[发明专利]仿壁虎机器人机械结构及其机器人

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿壁虎机器人机械结构及其机器人，属于特种机器人领域。可应用于反恐、搜救、狭小空间探测、安全保卫、航空宇航和城市服务业等领域。

技术背景

非结构环境下的机器人具有广泛而迫切的需求。其中3维空间无障碍运动机器人(简称3DOF机器人)技术难度最大，科技含量最高，需求最为迫切。目前3DOF机器人运动系统的机构分为：轮式，如中国专利CN1739925公开的一种非接触磁吸附轮式爬壁机器人；履带式，如中国专利CN1709654公开的基于同步齿形带的磁吸附履带式爬壁机器人；杆式，如中国专利CN1511681公开的五足爬壁机器人，CN1966337A。其中，杆式机器人结构复杂，越障能力强，粘附更加可靠，具有更高的运动和适应能力，但运动控制复杂，自由度多，驱动和控制难度大，是3DOF机器人发展的方向。美国MIT，UC Berkeley，Harvard和Carnige Mellon等单位合作研制的仿壁虎机器人Stickybot共有四肢，每肢只有2个自由度，每个自由度由一个舵机驱动，实现了在规则的平面的运动。

仿生机器人的腿机构在自由度的分配上一般存在两种形式：一种是仿哺乳动物的腿机构，腿位于身体下方，此类机器人自由度的安排在地面上运动时具有较大的工作空间，能以较大的步幅运动，此类机器人由于中心离接触面过高，不宜进行爬壁运动。另一类是类爬行动物的自由度分布，此类机器人在壁面上运动时重心较低，而在地面上运动时由于重心较低，容易与地面之间产生摩擦。腿机构机器人在运动过程中，当双足以上处于支撑相时，系统为过驱动状态，支撑相足之间往往存在相互作用力，可能使地面运动的机器人支撑相足之间形成相对滑动，或者使爬壁机器人由于支撑相足之间的相对滑动而脱落壁面，造成严重损失；而且驱动舵机为克服该力的作用而造成能源的浪费。而上述机器人，没有对这类问题提出一个很好的解决办法。

发明内容

基于上述背景，本发明提出了一种仿壁虎机器人机械结构及其机器人，合理安排每条腿上自由度的位置，使机器人具有很好的在地面和墙面上的运动能力。

一种仿壁虎机器人机械结构，其特征在于：包括机身框架、安装于机身框架上的四条肢体，及被动式尾巴；其中每条肢体依次由二自由度髋关节、大腿连杆、单自由度膝关节、小腿、三自由度被动式球铰链踝关节及足组成；上述的二自由度髋关节由控制肢体抬起和下落的髋关节抬腿舵机和控制肢体前后摆动的髋关节摆腿舵机组成；上述单自由度膝关节由膝关节舵机组成。

所述的髋关节抬腿舵机安装于所述机身框架上，髋关节摆腿舵机框架安装于髋关节抬腿舵机输出轴上，膝关节摆腿舵机安装于舵机框架内，小腿与足之间通过踝关节连接。整体的框架结构减轻了机器人机体的总体重量。

所述髋关节抬腿舵机的装轴线与机器人体平面成60°夹角；这样可以在不影响舵机运动范围的同时缩小机体的宽度，有利于以后的爬壁的稳定性。

所述三自由度被动式球铰链踝关节具体结构为：一带有连杆的球体，连杆用于与小腿连接，球体嵌于足的球形凹槽内。

所述的壁虎机器人机械结构，其特征在于：足底具有用于监测足与接触面之间接触状况和受力情况的一维弹性力传感器。小腿即为二维力传感器，该二维力传感器用于检测垂直于足端平面内的二维力，或者为三维力传感器。

所述的壁虎机器人机械结构，其特征在于：所述机身框架包括前部框架、腰部框架和后部框架，其中前部框架和后部框架结构相同，具有互换性。腰部框架为弹性杆或刚性杆。

所述的控制部分由上位机控制系统、机器人控制系统和电源模块组成；上位机控制系统与机器人控制系统之间采用无线通信模式。

机器人控制系统为分布式控制系统，由主机控制模块、四个肢体从机控制模块、传感器信号调理模块、无线收发模块和载体电源；主机控制模块和无线收发模块通过SPI总线相连，与上位机控制部分实现无线遥控；载体电源模块为整个机器人控制系统及舵机供电。