一种机械式步态同步六足机器人的制作方法

本发明公开了一种机械式步态同步六足机器人，属于仿生机器人设计技术领域。

背景技术：

仿生六足机器人，作为多足机器人的代表，可在非结构化地形上行走，较常规机器人具有很强的越障能力与环境适应性。但是目前的机器人多采用舵机控制腿部运动，这种行走的步幅和步频均难以达到快速行走的要求，而且舵机控制的六足机器人难以越过高于自身限度的障碍物。电机驱动的六足机器人就显现出了更强的快速机动能力，借助旋转过程中腿部与地面的摩擦和腿自身的弹性，能够翻越更加复杂的障碍物。但这种机器人零部件多，成本高，结构复杂，而且需要一个精密的控制系统才能使六个电机配合工作，但在实际环境中,传感器检测到的机器人状态会受到外界的干扰或传感器本身的不精确等因素,都会使传输的状态量产生一定的测量误差，从而更难做到同步。近年来机器人在地质勘探，灾难救援等危险复杂情况下具有越来越高的应用价值，目前来说，这种六足机器人还停留在实验研究的阶段，主要难点在于制作成本高并且控制的水平还达不到要求的精度。因此设计一种轻巧灵活，低成本，结构牢固，稳定性高的六足机器人已经是当前研究的重点。

对现有专利检索发现，专利申请公开号：cn102267509a，发明名称：对称式仿生六足行走装置，该发明采用两个结构完全一致、中心对称的上、下层套筒结构实现三角支撑机构。其缺点主要有：结构复杂，启动时间长；体积及重量较大，负载能力差。

检索发现，专利申请公开号：cn205469364u，发明名称：一种新型的六足机器人结构及其控制系统，该发明通过十八个舵机控制机器人腿的活动。其缺点为：腿部自由度过高，很难实现精密控制；机器人负载能力差；步态稳定性低。

检索还发现，专利申请公开号：cn105835984a，发明名称：一种六足仿生机器人，该装置足部采用仿生c型腿。其缺点主要有:适应性差，很难在极端恶劣地形行走；腿部结构复杂，制作成本高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种仿生六足步行机器人，具备了在平地行走，转弯等功能，是以趾行性动物腿部结构为原型并加以轮系同步结构设计制造的。本发明针对六足机器人在使用三角步态行走时的三足同步控制难点导致机器人无法缓慢行走的缺陷，在机身内部设计了齿轮传动机构，利用机械的方法实现了三足在运动过程中的完全同步。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种机械式步态同步六足机器人，该机器人的外观如图1所示，包括机身1、腿2、电动机3、减速器4、控制板5、电机驱动6、电池7和传动机构8；六个腿2沿机身1的两侧对称布置；机器人的内部结构如图2所示，电动机3、减速器4、控制板5、电机驱动6、电池7和传动机构8装在机身1内。

如图2，电池7与控制板5连接，控制板5与电机驱动6连接，电机驱动6与电动机3连接，电动机3通过减速器与传动机构8连接，传动机构8与腿2连接。机器人工作时，电动机3带动减速器4，进而带动传动机构8，驱动腿2进行转动。腿2的截面为l形。

传动机构8总共有两组，沿机身1的中心对称放置，每组分别带动三个腿2，使机器人能以三角步态前进。

传动机构8的机构运动简图如图3所示，传动机构8为定轴轮系，轴a9与减速器4的输出轴连接，轴a9传动机构8的动力输入轴，驱动轮a10与驱动轮b15安装在轴a9上，轴a9带动驱动轮a10与驱动轮b15转动。驱动轮a10与驱动轮b11相啮合，驱动轮a10与驱动轮b11的传动比为1。

驱动轮c12与驱动轮b11共轴，驱动轮c12与驱动轮d13相啮合，驱动轮c12与驱动轮d13的传动比为2.5，轴b14与驱动轮d13连接。

驱动轮d13、驱动轮e17和驱动轮c16拱轴线；驱动轮b15与驱动轮c16相啮合，驱动轮b15与驱动轮c16传动比为1，驱动轮e17与驱动轮f18相啮合，驱动轮g19与驱动轮h20相啮合。

驱动轮e17与驱动轮f18传动比均为1，驱动轮g19与驱动轮h20传动比为1；驱动轮h20与驱动轮i21共轴线，驱动轮i21与驱动轮g22相啮合，驱动轮i21与驱动轮g22传动比为2.5。

驱动轮k23与驱动轮l24相啮合，驱动轮k23与驱动轮l24传动比为2.5。

轴b14、驱动轮g22的中心轴和驱动轮l24的中心轴为输出轴，这三个输出轴驱动机身1一侧的三个腿2进行运动。

通过一个电动机3驱动三个腿2，并且这三个腿2运动状态完全同步。

机器人的腿2的结构如图4所示，由支撑主体25、销轴26、轴承27、扭簧28、小腿29、足30和连接件31组成。小腿29的顶部与支撑主体25通过连接件31连接，支撑主体25、小腿29和连接件31通过销轴26连接，销轴26上设有扭簧28，销轴26与小腿29通过轴承27连接，足30设置在小腿29的底部，小腿29能够绕轴26小幅度摆动。

机器人腿2的侧视图如图5所示，支撑主体25上加工一凸台32，凸台32能够限制小腿29和主体零件25之间角度最大为90°，扭簧28为腿2提供预扭矩和弹性，使凸台32和小腿29之间存在一定的预压力。当位于销轴26的扭矩未达到阈值时，小腿29与支撑主体25之间的角度恒为90°，使腿2运行平稳方便控制；当位于销轴26的扭矩达到并超过阈值时，扭簧28发生扭转，使小腿29绕销轴26摆动，达到缓冲的效果。

传动机构8的传动比为2.5，以减少传动轴上的扭矩，进而减少轴和齿轮的直径，减轻传动机构的重量。

与现有技术相比，本发明具有以下创新性：

1、采用传动机构，用机械的方法实现一个电机同时控制三条腿的转动。将机器人所需控制电机数从6个减少到2个，大幅减少了控制难度，保证了控制系统的精确性和机器人行走的平稳性。

2、采用齿轮传动方式，减少电动机个数，进而减少机身质量，并且传动机构的设计传动比使传动机构所受扭矩降低，减小机械零件尺寸和质量。综合两方面考虑可将机器是质量减小，降低材料与制作成本，使机器人轻便灵活

3、采用机械传动连接形式，能够减少主板与各驱动之间通讯信号的产生，能够降低发生通讯故障的概率。同时能够减小自身系统发生扰动概率，从而提高整个系统的鲁棒性。

4、腿部关节采用弹簧结构，抗震性强。腿部的弹簧可以缓冲腿部在与地面接触时地面对腿部与机身的冲击，减少腿部结构的损坏率。5、机器人在行走时的稳定性强。腿部末端采用水平结构与表面带沟纹的橡胶材料，增大了机器人腿部与地面的接触面积与时间，可以减少沉陷和打滑的几率。

附图说明

图1是图1机器人整体外观

图2机器人内部结构

图3传动机构运动简图

图4腿结构示意图

图5腿侧视图

图6机器人俯视图

具体实施方式

机器人俯视图如图6所示，六个腿分为左组33和右组34，分别

由两个传动机构8驱动。

该机器人的行走过程如下所述：

1)直行时，左组33和右组34交替向前转动，以三角步态前进，运动情况完全对称。

2)后退时，左组33和右组34交替向后转动，以三角步态后退，运动情况完全对称。

3)原地左转时，左组33与右组34同时触地，且左组33向后转动，右组34向前转动，由于左组33左侧摩擦力大，右组34右侧摩擦力大，因此机器人可以实现原地左转。

4)原地右转时，左组33与右组34同时触地，且左组33向前转动，右组34向后转动，由于左组33左侧摩擦力大，右组34右侧摩擦力大，因此机器人可以实现原地右转。