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一种仿虫特种 机器人及其控制方法

阅读：481发布：2024-01-09

专利汇可以提供一种仿虫特种机器人及其控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公布了一种仿虫特种机器人及其控制方法，包括一个红外传感器、一个位移模块、一个跳跃模块和一个主控器模块构成，主控模块分别通过控制4个位移电机带动扇形轮实现前进和转向，同时在遇到一定高度障碍时，可通过电机和柔性连接件的同时作用，借助扇形轮腿上橡胶的摩擦力越过障碍。主控模块通过红外传感器接受数据，当没有障碍时，跳跃电机停止转动主动齿轮有轮齿的部分卡在从动轮上，使得弹簧通过拉紧蓄能，当遇到障碍且不能越过时，主控模块控制弹簧电机转动，使其转动至无轮齿处，通过弹簧拉紧力借助跳跃机构使得机器人通过跳跃越过障碍。本发明在各种路面上适应力强，且能越过一定高度的障碍，可广泛用于各种地形环境的检测工作。，下面是一种仿虫特种机器人及其控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种仿虫特种机器人，其特征在于，所述的仿虫特种机器人包括车架(2)；设置在车架(2)前端的深度相机(1)；设置在车架(2)上的行走机构以及跳跃机构；以及控制深度相机(1)、行走机构以及跳跃机构的主控模块；
所述的行走机构包括对称设置在车架(2)两侧的四个轮腿(13)以及固定在车架(2)上的四个驱动电机(3)，轮腿(13)通过螺纹安装在柔性连接件(12)上，柔性连接件(12)通过紧定螺钉紧固在驱动电机(3)的传动轴上；
所述的跳跃机构包括前置弹簧固定轴(4)、拉伸弹簧(5)、弹簧连接轴(10)、跳跃电机(3)、主动齿轮(7)、从动齿轮(8)、拉伸轴(9)、跳跃传动板(14)、两个跳跃支架(15)、两个跳跃从动板(16)；前置弹簧固定轴(4)通过螺安装在电机箱(3)上，拉伸弹簧(5)钩在前置弹簧固定轴(4)和弹簧连接轴上(10)，弹簧连接轴(10)通过螺纹紧固在两个跳跃传动板(14)上，跳跃传动板(14)、跳跃支架(15)和跳跃从动板(16)通过销钉连接形成旋转自由度，跳跃从动板(16)通过销钉安装在车架上(2)，主动齿轮(7)通过键安装在跳跃电机(6)上，从动齿轮(8)通过键固定在拉伸轴(9)上，通过齿轮机构让跳跃电机(6)带动拉伸轴(9)转动，拉伸轴(9)焊接在两个跳跃传动板(14)上带动跳跃传动板(14)沿着轴向旋转从而拉紧拉伸弹簧(5)；
所述深度相机(1)能够图像通过数据线实时传输给主控模块(11)，所述主控模块(11)进行图像处理分析，把障碍简单的处理成线条，从而得到障碍的高度，判断机器人是否可以越过障碍，然后控制驱动电机(3)和跳跃电机(6)让机器人通过跳跃机构或者爬行机构通过障碍；
所述深度相机(1)能够图像通过数据线实时传输给主控模块(11)，所述主控模块(11)进行图像处理分析，把障碍简单的处理成线条，从而得到障碍的高度，判断机器人是否可以越过障碍，然后控制驱动电机(3)和跳跃电机(6)让机器人通过跳跃机构或者爬行机构通过障碍。
2.根据权利要求1所述的一种仿虫特种机器人，其特征在于，所述柔性连接件(12)包括柔性电机连接件(17)、圆形弹簧(18)、柔性轮腿连接件(19)，柔性电机连接件(17)通过紧定螺钉紧固在驱动电机(3)轴上，圆形弹簧(18)安装在柔性电机连接件(17)和柔性轮腿连接件(19)的凹槽中，柔性电机连接件(17)通过螺纹固定在柔性轮腿连接件(19)上，通过圆形弹簧(18)的压缩实现柔性连接件(12)的柔性传动。
3.根据权利要求2所述的一种仿虫特种机器人，其特征在于，所述轮腿(13)为三叉扇形结构，圆弧处安装有防滑橡胶，左右两轮腿各个轮腿(13)错开60°布置；当需越过障碍时，轮腿(13)一边轮腿先接触障碍物表面，然后压缩柔性连接件(12)内的圆形弹簧(18)，等另一边轮腿(13)也接触时，通过驱动电机(3)和圆形弹簧(18)的同时作用下，越过障碍物；定义单个腿长为L，障碍物高为H，根据几何原理
4.一种仿虫特种机器人的控制方法，其特征在于，包括：
步骤1，通过体感摄像头(1)获取环境及障碍信息，主控模块(10)分析图像，当高度在不超过轮腿(13)高度时，控制轮腿(13)转动，从而爬行和通过加大转矩通过一定高度的障碍；
步骤2，体感摄像机(1)获取障碍信息，主控模块(10)分析图像后，发现高度超过轮腿(13)，但在跳跃高度内时，主控模块(10)控制跳跃电机(6)转动让主动齿轮(7)转动到无齿处，让从动齿轮(8)因拉伸弹簧(5)转动，带动跳跃传动板(14)、跳跃支架(15)和跳跃从动板(16)组成的机构运动从而越过障碍，其中，通过跳跃机构越过障碍具体方法是：定义拉伸弹簧(5)收缩时，跳跃传动板(14)和车架(2)形成的角度为θ0，跳跃传动板(14)的短边长为l1，拉伸轴(9)的轴心到前置弹簧固定轴(4)的轴心距离为l2，拉伸弹簧(5)的初始长度为l0，当主动齿轮(7)转动时，设主动齿轮(7)上带齿的角度为θ1,齿数为z1，则从动齿轮(8)因电机带动转动的角度为 z2为从动轮的齿数，所以弹簧储存的势能为：
当主控模块(11)根据深度相机(1)得
到的图像判断机器人越过障碍的所需要的能量低于拉伸弹簧(5)储存的势能时，跳跃电机(6)将会转动一周，让机器人越过障碍物。

说明书全文

一种仿虫特种机器人及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于仿生机器人应用领域的特种机器人，同时结合了传感器和机电控制领域。具体涉及一种仿虫特种机器人及其控制方法。

背景技术

[0002] 移动机器人的设计和控制一直是目前研究的重点，如何提高移动机器人对各种地面的适应性、越过未知的障碍已成为现在关注的重点。因此基于各种仿生原理的机器人进入了我们的视野，首先是从仿人开始的腿式机器人，但因为其设计到传感、控制和人体运动学等一系列问题一直难以用于实用。之后就是多足机器人，不过虽然其越障能力优于普通轮式机器人，不过由于结构复杂，其传动效率远远低于轮式机器人。随后，考虑到纯轮式和纯腿式存在的局限性，借助昆虫运动学原理把“轮”和“腿”相结构，使其不但有速度，同时具有一定的越障能力。

[0003] 近年来我国对这些问题展开了诸多研究，中国专利CN 201410739495.X申请公开了一种六足轮腿式爬行仿生机器人，该发明包括依次相连的躯干前部、躯干中部、躯干后部以及分别设置在躯干前部、躯干中部、躯干后部两侧的前轮腿组件、中轮腿组件、后轮腿组件，躯干前部、躯干后部与躯干中部之间的间距可调，前轮腿组件、中轮腿组件及后轮腿组件分别由第一、第二、第三电机驱动，且前轮腿组件、中轮腿组件、后轮腿组件的轮腿刚度可调，第一、第二、第三电机由电池组供电。该发明通过对机器人的轴间跨距和轮腿刚度进行调整，可使设备的最大跨越沟渠宽度与最大攀越阶梯障碍高度均可以变化，在满足爬行使用要求的前提下可以获取机器人适应环境的最佳运动参数，极大地提高机器人在爬行过程中的容错率。但由于该轮腿的运行原理，容易产生机械结构上的额外颠簸，且在面对高于轮腿的障碍时由于其被动避障无法自主绕行或者翻越。

[0004] 中国专利CN 201310143219.2申请公开了一种仿生六轮腿行走机构，该发明包括前车架、前传动部分、转向总成、后车架、后传动部分、中部自由度装置和轮腿。前传动部分安装在前车架上，后传动部分安装在后车架上，中部自由度装置固定于后车架前端中部，前车架后端与后车架前端采用中部自由度连接杆将两者转动连接，前左轮腿与前右轮腿依次安装在前传动部分中的前轴的左端与右端，中左轮腿与中右轮腿依次安装在后传动部分中的中间轴的左端与右端，后左轮腿与后右轮腿依次安装在后传动部分中的后轴的左端与右端。转向总成的舵机安装在前车架的舵机支撑板上，转向总成的前左球头销与前右球头销依次和前左轮腿与前右轮腿转动连接。该发明的轮腿把“轮”和“腿”进行巧妙的结合，使该结构不仅有轮的速度且具有一定的越障能力，同时该机器人有俯仰和左右两个自由度使得该机器人具有较好的灵活性。不过该发明机构复杂，加工要求高，且使用皮带轮机构进行传动，容易发生打滑磨损影响其传动效率，其次该发明的俯仰自由度有一定局限，无法越过高于其自由度的障碍。

[0005] 综上所述，仿虫特种机器人的研究越来越多，但是均是纯粹的爬行机构或者增加一定俯仰自由度进行越障，缺少主动避障和越过过高障碍的能力。

发明内容

[0006] 本发明针对现有的爬行机器人所存在的问题，提出了一种仿虫特种机器人。该机器人通过爬行机构实现地面爬行和一定的越障功能，通过跳跃机构可以越过高于机器人轮腿的障碍，通过深度相机和主控模块对周围环境的图像进行处理，从而控制机器人越障和避障。

[0007] 本发明的上述技术问题主要是通过下属技术方案得以解决：

[0008] 一种仿虫特种机器人，其特征在于，所述的仿虫特种机器人包括车架；设置在车架前端的深度相机；设置在车架上的行走机构以及跳跃机构；以及控制深度相机、行走机构以及跳跃机构的主控模块；

[0009] 所述的行走机构包括对称设置在车架两侧的四个轮腿以及固定在车架上的四个驱动电机，轮腿通过螺纹安装在柔性连接件上，柔性连接件通过紧定螺钉紧固在驱动电机的传动轴上；

[0010] 所述的跳跃机构包括前置弹簧固定轴、拉伸弹簧、弹簧连接轴、跳跃电机、主动齿轮、从动齿轮、拉伸轴、跳跃传动板、两个跳跃支架、两个跳跃从动板；前置弹簧固定轴通过螺安装在电机箱上，拉伸弹簧钩在前置弹簧固定轴和弹簧连接轴上，弹簧连接轴通过螺纹紧固在两个跳跃传动板上，跳跃传动板、跳跃支架和跳跃从动板通过销钉连接形成旋转自由度，跳跃从动板通过销钉安装在车架上，主动齿轮通过键安装在跳跃电机上，从动齿轮通过键固定在拉伸轴上，通过齿轮机构让跳跃电机带动拉伸轴转动，拉伸轴焊接在两个跳跃传动板上带动跳跃传动板沿着轴向旋转从而拉紧拉伸弹簧；

[0011] 所述深度相机能够图像通过数据线实时传输给主控模块，所述主控模块进行图像处理分析，把障碍简单的处理成线条，从而得到障碍的高度，判断机器人是否可以越过障碍，然后控制驱动电机和跳跃电机让机器人通过跳跃机构或者爬行机构通过障碍；

[0012] 所述深度相机能够图像通过数据线实时传输给主控模块，所述主控模块进行图像处理分析，把障碍简单的处理成线条，从而得到障碍的高度，判断机器人是否可以越过障碍，然后控制驱动电机和跳跃电机让机器人通过跳跃机构或者爬行机构通过障碍。

[0013] 在上述的一种仿虫特种机器人，所述柔性连接件包括柔性电机连接件、圆形弹簧、柔性轮腿连接件，柔性电机连接件通过紧定螺钉紧固在驱动电机轴上，圆形弹簧安装在柔性电机连接件和柔性轮腿连接件的凹槽中，柔性电机连接件通过螺纹固定在柔性轮腿连接件上，通过圆形弹簧的压缩实现柔性连接件的柔性传动。

[0014] 在上述的一种仿虫特种机器人，所述轮腿为三叉扇形结构，圆弧处安装有防滑橡胶，左右两轮腿各个轮腿错开60°布置；当需越过障碍时，轮腿一边轮腿先接触障碍物表面，然后压缩柔性连接件内的圆形弹簧，等另一边轮腿也接触时，通过驱动电机和圆形弹簧的同时作用下，越过障碍物；定义单个腿长为L，障碍物高为H，根据几何原理

[0015] 一种仿虫特种机器人的控制方法，其特征在于，包括：

[0016] 步骤1，通过体感摄像头获取环境及障碍信息，主控模块分析图像，当高度在不超过轮腿高度时，控制轮腿转动，从而爬行和通过加大转矩通过一定高度的障碍；

[0017] 步骤2，体感摄像机获取障碍信息，主控模块分析图像后，发现高度超过轮腿，但在跳跃高度内时，主控模块控制跳跃电机转动让主动齿轮转动到无齿处，让从动齿轮因拉伸弹簧转动，带动跳跃传动板、跳跃支架和跳跃从动板组成的机构运动从而越过障碍。其中，通过跳跃机构越过障碍，具体方法是：定义拉伸弹簧收缩时，跳跃传动板和车架形成的角度为θ0，跳跃传动板的短边长为l1，拉伸轴的轴心到前置弹簧固定轴的轴心距离为l2，拉伸弹簧的初始长度为l0，当主动齿轮转动时，设主动齿轮带齿的角度为θ1,齿数为z1，则从动齿轮因电机带动转动的角度为 z2为从动轮的齿数，所以弹簧储存的势能为：

[0018] 当主控模块根据深度相机得到的图像判断机器人越过障碍的所需要的能量低于拉伸弹簧储存的势能时，跳跃电机将会转动一周，让机器人越过障碍物。

[0019] 本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：1.本发明所述的仿爬虫机器人中的“轮腿”将“轮”和“腿”结合，并借助扇形结构，加大了与地面和障碍物表面的接触面积，不但运动快捷且越障能力优越。2.本发明所述的仿爬虫机器人中采用柔性连接件，减少了机器人轮腿运动是产生的震动同时，因为圆形弹簧压缩蓄能，提高机器人越过障碍的速度和能力。3.本发明所述的仿爬虫机器人拥有跳跃机构，当遇到超过轮腿高度的障碍时，机器人可以借助跳跃机构越过障碍，提高了机器人的适应复杂环境的能力，从而能在更加复杂的环境中运行。4.本发明所述的仿爬虫机器人采用四个驱动电机带动轮腿驱动，不但提要了机器人的动力和速度，同时使得主控模块对机器人四个轮腿进行四驱控制，从而使得机器人运动更加平滑稳定。5.本发明所述的仿爬虫机器人采用深度相机结合图像处理技术，对机器人周围环境进行分析，使得机器人可是自主处理复杂未知环境，并且可以让使用者实时查看机器人运动的环境信息。附图说明

[0020] 图1是本发明的仿虫特种机器人的斜视图。

[0021] 图2是本发明的仿虫特种机器人的柔性连接件的爆炸图。

[0022] 图3是本发明的仿虫特种机器人的行走状态下的右视图。

[0023] 图4是本发明的仿虫特种机器人的跳跃状态下的右视图。

[0024] 图5是本发明的仿虫特种机器人的轮腿越障的原理图。

[0025] 图6是本发明的仿虫特种机器人的跳跃机构的原理图。

具体实施方式

[0026] 下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

[0027] 实施例：

[0028] 本发明在整体结构设计方面，提供一种仿虫特种机器人，如图1所示，包括行走机构、跳跃机构、车架2、深度相机1和主控模块11组成；

[0029] 所述行走机构包括四个轮腿13、四个驱动电机3与4个柔性连接件12。轮腿13通过螺纹安装在柔性连接件12上，柔性连接件12通过紧定螺钉紧固在驱动电机3的传动轴上。

[0030] 所述跳跃机构包括前置弹簧固定轴4、拉伸弹簧5、弹簧连接轴10、跳跃电机3、主动齿轮7、从动齿轮8、拉伸轴9、跳跃传动板14、两个跳跃支架15、两个跳跃从动板16。前置弹簧固定轴4通过螺安装在电机箱3上，拉伸弹簧5钩在前置弹簧固定轴4和弹簧连接轴上10，弹簧连接轴10通过螺纹紧固在两个跳跃传动板14上，跳跃传动板14、跳跃支架15和跳跃从动板16通过销钉连接形成旋转自由度，跳跃从动板16通过销钉安装在车架上2，主动齿轮7通过键安装在跳跃电机6上，从动齿轮8通过键固定在拉伸轴9上，通过齿轮机构让跳跃电机6带动拉伸轴9转动，拉伸轴9焊接在两个跳跃传动板14上带动跳跃传动板14沿着轴向旋转从而拉紧拉伸弹簧5。

[0031] 所述柔性连接件12，如图2所示，由柔性电机连接件17、圆形弹簧18、柔性轮腿连接件19组成，柔性电机连接件17通过紧定螺钉紧固在驱动电机3轴上，圆形弹簧18安装在柔性电机连接件17和柔性轮腿连接件19的凹槽中，柔性电机连接件17通过螺纹固定在柔性轮腿连接件19上，通过圆形弹簧18的压缩实现柔性连接件12的柔性传动。

[0032] 所述轮腿13如图5所示，为三叉扇形结构，圆弧处安装有防滑橡胶，左右两边各个轮腿13错开60°布置。当需越过障碍时，轮腿13一边腿先接触障碍物表面，然后压缩柔性连接件12内的圆形弹簧18，等另一边轮腿13也接触时，通过驱动电机3和圆形弹簧18双重输出下，越过障碍物。设单个腿长为L，障碍物高为H，根据几何原理H＜3/2L。

[0033] 一种仿虫特种机器人的控制系统，其特征在于，所述深度相机1，可以将图像通过数据线实时传输给主控模块11，所述主控模块11可进行图像处理分析机器人无法越过的障碍，控制驱动电机3和跳跃电机6让机器人通过跳跃机构或者爬行机构通过障碍。

[0034] 一种仿虫特种机器人的控制方法，其特征在于，工作时，

[0035] 步骤1，通过体感摄像头1获取环境及障碍信息，主控模块10分析图像，当高度在不超过轮腿13高度时，控制轮腿13转动，从而爬行和通过加大转矩通过一定高度的障碍，如图3所示。

[0036] 步骤2，体感摄像机1获取障碍信息，主控模块10分析图像后，发现高度超过轮腿13，但在跳跃高度内时，主控模块10控制跳跃电机6转动让主动齿轮7转动到无齿处，让从动齿轮8因拉伸弹簧5转动，带动跳跃传动板14、跳跃支架15和跳跃从动板16组成的机构运动从而越过障碍，如图4所示。

[0037] 上述的一种仿虫特种机器人跳跃机构的控制方法，其特征在于，所述步骤2中，通过跳跃机构越过障碍，如图6所示，其具体方法是：定义拉伸弹簧5收缩时，跳跃传动板14和车架2形成的角度为θ0，跳跃传动板14的短边长为l1，拉伸轴9的轴心到前置弹簧固定轴4的轴心距离为l2，拉伸弹簧5的初始长度为l0，当主动齿轮7转动时，设主动齿轮7上带齿的角度为θ1,齿数为z1，则从动齿轮8因电机带动转动的角度为 z2为从动轮的齿数，所以弹簧储存的势能为：

[0038] 当主控模块11根据深度相机1得到的图像判断机器人越过障碍的所需要的能量低于拉伸弹簧5储存的势能时，跳跃电机6将会转动一周，让机器人越过障碍物。

[0039] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

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一种仿虫特种机器人及其控制方法

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