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CN105905187A - 仿生正六边形六足机器人 - Google Patents

仿生正六边形六足机器人 Download PDF

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CN105905187A CN201610458218.0A CN201610458218A CN105905187A CN 105905187 A CN105905187 A CN 105905187A CN 201610458218 A CN201610458218 A CN 201610458218A CN 105905187 A CN105905187 A CN 105905187A
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machine
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杨旭
姜银光
孙昌国
师英杰
宁贝飞
岳健
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University of Science and Technology Beijing USTB
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    • G—PHYSICS
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    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明提供一种仿生正六边形六足机器人，属于行走机器人技术领域。该机器人包括正六边形机身、行走机构和控制行走机构的闭环控制系统，行走机构为正六边形机架，包括三对机械足，每支机械足包括复合旋转臂、短臂、长臂和用于驱动所述机械足在水平方向上旋转的水平调节组件，水平调节组件在水平范围内旋转，驱动机器人前进和后退；通过短臂在竖直范围内转动，做到机械足的上升和下降；通过长臂在竖直范围内转动，驱动机械足在水平范围内做伸展运动；六个机械足的相互运动组成运动机构来驱动机器人实现各种动作。该机器人对地形适应能力强，可应用于危险地带的探测，也能应用于航空航天、未知星球勘测环境。

Description

仿生正六边形六足机器人
技术领域
本发明涉及行走机器人技术领域，特别是指一种仿生正六边形六足机器人。
背景技术
步行机的构想主要是基于自然界凹凸不平的地形变化，仿生步行机器人是模仿动物的运动形式，采用腿式结构来完成各种移动功能的机器人。虽然移动机器人中轮式和履带式机器人已经得到了广泛的应用，但是步行机器人对路面的要求很低，机器人的足所具有的大量自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凹凸不平的地形适应能力更强；步行足式机器人的立足点是离散的，跟地面的接触面积很小，可以在可达到的地面上选择最优支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑点，也能够行走自如；可以应用于危险地带的探测，或者是人类不能到达的地方，也能应用于航空航天、未知星球勘测环境。
目前，常见的步行机器人有两足式、四足式应用较多，其中的两足式和四足式相对六足式腿部个数较少，腿部关节自由度较少，运到不够灵活，动态稳定性较差。部分不规则六足机器人身体结构不匀称，导致在前进过程中行走不稳定，容易发生侧翻。而且大部分现有的行走机器人行走步态是固定的，这样在崎岖不平稳路面行走时机体的关节将受到很大的冲击力，有可能损坏关节和驱动元件。
由于腿结构设计的原因，大部分步行机器人的负载能力较差。
大部分四足步行机器人的控制系统是非线性的多输入和多输出不稳定系统，具有时变性和间歇动态性。目前四足机器人的步行运动大多数是基于步态的几何位置轨迹规划、关节位置控制的规划和控制策略。而对机器人进行单纯的几何位置规划与控制，则会由于惯性、脚力失衡等因素而导致机器人失稳。
而且大部分现有步行式机器人采用的是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成，在复杂路面行走过程中可能处理不及时。有的关节是由逻辑电路组成的状态机控制的，因此机器人的行为受到限制，只能呈现固定的运动形式。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种仿生正六边形六足机器人，该机器人包括正六边形机身、行走机构和控制行走机构的闭环控制系统，行走机构为正六边形机架，包括三对机械足，其中，每支机械足包括复合旋转臂、短臂、长臂和用于驱动机械足在水平方向上旋转的水平调节组件，复合旋转臂通过水平调节组件安装在正六边形机身上，短臂的一端通过第一竖直调节组件与复合旋转臂活动连接，短臂的另一端通过第二竖直调节组件与长臂的一端活动连接，复合旋转臂上同时安装舵机一和舵机二，长臂上安装舵机三，复合旋转臂的下板上装有微型滚动轴承，复合旋转臂通过微型滚动轴承与正六边形机身的下底板连接。
其中，闭环控制系统包括pc机、MCS—51单片机、舵机控制器、舵机一、舵机二、舵机三、微型无线传输摄像头和压力传感器，pc机连接装于正六边形机身上的MCS—51单片机，MCS—51单片机连接舵机控制器，舵机控制器控制舵机一、舵机二和舵机三，压力传感器连接MCS—51单片机，摄像头连接MCS—51单片机。微型无线传输摄像头安装在正六边形机身上，所述压力传感器安装在长臂上。
复合旋转臂上安装舵机一和舵机二，由上下两个薄板夹持舵机一和舵机二，舵机一竖直放置，通过水平调节组件与正六边形机身连接；舵机二水平放置，通过第一竖直调节组件与短臂连接。
该机器人腿部具有多个自由度，使运动的灵活性大大增强。它可以通过调节腿的长度保持身体水平，也可以通过调节腿的伸展程度调整重心位置，因此不易翻到，稳定性更高。
该机器人共有六个微型滚动轴承，装在腿部和机身的连接部位，这样可使用固定板使腿部牢固固定在机身上下底板之间，大大增加了机器人的负载能力，扩大了机器人的使用范围，弥补了大部分机器人负载能力差的缺点。
该仿生正六边形六足机器人采用的是分散(级)式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。
腿机构的缓冲装置是必不可少的，其腿关节类似动物腿关节，其运动通过舵机来控制。它的脚底部装有压力传感器，可自动检测与地面接触的状态。压力传感器和姿态控制系统根据传感信息做出的控制决策，实现在不平整地面的自适应静态步行。
该机器人能够实现不规则地面的自适应动态步行，显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的优点。它的另一特点是利用了微型无线摄像机导航，可以辨别和避让前方存在的障碍，能够在封闭回廊中实现无碰撞快速行走。
该机器人机动性和反应能力都很强，平衡能力极佳，且有较强的负载能力。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
该机器人对路面的要求很低，机器人的足所具有的大量自由度使机器人的运动更加灵活，对凹凸不平的地形适应能力更强；步行足式机器人的立足点是离散的，跟地面的接触面积很小，可以在可达到的地面上选择最优支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑点，也能够行走自如；在负载、稳定性、灵活性和对地面的适应性等方面的性能得到了很大提高，自主化和智能化能力得到凸显。可以应用于危险地带的探测，或者是人类不能到达的地方，也能应用于航空航天、未知星球勘测环境。很好的解决了现有轮式和履带式机器人不能到达复杂地面的限制，以及其他现有足式机器人行走不稳定的缺陷。
附图说明
图1为本发明的仿生正六边形六足机器人结构俯视图；
图2为本发明的仿生正六边形六足机器人结构主视图；
图3为本发明的仿生正六边形六足机器人机械足的俯视图；
图4为本发明的仿生正六边形六足机器人机械足的主视图；
图5为本发明的仿生正六边形六足机器人闭环控制系统原理图。
其中：1-正六边形机身；2-闭环控制系统；3-机械足；4-复合旋转臂；5-短臂；6-长臂；7-水平调节组件；8-第一竖直调节组件；9-第二竖直调节组件；10-舵机一；11-舵机二；12-舵机三；13-微型滚动轴承。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有轮式和履带式机器人不能到达复杂地面的限制，以及其他现有足式机器人行走不稳定的缺陷问题，提供一种仿生正六边形六足机器人。
如图1和图2所示，为该机器人结构示意图，该机器人包括正六边形机身1、行走机构和控制行走机构的闭环控制系统2，行走机构为正六边形机架，包括三对机械足3，如图3和图4所示，每支机械足3包括复合旋转臂4、短臂5、长臂6和用于驱动机械足3在水平方向上旋转的水平调节组件7，复合旋转臂4通过水平调节组件7安装在正六边形机身1上，短臂5的一端通过第一竖直调节组件8与复合旋转臂4活动连接，短臂5的另一端通过第二竖直调节组件9与长臂6的一端活动连接，复合旋转臂4上同时安装舵机一10和舵机二11，长臂6上安装舵机三12，复合旋转臂4的下板上装有微型滚动轴承13，复合旋转臂4通过微型滚动轴承13与正六边形机身1的下底板连接，起到加固机械骨架的作用，能使机器人运动时更加稳定。
其中，闭环控制系统2包括pc机、MCS—51单片机、舵机控制器、舵机一10、舵机二11、舵机三12、微型无线传输摄像头和压力传感器，pc机连接装于正六边形机身1上的MCS—51单片机，MCS—51单片机连接舵机控制器，舵机控制器控制舵机一10、舵机二11和舵机三12，压力传感器连接MCS—51单片机，摄像头连接MCS—51单片机。微型无线传输摄像头安装在正六边形机身1上，所述压力传感器安装在长臂6上。微型无线传输摄像头和压力传感器将捕捉到的信息反馈给MCS—51单片机，MCS—51单片机将信息处理后反馈给pc机，然后pc机改变MCS—51单片机里的程序来控制三个舵机进而控制机器人的运动,同时微型无线传输摄像头通过无线模块把图像信息传输出来供操作人员观察。
复合旋转臂4包括舵机一10和舵机二11，由两个薄板夹持，舵机一10竖直放置，通过水平调节组件7与正六边形机身1连接；舵机二11水平放置，通过第一竖直调节组件8与短臂5连接。机器人共有六个微型滚动轴承13。
如图5所示，舵机一10由舵机控制器来控制其转动，通过水平调节组件7绕着正六边形机身1在水平范围内旋转，这样整个机械足3都会在水平方向旋转，能够驱动机器人前进和后退；由舵机控制器控制舵机二11旋转，通过第一竖直调节组件8带动短臂5在竖直范围内转动，驱动机械足3在竖直范围内运动，能够做到机械足3的上升和下降；由舵机控制器控制舵机三12旋转，通过第二竖直调节组件9带动长臂6在竖直范围内转动，驱动机械足3在水平范围内做伸展运动，做到机械足3的伸长和收缩；三组运动具有三个自由度，之间相互配合，MCS—51单片机接收微型无线传输摄像头和压力传感器采集到的数据，传递给总pc机和从pc机，总pc机和从pc机处理后，将控制信号传输给MCS—51单片机，MCS—51单片机将控制信号传输给舵机控制器，实现机器人行走等各种动作。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种仿生正六边形六足机器人，其特征在于：包括正六边形机身(1)、行走机构和控制行走机构的闭环控制系统(2)，行走机构包括三对机械足(3)，其中，每支机械足(3)包括复合旋转臂(4)、短臂(5)、长臂(6)和用于驱动机械足(3)在水平方向上旋转的水平调节组件(7)，复合旋转臂(4)通过水平调节组件(7)安装在正六边形机身(1)上，短臂(5)的一端通过第一竖直调节组件(8)与复合旋转臂(4)活动连接，短臂(5)的另一端通过第二竖直调节组件(9)与长臂(6)的一端活动连接，复合旋转臂(4)上同时安装舵机一(10)和舵机二(11)，长臂(6)上安装舵机三(12)，复合旋转臂(4)的下板上装有微型滚动轴承(13)，复合旋转臂(4)通过微型滚动轴承(13)与正六边形机身(1)的下底板连接。
2.根据权利要求1所述的仿生正六边形六足机器人，其特征在于：所述行走机构为正六边形机架。
3.根据权利要求1所述的仿生正六边形六足机器人，其特征在于：所述闭环控制系统(2)包括主pc机、从pc机、MCS—51单片机、舵机控制器、舵机一(10)、舵机二(11)、舵机三(12)、微型无线传输摄像头和压力传感器，pc机连接装于正六边形机身(1)上的MCS—51单片机，MCS—51单片机连接舵机控制器，舵机控制器控制舵机一(10)、舵机二(11)和舵机三(12)，压力传感器连接MCS—51单片机，摄像头连接MCS—51单片机。
4.根据权利要求1或3所述的仿生正六边形六足机器人，其特征在于：所述微型无线传输摄像头安装在正六边形机身(1)上，所述压力传感器安装在长臂(6)上。
5.根据权利要求1所述的仿生正六边形六足机器人，其特征在于：所述舵机一(10)竖直放置，通过水平调节组件(7)与正六边形机身(1)连接；舵机二(11)水平放置，通过第一竖直调节组件(8)与短臂(5)连接。
6.根据权利要求1所述的仿生正六边形六足机器人，其特征在于：所述机器人共有六个微型滚动轴承(13)。
7.根据权利要求1所述的仿生正六边形六足机器人，其特征在于：所述舵机控制器控制舵机一(10)转动，舵机一(10)驱动机械足(3)通过水平调节组件(7)绕着正六边形机身(1)在水平范围内旋转，驱动机器人前进和后退；舵机控制器控制舵机二(11)旋转，舵机二(11)驱动机械足(3)通过第一竖直调节组件(8)带动短臂(5)在竖直范围内转动，实现机械足(3)的上升和下降；舵机控制器控制舵机三(12)旋转，舵机三(12)驱动机械足(3)通过第二竖直调节组件(9)带动长臂(6)在竖直范围内转动，实现机械足(3)的伸长和收缩；MCS—51单片机接收微型无线传输摄像头和压力传感器采集到的数据，传递给总pc机和从pc机，总pc机和从pc机处理后，将控制信号传输给MCS—51单片机，MCS—51单片机将控制信号传输给舵机控制器，实现机器人行走。
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