一种仿生蚂蚁六足探测机器人的制作方法

本发明属于多足运动探测机器人，涉及一种仿生蚂蚁六足探测机器人。

背景技术

自然界中生物的结构和运动的特点有很多优于人们的设计，而且仿照生物的形状和功能已经有了很多丰硕的成果，例如根据蝙蝠超声波定位的原理发明了雷达；利用蝴蝶在花丛中不易被发现的原理发明了早期的迷彩服；根据苍蝇的楫翅发明了振动陀螺仪。蚂蚁是生活中很常见的一种生物，具有很优秀的团队协作能力和运动能力。同时，类似蜘蛛、蝗虫及天牛等多足节肢动物由于其高效的足运动表现受到全世界研究人员的广泛关注，近十年来诸多高校及科研机构研发出各种驱动模式的多足行走机器人。足部的运动需要使用合适的驱动动力，电机、液压作动器等都是常见的动力输出单元，微型运动机器人受限于其尺寸和整机负载，需要选用功率密度较高、质轻的执行机构，而采用微型舵机作为执行机构，其优点是控制简单，接线简洁，角度控制精确，但是作为机械元件，不可避免有一定的空程差，并且角度范围有限0～180°，极限位置不易到达并且容易出现抖动，因此使用舵机时，很少利用其极限位置进行运动，舵机在机器人中主要用于一些关节的搭接，运动角度为0～180°中间角度，以此保证运动的稳定性。

现代机器人运动方式一般有以下几种：

(1)轮式运动：直流减速电机直接带动车轮运动，控制方式简单，但是其运动受环境的限制，在良好的环境中能够发挥较好的机动性，在一些特殊的复杂的地形下，其运动效率较低，甚至不能完成相应的机动。

(2)履带式运动：履带式运动的优点在于具有更大的接触面积，能够提供更大的前进动力，对于复杂环境具有更好的适应性，但是履带式运动的缺点在于其机动性较差，不能做出快速的反应。

(3)双足运动：双足运动的特点在于模仿人的运动步态，具有更好的适应性，但是双足运动对于重心调整有着更高的要求，其稳定性和速度难以兼顾。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种在复杂环境下完成探测任务的微型机器人单体，即一种仿生蚂蚁六足探测机器人，充分利用蚂蚁身体结构的特点，以简洁高效的六足结构，实现自然蚂蚁抬腿和摆腿两相动作，设计六足节律性控制规律，完成普通机器人在复杂环境下难以完成的动作。

本发明仿生蚂蚁六足探测机器人，包括主机体部分和六足部分；六足部分包括左侧三足部分与右侧三足部分，分别安装于主机体部分左右两侧前、中、后位置。

其中，六足部分中的六足结构及安装方式相同，具有腿结构及用来驱动腿结构的舵机a与舵机b。

所述舵机a通过舵机支架a固定于躯体上，输出轴轴线垂直水平面设置。舵机b安装于舵机支架b上，输出轴轴线与舵机a输出轴轴线垂直设置。舵机支架b通过连接端安装于驱动舵机a的输出轴上。

所述腿结构前端用于支撑，末端通过铰接台与舵机支架b间铰接。腿结构中段通过端部铰接的两个连杆与舵机b输出轴固定。由此通过控制舵机a可实现腿结构绕舵机a输出轴轴线的转动运动，进而实现腿结构的前后摆动；通过控制舵机b实现腿结构绕自身与舵机支架b铰接轴轴线转动运动，进而实现腿结构的抬起与放下。

运动控制时，将六足分为两组，主机体部分右侧前足、后足与左侧中间足构成一组，剩下三足为一组。每次运动时，首先控制一组三足中的舵机b将腿结构向上抬起等高度，再控制另一组三足中的舵机a带动腿结构向后转动等角度，然后第一组三足舵机将腿结构放下直至支撑足触地，此时完成一次前移；随后，控制第二组三足中的舵机b带动腿结构向上抬起等角度，然后控制第二组三足中的舵机a带动腿结构向前转动相同角度，回到初始位置，再控制第一组三足中的舵机a向后转动等角度，完成一次前移；至此完成一组动作；随后控制机器人进行相同的动作，如此往复。通过调整两组三足中的舵机a的转动角度，还可实现曲线行走。

本发明的优点在于：

(1)本发明仿生蚂蚁六足探测机器人，具有双自由度的单腿独创机械结构，结构简洁可靠性高；

(2)本发明仿生蚂蚁六足探测机器人，该机器人单体具有丰富的运动步态，使得机器人具有在复杂地形环境下的强适应性，达到越障、跨越沟壑、转弯与换向的多重目的，环境适应性强；

(3)本发明仿生蚂蚁六足探测机器人，采用一组舵机驱动单腿运动的方式，克服了腿部运动的耦合问题，将腿部的运动解耦到两个舵机上进行控制，实现方式简洁，控制精准。

(4)本发明仿生蚂蚁六足探测机器人，较传统的多足机器人，体积更小，功耗更低，结构设计更加巧妙。步态多样化的六足结构，可实现机体各个姿态的调整，搭载微型摄像头，可以在更加复杂的狭小空间执行任务。

(5)本发明仿生蚂蚁六足探测机器人，步态多样化的六足结构，可实现机体各个姿态的调整，搭载微型摄像头，可以在更加复杂的狭小空间执行任务。

附图说明

图1是本发明仿生蚂蚁六足探测机器人的局部的三维爆炸图；

图2是本发明仿生蚂蚁六足探测机器人的整体结构装配图；

图3是本发明仿生蚂蚁六足探测机器人中头部上部分结构示意图；

图4是本发明仿生蚂蚁六足探测机器人中头部下部分结构示意图；

图5是本发明仿生蚂蚁六足探测机器人中躯体骨架结构示意图

图6是本发明仿生蚂蚁六足探测机器人中尾部下半部分结构示意图；

图7是本发明仿生蚂蚁六足探测机器人中舵机支架a结构示意图；

图8是本发明仿生蚂蚁六足探测机器人中舵机支架b结构示意图。

图中：

1-主机体部分2-六足部分3-摄像头

101-头部102-躯体103-尾部

101a-摄像头头部安装孔101b-摄像头支座固定槽101c-躯体固定头

102a-头部安装座102b-尾部固定孔102c-舵机支架固定孔

102d-电池盒固定孔103a-图传设备安装槽103b-躯体连接孔

201-前足202-中间足203-后足

204-舵机a205-舵机b206-舵机支架a

207-舵机支架b208-连杆a209-连杆b

210-腿结构211-凸耳207a-横梁

207b-支撑板

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明仿生蚂蚁六足探测机器人，包括主机体部分1和六足部分2，如图1所示。

所述的主机体部分1包括头部101、躯体102和尾部103。其中，头部101分为上下两部分结构；头部101的上部分前端设计有摄像头头部安装孔101a，其内部设置摄像头头部，实现摄像头3头部的定位，如图3所示；头部101的下部分设计有摄像头支座固定槽101b，其内部卡紧摄像头支座，实现摄像头3支座的固定，如图4所示。头部101的上部分与下部分间由m2螺栓通过周向上的螺丝固定孔，将上部分与下部分间连接固定，形成整体头部101。头部101末端设计有躯体固定头101c，用于实现头部101与躯体102间的连接。

躯体102分为躯体骨架和躯体盖两个部分。如图5所示，躯体骨架部分前端开有头部安装座102a，由m2.5螺栓通过头部安装座102a与躯体固定头101c间配合，实现头部101和躯体102间的固定；且松开螺栓可实现头部俯仰角度的调节。躯体骨架末端设计有尾部固定孔102b，用于实现躯体102与尾部间的连接。躯体骨架上还设计有舵机支架固定孔102c，电池盒固定孔102d以及主控制板限定槽；舵机支架固定孔102c与电池盒固定孔102d分别用于实现舵机支架与电池盒在躯体骨架上的固定；主控板限位槽内用来嵌入安装主控板，且实现主控板的定位。躯体盖通过安装于躯体骨架顶部，实现躯体102内部部件的保护。上述电池盒为框架结构，位于躯体102底部，内部搭载电池，通过m2.5螺栓与躯体连接。

尾部103分为上下两部分构成。其中，下部分底部设计有图传设备安装槽103a，用来安装图传设备；还设计有躯体连接孔103b，如图6所示，由m2.5螺栓通过躯体连接孔103b与尾部固定孔102b间配合，实现尾部103和躯体102间的固定；上部分与下部分间由m2螺栓通过周向上的连接孔连接，形成整体尾部103。

六足部分2包括左侧三足部分与右侧三足部分，分别安装于主机体部分1中躯体102的左右两侧。左侧三足部分与右侧三足部分均由前足201，中间足202与后足203构成；分别安装于躯体102前部、中部与后部的左右两侧对称位置，如图2所示。

所述前足201、中间足202与后足203结构相同，均包括舵机a204、舵机b205、舵机支架a206、舵机支架b207、连杆a208、连杆b209与腿结构210。其中，舵机支架a206为板状框架结构，与水平面平行设置，如图7所示；舵机支架a206末端设计有凸耳211，m2螺钉通过凸耳211与躯体骨架上对应位置的舵机支架a206固定孔，实现舵机支架a206与躯体骨架间的连接；且在躯体骨架侧部凸耳211连接位置设计有定位槽，在连接凸耳211时，将凸耳211卡入定位槽后进行连接，进而通过定位槽实现舵机支架a206前后摆动限制。舵机a204输出轴竖直方向设置，通过m2螺栓固定于舵机支架a206上。上述舵机支架a通过由螺钉通过躯体骨架上相应位置上的舵机支架固定孔102c与躯体骨架固定，实现六足部分2与躯体102间的连接。

舵机支架b207由横梁207a与支撑板207b构成，如图8所示，支撑板207b与横梁207a前端相接，形成l型结构。横梁207a末端设计有安装孔，安装孔内设计有内齿，通过内齿与舵机a204的舵齿耦合，两者间通过m1.5螺钉固定，使舵机支架b207具有绕竖直方向转动的自由度。舵机b205输出轴与舵机a204的输出轴轴线平行设置，运动方向相互垂直(一个沿纵轴直线运动，一个绕纵轴转动)；舵机b205通过m1.5螺栓固定在舵机支架b207的支撑板207b上。

所述腿结构210为l型杆状结构，分为三段，令其末端至足端分别为a～c段；其中a段与b段间夹角为142.75°；b段与c段间夹角为101.03°；c端端部具有外突部分210，作为支撑足。连杆a208输出端与b段中部铰接，输入端与连杆b209输出端铰接。上述腿结构、连杆a208与连杆b209共面，且垂直于水平面设置；其中，腿结构210的末端具有铰接台，通过铰接台铰接于舵机支架b207的横梁207a中部；连杆b209的输入端与舵机b205的输出轴间同轴固定。由此通过控制舵机a204可实现腿结构210绕舵机a204输出轴轴线的转动运动，进而实现腿结构210的前后摆动；通过控制舵机b205实现腿结构210绕自身末端与舵机支架b207铰接轴轴线转动运动，进而实现腿结构210的抬起与放下。

上述躯体102内部电池通过导线连接舵机a204、舵机b205、主控板，并通过头部101上开设的走线孔连接摄像头，实现各设备供电。电池采用7.4v输出的锂电池，锂电池通过稳压降压模块，将电压稳定到5v的工作电压。主控板为单片机，优选为arduino单片机，舵机a204和舵机b205均通过导线与主控板连接，通过主控板控制舵机a204的转动和舵机b205的直线运动。本发明中还在躯体102中设置有无线模块，实现仿生蚂蚁六足探测机器人单体与上位机进行通讯，进而实现上位机的远程控制。本发明中摄像头优选采用无线摄像头，将无线摄像头的主体安置在头部中，将无线摄像头的数据传输模块安置在尾部中，使仿生蚂蚁六足探测机器人整体结构分部更加平衡；通过仿生蚂蚁六足探测机器人单体多自由度的稳定运动，使无线摄像头拍摄方位变广，到充分达采集图像的目的。

为了提高蚂蚁机器人在运动过程中的稳定性，将六足分为两组，即躯体结构右侧前足、后足与躯体结构左侧中间足构成一组，剩下三足为一组，分别成为第一组三足和第二组三足。每次运动时，一组中的三足同时做出相应的运动；运动的过程为：

首先控制三足中的舵机b205将腿结构向上抬起等高度，此时蚂蚁的整体重量均匀分布在不作动作的另一组中三足上，抬起的三足中舵机b205只需要克服单条腿结构1的重力即可。当第一组三足中的舵机b205将腿结构210抬高以后，控制第二组三足中的舵机a204带动腿结构210向后转动等角度，然后第一组三足舵机b205将腿结构210放下直至支撑足触地，此时仿生蚂蚁六足探测机器人整体向前移动一定的距离；控制第二组三足中的舵机b205带动腿结构210向上抬起等角度，然后控制第二组三足中的舵机a204带动腿结构210向前转动相同角度，回到初始位置，然后控制第一组三足中的舵机a204带动腿结构210向后转动相同的距离，仿生蚂蚁六足探测机器人再向前移动一定的距离。此时完成一组动作，蚂蚁及向前运动一定的距离。如此往复，仿生蚂蚁六足探测机器人便可以向前运动；且调整两组三足中的舵机a204的转动角度，便可以实现不同的运动效果。如：两组三足中的舵机a204转动角度相同，则运动状态同上，此时蚂蚁向前直行；若控制两组三足中的舵机a204转动角度不同，则仿生蚂蚁六足探测机器人进行曲线行走。