一种行走和滚动功能的仿蜥蜴机器人的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，具体来说，是一种行走和滚动功能的仿蜥蜴机器人，该技术可使得机器人实现更高的运动效率和更强的环境适应性，可应用于多种复杂地形环境。

背景技术：

今年来，随着电机微型化和制造技术的不断进步，机器人技术得到了更加广泛的应用。由于自然界存在多种地形环境，不同的地形环境通过不同的运动形式才能达到最高的运动效率，这就要求机器人具有多种运动形式，能够在不同地形条件下切换运动模式，实现高效运动。针对这些要求，目前研究者已经各类复合运动机器人。

在复合运动机器人领域，目前已经取得了一些成果。公布号为103693124a的发明专利《一种可变球形机器人》通过3r足机构与半球壳体结合，实现机器人的行走功能与滚动运动相结合。但是由于机器人整体没有合理的缓冲机构，在滚动时与地面发生刚性冲击，极易导致机构损坏失效。公布号为102728066a的发明专利《一种可翻滚四足机器人》，将行走机器人和滚动机器人的特征相结合，具有两种运动形式。但是由于其在滚动过程中，通过主要零件形成的几何球形与地面接触，因此主要零件可靠性差，难以保证长久运动能力。

针对上述设计中存在的问题，需要设计出一种新型具有复合运动的机器人，在保证具有良好的缓冲性能的同时，具有较高的运动效率。本发明基于仿生学原理，设计出了仿蜥蜴机器人，可以实现行走和滚动两种运动形式的结合。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种行走和滚动功能的仿蜥蜴机器人，机器人有展开和收拢两种状态，收拢时呈圆柱状。可通过腿结构组成的行走模块，实现不规则地面的行走功能；通过折展机构组成的变形模块，实现平缓地面的滚动功能。

一种行走和滚动功能的仿蜥蜴机器人，包括行走模块(1)、躯干模块(2)、变形模块(3)、缓冲模块(4)。

行走模块(1)包括6个完全相同的腿结构(11)，腿结构(11)包括行走电机(111)、行走电机支架(112)、腿连接块(113)、腿(114)共四个部分；腿(114)为半环状结构；各个构件之间的连接关系为：行走电机(111)与行走电机支架(112)固连；行走电机(111)的主轴穿过行走电机支架(112)中间的孔与腿(114)半环状结构的一端通过腿连接块(113)固连，行走电机(111)的主轴与腿(114)半环状结构的轴平行，可以实现腿(114)与行走电机支架(112)的相对转动；

躯干模块(2)包括2个侧躯干结构(21)、1个中躯干结构(22)共三部分。

侧躯干结构(21)包括侧躯干(211)、变形电机(212)、变形电机支架(213)、转轴支架(214)共四个部分，侧躯干(211)为长方形结构的平板，沿长度方向分为三个部分即两端部分侧躯干和中间部分侧躯干，两端部分侧躯干和中间部分侧躯干的连接处的侧面均设有侧躯干凹槽(215)；各个构件之间的连接关系为：变形电机(212)通过变形电机支架(213)固定到中间部分侧躯干的板面上，中间部分侧躯干的板面上安装有两组变形电机(212)，两组变形电机(212)均并排安装到中间部分侧躯干的板面上两侧，两组变形电机(212)和变形电机支架(213)同向安装且变形电机(212)的轴向与侧躯干结构(21)的长度方向一致；两端部分侧躯干的板面上的两侧均各设有一个转轴支架(214)；

中躯干结构(22)包括中躯干(221)、变形电机(212)、变形电机支架(213)、转轴支架(214)共四个部分，中躯干(221)为长方形结构的平板，沿长度方向分为三个部分即两端部分中躯干和中间部分中躯干，两端部分中躯干和中间部分中躯干的连接处的侧面均设有中躯干凹槽(216)；各个构件之间的连接关系为：变形电机(212)通过变形电机支架(213)固定到中间部分中躯干的板面上，中间部分中躯干的板面上安装有两组变形电机(212)，两组变形电机(212)均安装到中间部分中躯干的板面上两个对角处，两组变形电机(212)的轴相向且与侧躯干结构(21)的长度方向平行；两端部分中躯干的板面上的两侧均各设有一个转轴支架(214)；侧躯干(211)长方形平板结构的长度方向与中躯干(221)长方形平板结构的长度方向一致，且侧躯干(211)长方形平板结构的宽度大于与中躯干(221)长方形平板结构的宽度；

变形模块(3)包括两组完全相同的变形结构(31)。变形结构(31)包括短杆折展机构(311)、长连接杆(312)、短连接杆(313)、内部直折杆(314)，外部弧折杆(315)，所述的弧折杆为弧形结构的杆；长连接杆(312)的长度大于短连接杆(313)长度的2倍；展开时各个构件之间的连接关系为：五个长连接杆(312)并列平行且长度方向与侧躯干(211)长方形平板结构的长度方向一致；五个长连接杆(312)依次称为第一长连接杆、第二长连接杆、第三长连接杆、第四长连接杆、第五长连接杆；前端三个长连接杆(312)即第一长连接杆、第二长连接杆、第三长连接杆，其中每个长连接杆下方平行对应两个短连接杆(313)，此两个短连接杆(313)同轴，且此两个短连接杆(313)之间具有空隙；每个短连接杆的两端分别各通过一个短杆折展机构(311)与上方其所对应的长连接杆可轴转动的连接在一起，即短杆折展机构(311)相对于所连接的长连接杆、短连接杆均可转动；第一长连接杆与第二长连接杆之间、第二长连接杆与第三长连接杆之间、第三长连接杆与第四长连接杆之间分别各通过四个并排的外部弧折杆(315)连接，外部弧折杆(315)均垂直与各长连接杆，且外部弧折杆(315)相对于所连接的长连接杆可进行转动；第一长连接杆、第二长连接杆、第三长连接杆、第四长连接杆位于一个平面a内，所有的短连接杆(313)位于一个平面b内，第五长连接杆位于平面b内，平面a与平面b平行；第四长连接杆与第五长连接杆之间采用四个均匀分布的短杆折展机构(311)进行可轴转动的连接在一起，即短杆折展机构(311)相对于所连接的第四长连接杆与第五长连接杆均可转动；

在平面b内任意的长度方向并列且相邻的两个短连接杆(313)之间均采用内部直折杆(314)连接在一起，优选采用两个并列平行的内部直折杆(314)进行连接；内部直折杆(314)相对于两端所连接的短连接杆(313)可转动；第三长连接杆下方对应的短连接杆(313)与第五长连接杆之间同样采用内部直折杆(314)连接在一起；

缓冲模块(4)包括弹簧系统(41)、壳体(42)；壳体(42)为外侧为圆柱弧面结构；弹簧系统(41)一端固定到外部弧折杆(315)上，弹簧系统(41)的另一端与壳体(42)固连；第一长连接杆与第二长连接杆之间对应的上方、第二长连接杆与第三长连接杆之间对应的上方、第三长连接杆与第四长连接杆之间对应的上方各对应一个壳体(42)；

每个变形模块对应一个侧躯干结构(21)，第二长连接杆下方对应的一个短连接杆、第三长连接杆下方对应的一个短连接杆分别各自与下面同一个侧躯干结构(21)上的变形电机的轴固定连接；两个变形模块共用一个中躯干结构(22)，两个变形模块的第一长连接杆相对，一个第一长连接杆下方相对应的一个短连接杆与下面中躯干结构(22)上的一个变形电机的轴固定连接，另一个第一长连接杆下方相对应的一个短连接杆与下面中躯干结构(22)上的另一个变形电机的轴固定连接；

各短连接杆分别由一个转轴支架(214)进行支撑；

侧躯干(211)长方形结构的平板下底面长度方向的两端、中躯干(221)长方形结构的平板下底面长度方向的两端分别各自固定连接一个行走模块(1)中的行走电机支架(112)。

进一步弹簧系统(41)包括弹簧柱下(411)、弹簧(412)、弹簧端盖(413)、弹簧柱上(414)；弹簧柱下(411)的下端与外部弧折杆(315)固定在一起，弹簧柱下(411)的上端这有一空腔体，弹簧(412)置于弹簧柱下(411)的空腔体中；弹簧柱上(414)为t型结构，弹簧柱上(414)的末端置于弹簧柱下(411)的腔体中与弹簧(412)对接可以对弹簧施压；弹簧端盖(413)与弹簧柱下(411)的顶端固连，避免弹簧柱上(414)的末端运动出弹簧柱下(411)的腔体；

所有的变形电机(212)均位于所有同轴短连接杆(313)之间的空隙组成的空隙道内.

侧躯干凹槽(215)、中躯干凹槽(216)分别让对应位置的内部直折杆(314)穿行弯折。

本发明的工作原理如下：

参照图1、图3、图4、图7、图8，机器人在行走时，变形模块呈展开状，通过行走电机(111)驱动腿(114)转动，每个瞬时均有三组位于不同侧且非同一躯干的腿结构(11)同时着地，交替进行实现行走功能。

参照图2、图3、图4、图5、图6、图7、图9、图10、图11，机器人滚动时，变形模块(3)通过躯干模块(2)中的侧躯干(211)和中躯干(221)上的变形电机(212)，驱动变形模块(3)中变形结构(31)的短连接杆(313)变形为半圆柱形，两个变形结构(31)通过变形组成一个圆柱体；同时，由于缓冲模块(4)中的壳体(42)由于与变形模块(3)固连，也通过变形形成一个圆柱体；行走电机(111)驱动腿(114)转动，每个瞬时均有两组位于不同侧但安装于同一躯干的腿结构(11)同时与地面接触，为机器人提供接触反力，迫使机器人相对地面滚动。滚动过程中，弹簧系统(41)受迫变形吸收能量，避免机器人与地面的刚性碰撞。

本发明的优点在于：

1.本发明提出了一种行走和滚动功能的仿蜥蜴机器人，机器人可通过变形模块适应不同地形，展开时可实现行走功能，收拢时可实现滚动功能；

2.本发明的仿蜥蜴机器人，三组位于不同侧且非同一躯干的腿结构同时着地时，可以实现行走功能；两组位于不同侧但安装于同一躯干的腿结构同时着地时，可以在机器人滚动时为机器人提供接触反力；

3.本发明的仿蜥蜴机器人，其缓冲模块结合弹簧系统和壳体，避免机器人运动中的刚性碰撞，提高机器人可靠性。

附图说明

图1本发明中机器人展开整体结构示意图；

图2本发明中机器人收拢整体结构示意图；

图3本发明中机器人行走模块和躯干模块示意图；

图4本发明中机器人行走模块结构示意图；

图5本发明中机器人侧躯干结构示意图；

图6本发明中机器人中躯干结构示意图；

图7本发明中机器人变形模块示意图；

图8本发明中机器人展开时变形模块结构示意图；

图9本发明中机器人收拢时变形模块结构示意图；

图10本发明中机器人缓冲模块示意图；

图11本发明中机器人缓冲模块结构示意图；

图中：

1-行走模块2-躯干模块3-变形模块4-缓冲模块

11-腿结构21-侧躯干结构22-中躯干结构

111-行走电机112-行走电机支架113-腿连接块114-腿

211-侧躯干212-变形电机213-变形电机支架214-转轴支架侧躯干凹槽-215中躯干凹槽-216

221-中躯干

31-变形结构

311-折展机构312-长连接杆313-短连接杆内部直折杆-314外部弧折杆-315

41-弹簧系统42-壳体

411-弹簧柱下412-弹簧413-弹簧端盖414-弹簧柱上

具体实施方式

下面结合附图和实施例说明本发明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

参照图1、图2，本发明行走和滚动功能的仿蜥蜴机器人，包括行走模块1、躯干模块2、变形模块3、缓冲模块4。

参照图1、图2、图3，行走模块1包括6个完全相同的腿结构11。

参照图1、图2、图3、图4，腿结构11包括行走电机111、行走电机支架112、腿连接块113、腿114共四个部分。各个构件之间的连接关系为：行走电机111与行走电机支架112固连；行走电机111的主轴与腿114通过腿连接块113固连，可以实现腿114与行走电机支架112的相对转动。

参照图1、图2、图3，躯干模块2包括2个侧躯干结构21、1个中躯干结构22共三部分。

侧躯干结构21包括侧躯干211、变形电机212、变形电机支架213、转轴支架214共四个部分，侧躯干211为长方形结构的平板，沿长度方向分为三个部分即两端部分侧躯干和中间部分侧躯干，两端部分侧躯干和中间部分侧躯干的连接处的侧面均设有侧躯干凹槽215；各个构件之间的连接关系为：变形电机212通过变形电机支架213固定到中间部分侧躯干的板面上，中间部分侧躯干的板面上安装有两组变形电机212，两组变形电机212均并排安装到中间部分侧躯干的板面上两侧，两组变形电机212和变形电机支架213同向安装且变形电机212的轴向与侧躯干结构21的长度方向一致；两端部分侧躯干的板面上的两侧均各设有一个转轴支架214；

中躯干结构22包括中躯干221、变形电机212、变形电机支架213、转轴支架214共四个部分，中躯干221为长方形结构的平板，沿长度方向分为三个部分即两端部分中躯干和中间部分中躯干，两端部分中躯干和中间部分中躯干的连接处的侧面均设有中躯干凹槽216；各个构件之间的连接关系为：变形电机212通过变形电机支架213固定到中间部分中躯干的板面上，中间部分中躯干的板面上安装有两组变形电机212，两组变形电机212均安装到中间部分中躯干的板面上两个对角处，两组变形电机212的轴相向且与侧躯干结构21的长度方向平行；两端部分中躯干的板面上的两侧均各设有一个转轴支架214；侧躯干211长方形平板结构的长度方向与中躯干221长方形平板结构的长度方向一致，且侧躯干211长方形平板结构的宽度大于与中躯干221长方形平板结构的宽度；

变形模块3包括两组完全相同的变形结构31。变形结构31包括短杆折展机构311、长连接杆312、短连接杆313、内部直折杆314，外部弧折杆315，所述的弧折杆为弧形结构的杆；长连接杆312的长度大于短连接杆313长度的2倍；展开时各个构件之间的连接关系为：五个长连接杆312并列平行且长度方向与侧躯干211长方形平板结构的长度方向一致；五个长连接杆312依次称为第一长连接杆、第二长连接杆、第三长连接杆、第四长连接杆、第五长连接杆；前端三个长连接杆312即第一长连接杆、第二长连接杆、第三长连接杆，其中每个长连接杆下方平行对应两个短连接杆313，两个短连接杆313同轴，且两个短连接杆313之间具有空隙；每个短连接杆的两端分别各通过一个短杆折展机构311与上方其所对应的长连接杆可轴转动的连接在一起，即短杆折展机构311相对与所连接的长连接杆、短连接杆均可转动；第一长连接杆与第二长连接杆之间、第二长连接杆与第三长连接杆之间、第三长连接杆与第四长连接杆之间分别各通过四个并排的外部弧折杆315连接，外部弧折杆315均垂直与各长连接杆，且外部弧折杆315相对与所连接的长连接杆可进行转动；第一长连接杆、第二长连接杆、第三长连接杆、第四长连接杆位于一个平面a内，所有的短连接杆313位于一个平面b内，第五长连接杆位于平面b内，平面a与平面b平行；第四长连接杆与第五长连接杆之间采用四个均匀分布的短杆折展机构311进行可轴转动的连接在一起，即短杆折展机构311相对与所连接的第四长连接杆与第五长连接杆均可转动；

在平面b内任意的长度方向并列且相邻的两个短连接杆313之间均采用内部直折杆314连接在一起，优选采用两个并列平行的内部直折杆314进行连接；内部直折杆314相对于两端所连接的短连接杆313可转动；第三长连接杆下方对应的短连接杆313与第五长连接杆之间同样采用内部直折杆314连接在一起；

参照图10，缓冲模块4包括弹簧系统41、壳体42。各个构件之间的连接关系为：弹簧系统41与壳体42固连。

参照图10、图11，弹簧系统41包括弹簧柱下411、弹簧412、弹簧端盖413、弹簧柱下414。各个构件之间的连接关系为：弹簧412置于弹簧柱下411的腔体中；弹簧柱上413的末端置于弹簧柱下411的腔体中，二者可实现相对移动，完成对弹簧412的压缩；弹簧端盖413与弹簧柱下411的顶端固连，避免弹簧柱上414的末端运动出弹簧柱下411的腔体。

参照图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图10、图11，机器人整体装配关系为：行走模块1与躯干模块2通过行走电机支架112固连在侧躯干211、中躯干221两侧；变形模块3与躯干模块2，通过短连接杆313固连在转轴支架214上；缓冲模块4与变形模块3，通过弹簧柱下411固连在折展机构311上。

通过设计或调解变形电机212所驱动的短连接杆313与某一个待弯折的内部直折杆314的紧固关系或/和某一个短杆折展机构311的紧固关系更好的实现变形模块3的变形。

本发明的工作原理如下：

参照图1、图3、图4、图7、图8，机器人在行走时，变形模块呈展开状，通过行走电机111驱动腿114转动，每个瞬时均有三组位于不同侧且非同一躯干的腿结构11同时着地，交替进行实现行走功能。

参照图2、图3、图4、图5、图6、图7、图9、图10、图11，机器人滚动时，变形机构3通过躯干模块2中的侧躯干211和中躯干221上的变形电机212，驱动变形模块3中变形结构31的折展机构311变形为半圆柱形，两个变形结构31通过变形组成一个圆柱体；同时，由于缓冲模块4中的壳体42由于与变形模块3固连，也通过变形形成一个圆柱体；行走电机111驱动腿114转动，每个瞬时均有两组位于不同侧但安装于同一躯干的腿结构11同时与地面接触，为机器人提供接触反力，迫使机器人相对地面滚动。滚动过程中，弹簧系统41受迫变形吸收能量，避免机器人与地面的刚性碰撞。