一种可实现滚动、行走的球形六足机器人 |
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| 申请号 | CN201710221542.5 | 申请日 | 2017-04-06 | 公开(公告)号 | CN107416063A | 公开(公告)日 | 2017-12-01 |
| 申请人 | 西安电子科技大学; | 发明人 | 马舒尧; 段学超; 刘博; 邵文奇; 杜敬利; 米建伟; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于多足步行 机器人 技术领域，公开了一种可实现滚动、行走的球形 六足机器人 ，包括：十二瓣 外壳 、六个上肢、两个圆盘、十二个曲杆、六个下肢；六个 支架 通过螺钉固定在圆盘上，六个上肢分别固定在六个支架上；上圆盘、下圆盘之间通过螺杆固定六组曲杆；每组曲杆安装一个下肢；所述六个上肢，每个上肢上安装两个数字 舵 机和一瓣外壳；所述两个圆盘分别安装六个曲杆；所述十二个曲杆，两个为一组，分为六组，每组连接一个下肢；所述六个下肢，每个安装两个数字舵机和一瓣外壳。本发明结构简单，易于实现、成本适中；采用Arduino 单片机 和舵机控制板进行控制，控制 精度 高，操作难度小；有良好的机动性和适应性，实际工作效率高。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种可实现滚动、行走的球形六足机器人，其特征在于，所述可实现滚动、行走的球形六足机器人设置有： |
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| 说明书全文 | 一种可实现滚动、行走的球形六足机器人技术领域背景技术[0002] 在自然界和人类社会中存在一些人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合。如外星球的表面、发生灾难的矿井、防灾救援和反恐斗争场合等，对这些危险环境进行不断地探索和研究，从而寻求一条解决问题的可行途径成为科学技术发展和人类社会进步的共同需要。以往的研究表明：轮式移动方式在相对平坦的地形上行驶时，具有相当的优势，速度快、震动小，结构和控制也较简单，但在不平地面上行驶时，能耗将大大增加，而在松软地面或严重崎岖不平的地形上，车轮的作用也将严重丧失移动效率大大降低。为了改善轮子对松软地面和不平地面的适应能力，履带式移动方式应运而生，但履带式机器人在不平地面上的机动性仍然很差，行驶时机身晃动严重。与轮式、履带式移动机器人相比，多足步行机器人的运动轨迹是一系列离散的足印，运动时只需要离散的点接触地面，对环境的破坏程度较小，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，对崎岖地形的适应性强，因此，多足步行机器人在崎岖不平的路面上具有独特的优越性，但是，在较为平整的路面上，多足步行机器人的机动性太差，工作效率不高。在多足步行机器人领域，目前已有的成熟技术大多是多足行走方面，很少有滚动与多足步行相结合的研究。所以，没有成熟技术可以直接采用，甚至连借鉴参考的对象都难以查找。 [0003] 综上所述，现有技术存在的问题是：由于人类在行走过程中摆动腿的驱动能量并非完全来源于肌肉做功，而是有一部分来源于重力做功，这就使得人类的行走效率很高。而多足步行机器人如果利用重力进行被动运动，它的运动方式就会受到很大的限制，由于这种利用重力行走的控制算法没有一个很好的解决办法，使得目前的多足步行机器人在较为平整的路面上机动性太差，工作效率不高。 发明内容[0004] 针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可实现滚动、行走的球形六足机器人。 [0005] 本发明是这样实现的，一种可实现滚动、行走的球形六足机器人，所述可实现滚动、行走的球形六足机器人设置有： [0006] 十二瓣外壳、六个上肢、两个圆盘、十二个曲杆、六个下肢； [0007] 六个支架通过螺钉均匀的固定在圆盘上，六个上肢分别固定在六个支架上； [0008] 上圆盘、下圆盘之间通过螺杆固定六组曲杆； [0009] 每组曲杆安装一个下肢； [0010] 所述六个上肢，每个上肢上安装两个数字舵机和一瓣外壳； [0011] 所述两个圆盘分别安装六个曲杆； [0012] 所述十二个曲杆，两个为一组，分为六组，每组连接一个下肢； [0013] 所述六个下肢，每个安装两个数字舵机和一瓣外壳。 [0014] 进一步，每个上肢安装有两个数字舵机。 [0015] 进一步，在上圆盘、下圆盘之间安装有两个小圆盘固定的数字舵机； [0016] 所述数字舵机与主动轮相连，每个螺杆上安装一个从动轮，从动轮与主动轮之间咬合；主动轮设置有两个小圆盘中间的数字舵机驱动。 [0017] 进一步，每个下肢由两个数字舵机构成；每个曲杆的中间都安装一个数字舵机，通过数字舵机与下肢进行连接。 [0018] 进一步，上肢通过支架与圆盘进行连接，在支架中间的空位中放置Arduino单片机和舵机控制板。 [0019] 进一步，所述上肢和圆盘之间还设置有六个支架，每个支架对应一个上肢； [0020] 所述六个支架通过螺钉固定在上圆盘； [0021] 所述曲杆用螺钉固定到所述两个圆盘上； [0023] 本发明的另一目的在于提供一种所述实现滚动、行走的球形六足机器人的行走实现方法，所述行走实现方法包括： [0024] 步骤一，将一个下肢和与它相对应的上肢作为一组，则一共可以分为六组，通过在PC机上搭建的上位机软件与舵机控制板进行通信，调试出六个动作组，使其可以完成伸展和合拢的动作，将其编号为1——6，每个动作组对应一组上下肢； [0025] 步骤二，通过在PC机上搭建的上位机软件与舵机控制板进行通信，对机器人下肢和圆盘中间的舵机进行调试，使其可以实现从六足形态到球形形态的变化，把这组动作命名为动作组7；利用同样的方法，可以实现从球形形态到六足形态的变化，把这组动作命名为动作组8。由于机器人在六足形态和球形形态时通过六轴传感器传回的数据不同，使得单片机可以根据不同的数据发送不同的指令； [0026] 步骤三，当路面情况较好时，使用者通过蓝牙向机器人发送变成球形形态指令，Arduino单片机依据六轴传感器传回的数据，判断机器人目前所处的形态，若机器人处于六足形态，则调用舵机控制板中储存的动作组7，变为球形形态。若机器人处于球形形态，则arduino单片机不调用舵机控制板中储存的动作组； [0027] 步骤四，当使用者发送球形滚动命令时，单片机依据六轴传感器传回的数据，判断出处在最上端的那一组，若第六组处在最上端，则单片机按照6-1-2-3-4-5-6的顺序调用储存在舵机控制板中的动作组，通过四肢的展开与合拢，改变机器人的重心，实现球形滚动功能； [0028] 步骤五，当路面情况较差时，使用者通过蓝牙向机器人发送变成六足形态指令，Arduino单片机依据六轴传感器传回的数据，判断机器人目前所处的形态，若机器人处于球形形态，则调用舵机控制板中储存的动作组8，变为球形形态。若机器人处于六足形态，则arduino单片机不调用舵机控制板中储存的动作组； [0029] 步骤六，当使用者发送六足行走命令时，Arduino单片机调用之前在舵机控制板中储存的与六足行走有关的动作组，将球形六足机器人下肢左侧的前、后足及右侧的中足为一组，右侧的前、后足和左侧的中足为另一组，分别组成两个三角形支架，依靠下肢前后移动实现机器人的六足行走。 [0030] 本发明的优点及积极效果为：为了在机动性与适应性之间寻求一个平衡，提出一种可实现滚动、行走的球形六足机器人。在较为平整的路面，机器人通过内部的蓝牙模块，接收使用者发送的变成球形状态的指令，使得自身形状接近于球形。之后，通过上下肢的配合，改变自身重心，利用重力实现滚动，由于重力的作用，机器人自身的电能消耗少，在执行任务时的效率高。另外，相比六足机器人的爬行运动方式，球形机器人的滚动运动方式速度更快，摩擦更小，因此，球形机器人的机动性能更好。当路面状况较为复杂时，滚动的运动方式对机器人的结构冲击太大，为了减轻这种冲击，球形机器人变为六足机器人，以此来获得更好的适应性。 [0031] 本发明可实现机器人在复杂路况下良好的生存能力，提高其机动性，从而扩大其应用范围，以其为载体，可扩展其功能，为人们的生产、生活带来便利。针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种可实现滚动、行走的球形六足机器人，通过对机器人物理结构的设计以及对机器人六足行走和球形滚动算法的研究、优化与调试，完成机器人的行走与滚动。 [0033] 图1是本发明实施例提供的可实现滚动、行走的球形六足机器人结构示意图。 [0034] 图2是本发明实施例提供的为图1上半部结构示意图。 [0035] 图3是本发明实施例提供的中间主舵机与齿轮咬合图。 [0036] 图4是本发明实施例提供的图1的中间结构示意图。 [0037] 图5是本发明实施例提供的图1下半部结构示意图。 [0038] 图6是本发明实施例提供的曲杆连接下肢结构示意图。 [0039] 图7是本发明实施例提供的上肢固定支架示意图。 [0040] 图8是本发明实施例提供的电源固定结构示意图。 [0041] 图中：1、外壳；2、上肢；3、圆盘；4、曲杆；5、下肢；6、支架；7、上圆盘；8、下圆盘；9、主动轮；10、从动轮；11、曲杆。 具体实施方式[0042] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0043] 下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。 [0044] 如图1-图8所示，本发明实施例提供的可实现滚动、行走的球形六足机器人包括：外壳1、上肢2、圆盘3、曲杆4、下肢5、支架6、上圆盘7、下圆盘8、主动轮9、从动轮10、曲杆11。 [0045] 本发明实施例提供的可实现滚动、行走的球形六足机器人包括上、中、下三部分，上半部分如图2所示，其中上肢2、圆盘3、支架6。六个支架6通过螺钉均匀的固定在圆盘3上，六个上肢2则分别固定在六个支架6上，为了增加上肢的自由度，每个上肢2使用了两个数字舵机。 [0046] 中间结构如图3所示，其中上圆盘7、下圆盘8、主动轮9、从动轮10，曲杆11。在上圆盘7、下圆盘8之间存在一个由两个小圆盘固定的数字舵机，所述数字舵机与主动轮9相连，在上圆盘7、下圆盘8之间，通过螺杆固定六组曲杆11，使得曲杆11可以以螺杆为中心做圆周运动，每个螺杆上安装一个从动轮10，从动轮10之间不接触，从动轮10与主动轮9之间咬合。主动轮9有两个小圆盘中间的数字舵机驱动，当主动轮9转动时，从动轮10随之转动，装有从动轮10的曲杆11也随之转动，以此实现所述可实现滚动、行走的球形六足机器人的展开与合拢。 [0047] 所述上圆盘7、下圆盘8之间用来固定数字舵机和曲杆11的结构如图4所示，一共需要六组曲杆。 [0048] 下面的结构如图5所示，每组曲杆11安装一个下肢5，一共六个下肢5，每个下肢5由两个数字舵机构成，保证了下肢5的自由度。图6所示为曲杆11与下肢5的连接方式，在每个曲杆11的中间都安装了一个数字舵机，通过该数字舵机与下肢5进行连接。 [0049] 图7为上肢2的支架，上肢2通过支架6与圆盘3进行连接，在支架6中间的空位中放置Arduino单片机和舵机控制板。 [0050] 图8为下圆盘8的下部，用来固定电源，所述电源用来给舵机、Arduino单片机和舵机控制板供电。 [0051] 本发明的工作原理： [0052] 本发明实施例提供的可实现滚动、行走的球形六足机器人，从上至下依次设有十二瓣外壳、六个上肢、两个圆盘、十二个曲杆和六个下肢。所述六个上肢，每个上肢上安装两个数字舵机和一瓣外壳；所述上下两个圆盘分别安装六个曲杆；所述的十二个曲杆，两个为一组，分为六组，每组连接一个下肢；所述的六个下肢，每个安装两个数字舵机和一瓣外壳；所述的数字舵机由舵机控制板和单片机进行精确控制；所述上肢和所述圆盘之间还设置有六个支架，每个支架对应一个上肢；所述六个支架通过螺钉固定在上层圆盘上；所述曲杆用螺钉固定到所述两个圆盘上；在所述下圆盘上的曲杆与所述下圆盘的六个结合处固定六个从齿轮；所述从齿轮相互之间没有接触；所述两个圆盘通过四根支撑柱固定在一起，并且固定之后，除所述从齿轮外，安装了曲杆的上下两个圆盘完全对称；所述两个圆盘之间通过螺钉固定一个数字舵机；所述数字舵机上安装一个主齿轮；所述主齿轮穿过下圆盘与所述六个从齿轮啮合；所述十二个曲杆，上下对称的两个曲杆为一组，分为六组；所述六组曲杆，每组曲杆固定一个数字舵机；所述六组曲杆上的数字舵机，每组连接一个下肢，合计六个下肢；所述六个下肢，每个下肢上固定一瓣外壳；所述六个支架中间装置直流电源，为Arduino单片机、舵机控制板和舵机供电；所述两个圆盘之间放置Arduino单片机和舵机控制板；所述Arduino单片机需要集成蓝牙和六轴传感器模块。 [0053] 本发明实施例提供的可实现滚动、行走的球形六足机器人，包含球形滚动和六足行走功能，所述功能实现方法如下： [0054] 步骤一，将一个下肢和与它相对应的上肢作为一组，则一共可以分为六组，通过在PC机上搭建的上位机软件与舵机控制板进行通信，调试出六个动作组，使其可以完成伸展和合拢的动作，将其编号为1——6，每个动作组对应一组上下肢； [0055] 步骤二，通过在PC机上搭建的上位机软件与舵机控制板进行通信，对机器人下肢和圆盘中间的舵机进行调试，使其可以实现从六足形态到球形形态的变化，把这组动作命名为动作组7；利用同样的方法，可以实现从球形形态到六足形态的变化，把这组动作命名为动作组8。由于机器人在六足形态和球形形态时通过六轴传感器传回的数据不同，使得单片机可以根据不同的数据发送不同的指令； [0056] 步骤三，当路面情况较好时，使用者通过蓝牙向机器人发送变成球形形态指令，Arduino单片机依据六轴传感器传回的数据，判断机器人目前所处的形态，若机器人处于六足形态，则调用舵机控制板中储存的动作组7，变为球形形态；若机器人处于球形形态，则arduino单片机不调用舵机控制板中储存的动作组； [0057] 步骤四，当使用者发送球形滚动命令时，单片机依据六轴传感器传回的数据，判断出处在最上端的那一组，若第六组处在最上端，则单片机按照6-1-2-3-4-5-6的顺序调用储存在舵机控制板中的动作组，通过四肢的展开与合拢，改变机器人的重心，实现球形滚动功能； [0058] 步骤五，当路面情况较差时，使用者通过蓝牙向机器人发送变成六足形态指令，Arduino单片机依据六轴传感器传回的数据，判断机器人目前所处的形态，若机器人处于球形形态，则调用舵机控制板中储存的动作组8，变为球形形态。若机器人处于六足形态，则arduino单片机不调用舵机控制板中储存的动作组； [0059] 步骤六，当使用者发送六足行走命令时，Arduino单片机调用之前在舵机控制板中储存的与六足行走有关的动作组，将球形六足机器人下肢左侧的前、后足及右侧的中足为一组，右侧的前、后足和左侧的中足为另一组，分别组成两个三角形支架，依靠下肢前后移动实现机器人的六足行走。 |
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