仿壁虎机器人机械结构及其机器人制造技术

本实用新型专利技术公开了一种仿壁虎机器人机械结构及其机器人，属于特种机器人领域。其特征在于：包括机身框架、安装于机身框架上的四条肢体，及被动式尾巴；其中每条肢体依次由二自由度髋关节、大腿连杆、单自由度膝关节、小腿、被动式三自由度球铰链踝关节及足组成；上述的二自由度髋关节由控制肢体抬起或下落的髋关节抬腿舵机（１１）和控制肢体前后摆动的髋关节摆腿舵机（１２）组成；上述单自由度膝关节由膝关节舵机（１３）组成。本实用新型专利技术合理安排每条腿上自由度的位置，加入了力传感器反馈控制，使机器人具有很好的在地面和墙面上的运动能力。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种仿壁虎机器人机械结构及其机器人，属于特种机器人领域。可应用于反恐、搜救、狭小空间探测、安全保卫、航空宇航和城市服务业等领域。 
技术介绍
非结构环境下的机器人具有广泛而迫切的需求。其中3维空间无障碍运动机器人(简称3DOF机器人)技术难度最大，科技含量最高，需求最为迫切。目前3DOF机器人运动系统的机构分为：轮式，如中国专利CN1739925公开的一种非接触磁吸附轮式爬壁机器人；履带式，如中国专利CN1709654公开的基于同步齿形带的磁吸附履带式爬壁机器人；杆式，如中国专利CN1511681公开的五足爬壁机器人，CN1966337A。其中，杆式机器人结构复杂，越障能力强，粘附更加可靠，具有更高的运动和适应能力，但运动控制复杂，自由度多，驱动和控制难度大，是3DOF机器人发展的方向。美国MIT，UC Berkeley，Harvard和Carnige Mellon等单位合作研制的仿壁虎机器人Stickybot共有四肢，每肢只有2个自由度，每个自由度由一个舵机驱动，实现了在规则的平面的运动。 仿生机器人的腿机构在自由度的分配上一般存在两种形式：一种是仿哺乳动物的腿机构，腿位于身体下方，此类机器人自由度的安排在地面上运动时具有较大的工作空间，能以较大的步幅运动，此类机器人由于中心离接触面过高，不宜进行爬壁运动。另一类是类爬行动物的自由度分布，此类机器人在壁面上运动时重心较低，而在地面上运动时由于重心较低，容易与地面之间产生摩擦。腿机构机器人在运动过程中，当双足以上处于支撑相时，系统为过驱动状态，支撑相足之间往往存在相互作用力，可能使地面运动的机器人支撑相足之间形成相对滑动，或者使爬壁机器人由于支撑相足之间的相对滑动而脱落壁面，造成严重损失；而且驱动舵机为克服该力的作用而造成能源的浪费。而上述机器人，没有对这类问题提出一个很好的解决办法。 
技术实现思路
基于上述背景，本技术提出了一种仿壁虎机器人机械结构及其机器人，合理安排每条腿上自由度的位置，使机器人具有很好的在地面和墙面上的运动能力。 一种仿壁虎机器人机械结构，其特征在于：包括机身框架、安装于机身框架上的四条肢体，及被动式尾巴；其中每条肢体依次由二自由度髋关节、大腿连杆、单自由度膝关节、小腿、三自由度被动式球铰链踝关节及足组成；上述的二自由度髋关节由控制肢体抬起和下落的髋关节抬腿舵机和控制肢体前后摆动的髋关节摆腿舵机组成；上述单自由度膝关节由膝关节舵机组成。 所述的髋关节抬腿舵机安装于所述机身框架上，髋关节摆腿舵机框架安装于髋关节抬腿舵机输出轴上，膝关节摆腿舵机安装于舵机框架内，小腿与足之间通过踝关节连接。整体的框架结构减轻了机器人机体的总体重量。 所述髋关节抬腿舵机的装轴线与机器人体平面成60°夹角；这样可以在不影响舵机运动范围的同时缩小机体的宽度，有利于以后的爬壁的稳定性。 所述三自由度被动式球铰链踝关节具体结构为：一带有连杆的球体，连杆用于与-->小腿连接，球体嵌于足的球形凹槽内。 所述的仿壁虎机器人机械结构，其特征在于：足底具有用于监测足与接触面之间接触状况和受力情况的一维弹性力传感器。小腿即为二维力传感器，该二维力传感器用于检测垂直于足端平面内的二维力，或者为三维力传感器。 所述的仿壁虎机器人机械结构，其特征在于：所述机身框架包括前部框架、腰部框架和后部框架，其中前部框架和后部框架结构相同，具有互换性。腰部框架为弹性杆或刚性杆。 所述的控制部分由上位机控制系统、机器人控制系统和电源模块组成；上位机控制系统与机器人控制系统之间采用无线通信模式。 机器人控制系统为分布式控制系统，由主机控制模块、四个肢体从机控制模块、传感器信号调理模块、无线收发模块和载体电源；主机控制模块和无线收发模块通过SPI总线相连，与上位机控制部分实现无线遥控；载体电源模块为整个机器人控制系统及舵机供电。 本技术的优势在于：模拟大自然中爬行动物大壁虎的腿机构进行自由度分配，使其兼有哺乳动物和爬行动物的机构特征，满足在地面以及墙面上运动的优势。机器人整体结构为框架结构，减轻了机体的总体重量。弹性尾巴安装于机器人机身后部，使其具有更好的稳定性。用一个一维接触力传感器和二维力传感器组成的三维测力系统或者一个三维力传感器感知机器人足端的受力，有效降低了支撑相足之间的相互作用力。在机器人腿上组合了力传感器，使其具有感知空间三维力的能力，通过力反馈，实现了支撑相各足的运动协调。机器人后部的弹性尾巴有效增强了机器人的稳定性。机器人舵机固定在框架结构内，减少了舵机的输出轴的弯矩。大腿机构采用平行的板机构组成，保证强度的同时减少了整机重量。机器人由在体电源供电，实现了无线遥控，减少了电缆对机器人的干扰，机器人运动由分布式控制系统控制，可以实现直行，转弯，加速，减速，暂停，恢复等动作。 附图说明图1本技术机器人整机结构示意图。 图2(a)本技术机器人整机主视结构示意图。 图2(b)本技术机器人整机左视结构示意图。 图3本技术机器人(半)机身部分结构示意图。 图4本技术机器人髋关节结构示意图。 图5本技术机器人膝关节结构示意图。 图6本技术机器人大腿结构示意图。 图7本技术机器人控制部分结构图。 图8本技术机器人控制系统主机程序流程图。 图9本技术机器人控制系统从机程序流程图。 图中标号名称：1、前部框架，2、脚掌，3、二维力传感器，4、膝关节，6、大腿连杆，7、髋关节，8、小腿连杆，9、尾巴，10、腰部框架，11、髋关节抬腿舵机，12、髋关节摆腿舵机，13、膝关节舵机，14、脚掌控制舵机孔，15、髋关节定位孔，16、髋关节抬腿舵机机安装孔，17、机身连杆安装孔，18、髋关节抬腿舵机轴孔，19、髋关节摆腿舵机安装孔，20、髋关节定位轴，-->21、大腿关节定位轴，22、小腿连接孔，23、舵机连接孔。 具体实施方式如图1和图2所示，机器人由机身、四条相同的腿、和尾巴9组成。单条腿由机器人脚掌2，二维力传感器3，小腿连杆8，小腿关节4，大腿连杆6，髋关节7和三个控制关节运动的舵机(髋关节抬腿舵机11、髋关节摆腿舵机12、膝关节舵机13)组成。本实例采用的是前后对称的机身，即前部框架1和后部框架并通过机身连杆10相连，组成前后对称的机器人身体部分。机器人单条腿有三个自由度，每个自由度均通过一个舵机控制其运动。因此共有12个舵机控制整个机器人的运动。同时在机身上共预留了四个舵机的位置，以扩展机器人脚掌的运动控制。 如图3，图4，图5，图6分别为机器人机身，髋关节，膝关节和大腿连杆。髋关节抬腿舵机11安装在机身上髋关节抬腿舵机安装孔16上，调整其输出轴与髋关节定位孔15轴线一致。为减小机器人机身宽度和调整机器人的运动步态，该舵机的初始位置与身体平面呈一定角度安装，控制肢体的上下运动。髋关节上的髋关节定位轴20对准安装在髋关节定位孔15中，髋关节抬腿舵机轴孔对准舵机11的输出轴并固定连接在一起。髋关节摆腿舵机12安装在髋关节摆腿舵机安装孔19中，控制肢体的前后摆动。膝关节舵机13安装在小腿关节的框架结构中，控制大小腿之间的伸展角。两个同样的机器人大腿连杆分别与髋关节摆腿舵机12的输出轴和髋关节上大腿关节定位轴21相配合并固定在一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿壁虎机器人机械结构，其特征在于：　　包括机身框架、安装于机身框架上的四条肢体，及被动式尾巴；　　其中每条肢体依次由二自由度髋关节、大腿连杆、单自由度膝关节、小腿、三自由度被动式球铰链踝关节及足组成；　　上述的二自由度髋关节由控制肢体抬起或下落的髋关节抬腿舵机（１１）和控制肢体前后摆动的髋关节摆腿舵机（１２）组成；　　上述单自由度膝关节由膝关节舵机（１３）组成。

【技术特征摘要】
1.一种仿壁虎机器人机械结构，其特征在于：包括机身框架、安装于机身框架上的四条肢体，及被动式尾巴；其中每条肢体依次由二自由度髋关节、大腿连杆、单自由度膝关节、小腿、三自由度被动式球铰链踝关节及足组成；上述的二自由度髋关节由控制肢体抬起或下落的髋关节抬腿舵机(11)和控制肢体前后摆动的髋关节摆腿舵机(12)组成；上述单自由度膝关节由膝关节舵机(13)组成。2.根据权利要求1所述的仿壁虎机器人机械结构，其特征在于：所述的髋关节抬腿舵机(11)安装于所述机身框架上，髋关节摆腿舵机框架安装于髋关节抬腿舵机输出轴上，膝关节摆腿舵机(12)安装于舵机框架内。3.根据权利要求1所述的仿壁虎机器人机械结构，其特征在于：上述髋关节抬腿舵机(11)的装轴线与机器人体平面成60°夹角。4.根据权利要求1所述的仿壁虎机器人机械结构，其特征在于：上述三自由度被动式球铰链踝关节具体结构为：一带有连杆的球体，连杆用于与小腿连接，球体嵌于足的球形凹槽内。5.根据权利要求1所述的仿壁虎机器人机械结构，其特征在于：足底具有用于监测足与接触面之间接触状况和受力情况的一维弹性力传感器。6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴振东，李宏凯，张昊，俞志伟，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：实用新型
国别省市：84[中国|南京]