一种自重构波状爬行机器人及其控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种自重构波状爬行机器人及其控制系统，涉及自重构机器人技术领域。自重构波状爬行机器人包括若干波状爬行机构、串联连接机构和并联连接机构；波状爬行机构包括电机、齿轮组、螺旋杆、链杆、螺旋杆座和电机座；电机的输出轴与齿轮组最上方的齿轮连接，螺旋杆的一端穿过电机座的轴承与齿轮组最下方的齿轮连接，另一端与螺旋杆座的轴承连接；链杆通过轴销依次连接，套于螺旋杆上方；若干自重构波状爬行机器人通过串联连接机构进行串联连接，通过并联连接机构进行并联连接。本发明专利技术能够根据任务和环境的变化，依靠控制方法、控制系统和所设计的串/并联连接方式自动地组装，从而使机器人具备自重构的能力以应对复杂困难的任务。困难的任务。困难的任务。

【技术实现步骤摘要】
一种自重构波状爬行机器人及其控制系统


[0001]本专利技术涉及自重构机器人
，尤其涉及一种自重构波状爬行机器人及其控制系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]移动机器人已广泛应用于交通、救援、服务和安防等领域。然而，传统的移动机器人结构固定，难以适应时变的环境。自重构模块化移动机器人是指由一系列移动机器人模块组装而成、能够根据所处环境或任务的变化依靠模块间的相互通信和自主移动重组为另一种适应新环境、新任务构型的机器人，可以分为三类：轮式、足式和履带式。基于此，通过设计相应的自动控制/轨迹规划方法，可以自主地执行协作越障和目标围堵等复杂的任务，具有多功能性、鲁棒性和可重用性等诸多优点，因此受到了广泛关注。
[0004]专利技术人发现，现有的自重构模块化机器人普遍存在着执行机构数量多、越障能力不足的问题。其中，执行机构数量多易导致了机器人机体臃肿，并极大地提高了硬件成本，造成能源的浪费。另外，由于自重构模块化移动机器人在执行任务过程中常常需要面对复杂的地形和环境，如果移动能力和越障能力不足，往往难以达到预定的性能要求。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种自重构波状爬行机器人及其控制系统，其中自重构波状爬行机器人由多个独立的机器人模块组成，通过波状爬行机构移动，结构简单易于实现，能够根据任务和环境的变化，依靠相应的控制方法和所设计的串/并联连接方式自动地组装，从而使机器人具备自重构的能力以应对复杂困难的任务。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：
[0007]本专利技术第一方面提供了一种自重构波状爬行机器人，包括若干波状爬行机构、串联连接机构和并联连接机构；所述波状爬行机构包括电机、齿轮组、螺旋杆、链杆、连接杆、螺旋杆座和电机座；电机安装在电机座上；电机的输出轴与齿轮组最上方的齿轮连接，螺旋杆的一端穿过电机座的轴承与齿轮组最下方的齿轮连接，另一端与螺旋杆座的轴承连接；链杆通过轴销依次连接，套于螺旋杆上方；所述自重构波状爬行机器人通过串联连接机构进行串联连接，所述自重构波状爬行机器人通过并联连接机构进行并联连接。
[0008]进一步的，所述链杆中间空槽略大于螺旋杆轴径，链杆下方设有小齿；链杆依次连接后，套于螺旋杆上，前后端的链杆通过连接杆分别与电机座和螺旋杆座连接。
[0009]更进一步的，所述电机为无刷直流电机，无刷直流电机旋转时带动齿轮组运动，从而驱动螺旋杆旋转；螺旋杆和链杆之间相互作用形成正弦波状运动，小齿与地面接触时带动自重构波状爬行机器人移动。
[0010]更进一步的，所述的串联连接机构主要由舵机、直线电机、偏航关节、俯仰关节、上
层板、公对接器和母对接器组成；直线电机安装在波状爬行机构上方，通过直线电机座固定；上层板设置于波状爬行机构与直线电机座之间的位置，舵机安装在母对接器内部，舵机输出轴与舵机臂连接，舵机臂内嵌于丁字滑块内部，公对接器通过球形连接器与直线电机连接，公对接器与俯仰关节通过轴销连接，俯仰关节与螺旋杆座前部的偏航关节通过卡簧销连接。
[0011]更进一步的，所述公对接器左右两侧均设有弧形滑块，公对接器前部设有三个插销；所述母对接器设有与公对接器插销对应的三个插孔，当两者相互配合时，舵机带动丁字滑块使丁字滑块与公对接器的插销互锁，实现串联连接。
[0012]更进一步的，所述直线电机包括并排设置的第一直线电机和第二直线电机，第一直线电机与第二直线电机后部均通过球形连接器安装在直线电机座上，前部均通过球形连接器与公对接器连接。
[0013]进一步的，所述的并联连接机构主要由第一侧板、第二侧板和强磁铁组成；强磁铁按照南、北极分别安装在第一侧板、第二侧板表面的安装槽中。
[0014]更进一步的，第一侧板与第二侧板均与上层板、电机座、母对接器和螺旋杆座通过螺丝固定。
[0015]进一步的，自重构波状爬行机器人根据运动学模型在并联模态下进行差速圆周运动。
[0016]本专利技术第二方面提供了一种自重构波状爬行机器人的控制系统，包括：
[0017]电源、控制电路板和动力系统；电源是一块铝聚合物电池，为机器人运动提供所消耗的能量。控制电路板用于输出脉冲宽度调制信号至驱动模块和电子调速器。动力系统由驱动模块和电子调速器组成；驱动模块用于接收控制电路板的PWM信号并其传输至舵机和直线电机的控制信号线，同时将电源电压调整至舵机和直线电机所需的驱动电压；电子调速器用于接收控制电路板的PWM信号，将电池的直流电压转化为三相绕组电压，从而驱动无刷直流电机旋转。
[0018]以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
[0019]本专利技术公开了一种自重构波状爬行机器人及其控制系统，其由多个独立的机器人模块组成，通过波状爬行机构移动。本专利技术结构简单易于实现，不具有复杂的关节结构，能够根据任务和环境的变化，依靠相应的控制方法和所设计的串/并联连接方式自动地组装，从而使机器人具备自重构的能力，以应对复杂困难的任务，解决了现有的自重构模块化机器人普遍存在着执行机构数量多、越障能力不足的问题。本专利技术还构建了自重构波状爬行机器人并联模态下的运动学模型，通过运动学分析建立了描述左/右机器人模块线速度与机器人位置/朝向角之间关系的运动学模型。在所建立的运动学模型基础上，可以进行控制和规划方法设计，从而实现机器人的自主运动。
[0020]本专利技术还公开了一种自重构波状爬行机器人的控制系统进行自重构波状爬行机器人的运动控制，控制电路高度集成在上层板上方，能够通过接收高性能计算机传达的控制指令，驱动机构执行相应的动作。
[0021]本专利技术附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0022]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0023]图1为本专利技术实施例一自重构波状爬行机器人总体装配图；
[0024]图2为本专利技术实施例一波状爬行运动机构结构示意图；
[0025]图3(a)为本专利技术实施例一串联连接机构结构示意图；
[0026]图3(b)为本专利技术实施例一并联连接机构结构示意图；
[0027]图4(a)为本专利技术实施例一并联连接模态示意图；
[0028]图4(b)为本专利技术实施例一串联连接模态示意图；
[0029]图5为本专利技术实施例一并联模态下自重构波状爬行机器人差速圆周运动示意图；
[0030]图6(a)为本专利技术实施例一自重构波状爬行机器人目标围堵功能示意图；
[0031]图6(b)为本专利技术实施例一自重构波状爬行机器人跨越沟道功能示意图；
[0032]图7为本专利技术实施例二自重构波状爬行机器人的控制系统结构示意图；
[0033]其中，1、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自重构波状爬行机器人，其特征在于，包括若干波状爬行机构、串联连接机构和并联连接机构；所述波状爬行机构包括电机、齿轮组、螺旋杆、链杆、连接杆、螺旋杆座和电机座；电机安装在电机座上；电机的输出轴与齿轮组最上方的齿轮连接，螺旋杆的一端穿过电机座的轴承与齿轮组最下方的齿轮连接，另一端与螺旋杆座的轴承连接；链杆通过轴销依次连接，套于螺旋杆上方；所述自重构波状爬行机器人通过串联连接机构进行串联连接，所述自重构波状爬行机器人通过并联连接机构进行并联连接。2.如权利要求1所述的自重构波状爬行机器人，其特征在于，所述链杆中间空槽略大于螺旋杆轴径，链杆下方设有小齿；链杆依次连接后，套于螺旋杆上，前后端的链杆通过连接杆分别与电机座和螺旋杆座连接。3.如权利要求1所述的自重构波状爬行机器人，其特征在于，所述电机为无刷直流电机，无刷直流电机旋转时带动齿轮组运动，从而驱动螺旋杆旋转；螺旋杆和链杆之间相互作用形成正弦波状运动，小齿与地面接触时带动自重构波状爬行机器人移动。4.如权利要求1所述的自重构波状爬行机器人，其特征在于，所述的串联连接机构主要由舵机、直线电机、偏航关节、俯仰关节、上层板、公对接器和母对接器组成；直线电机安装在波状爬行机构上方，通过直线电机座固定；上层板设置于波状爬行机构与直线电机座之间的位置，舵机安装在母对接器内部，舵机输出轴与舵机臂连接，舵机臂内嵌于丁字滑块内部，公对接器通过球形连接器与直线电机连接，公对接器与俯仰关节通过轴销连接，俯仰关节与螺旋杆座前部的偏航关节通过卡簧销连接。5.如权利要求4所述的自重构...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙宁，孙昊晟，吴庆祥，王雪兵，方勇纯，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：