一种易于小型化的高机动性爬虫机器人制造技术

本发明专利技术提供了一种易于小型化的高机动性爬虫机器人，解决现有设计不利于爬虫机器人向小型化设计和高机动控制发展的不足之处。本发明专利技术爬虫机器人躯干节段采用对称性设计，使爬虫机器人从整体结构上易于小型化，具有高的机动性，其躯干结构采用串

【技术实现步骤摘要】
一种易于小型化的高机动性爬虫机器人


[0001]本专利技术属于机器人
，具体涉及一种易于小型化的高机动性爬虫机器人。

技术介绍

[0002]小型高机动性机器人在灾后搜寻、内窥镜手术、石油天然气管道巡查等领域具有广泛的应用需求。一般来说，智能仿生爬虫机器人设计要求在较小尺寸下实现较大驱动功率和高机动性。研究人员模拟自然界生物的身体结构和运动模式，提出了如基于形状记忆合金SMA、空气压缩等驱动方案，此类方案目前仍受到诸多不利因素限制，例如：实现特定运动模式的拓展依赖于特殊的材料；形状记忆合金丝对温度敏感；压缩空气驱动器需要外接空气压缩机。这些不利因素导致此类机器人目前仍难以实现快速、精准控制，应用场景也受到较多限制。
[0003]中国专利CN107830307B提出了一种采用四个并联机构串联，两端串接头尾组成的，具有高机动性的尺蠖式蠕动机器人。该专利提出的具有多冗余自由度的机器人躯干设计，使机器人可以实现伸缩、偏转、俯仰等多种运动模式，具有良好的可控性和运动灵活性。模块化设计使机器人具有可拓展的自由度，提高了环境适应性；多节段式多驱动机构设计方法可以在其中任一驱动机构发生故障时提升机器人的鲁棒性。但并行机构躯体的相邻节段间采用错位串联的装配方式，使机器人在具有大的工作空间的同时，也使机器人躯体和地面间需要预留更大的离地间隙，如图1所示，从而保证机器人运动过程中不与地面发生干涉。这种结构设计不利于机器人小型化，此外，仅采用头、尾结构作为躯干支撑，对机器人运动过程中的重心平衡控制、加工精度、装配精度和电机特性均提出了高要求。
[0004]因此，针对小型化设计和高机动控制要求，爬虫机器人亟需在躯干结构和驱动结构上进行改进。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决现有设计不利于爬虫机器人向小型化设计和高机动控制发展的不足之处，而提供了一种易于小型化的高机动型爬虫机器人。
[0006]为实现上述目的，本专利技术所提供的技术解决方案是：一种易于小型化的高机动性爬虫机器人，包括依次连接的头部、躯干部以及尾部；其特殊之处在于：所述头部和尾部结构对称，头部包含外壳以及位于其内的传感器模块，尾部包括外壳、以及位于其内的传感器模块、电源和控制器；外壳底面还设置有吸附组件；传感器模块安装在头尾相应位置，为机器人自主运动提供反馈信息；吸附组件与地面直接接触，除了提供基本的支撑作用，还通过吸附地面增加了机器人与地面之间的最大静摩擦力，为机器人运动提供了“锚点”。
[0007]所述躯干部用于负责机器人的蠕动、偏转、俯仰、收缩和伸长等运动，其自尾部向头部方向包括四个串联的完全相同的3自由度驱动机构；
所述3自由度驱动机构采用3
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RRRRR并联机构（即驱动机构有3条并联支链，每一个支链均由5个旋转运动副组成），包括两个结构相同的平台以及三条旋转对称连接（120
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中心对称地连接）在两个平台之间的运动支链；两个平台分别为靠近尾部的基平台和靠近头部的动平台；相邻驱动机构间共用一个平台（即一个驱动机构的动平台同时也是其相邻驱动机构的基平台），且相邻驱动机构的旋转副沿平台法线方向适当错位，以避免相互干涉；共用平台安装在底部支撑足上，支撑足通过抬高身体节段，使得驱动机构上的连杆不会直接接触地面，底部支撑足的高度与头部和尾部的高度一致，即满足：当机器人的所有驱动副旋转角度相同时，所述支撑足与所述头部和尾部共同支撑所述驱动机构，且所述驱动机构中心线应与地面平行；所述平台包括Y型本体，Y型本体的三条支臂上同时设置有安装臂杆以及销孔座；三个安装臂杆位于平台靠近头部的一侧且三个安装臂杆所在平面相交于同一直线，该直线垂直于Y型本体，三个平面两两之间呈120
°
夹角；三个销孔座上的销孔位于平台靠近尾部的一侧且三个销孔座所在平面相交于同一直线，该直线垂直于Y型本体，三个平面两两之间呈120
°
夹角；其中，一个安装臂杆相较于地平面位于正上方，其余两个安装臂杆与该安装臂杆均呈120
°
夹角，位于其下方两侧；而销孔座一一对应紧邻安装臂杆设置；每条所述运动支链上包括一个驱动电机和四个连杆；其中，四个连杆依次相连，形成三组转动副，三组转动副的转轴相交于一点；位于头部的连杆外端通过转动副与动平台上的其中一个销孔座连接；所述驱动电机安装在基平台上的其中一个安装臂杆上，其输出轴与位于尾部的连杆连接（将并联支链上与电机相连的连杆称为主动连杆，电机与主动连杆组成的旋转副，称为驱动副，其余的连杆称为被动连杆），对于头部连杆外端转动副转轴、四个连杆间的转动副转轴、以及驱动电机输出轴，相邻转轴之间相互垂直；通过驱动电机驱动位于主动连杆转动，进而改变该连杆与基平台所成角度；当电机驱动主动连杆时，中间的被动连杆跟随运动，通过驱动电机改变关节角的大小，就可以控制三个支链的运动，从而改变顶部动平台的位姿；通过这种驱动方式，动平台可以在空间中产生俯仰、偏转和平移伸缩运动。
[0008]靠近尾部的驱动机构的基平台与尾部固定连接（即安装在尾部外壳内），靠近头部的驱动该机构的动平台与头部固定连接（即安装在头部外壳内）。
[0009]进一步地，所述底部支撑足包括相互垂直的底板和支架组件，其中，支架组件为两个相互平行的H型支架，用于安装共用平台。
[0010]进一步地，所述三个安装臂杆所在平面相交的直线过Y型本体几何中心；三个安装臂杆上开设有用于安装驱动电机的安装孔和供穿过驱动电机输出轴的通孔，且三个安装臂杆上的所述通孔中心处于同一圆周上。
[0011]进一步地，所述三个销孔座所在平面相交的直线过Y型本体几何中心，且三个销孔座上的销孔中心处于同一圆周上。
[0012]进一步地，为了便于导线通过、节省空间，所述Y型本体的几何中心处设置有圆孔。
[0013]进一步地，所述旋转副采用销钉结构。
[0014]进一步地，所述吸附组件为可变锚定结构，具体是指头部和尾部的外壳底面中部根据应用环境选用摩擦垫或吸盘，两端（即首尾段）则为不带摩擦垫或吸盘的弧形本体结
构，该部分的设计使得头部和尾部处于倾斜状态时与接触面的摩擦力尽可能小，从而增大机器人在进行某些运动时头部和尾部与接触面的摩擦力差值，达到摩擦力可变的效果；可以根据机器人的运动所需的保持力来增大或减小摩擦垫的面积。
[0015]进一步地，所述头部和尾部为使用3D打印制成的PLA材质外壳，其内部为空心结构。
[0016]进一步地，所述底部支撑足采用3D打印制作，其底部设置有摩擦垫。
[0017]进一步地，所述摩擦垫为硅胶材质，用于在机器人的运动过程中提供足够大的摩擦力，从而强化机器人在粗糙表面上的运动效果。
[0018]所述吸盘为真空吸盘或者电磁吸盘；当机器人在表面光滑的接触面（如玻璃等）上运动时，可采用真空吸盘；当机器人在金属表面运动时，可采用电磁吸盘。
[0019]本专利技术的优点是：1.本专利技术提出一种易于小型化的高机动性爬虫机器人，通过结构设计使爬虫机器人具有更本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种易于小型化的高机动性爬虫机器人，包括依次连接的头部、躯干部以及尾部；其特征在于：所述头部和尾部结构对称，其外壳底面设置有吸附组件；所述躯干部自尾部向头部方向包括四个串联的3自由度驱动机构；所述3自由度驱动机构采用3
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RRRRR并联机构，包括两个结构相同的平台以及三条旋转对称连接在两个平台之间的运动支链；两个平台分别为靠近尾部的基平台和靠近头部的动平台；相邻驱动机构间共用一个平台，且相邻驱动机构的旋转副沿平台法线方向错位；共用平台安装在底部支撑足上，底部支撑足的高度与头部和尾部的高度一致；所述平台包括Y型本体，Y型本体的三条支臂上同时设置有安装臂杆以及销孔座；三个安装臂杆位于平台靠近头部的一侧且三个安装臂杆所在平面相交于同一直线，该直线垂直于Y型本体，三个平面两两之间呈120
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夹角；三个销孔座上的销孔位于平台靠近尾部的一侧且三个销孔座所在平面相交于同一直线，该直线垂直于Y型本体，三个平面两两之间呈120
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夹角；每条所述运动支链上包括一个驱动电机和四个连杆；其中，四个连杆依次相连，形成三组转动副，三组转动副的转轴相交于一点；位于头部的连杆外端通过转动副与动平台上的其中一个销孔座连接；所述驱动电机安装在基平台上的其中一个安装臂杆上，其输出轴与位于尾部的连杆连接；对于头部连杆外端转动副转轴、四个连杆间的转动副转轴、以及驱动电机输出轴，相邻转轴之间相互垂直；通过驱动电机驱动位于尾部的连杆转动，进而改变该连杆与基平台所成角度；靠近尾部的驱动机构的基平台与尾部固定连接，靠近头部的驱动机...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨建华，王众丞，姜霞兵，李世博，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：