11是驱动机器人移动的装置，该数字舵机11通过和无刷电机12共同驱使机器人移动；变形躯干模块中的数字舵机11是控制机器人变化姿态，即变胞的装置，两者装置相同，但所起到的作用不同。通过数字舵机11和无刷电机12可以控制机器人移动和变形，从而实现该机器人最主要的变胞功能。

机械腿模块和变形躯干模块均设置有六个，如图2所示，跗节1的内部安装有无刷电机12，胫节2的内部安装有数字舵机11，跗节1和胫节2通过螺栓10相连接。腿节3的两侧设置有两个互相垂直的转动副，基节4的侧端设置有两个呈120°的转动副，腿节3上的一侧转动副和胫节2通过螺栓10相连接，腿节3上的另一侧转动副和基节4通过螺栓10相连接。

如图3和4所示，变形躯干模块设置在基节4之间，变形躯干节5的两端和基节4的两个转动副转动设置，变形躯干节5的内部安装有数字舵机11，位于两侧的变形躯干节5和承载平台模块8通过活塞连杆一6、活塞连杆二7相连接，活塞连杆一6、活塞连杆二7的两端均为转动设置的，便于伸缩且能够调节变形躯干模块之间的夹角。承载平台模块8产生的控制命令传递给变形躯干模块，变形躯干模块进而实现机器人的变胞。

如图5和6所示分别为六足机器人默认构态和第二构态示意图，默认构态的机器人躯干呈现六边形，第二构态的机器人躯干呈现矩形。

如图1-6所示，机械腿模块模仿自然界中的蚂蚁腿结构，蚂蚁腿部结构有基节、转节、腿节、胫节、跗节和前跗节，经过简化之后，可以省略前跗节。机器人整机采用数字舵机11作为驱动方式，将数字舵机11安装于胫节2内，分别用螺栓10进行固定，数字舵机11能够驱动胫节2和整个机械腿模块从而驱动整个机器人，机械腿模块结构紧凑、装配简便。

如图5-7所示，机械腿模块中的跗节1和无刷电机12分别作为足式构态和轮式构态的行走机构：1、在默认构态如图5所示，机器人是足式行走状态，机器人的六个机械腿模块中的跗节1与地面接触，数字舵机11驱动跗节1移动，从而实现机器人行走功能；2、在轮式构态如图7所示，变形躯干节5组合形成为矩形，位于中间的两侧对称的两个机械腿模块向上收拢，不接触地面，四角的四个机械腿模块中的跗节1与地面平行，四个机械腿模块中的胫节2与跗节1呈锐角以支撑机身，无刷电机12接触地面，同时作为行走机构和驱动机构。此外，通过调整腿节3和基节4之间的角度，可以实现轮式状态下的转向功能。

跗节1作为与地面接触的构件，其根部设有与胫节2连接轴和数字舵机11连接轴相连接的孔，同时在与地面接触的足尖箱内收窄形成凸起部分，用以增强机械腿模块结的越障能力和实现增大摩擦的功能。其中腿节3作为基节4和跗节1的连接件，在腿节3两侧设置两个转动副，且这两个转动副互相垂直，腿节3作为机械腿模块中长度最短的结构，同时作为该模块的根部，需要承受较高的载荷，为提高使用寿命，选用铝合金材料。

机械腿模块驱动方式为数字舵机11驱动，舵机安装在胫节2中，胫节2呈现出两个舵机底座的形态，形成一个空腔，刚好将数字舵机11承载其中。数字舵机11轴承背面为连接轴，空腔三面均选用铝合金材料且进行镂空设计，这样既能保证连接强度也可以使其轻量化。舵机轴承相离方向放入胫节2，分别用四颗螺栓10固定，可以有效避免舵机方向装反的问题。

机械腿模块驱动方式为在跗节1中间部位加装无刷电机12，无刷电机12直接控制单个轮。该设计模仿电动自行车驱动轮的设计，此设计将电机和车轮合二为一，车轮与电机整体大小得到缩小。无刷电机12控制要求较高，转速比高的场合应用较多，且使用寿命相对较长。

变形躯干模块作为机械腿模块和承载平台模块的连接模块，同时也是起到变胞功能的模块。根据活塞杆的转动角度将原胫节进行适当加长处理，活塞杆整体采用铝合金材料。在默认形态下，机器人躯干呈现六边形，因此基节4两连接轴的内角为120度。同时用于连接承载平台模块和变形躯干模块的活塞连杆采用45钢以保证连接杆的强度。

该六足机器人第一构态为默认构态，该构态下机身在十二个数字舵机11的控制下保持正六边形姿态，各个腿部关节不会发生干涉，此时行走姿态为爬行姿态，机械支撑腿之间形成的的三角形面积最大，该构态下机器人行走最为稳定，所以默认构态是机器人最稳定的姿态。

变形躯干节5和活塞连杆一6、活塞连杆二7连接在一起，可以控制机器人的变胞。此构态下，机器人机身六个机械腿呈矩形对称排列，活塞连杆一6、活塞连杆二7固连形成一根长直杆。此种构态相较于第一构态控制难度低，且同样适用于地形复杂空间不过与狭窄的环境。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (5)

1.一种适用于不同工作环境可以变胞的六足机器人，其特征在于，所述六足机器人包括机械腿模块、基节(4)、变形躯干模块和承载平台模块(8)，基节(4)连接在机械腿模块和变形躯干模块之间，变形躯干模块和承载平台模块(8)相连接，承载平台模块(8)设置在六足机器人的中间位置；

所述机械腿模块和变形躯干模块均设置有六个，机械腿模块包括跗节(1)、胫节(2)、腿节(3)、数字舵机(11)、无刷电机(12)，跗节(1)的内部安装有无刷电机(12)，胫节(2)的内部安装有数字舵机(11)，跗节(1)和胫节(2)通过螺栓(10)相连接；

所述变形躯干模块包括变形躯干节(5)、活塞连杆一(6)、活塞连杆二(7)、数字舵机(11)，变形躯干模块设置在基节(4)之间，变形躯干节(5)的两端和基节(4)的两个转动副转动设置；

所述机械腿模块中的跗节(1)和无刷电机(12)分别作为足式构态和轮式构态的行走机构，在默认构态机器人是足式行走状态，机器人的六个机械腿模块中的跗节(1)与地面接触，数字舵机(11)驱动跗节(1)移动，从而实现机器人行走功能；在轮式构态变形躯干节(5)组合形成为矩形，位于中间的两侧对称的两个机械腿模块向上收拢且不接触地面，四角的四个机械腿模块中的跗节(1)与地面平行，四个机械腿模块中的胫节(2)与跗节(1)呈锐角以支撑机身，无刷电机(12)接触地面，同时作为行走机构和驱动机构；

位于两侧的变形躯干节(5)和承载平台模块(8)通过活塞连杆一(6)、活塞连杆二(7)相连接，活塞连杆一(6)、活塞连杆二(7)的两端均为转动设置的，便于伸缩且能够调节变形躯干模块之间的夹角；承载平台模块(8)产生的控制命令传递给变形躯干模块，变形躯干模块进而实现机器人的变胞。

2.根据权利要求1所述的一种适用于不同工作环境可以变胞的六足机器人，其特征在于，所述腿节(3)的两侧设置有两个互相垂直的转动副，基节(4)的侧端设置有两个呈120°的转动副，腿节(3)上的一侧转动副和胫节(2)通过螺栓(10)相连接，腿节(3)上的另一侧转动副和基节(4)通过螺栓(10)相连接。

3.根据权利要求1所述的一种适用于不同工作环境可以变胞的六足机器人，其特征在于，所述变形躯干节(5)的内部安装有数字舵机(11)，位于两侧的变形躯干节(5)和承载平台模块(8)通过活塞连杆一(6)、活塞连杆二(7)相连接，活塞连杆一(6)、活塞连杆二(7)的两端均为转动设置。

4.根据权利要求2所述的一种适用于不同工作环境可以变胞的六足机器人，其特征在于，所述腿节(3)作为机械腿模块中长度最短的结构，且作为该模块的根部，需要承受较高的载荷，选用铝合金材料。

5.根据权利要求1所述的一种适用于不同工作环境可以变胞的六足机器人，其特征在于，所述机械腿模块中的数字舵机(11)是驱动机器人移动的装置，该数字舵机(11)通过和无刷电机(12)共同驱使机器人移动；变形躯干模块中的数字舵机(11)是控制机器人变化姿态即变胞的装置，两者装置相同但所起到的作用不同。

Images