專利名稱：一種六足螞蟻機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種六足螞蟻機器人，屬于足式機器人技術領域。
背景技術：
嫦娥登月計劃已經啟動了，但是我們的月球機器人在何處呢？對月球更多的研究我們不得不讓登月機器人來面對在月球或太空中搬運、組裝、維修、檢查、處理有害對象、 補充燃料等，因此急需許多先進登月機器人完成各種特殊任務。因此它的機械系統也非常特殊。傳統的登月機器人是輪式機器人，這種機器人在低重力的環境下，完成前進、后退、轉彎、爬坡、取物、采樣，翻轉、爬越、繞過障礙物或上階梯等基本功能都有很大的局限性。現行的解決方法是在輪上裝上履帶，但是這類機器人仍然有很大的局限性。 本發明仿效螞蟻步行姿態，其步態說明如下，見圖1 1)開始運動時，2、4、6號腿抬起準備向前擺動，1、3、5處于支撐狀態2)前進時，2、4、6向前跨步，1、3、5 —面支撐機器人本體，一面驅動機器人本體，向前運動一個半步長s3)機體移動到位時，2、4、6立即放下，呈支撐態，使機器人的重心位置處于2、4、6 三條支撐腿所構成的三角形穩定區內，1、3、5已抬起并準備向前跨步4)繼續前進時，1、3、5向前跨步，2、4、6 —面支撐機器人本體，一面驅動機器人本體，向前運動一個半步長s5)周而復始，不斷從步態(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(a)循環往復，從而實現機器人的前進 用單一電機實現仿螞蟻的六足穩健行進。巧妙的利用四連桿機構實現三足互換交替行進。 在螞蟻的穩健行走的基礎上，我們將賦予其更多的功能。我們計劃通過單片機的運用來實現螞蟻觸角判別方向的功能，以及通過聲控和光控裝置來實現螞蟻機器人對聲音與光的感應。粗略的說就是設計一個棘輪機構使得電動機正轉時六足同時向前行進，反轉時某一個單側三腿行進。當沒碰上障礙時，螞蟻正常的向前六足行進。我們還希望能夠實現以下功能當觸角碰上障礙時，觸動開關，通過單片機的控制使其只有某個單側運動， 這樣螞蟻就改變了其行進方向，成功的實現了避障的功能。裝上聲控及光控元件后，通過單片機的控制，螞蟻就能對聲音和光做出一系列的反應了。

發明內容
本發明一種六足螞蟻機器人，它是由六足機構、傳動機構、頭部機構、控制機構四個部分組成，它們之間的位置連接關系、信號走向是其頭部機構位于機器人前端，傳動機構相當于機器人的“身體驅干”，處于中間位置；六足機構位于傳動機構兩側，控制結構位于傳動機構內部，由控制機構給信號，傳動機構來實現力的輸出，頭部機構和六足機構來輸出機器人的動作。
所述六足機構是為了解決機器人的步態問題，使機器人通過一個電機的帶動就能實現仿效螞蟻的六足步態，其結構圖如圖2，其整體結構及運動模式如圖3，它由六足(圖 4)、偏心輪、連桿和橫梁(圖幻組成。其間位置連接關系是橫梁與六足的前、后足的中孔連接，連桿的一頭與六足的前、后足的頂孔連接，另一頭與六足的中足的中孔連接；偏心輪固接在橫梁上；偏心輪上有一沉孔用于裝配軸承；該六足是圓弧形板式結構，見圖4，其上設置有3個連接用孔；該偏心輪是圓弧形板料結構；該連桿是頭部呈半圓形的矩形板料，其半圓形頭部設置有連接用孔；該橫梁是頭部呈半圓形的矩形板料，見圖5，其上設置有圓孔和溝槽，便于橫梁與其它件的連接和固定。其配合的運動的方案為左右兩側的中足時刻保持在360°的角度，這樣就能使螞蟻的行走協調。為了實現兩側中足的角度差，我們采用了偏心輪的方案。這樣就變成了左右兩側偏心輪的輪軸保持在360°的角度差。在向某一側轉向時，必須使一側停轉，一側運動。在轉向之后，兩側偏心輪必須又處于相對位置。同一側的前足和后足與中足總是保持相反的行進方向。所述傳動機構是為了解決六足螞蟻機器人的前進、后退、轉彎等步行方式而設計的，通過它，能使一個電機的輸出的力驅動六條足的運動，加之六足機構的配合使之變成仿效螞蟻的步行方式。見圖8，它由減速電機、電磁離合器、棘輪機構、傳動桿、傳動齒輪、傳動軸和固定環幾部分組成，其間位置連接關系是減速電機與傳動齒輪連接；傳動齒輪固定在傳動桿上，傳動桿上裝配有三個電磁離合器；每個電磁離合器與一個傳動齒輪配合；每個傳動齒輪固定在一段傳動軸上；三段傳動軸之間用棘輪機構配合；三段傳動軸用四個固定環固定在一致的水平位置。該減速電機的規格為DC-MV，rpm-50。該電磁離合器的結構如圖6所示，它主要由激磁線圈、鐵芯、銜鐵、摩擦片及連接件組成，一般采用直流24V作為供電電源。主動軸1的花鍵軸端，裝有主動摩擦片2，它可以沿軸向自由移動，因系花鍵連接，將隨主動軸一起轉動。從動摩擦片3與主動摩擦片2交替裝疊，其外緣凸起部分卡在與從動齒輪4固定在一起的套筒5內，因而從動摩擦片可以隨同從動齒輪，在主動軸轉動時它可以不轉。當激磁線圈6通電后，將摩擦片吸向鐵芯7，銜鐵8 也被吸住，緊緊壓住各摩擦片。依靠主、從動摩擦片之間的摩擦力，使從動齒輪隨主動軸轉動。線圈斷電時，裝在內外摩擦片之間的圈狀彈簧使銜鐵和摩擦片復原，離合器即失去傳遞力矩的作用。線圈一端通過電刷和滑環9輸入直流電，另一端可接地。電磁離合器是一種自動化執行元件，它利用電磁力的作用來傳遞或中止機械傳動中的扭矩。根據結構不同，分為摩擦片式電磁離合器、牙嵌式電磁器、磁粉式電磁器和渦流式電磁離合器等。該棘輪機構如圖7示，它是圓筒對應相切結構，當上側軸順時針方向(從上往下看)轉動帶動下側軸一起轉動，當上側軸逆時針方向轉動，下側軸不隨上側軸一起轉動。如圖8所示，零件名稱及功能詳述如下序號10 —個24V減速電機，通過電信號可以實現正反轉兩種狀態。序號11 三個上、中、下電磁離合器，加上MV電壓，齒輪與主動部分吸合，此時齒輪隨著1軸轉。序號12 三根分開的傳動軸，這三根傳動軸分別和三個齒輪配合，三根傳動軸之間由兩個棘輪機構13相配合。結合起來說就是假如要實現機器人前進，電機正轉，中間11號電磁離合器吸合，
5中間12號傳動軸前轉，通過棘輪機構卡死左右兩側傳動軸使得左右兩側的偏心輪16恰恰好在相差360°的位置一起轉動。假如需要機器人左前轉，電機正轉，下側11號電磁離合器吸合，下傳動軸正轉，此時由于棘機構處于落扣狀態，中間及上傳動軸不隨下傳動軸轉，所以此時只有上側三條腿運動，各種狀態依次類推。運動狀態表
下離合器吸合中離合器吸合上離合器吸合電機正轉左前轉前進右前轉電機反轉左后轉后退右后轉該中間部分的傳動桿是直徑為6mm，長度為84mm的圓桿，左右兩側傳動桿的長度為11mm，直徑為4mm的圓桿用于配合軸承，利于桿的轉動。該傳動齒輪是普通圓柱直齒輪，其厚度為5mm，外齒直徑為26. 85mm，中間通孔為 6mm的齒輪，齒輪外側有一凸臺，凸臺徑向有一螺紋孔，用于緊固齒輪和傳動桿，使之牢固配
I=I ο該傳動軸是普通圓軸，軸的外側有長度為15mm直徑為4mm的圓桿，用于配合軸承和偏心輪，軸的內側有一正方形方桿，用于配合棘輪，使之與棘輪處于卡死狀態。該固定環是用于固定三段軸的位置，它的形狀是連接機器人機架部分的凹槽型， 可以直接裝配在機架上，其固定傳動軸的部分是圓環形狀，圓環上裝配軸承，軸承與傳動軸裝配。所述頭部機構是機器人的“頭部”，它由減速電機、彈力繩、遙控模塊和夾持裝置組成，其間位置連接關系是遙控模塊給減速電機發送信號，遙控減速電機的正反轉，減速電機與彈力繩連接，彈力繩與夾持裝置連接；遙控模塊還與另外兩個減速電機連接，減速電機固定在機器人機架上，控制機器人頭部的俯仰和水平移動；該減速電機的數量是3臺，其技術指標是DC-6V，rpm-2 ；該彈力繩是普通彈力繩，有很小的彈性；該遙控模塊是PCMlOM八通道遙控模塊；該夾持裝置是硬鋁材質的，其形狀為圓弧形，每個夾持桿上都有兩個孔，一個用于固定夾持桿和頭部，一個用于與彈力繩連接。它能實現機器人頭部的俯仰和左右移動，還能實現對物品的夾持，使機器人在指定位置進行物品采集。通過用遙控器點動實現各個部分的動作。而夾子的設計如附圖9示，可以設計讓電機正轉時將線繩卷起，線繩帶動兩個夾子實現對物品的夾持作用，當要打開夾子時，則讓電機反轉，由于線繩不能承受壓力，此時夾子就會在橡皮筋的彈力作用下而打開。①該機構實現嘴部的夾放，嘴部兩側由彈性繩拉住使得嘴部在自由狀態時能穩定在某個位置電機正轉時嘴合上，反轉時，分開。 ②由兩個電機實現前后左右四個自由度的轉動。 所述控制機構是機器人的電路控制部分，其結構包括繼電器、遙控器和接收模塊等，其間位置連接關系是接收模塊接收遙控器的信號，接收模塊的六個通道與繼電器組成的電路相連；該繼電器是單刀雙擲開關繼電器；該遙控器是一般用頻率段的無線遙控器；
6該接收模塊是八通道接收模塊，其中六個通道與繼電器組成的電路相連，用于給出六種機器人的運動動作。其設計方案如下首先我們采用8通道輸出的接收模塊。用其中的7個遙控信號產生以上需要的信號。電機與相應的離合器并聯。其中四個信號與兩個雙刀雙擲繼電器的常閉開關相連，然后接到L298N芯片的四個輸入端，來控制四個轉彎信號。一個信號與一個動合繼電器開關的線圈相連，控制前進。一個信號與兩個雙刀雙擲繼電器的線圈相連，控制后退。其中，該偏心輪上沉孔的直徑為6mm ；直徑偏心范圍為6. 5mm ；其中，該傳動機構中減速電機的型號是ZGB37RDIllli ；其中，該電磁離合器的規格型號為DLD-4-8匪；其中，該頭部機構中減速電機的型號是ZGA20RU1100i。其中，該中間部分傳動桿的直徑為6mm，長度為84mm;左右兩側傳動桿的直徑為 4mm,長度為Ilmm0其中，該傳動齒輪的厚度為5mm，外齒直徑為26. 85mm，中間通孔為6mm ；其中，該齒輪外側凸臺的厚度為5mm，直徑為10mm，中間通孔為6mm ；其中，該傳動軸是直徑為8mm，長度20mm的圓軸。該裝置工作原理及流程如下由遙控器給出信號，控制模塊將信號轉變為電信號，電信號分別給減速電機、微型電磁離合器，減速電機和微型電磁離合器根據信號，做出相應的動作，這些動作將相應的力傳遞到機器人的足部結構和頭部結構，使得機器人的足部和頭部做出相應的動作。本發明的優點及功效是本發明實現了單一電機驅動六足，并且能使六足做出轉向、后退等六種動作，比用舵機來控制機器人的足部要更加穩定，更加簡便；本發明實現了機器人頭部的遙控取物；如能再加上一些光感、聲控裝置，本發明可用于信息采集、危地尋人。


圖1是本發明微型六足仿生機器人步態示意1 (a)中2、4、6為擺動腿，當其擺動時，1、3、5腿作為支撐腿示意圖。圖1(b)中為2、4、6擺動腿擺動到位，身體未前移的情況示意圖。圖1 (c)中為2、4、6擺動腿擺動到位，身體前移后六條腿和螞蟻身體的位置情況示意圖。圖1(d) (e) (f)為1、3、5腿為擺動腿的螞蟻行進情況示意圖，與圖1(a) (b) (c)的情況一致，當六個圖完成后，螞蟻完成一次行進。圖2是本發明足部機構示意3是本發明運動模式示意4是本發明足部設計示意5 (a)、(b)是本發明橫梁設計示意6是本發明電磁離合器示意圖
圖7是本發明棘輪結構示意8是本發明傳動機構總體示意9是本發明頭部結構示意10是本發明控制模塊電路示意中符號說明如下圖1中實心黑點表示支撐腿，空心點表示擺動腿，S表示半步長。圖6中1是主軸；2是主動摩擦片；3是從動摩擦片；4是從動齒輪；5是套筒；6是激磁線圈；7是鐵芯；8是銜鐵；9是滑環。圖8中10是減速電機；11是電磁離合器；12是傳動軸；13是棘輪機構；14是傳動桿；15是固定環；16是偏心輪。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發明進行具體說明。見圖1，本發明一種六足螞蟻機器人，它是由六足機構、傳動機構、頭部機構、控制機構四個部分組成，它們之間的位置連接關系、信號走向是其頭部機構位于機器人前端， 傳動機構相當于機器人的“身體驅干”，處于中間位置；六足機構位于傳動機構兩側，控制結構位于傳動機構內部，由控制機構給信號，傳動機構來實現力的輸出，頭部機構和六足機構來輸出機器人的動作。所述六足機構是為了解決機器人的步態問題，使機器人通過一個電機的帶動就能實現仿效螞蟻的六足步態，其結構圖如圖2，其整體結構及運動模式如圖3，它由六足(圖 4)、偏心輪、連桿和橫梁圖5(a)、(b)組成。其間位置連接關系是橫梁與前、后足的中孔連接，連桿的一頭與前、后足的頂孔連接，另一頭與中足的中孔連接；偏心輪固接在橫梁上； 偏心輪上有一直徑為6mm的沉孔用于裝配軸承；該六足是圓弧形板式結構，見圖4，其上設置有3個連接用孔；該偏心輪是圓弧形板料結構，其直徑偏心范圍是6. 5mm ；該連桿是頭部呈半圓形的矩形板料，其半圓形頭部設置有連接用孔；該橫梁是頭部呈半圓形的矩形板料， 見圖5(a)、(b)，其上設置有圓孔和溝槽，便于橫梁與其它件的連接和固定。其配合的運動的方案為左右兩側的中足時刻保持在360°的角度，這樣就能使螞蟻的行走協調。為了實現兩側中足的角度差，我們采用了偏心輪的方案。這樣就變成了左右兩側偏心輪的輪軸保持在360°的角度差。在向某一側轉向時，必須使一側停轉，一側運動。在轉向之后，兩側偏心輪必須又處于相對位置。同一側的前足和后足與中足總是保持相反的行進方向。所述傳動機構是為了解決六足機器人的前進、后退、轉彎等步行方式而設計的，見圖8，通過它，能使一個電機的輸出的力驅動六條足的運動，加之六足機構的配合使之變成仿效螞蟻的步行方式。它由減速電機10、電磁離合器11、傳動軸12、棘輪機構13、傳動桿14、 齒輪、固定環15、偏心輪16等幾部分組成，其間位置連接關系是減速電機10與齒輪連接； 齒輪固定在傳動桿14上，傳動桿14上裝配有三個電磁離合器11 ；每個電磁離合器11與一個齒輪配合；每個齒輪固定在一段傳動軸12上；三段傳動軸12之間用棘輪機構13配合；三段傳動軸12用四個固定環15固定在一致的水平位置。見圖6，該電磁離合器11的結構，主要由激磁線圈6、鐵芯7、銜鐵8、主、從動摩擦片2、3及連接件組成，主動軸1的花鍵軸端，裝有主動摩擦片2，它可以沿軸向自由移動，因系花鍵連接，將隨主動軸1 一起轉動。從動摩擦片3與主動摩擦片2交替裝疊，其外緣凸起部分卡在與從動齒輪4固定在一起的套筒5內， 因而從動摩擦片可以隨同從動齒輪4，在主動軸1轉動時它可以不轉。它一般采用直流MV 作為供電電源。該棘輪機構13如圖7示，當上側傳動軸順時針方向(從上往下看)轉動帶動下側傳動軸一起轉動，當上側傳動軸逆時針方向轉動，下側傳動軸不隨上側傳動軸一起轉動。其中，減速電機的型號是ZGB37RDIllli ；電磁離合器的規格型號為DLD-4-8匪。所述頭部機構是機器人的“頭部”，它由減速電機、彈力繩、遙控模塊、和夾持裝置組成，其間位置連接關系是遙控模塊給減速電機發送信號，遙控電機的正反轉，減速電機與彈力繩連接，彈力繩與夾持裝置連接；遙控模塊還與另外兩個減速電機連接，減速電機固定在機器人機架上，控制機器人頭部的俯仰和水平移動；該減速電機的型號是 ZGA20RU1 IOOi，其技術指標是DC-6V，rpm-2 ；該彈力繩是普通彈力繩，有很小的彈性；該遙控模塊是PCMlOM八通道遙控模塊；該夾持裝置是硬鋁材質的，其形狀為圓弧形，每個夾持桿上都有兩個孔，一個用于固定夾持桿和頭部，一個用于與彈力繩連接。它能實現機器人頭部的俯仰和左右移動，還能實現對物品的夾持，使機器人在指定位置進行物品采集。通過用遙控器點動實現各個部分的動作。而夾子的設計如圖9所示，可以設計讓電機正轉時將線繩卷起，線繩帶動兩個夾子實現對物品的夾持作用，當要打開夾子時，則讓電機反轉，由于線繩不能承受壓力，此時夾子就會在橡皮筋的彈力作用下而打開。①該機構實現嘴部的夾放，嘴部兩側由彈性繩拉住使得嘴部在自由狀態時能穩定在某個位置電機正轉時嘴合上，反轉時，分開。②由兩個電機實現前后左右四個自由度的轉動。所述控制機構是機器人的電路控制部分，見圖10，其結構包括繼電器、遙控制模塊和接收模塊等，其間位置連接關系是遙控模塊是一個無線遙控器，接收模塊接收遙控器的信號，接收模塊的六個通道與繼電器組成的電路相連；該繼電器是單刀雙擲開關繼電器； 該遙控模塊是一般用頻率段的遙控器；該接收模塊是八通道接收模塊，其中六個通道與繼電器組成的電路相連，用于給出六種機器人的運動動作。
權利要求
1.一種六足螞蟻機器人，其特征在于它是由六足機構、傳動機構、頭部機構和控制機構四個部分組成，其頭部機構位于機器人前端，傳動機構處于機器人的中間位置；六足機構位于傳動機構兩側，控制結構位于傳動機構內部，由控制機構給信號，傳動機構來實現力的輸出，頭部機構和六足機構來輸出機器人的動作；所述六足機構是為了解決機器人的步態問題，使機器人通過一個電機的帶動就能實現仿效螞蟻的六足步態，它由六足、偏心輪、連桿和橫梁組成，橫梁與六足的前、后足的中孔連接，連桿的一頭與六足的前、后足的頂孔連接，另一頭與六足的中足的中孔連接；偏心輪固接在橫梁上；該六足是圓弧形板式結構，其上設置有3個連接用孔；該偏心輪是圓弧形板料結構，其上有一沉孔用于裝配軸承；該連桿是頭部呈半圓形的矩形板料，其半圓形頭部設置有連接用孔；該橫梁是頭部呈半圓形的矩形板料，其上設置有圓孔和溝槽，便于橫梁與其它件的連接和固定；左右兩側的中足時刻保持在360°的角度，左右兩側偏心輪的輪軸保持在360°的角度差，同一側的前足和后足與中足總是保持相反的行進方向，這樣使螞蟻的行走協調；所述傳動機構是由減速電機、電磁離合器、棘輪機構、傳動桿、傳動齒輪、傳動軸和固定環幾部分組成，減速電機與傳動齒輪連接；傳動齒輪固定在傳動桿上，傳動桿上裝配有三個電磁離合器；每個電磁離合器與一個傳動齒輪配合；每個傳動齒輪固定在一段傳動軸上； 三段傳動軸之間用棘輪機構配合；三段傳動軸用四個固定環固定在一致的水平位置；該減速電機的規格為DC-MV，rpm-50 ；該電磁離合器的型號為DLD-4-8匪，采用直流24V作為供電電源；該棘輪機構是圓筒對應相切結構；當上側軸順時針方向轉動帶動下側軸一起轉動，當上側軸逆時針方向轉動，下側軸不隨上側軸一起轉動；該中間部分的傳動桿是普通圓桿，左右兩側的傳動桿用于配合軸承，利于桿的轉動；該傳動齒輪是普通圓柱直齒輪，齒輪外側有一凸臺，凸臺徑向有一螺紋孔，用于緊固齒輪和傳動桿，使之牢固配合；該傳動軸是普通圓軸，軸的外側有長度為15mm、直徑為4mm的圓桿，用于配合軸承和偏心輪，軸的內側有一正方形方桿，用于配合棘輪，使之與棘輪處于卡死狀態；該固定環是用于固定三段軸的位置，它的形狀是連接機器人機架部分的凹槽型，直接裝配在機架上，其固定傳動軸的部分是圓環形狀，圓環上裝配軸承，軸承與傳動軸裝配；所述頭部機構是機器人的“頭部”，它由減速電機、彈力繩、遙控模塊和夾持裝置組成， 遙控模塊給減速電機發送信號，遙控減速電機的正反轉，減速電機與彈力繩連接，彈力繩與夾持裝置連接；遙控模塊還與另外兩個減速電機連接，減速電機固定在機器人機架上，控制機器人頭部的俯仰和水平移動；該減速電機的數量是3臺，其技術指標是DC-6V，rpm-2 ；該彈力繩是普通彈力繩；該遙控模塊是PCMlOM八通道遙控模塊；該夾持裝置是硬鋁材質的， 其形狀為圓弧形，每個夾持桿上都有兩個孔，一個用于固定夾持桿和頭部，一個用于與彈力繩連接；它能實現機器人頭部的俯仰和左右移動，還能實現對物品的夾持，使機器人在指定位置進行物品采集；所述控制機構是機器人的電路控制部分，其結構包括繼電器、遙控器和接收模塊，，接收模塊接收遙控器的信號，接收模塊的六個通道與繼電器組成的電路相連；該繼電器是單刀雙擲開關繼電器；該遙控器是一般用頻率段的無線遙控器；該接收模塊是八通道接收模塊，其中六個通道與繼電器組成的電路相連，用于給出六種機器人的運動動作。
2.根據權利要求1所述的一種六足螞蟻機器人，其特征在于該偏心輪上沉孔的直徑為6mm ；直徑偏心范圍為6. 5mm。
3.根據權利要求1所述的一種六足螞蟻機器人，其特征在于該中間部分傳動桿的直徑為6mm，長度為84mm ；左右兩側傳動桿的直徑為4mm，長度為11mm。
4.根據權利要求1所述的一種六足螞蟻機器人，其特征在于該傳動齒輪的厚度為 5mm，外齒直徑為26. 85mm，中間通孔為6mm。
5.根據權利要求1所述的一種六足螞蟻機器人，其特征在于該齒輪外側凸臺的厚度為5mm、直徑為10mm、中間通孔為6mm。
6.根據權利要求1所述的一種六足螞蟻機器人，其特征在于該傳動軸是直徑為8mm， 長度20mm的圓軸。
全文摘要
本發明一種六足螞蟻機器人，它是由六足機構、傳動機構、頭部機構、控制機構四個部分組成，它們之間的位置連接關系、信號走向是其頭部機構位于機器人前端，傳動機構相當于機器人的“身體驅干”，處于中間位置；六足機構位于傳動機構兩側，控制結構位于傳動機構內部，由控制機構給信號，傳動機構來實現力的輸出，頭部機構和六足機構來輸出機器人的動作。本發明實現了單一電機驅動六足，并且能使六足做出轉向、后退等六種動作，比用舵機來控制機器人的足部要更加穩定，更加簡便；本發明實現了機器人頭部的遙控取物；它在足式機器人技術領域里具有實用價值和廣闊的應用前景。
文檔編號B62D57/032GK102416986SQ20111033974
公開日2012年4月18日 申請日期2011年11月1日 優先權日2011年11月1日
發明者姚軍, 王歡 申請人:北京航空航天大學