專利名稱：模塊化機(jī)械螃蟹的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計具有兩棲活動和自翻轉(zhuǎn)能力的仿生機(jī)械螃蟹。
背景技術(shù)：
仿生學(xué)(Bionics)是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一門綜合性邊緣科學(xué)，它由生命科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)科相互滲透、相互結(jié)合而成，通過學(xué)習(xí)、模仿、復(fù)制和再造生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、工作原理及控制機(jī)制，來改進(jìn)現(xiàn)有的或創(chuàng)造性的機(jī)械、儀器、建筑和工藝過程。仿生機(jī)器人這門學(xué)科產(chǎn)生和存在的前提就在于，生物經(jīng)過了長期的自然選擇進(jìn)化而來，在結(jié)構(gòu)、功能執(zhí)行、信息處理、環(huán)境適應(yīng)、自主學(xué)習(xí)等多方面具有高度的合理性、科學(xué)性和進(jìn)步性。而非結(jié)構(gòu)化的、未知的工作環(huán)境、復(fù)雜的精巧的高難度的工作任務(wù)和對于高精確度、高靈活性、高可靠性、高魯棒性、高智能性的目標(biāo)需求則是仿生機(jī)器人提出和發(fā)展的客觀動力。
仿生機(jī)器人的類型很多。為對其有清楚的認(rèn)識，按其模仿特性進(jìn)行分類。其中，仿人手臂型主要是研究7自由度和多自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)器人操作臂、多指靈巧手及手臂和靈巧手的組合；仿人雙足型主要是研究雙足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)；宏型仿非人生物機(jī)器人主要是研究多足步行機(jī)器人(四足、六足、八足)，蛇形機(jī)器人，水下魚形機(jī)器人等，其體積結(jié)構(gòu)較大；微型仿非人生物機(jī)器人主要是研究各類昆蟲型機(jī)器人，如仿尺蠖蟲行進(jìn)方式的爬行機(jī)器人，微型機(jī)器狗，蟋蟀微機(jī)器人，蟑螂微機(jī)器人，蝗蟲微機(jī)器人等。仿生機(jī)器人的主要特點一是多為冗余自由度或超冗余自由度的機(jī)器人，機(jī)構(gòu)復(fù)雜；二是其驅(qū)動方式有些不同于常規(guī)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，采用繩索或人造肌肉驅(qū)動。
由于仿生機(jī)器人所具有的靈巧動作對于人類的生產(chǎn)和科學(xué)研究活動有著極大的幫助，所以，自80年代中期來，機(jī)器人科學(xué)家們就開始了有關(guān)仿生機(jī)器人的研究。步行機(jī)器人的研究水平是隨著控制水平的提高而不斷發(fā)展起來的，經(jīng)歷了由早期的機(jī)械式、近期具有簡單的控制方式到現(xiàn)在由電子計算機(jī)控制的過程。下面是國內(nèi)外制作出的仿生多足步行機(jī)器人。
1.Lemur系列六足步行機(jī)器人美國國家航空和宇宙航行局(NASA)研制成功了用于執(zhí)行多重太空任務(wù)的六足機(jī)器人Lemur--Limbed Excursion Mechanical Utility Robot。該機(jī)器人是模仿螃蟹腿的結(jié)構(gòu)與章魚的身體外形特點設(shè)計的，它具有6只機(jī)械手“腳”，機(jī)械手“腳”上裝備有可折疊工具，6只“腳”與一個圓形殼體相連。每只機(jī)械手有四個運(yùn)動自由度和一個操作自由度，分別是肩部三個方向的轉(zhuǎn)動自由度，肘部一個俯仰的自由度和機(jī)械手爪的加緊自由度。整個機(jī)器人重12千克，每只腳安裝有一組用來解決不同任務(wù)的工具，Lemur可以用三只腳站立保持平衡狀態(tài)，這時它可以用另外兩只腳作業(yè)，四只腳支撐地面，一只腳再擰螺栓，另一只腳裝有手電筒給前一只腳照明。借助于安裝在旋轉(zhuǎn)平臺上的兩臺立體照相機(jī)，Lemur可以不轉(zhuǎn)動圓形殼體而觀察任何方向。
2.水下自主行走裝置(ALUV)為了對付岸邊的水雷，美國羅克威爾公司及IS機(jī)器人公司在DARPA資助下研制了一種名叫“水下自主行走裝置”(Autonomous Legged Underwater Vehicle，ALUV)的機(jī)器人，它是仿造螃蟹的外形制造的。它抗撞擊，電子部件全部包在防水的體腔中，每條足有兩個自由度，具有兩棲運(yùn)動性能。這種機(jī)器蟹可以隱藏在海浪下面，在水中行走，迅速通過岸邊的浪區(qū)。當(dāng)風(fēng)浪太大時，它可以將腳埋入泥沙中，通過振動，甚至可將整個身子都隱藏在泥沙中。ALUV長約56厘米，重10.4公斤，包括一個3.17公斤重的壓載物。為了攜帶傳感器，它的腳比較大，便于發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。當(dāng)它遇到水雷時，就把它抓住，然后等待近海登陸艇上的控制中心的命令。一旦收到信號，這個小東西就會自己爆炸，同時引爆水雷。
3.Hamlet仿昆蟲六足步行機(jī)器人新西蘭的坎特伯雷大學(xué)(University of Canterbury)在2000年底研制成功了一種微型伺服電機(jī)驅(qū)動的六足步行機(jī)器人，它是以竹節(jié)蟲為生物模擬對象的具有全方位步態(tài)的步行機(jī)器人。該機(jī)器人共有六條三關(guān)節(jié)的步行足，單個關(guān)節(jié)由一臺功率為10W的Maxon電機(jī)驅(qū)動通過齒輪箱減速輸出4.5Nm的扭矩。每條步行足端部裝有一個框架應(yīng)變結(jié)構(gòu)的三維力傳感器，并使用碳纖維包覆的保護(hù)鞘對接觸地面的足端進(jìn)行保護(hù)。該機(jī)器人采用二級分布式控制框架，硬件部分采用了集成了2個TMS320C44芯片的集成控制板卡對關(guān)節(jié)驅(qū)動信號和力、姿態(tài)傳感器信號進(jìn)行處理運(yùn)算。該機(jī)器人尺寸為650mm×500mm×400mm，重12.7kg，能以0.2m/s的平均速度在復(fù)雜地形中自主行走運(yùn)動，并具有越障能力。
4.波士頓動力公司系列機(jī)器人2006年7月，波士頓動力公司在美國海軍陸戰(zhàn)隊的“New River”基地展示了兩部最新研制的四腿機(jī)器人——“BIG DOG”?！按蠊贰辈坏軌蛐凶吆捅寂埽疫€可跨越一定高度的障礙物。該機(jī)器人的動力來自一部帶有液壓系統(tǒng)的汽油發(fā)動機(jī)?！按蠊贰钡乃臈l腿完全模仿動物的四肢設(shè)計，內(nèi)部安裝有特制的減震裝置。機(jī)器人的長度為1米，高70厘米，重量為75千克?！按蠊贰睓C(jī)器人的內(nèi)部安裝有一臺計算機(jī)，可根據(jù)環(huán)境的變化調(diào)整行進(jìn)姿態(tài)。而大量的傳感器則能夠保障操作人員實時地跟蹤“大狗”的位置并監(jiān)測其系統(tǒng)狀況。這種機(jī)器人的行進(jìn)速度可達(dá)到5千米/小時，能夠攀越35度的斜坡，最多可攜帶重量為50千克的武器和其他物資。
5.西班牙工業(yè)協(xié)會四足機(jī)器人(SILO4)
西班牙工業(yè)自動化協(xié)會研制了四足機(jī)器人——SILO4。此機(jī)器人的結(jié)構(gòu)具有以下特征體積310×300×300mm3，總重30Kg，最大速度1.5m/min，承載能力15Kg，跨越障礙物最大高度250mm。SILO4每條腿有3各關(guān)節(jié)也就有3個自由度，全部由直流伺服電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)鑲嵌在身體內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊，采用環(huán)面蝸輪蝸桿傳動。其足部為被動萬向關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，有3個自由度，可以根據(jù)地面情況自動調(diào)整姿態(tài)。在軸線垂直于小腿的兩個關(guān)節(jié)上加了電位計，用于角度測量。
6.德國Bremen大學(xué)仿蝎子八足步行機(jī)器人德國Bremen大學(xué)研制了仿蝎子八足步行機(jī)器人。此機(jī)器人總長65cm，寬40cm。重11.5kg。由24V、6W直流電機(jī)驅(qū)動。它的設(shè)計本著模塊化思想，關(guān)節(jié)形式是相同的。在它的末梢部裝有彈性元件，以減小機(jī)械壓力。在末端通過線性電位計測量著地點的接觸力?？刂朴布捎肕otorola MPC555微控器及Xilinx Virtex E FPGA做控制芯片。MPC555被用來處理非腿部信號，及行為層控制。FPGA芯片被用來處理腿部傳感信號(包括足尖受力，關(guān)節(jié)位置，和電機(jī)的驅(qū)動電流)以及對關(guān)節(jié)位置的PID控制?？刂撇呗陨暇C合CPG和Reflex反饋控制的優(yōu)點，建立了基于常規(guī)行為動作和反饋動作的行為單元(RMB)及姿態(tài)控制單元(PMB)。
國內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域的研究起步較晚，從20世紀(jì)80年代開始研究步行機(jī)，目前有北航、上海交大、北科大、國防科大、東南大學(xué)、沈陽自動化所和哈工大等科研院所正在從事仿生機(jī)器人的研究，并取得了一系列的成果。
1980年，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所采用平行四邊形和凸輪機(jī)構(gòu)研制出一臺八足螃蟹式步行機(jī)，主要用于海底探測作業(yè)，并做了越障、爬坡和通過沼澤地的試驗。
1989年，北京航空航天大學(xué)在張啟先教授的指導(dǎo)下，孫漢旭博士進(jìn)行了四足步行機(jī)的研究，試制成功一臺四足步行機(jī)，并進(jìn)行了步行實驗；錢晉武博士研究地壁兩用六足步行機(jī)器人，進(jìn)行了步態(tài)和運(yùn)動學(xué)方面的研究。
1990年，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制出全方位六足步行機(jī)，不僅能在平地步行，還能上樓梯。該所還研制了水下六足步行機(jī)以及采用連桿機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)動態(tài)步行的四足步行機(jī)模型。
2000年，上海交通大學(xué)馬培蓀等對第一代形狀記憶合金SMA驅(qū)動的微型六足機(jī)器人進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)出具有全方位運(yùn)動能力的微型雙三足步行機(jī)器人MDTWR。
2004年，上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所的孫安等人基于仿生學(xué)原理，通過對生態(tài)龜?shù)纳盍?xí)性、結(jié)構(gòu)特點、運(yùn)動方式的觀察與研究，設(shè)計一種兩棲仿生機(jī)器龜。此機(jī)器人具有生態(tài)龜?shù)慕Y(jié)構(gòu)形態(tài)和運(yùn)動形式，能夠進(jìn)行水陸西棲爬行，且具有好的穩(wěn)定性。
我國仿生機(jī)器蟹的基礎(chǔ)技術(shù)研究已經(jīng)開展，但目前仿生機(jī)器蟹中，錐齒輪傳動方式、電機(jī)直接驅(qū)動關(guān)節(jié)和繩輪傳動方式都使用過。前三型機(jī)器人有一個共同的缺點(1)傳動比小，承載能力差；(2)傳動間隙大；(3)無自鎖能力。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于公開一種仿生多足機(jī)器人的模塊化傳動、組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計以及基于此結(jié)構(gòu)設(shè)計的兩棲仿生機(jī)械螃蟹。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的它包括軀干和至少一對步行足，軀干上安裝有控制器和遙控裝置，每條步行足都由三個模塊化結(jié)構(gòu)前端、中端和末端串聯(lián)組成，軀干與步行足通過固定板相連，步行足前端安裝有減震模塊和三維力傳感器，每個模塊化結(jié)構(gòu)都包括直流伺服電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)和傳遞關(guān)節(jié)塊，各模塊化結(jié)構(gòu)之間通過傳遞關(guān)節(jié)塊連接，傳遞關(guān)節(jié)塊連接傳動機(jī)構(gòu)，傳動機(jī)構(gòu)連接直流伺服電機(jī)。
本發(fā)明還有這樣一些技術(shù)特征1、所述的軀干為矩形或圓形框架式；2、所述的軀干與步行足外側(cè)設(shè)置有膠質(zhì)密封護(hù)套；3、所述的模塊化結(jié)構(gòu)還包括四個連接銅柱2、連接法蘭4、電機(jī)編碼器5、電機(jī)后端蓋6，推力軸承9、固定銷10、卡簧11、銅墊片12、渦輪支撐軸承13、支撐軸承14、固定加強(qiáng)板16、可調(diào)端蓋18、鋼球19、銷釘20、可調(diào)固緊螺絲21、卡簧22、電位計23、銅套24、電位計支撐架26、方形箱體28、編碼器固定支架29、光電傳感器30和光柵31，傳動機(jī)構(gòu)包括渦輪25和蝸桿27，電機(jī)直流伺服減速電機(jī)1通過四個連接銅柱2與連接法蘭4固聯(lián)，連接法蘭4與電機(jī)后端蓋6固聯(lián)，電機(jī)編碼器5通過編碼器固定支架29固定在連接法蘭4上，電機(jī)編碼器5的前端設(shè)置光電傳感器30，直流伺服減速電機(jī)1的轉(zhuǎn)子后端輸出軸連接光柵31，直流伺服減速電機(jī)1與方形箱體28固聯(lián)，直流伺服減速電機(jī)1輸出軸由內(nèi)向外分別安裝推力軸承9、蝸桿27、支撐軸承14、鋼球19和可調(diào)端蓋18，蝸桿27通過固定銷10與直流伺服減速電機(jī)1輸出軸固聯(lián)，可調(diào)端蓋18與方形箱體28相連，蝸桿27通過固定銷10與直流伺服減速電機(jī)1輸出軸固聯(lián)，其軸向后端設(shè)置推力軸承9，前端設(shè)置鋼球19，徑向設(shè)置支撐軸承14，渦輪25與其輸出軸通過渦輪支撐軸承13安裝在方形箱體28上，其中一端安裝有一個銅套24，銅套24內(nèi)部為一個渦輪支撐軸承，外端設(shè)置可調(diào)固緊螺絲21，兩個傳遞關(guān)節(jié)塊17通過銷釘20與渦輪25輸出軸固聯(lián)，在渦輪25輸出軸一個最外端安裝有一個電位計23，電位計23通過電位計支撐架26固定在方形箱體28上，最外端固定有卡簧22，在傳遞關(guān)節(jié)塊17和方形箱體28之間安裝有薄銅墊片12和卡簧11，傳遞關(guān)節(jié)塊17的內(nèi)部有固定加強(qiáng)板16；
4、所述的步行足前端模塊化傳動結(jié)構(gòu)的直流伺服電機(jī)后端連接機(jī)械手，機(jī)械手包括驅(qū)動電機(jī)47、機(jī)械支架48、銷49、滑軸50、軸51、支撐軸52、兩個手指53、絲杠54和軸55，驅(qū)動電機(jī)47安裝在機(jī)械支架48上，機(jī)械支架48與模塊化結(jié)構(gòu)電機(jī)后端連接，絲杠54一端通過銷49與驅(qū)動電機(jī)47輸出軸固聯(lián)，另一端通搭接在支撐軸52上，中間穿過滑軸50，滑軸50中間為一個螺母，滑軸50同時穿過機(jī)械支架48一字形滑槽和兩個手指53的一字形滑槽，兩個手指53分別通過軸51和軸55安裝在機(jī)械支架48上；5、所述的步行足前端模塊化傳動結(jié)構(gòu)的直流伺服電機(jī)后端連接剪刀手，剪刀手包括驅(qū)動電機(jī)47、機(jī)械支架48、銷49、滑軸50、軸51、支撐軸52、兩個手指53、絲杠54和軸55，驅(qū)動電機(jī)47安裝在機(jī)械支架48上，機(jī)械支架48與模塊化結(jié)構(gòu)電機(jī)后端連接，絲杠54一端通過銷49與驅(qū)動電機(jī)47輸出軸固聯(lián)，另一端通搭接在支撐軸52上，中間穿過滑軸50，滑軸50中間為一個螺母，滑軸50同時穿過機(jī)械支架48一字形滑槽和兩片剪刀56的一字形滑槽，兩片剪刀56分別通過軸51和軸55安裝在機(jī)械支架48上；6、所述的減震緩沖器包括連接限位塊37、一級彈簧38、滑塊40、二級彈簧41、滑缸42、滑塊體43和三維力傳感器45，減震緩沖器通過連接限位塊37與模塊化傳動結(jié)構(gòu)電機(jī)后端連接，滑塊體43和滑塊40固聯(lián)安裝在滑缸42內(nèi)，滑塊40的上下分別安裝有處于壓縮狀態(tài)的一級彈簧38和二級彈簧41，滑塊體43下端與三維力傳感器45相連。
本發(fā)明仿生機(jī)械螃蟹所有關(guān)節(jié)均由模塊化傳動結(jié)構(gòu)組成，組成原理如下機(jī)械螃蟹由八條步行足并聯(lián)構(gòu)成，每條步行足由三個模塊化傳動結(jié)構(gòu)串聯(lián)組成。機(jī)械螃蟹的八條步行足分別為六條普通步行足和兩條多功能復(fù)合足，兩條多功能復(fù)合足分別為剪刀手和抓取機(jī)械手。機(jī)械螃蟹每條步行足都有三個行走關(guān)節(jié)，腿尖有三維力傳感器，檢測步行足的落地情況。
本發(fā)明是根據(jù)已有的生物螃蟹仿生學(xué)理論，設(shè)計出由直流電機(jī)減速驅(qū)動渦輪蝸桿可調(diào)傳動機(jī)構(gòu)的模塊化結(jié)構(gòu)，再用此模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計的具有兩棲活動和自翻轉(zhuǎn)能力的機(jī)械螃蟹多足仿生機(jī)器人。本發(fā)明機(jī)械螃蟹具有8條步行足，其中有六條普通步行足，另兩條步行足可以為普通步行足或多功能復(fù)合足，多功能復(fù)合足分別為剪刀手和抓取機(jī)械手步行足，每條普通步行足的前端都裝有三維力傳感器，感知步行足的落地情況。仿生螃蟹由單片機(jī)的控制可在兩棲環(huán)境下前行、后退、橫行、翻轉(zhuǎn)、避障等。整個機(jī)器人具有體積小、動作靈敏、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點。經(jīng)綜合考慮，我們設(shè)計了蝸輪蝸桿模塊化傳動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)腿部關(guān)節(jié)的傳動。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大、傳動平穩(wěn)以及在一定的條件下具有可靠的自鎖性等優(yōu)點。
本發(fā)明的意義在于在現(xiàn)有的多足機(jī)器人研究成果下，尋找一種新的高效率、易加工、易維修、對電機(jī)有保護(hù)功能的機(jī)構(gòu)傳動方式，從而建立一個對復(fù)雜地形高度適應(yīng)、性能可靠、體積小巧、具有自翻轉(zhuǎn)行走功能、并具有兩棲環(huán)境下活動能力和執(zhí)行特定任務(wù)的微小型爬行機(jī)器人平臺。它可以充當(dāng)通信系統(tǒng)的載體，代替人進(jìn)入某些特殊環(huán)境，完成民用中各方面的任務(wù)，在航天探測、工業(yè)、考古、勘探以及玩具開發(fā)等領(lǐng)域都具有很強(qiáng)的實用價值，具有廣闊的應(yīng)用前景。
本發(fā)明機(jī)器人的優(yōu)點有模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計、模塊化結(jié)構(gòu)具有自鎖和可調(diào)保護(hù)電機(jī)特性、機(jī)器人具有復(fù)雜環(huán)境下的自翻轉(zhuǎn)行走功能、可兩棲環(huán)境運(yùn)動和作業(yè)、有減震抗震特性、足尖多維傳感、具有多自由度復(fù)合足機(jī)械手、并且加工簡單、組裝、控制、維修方便。


圖1是模塊化傳動結(jié)構(gòu)俯視圖；圖2是模塊化傳動結(jié)構(gòu)正視圖；圖3是模塊化傳動結(jié)構(gòu)斜視圖；圖4是模塊化傳動結(jié)構(gòu)底視圖；圖5是機(jī)械螃蟹普通步行足結(jié)構(gòu)圖；圖6是減震緩沖器結(jié)構(gòu)圖；圖7是仿生機(jī)械螃蟹復(fù)合足(鰲足)前端機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計；圖8是仿生機(jī)械螃蟹復(fù)合足(鰲足)前端剪刀手結(jié)構(gòu)設(shè)計；圖9是仿生機(jī)械螃蟹復(fù)合足(鰲足)前端機(jī)械手和剪刀手俯視圖；圖10是仿生機(jī)械螃蟹復(fù)合足(鰲足)組裝示意圖(機(jī)械手)；圖11是仿生機(jī)械螃蟹復(fù)合足(鰲足)組裝示意圖(剪刀手)；圖12是仿生機(jī)械螃蟹復(fù)合足(鰲足)斜視圖(機(jī)械手)；圖13是仿生機(jī)械螃蟹雙步行足安裝示意圖；圖14是模塊化機(jī)械螃蟹整體實施方案1；圖15是模塊化機(jī)械螃蟹整體實施方案2；圖16是模塊化機(jī)械螃蟹整體實施方案3；圖17是模塊化機(jī)械螃蟹整體實施方案4；圖18是模塊化機(jī)械螃蟹整體實施方案5；圖19是模塊化機(jī)械螃蟹初始狀態(tài)示意圖；圖20是模塊化機(jī)械螃蟹向上翻轉(zhuǎn)示意圖；圖21是模塊化機(jī)械螃蟹翻轉(zhuǎn)過來示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明本發(fā)明模塊化機(jī)械螃蟹每條步行足都由三塊模塊化傳動結(jié)構(gòu)前端、中端和末端串聯(lián)組成，只不過有兩個步行足為實現(xiàn)特定任務(wù)的需要設(shè)計為復(fù)合式步行足——鰲足，而機(jī)械螃蟹整體是由八條步行足并聯(lián)組成。所以模塊化傳動結(jié)構(gòu)是機(jī)械螃蟹的基本單元，此結(jié)構(gòu)具有通用性強(qiáng)、輸出自鎖、可調(diào)保護(hù)電機(jī)、傳動角度大(＜270°)、易控制、易加工、易組裝和維修的優(yōu)點。本發(fā)明所述的模塊化傳動結(jié)構(gòu)不僅僅可以應(yīng)用在八足螃蟹身上，凡是足式、蛇形等爬行機(jī)器人都可以使用該機(jī)構(gòu)，例如雙足、四足、五足、六足機(jī)器人等。
結(jié)合圖1、圖2、圖3和圖4，每一個模塊化傳動結(jié)構(gòu)都由一個直流伺服電機(jī)經(jīng)減速器減速驅(qū)動，傳動機(jī)構(gòu)采用渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)，使輸入、輸出軸線正交，并具有自鎖和可調(diào)特性。它具體主要包括直流伺服減速電機(jī)1、四個連接銅柱2、四個固定螺絲3、連接法蘭4、電機(jī)編碼器5、電機(jī)后端蓋6，固定螺絲7、電機(jī)與箱體固定螺絲8、推力軸承9、固定銷10、卡簧11、銅墊片12、渦輪支撐軸承13、支撐軸承14、固定螺絲15、固定加強(qiáng)板16、傳遞關(guān)節(jié)塊17、可調(diào)端蓋18、鋼球19、銷釘20、可調(diào)固緊螺絲21、卡簧22、電位計23、銅套24、渦輪25、電位計支撐架26、蝸桿27、方形箱體28、編碼器固定支架29、光電傳感器30和光柵31。
模塊化傳動結(jié)構(gòu)組裝結(jié)構(gòu)如下直流伺服減速電機(jī)1為整個模塊提供動力，電機(jī)直流伺服減速電機(jī)1通過四個連接銅柱2和四個固定螺絲3與連接法蘭4固聯(lián)，連接法蘭4又通過螺絲與電機(jī)后端蓋6固聯(lián)。電機(jī)編碼器5通過編碼器固定支架29和固定螺絲7固定在連接法蘭4上，電機(jī)編碼器5的前端有一光電傳感器30，直流伺服減速電機(jī)1的轉(zhuǎn)動帶動了光柵31的轉(zhuǎn)動，而光電傳感器30通過測光柵31的轉(zhuǎn)動就可以測出電機(jī)的轉(zhuǎn)動位置，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生反饋，指導(dǎo)上層控制。直流伺服減速電機(jī)1通過螺絲8與方形箱體28固聯(lián)，直流伺服減速電機(jī)1輸出軸由內(nèi)向外安裝的分別是推力軸承9、蝸桿27、支撐軸承14、鋼球19和可調(diào)端蓋18，蝸桿27通過固定銷10與直流伺服減速電機(jī)1輸出軸固聯(lián)，可調(diào)端蓋18通過螺紋與方形箱體28相連，固定螺絲15的作用是阻止可調(diào)端蓋18與方形箱體28位置調(diào)節(jié)好后發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。蝸桿27通過固定銷10與直流伺服減速電機(jī)1輸出軸固聯(lián)后，其軸向后端有推力軸承9的支撐，前端有鋼球19的限位，徑向有支撐軸承14的支撐，所以在各種作用力的作用下電機(jī)軸都不會被壓入直流伺服減速電機(jī)1或是拔出直流伺服減速電機(jī)1，這樣就有效的保護(hù)了直流伺服減速電機(jī)1不受損害，延長了使用壽命。渦輪25與其輸出軸加工為一體，通過渦輪支撐軸承13安裝在方形箱體28上，其中一端安裝有一個銅套24，銅套24內(nèi)部為一個渦輪支撐軸承，外端有可調(diào)固緊螺絲21進(jìn)行位置調(diào)節(jié)，銅套24外徑要略大于渦輪25的外徑，為的是能使渦輪25安裝進(jìn)方形箱體28上。兩個傳遞關(guān)節(jié)塊17通過銷釘20與渦輪25輸出軸固聯(lián)，在渦輪25輸出軸一個最外端安裝有一個電位計23，電位計23通過電位計支撐架26固定在方形箱體28上，最外端有卡簧22固定，電位計23的作用是在直流伺服減速電機(jī)1上電時測出關(guān)節(jié)的初始位置，為控制系統(tǒng)反饋初始控制信號，控制系統(tǒng)再以這個信號為零起點通過電機(jī)編碼器5計算直流伺服減速電機(jī)1轉(zhuǎn)過的角度。在傳遞關(guān)節(jié)塊17和方形箱體28之間安裝有薄銅墊片12和卡簧11，銅墊片12起到滑動軸承的作用，卡簧11起限位和固定的作用。此外在傳遞關(guān)節(jié)塊17的內(nèi)部有固定加強(qiáng)板16，起到加固和連接的作用。
模塊化傳動結(jié)構(gòu)傳動原理直流伺服減速電機(jī)1提供動力，帶動蝸桿27轉(zhuǎn)動，蝸桿27與渦輪25配合使電機(jī)輸出力方向改變90度，傳遞關(guān)節(jié)塊17與渦輪25固聯(lián)，渦輪25轉(zhuǎn)動帶動傳遞關(guān)節(jié)塊17轉(zhuǎn)動，傳遞關(guān)節(jié)塊17另一端又與下一節(jié)模塊化傳動結(jié)構(gòu)相連，這樣動力就一節(jié)一節(jié)的傳遞下去了。
本實施例的要點是一種由直流電機(jī)減速驅(qū)動渦輪蝸桿可調(diào)傳動機(jī)構(gòu)的模塊化結(jié)構(gòu)，再用此模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計的具有兩棲活動和自翻轉(zhuǎn)能力的機(jī)械螃蟹多足仿生機(jī)器人。機(jī)械螃蟹有多種實施方式，其中最典型的一種是機(jī)械螃蟹有八條步行足，分別是六條普通步行足和兩條多功能復(fù)合足，兩條多功能復(fù)合步行足分別為剪刀手和抓取機(jī)械手。仿生螃蟹每條步行足都有三個行走關(guān)節(jié)(即有三個自由度)，腿尖有三維力傳感器，感知步行足的落地情況。機(jī)械螃蟹詳細(xì)設(shè)計如下1.機(jī)械螃蟹單腿結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)合圖5，本實施例中，每條普通步行足由三個模塊化傳動結(jié)構(gòu)32、33和34串聯(lián)組成，形成機(jī)械螃蟹單腿的大腿和小腿，小腿根部由模塊化傳動結(jié)構(gòu)34的渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)與大腿相連。大腿根部由模塊化傳動結(jié)構(gòu)32和33通過固定板36與主機(jī)架相連，構(gòu)成兩自由度胯骨關(guān)節(jié)。所以整條腿具有三個自由度，分別形成膝關(guān)節(jié)的一個上下抬起自由度、胯骨關(guān)節(jié)的一個左右擺動自由度和一個上下抬起自由度，其中兩個上下抬起自由度可轉(zhuǎn)動270 °，滿足機(jī)器蟹可翻轉(zhuǎn)行走的需要。步行足前端安裝有減震模塊35和三維力傳感器。
2.減震緩沖器設(shè)計機(jī)器蟹在行走過程中，每條步行足落地的一瞬間與地面都是剛性碰撞，剛性碰撞對機(jī)器蟹的使用壽命造成了極大的傷害，增加減震模塊可以減輕步行足落地時的撞擊，有效的保護(hù)了機(jī)械螃蟹。減震模塊安裝在機(jī)械螃蟹每條步行足的最前端，它由兩級彈簧減震，在其前端安裝有三維力傳感器，可實時檢測機(jī)械蟹步行足受力情況。
結(jié)合圖6，減震緩沖器包括連接限位塊37、一級彈簧38、連接螺絲39、滑塊40、二級彈簧41、滑缸42、滑塊體43、螺絲44、三維力傳感器45和螺絲46。安裝示意圖如圖6，減震緩沖器通過連接限位塊37和螺絲46與模塊化傳動結(jié)構(gòu)電機(jī)后端連接，滑塊體43和滑塊40通過連接螺絲39固聯(lián)后安裝在滑缸42內(nèi)，并且在力的作用下可以在滑缸42內(nèi)做微小的上下滑動，滑塊40的上下分別安裝有處于壓縮狀態(tài)的一級彈簧38和二級彈簧41，起到減震的作用。滑塊體43下端通過螺絲44與三維力傳感器45相連。
機(jī)器人使用的三維力傳感器45與機(jī)器人的接口包括機(jī)械接口和電氣接口兩部分。傳感器對機(jī)器人本體的安裝方式采用頂裝式。本傳感器采用嵌入式集成片上系統(tǒng)，整個處理電路分成信號放大電路和信號處理電路兩大模塊，其中信號放大電路集成在傳感器內(nèi)部，信號處理電路放在傳感器外部。電氣接口通過一個4芯接口與機(jī)器人控制系統(tǒng)連接，其中PIN1、PIN2用于實現(xiàn)CAN總線，PIN3、PIN4用于外接電源。
3.仿生機(jī)械螃蟹復(fù)合足(鰲足)結(jié)構(gòu)設(shè)計兩條復(fù)合式步行足(即鰲足)是為機(jī)器蟹執(zhí)行特定環(huán)境下的特定任務(wù)而設(shè)計的，此步行足兼有行走、抓取和剪斷的功能。械螃蟹復(fù)合足(鰲足)與機(jī)械螃蟹普通步行足結(jié)構(gòu)的三個模塊化結(jié)構(gòu)安裝完全相同，不同的是將普通步行足最前端的減震緩沖器35換成具有抓取或剪斷功能的機(jī)械手。其中一條步行足前端為抓取機(jī)械手(圖7)，另一條步行足前端為剪刀手(圖8)。兩個步行足相互配合可完成指令要求的一些特定任務(wù)。
結(jié)合圖7，機(jī)械手包括驅(qū)動電機(jī)47、機(jī)械支架48、銷49、滑軸50、軸51、支撐軸52、兩個手指53、絲杠54和軸55。驅(qū)動電機(jī)47安裝在機(jī)械支架48上，機(jī)械支架48通過螺絲與模塊化傳動結(jié)構(gòu)電機(jī)后端連接，絲杠54一端通過銷49與驅(qū)動電機(jī)47輸出軸固聯(lián)，另一端通過軸承搭接在支撐軸52上，中間穿過滑軸50，滑軸50中間為一個螺母，絲杠54的轉(zhuǎn)動可以帶動滑軸50上下運(yùn)動，滑軸50同時穿過機(jī)械支架48一字形滑槽和兩個手指53的一字形滑槽，滑軸50的上下運(yùn)動就會帶動兩個手指53的張開與閉合，達(dá)到抓取貨物的功能。兩個手指53分別通過軸51和軸55安裝在機(jī)械支架48上。
圖8為剪刀手的結(jié)構(gòu)設(shè)計，基本結(jié)構(gòu)與圖7所示機(jī)械手相同，不同的是將前端兩個手指53換作了兩片剪刀56。圖9為前端機(jī)械手和剪刀手的俯視圖。圖10為仿生機(jī)械螃蟹復(fù)合足(鰲足)組裝示意圖(機(jī)械手)。圖11為仿生機(jī)械螃蟹復(fù)合足(鰲足)組裝示意圖(剪刀手)。圖12是仿生機(jī)械螃蟹復(fù)合足(鰲足)斜視圖(機(jī)械手)。
4.機(jī)器蟹總體結(jié)構(gòu)布置機(jī)械螃蟹整體包括軀干、普通步行足、多功能復(fù)合足和膠質(zhì)密封護(hù)套四部分，其中八條步行足各直接與矩形或圓形框架式軀干(見圖14-18)相連；軀干上裝有作為仿生螃蟹控制中心的控制器和遙控裝置。每條步行足都由基節(jié)、股節(jié)、脛節(jié)三部分組成，每一部分都是模塊化結(jié)構(gòu)組成，都有相應(yīng)的控制單元實現(xiàn)動作；整個機(jī)器人用膠質(zhì)護(hù)套包裹起來，以確保機(jī)械螃蟹可在兩棲環(huán)境中正常運(yùn)行。
圖13給出了兩條普通步行足組裝示意圖。
圖14為模塊化機(jī)械螃蟹整體實施方案1，螃蟹的八條步行足均為普通步行足，并且均布在軀干的兩側(cè)，通過基節(jié)驅(qū)動電機(jī)支座與軀干直接固連，構(gòu)成了螃蟹的整體。此種結(jié)構(gòu)的機(jī)械螃蟹具有自翻轉(zhuǎn)行走、兩棲行走等功能。
圖15為模塊化機(jī)械螃蟹整體實施方案2，此種布置的機(jī)器蟹八條步行足成方形布置，其中六條步行足為普通步行足，另兩條為多功能復(fù)合步行足，分別為剪刀手和抓取機(jī)械手。機(jī)器蟹具有自翻轉(zhuǎn)行走、兩棲行走、作業(yè)等功能。
圖16是模塊化機(jī)械螃蟹整體實施方案3，此種布置的機(jī)器蟹八條步行足成方形布置，八條步行足均為多功能復(fù)合步行足。機(jī)器蟹具有自翻轉(zhuǎn)行走、兩棲行走、作業(yè)等功能。
圖17為模塊化機(jī)械螃蟹整體實施方案4，此種方案設(shè)計的機(jī)器蟹八條步行足為放射形布置，每條步行足之間的角度均按照生物螃蟹步行足的角度而設(shè)計。機(jī)器蟹兼有行走、翻轉(zhuǎn)、抓取等特性。
圖18是模塊化機(jī)械螃蟹整體實施方案5，此種布置的機(jī)器蟹八條步行足成方形布置，整體與前四種布置基本相同，不同的是在機(jī)械螃蟹的軀干上增加了兩個模塊化傳動結(jié)構(gòu)57和58，軀干也被分成三部分，第一部分和第三部分分別安裝有兩條步行足，第二部分安裝有四條步行足和兩個模塊化傳動結(jié)構(gòu)57和58，兩個模塊化傳動結(jié)構(gòu)57和58的作用是可分別使第一部分和第三部分旋轉(zhuǎn)抬起，增加了機(jī)械螃蟹機(jī)械手作業(yè)的靈活性。
5.機(jī)械螃蟹密封設(shè)計機(jī)械螃蟹采取的是整體密封或是各個模塊分密封的方式，使其能在兩棲環(huán)境下進(jìn)行運(yùn)動和作業(yè)。整體密封采用橡膠套整體包裹的方式，這樣密封的機(jī)械螃蟹為一個整體，密封性比較好，不容易泄露。各個模塊分密封的方式是將各個驅(qū)動電機(jī)和控制電路進(jìn)行密封，而其他的部件不進(jìn)行密封，此種密封具有維修方便的特點。
6.機(jī)械螃蟹行走動作描述在仿生螃蟹中心控制器中存儲了針對不同步態(tài)行走的指令，其中包括遇到障礙物時的指令。當(dāng)欲讓機(jī)器人按照某一步態(tài)行走時，通過遙控裝置將要執(zhí)行的指令的序號發(fā)給中心控制器。中心控制器繼而會按照具體的指令控制各條步行腿動作。當(dāng)行進(jìn)時遇到障礙物時，由被安裝在步行足上的三維力傳感器感知后，將信號發(fā)給中心控制器，中心控制器會調(diào)用相應(yīng)的指令，改變預(yù)設(shè)定的關(guān)節(jié)擺角，使腿跨過障礙。
7.機(jī)械螃蟹自翻轉(zhuǎn)動作描述圖19是模塊化機(jī)械螃蟹初始狀態(tài)示意圖，圖20是模塊化機(jī)械螃蟹向上翻轉(zhuǎn)示意圖，圖21是模塊化機(jī)械螃蟹翻轉(zhuǎn)過來示意圖。模塊化機(jī)械螃蟹設(shè)計成具有自翻轉(zhuǎn)的特性是因為機(jī)械螃蟹一般應(yīng)用在野外、沙灘或是有海浪的地帶，這樣的環(huán)境下機(jī)械螃蟹很容易發(fā)生翻轉(zhuǎn)，自翻轉(zhuǎn)的特性可以保證機(jī)械螃蟹在發(fā)生翻轉(zhuǎn)后仍能繼續(xù)行走、工作，特別是在水下運(yùn)動時增強(qiáng)其耐波性。
權(quán)利要求
1.一種模塊化機(jī)械螃蟹，它包括軀干和至少一對步行足，軀干上安裝有控制器和遙控裝置，其特征在于每條步行足都由三個模塊化結(jié)構(gòu)前端、中端和末端串聯(lián)組成，軀干與步行足末端通過固定板相連，步行足前端安裝有減震模塊和三維力傳感器，每個模塊化結(jié)構(gòu)都包括直流伺服電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)和傳遞關(guān)節(jié)塊，傳遞關(guān)節(jié)塊連接傳動機(jī)構(gòu)，傳動機(jī)構(gòu)連接直流伺服電機(jī)，各模塊化結(jié)構(gòu)之間通過傳遞關(guān)節(jié)塊連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化機(jī)械螃蟹，其特征在于所述的軀干為矩形或圓形框架式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的模塊化機(jī)械螃蟹，其特征在于所述的軀干與步行足外側(cè)設(shè)置有膠質(zhì)密封護(hù)套。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的模塊化機(jī)械螃蟹，其特征在于所述的模塊化結(jié)構(gòu)還包括四個連接銅柱(2)、連接法蘭(4)、電機(jī)編碼器(5)、電機(jī)后端蓋(6)，推力軸承(9)、固定銷(10)、卡簧(11)、銅墊片(12)、渦輪支撐軸承(13)、支撐軸承(14)、固定加強(qiáng)板(16)、可調(diào)端蓋(18)、鋼球(19)、銷釘(20)、可調(diào)固緊螺絲(21)、卡簧(22)、電位計(23)、銅套(24)、電位計支撐架(26)、方形箱體(28)、編碼器固定支架(29)、光電傳感器(30)和光柵(31)，傳動機(jī)構(gòu)包括渦輪(25)和蝸桿(27)，電機(jī)直流伺服減速電機(jī)(1)通過四個連接銅柱(2)與連接法蘭(4)固聯(lián)，連接法蘭(4)與電機(jī)后端蓋(6)固聯(lián)，電機(jī)編碼器(5)通過編碼器固定支架(29)固定在連接法蘭(4)上，電機(jī)編碼器(5)的前端設(shè)置光電傳感器(30)，直流伺服減速電機(jī)(1)的轉(zhuǎn)子后端輸出軸連接光柵(31)，直流伺服減速電機(jī)(1)與方形箱體(28)固聯(lián)，直流伺服減速電機(jī)(1)輸出軸由內(nèi)向外分別安裝推力軸承(9)、蝸桿(27)、支撐軸承(14)、鋼球(19)和可調(diào)端蓋(18)，蝸桿(27)通過固定銷(10)與直流伺服減速電機(jī)(1)輸出軸固聯(lián)，可調(diào)端蓋(18)與方形箱體(28)相連，蝸桿(27)通過固定銷(10)與直流伺服減速電機(jī)(1)輸出軸固聯(lián)，其軸向后端設(shè)置推力軸承(9)，前端設(shè)置鋼球(19)，徑向設(shè)置支撐軸承(14)，渦輪(25)與其輸出軸通過渦輪支撐軸承(13)安裝在方形箱體(28)上，其中一端安裝有一個銅套(24)，銅套(24)內(nèi)部為一個渦輪支撐軸承，外端設(shè)置可調(diào)固緊螺絲(21)，兩個傳遞關(guān)節(jié)塊(17)通過銷釘(20)與渦輪(25)輸出軸固聯(lián)，在渦輪(25)輸出軸一個最外端安裝有一個電位計(23)，電位計(23)通過電位計支撐架(26)固定在方形箱體(28)上，最外端固定有卡簧(22)，在傳遞關(guān)節(jié)塊(17)和方形箱體(28)之間安裝有薄銅墊片(12)和卡簧(11)，傳遞關(guān)節(jié)塊(17)的內(nèi)部有固定加強(qiáng)板(16)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的模塊化機(jī)械螃蟹，其特征在于所述的步行足前端模塊化傳動結(jié)構(gòu)的直流伺服電機(jī)后端連接機(jī)械手，機(jī)械手包括驅(qū)動電機(jī)(47)、機(jī)械支架(48)、銷(49)、滑軸(50)、軸(51)、支撐軸(52)、兩個手指(53)、絲杠(54)和軸(55)，驅(qū)動電機(jī)(47)安裝在機(jī)械支架(48)上，機(jī)械支架(48)與模塊化結(jié)構(gòu)電機(jī)后端連接，絲杠(54)一端通過銷(49)與驅(qū)動電機(jī)(47)輸出軸固聯(lián)，另一端通搭接在支撐軸(52)上，中間穿過滑軸(50)，滑軸(50)中間為一個螺母，滑軸(50)同時穿過機(jī)械支架(48)一字形滑槽和兩個手指(53)的一字形滑槽，兩個手指(53)分別通過軸(51)和軸(55)安裝在機(jī)械支架(48)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的模塊化機(jī)械螃蟹，其特征在于所述的步行足前端模塊化傳動結(jié)構(gòu)的直流伺服電機(jī)后端連接剪刀手，剪刀手包括驅(qū)動電機(jī)(47)、機(jī)械支架(48)、銷(49)、滑軸(50)、軸(51)、支撐軸(52)、兩個手指(53)、絲杠(54)和軸(55)，驅(qū)動電機(jī)(47)安裝在機(jī)械支架(48)上，機(jī)械支架(48)與模塊化結(jié)構(gòu)電機(jī)后端連接，絲杠(54)一端通過銷(49)與驅(qū)動電機(jī)(47)輸出軸固聯(lián)，另一端通搭接在支撐軸(52)上，中間穿過滑軸(50)，滑軸(50)中間為一個螺母，滑軸(50)同時穿過機(jī)械支架(48)一字形滑槽和兩片剪刀(56)的一字形滑槽，兩片剪刀(56)分別通過軸(51)和軸(55)安裝在機(jī)械支架(48)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化機(jī)械螃蟹，其特征在于所述的減震緩沖器包括連接限位塊(37)、一級彈簧(38)、滑塊(40)、二級彈簧(41)、滑缸(42)、滑塊體(43)和三維力傳感器(45)，減震緩沖器通過連接限位塊(37)與模塊化傳動結(jié)構(gòu)電機(jī)后端連接，滑塊體(43)和滑塊(40)固聯(lián)安裝在滑缸(42)內(nèi)，滑塊(40)的上下分別安裝有處于壓縮狀態(tài)的一級彈簧(38)和二級彈簧(41)，滑塊體(43)下端與三維力傳感器(45)相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種模塊化機(jī)械螃蟹。它包括軀干和至少一對步行足，軀干上安裝有控制器和遙控裝置，每條步行足都由三個模塊化結(jié)構(gòu)前端、中端和末端串聯(lián)組成，軀干與步行足通過固定板相連，步行足前端安裝有減震模塊和三維力傳感器，每個模塊化結(jié)構(gòu)都包括直流伺服電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)和傳遞關(guān)節(jié)塊，各模塊化結(jié)構(gòu)之間通過傳遞關(guān)節(jié)塊連接，傳遞關(guān)節(jié)塊連接傳動機(jī)構(gòu)，傳動機(jī)構(gòu)連接直流伺服電機(jī)。本發(fā)明采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，模塊化結(jié)構(gòu)具有自鎖和可調(diào)保護(hù)電機(jī)特性、機(jī)器人具有復(fù)雜環(huán)境下的自翻轉(zhuǎn)行走功能、可兩棲環(huán)境運(yùn)動和作業(yè)、有減震抗震特性、足尖多維傳感、具有多自由度復(fù)合足機(jī)械手，并且加工簡單、組裝、控制、維修方便。
文檔編號H02K7/00GK101088835SQ20071007236
公開日2007年12月19日 申請日期2007年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月15日
發(fā)明者王立權(quán), 季寶鋒, 陳東良, 鄧輝峰, 劉德峰, 王剛 申請人:哈爾濱工程大學(xué)