一种仿生蜥蜴机器人

1.本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种仿生蜥蜴机器人。


背景技术：

2.蜥蜴类动物身体一般分为头、颈、躯干、尾四个部分。蜥蜴身体细长，后肢粗壮发达，而且脚掌底部具有可张开或收拢的膜。当它在水面上奔跑时，这些膜就会张开，使脚掌与水面的接触面积大增。蜥蜴运动方式为上左前肢右后肢脑袋向左看，上右前肢左后肢脑袋像右看，即左右摇摆形。蜥蜴凭借其独特的身体构造及运动特性，可以在大多数恶劣复杂的环境下进行快速穿梭。
3.常规的运输搜救等工作在许多恶劣复杂的环境中难以实现，通过性差。为了获得恶劣复杂工况下良好的通过性与适应性，可采用仿蜥蜴沙漠四足机器人，但是，现有的机器人自由度少，结构简单，灵活性差，控制精度低，仅以沙漠环境做设计，适用范围受限，开环控制无反馈，安全性稳定性差，主体部分为一整体，灵活性及适用性较差。
4.因此，如何提供一种灵活稳定的仿生蜥蜴机器人是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种仿生蜥蜴机器人，通过多模块相互连接配合，并设置多种传感器，提升自由度和控制精度，实现目标识别、自动避障，在恶劣复杂环境下的适应性与灵活性较好。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种仿生蜥蜴机器人，包括头模块、躯干模块、肢体模块和尾模块，所述头模块安装于所述躯干模块前端，所述尾模块安装于所述躯干模块后端，多个所述肢体模块成对安装于所述躯干模块两侧，各模块关节处设置有驱动器，还包括传感器和控制器，所述控制器通信连接所述驱动器和所述传感器，并通过所述传感器的检测结果控制所述驱动器工作。
7.优选地，所述头模块包括底架、保持架和支架，所述底架侧端固定连接所述保持架，所述底架侧端铰接所述支架，所述支架上安装有摄像头，所述底架的头俯仰机座上安装有头俯仰驱动器，所述头俯仰驱动器连接所述支架，并驱动所述支架竖向摆动，所述底架后端与所述躯干模块前端的头横摆机座铰接，所述头横摆机座上安装有头横摆驱动器，所述头横摆驱动器连接所述保持架，并驱动所述保持架横向摆动。
8.优选地，所述躯干模块包括依次铰接的头连模块、前肢连模块、前躯干模块、至少一个中躯干模块、后躯干模块和后肢连模块，所述头连模块的前端设置有所述头横摆机座，所述前肢连模块和所述后肢连模块分别连接所述肢体模块。
9.优选地，所述前肢连模块包括前中心块，所述前中心块的两侧连接所述肢体模块，所述前中心块后端的前摆驱动器铰接所述前躯干模块的前躯干腔的前端，所述中躯干模块包括中躯干腔，所述中躯干腔前端的中摆驱动器铰接所述前躯干腔后端的v型块，所述后躯
干模块包括后躯干腔，所述后躯干腔前端的后摆驱动器铰接所述中躯干前的后端，所述后肢连模块包括后中心块，所述后中心块的两侧连接所述肢体模块，所述后中心块前端的末摆驱动器铰接所述后躯干腔后端，所述前摆驱动器、所述中摆驱动器、所述后摆驱动器和所述末摆驱动器驱动相连部件横向摆动。
10.优选地，所述前躯干腔内安装所述控制器的下位机，所述中躯干腔内安装所述控制器的上位机，所述后躯干腔内安装动力源。
11.优选地，所述肢体模块包括大臂和小臂，所述大臂的一端通过肢一驱动器和肢二驱动器连接所述前中心块的两侧或所述后中心块的两侧，并驱动所述大臂纵向摆动和竖向摆动，所述大臂的另一端通过肢三驱动器和肢四驱动器连接所述小臂，并驱动所述小臂竖向摆动和横向摆动。
12.优选地，所述大臂包括主动摇杆、被动摇杆和铰接两者的连杆，所述小臂包括小臂腿、关节球和接地爪。
13.优选地，所述关节球上设置有压力传感器，各所述驱动器上设置有角位移传感器，所述头模块和所述躯干模块上设置有超声波传感器。
14.优选地，所述中躯干模块两侧连接有所述肢体模块。
15.优选地，所述尾模块包括依次铰接的多个尾关节，前端的所述尾关节上设置有连接所述躯干模块后端的尾摆驱动器，后端的所述尾关节连接有拓展块，所述拓展块上设置有外接其他模块的拓展孔。
16.本发明提供一种仿生蜥蜴机器人，包括头模块、躯干模块、肢体模块和尾模块，所述头模块安装于所述躯干模块前端，所述尾模块安装于所述躯干模块后端，多个所述肢体模块成对安装于所述躯干模块两侧，各模块关节处设置有驱动器，还包括传感器和控制器，所述控制器通信连接所述驱动器和所述传感器，并通过所述传感器的检测结果控制所述驱动器工作。通过多模块相互连接配合，并设置多种传感器，提升自由度和控制精度，实现目标识别、自动避障，在恶劣复杂环境下的适应性与灵活性较好。
附图说明
17.图1为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式的结构示意图；
18.图2为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式中头模块的结构示意图；
19.图3为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式中头模块的爆炸示意图；
20.图4为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式中躯干模块的结构示意图；
21.图5为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式中前肢连模块的结构示意图；
22.图6为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式中前躯干模块的结构示意图；
23.图7为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式中中躯干模块的结构示意图；
24.图8为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式中后躯干模块的结构示意图；
25.图9为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式中后肢连模块的结构示意图；
26.图10为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式中肢体模块的结构示意图；
27.图11为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式中肢体模块的爆炸示意图；
28.图12为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式中尾模块的结构示意图；
29.图13为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式的整机控制流程图。
具体实施方式
30.本发明的核心是提供一种仿生蜥蜴机器人，通过多模块相互连接配合，并设置多种传感器，提升自由度和控制精度，实现目标识别、自动避障，在恶劣复杂环境下的适应性与灵活性较好。
31.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
32.请参考图1，图1为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式的结构示意图。
33.本发明具体实施方式提供一种仿生蜥蜴机器人，包括头模块1、躯干模块2、肢体模块3和尾模块4，头模块1安装于躯干模块2前端，尾模块4安装于躯干模块2后端，多个肢体模块3成对安装于躯干模块2两侧，可以设置四条肢体模块3，也可根据情况进行扩展，设置更多数量的肢体模块3，以增加搭载能力及灵活性。
34.各模块关节处设置有驱动器，其中，驱动器可以采用舵机，也可采用电机、液压马达等，均在本发明的保护范围之内。还包括传感器和控制器，控制器通信连接驱动器和传感器，并通过传感器的检测结果控制驱动器工作。传感器部分包括摄像头、超声波传感器、压力传感器、角位移传感器等，还可增加其他类型的传感器，如温度传感器等，便于搜寻人类，控制器由上位机与下位机组成。上位机直接发出操控命令，发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制驱动器和传感器等设备。在此实施例中，动力源部分采用若干8.4v、5000ma电池，用以给整机供电。这里需要注意的是，不局限于采用电池，也可根据具体实际情况采用合适的动力源。
35.通过多模块相互连接配合，并设置多种传感器，提升自由度和控制精度，实现目标识别、自动避障，在恶劣复杂环境下的适应性与灵活性较好。
36.请参考图2和图3，图2为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式中头模块的结构示意图；图3为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式中头模块的爆炸示意图。
37.在本发明具体实施方式提供的仿生蜥蜴机器人中，头模块1包括底架11、保持架12和支架13，底架11侧端固定连接保持架12，保持架12位于底架11上方，同时底架11侧端铰接
支架13，支架13位于底架11前方，支架13上安装有摄像头，用于目标检测，底架11上设置有头俯仰机座111，头俯仰机座111上安装有头俯仰驱动器a1，头俯仰驱动器a1通过头俯仰臂a11连接支架13，头俯仰驱动器a1工作时，驱动支架13及摄像头竖向摆动，即在xz平面上摆动，底架11后端与躯干模块2前端的头横摆机座211铰接，头横摆机座211上安装有头横摆驱动器a2，头横摆驱动器a2通过头横摆臂a21连接保持架12，并驱动保持架12、驱动支架13及摄像头横向摆动，即在xy平面上摆动，实现头部两个自由度的移动。
38.请参考图4至图9，图4为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式中躯干模块的结构示意图；图5为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式中前肢连模块的结构示意图；图6为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式中前躯干模块的结构示意图；图7为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式中中躯干模块的结构示意图；图8为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式中后躯干模块的结构示意图；图9为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式中后肢连模块的结构示意图。
39.进一步地，躯干模块2包括依次铰接的头连模块21、前肢连模块22、前躯干模块23、至少一个中躯干模块24、后躯干模块25和后肢连模块26，头连模块21的前端设置有头横摆机座211，前肢连模块22和后肢连模块26分别连接肢体模块3。
40.具体地，前肢连模块22包括前中心块221、前转接块222和前摆机座223，前中心块221的两侧通过前转接块222连接肢体模块3，前摆机座223设置在前中心块221上，前摆机座223上安装前摆驱动器b1，前摆驱动器b1通过前摆臂b11和前连杆224铰接前躯干模块23的前端。
41.前躯干模块23包括前躯干腔231和v型块232，前连杆224铰接前躯干腔231前端的立柱，v型块232连接前躯干腔231后端的立柱。
42.中躯干模块24包括中躯干腔241、中摆机座242、中立板243、中转接块244及中连杆245，中摆机座242设置在中躯干腔241前端，中摆驱动器b2安装在中摆机座242上，并通过中摆臂b21连接v型块232的尖端。一侧中立板243通过中转接块244及中连杆245连接后躯干模块25。
43.后躯干模块25包括后躯干腔251、后摆机座252、后立板253、后转接块254及后连杆255，后摆机座252设置在后躯干腔251前端，后摆驱动器b3安装在后摆机座252上，并通过后摆臂b31连接中连杆245，一侧后立板253通过后转接块254及后连杆255连接后肢连接模块26前端。
44.后肢连模块26包括后中心块261、末摆机座262和末转接块263，后中心块261的两侧通过末转接块263连接肢体模块3，末摆机座262设置在后中心块261上，末摆驱动器b4安装在末摆机座262上，末摆驱动器b4通过末摆臂b41连接后连杆255。
45.其中，前摆驱动器b1、中摆驱动器b2、后摆驱动器b3和末摆驱动器b4驱动相连部件横向摆动，即使躯干各部件在xy平面内摆动，各驱动器配合运动，实现蜥蜴机器人在xy平面内的身躯摆动，模仿蜥蜴运动，提高其灵活性，随着身躯的摆动，利于灵活转弯，易于穿过嶙峋路段等。进一步地，中躯干模块24两侧连接有肢体模块3，以增加肢体模块3的数量，在中躯干模块24两侧设置对应的连接结构即可。
46.优先地，前躯干腔231内安装控制器的下位机，中躯干腔241内安装控制器的上位
机，后躯干腔251内安装动力源。或根据情况调整各部件的布置方式及连接方式，均在本发明的保护范围之内。
47.请参考图10和图11，图10为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式中肢体模块的结构示意图；图11为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式中肢体模块的爆炸示意图。
48.在本发明具体实施方式提供的仿生蜥蜴机器人中，肢体模块3包括大臂31和小臂35，大臂31的一端通过肢一驱动器c1和肢二驱动器c2连接前中心块221的两侧或后中心块261的两侧，并驱动大臂31纵向摆动和竖向摆动，大臂31的另一端通过肢三驱动器c3和肢四驱动器c4连接小臂35，并驱动小臂35竖向摆动和横向摆动。
49.具体地，大臂31包括主动摇杆311、被动摇杆313和铰接两者的连杆312，小臂35包括小臂腿351、关节球352和接地爪353。当主动摇杆311摆动，通过连杆312带动被动摇杆313摆动。主动摇杆311与肢二驱动器c2的输出轴固定连接，被动摇杆313一端与肢一驱动器c1的下输出轴通过前转接块222铰接，另一端与肢三机座33铰接。接地爪353由多个小爪组成，增大与地面接触面积，从而减小压强，增大摩擦力，提升支撑能力。
50.肢二机座32与肢一驱动器c1的上输出轴固定连接，肢二机座32内装载肢二驱动器c2。肢三机座33内装载肢三驱动器c3，肢三驱动器c3的输出轴与肢四机座34固定连接。肢四机座34内装载肢四驱动器c4，肢四驱动器c4的输出轴连接延长板的上端，延长板的下端通过螺钉连接小臂腿351的上端，两个延长板对称设置，夹持肢四驱动器c4，且两个延长板的下端合拢后共同连接小臂腿351的上端。肢一驱动器c1工作时，带动肢体模块3在xy平面内摆动，肢二驱动器c2工作时，带动大臂31在yz平面内摆动，肢三驱动器c3工作时，带动小臂35在xz平面内摆动，肢四驱动器c4工作时，带动小臂35在yz平面内摆动。
51.为了提高设备可靠性，关节球352上设置有压力传感器，用于检测着地压力，各驱动器上设置有角位移传感器，用于检测各驱动器转角状态，头模块1和躯干模块2上设置有超声波传感器，用于测距与避障。摄像头装载于头模块1的支架13上，由上位机进行驱动，将采集到的图像信息传回上位机。
52.请参考图12，图12为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式中尾模块的结构示意图。
53.在上述各具体实施方式提供的仿生蜥蜴机器人的基础上，尾模块4包括依次铰接的多个尾关节41，前端的尾关节41上设置有连接躯干模块2后端的尾摆驱动器d，用于驱动尾模块4在xy平面内摆动，后端的尾关节41连接有拓展块42，拓展块42上设置有外接其他模块的拓展孔421。如外接小货舱装载救援物资，或外接探测器用于探测与搜救等。
54.请参考图13，图13为本发明所提供的仿生蜥蜴机器人的一种具体实施方式的整机控制流程图。
55.控制器部分由上位机与下位机组成，上位机与下位机之间使用串口通信。上位机直接发出操控命令，发出的命令传给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制舵机、超声波传感器、压力传感器、角位移传感器模块。
56.上位机驱动摄像头，摄像头将采集到的图片信息转化为二进制数据通过串口通信传递给上位机。下位机驱动超声波传感器，使其发出超声波并接收返回的声波，并利用时间差和声音传播速度，计算出模块到前方障碍物的距离，再将信息传给上位机，上位机接收到
信息后进行决策，将决策结果再返回给下位机。下位机根据接收到的信号，驱动相应舵机，进而使机械结构发生相应的运动。
57.下位机驱动压力传感器，压力传感器模块将肢体模块3中关节球352上受到的压力转化为电信号，再传递给下位机。由下位机解析该电信号，并将其转化为相应的压力值信息，再传递给上位机，上位机接收到信息后进行决策，将决策结果再返回给下位机。下位机根据接收到的信号，驱动相应舵机，进而使机械结构发生相应的运动。
58.下位机驱动角位移传感器，角位移传感器将各舵机的角位移信息转化为电信号，再传递给下位机。由下位机解析该电信号，并将其转化为相应的角位移信息，再传递给上位机，上位机接收到信息后进行决策，将决策结果再返回给下位机。下位机根据接收到的信号，驱动相应舵机，纠正偏差，构成闭环控制。
59.当确定目标在正前方时，肢体模块3的每一条机械腿的四个舵机都按照相同规律转动，左前肢和右后肢同时运动，右前肢和左后肢同时运动，但两组之前错开半个周期，其余舵机保持不动。当确定目标在侧方，确定需要左转时，肢体模块3的每一条机械腿的四个舵机仍按上述规律进行运动，而躯干模块2和尾模块4的舵机工作，使整个蜥蜴机器人向目标一侧偏转一定角度，从而完成转向。当确定需要右转时，躯干模块2和尾模块4的舵机工作，与确定需要左转时反向转动，其余舵机工作保持不变。
60.以上对本发明所提供的仿生蜥蜴机器人进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。