一种十五自由度六足仿生爬行机器人的制作方法

本发明属于仿生机器人技术领域，具体的说，是涉及一种十五自由度六足仿生爬行机器人。

背景技术：

六足仿生爬行机器人具有结构简单、高度的灵活性和强大的适应性等特点。六足机器人比双足、四足机器人更加稳定和可靠，运动周期短、效率高，拥有广阔的应用前景。

如专利号为cn201610028933.0，专利名称为六足步行机器人的中国发明专利，公开了一种六足步行机器人，该机器人包括机身和腿足结构，机身为机器人的主体结构，该主体结构的平面为六边形；腿足结构共六组，分设在六边形的机身六个角上，腿足结构由三级关节组成。该六足机器人水平面内可以转动，以实现向前行走、原地转弯功能；竖直面内可以转动，以实现腿部的抬起与落下的功能；脚部可以在竖直面内转动，以调整脚部落地的角度，使主体结构更加稳定。

再如专利号为cn201410529040.5，专利名称为一种基于stm32控制的六足十八自由度的探险机器人的中国发明专利，公开了一种基于stm32控制的六足十八自由度的探险机器人，其机体主要有腹板i和腹板ii以及六个大腿和六个小腿组成，行走是以三条腿为一组进行的，这种行走方式使机体可以随时随地停息下来，能够在复杂地形保持稳态而使中心平稳。

然而，为了实现六足仿生爬行机器人灵活且稳定的运动，机器人的一个腿部一般需要三个关节自由度，每个关节配备一个电机，六个腿部共需十八个电机。制造成本较高，机器人总体电量消耗较快。

如果简单地减少腿部自由度和驱动电机的个数，在机器人运动时足尖会与地面之间产生滑动摩擦，即产生侧滑。而一些既要减少电机数量又要尽力消除侧滑的机器人设计则常常给机器人增加许多被动关节，造成实际制作关节多、结构复杂，机器人灵活性、可靠性反而下降。如专利号为cn201010219094.3，专利名称为九自由度四足仿生爬行机器人的中国发明专利，涉及到了一种减少驱动电机数量的腿部结构，虽然满足了机器人运动时不会侧滑的要求，但使得机器人腿部增加了三个被动转动关节，可靠性被降低，并且使机身灵活度下降；再如专利号为cn201010179007.6，专利名称为六足爬行机器人的中国发明专利，公开了一种减少了驱动电机的六足爬行机器人，该机器人为满足运动不得不加入许多被动关节，运动副过多同样降低了机器人可靠性，而过少的主动关节降低了机器人的整体灵活性。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，针对现有的六足仿生爬行机器人存在的驱动电机数量多，在尽量保证机器人整体灵活性和稳定性的基础上，提供一种结构简单可靠、驱动电机数量少、更节省成本的十五自由度六足仿生爬行机器人。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种十五自由度六足仿生爬行机器人，包括一个机身和三条开链，所述开链是由五条杆组成的平面五连杆机构，所述五条杆由四个轴线相互平行的转动铰链依次相连，所述转动铰链的位置处均设有用于驱动的伺服电机，所述开链以第三条杆的中点为中心左右对称；

所述机身用于搭载设备，机身中心位置固定有一个伺服电机，机身的前、后两端还分别相对称地设有一个伺服电机，三个伺服电机的轴线相互平行且共同垂直相交于机身中线，三个伺服电机分别与所述开链的中心相连，三条开链以所述机身的中线为界左右对称，形成有机器人的六条腿；

所述开链上的伺服电机轴线与机身上的三个伺服电机的轴线相互垂直，所述开链所在的平面垂直于所述机身平面。

与机身中心位置的伺服电机相连的开链的第三条杆长于另外两条开链的第三条杆。

所述爬行机器人具有的十五个自由度由每条开链上的四个转动自由度和每条开链与机身的相对转动自由度组成。

所述机身为刚性平面机身。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明通过将六足仿生爬行机器人左右对称的三对腿中每一对腿与机身连接的两个驱动电机合并简化为一个，将六足机器人的电机从十八个减少成了十五个，降低了六足机器人的制作成本，同时也降低了六足机器人的电量消耗，延长了续航时间。

(2)本发明所提供的六足仿生爬行机器人，结构简单，没有给机器人增加多余的被动关节，避免了过多运动副带来的稳定性下降等情况。同时机器人的每条腿部仍可看作有三个关节的自由度，保证了机器人的整体灵活性。

(3)本发明以昆虫的姿态参考设计，利用较少数量的伺服电机形成了十五个自由度，这十五个自由度全部为主动自由度，分别为每条开链上的四个转动自由度，每条开链与机身的相对转动自由度，三条开链和一个机身共计十五个自由度。

附图说明

图1是本发明一种十五自由度六足仿生爬行机器人的总体结构示意图；

图2-1和图2-2分别是本发明的开链的正视和俯视结构示意图；

图3-1和图3-2分别是本发明的机身的俯视和侧视结构示意图；

图4(a)、图4(b)、图4(c)依次是本发明行机器人的爬行步态示意图；

图中：1-开链；1a-左前腿；1b-右前腿；2-开链；2a-左中腿；2b-右中腿；3-开链；3a-左后腿；3b-右后退；4-机身；11-开链杆一；12-开链杆二；13-开链杆三；14-开链杆四；15-开链杆五；101-伺服电机；102-伺服电机；103-伺服电机；104-伺服电机；105-伺服电机；203-伺服电机；303-伺服电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，其描述仅是对本发明的解释性说明，并不用以限制本发明。

如图1至图3-2所示。一种十五自由度六足仿生爬行机器人，包括一个刚性平面机身4和三条结构类似的平面五连杆开链1、开链2和开链3。如图2-1和图2-2所示，以开链1为例，开链1是以开链杆三13的中心为界左右对称的，即开链杆一11和开链杆五15相同、开链杆二12与开链杆四14相同，开链杆一11与开链杆二12通过伺服电机101相连，开链杆二12与开链杆三13通过伺服电机102相连，开链杆三13与开链杆四14通过伺服电机104相连，开链杆四14与开链杆五15通过伺服电机105相连。开链1与开链3相同；开链2的第三杆可以长于等于开链1的第三杆，其余部分相同。如图3-1和图3-2所示，沿着机身4的中线布置了3个伺服电机103、伺服电机203和伺服电机303，分别固定在机身的前端、中心和末端。机身4上的电机与开链的第三条杆的中心连接；以开链1为例，开链杆三13的中心与机身上伺服电机103连接，当伺服电机103转动时，带动开链与机身做相对转动。机器人以机身中线为界左右对称，三条开链1、2、3分别以与之连接的伺服电机103、203、303为中心分为左右两部分，开链1被平分的两部分构成了机器人的左前腿1a(包括开链杆一11、伺服电机101、开链杆二12、伺服电机102、开链杆三13的左半部分)和右前腿1b(包括开链杆三13的右半部分、伺服电机104、开链杆四14、伺服电机105、开链杆五15)；开链2被平分的两部分构成了机器人的左中腿2a和右中腿2b；开链3被平分的两部分构成了机器人的左后腿3a和右后腿3b。由此，三条开链的左右两半部分一起构成了机器人的六条腿。三条开链均为平面五连杆机构，都各自包括4个伺服电机和5条杆，都各自拥有4个转动自由度；三条开链各自与机身连接处构成了最后的3个转动自由度。由此，15个伺服电机提供的15个转动自由度为机器人零部件之间的所有自由度，没有给机器人添加额外的被动自由度。

图1是本发明一种十五自由度六足仿生爬行机器人的总体结构示意图。三条开链1、2、3分别通过伺服电机与机身4连接，并构成了机器人的六条腿。每条开链分成的左右两条腿各自拥有两个独立的转动自由度并公用与机身连接的自由度。以左前腿1a为例，左前腿1a与右前腿1b共享在自由度实现了左前腿1a水平面上的转动，左前腿1a拥有的两个独立转动自由度实现了竖直面上的转动且避免了与地面的滑动摩擦，左前腿1a可视为一条拥有3自由度的腿。其余的5条腿独立观察也可视为拥有3自由度的腿。机身4可实现侧倾等运动，拥有三维空间内的活动能力。机器人在减少了3个自由度的情况下最大限度地保持了普通18自由度六足机器人的灵活度。

图2-1和图2-2分别是本发明的开链的正视和俯视结构示意图，3条开链结构类似，以开链1为例，开链为平面五连杆机构，以开链杆三13的中点为中心左右对称，开链杆三13中点处与机身上的伺服电机103连接。开链的左右两部分分别作为机器人的左右两条腿，开链上伺服电机101、102为开链左半部分构成的机器人左前腿1a提供竖直面上的转动自由度，并避免了足尖与地面产生滑动摩擦；开链上伺服电机104、105为开链右半部分构成的机器人右前腿1b提供竖直面上的转动自由度，并避免了足尖与地面产生滑动摩擦。

图3-1和图3-2分别是本发明的机身的俯视和侧视结构示意图。机身4为一整体刚性结构，可用于搭载供电及控制系统等。3个伺服电机沿中线布置，伺服电机103固定在机器人中线前端，与开链1的第三条杆中心处连接，驱动机器人的左前腿1a、右前腿1b在水平面内的转动；伺服电机203固定在机器人中线中点，与开链2的第三条杆中心处连接，驱动机器人的左中腿2a、右中腿2b在水平面内的转动；伺服电机303固定在机器人中线末端，与开链3的第三条杆中心处连接，驱动机器人的左后腿3a、右后腿3b在水平面内的转动。

下面对本发明的六足仿生爬行机器人的爬行步态进行说明：

本发明机器人采用三角步态运动，六条腿分为两组，左前腿1a、左后腿3a与右中腿2b作为一组，右前腿1b、右后腿3b与左中腿2a作为一组，每一组腿都形成一个稳定的三角支撑，两组腿交替地摆动和支撑，完成一个爬行运动周期，实现机器人的快速运动。两组腿的动作相同，每组腿的动作构成了机器人的半个爬行运动周期，每组腿的动作包含三个步骤：抬起腿-挪动腿-放下腿。

本发明机器人在具体爬行过程中，设定图4(a)为机器人运动的初始姿态；图4(b)为机器人一组腿的动作执行完毕，机器人前进了一段距离，姿态变为初始姿态的镜像状态，完成了半个爬行运动周期；图4(c)为机器人的另一组腿的动作执行完毕，机器人前进了一段距离，姿态恢复为初始姿态，完成了一个完整的爬行运动周期。如图4(a)、(b)所示，左前腿1a、右中腿2b、左后腿3a足尖接触地面作为支撑足，右前腿1b、左中腿2a、右后腿3b抬起，在伺服电机103、203、303的驱动下向机器人运动方向挪动，带动机器人机身前移，动作到位后，右前腿1b、左中腿2a、右后腿3b放下作为支撑足，机器人重心始终处在支撑足足尖连线构成的三角形之内，重心稳定，至此完成了半个爬行运动周期，机身前移距离为右前腿1b、左中腿2a、右后腿3b足尖在运动方向上的挪动距离的一半。如图4(c)所示，右前腿1b、左中腿2a、右后腿3b足尖接触地面作为支撑足，左前腿1a、右中腿2b、左后腿3a抬起，在伺服电机103、203、303的驱动下向机器人运动方向挪动，带动机器人机身前移，动作到位后，左前腿1a、右中腿2b、左后腿3a放下作为支撑足，机器人重心始终处在支撑足足尖连线构成的三角形之内，重心稳定，至此完成了一个完整的爬行运动周期的后半个运动周期，机身前移距离为左前腿1a、右中腿2b、左后腿3a足尖在运动方向上的挪动距离的一半。如图4(a)、(b)、(c)所示，机器人完成一个完整的爬行运动周期后，机器人姿态恢复为初始姿态，期间重心一直保持稳定，重心前移距离等于一组腿足尖在运动方向上的挪动距离，如此循环，机器人即可完成连续的稳定的直线爬行。

另外，通过控制两组腿挪移的距离差可实现机器人爬行运动中的左转弯爬行和右转弯爬行。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。