基于3D打印技术的微型仿生六足机器人的制作方法

本发明涉及一种机器人，具体涉及一种基于3D打印技术的微型仿生六足机器人，属于机电一体化控制系统与智能机器人技术领域。

背景技术：

随着现代加工技术的快速发展，3D打印技术利用光固化、纸层叠等加法加工技术构造物体，相比传统的机械加工方法，该技术能够实现快速复杂机构成型，目前已广泛应用于生物医疗、工业设计以及国防工业领域。3D打印技术的发明方便了使用者对复杂构件的加工使用，使用者可根据兴趣和用途实现构件的快速加工成型，从而极大地简化了工业设计的复杂性，缩短了样机研制周期。

六足机器人，是多足混联机器人构型，也是娱乐、教学机器人中较为经典的机器人构型之一，集成位姿运动传感器的多足机器人，能够灵活地适应复杂地形环境的运动。六足机器人构型可分为两类：一类类似于昆虫结构，六个足机构分两组平行地分布在机身两侧；另一类类似于海星结构的辐射型六足机器人，六个足机构均匀等距的分布在正六边形机身的六个顶角处。两类构型的机器人相比较，辐射型六足机器人的运动控制更灵活，机动性能更好。采用传统机械加工方法制作的机器人本体，由于加工技术和工具的局限，无法实现六足机器人的微型化，并且还具有加工成本高、本体结构强度低、装配精度差等缺点。与串联机器人不同，混联机器人其质量分布越集中，控制稳定性也就越高，而传统的六足机器人往往忽略了这一特性。

公开号为CN104960591A的中国专利所涉及的六足机器人，采用简化的爬行动物构型，每个足机构具有两个自由度驱动电机，六个足机构采用一个电机通过链条或皮条驱动，该机器人体积较大，环境适应能力较差。公开号为CN104859747A的中国专利所涉及的六足机器人，采用舵机驱动6支足机构，每支足机构具有3个自由度，因为舵机驱动力性能的局限性限制了机器人的运动速度和控制精度，但该方案控制成本和电源供电方法十分便利。公开号为CN104443105A的中国专利所涉及的低能耗六足机器人，采用绳驱动方式驱动18个关节，由于绳具有明显的弹性形变，因此其控制精度也较差，且易磨损，机器人寿命较差。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于3D打印技术的微型仿生六足机器人，采用3D打印技术制成，整个机器人具有体积小、质量轻、控制精度高、适应能力强和外观漂亮的优点。

本发明是通过以下技术方案实现以上目的的：

一种基于3D打印技术的微型仿生六足机器人，其特征在于，包括：

机身承载构件，由两层正六边形的腹板组成，该两层腹板通过顶点处的六个支撑柱连接成一体，该六个支撑柱的几何中心设有用于装配的阶梯通孔且各装配有一驱动电机，所述机身承载构件通过该六个驱动电机分别与六只三自由度足机构连接；

六只三自由度足机构，与所述机身承载构件呈辐射对称，每一三自由度足机构为三自由度串联机械臂，包括依次连接的髋骨构件、大腿构件、小腿构件以及联动该小腿构件的双连杆机构，其中：髋骨构件的一端通过所述驱动电机与机身承载构件连接，另一端与大腿构件连接，大腿构件的末端串联小腿构件并与双连杆机构组成闭合的四连杆机构，从而将所述微型仿生六足机器人的整机质量向所述机身承载构件的几何中心集中，大腿构件和双连杆机构上分别设有用于装配的阶梯通孔且分别装配有驱动电机；

机载控制电路板，安装在所述机身承载构件的两层腹板之间，用于感知并反馈所述微型仿生六足机器人的运动姿态信息，接收所述微型仿生六足机器人的运动控制指令并控制各所述驱动电机转动，实现六只三自由度足机构的协调运动；

所述六只三自由度足机构的髋骨构件、大腿构件、小腿构件以及双连杆机构与所述机身承载构件组成所述微型仿生六足机器人的本体，全部采用3D打印技术制作，该机身承载构件采用3D打印技术实现所述两层腹板与六只支撑柱的一次成型。

优选地，所述的两层腹板包括上层腹板和底层腹板，该上层腹板的中心设有圆形镂空，该底层腹板的中心设有正六边形镂空，该正六边形镂空周围设有用于安装所述机载控制电路板的安装孔，所述机载控制电路板上设有与该安装孔相配合的通孔，该机载控制电路板安装于所述底层腹板中心的正六边形镂空处并与该底层腹板连接。

优选地，所述的两层腹板的外边缘均设有用于配合安装通过3D打印技术制作的外壳的固定孔。

优选地，所述的驱动电机包括：电机轴垂直于所述机身承载构件的髋关节机身驱动电机、电机轴平行于所述机身承载构件的髋关节大腿驱动电机以及电机轴平行于所述机身承载构件的膝关节驱动电机；其中，髋关节机身驱动电机安装于所述支撑柱中心的阶梯通孔中，用于驱动所述大腿构件实现在平行于所述机身承载构件的两层腹板的平面内的摆动；髋关节大腿驱动电机安装于所述大腿构件上的阶梯通孔内，用于驱动该大腿构件绕该髋关节大腿驱动电机的电机轴转动以实现所述大腿构件的抬起动作；膝关节驱动电机安装于所述双连杆机构上的阶梯通孔中，并通过该双连杆机构驱动所述小腿构件绕该小腿构件上的铰接装配孔摆动；所述髋关节机身驱动电机、髋关节大腿驱动电机和膝关节驱动电机均设有编码器及减速器。

更优选地，所述的髋骨构件上设有配合所述髋关节机身驱动电机的输出轴的第一D型通孔以及配合所述髋关节大腿驱动电机的输出轴的第二D型通孔，并分别设有安装紧定该髋关节机身驱动电机输出轴的螺纹孔以及安装紧定该髋关节大腿驱动电机输出轴的螺纹孔，所述髋骨构件上还设有分别安装所述髋关节机身驱动电机和所述髋关节大腿驱动电机的限位通孔，该限位通孔分别与所述第一D型通孔和第二D型通孔同轴，所述支撑柱的侧壁设有安装紧定所述髋关节机身驱动电机的螺纹孔。

更优选地，所述的大腿构件的一端设有用于安装所述膝关节驱动电机的阶梯通孔，另一端设有用于铰接所述小腿构件的铰接孔，该大腿构件采用镂空处理，镂空处的一侧设有所述膝关节驱动电机输出轴配合孔，另一侧设有所述膝关节驱动电机的限位通孔，并设有安装紧定所述膝关节驱动电机输出轴的螺纹孔。

更优选地，所述的小腿构件呈三角锥形且设有三角形截面的镂空，该小腿构件的一端设有与所述大腿构件配合铰接的第一装配孔和与所述双连杆机构配合铰接的第二装配孔，另一端为点接触的锥角足末端，所述小腿构件通过所述第一装配孔与所述大腿构件上的铰接孔铰接成被动转动副。

更优选地，所述的双连杆机构包括连接膝关节驱动电机连杆和连接小腿构件连杆，所述膝关节驱动电机依次与连接膝关节驱动电机连杆、连接小腿构件连杆以及小腿构件通过铰接方式连接，并与所述大腿构件形成闭合的四连杆机构。

更优选地，所述的连接膝关节驱动电机连杆的一端的中心部镂空形成连杆结构板，该连杆结构板上设有铰接装配孔，该连接膝关节驱动电机连杆的另一端设有用以装配所述膝关节驱动电机的阶梯通孔；

所述的连接小腿构件连杆的两端为圆弧并镂空形成结构板，该结构板的中心处设有矩形截面连杆镂空，所述结构板的一端设有第一铰接装配孔，另一端设有第二铰接装配孔，所述小腿构件通过该第二铰接装配孔与第一铰接装配孔铰接成被动转动副，所述第二铰接装配孔与所述连接膝关节驱动电机连杆上的铰接装配孔铰接配合。

优选地，所述的机载控制电路板集成了电机运动控制器、通信模块和位姿运控传感器，整个所述微型仿生六足机器人的运动控制指令采用无线或有线方式经过所述通信模块发送至所述电机运动控制器，该电机运动控制器将运动控制指令换算成电机驱动脉冲以生成电机驱动指令，分别控制所述驱动电机协调运动，所述位姿运动传感器实时反馈所述微型仿生六足机器人的运动状态。

本发明中，所述髋关节机身驱动电机与髋关节大腿驱动电机的电机轴矢量方向相互垂直。所述膝关节驱动电机安装在连接膝关节驱动电机连杆上的阶梯通孔中，膝关节驱动电机输出轴与大腿构件上的膝关节驱动电机输出轴配合孔配合，同时受大腿构件上的电机限位通孔约束，通过连接膝关节驱动电机连杆、连接小腿构件连杆驱动小腿构件绕小腿构件上的第一装配孔摆动；

所述髋关节大腿驱动电机安装在大腿构件上的髋关节大腿驱动电机阶梯通孔内，髋关节大腿驱动电机输出轴与髋骨构件上的第二D型通孔配合，并受髋骨构件上的髋关节大腿驱动电机限位孔约束，驱使大腿构件绕髋关节大腿驱动电机轴转动，实现大腿构件抬起动作；

所述髋关节机身驱动电机装配在机身承载构件上的支撑柱中心的阶梯通孔中，髋关节机身驱动电机输出轴与髋骨构件上的第一D型通孔配合，并受髋骨构件上的髋关节机身电机限位孔约束，从而实现大腿机构平面内摆动。

因此，所述微型仿生六足机器人能够实现空间内灵活的六自由度运动控制，并具有越障功能。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明采用3D打印技术，因而能够自定义制作各种形状、拓扑结构的机器人本体，在保证本体机构强度的同时，提高了机器人本体外观的可观赏性，采用对复杂路况适应性能优越的三自由度的足机构，并采用四连杆结构优化足机构拓扑构型，将质量相对集中的膝关节驱动电机安装位置设在大腿构件上尽可能靠近机身承载构件的位置，同时依靠机身姿态、运动传感器充分提高了机器人运动控制精度。

本发明具有体积小、重量轻、质量载荷集中、运动控制精度高、价格低、适应环境能力强等优点，控制电路与机器人本体拓扑进一步优化后可广泛应用于教学和娱乐领域。

附图说明

图1为本发明的整体立体图。

图2为本发明的三自由度足机构的立体图。

图3为本发明的小腿构件的立体图。

图4为本发明的大腿构件的立体图。

图5为本发明的髋骨构件的立体图。

图6为本发明的连接膝关节驱动电机连杆的立体图。

图7为本发明的连接小腿构件连杆的立体图。

图8为本发明的机身承载构件的立体图。

图中：

1机载控制电路板，2双连杆机构，3小腿构件，4大腿构件，5髋骨构件，7机身承载构件，8连接膝关节驱动电机连杆，9连接小腿构件连杆；

301小腿构件镂空，302小腿构件锥角，303第一铰接装配孔，304第二铰接装配孔；

401大腿构件镂空，402膝关节驱动电机输出轴配合孔，403大腿结构板，404大腿构件铰接安装孔，405膝关节驱动电机限位通孔，406髋关节大腿驱动电机安装阶梯通孔；

501髋关节机身驱动电机限位通孔，502髋骨肋板，503髋骨结构板，504第二D型通孔，505髋骨构件镂空，506髋关节大腿驱动电机限位通孔，507髋骨结构板，508第一D型通孔，509髋骨构件镂空处；

601膝关节驱动电机，602髋关节大腿驱动电机，603髋关节机身驱动电机，604连杆结构板，605连杆铰接装配孔，606连杆镂空，607膝关节驱动电机安装阶梯通孔；

701连杆镂空，702结构板，703小腿构件铰接装配孔，704连杆铰接装配孔；

801髋关节机身驱动电机安装阶梯通孔，802控制电路板安装孔，803倒角，804镂空，805支撑柱，806上层腹板，807底层腹板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供一种基于3D打印技术的微型仿生六足机器人，包括机载控制电路板1、三自由度足机构、驱动电机和机身承载构件7，其中：机身承载构件7的内部装配机载控制电路板1，机身承载构件7的六个顶点分别装配一只三自由度足机构；驱动电机安装于三自由度足机构上并驱动三自由度足机构实现机器人空间六自由度的运动；机载控制电路板1用于控制驱动电机、接收并反馈所述机器人的运动控制指令及运动状态、感知所述机器人的运动姿态信息。

本实施例中，所述机身承载构件7、髋骨构件5、大腿构件4、小腿构件3以及双连杆机构2组成机器人本体，均采用3D打印技术实现，能够实现复杂构型的加工制作。为减轻机器人本体质量，上述各构件中心设有镂空通孔。

本实施例中，采用的3D打印材料为光敏树脂，该材料具有良好的机械强度，其密度很低，为1.12gcm³。

本实施例中，所述机载控制电路板1集成了电机运动控制器、通信模块、位姿运控传感器；其中：机器人的运动控制指令采用无线或有线方式经通信模块发送至电机运动控制器，电机运动控制器将运动指令换算成电机驱动脉冲以生成电机驱动指令，分别控制驱动电机协调运动；位姿运动传感器实时反馈机器人运动状态。

如图1和图2所示，本实施例中，所述三自由度足机构，可视为三自由度串联机械臂，包括髋骨构件5、大腿构件4、小腿构件3以及由连接膝关节驱动电机连杆8、连接小腿构件3连杆构成的双连杆机构2，其中：髋骨构件5连接大腿构件4与机身承载构件7；大腿构件4的末端串联小腿构件3，并与连接膝关节驱动电机连杆8、连接小腿构件连杆9组成闭合的四连杆机构，将机器人整机质量向机身承载构件7的几何中心集中。

如图5所示，所述髋骨构件5包括一体的髋骨肋板502、髋骨结构板503和507，其中：在髋骨肋板502上设有髋关节机身驱动电机限位通孔501和第一D型通孔508，在髋骨结构板503上设有第二D型通孔504，在髋骨结构板507上设有髋关节大腿驱动电机限位通孔506。

作为进一步改进，为扩大大腿构件4相对于髋骨构件5的转动空间，所述髋骨构件5设有凹面的髋骨构件镂空505，用于配合大腿构件4两端的圆弧面。为扩大髋骨构件5相对于机身承载构件7的转动空间，机身承载构件7厚度小于髋骨构件上限位通孔501与第一D型通孔508中的镂空处509的高度，机身承载构件7可通过髋关节机身电机603安装在髋骨构件镂空处509。

如图4所示，所述大腿构件4的两端为半径不同的圆弧形二级，设有大腿构件镂空401，大腿构件镂空401后形成大腿结构板403，大腿结构板403上设有膝关节驱动电机601输出轴配合孔402、大腿构件铰接安装孔404、膝关节驱动电机限位通孔405，并在大腿构件4的较大一端设有髋关节大腿驱动电机安装阶梯通孔406。

作为进一步改进，为防止大腿构件4与小腿构件3运动干涉，小腿构件3通过大腿构件铰接安装孔404与大腿构件4铰连接，大腿构件4设有铰接安装孔404端设有镂空增加大腿构件的运动空间。镂空处形成的肋板臂上设有膝关节驱动电机限位通孔405。为保证膝关节驱动电机连杆构件8在大腿构件4内的运动空间，大腿构件4上设镂空处401在大腿构件上产生斜切面，从而保证四连杆的运动空间。

如图3所示，所述小腿构件3呈三角锥形结构，其中部为三角形截面的小腿构件镂空301，以在保证结构强度的前提下减轻重量；小腿构件3的一端分别设有用以与大腿构件4铰接的第一铰接装配孔303及与双连杆机构2铰接的第二铰接装配孔304，小腿构件3通过第一铰接装配孔303与大腿构件铰接安装孔404铰接成被动转动副、通过第二铰接装配孔304与连接小腿构件连杆9的结构板702上的小腿构件铰接装配孔703铰接成被动转动副；小腿构件3的另一端为小腿构件锥角302，小腿构件锥角302为点接触的足末端。

如图2所示，本实施例中，所述驱动电机均加装编码器及减速器，按照在三自由度足机构上的安装位置及转动方向，分为电机轴垂直于机身承载构件7的髋关节机身驱动电机603、电机轴平行于机身承载构件7的髋关节大腿驱动电机602，以及电机轴平行于机身承载构件7并通过双连杆机构2驱动膝关节转动的膝关节驱动电机601。

如图8所示，所述机身承载构件7是由两层中心镂空的正六边形结构腹板构成并通过六个支撑柱805连接，其中：上层腹板806的中心设有圆形镂空；底层腹板807的中心处设有正六边形镂空804，正六边形镂空804处周围设有控制电路板安装孔802，用于安装机载控制电路板1；六个支撑柱805的几何中心均设有髋关节机身驱动电机安装阶梯通孔801，用于配合装配髋关节机身驱动电机603；机身承载构件7通过装配在支撑柱805中心髋关节机身驱动电机安装阶梯通孔801的髋关节机身驱动电机603与六只三自由度足机构连接。

作为进一步改进，所述机身承载构件7的正六边形的上层腹板806和底层腹板807，以及六个支撑柱805采用3D打印技术，可实现一体化成型。

作为进一步改进，所述支撑柱805的侧壁上设有固定髋关节机身驱动电机603的紧定螺钉螺纹孔。

如图6所示，所述连接膝关节驱动电机连杆8的截面为两头为半径不同的半圆形圆弧、两侧边对称图形，其中：连接膝关节驱动电机连杆8的一端中心部镂空形成连杆结构板604，连杆结构板604上设有连杆铰接装配孔605；连接膝关节驱动电机连杆8的另一端设有膝关节驱动电机安装阶梯通孔607；连接膝关节驱动电机连杆8的中心处设有矩形截面的连杆镂空606。

如图7所示，所述连接小腿构件连杆9的两端为圆弧并镂空形成结构板702，结构板702的一端设有小腿构件铰接装配孔703、另一端设有连杆铰接装配孔704，结构板702的中心处设有矩形截面的连杆镂空701。

本实施例中，所述机载控制电路板1安装在机身承载机构7上，运动控制指令采用无线或有线方式经通信模块发送至电机运动控制器，电机运动控制器生成电机驱动指令，分别控制各驱动电机协调运动。具体的：

如图4和图6所示，所述膝关节驱动电机601安装在膝关节驱动电机安装阶梯通孔607中，膝关节驱动电机输出轴与膝关节驱动电机输出轴配合孔402配合，同时受膝关节驱动电机限位通孔405约束，通过连接膝关节驱动电机连杆8、连接小腿构件连杆9驱动小腿构件3绕第一铰接装配孔303摆动；

如图4和图5所示，所述髋关节大腿驱动电机602安装在髋关节大腿驱动电机安装阶梯通孔406内，髋关节大腿驱动电机输出轴与第二D型通孔504配合，并受髋关节大腿驱动电机限位通孔506约束，驱使大腿构件4绕髋关节大腿驱动电机轴转动，实现大腿构件4抬起动作；

如图5和图8所示，所述髋关节机身驱动电机603装配在机身承载构件7上的支撑柱805中心的髋关节机身驱动电机安装阶梯通孔801中，髋关节机身驱动电机输出轴与第一D型通孔508配合，并受髋关节机身驱动电机限位通孔501约束，从而实现大腿机构4平面内摆动；因此，所述机器人能够实现空间内灵活的六自由度运动控制，并具有越障功能。

本实施例中，所有驱动电机均采用微型直流无刷电机，该电机末端集成绝对值编码器，电机输出端加装64:1倍减速器增加电机输入扭矩。

本发明中：所述机器人机身承载构件、髋骨构件、大腿构件、小腿构件及双连杆机构组成的机器人本体，均采用3D打印技术制作，可定制任意尺寸及比例的机身本体构件，即机身承载构件、髋骨构件、大腿构件、小腿构件以及双连杆机构，调整三自由度足机构的工作空间以及机器人运动性能参数，机器人通过机载控制电路板的通信模块接收运动控制指令并驱动驱动电机转动以实现六只三自由度足机构协调运动，并根据位姿运动传感器以及电机编码器反馈修正机器人运动参数，从而实现所述机器人空间六自由度直行、旋转以及越障的运动。

本发明具有体积小、重量轻、质量载荷集中、运动控制精度高、价格低、适应环境能力强等优点，控制电路与机器人本体拓扑进一步优化后可广泛应用于教学和娱乐领域。所述基于3D打印技术的微型仿生六足机器人，利用3D打印机技术，能够制作出各类结构复杂的机器人本体构件，并提高机器人外光的观赏性和改装的便利性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。