一種基于細(xì)胞機(jī)器人單體的四足機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于智能機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于細(xì)胞機(jī)器人單體的四足機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002]20世紀(jì)60年代，四足步行機(jī)器人的研究工作開始起步。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)器人控制技術(shù)的研究和應(yīng)用，到了 20世紀(jì)80年代，現(xiàn)代四足步行機(jī)器人的研制工作進(jìn)入了廣泛開展的階段。世界上第一臺(tái)真正意義的四足步行機(jī)器人是由Frank和McGhee于1977年制作的。該機(jī)器人具有較好的步態(tài)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，但其缺點(diǎn)是，該機(jī)器人的關(guān)節(jié)是由邏輯電路組成的狀態(tài)機(jī)控制的，因此機(jī)器人的行為受到限制，只能呈現(xiàn)固定的運(yùn)動(dòng)形式。20世紀(jì)80,90年代最具代表性的四足步行機(jī)器人是日本Shigeo Hirose實(shí)驗(yàn)室研制的TITAN系列。1981?1983年Hirose教授研制成功腳部裝有傳感和信號(hào)處理系統(tǒng)的TITAN-1II。它的腳底部由形狀記憶合金組成，可自動(dòng)檢測(cè)與地面接觸的狀態(tài)。目前最具代表的四足步行機(jī)器人是美國Boston dynamics實(shí)驗(yàn)室研制的Big Dog。它能以不同步態(tài)在惡劣的地形上攀爬，可以負(fù)載高達(dá)52KG的重量，爬升斜坡可達(dá)35度。其腿關(guān)節(jié)類似動(dòng)物腿關(guān)節(jié)，安裝有吸收震動(dòng)部件和能量循環(huán)部件。同時(shí)，腿部連有很多傳感器，其運(yùn)動(dòng)通過伺服電機(jī)來控制。該機(jī)器人機(jī)動(dòng)性和反應(yīng)能力都很強(qiáng)，平衡能力極佳。但由于汽油發(fā)電機(jī)需攜帶油箱，故工作時(shí)受環(huán)境影響大，可靠性差。另外，當(dāng)機(jī)器人行走時(shí)引擎會(huì)發(fā)出怪異的噪音。
[0003]國內(nèi)四足機(jī)器人研制工作從20世紀(jì)80年代起步，取得一定成果的研究機(jī)構(gòu)有上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所于1991年開展了JTUffM系列四足步行機(jī)器人的研究。1996年該研究所研制成功了 JTUffM—III。該機(jī)器人采用開式鏈腿機(jī)構(gòu)，每條腿有3個(gè)自由度，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外形靈巧、體積小、重量輕等特點(diǎn)。它采用力和位置混合控制，腳底裝有PVDF測(cè)力傳感器，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)角線動(dòng)態(tài)行走。但其步行速度較慢，極限步速僅為1.7km/h ;另外，其負(fù)重能力有限，故在實(shí)際作業(yè)時(shí)實(shí)用性較差。清華大學(xué)所研制的一款四足步行機(jī)器人。它采用開環(huán)關(guān)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)作為步行機(jī)構(gòu)，通過模擬物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)比較穩(wěn)定的節(jié)律運(yùn)動(dòng)，可以自主應(yīng)付復(fù)雜的地形條件，完成上下坡行走、越障等功能。不足之處是腿運(yùn)動(dòng)時(shí)的協(xié)調(diào)控制比較復(fù)雜，而且承載能力較小。
[0004]盡管四足步行機(jī)器人技術(shù)有了很大的發(fā)展，足式機(jī)器人的研究平臺(tái)有很多。但目前的四足機(jī)器人大多構(gòu)成比較復(fù)雜，各個(gè)組成部分互不相同，維修保障起來比較困難。而基于模塊化的四足機(jī)器人技術(shù)研究卻比較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出一種基于細(xì)胞機(jī)器人單體的四足機(jī)器人，整體采用模塊化設(shè)計(jì)思想，在結(jié)構(gòu)上前后左右完全對(duì)稱，可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左移、右移等多種行走模式，且各模塊間便于拆卸、更換、組成。
[0006]本發(fā)明基于細(xì)胞機(jī)器人單體的四足機(jī)器人，包括身部與四條機(jī)械足。四條機(jī)械足均由等數(shù)量細(xì)胞機(jī)器人單體兩兩相連構(gòu)成。
[0007]所述細(xì)胞機(jī)器人單體為由左半部外殼與右半部外殼構(gòu)成，左半部外殼與右半部外殼間具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。左半部外殼與右半部外殼壁面周向均布4個(gè)連接位置，兩個(gè)細(xì)胞機(jī)器人單體間在連接位置固連。
[0008]上述結(jié)構(gòu)四條機(jī)械足周向均布，位于始端的細(xì)胞機(jī)器人單體安裝在身部上。
[0009]根據(jù)需要對(duì)每條機(jī)械足中多個(gè)細(xì)胞機(jī)器人單體進(jìn)行組裝，可形成具有多自由度、多余度的機(jī)械足。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0011]1、本發(fā)明基于細(xì)胞機(jī)器人單體的四足機(jī)器人，整體采用模塊化設(shè)計(jì)思想，每一個(gè)細(xì)胞單體一樣，便于拆卸、更換、組成。
[0012]2、本發(fā)明基于細(xì)胞機(jī)器人單體的四足機(jī)器人，區(qū)別于現(xiàn)有常見的腿式或者輪式四足機(jī)器人，在結(jié)構(gòu)上如后左右完全對(duì)稱，可實(shí)現(xiàn)如進(jìn)、后退、左移、右移等多種tx走I旲式。
[0013]3、本發(fā)明基于細(xì)胞機(jī)器人單體的四足機(jī)器人，每一條足上的相鄰兩個(gè)細(xì)胞機(jī)器人單體均采用“基準(zhǔn)軸相交”的連接方式，每條腿都可實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)。
[0014]4、本發(fā)明基于細(xì)胞機(jī)器人單體的四足機(jī)器人，可利用細(xì)胞機(jī)器人單體進(jìn)行重構(gòu)組成形態(tài)多種多樣的四足式機(jī)器人，以應(yīng)用到不同的場(chǎng)合。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明基于細(xì)胞機(jī)器人單體的四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明基于細(xì)胞機(jī)器人單體的四足機(jī)器人中細(xì)胞機(jī)器人單體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3為本發(fā)明基于細(xì)胞機(jī)器人單體的四足機(jī)器人中機(jī)械連接裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖4為機(jī)械連接裝置中內(nèi)殼連接件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖5為機(jī)械連接裝置中內(nèi)殼上視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖6為機(jī)械連接裝置中內(nèi)殼下視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖7為機(jī)械連接裝置中可伸縮對(duì)接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖8為機(jī)械連接裝置中彈性連接器安裝位置示意圖；
[0023]圖9為機(jī)械連接裝置進(jìn)行連接后結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖10為本發(fā)明基于細(xì)胞機(jī)器人單體的四足機(jī)器人中細(xì)胞機(jī)器人單體間連接方式一示意圖；
[0025]圖11為本發(fā)明基于細(xì)胞機(jī)器人單體的四足機(jī)器人中細(xì)胞機(jī)器人單體間連接方式一示意圖；
[0026]圖12為本發(fā)明基于細(xì)胞機(jī)器人單體的四足機(jī)器人中細(xì)胞機(jī)器人單體的優(yōu)選連接方式示意圖；
[0027]圖13為采用一個(gè)細(xì)胞機(jī)器人單體作為身部時(shí)四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖14為本發(fā)明基于細(xì)胞機(jī)器人單體的四足機(jī)器人中細(xì)胞機(jī)器人單體重構(gòu)的防蜘蛛形式示意圖。
[0029]圖中:
[0030]1-身部2-四條機(jī)械足3-細(xì)胞機(jī)器人單體
[0031]301-半球體外殼302-機(jī)械連接裝置302a_外殼
[0032]302b-內(nèi)殼連接臺(tái)302c-內(nèi)殼302d_對(duì)接臺(tái)座
[0033]302e-彈簧302f-彈性連接器302g-對(duì)接定位面
[0034]302h_卡榫302i_榫頭302 j-定位孔
[0035]302k-連接頭3021-定位卡頭302m_內(nèi)緣
[0036]302η-外緣302ο_ 缺口302ρ-定位凹進(jìn)
[0037]302q_導(dǎo)通孔302r_凹槽302s_限位臺(tái)肩
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0039]本發(fā)明基于細(xì)胞機(jī)器人單體的四足機(jī)器人，包括身部I與四條機(jī)械足2。其中，令四條機(jī)械足分別為足A、足B、足C與足D，均由等數(shù)量細(xì)胞機(jī)器人單體3兩兩相連構(gòu)成，周向均布，固定安裝于機(jī)身I上。機(jī)身I內(nèi)部用來安裝供電電源。
[0040]所述細(xì)胞機(jī)器人單體3為由兩個(gè)半球體外殼301構(gòu)成的整體球形結(jié)構(gòu)，如圖2所示，兩個(gè)半球體外殼301間具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。每個(gè)半球體外殼301壁面周向均布3個(gè)安裝孔，每個(gè)安裝孔內(nèi)安裝有一個(gè)機(jī)械連接裝置302，用來實(shí)現(xiàn)各個(gè)細(xì)胞機(jī)器人單體3間的連接。
[0041]所述機(jī)械連接裝置302包括外殼302a、內(nèi)殼連接臺(tái)302b、內(nèi)殼302c、對(duì)接臺(tái)座302d、彈簧302e與彈性連接器(彈針)302f,如圖3、圖6所示。
[0042]其中，外殼302a為筒狀結(jié)構(gòu)一端面為內(nèi)陷球面，作為對(duì)接定位面302g。在對(duì)接定位面302g外緣周向上相對(duì)位置設(shè)計(jì)有卡榫302h。卡榫302h的外表面為圓弧面，榫頭302i朝向?qū)佣ㄎ幻?02g ;且使卡榫302h的外表面所對(duì)應(yīng)球體與對(duì)接定位面302g所對(duì)應(yīng)的球體半徑相等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)機(jī)械連接裝置302在對(duì)接時(shí)，卡榫302h外表面與對(duì)接定位面302g間的配合相貼，作為兩個(gè)機(jī)械連接裝置302對(duì)接時(shí)的相對(duì)對(duì)接位置的基準(zhǔn)。
[0043]所述內(nèi)殼連接臺(tái)302b同軸嵌入固定于對(duì)接定位面302g上，如圖3所示，也可與對(duì)接定位面302g設(shè)計(jì)為一體結(jié)構(gòu)。內(nèi)殼連接臺(tái)302b周向上均勻設(shè)計(jì)有定位口，用來安裝固定內(nèi)殼302c。
[0044]所述內(nèi)殼302c為筒狀結(jié)構(gòu)，用于可伸縮連接機(jī)構(gòu)伸縮運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向，以及兩個(gè)機(jī)械連接裝置302的對(duì)接。內(nèi)殼302c —端作為安裝端，周向上均勻設(shè)計(jì)有連接頭302k，如圖5所示，連接頭302k端部設(shè)計(jì)有定位卡頭3021。通過各個(gè)連接頭302k分別穿過內(nèi)殼連接臺(tái)302b上的定位口，使定位卡頭3021與內(nèi)殼連接臺(tái)302b端面間配合卡緊，實(shí)現(xiàn)內(nèi)殼302c的固定。內(nèi)殼302c另一端作為對(duì)接端，端部周向上設(shè)計(jì)有內(nèi)緣302m與外緣302η，且外緣302η周向相對(duì)位置開設(shè)有兩個(gè)缺口 302ο，兩個(gè)缺口 302ο開設(shè)位置分別與外殼302al上兩個(gè)卡榫302h所在位置呈90度設(shè)計(jì)。上述外緣302η的內(nèi)側(cè)面還設(shè)計(jì)有兩個(gè)定位凹進(jìn)302ρ，定位凹進(jìn)302ρ的凹進(jìn)面與卡榫302h的榫頭302i內(nèi)表面匹配，兩個(gè)定位凹進(jìn)302p分別位于兩個(gè)缺口 302ο同側(cè)，如圖6所示。
[0045]如圖7所示，所述對(duì)接臺(tái)座302d同軸設(shè)置在內(nèi)殼302c內(nèi)部，內(nèi)部中空，一端作為對(duì)接平面，其上開有個(gè)導(dǎo)通孔302q ;三個(gè)導(dǎo)通孔302q中心共線，且中間的導(dǎo)通孔302q中心位于對(duì)接臺(tái)座302d軸線上，三個(gè)導(dǎo)通孔302q用于通過彈性連接器302f。對(duì)接臺(tái)座302d另一端作為限位端，周向上設(shè)計(jì)有凹槽302r，用來設(shè)置彈簧302e，且使彈簧302e與對(duì)接臺(tái)座302d同軸。上述對(duì)接臺(tái)座302d的限位端外壁周向上設(shè)計(jì)有限位臺(tái)肩302s，與內(nèi)殼302c對(duì)接端周向上的內(nèi)緣302m配合搭接，實(shí)現(xiàn)對(duì)接臺(tái)座302d與內(nèi)殼302c間的限位，使對(duì)接臺(tái)座302d不會(huì)再彈簧302e的回彈作用力下脫出內(nèi)殼302c。
[0046]所述彈性連接器302f為三個(gè)，位于對(duì)接臺(tái)座302d內(nèi)部，如圖8所示，三個(gè)彈性連接器