一种可爬行可缩壳的仿乌龟机器人

1.本发明属于智能仿生机器人技术领域，具体涉及一种可爬行可缩壳的仿乌龟机器人。


背景技术：

2.探测机器人在现代人类社会的生产中的作用越来越大，已经渗透到了很多重要的领域。近年来，煤矿安全生产问题引起了社会的广泛关注。在一些中小煤矿，其检测设备落后，检测规程不严谨，极容易造成误检和漏检，灾害一旦发生，救护过程中最危险也是最为重要的阶段，就是灾害现场勘查阶段，这时候往往发生事故的区域情况不明，贸然派救护队员下去极易发生二次事故,他们面临的危险主要包括二次爆炸、毒气、特别是塌方等等。随着计算机和人工智能技术的发展，探测机器人不仅在工业制造方面，而且在军事制导、民用、海洋勘探、月球/火星探测等方面得到了广泛地应用。探测机器人的研究已成为一个热点问题。


技术实现要素：

3.为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种可爬行可缩壳的仿乌龟机器人。
4.本发明采用的技术方案是：
5.一、一种可爬行可缩壳的仿乌龟机器人
6.包括主体结构、足部结构和伸缩结构，主体结构两侧对称安装有四个足部结构，头部安装有伸缩结构；主体结构包括底板、齿轮传动机构、直流减速电机ⅰ和直流减速电机ⅱ；每个足部结构包括乌龟足、连杆机构，乌龟足在齿轮传动机构和连杆机构带动下前后摆动，模拟乌龟的椭圆形迈步姿态；伸缩结构包括乌龟头、蜗轮蜗杆机构，乌龟头头部安装有用于场景拍摄的摄像头，乌龟头在蜗轮蜗杆机构带动下实现前后伸缩，足部结构在蜗轮蜗杆机构带动下实现内收；齿轮传动机构和蜗轮蜗杆机构分别安装于底板上方和下方。
7.所述齿轮传动机构包括阶梯轴ⅰ、小圆锥齿轮ⅰ、大正齿轮、小正齿轮ⅰ；底板上方安装有两根平行布置的阶梯轴ⅰ，每根阶梯轴ⅰ的前部和后部均设置有小圆锥齿轮ⅰ，中间设置有大正齿轮；两个直流减速电机ⅰ的输出轴均连接有小正齿轮ⅰ，两个小正齿轮ⅰ分别与两根阶梯轴上的大正齿轮相啮合。
8.所述连杆机构包括万向节、安装座、导轨ⅰ、导轨ⅱ、连杆、连接轴、铰链座、足基座；导轨ⅰ固定于安装座的竖直板上，导轨ⅰ两侧分别滑动连接有滑块ⅰ，两个滑块ⅰ位于连杆ⅰ两侧；导轨ⅱ与导轨ⅰ平行设置，导轨ⅱ一侧固定有滑块ⅱ，另一侧滑动连接有滑块ⅲ；
9.万向节一端的转动杆ⅰ上连接有大圆锥齿轮，另一端的转动杆ⅱ穿过安装座的竖直板与连杆ⅰ一端转动连接，连杆ⅰ另一端铰接连接有两根连杆ⅱ，两根连杆ⅱ布置于导轨ⅰ和导轨ⅱ之间；两根连杆ⅱ靠近导轨ⅰ的一侧分别与导轨ⅰ两侧的滑块ⅰ铰接，两根连杆ⅱ靠近导轨ⅱ的一侧分别与导轨ⅱ两侧的滑块ⅱ和滑块ⅲ铰接；
10.导轨ⅱ中间固定有铰链座，连接轴一端与铰链座铰接相连；安装座的水平板通过
足连接柱铰接有可转动的足基座，足基座上设置有可旋转的旋转座，旋转座上安装有可旋转的圆柱副，连接轴中部固定于圆柱副上，旋转座的旋转轴垂直于足基座，圆柱副的旋转轴平行于足基座；连接轴另一端安装有乌龟足，乌龟足在连接轴带动下实现二自由度旋转。
11.所述蜗轮蜗杆机构包括阶梯轴ⅱ、蜗杆、蜗轮、小圆锥齿轮ⅱ、大小带轮、小正齿轮ⅱ；底板下方安装有蜗杆和两根平行布置的阶梯轴ⅱ，蜗杆垂直于阶梯轴ⅱ布置；蜗杆左右两侧设置有螺旋齿，中间安装有大带轮和小正齿轮ⅱ，直流减速电机ⅱ的输出轴连接有小带轮，大带轮和小带轮之间通过传动带连接；两根阶梯轴ⅱ中间设置有平行于阶梯轴ⅱ布置的齿条，齿条一端与蜗杆上的小正齿轮ⅱ啮合，另一端安装有乌龟头；每根阶梯轴ⅱ前部和后部均安装有小圆锥齿轮ⅱ，中间安装有蜗轮和限位盒；两根阶梯轴ⅱ上的蜗轮分别与蜗杆两侧的螺旋齿啮合，蜗轮位于限位盒内，通过限位盒限制蜗轮运动，防止蜗轮蜗杆脱齿。
12.每个足部结构上的连杆机构的足连接柱底部均设置有大圆锥齿轮ⅱ，每个大圆锥齿轮ⅱ与对应位置的小圆锥齿轮ⅱ啮合。每根阶梯轴ⅰ前后设置的小圆锥齿轮ⅱ与前后两个足部结构的大圆锥齿轮ⅱ位置对应。
13.两个直流减速电机ⅰ分别控制同侧的足部结构运动。乌龟足的足底为平面。
14.二、仿乌龟机器人的运动方法
15.爬行运动：两个直流减速电机ⅰ带动小正齿轮ⅰ转动，从而带动同侧的大正齿轮转动，两个大正齿轮带动两根阶梯轴ⅰ转动，阶梯轴ⅰ通过前后设置的小圆锥齿轮ⅰ带动前后两个足部结构上的大圆锥齿轮转动，大圆锥齿轮转动带动连杆ⅰ转动，连杆ⅰ通过两根连杆ⅱ分别带动导轨ⅰ两侧的滑块ⅰ沿导轨ⅰ滑动，并通过两根连杆ⅱ带动导轨ⅱ沿椭圆形运动轨迹移动；导轨ⅱ通过铰链座带动连接轴和乌龟足前后摆动；
16.并通过改变电机的转动方向实现仿生乌龟的前进和后退。
17.缩头运动：直流减速电机ⅱ带动小带轮转动，小带轮通过传送带带动大带轮转动，大带轮带动蜗杆转动，同时带动蜗杆上的小正齿轮ⅱ转动，小正齿轮ⅱ带动齿条前后伸缩，从而实现乌龟头前后伸缩；
18.缩足运动：蜗杆转动同时带动两根阶梯轴ⅱ上的蜗轮转动，两个蜗轮带动两根阶梯轴ⅱ转动，每根阶梯轴ⅱ通过小圆锥齿轮ⅱ带动前后足部结构上的大圆锥齿轮ⅱ转动，大圆锥齿轮ⅱ通过足连接柱带动足基座旋转，足基座转动同时带动连接轴及乌龟足向内收，实现缩足运动。
19.本发明的有益效果是：
20.1)本发明可应用于野外、无人区、隧道等人类难以涉足的区域进行地形探测,返回摄像头拍摄到的画面,当遇到危险时,可进行缩壳动作,保护机器人内部结构,避免数据丢失，降低损失。
21.2)本发明填补了仿生机器人在生物种类上的缺失，在仿生乌龟机械结构上几乎从零开始的创作，为这一及相类似物种的仿生机器人的制造提供了经验和基础，对仿生机械与智能技术的融合起到了加速作用，对仿生机器人在功能和技术层面上的进步提供了新的方向，同时开拓了人类生活智能化的又一领域。
附图说明
22.图1为本发明的俯视结构图。
23.图2为本发明的连杆机构。
24.图3为本发明的仰视结构图。
25.图4为本发明的足部结构。
26.图5为本发明的蜗轮蜗杆机构。
27.图6为本发明的足部伸缩结构。
28.图中：安装座(1)、连杆ⅰ(2)、连杆ⅱ(3)、导轨ⅰ(4)、滑块ⅰ(5)、滑块ⅲ(6)、导轨ⅱ(7)、足基座(8)、旋转座(9)、圆柱副(10)、连接轴(11)、铰链座(12)、滑块ⅱ(13)、小正齿轮ⅰ(16)、大正齿轮(17)、小圆锥齿轮ⅰ(18)、大圆锥齿轮(19)、直流减速电机ⅰ(21)、阶梯轴ⅰ(23)、万向节(24)、小带轮(27)、小圆锥齿轮ⅱ(28)、小圆锥齿轮ⅱ(29)、蜗杆(30)、蜗轮(31)、小正齿轮ⅱ(32)、足连接柱(33)、限位盒(34)、大带轮(35)、阶梯轴ⅱ(38)、传送带(37)、乌龟头(39)、直流减速电机ⅱ(40)
具体实施方式
29.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
30.如图1所示，本发明包括主体结构、足部结构和伸缩结构。每个足部结构包括乌龟足39、连杆机构；伸缩结构包括乌龟头、蜗轮蜗杆机构；齿轮传动机构和蜗轮蜗杆机构分别安装于底板上方和下方；主体结构包括底板、齿轮传动机构、直流减速电机ⅰ21和直流减速电机ⅱ40。
31.如图2和图4所示，本发明利用齿轮传动机构以及连杆机构模拟乌龟的椭圆形迈步姿态，为了还原乌龟走路时乌龟足的自然下垂，使用万向节24实现135度角度的传动。运动时的动力源来自中间底板上固定的两个直流减速电机ⅰ21，每个直流减速电机ⅰ21通过圆锥齿轮ⅰ19、小圆锥齿轮ⅰ18控制身体一侧的乌龟足25运动，通过乌龟足起动初始点的不同，实现行走时的异步前进。当万向节24带动连杆ⅰ2旋转，连杆ⅰ2末端带动连杆机构3运动，在连杆机构3和导轨滑块的相互作用下，导轨ⅱ7中段呈现出椭圆形运动轨迹，在中间加上一个球面副的铰链12，并连接上整个乌龟足结构，在连接轴11前端，用可自由旋转的圆柱副10固定连接轴11，其本质上是一个空间连杆机构，将平面椭圆形转化成空间椭圆，用以模仿龟的运动步态。
32.如图1所示，前后联动装置使用一根阶梯轴ⅰ23来传动，考虑到大正齿轮ⅰ17与小圆锥齿轮ⅰ18、轴承22的内径都不相同，故使用6-8mm的阶梯轴ⅰ23，将模数为1、齿数15的小正齿轮ⅰ16固定在直流减速电机21的旋转轴上，电机转动带动模数为1、30齿的大正齿轮117转动大正齿轮ⅰ17带动阶梯轴ⅰ23旋转，进而带动阶梯轴ⅰ23上的模数为1、齿数15齿小圆锥齿轮ⅰ18转动，从而带动底板所固定的阶梯轴ⅰ23，与万向节联动，实现前后联动功能。
33.如图3所示，利用椭圆运动轨迹的连杆机构具有多段关节自由度高的特点，将乌龟足的连接柱部分加以限制，令其所在足基座8可在一定角度下转动，进而带动乌龟足25的后缩。缩足时用齿轮齿条连接乌龟头39，实现乌龟的缩头。
34.具体实施例：
35.①
如图5和图6所示，将直流减速电机ⅱ40通过电机座固定在中间底板上，考虑到
内部零件的碰撞，本发明使用带轮来延长传动距离。准备模数为1，齿数为15、30齿的大小带轮各一个，在电机旋转轴上加装15齿小带轮27，利用长度为238mm的传动带37带动30齿大带轮35与其上的轴，该轴上装有15齿小正齿轮ⅱ32、2个头数为4的蜗杆30以及轴承。轴转动则蜗杆30动，带动与之啮合的20齿蜗轮31以及中心的6-8mm阶梯轴ⅱ38，考虑到蜗轮蜗杆啮合时的脱齿情况，本发明将一组蜗轮蜗杆单元化处理，即按其装配公差设计专有的限位盒34，将蜗轮蜗杆与轴承严密配合。阶梯轴的旋转进一步带动其上的模数1、齿数15的小圆锥齿轮ⅱ28转动，圆锥齿轮实现力的90度传动，模数1、齿数30的大圆锥齿轮ⅱ29进而使足基座36实现转向，为确保大小圆锥齿轮的啮合，同样设计了限位盒。支架与足连接柱33相约束，支架的转动最终实现了缩足运动。
36.②
在上述现有机构的基础上，不额外添加新的动力源，为实现乌龟头39的伸缩，本发明在有30齿大带轮35的轴上加装模数为1、齿数15齿的小正齿轮ⅱ32，通过齿条26将乌龟头39与小正齿轮ⅱ32相连，在电机顺时针转动时，小带轮27顺时针转动，通过传动带37带动大带轮35顺时针转动，其同轴小正齿轮ⅱ32在顺时针转动时与齿条26啮合，控制齿条26的伸出，齿条26外侧的乌龟头39则伸出；反之，在电机逆时针转动时，小带轮27逆时针转动，通过传动带37带动大带轮35逆时针转动，其小正齿轮ⅱ32在逆时针转动时与齿条啮合，控制齿条的缩入，齿条外侧的乌龟头39则缩入。将两者结合，即可通过电机转向实现乌龟头39的伸缩。