專利名稱：一種四足攀爬機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種具有攀爬能力的仿生四足機(jī)器人。
背景技術(shù)：
隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代生活中機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用日益增多。攀爬機(jī)器人是應(yīng)用較為廣泛的機(jī)器人之一，并且應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。在民用領(lǐng)域中，高塔檢修、環(huán)境監(jiān)測(cè)、樹(shù)木防病蟲(chóng)害、電線架設(shè)和檢修、路燈維修和更換等高空作業(yè)中，攀爬機(jī)器人可以替代人進(jìn)行此類危險(xiǎn)作業(yè)；在軍用領(lǐng)域中，可在戰(zhàn)場(chǎng)上用于隱蔽偵查和物資運(yùn)送等任務(wù)?，F(xiàn)有的攀爬機(jī)器人有伸縮式、翻轉(zhuǎn)式、繞爬式，但這些攀爬方式存在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性差，身體各部分的活動(dòng)范圍較小，爬行負(fù)載小和能量利用率低的問(wèn)題。發(fā)明專利CN101695835A中公開(kāi)了一種智能翻轉(zhuǎn)式的攀爬機(jī)器人，該機(jī)器人具有夾緊手爪、旋轉(zhuǎn)臂和翻轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)，使用翻轉(zhuǎn)式攀爬方式。但由于夾緊手爪是主動(dòng)夾緊方式，故一部分能量浪費(fèi)在提供的夾緊力方面。在專利CN101492073A中描述了一種遙控爬桿爬繩機(jī)器人，該機(jī)器人具有上自鎖機(jī)架和下自鎖機(jī)架，可以將機(jī)器人自鎖在桿體上，但自鎖的驅(qū)動(dòng)力是由自鎖電機(jī)提供，不是靠自身重力作用實(shí)現(xiàn)自鎖?，F(xiàn)有公開(kāi)的文獻(xiàn)，“A Climbing Parallel Robot”論文中提出了一種攀爬機(jī)器
人，機(jī)器人具有一種多功能夾持裝置，可以使機(jī)器人在管道內(nèi)、管道外、金屬塔架上攀爬，但夾持裝置是主動(dòng)夾緊方式，故需要提供額外的能量用于夾緊。

實(shí)用新型內(nèi)容為了避免現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，克服其攀爬時(shí)爬行負(fù)載小、能量利用率低的問(wèn)題，本實(shí)用新型提出一種四足攀爬機(jī)器人；通過(guò)模仿樹(shù)懶的體形結(jié)構(gòu)及攀爬樹(shù)木方式，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人抱住桿體進(jìn)行攀爬的結(jié)構(gòu)。機(jī)器人攀爬桿體時(shí)，根據(jù)桿體直徑大小產(chǎn)生傾斜角度，手部和足部與桿體之間存在相互作用的壓力，產(chǎn)生摩擦力使機(jī)器人在自身重力作用下自鎖在桿體上，不需要特殊的夾緊機(jī)構(gòu)，可節(jié)省能量消耗，提高機(jī)器人能量利用率。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是四足攀爬機(jī)器人由軀干、上肢、下肢組成，包括軀干側(cè)板、軀干橫板、手部、腕部舵機(jī)、前臂、肘部舵機(jī)、后臂、肩部舵機(jī)、髖部舵機(jī)、大腿、膝部舵機(jī)、小腿、足部、舵機(jī)套、楔形塊、驅(qū)動(dòng)軸，所述軀干側(cè)板為兩個(gè)相互平行呈拱形板件，四個(gè)結(jié)構(gòu)相同的軀干橫板平行等距位于兩軀干側(cè)板之間，且與軀干側(cè)板垂直固連；肩部舵機(jī)位于兩軀干側(cè)板上部外側(cè)，通過(guò)舵機(jī)套和楔形塊與軀干側(cè)板固連；肘部舵機(jī)通過(guò)后臂與肩部舵機(jī)連接；腕部舵機(jī)位于手部和前臂之間；前臂的一端通過(guò)舵機(jī)套與肘部舵機(jī)固連，另一端與腕部舵機(jī)固連；兩個(gè)髖部舵機(jī)位于軀干側(cè)板下部的內(nèi)側(cè)，大腿位于髖部舵機(jī)和膝部舵機(jī)之間；小腿前端與足部連接，后部和膝部舵機(jī)固連；肩部轉(zhuǎn)動(dòng)副在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，肘部和腕部轉(zhuǎn)動(dòng)副在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，髖部和膝部轉(zhuǎn)動(dòng)副在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)；[0008]所述后臂為兩個(gè)相同的凹形板件，端部和底面中間部位均布安裝孔，外部底面相互垂直連接；所述前臂為兩個(gè)相同且同側(cè)向連接部位傾斜的凹形板件，端部和底面中間部位均布安裝孔，外部底面互相貼合連接；所述手部為兩個(gè)相同的弧形桿件，兩個(gè)桿件的一端分別設(shè)有豎向連接孔；所述大腿為兩個(gè)相同的凹形板件，兩端部和底面中間部位均布安裝孔，外部底面互相貼合連接，大腿的一端與髖部舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸連接，另一端與膝部舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸連接；所述小腿為兩個(gè)寬窄不同的凹形板件，兩端部和底面中間部位均布安裝孔，兩個(gè)凹形板件底面相貼合連接，小腿的一端與足部固連，另一端通過(guò)舵機(jī)套與膝部舵機(jī)固連；所述足部為兩個(gè)相同的弧形桿件，兩個(gè)桿件的一端分別設(shè)有豎向連接孔。所述楔形塊的角度為8-12°。所述前臂兩凹形板件側(cè)向夾角為75-80°。本實(shí)用新型的有益效果是四足攀爬機(jī)器人，包括軀干、上肢、下肢、手部和足部，肩部舵機(jī)位于兩軀干側(cè)板上部，肘部舵機(jī)通過(guò)后臂與肩部舵機(jī)連接；腕部舵機(jī)位于手部和前臂之間；髖部舵機(jī)位于兩軀干側(cè)板下部的內(nèi)側(cè)，大腿位于髖部舵機(jī)和膝部舵機(jī)之間；小腿與足部和膝部舵機(jī)固連。肩部轉(zhuǎn)動(dòng)副在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，肘部和腕部轉(zhuǎn)動(dòng)副在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，髖部和膝部轉(zhuǎn)動(dòng)副在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)模仿動(dòng)物的體形結(jié)構(gòu)及攀爬樹(shù)木方式，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人抱住桿體進(jìn)行攀爬的結(jié)構(gòu)。當(dāng)本攀爬機(jī)器人抱住桿體時(shí)，根據(jù)桿體直徑大小產(chǎn)生一定角度的傾斜，使手部和足部與桿體之間有相互作用的壓力，以產(chǎn)生足夠的摩擦力使機(jī)器人能夠在自身重力作用下自鎖在桿體上，而不需要特殊的夾緊機(jī)構(gòu)，從而節(jié)省能量消耗，提高機(jī)器人能量利用率。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型一種四足攀爬機(jī)器人作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。


圖1為本實(shí)用新型四足攀爬機(jī)器人示意圖。圖2為腕部舵機(jī)示意圖。圖3為舵機(jī)套結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為楔形塊裝配示意圖。圖5為手部與腕部結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為后臂結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為前臂結(jié)構(gòu)示意圖。圖8為大腿結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為小腿結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10為機(jī)器人攀爬桿體的三維示意圖。
圖11為機(jī)器人攀爬桿體的側(cè)面視圖。圖中1.手部2.腕部舵機(jī)3.前臂4.肘部舵機(jī)5.舵機(jī)套6.后臂7.肩部舵機(jī)8.楔形塊9.軀干側(cè)板10.軀干橫板11.髖部舵機(jī)12.大腿13.膝部舵機(jī)14.小腿15.足部16.舵機(jī)安裝孔17.驅(qū)動(dòng)軸具體實(shí)施方式
本實(shí)施例是一種四足攀爬機(jī)器人，通過(guò)模仿動(dòng)物的身體結(jié)構(gòu)及其攀爬樹(shù)桿方式，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人抱住桿體進(jìn)行攀爬的結(jié)構(gòu)。當(dāng)攀爬機(jī)器人在桿體上靜止不動(dòng)時(shí)，機(jī)身會(huì)根據(jù)桿體直徑大小產(chǎn)生一定角度的傾斜，并且手部抱住桿體,足部攀蹬住桿體。手部和足部與桿體之間存在壓力，當(dāng)傾斜角度在恰當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)時(shí)，壓力可產(chǎn)生足夠的摩擦力使機(jī)器人在桿體上保持平衡。機(jī)器人在自身重力作用下自鎖在桿體上，實(shí)現(xiàn)攀爬的動(dòng)作。參閱
圖1-
圖11，本實(shí)用新型四足攀爬機(jī)器人包括手部1、腕部舵機(jī)2、前臂3、肘部舵機(jī)4、舵機(jī)套5、后臂6、肩部舵機(jī)7、楔形塊8、軀干側(cè)板9、軀干橫板10、髖部舵機(jī)11、大腿12、膝部舵機(jī)13、小腿14、足部15、舵機(jī)安裝孔16、驅(qū)動(dòng)軸17。兩個(gè)肩部舵機(jī)7分別位于兩軀干側(cè)板9上部外側(cè)，并通過(guò)舵機(jī)套5和楔形塊8與軀干側(cè)板9連接；肘部舵機(jī)4通過(guò)后臂6與肩部舵機(jī)7連接；腕部舵機(jī)2通過(guò)前臂3和舵機(jī)套5與肘部舵機(jī)4連接；手部I通過(guò)上下兩個(gè)階梯形金屬板與腕部舵機(jī)2連接；四個(gè)軀干橫板10位于兩軀干側(cè)板9之間，軀干橫板10兩端與軀干側(cè)板9固定連接；兩個(gè)髖部舵機(jī)11位于軀干側(cè)板9下部的內(nèi)側(cè)，通過(guò)舵機(jī)套5與軀干側(cè)板9連接；膝部舵機(jī)13通過(guò)大腿12與髖部舵機(jī)11連接；足部15通過(guò)小腿14和舵機(jī)套5與膝部舵機(jī)13連接。舵機(jī)套5上有舵機(jī)安裝孔16，舵機(jī)通過(guò)舵機(jī)安裝孔16與舵機(jī)套5固連，舵機(jī)套5安裝在舵機(jī)外面。楔形塊8是一個(gè)角度為8-12°的金屬楔，楔形塊8的兩邊斜面，一面緊貼于舵機(jī)套5底面并通過(guò)安裝孔與舵機(jī)套5固連，另一面緊貼于軀干側(cè)板9外側(cè)并通過(guò)安裝孔與軀干側(cè)板9固連。如圖5所示，連接手部I和腕部舵機(jī)2的兩個(gè)階梯形金屬片分別對(duì)稱安裝于腕部舵機(jī)2的上下兩側(cè)，構(gòu)成了一端寬、一端窄的手部I連接結(jié)構(gòu)，寬的一端通過(guò)安裝孔與腕部舵機(jī)2的驅(qū)動(dòng)軸17固連，窄的一端通過(guò)安裝孔與手部I固連，構(gòu)成了腕部轉(zhuǎn)動(dòng)副。如圖6所示，后臂6由相同的兩個(gè)凹形件于底面互相貼合連接，兩凹形件通過(guò)底部的安裝孔固連，并相互垂直成十字交叉狀；后臂6的一端與肩部舵機(jī)7的驅(qū)動(dòng)軸17連接，另一端與肘部舵機(jī)4的驅(qū)動(dòng)軸17連接，構(gòu)成肩部和肘部的轉(zhuǎn)動(dòng)副。如圖7所示，前臂3由相同的兩個(gè)傾斜的凹形件于底面互相貼合連接，凹形件底面和側(cè)面的夾角為75-80° ;兩凹形件通過(guò)底部的安裝孔固連；前臂3的一端通過(guò)安裝孔與肘部的舵機(jī)套5固連，另一端與腕部的舵機(jī)套5固連。兩上肢前臂3成150-160°彎折狀。如圖8所示，大腿12由相同的兩個(gè)凹形件于底面互相貼合連接，兩凹形件通過(guò)底部的安裝孔固定連接；大腿12的一端與髖部舵機(jī)11的驅(qū)動(dòng)軸17連接，另一端與膝部舵機(jī)13的驅(qū)動(dòng)軸17連接，構(gòu)成髖部和膝部的轉(zhuǎn)動(dòng)副。如圖9所示，小腿14由兩個(gè)不同的凹形件于底面互相貼合連接，兩凹形件通過(guò)底部的安裝孔固連；小腿14的的一端通過(guò)安裝孔與足部15固連，另一端通過(guò)安裝孔與膝部的舵機(jī)套5固連。如
圖1所示，肩部轉(zhuǎn)動(dòng)副在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，髖部和膝部轉(zhuǎn)動(dòng)副在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)上肢位于水平位置時(shí)，肘部舵機(jī)4和腕部舵機(jī)2構(gòu)成的肘部和腕部轉(zhuǎn)動(dòng)副在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。參見(jiàn)10、
圖11，本實(shí)用新型機(jī)器人的兩個(gè)手部I抱住桿體，兩足部15也分別攀蹬住桿體，在機(jī)器人自身的重力作用下，機(jī)器人的重心對(duì)足部15與桿體的接觸點(diǎn)存在一個(gè)逆時(shí)針?lè)较虻牧?；故在桿體和機(jī)器人的手部I之間，桿體和足部15之間存在壓力，壓力產(chǎn)生的摩擦力使機(jī)器人在桿體上保持平衡，即保持自鎖狀態(tài)。攀爬機(jī)器人采用對(duì)角步態(tài)，即左上肢和右下肢同時(shí)運(yùn)動(dòng)，右上肢和左下肢同時(shí)運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人的攀爬過(guò)程與動(dòng)物樹(shù)懶爬樹(shù)過(guò)程相似，當(dāng)機(jī)器人開(kāi)始向上攀爬時(shí)，首先控制左手和右足離開(kāi)桿體，再使機(jī)器人左肩關(guān)節(jié)和右膝關(guān)節(jié)向上轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)控制機(jī)器人的右肩關(guān)節(jié)和左膝關(guān)節(jié)向下轉(zhuǎn)動(dòng)，但右手和左足仍自鎖在桿體上，從而帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)右肩關(guān)節(jié)和左膝關(guān)節(jié)的角度轉(zhuǎn)動(dòng)到與攀爬開(kāi)始前左肩關(guān)節(jié)和右膝關(guān)節(jié)的角度相同時(shí)，左肩關(guān)節(jié)和右膝關(guān)節(jié)的角度也轉(zhuǎn)動(dòng)到與攀爬開(kāi)始前右肩關(guān)節(jié)和左膝關(guān)節(jié)相同的角度位置，同時(shí)左手和右足重新抱緊桿體；即左上肢和右下肢的關(guān)節(jié)角度與右上肢和左下肢的關(guān)節(jié)角度對(duì)換。攀爬過(guò)程的第二步與第一步相似，首先控制右手和左足離開(kāi)桿體，再使機(jī)器人右肩關(guān)節(jié)和左膝關(guān)節(jié)向上轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)控制機(jī)器人的左肩關(guān)節(jié)和右膝關(guān)節(jié)向下轉(zhuǎn)動(dòng)，但左手和右足仍自鎖在桿體上，帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人再次向上運(yùn)動(dòng)。一按上述攀爬動(dòng)作，機(jī)器人只需不斷重復(fù)做攀爬動(dòng)作便可一直向上攀爬桿體。
權(quán)利要求1.一種四足攀爬機(jī)器人，由軀干、上肢、下肢組成，其特征在于包括軀干側(cè)板、軀干橫板、手部、腕部舵機(jī)、前臂、肘部舵機(jī)、后臂、肩部舵機(jī)、髖部舵機(jī)、大腿、膝部舵機(jī)、小腿、足部、舵機(jī)套、楔形塊、驅(qū)動(dòng)軸，所述軀干側(cè)板為兩個(gè)相互平行呈拱形板件，四個(gè)結(jié)構(gòu)相同的軀干橫板平行等距位于兩軀干側(cè)板之間，且與軀干側(cè)板垂直固連；肩部舵機(jī)位于兩軀干側(cè)板上部外側(cè)，通過(guò)舵機(jī)套和楔形塊與軀干側(cè)板固連；肘部舵機(jī)通過(guò)后臂與肩部舵機(jī)連接；腕部舵機(jī)位于手部和前臂之間；前臂的一端通過(guò)舵機(jī)套與肘部舵機(jī)固連，另一端與腕部舵機(jī)固連；兩個(gè)髖部舵機(jī)位于軀干側(cè)板下部的內(nèi)側(cè)，大腿位于髖部舵機(jī)和膝部舵機(jī)之間；小腿前端與足部連接，后部和膝部舵機(jī)固連；肩部轉(zhuǎn)動(dòng)副在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，肘部和腕部轉(zhuǎn)動(dòng)副在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，髖部和膝部轉(zhuǎn)動(dòng)副在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)；所述后臂為兩個(gè)相同的凹形板件，端部和底面中間部位均布安裝孔，外部底面相互垂直連接；所述前臂為兩個(gè)相同且同側(cè)向連接部位傾斜的凹形板件，端部和底面中間部位均布安裝孔，外部底面互相貼合連接；所述手部為兩個(gè)相同的弧形桿件，兩個(gè)桿件的一端分別設(shè)有豎向連接孔；所述大腿為兩個(gè)相同的凹形板件，兩端部和底面中間部位均布安裝孔，外部底面互相貼合連接，大腿的一端與髖部舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸連接，另一端與膝部舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸連接；所述小腿為兩個(gè)寬窄不同的凹形板件，兩端部和底面中間部位均布安裝孔，兩個(gè)凹形板件底面相貼合連接，小腿的一端與足部固連，另一端通過(guò)舵機(jī)套與膝部舵機(jī)固連；所述足部為兩個(gè)相同的弧形桿件，兩個(gè)桿件的一端分別設(shè)有豎向連接孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種四足攀爬機(jī)器人，其特征在于所述楔形塊的角度為 8-12° 。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種四足攀爬機(jī)器人，其特征在于所述前臂兩凹形板件側(cè)向夾角為75-80°。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種四足攀爬機(jī)器人,包括軀干、上肢、下肢、手部和足部，肩部舵機(jī)位于兩軀干側(cè)板上部，肘部舵機(jī)通過(guò)后臂與肩部舵機(jī)連接；腕部舵機(jī)位于手部和前臂之間；髖部舵機(jī)位于兩軀干側(cè)板下部的內(nèi)側(cè)，大腿位于髖部舵機(jī)和膝部舵機(jī)之間；小腿與足部和膝部舵機(jī)固連。肩部轉(zhuǎn)動(dòng)副在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，肘部和腕部轉(zhuǎn)動(dòng)副在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，髖部和膝部轉(zhuǎn)動(dòng)副在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)模仿動(dòng)物的體形結(jié)構(gòu)及攀爬樹(shù)木方式，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人抱住桿體進(jìn)行攀爬的結(jié)構(gòu)。機(jī)器人攀爬桿體時(shí)與桿體產(chǎn)生傾斜角度，手部和足部與桿體間相互作用產(chǎn)生摩擦力，使機(jī)器人在自身重力作用下自鎖在桿體上，不需其它夾緊機(jī)構(gòu)，既節(jié)省能耗，又可提高機(jī)器人能量利用率。
文檔編號(hào)B62D57/024GK202847865SQ20122047740
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者王潤(rùn)孝, 張曉宇, 馮華山, 苗新聰, 宋可清 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)