一种模块化的舵机驱动的小型仿生攀爬机器人制造技术

本实用新型专利技术公开一种模块化的舵机驱动的小型仿生攀爬机器人。该机器人由六个关节模块和两个夹持器模块组成，每个关节模块具有一个转动自由度，并由舵机驱动；关节模块有两种型式，其关节转轴分别与关节连杆轴线平行和垂直，各称为Ｉ型关节模块和Ｔ型关节模块。各模块依次按串联方式连接，顺序为：夹持器－Ｉ型关节－Ｔ型关节－Ｔ型关节－Ｔ型关节－Ｔ型关节－Ｉ型关节－夹持器，在构型上首尾对称。中间四个Ｔ型关节的转轴互相平行，并与两端Ｉ型关节的转轴垂直。通过各关节的协调运动和夹持器的交替抓夹，该机器人能以仿尺蠖步态和翻转步态沿着小杆件、小桁架或小树木攀爬，具有构型更改方便、结构简单、轻巧灵活、控制容易、能耗小等特点。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及机器人
，具体而言涉及一种用模块化、舵机驱动、具有六 自由度和两个夹持器并能模仿尺蠖沿着杆、树枝和桁架进行攀爬的小型机器人。技术背景 目前机器人已经应用于军事、医疗、航天、教育、娱乐、抢险救灾、家庭服务和社会 服务等方面，并向新的领域伸展。农业、林业和建筑业将是未来机器人广阔的新的应用领 域。这些行业有很多高空作业，例如果树剪枝、果子采摘、树木砍伐和树枝修剪，电线架设和 检修、路灯的维修和更换、建筑脚手架的安装和拆卸、铁塔和桁架桥梁的检修，等等。人们期 望这些高空作业由机器人代替人来执行和从事，这就要求机器人具有攀爬杆、树或桁架等 对象的功能和操作功能。目前国内外开发出能爬树干的机器人有双圆环式的、并联式、仿蟑 螂六腿式等几种，而能爬杆的机器人有轮式、蛇形缠绕式、仿蜘蛛式等几种。这些样机虽然 具有一定的爬行功能，但还很原始，有较大的局限和不足，主要体现在1)攀爬对象单一， 只能爬杆、爬桁架或者爬树而不能攀爬不同的对象；2)缺乏攀爬过渡能力，难以在树枝或 杆件之间过渡和切换；3)缺乏操作功能，执行作业时必须另外加装执行器或操作臂，这必 然增加系统结构和控制的复杂性、增大平衡和爬行的困难；4)常规尺寸的系统，结构复杂、 构型固定、控制复杂、成本高。因此，开发一种能同时攀爬杆、树和桁架等多种对象并且具有 操作功能、结构简单、成本低廉的机器人符合机器人发展的趋势和社会生产生活的需要。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术存在的上述不足，面向农业、林业和建筑业 等领域的高空作业，提供一种能实现爬杆、树和桁架等物体的模块化的舵机驱动的小型仿 生攀爬机器人。本技术根据仿生学原理，通过模仿尺蠖、猿猴和树懒等动物的攀爬动 作，由舵机和简单的机械零部件构建一种结构简单、构型易改、小巧灵活、控制容易、成本低 廉的攀爬机器人，为拓展机器人的新应用探索一条简单易行的途径。为实现本技术的目的，本技术采用的如下技术方案一种模块化的舵机驱动的小型仿生攀爬机器人，由两个I型关节模块、四个T型关 节模块和两个夹持器模块组成，每个模块由一个舵机驱动，所述I型关节模块是指只有一 个转动自由度且关节模块转轴与连杆轴线重合或平行的关节模块；所述T型关节模块是指 只有一个转动自由度且关节模块转轴与连杆轴线垂直的关节模块；所述夹持器是指具有开 闭动作从而实现对物体的抓夹和松开的末端执行器；各模块采用串联方式通过螺栓依次连 接，顺序从一端到另一端为夹持器模块-I型关节模块-T型关节模块-τ型关节模块-τ型 关节模块-T型关节模块-ι型关节模块-夹持器模块；中间四个T型关节模块的转轴互相 平行，并与两端的I型关节模块的转轴互相垂直。上述模块化小型仿生攀爬机器人中，所述I型关节模块是指只有一个转动自由度 且关节模块转轴与连杆轴线重合或平行的关节模块。I型关节模块由舵机驱动，运动和动力由舵机的输出轴并通过其上的输出圆盘输出，进而驱动紧固于舵机输出圆盘上的另一关 节模块，产生绕舵机输出轴轴线的旋转运动。所述T型关节模块是指只有一个转动自由度 且关节模块转轴与连杆轴线垂直的关节模块。关节模块由舵机驱动，运动和动力由舵机的 输出轴并通过其上的输出盘输出，进而使紧固于舵机输出盘上的转动支架绕舵机输出轴转 动，带动通过螺栓组固定于其上的其它关节模块。所述夹持器模块具有两个V型活动块作 为夹具，一个固定于主机架上，另一个固定于摆动杆上，即实现张开或闭合，从而对物体进 行夹持。夹持器由一个舵机驱动，动力由舵机的输出轴并通过紧固于其上的连接杆输出，由 此驱动紧固于舵机输出连杆上的摆动杆。摆动杆即带着V型活动块做类似于手臂抱紧与松 开的运动，另一侧的V型活动块则根据杆的中心线位置自动进行转动调整，实现可靠夹紧。本技术的机器人中间四个T型关节模块转动能使机器人本体伸展或弯曲，两 端的I型关节模块转动则能改变末端夹持器的方位。攀爬时先用一个夹持器稳固地抓夹 杆、桁架或树枝以支撑整个机器人，另一端运动，到目标位置后相应的夹持器进行抓夹，然 后前一个夹持器松开和释放，并运动到新的目标位置，如此循环，交替抓夹，机器人就可在 杆、桁架或树上爬行。本技术的机器人具有如下特点1)机器人采用串联结构，各组成部分依次连接，“夹持器-I型关节模块-T型关节 模块-T型关节模块-τ型关节模块-τ型关节模块-I型关节模块-夹持器”的构型使得机 器人首尾两端对称，首尾可互置，便于操作和控制。2)机器人主要由八个模块组成，包括两个I型关节模块、四个T型关节模块和两个 夹持器模块。模块之间的连接和紧固通过在各模块中设计的统一接口和螺栓组实现，通过 改变模块的连接和组合得到多种机器人构型。机器人的构建简单、方便且快速。3)机器人的所有模块由相同的舵机驱动，控制简单，编程、调试方便。总的来说，本技术与现有技术相比，具有如下优点和效果1.结构简单、小巧灵活；舵机驱动、控制容易；2.本技术采用模块化方法构建机器人系统，主体只由两种关节模块组成，构 建便捷，构型更改容易，设计、制造、使用和维护等方面的成本低；3.本技术的机器人的由于其结构特点，可采用仿尺蠖步态和翻转步态两种攀 爬步态，实现容易、步长灵活可调；4.本技术所创建的机器人本体实际上是个六自由度的机械臂，一端固定后另 一端在其工作空间中可实现多种位姿，因而本机器人具有一定的操作功能；附图说明图1是本技术的机器人外观图；图2是本技术的机器人机构示意图；图3是本技术的I型关节模块外观图；图4是本技术的I型关节模块爆炸视图；图5是本技术的T型关节模块外观图；图6是本技术的T型关节模块爆炸视图；图7是本技术的夹持器模块外观图；图8是本技术的夹持器模块主体框架部分爆炸视图；图9是本技术的夹持器模块摆杆部分爆炸视图；图10是本技术的机器人第一种步行模式_伸缩步态的示意图；图11是本技术的机器人第二种步行模式-翻转步态的示意图。具体实施方式为了更好地理解本技术，以下结合附图对本技术作进一步地描述，但本 技术的实施方式不限于此。图1和图2分别示出了本技术构建的小型机器人的外观图和机构示意图。如 图所示，机器人本体有六个自由度，由两个I型关节模块0-2和四个T型关节模块0-3组成， 两端各接一个夹持器模块0-1，整个机器人共八个模块。各模块依次以串联方式连接，顺序 为夹持器模块-I型关节模块-τ型关节模块-T型关节模块-T型关节模块-T型关节模 块-I型关节模块-夹持器模块，即中间为四个T型关节模块0-3，两端为I型关节模块再接 夹持器模块0-1。I关节模块的两端接口为舵机输出圆盘上的四个螺孔、基架与螺纹连接盘 组件上的四个螺孔；T关节模块的两端接口为转动支架上的八个光孔和上、下基架共同构 成的四个光孔；夹持器模块的连接接口为连接基架上的八个光孔及螺纹盘。各模块之间通 过统一的接口和螺栓组串联连接。四个T型关节模块0-3的关节模块转轴互相平行，并与 两端的I型关节模块的关节模块轴垂直。四个T型关节模块构成一个平面四杆机构，通过 改变此四个T型关节模块的角位移即可改变该平面四杆机构的形状进，与两端的I型关节 模块协调即可调整机器人的位形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模块化的舵机驱动的小型仿生攀爬机器人，其特征在于由两个Ｉ型关节模块、四个Ｔ型关节模块和两个夹持器模块组成，每个模块由一个舵机驱动，所述Ｉ型关节模块是指只有一个转动自由度且关节模块转轴与连杆轴线重合或平行的关节模块；所述Ｔ型关节模块是指只有一个转动自由度且关节模块转轴与连杆轴线垂直的关节模块；所述夹持器是指具有开闭动作从而实现对物体的抓夹和松开的末端执行器；各模块采用串联方式通过螺栓依次连接，顺序从一端到另一端为：夹持器模块－Ｉ型关节模块－Ｔ型关节模块－Ｔ型关节模块－Ｔ型关节模块－Ｔ型关节模块－Ｉ型关节模块－夹持器模块；中间四个Ｔ型关节模块的转轴互相平行，并与两端的Ｉ型关节模块的转轴互相垂直。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：管贻生，朱海飞，蔡传武，江励，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：实用新型
国别省市：81[中国|广州]