專利名稱：一種基于模塊化的多關節鏈節式機器人的制作方法
技術領域：
本發明屬于仿生機器人應用領域，具體涉及一種基于模塊化的多關節鏈節式機器人。
背景技術：
隨著生物學對于人類和其他動物的神經系統及生活方式研究的逐步深入，仿生學技術的研究依靠著科學技術的發展也飛速前進，創造了科學技術和生物學研究之間學科交叉的廣闊研究領域。在對生物神經系統的結構和功能進行分析和借鑒的基礎上，國內外各 研究單位先后研發了一系列的仿生學機器人，模仿生物、從事生物特點工作，并力求能達到盡可能高的生物相似度水平，以實現流暢自然的動作和神經反射，到達更加完美可靠的運動控制效果。鑒于目前的仿生機器人研究在仿生效果、能源消耗、實際用途、科技應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上，保留機器本身的輪式運動的同時結合生物腿式運動的特點，設計一款擁有輪式快速運動和腿式適應性強的特點的節肢機器人是一個有很高研究價值和應用前景的工作。其中日本千葉理工學院設計的Halluc II型八足機器人兼具上述運動特色。但由于此機器人只有腿部的創新，各個運動足之間使用一塊平板連接的設計不能展現擺動、起伏類動作，限制了此類輪足式機器人的姿態展示。增加腰椎結構的設計，對每組運動足實現模塊化連接，使每組運動足實現不同角度與方向的姿態變化正是多關節模塊化的鏈節式機器人所研究完成的工作。

發明內容
本發明為一種可以實現模塊化組合的多關節鏈節式機器人。該機器人采用模塊化的開鏈結構，每個模塊有十二個自由度，每個自由度都由舵機或直流電機驅動完成。機器人的每個運動足由四個曲臂關節和一個輪足組成，共有五個主動自由度，兩個對稱布置的運動足組成一對關節，兩對關節之間通過鏈節式腰部關節連接，腰部關節有兩個主動自由度，可實現在四個相互垂直方向上的靈活轉動。通過模塊化組合，該機器人可實現輪式和腿式、直行與擺動的運動特性的有機融合，使其既有腿式機器人地形適應能力強、跨越障礙特性好和機身姿態靈活多變的優點，又有輪式機器人機動速度快、平衡能力好的優點。同時腰部寬度的設計，使得機器人在前進或后退時的步長和運動能滿足不干涉條件。多對運動足之間的協調配合可使機器人能完成幾十種運動步態，并能跨越一定高度的障礙物。其中，模塊化的設計思想，可以實現2組模塊以上的任意組模塊拼接，通過模塊靈活地進行增減實現不同的步態展現和運動套路；模塊間距設計，即腰部寬度的設計，使得機器人在前進或后退時的步長和運動能滿足設計要求，不至于運動時前后腿相沖突；運動足各關節之間的距離設計，可使得機器人的各關節能在預定的角度范圍內轉動；運動足足底滾輪的斜率設計，可使得機器人在橫向側行步態時腿部彎曲的角度恰好使滾輪著地點與地面相切。這種裝置具有結構緊湊、承載能力強、足端可達域廣、抗干擾能力強、控制方便、運動靈活等特點。為了實現上述發明目的，多關節模塊化組合的鏈節式機器人設計由多組以下部件組成腿前部曲臂、腿后部曲臂、直流電機外殼、電機延伸套、輪子外套、輪芯、腿軸、腳部插板、舵機支撐架一、舵機支撐架二、舵機支撐架三、舵機支撐架四、舵機支撐架五、舵機支撐架六、舵機支撐架七、緩沖墊、腰部橫板、齒輪箱、軸承蓋、上下轉動件、腰椎、軸承端蓋、墊片、左右轉動件、左右連接件、沉頭螺釘、左右舵機固定架、舵機、墊片、圓柱齒輪、舵盤螺釘、舵機螺釘、舵盤、腰軸、螺釘、708c軸承、上下連接件、上下舵機固定架。其中，舵機安裝在舵機支撐架內，直流電機安裝在直流電機外殼內，電機支架通過螺釘固定在機體上，錐齒輪與電機軸相連。主要設計包括以下結構①模塊間距設計通過測量可得最底端的舵機軸距離足底端橡膠底的距離和運動分析可知，運動足要能夠繞最底端的舵機軸平角旋轉，因此設計舵機軸到膠底距離以及兩足之間距離為保證使兩足能夠同時旋轉而不發生干涉。②腰部結構設計通過對力矩強度校核，設計出具有兩個腰椎一側固連，運動方向互為垂直的兩自由度腰部結構。③運動足曲臂的設計通過對運動足動作的設計要求的分析可知，曲臂由兩部分組成，通過調整尺寸，使拐角為直角。④舵機包圍結構根據舵機的尺寸大小，來確定包圍結構外殼的尺寸。并通過精細的測量來確定背板上和舵機對稱位置安裝軸的位置，從而保證了對稱性。此外，在設計時兩側預留出了誤差允許范圍的安裝間隙以方便調整。本發明的優點在于(I)模塊化設計的思想，實現了機器人組裝拼接的任意性，實現了最大程度的步態規劃與拓展。(2)結合腿式與輪式仿生機器人的特點，運動足曲臂和輪式設計使其既有腿式機器人適應地形能力強、機身靈活的優點，又有輪式機器人機動速度快、機體平衡控制能力強的優點。(3)利用錐齒輪避免了電機直接承受徑向負載，提高了電機的使用壽命，增大了力矩。


附圖I為基于多關節模塊化的鏈節式機器人整體示意圖；附圖2為基于多關節模塊化的鏈節式機器人主視圖；附圖3為基于多關節模塊化的鏈節式機器人左視圖；附圖4為基于多關節模塊化的鏈節式機器人俯視圖；附圖5為基于多關節模塊化的鏈節式機器人運動足雙足組合設計圖；附圖6為基于多關節模塊化的鏈節式機器人腰部設計裝配分解圖；附圖7為基于多關節模塊化的鏈節式機器人腰部設計主視圖；附圖8為基于多關節模塊化的鏈節式機器人腰部設計俯視圖；附圖中1_支架，2-錐齒輪，3-軸承，4-1號舵機，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-舵機支撐架一，13- 2號舵機，14-軸承，15-舵機支撐架一，16-舵機支撐架三，17-3號舵機，18-舵機支撐架五，19-舵機支撐架六，20-4號舵機，21-輪子外套，22-輪芯，23-卡箍，24-緩沖墊，25-插板，26-直流電機，27-電機支架，28-舵機支撐架六，29-舵機支撐架二，30-舵機支撐架七，31-腿后部曲臂，32-橫板，33-舵機支撐架二，34-螺母，35-舵機支撐架四，36-上下轉動件，37-腰椎2，38-軸承端蓋，39-墊片，40-左右轉動件，41 -左右連接件，42-沉頭螺釘M3，43-左右舵機固定架，44-舵機，45-墊片，46-圓柱齒輪，47-舵盤螺釘M2，48-舵機螺釘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-上下舵機固定架。
具體實施例方式如圖I所示，為基于多關節模塊化的鏈節式機器人整體示意圖，由四組腰腿部模塊連接而成，是一種八足機器人。共有46個自由度，每對足之間由三組腰部連接模塊連接rfu 。如圖3所示，I號舵機通過一號軸與下部相連，避免了電機軸直接承受徑向載荷，提聞了電機的使用壽命。如圖5所示，安裝運動足時，舵機支撐架一(12)、舵機支撐架二(33)、舵機支撐架三(16)螺釘固連，放入2號舵機(13)后用舵機支撐架四(35)通過螺釘固連。再放入3號 舵機(17)后，通過另一組舵機支撐架一(15)、舵機支撐架二(29)、舵機支撐架五(18)、舵機支撐架三(16)固定3號舵機(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(17)的兩側舵機支架，中間用橫板(32)固定。舵機支撐架五(18)、舵機支撐架六(19)、舵機支撐架六、舵機支撐七(30)通過螺釘固定4號舵機
(20)。后用直流電機外殼固定直流電機(26)，插入插板(25)固定，后套入卡箍(23)和硬橡膠材質緩沖墊(24)，后部套電機延伸套，前部套入輪芯(22)，裝輪子外套(21)。這樣實現了三個舵機為主動自由度和一個直流電機為主動自由度的組裝。與此過程類似，完成另一四自由度腿部組裝后，通過一個連接平板可連接兩部分機構，在舵機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，后用錐齒輪嚙合I號軸，I號軸通過軸承連接2號舵機。這樣就可以實現單運動足五個主動自由度，雙足連接十個主動自由度的運動足組裝。利用I號軸通過連接板上的孔插入軸承內圈，避免了電機軸直接承受徑向載荷，提高了電機的使用壽命，同時連接板下3個舵機的布置為腿部的側向擺動提供了更強的動力。如圖6所示，安裝腰部結構時，將腰椎1(53)與腰椎2(37)用四個螺釘固連，腰椎2(37)與左右轉動件(40)通過腰軸(50)相連，可使腰部帶動模塊實現水平方向繞軸運動。將腰椎2(37)與上下轉動件(36)通過軸承相連，可使腰部帶動模塊實現垂直方向繞軸運動。將上下轉動件(36)與上下連接件(54)通過四個螺釘固連，放入舵機(55)后利用舵機支撐架連接到支撐平板上。將左右轉動件(40)與左右連接件(41)固連后放入舵機(44)，用上下舵機固定架(55)固定。在腰軸(50)外固連圓柱齒輪(46)，以實現嚙合平板齒輪。將腰椎連接部件與運動足的腿部曲臂(10)和輪腿式(21)結構通過模塊化組合，實現不同模塊數量的裝配與步態規劃。
權利要求
1.一種基于模塊化的多關節鏈節式機器人，具備模塊化的構造特點，其基本運動單元可按模塊化思想進行組合，以實現2組模塊以上的任意組模塊拼接，通過模塊的適當增減可使機器人實現不同的步態展示和運動效果；模塊間連接結構和傳動機構的特殊設計，在保證機器人連接牢靠、傳動穩定、轉向靈活的前提下，可使機器人在前進、后退、轉向時的姿態變化和運動特性滿足設計要求，不發生肢體沖突和結構干涉。
2.一種基于模塊化的多關節鏈節式機器人，其特征在于腰椎1(53)與腰椎2(37)用四個螺釘固連，腰椎2 (37)與左右轉動件(40)通過腰軸(50)相連，可使腰部帶動模塊實現水平方向繞軸運動。腰椎2(37)與上下轉動件(36)通過軸承相連，可使腰部帶動模塊實現垂直方向繞軸運動。上下轉動件(36)與上下連接件(54)通過四個螺釘固連，放入舵機(55)后利用舵機支撐架連接到支撐平板上。左右轉動件(40)與左右連接件(41)固連后放入舵機(44)，用上下舵機固定架(55)固定。在腰軸(50)外固連圓柱齒輪(46)，以實現與平板齒輪的嚙合。腰椎連接部件與運動足的腿部曲臂(10)和輪腿式(21)結構通過模塊化組合，實現不同模塊數量的裝配與步態規劃。
全文摘要
本發明為一種可以實現模塊化組合的多關節鏈節式機器人。該機器人采用模塊化的開鏈結構，每個模塊有十二個自由度，每個自由度都由舵機或直流電機驅動完成。機器人的每個運動足由四個曲臂關節和一個輪足組成，共有五個主動自由度，兩個對稱布置的運動足組成一對關節，兩對關節之間通過鏈節式腰部關節連接，腰部關節有兩個主動自由度，可實現在四個相互垂直方向上的靈活轉動。通過模塊化組合，該機器人可實現輪式和腿式、直行與擺動的運動特性的有機融合，使其既有腿式機器人地形適應能力強、又有輪式機器人機動速度快的優點。同時腰部寬度的設計，使得機器人在前進或后退時的步長和運動能滿足不干涉條件。多對運動足之間的協調配合可使機器人能完成幾十種運動步態，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 優先權日2012年4月9日
發明者毛明哲, 羅慶生, 莫洋, 趙佳馨, 韓寶玲, 魏天騏 申請人:北京理工大學