專利名稱：一種基于模塊化的多關(guān)節(jié)鏈節(jié)式機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于仿生機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種基于模塊化的多關(guān)節(jié)鏈節(jié)式機(jī)器人。
背景技術(shù)：
隨著生物學(xué)對于人類和其他動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)及生活方式研究的逐步深入，仿生學(xué)技術(shù)的研究依靠著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也飛速前進(jìn)，創(chuàng)造了科學(xué)技術(shù)和生物學(xué)研究之間學(xué)科交叉的廣闊研究領(lǐng)域。在對生物神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行分析和借鑒的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外各 研究單位先后研發(fā)了一系列的仿生學(xué)機(jī)器人，模仿生物、從事生物特點(diǎn)工作，并力求能達(dá)到盡可能高的生物相似度水平，以實(shí)現(xiàn)流暢自然的動(dòng)作和神經(jīng)反射，到達(dá)更加完美可靠的運(yùn)動(dòng)控制效果。鑒于目前的仿生機(jī)器人研究在仿生效果、能源消耗、實(shí)際用途、科技應(yīng)用等各方面仍存在很大的研究空間，因此在仿生研究的基礎(chǔ)上，保留機(jī)器本身的輪式運(yùn)動(dòng)的同時(shí)結(jié)合生物腿式運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一款擁有輪式快速運(yùn)動(dòng)和腿式適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)的節(jié)肢機(jī)器人是一個(gè)有很高研究價(jià)值和應(yīng)用前景的工作。其中日本千葉理工學(xué)院設(shè)計(jì)的Halluc II型八足機(jī)器人兼具上述運(yùn)動(dòng)特色。但由于此機(jī)器人只有腿部的創(chuàng)新，各個(gè)運(yùn)動(dòng)足之間使用一塊平板連接的設(shè)計(jì)不能展現(xiàn)擺動(dòng)、起伏類動(dòng)作，限制了此類輪足式機(jī)器人的姿態(tài)展示。增加腰椎結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對每組運(yùn)動(dòng)足實(shí)現(xiàn)模塊化連接，使每組運(yùn)動(dòng)足實(shí)現(xiàn)不同角度與方向的姿態(tài)變化正是多關(guān)節(jié)模塊化的鏈節(jié)式機(jī)器人所研究完成的工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為一種可以實(shí)現(xiàn)模塊化組合的多關(guān)節(jié)鏈節(jié)式機(jī)器人。該機(jī)器人采用模塊化的開鏈結(jié)構(gòu)，每個(gè)模塊有十二個(gè)自由度，每個(gè)自由度都由舵機(jī)或直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成。機(jī)器人的每個(gè)運(yùn)動(dòng)足由四個(gè)曲臂關(guān)節(jié)和一個(gè)輪足組成，共有五個(gè)主動(dòng)自由度，兩個(gè)對稱布置的運(yùn)動(dòng)足組成一對關(guān)節(jié)，兩對關(guān)節(jié)之間通過鏈節(jié)式腰部關(guān)節(jié)連接，腰部關(guān)節(jié)有兩個(gè)主動(dòng)自由度，可實(shí)現(xiàn)在四個(gè)相互垂直方向上的靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。通過模塊化組合，該機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)輪式和腿式、直行與擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性的有機(jī)融合，使其既有腿式機(jī)器人地形適應(yīng)能力強(qiáng)、跨越障礙特性好和機(jī)身姿態(tài)靈活多變的優(yōu)點(diǎn)，又有輪式機(jī)器人機(jī)動(dòng)速度快、平衡能力好的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)腰部寬度的設(shè)計(jì)，使得機(jī)器人在前進(jìn)或后退時(shí)的步長和運(yùn)動(dòng)能滿足不干涉條件。多對運(yùn)動(dòng)足之間的協(xié)調(diào)配合可使機(jī)器人能完成幾十種運(yùn)動(dòng)步態(tài)，并能跨越一定高度的障礙物。其中，模塊化的設(shè)計(jì)思想，可以實(shí)現(xiàn)2組模塊以上的任意組模塊拼接，通過模塊靈活地進(jìn)行增減實(shí)現(xiàn)不同的步態(tài)展現(xiàn)和運(yùn)動(dòng)套路；模塊間距設(shè)計(jì)，即腰部寬度的設(shè)計(jì)，使得機(jī)器人在前進(jìn)或后退時(shí)的步長和運(yùn)動(dòng)能滿足設(shè)計(jì)要求，不至于運(yùn)動(dòng)時(shí)前后腿相沖突；運(yùn)動(dòng)足各關(guān)節(jié)之間的距離設(shè)計(jì)，可使得機(jī)器人的各關(guān)節(jié)能在預(yù)定的角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)；運(yùn)動(dòng)足足底滾輪的斜率設(shè)計(jì)，可使得機(jī)器人在橫向側(cè)行步態(tài)時(shí)腿部彎曲的角度恰好使?jié)L輪著地點(diǎn)與地面相切。這種裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力強(qiáng)、足端可達(dá)域廣、抗干擾能力強(qiáng)、控制方便、運(yùn)動(dòng)靈活等特點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，多關(guān)節(jié)模塊化組合的鏈節(jié)式機(jī)器人設(shè)計(jì)由多組以下部件組成腿前部曲臂、腿后部曲臂、直流電機(jī)外殼、電機(jī)延伸套、輪子外套、輪芯、腿軸、腳部插板、舵機(jī)支撐架一、舵機(jī)支撐架二、舵機(jī)支撐架三、舵機(jī)支撐架四、舵機(jī)支撐架五、舵機(jī)支撐架六、舵機(jī)支撐架七、緩沖墊、腰部橫板、齒輪箱、軸承蓋、上下轉(zhuǎn)動(dòng)件、腰椎、軸承端蓋、墊片、左右轉(zhuǎn)動(dòng)件、左右連接件、沉頭螺釘、左右舵機(jī)固定架、舵機(jī)、墊片、圓柱齒輪、舵盤螺釘、舵機(jī)螺釘、舵盤、腰軸、螺釘、708c軸承、上下連接件、上下舵機(jī)固定架。其中，舵機(jī)安裝在舵機(jī)支撐架內(nèi)，直流電機(jī)安裝在直流電機(jī)外殼內(nèi)，電機(jī)支架通過螺釘固定在機(jī)體上，錐齒輪與電機(jī)軸相連。主要設(shè)計(jì)包括以下結(jié)構(gòu)①模塊間距設(shè)計(jì)通過測量可得最底端的舵機(jī)軸距離足底端橡膠底的距離和運(yùn)動(dòng)分析可知，運(yùn)動(dòng)足要能夠繞最底端的舵機(jī)軸平角旋轉(zhuǎn)，因此設(shè)計(jì)舵機(jī)軸到膠底距離以及兩足之間距離為保證使兩足能夠同時(shí)旋轉(zhuǎn)而不發(fā)生干涉。②腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過對力矩強(qiáng)度校核，設(shè)計(jì)出具有兩個(gè)腰椎一側(cè)固連，運(yùn)動(dòng)方向互為垂直的兩自由度腰部結(jié)構(gòu)。③運(yùn)動(dòng)足曲臂的設(shè)計(jì)通過對運(yùn)動(dòng)足動(dòng)作的設(shè)計(jì)要求的分析可知，曲臂由兩部分組成，通過調(diào)整尺寸，使拐角為直角。④舵機(jī)包圍結(jié)構(gòu)根據(jù)舵機(jī)的尺寸大小，來確定包圍結(jié)構(gòu)外殼的尺寸。并通過精細(xì)的測量來確定背板上和舵機(jī)對稱位置安裝軸的位置，從而保證了對稱性。此外，在設(shè)計(jì)時(shí)兩側(cè)預(yù)留出了誤差允許范圍的安裝間隙以方便調(diào)整。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(I)模塊化設(shè)計(jì)的思想，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人組裝拼接的任意性，實(shí)現(xiàn)了最大程度的步態(tài)規(guī)劃與拓展。(2)結(jié)合腿式與輪式仿生機(jī)器人的特點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)足曲臂和輪式設(shè)計(jì)使其既有腿式機(jī)器人適應(yīng)地形能力強(qiáng)、機(jī)身靈活的優(yōu)點(diǎn)，又有輪式機(jī)器人機(jī)動(dòng)速度快、機(jī)體平衡控制能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。(3)利用錐齒輪避免了電機(jī)直接承受徑向負(fù)載，提高了電機(jī)的使用壽命，增大了力矩。


附圖I為基于多關(guān)節(jié)模塊化的鏈節(jié)式機(jī)器人整體示意圖；附圖2為基于多關(guān)節(jié)模塊化的鏈節(jié)式機(jī)器人主視圖；附圖3為基于多關(guān)節(jié)模塊化的鏈節(jié)式機(jī)器人左視圖；附圖4為基于多關(guān)節(jié)模塊化的鏈節(jié)式機(jī)器人俯視圖；附圖5為基于多關(guān)節(jié)模塊化的鏈節(jié)式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)足雙足組合設(shè)計(jì)圖；附圖6為基于多關(guān)節(jié)模塊化的鏈節(jié)式機(jī)器人腰部設(shè)計(jì)裝配分解圖；附圖7為基于多關(guān)節(jié)模塊化的鏈節(jié)式機(jī)器人腰部設(shè)計(jì)主視圖；附圖8為基于多關(guān)節(jié)模塊化的鏈節(jié)式機(jī)器人腰部設(shè)計(jì)俯視圖；附圖中1_支架，2-錐齒輪，3-軸承，4-1號舵機(jī)，5-套筒，6-1號軸，7-身板，8-鍵，9-螺釘，10-腿前部曲臂，11-軸承，12-舵機(jī)支撐架一，13- 2號舵機(jī)，14-軸承，15-舵機(jī)支撐架一，16-舵機(jī)支撐架三，17-3號舵機(jī)，18-舵機(jī)支撐架五，19-舵機(jī)支撐架六，20-4號舵機(jī)，21-輪子外套，22-輪芯，23-卡箍，24-緩沖墊，25-插板，26-直流電機(jī)，27-電機(jī)支架，28-舵機(jī)支撐架六，29-舵機(jī)支撐架二，30-舵機(jī)支撐架七，31-腿后部曲臂，32-橫板，33-舵機(jī)支撐架二，34-螺母，35-舵機(jī)支撐架四，36-上下轉(zhuǎn)動(dòng)件，37-腰椎2，38-軸承端蓋，39-墊片，40-左右轉(zhuǎn)動(dòng)件，41 -左右連接件，42-沉頭螺釘M3，43-左右舵機(jī)固定架，44-舵機(jī)，45-墊片，46-圓柱齒輪，47-舵盤螺釘M2，48-舵機(jī)螺釘M3，49-舵盤，50-腰軸，51-螺釘M3，52-708C軸承，53-腰椎1，54-上下連接件，55-上下舵機(jī)固定架。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，為基于多關(guān)節(jié)模塊化的鏈節(jié)式機(jī)器人整體示意圖，由四組腰腿部模塊連接而成，是一種八足機(jī)器人。共有46個(gè)自由度，每對足之間由三組腰部連接模塊連接rfu 。如圖3所示，I號舵機(jī)通過一號軸與下部相連，避免了電機(jī)軸直接承受徑向載荷，提聞了電機(jī)的使用壽命。如圖5所示，安裝運(yùn)動(dòng)足時(shí)，舵機(jī)支撐架一(12)、舵機(jī)支撐架二(33)、舵機(jī)支撐架三(16)螺釘固連，放入2號舵機(jī)(13)后用舵機(jī)支撐架四(35)通過螺釘固連。再放入3號 舵機(jī)(17)后，通過另一組舵機(jī)支撐架一(15)、舵機(jī)支撐架二(29)、舵機(jī)支撐架五(18)、舵機(jī)支撐架三(16)固定3號舵機(jī)(17)，通過螺釘固連。再將腿前部曲臂(10)和腿后部曲臂
(31)分別固連2號(13)、3號舵機(jī)(17)的兩側(cè)舵機(jī)支架，中間用橫板(32)固定。舵機(jī)支撐架五(18)、舵機(jī)支撐架六(19)、舵機(jī)支撐架六、舵機(jī)支撐七(30)通過螺釘固定4號舵機(jī)
(20)。后用直流電機(jī)外殼固定直流電機(jī)(26)，插入插板(25)固定，后套入卡箍(23)和硬橡膠材質(zhì)緩沖墊(24)，后部套電機(jī)延伸套，前部套入輪芯(22)，裝輪子外套(21)。這樣實(shí)現(xiàn)了三個(gè)舵機(jī)為主動(dòng)自由度和一個(gè)直流電機(jī)為主動(dòng)自由度的組裝。與此過程類似，完成另一四自由度腿部組裝后，通過一個(gè)連接平板可連接兩部分機(jī)構(gòu)，在舵機(jī)支撐架四上部通過軸承與連接板相連，連接板上部通過支架用螺釘固定I號舵機(jī)，后用錐齒輪嚙合I號軸，I號軸通過軸承連接2號舵機(jī)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)單運(yùn)動(dòng)足五個(gè)主動(dòng)自由度，雙足連接十個(gè)主動(dòng)自由度的運(yùn)動(dòng)足組裝。利用I號軸通過連接板上的孔插入軸承內(nèi)圈，避免了電機(jī)軸直接承受徑向載荷，提高了電機(jī)的使用壽命，同時(shí)連接板下3個(gè)舵機(jī)的布置為腿部的側(cè)向擺動(dòng)提供了更強(qiáng)的動(dòng)力。如圖6所示，安裝腰部結(jié)構(gòu)時(shí)，將腰椎1(53)與腰椎2(37)用四個(gè)螺釘固連，腰椎2(37)與左右轉(zhuǎn)動(dòng)件(40)通過腰軸(50)相連，可使腰部帶動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)水平方向繞軸運(yùn)動(dòng)。將腰椎2(37)與上下轉(zhuǎn)動(dòng)件(36)通過軸承相連，可使腰部帶動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)垂直方向繞軸運(yùn)動(dòng)。將上下轉(zhuǎn)動(dòng)件(36)與上下連接件(54)通過四個(gè)螺釘固連，放入舵機(jī)(55)后利用舵機(jī)支撐架連接到支撐平板上。將左右轉(zhuǎn)動(dòng)件(40)與左右連接件(41)固連后放入舵機(jī)(44)，用上下舵機(jī)固定架(55)固定。在腰軸(50)外固連圓柱齒輪(46)，以實(shí)現(xiàn)嚙合平板齒輪。將腰椎連接部件與運(yùn)動(dòng)足的腿部曲臂(10)和輪腿式(21)結(jié)構(gòu)通過模塊化組合，實(shí)現(xiàn)不同模塊數(shù)量的裝配與步態(tài)規(guī)劃。
權(quán)利要求
1.一種基于模塊化的多關(guān)節(jié)鏈節(jié)式機(jī)器人，具備模塊化的構(gòu)造特點(diǎn)，其基本運(yùn)動(dòng)單元可按模塊化思想進(jìn)行組合，以實(shí)現(xiàn)2組模塊以上的任意組模塊拼接，通過模塊的適當(dāng)增減可使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)不同的步態(tài)展示和運(yùn)動(dòng)效果；模塊間連接結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，在保證機(jī)器人連接牢靠、傳動(dòng)穩(wěn)定、轉(zhuǎn)向靈活的前提下，可使機(jī)器人在前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向時(shí)的姿態(tài)變化和運(yùn)動(dòng)特性滿足設(shè)計(jì)要求，不發(fā)生肢體沖突和結(jié)構(gòu)干涉。
2.一種基于模塊化的多關(guān)節(jié)鏈節(jié)式機(jī)器人，其特征在于腰椎1(53)與腰椎2(37)用四個(gè)螺釘固連，腰椎2 (37)與左右轉(zhuǎn)動(dòng)件(40)通過腰軸(50)相連，可使腰部帶動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)水平方向繞軸運(yùn)動(dòng)。腰椎2(37)與上下轉(zhuǎn)動(dòng)件(36)通過軸承相連，可使腰部帶動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)垂直方向繞軸運(yùn)動(dòng)。上下轉(zhuǎn)動(dòng)件(36)與上下連接件(54)通過四個(gè)螺釘固連，放入舵機(jī)(55)后利用舵機(jī)支撐架連接到支撐平板上。左右轉(zhuǎn)動(dòng)件(40)與左右連接件(41)固連后放入舵機(jī)(44)，用上下舵機(jī)固定架(55)固定。在腰軸(50)外固連圓柱齒輪(46)，以實(shí)現(xiàn)與平板齒輪的嚙合。腰椎連接部件與運(yùn)動(dòng)足的腿部曲臂(10)和輪腿式(21)結(jié)構(gòu)通過模塊化組合，實(shí)現(xiàn)不同模塊數(shù)量的裝配與步態(tài)規(guī)劃。
全文摘要
本發(fā)明為一種可以實(shí)現(xiàn)模塊化組合的多關(guān)節(jié)鏈節(jié)式機(jī)器人。該機(jī)器人采用模塊化的開鏈結(jié)構(gòu)，每個(gè)模塊有十二個(gè)自由度，每個(gè)自由度都由舵機(jī)或直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成。機(jī)器人的每個(gè)運(yùn)動(dòng)足由四個(gè)曲臂關(guān)節(jié)和一個(gè)輪足組成，共有五個(gè)主動(dòng)自由度，兩個(gè)對稱布置的運(yùn)動(dòng)足組成一對關(guān)節(jié)，兩對關(guān)節(jié)之間通過鏈節(jié)式腰部關(guān)節(jié)連接，腰部關(guān)節(jié)有兩個(gè)主動(dòng)自由度，可實(shí)現(xiàn)在四個(gè)相互垂直方向上的靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。通過模塊化組合，該機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)輪式和腿式、直行與擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性的有機(jī)融合，使其既有腿式機(jī)器人地形適應(yīng)能力強(qiáng)、又有輪式機(jī)器人機(jī)動(dòng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)腰部寬度的設(shè)計(jì)，使得機(jī)器人在前進(jìn)或后退時(shí)的步長和運(yùn)動(dòng)能滿足不干涉條件。多對運(yùn)動(dòng)足之間的協(xié)調(diào)配合可使機(jī)器人能完成幾十種運(yùn)動(dòng)步態(tài)，并能跨越一定高度的障礙物。
文檔編號B62D57/02GK102616295SQ20121010327
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月9日
發(fā)明者毛明哲, 羅慶生, 莫洋, 趙佳馨, 韓寶玲, 魏天騏 申請人:北京理工大學(xué)