仿壁虎機器人的製作方法
2023-09-13 03:40:35 4
專利名稱：仿壁虎機器人的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微小型機器人-仿壁虎機器人，主要應用於反恐，救援，首腦保衛，特種偵查等公共和國家安全等領域。
背景技術：
目前世界上關於仿壁虎機器人的研製還出在初步階段，真正實現類似壁虎的全空間無障礙運動的機器人還需要時間。Kathryn A.Daltori，AndrewD.Horchler，Stanislav Gorb，Roy E.Ritzmann，Roger D.Quinn.A SmallWall-Walking Robot with Compliant，Adhesive Feet.「2005 IEEE/RSJInternational Conference on Intelligent Robots and Systems」公開了美國克裡佛蘭市的Case Western Reverse大學研製了一臺小型的名字叫Mini-Whegs的爬壁機器人，該機器人用一個電機驅動四個輪子同時轉動，每個輪子上裝有4片由仿壁虎腳趾的材料製作的腳掌(如圖1所示)，該機器人的特點是體積小、重量輕(87g)，可以獨立行走在垂直壁面、天花板，自備電源，並且能夠輕鬆地從一個面過度到另一個垂直面上，該機器人還處於研究階段，主要應用於對仿壁虎腳掌材料吸附能力的測試實驗。CarloMenon，Michael Murphy，Metin Sitti.Gecko Inspired Surface ClimbingRobots.「IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics(ROBIO)」.ShengYang，China，Aug 2004.公開了美國卡梅隆大學利用研製出的仿壁虎腳掌材料研製兩種不同機構的爬壁機器人，經過試驗證實這兩種機器人能夠在任意乾燥表面移動，並且具有一定越障能力，其中圖2所示結構的機器人還可以輕鬆地在存在夾角的兩個表面來回過度。該學校的研究人員還將吸附材料做成履帶形勢安裝於機器人身上，研製出履帶式爬壁機器人如圖3所示。試驗證明這三種類壁虎機器人都實現了爬壁的功能，但是由於其爬行方式為輪式爬行，當沿著垂直壁面爬行轉彎時由於吸附材料與牆面發生相對滑動導致其吸附能力遭到破壞，難於實現轉彎動作。
發明內容
本發明的技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種仿壁虎機器人，該機器人在爬壁過程中能夠實現小半徑轉彎動作，機器人爬行過程中產生吸附力的腳掌不與壁面發生相對移動，機器人具有豐富的姿態能夠適應複雜地形；越障能力得到提高。
本發明的技術解決方案仿壁虎機器人由機械部分和電路部分組成，其中機械部分採用足式爬行方式，分為前工作部分和後工作部分，且兩部分結構完全對稱，具有互換性，兩部分通過柔性杆連接在一起；前工作部分或後工作分別由機器人身體、兩個腳掌和兩條腿構成，每條腿由三個可控自由度的大腿零件、小腿零件和腿根零件組成，每個大腿零件的兩端、小腿零件的一端和腿根零件的一端之間均通過舵機鉸接連接在一起，每個小腿零件的另一端與腳掌連接，每個腿根零件的另一端與機械人身體連接；電路部分包括單片機、數字開關控制電路、舵機、吸盤和電源，電源為單片機、位於腳掌上的吸盤和舵機提供電源，單片機通過輸出PWM波形控制舵機轉角大小，達到控制機器人的步態，同時單片機通過控制數字開關電路的通斷達到控制機器人腳掌上吸盤的吸附與釋放。
本發明與現有技術相比的優點在於本發明仿壁虎機器人採用足式爬行方式，機器人能夠在小轉彎半徑內實現靈活轉彎動作，而且由於採用足式方式，機器人能夠在爬行過程中選擇合適的姿態與合適的落腳點，克服壁面不平坦現象，越障能力比輪式爬行機器人強。合理的機器人爬行機構設計及步態規劃結果，保證機器人爬行過程中吸附在牆面的腳掌不與壁面發生相對滑動，即不會破壞機器人的吸附能力；機器人可以具有豐富的姿態以適應複雜的地形環境。
圖1為現有技術的機器人Mini-Whegs結構示意圖；
圖2為現有技術的輪式爬壁機器人結構示意圖；圖3為現有技術的履帶式爬壁機器人結構示意圖；圖4為本發明機器人的機械部分的主視結構示意圖；圖5為本發明機器人的機械部分的後視結構示意圖；圖6為本發明機器人的機械部分的側視結構示意圖；圖7為本發明機器人身體部分的結構示意圖，其中圖7a為俯視圖，圖7b為主視圖，圖7c為側視圖；圖8為本發明機器人的大腿零件結構圖，其中圖8a為俯視圖，圖8b為主視圖，圖8c為側視圖；圖9本發明機器人的腿根零件圖，其中圖9a為俯視圖，圖9b為主視圖，圖9c為右側視圖，圖9d為左側視圖；圖10本發明機器人的小腿零件圖，其中圖10a為俯視圖，圖10b為主視圖，圖10c為側視圖；圖11為本發明機器人的電路部分結構組成框圖；圖12為本發明的單片機部分電路示意圖；圖13為本發明電路部分中控制吸附腳掌通斷的數字開關控制電路電原理圖；圖14本發明的機器人工作流程圖；圖15本發明的上位機控制程序界面。
具體實施例方式
如圖4、5、6所示，本發明仿壁虎機器人的機械部分採用足式爬行方式，分為前工作部分和後工作部分，上半部分為前工作部分，下半部分為後工作部分，兩部分結構完全對稱，上下兩部分具有互換性，兩部分通過柔性杆6連接在一起，柔性杆6兩端通過螺釘固接於機器人身體上，在本實施例中柔性杆6採用彈簧片。前工作部分或後工作分別由機器人身體2、兩個腳掌7和兩條腿構成，每條腿由三個可控自由度的大腿零件4、小腿零件5和腿根零件3組成，每個大腿零件4的兩端、小腿零件5的一端和腿根零件3的一端之間均通過舵機1鉸接連接在一起，每個小腿零件5的另一端與腳掌7連接，每個腿根零件3的另一端與機械人身體2連接。本發明中每條腿上共3個舵機，4條腿共12個舵機，在大腿零件4、小腿零件5和腿根零件3與舵機1的連接處加工出一個能夠鑲嵌舵機輸出端的大約1mm的凹槽8，達到將舵機運動傳輸到下一個連接器件的目的；本發明機器人的其他連接處，如每個小腿零件5與腳掌7的連接和腿根零件3與機械人身體2連接等均採用螺釘或螺栓固接，螺釘或螺栓直徑尺寸選用M2。
舵機1的輸出端為一個十字架，該十字架的形狀如圖8、9、10所示的凹槽，將舵機1輸出的十字架嵌入到凹槽8中並用螺釘固定，實現舵機1與各零件的連接。
圖7為機器人身體部分零件圖，兩個舵機1通過螺紋孔10固定於擋板9上，12為底板11上加工的減輕槽，螺紋孔13用於固定控制電路板，螺紋孔14用於固定連接前後身體的柔性杆6，機器人身體由兩個圖7所示的零件構成，兩個零件通過固定於螺紋孔14的柔性杆7連接。
圖8為機器人大腿零件圖，固定於腿根的舵機輸出端嵌入到圖示的凹槽8中，並通過孔15用螺釘固定，另一個舵機1通過螺紋孔16固定在與舵機外形尺寸相同的矩形孔17處，機器人總共有4個大腿零件。
圖9位機器人腿根零件圖，固定在機器人身體零件上的舵機1輸出端通過螺釘固定在圖示的凹槽8中，另一個舵機1通過螺紋孔19固定在與舵機外形尺寸相同的矩形孔20處，機器人總共有4個腿根零件。
圖10為機器人小腿零件圖，固定在大腿零件上的舵機輸出端通過螺釘固定在圖10所示的凹槽8中，自選的腳掌7可以通過孔21固定於小腿零件上，機器人總共有四個小腿零件。
如圖11所示，本發明的電路部分包括單片機22、數字開關控制電路23、舵機1、位於腳掌上的吸盤24和電源25，為了便於控制和操作，電路部分中還接有上位機26，該上位機26通過UART或RS232接口與單片機22連接，電源25分別為單片機電路22、吸盤24上電磁鐵和12個舵機1提供電源，上位機26發出控制指令，單片機22通過串口接收該控制指令後，其12路I/O口輸出12個PWM波形控制12個舵機1的轉角大小，達到控制機器人的步態，同時單片機22的4路I/O作為腳掌吸附力控制埠輸出控制數字開關電路23的通斷達到控制機器人腳掌7上吸盤24的吸附與釋放。
如圖12所示，本發明的單片機22的12個I/O口作為PWM輸出控制舵機的轉角，4個I/O口輸出的SUCKn信號作為腳掌吸附力控制埠，I/O利用高低電壓控制功率三極體的通斷達到控制腳掌吸附力的目的，RXD、TXD分別為串口接收數據和發送數據引腳，RESET為復位信號，VCC接5V輸入電壓，SCK、MISO、MOSI作為單片機的在系統編程信號(ISP)；單片機通過串口接收上位機的控制指令，如果串口沒有控制指令，機器人將採用默認指令運動。
如圖13所示，數字開關控制電路23由功率三極體D1758和位於基極上的上拉電阻R組成，功率三極體D1758的集電極上接吸盤電磁鐵。本實施例中基極與發射極的電壓為5V時，該功率三級管的放大倍數大約為190，腳掌吸附元件為電磁鐵，其電阻大小為20歐；為了使功率管工作在最佳狀態，使得在電磁鐵上分擔電壓達到最大，可以求出R＝24*190*(5-0.7)/(VCC-2)，VCC為15v，經過測量此時功率管集電極到發射極的電壓大約為2伏，可以算出基極的電阻R大小應該選用1500歐。
如圖14所示本發明的工作流程圖，單片機內部設有兩個計數器，一個計數器控制機器人爬行周期(即機器人爬行速度)，另一個計數器控制PWM波形，兩個計數器同時協作實現控制機器人做各種不同特徵的運動。如果單片機沒有接到上位機發送的控制指令，則控制機器人按照默認的爬行方式爬行，否則程序響應中斷，識別並分析指令，再調用對應的控制函數；控制函數中通過讀取計數器數值，當計數器數值所對應的時間等於所需要的PWM脈寬，則設置相應的I/O口，通過若干次比較可以模擬出12路PWM波形控制舵機轉動，同時通過4路I/O口控制功率三極體的通斷達到控制機器人腳掌的吸附力。
如圖15所示為上位機控制程序自定義通信協議，接收用戶輸入的控制參數，然後通過串口向單片機發送控制指令，結合單片機的控制程序能夠控制機器人任意關節的轉角以及機器人的爬行方向和爬行速度。
權利要求
1.仿壁虎機器人由機械部分和電路部分組成，其特徵在於所述的機械部分採用足式爬行方式，分為前工作部分和後工作部分，且兩部分結構完全對稱，具有互換性，兩部分通過柔性杆連接在一起；前工作部分或後工作分別由機器人身體、兩個腳掌和兩條腿構成，每條腿由三個可控自由度的大腿零件、小腿零件和腿根零件組成，每個大腿零件的兩端、小腿零件的一端和腿根零件的一端之間均通過舵機鉸接連接在一起，每個小腿零件的另一端與腳掌連接，每個腿根零件的另一端與機械人身體連接；所述的電路部分包括單片機、數字開關控制電路、舵機、吸盤和電源，電源為單片機、位於腳掌上的吸盤和舵機提供電源，單片機通過輸出PWM波形控制舵機轉角大小，達到控制機器人的步態，同時單片機通過控制數字開關電路的通斷達到控制機器人腳掌上吸盤的吸附與釋放。
2.根據權利要求1所述的仿壁虎機器人，其特徵在於所述的電路部分中還接有上位機，該上位機通過UART或RS232接口與單片機連接，輸出控制指令，使單片機工作。
3.根據權利要求1所述的仿壁虎機器人，其特徵在於所述的數字開關控制電路由功率三極體和位於基極上的上拉電阻R組成，功率三極體的集電極上接吸盤電磁鐵。
4.根據權利要求1所述的仿壁虎機器人，其特徵在於所述的柔性杆為彈簧片。
全文摘要
仿壁虎機器人由機械部分和電路部分組成，機械部分分前工作部分和後工作部分，兩部分結構完全對稱，並通過柔性杆連接；每一部分由機器人身體、兩個腳掌和兩條腿構成，每條腿由三個可控自由度的大腿零件、小腿零件和腿根零件組成，每個大腿零件的兩端、小腿零件的一端和腿根零件的一端之間均通過舵機鉸接連接在一起；電路部分包括單片機、數字開關控制電路、舵機、吸盤和電源，電源為單片機、位於腳掌上的吸盤和舵機提供電源，單片機通過輸出PWM波形控制舵機轉角大小，達到控制機器人的步態，同時單片機通過控制數字開關電路的通斷達到控制機器人腳掌上吸盤的吸附與釋放。本發明能夠實現小半徑轉彎動作，越障能力得到提高。
文檔編號A63H11/20GK1966337SQ20061011477
公開日2007年5月23日 申請日期2006年11月23日 優先權日2006年11月23日
發明者孟偲, 王田苗, 裴葆青, 醜武勝, 官勝國 申請人:北京航空航天大學