一种Jansen连杆结构机器人仿生腿及仿生蝎式六足机器人

摘要

本发明公开了一种Jansen连杆结构机器人仿生腿及仿生蝎式六足机器人，仿生腿结构包括由三角连杆、与三角连杆的一个顶点铰接的第一连杆、与三角连杆的一个顶点铰接的第三连杆、与三角连杆的一个顶点铰接的第四连杆、分别与第三连杆和第一连杆铰接的第二连杆、分别与第三连杆和第四连杆铰接的上足端杆件，以及设置在上足端杆件下部的下足端杆件，下足端杆件的一端与上足端杆件一端铰接，下足端杆件的另一端通过足端减震刚簧连接上足端杆件的另一端连接；基于上述仿生腿设计出的仿生蝎式六足机器人；本申请通过对仿生腿结构的优化设计，能够提高机器人的平稳性。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种Jansen连杆结构机器人仿生腿及仿生蝎式六足机器人。

背景技术

由荷兰著名的动感雕塑艺术家Theo Jansen设计的仿生腿机构(Jansen-leg)以及基于该机构利用环保材料研制出的海滩风力机器“Wind Beast”引起了广泛关注。该机构控制简单、行走高效、运动协调、仿生性好，自提出就引起仿生机器人领域中众多学者的关注。因此基于Jansen连杆机构的仿生腿的机构设计与控制近年来成为仿生机器人领域的研究热点。

但是现有Jansen连杆机构的仿生腿的机构仍存在一些不足，因此需要对Jansen连杆机构的仿生腿结构进行优化，提高结构的稳定性。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本申请提出了一种Jansen连杆结构机器人仿生腿及仿生蝎式六足机器人。

本发明所采用的技术方案如下：

一种Jansen连杆结构机器人仿生腿，包括：

三角连杆，

与三角连杆的一个顶点铰接的第一连杆；

与三角连杆的一个顶点铰接的第三连杆；

与三角连杆的一个顶点铰接的第四连杆；

分别与第三连杆和第一连杆铰接的第二连杆；

分别与第三连杆和第四连杆铰接的上足端杆件；

设置在上足端杆件下部的下足端杆件，下足端杆件的一端与上足端杆件一端铰接，下足端杆件的另一端通过足端减震刚簧连接上足端杆件的另一端连接。

进一步，所述三角连杆内部为镂空设计。

进一步，在第一连杆和第二连杆的铰接处铰接曲柄，曲柄与曲柄摇杆机构连接。

进一步，下足端杆件呈“V”字形，下足端杆件的尖端作为仿生腿的足部。

一种基于Jansen连杆结构的仿生蝎式六足机器人，包括

下层板，下层板沿周向均匀分为六瓣；每一瓣都装有云台、云台垫片、下云台支撑和第一驱动电机；

安装在下云台支撑上的Jansen连杆结构机器人仿生腿；所述Jansen连杆结构机器人仿生腿的曲柄摇杆机构通过第二驱动电机驱动；

安装在下层板上部的上云台，所述上云台和下层板之间阵列安装多个减震刚簧。

进一步，在在下云台支撑内侧固定装有步进电机驱动，步进电机驱动通过信号线分别连接第二驱动电机和第一驱动电机。

进一步，安装在下层板上部的前机械臂。

进一步，安装在上云台上部的后机械臂。

本发明的有益效果：

1、本发明在对Jansen连杆结构机器人仿生腿结构设计上，且三角连杆是中部镂空的三角形结构，通过镂空设计可以减小重量，实现轻量化。

2、足端是由上足端杆件、下足端杆件以及足端减震刚簧构成，下足端杆件一端与上足端杆件直接铰接，下足端杆件另一端与上足端杆件通过足端减震刚簧连接；利用足端减震刚簧既能实现连接作用，也能充当悬挂作用，传递作用在云台转向机构的力和力矩，并且缓冲路面传给腿部机构的冲击力，并衰减由此引起的震动，保证本六足机器人能平稳运行。

3、本申请还利用利用仿真软件对仿生腿结构进行优化，各个连杆之间的长度设计需要满足曲柄摇杆机构的急回特性，对连杆机构的越障能力与急回特性进行综合考量。

4、本申请还基于上述仿生腿结构设计出一种仿生蝎式六足机器人，该仿生蝎式六足机器人活动更为灵活便于控制。

附图说明

图1是本发明的腿部结构轴测图；

图2是本发明的腿部结构侧视图；

图3是本发明的腿部结构装配爆炸图；

图4是本发明仿生蝎式六足机器人的总装图；

图5是本发明仿生蝎式六足机器人的爆炸图；

图6是本发明仿生蝎式六足机器人的步态原理图；

图7是本发明中云台、云台垫片、下云台支撑装配示意图；

图中：1、第一连杆，2、曲柄，3、第二连杆，4、下足端杆件，5、三角连杆，6、第三连杆，7、第四连杆，8、上足端杆件，9、足端减震刚簧，10、急停开关支架，11、后机械臂，12、上云台，13、减震刚簧，14、第一驱动电机，15、下层板，16、第二驱动电机，17、前机械臂，18、云台，19、云台垫片，20、下云台支撑，21、步进电机驱动。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-3、7所示，本申请设计了一种Jansen连杆结构机器人仿生腿，该仿生腿的结构包括：

三角连杆5，在三角连杆5的每个顶点处均开有连接孔，分别是第一连接孔5-1、第二连接孔5-2、第三连接孔5-3。

第一连接孔5-1与第一连杆1的一端链接，第一连杆1的另一端同时与曲柄2的一端、第二连杆3的一端链接；第二连杆3的另一端与上足端杆件8的一端链接。

第二连接孔5-2与第四连杆7的一端链接，第四连杆7的另一端与上足端杆件8的另一端链接。

第三连接孔5-3与第三连杆6的一端链接；第三连杆6的另一端与上足端杆件8的一端链接。

上足端杆件8的每一端分别设置两个连接孔，上足端杆件8左侧的上连接孔与第二连杆3的另一端、第三连杆6的另一端链接；左侧的下连接孔与下足端杆件4的一端链接。上足端杆件8右侧的上连接孔与第四连杆7的另一端链接；右侧的下连接孔通过足端减震刚簧9连接下足端杆件4的另一端。

下足端杆件4呈“V”字形，下足端杆件4的尖端作为仿生腿的足部。

曲柄2的另一端与曲柄摇杆机构铰接，通过曲柄2的驱动，由第二连杆3、第三连杆6与第四连杆7可以驱动上足端杆件8，形成摆动姿态。

基于上述结构可形成一种闭环联动效应，使得足端杆件运动更加协调。

在本实施例中，上足端杆件8的一端与下足端杆件4的一端链接，上足端杆件8的另一端是通过足端减震刚簧9连接下足端杆件4的另一端；利用足端减震刚簧9既能实现连接作用，也能充当悬挂作用，传递作用在云台转向机构的力和力矩，并且缓冲路面传给腿部机构的冲击力，并衰减由此引起的震动，保证本六足机器人能平稳运行。

更优的，三角连杆5是中部镂空的三角形结构，通过镂空设计可以减小重量，实现轻量化。

在本实施例中，由于本申请所设计的机器人仿生腿结构中连杆较多，若主、从动件的转角过大，则各个连杆之间可能发生碰撞干涉，同时在运动过程中，需要考虑在转动副旋转时，不能出现死角，因此连杆长度与各连杆之间的角度需要满足一定的约束条件。其中约束条件的变量范围可依据力学模型中所得的变量数值进行区间扩大。

各个连杆之间的长度设计需要满足曲柄摇杆机构的急回特性，且要满足最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其余两杆长度之和，且最短杆为连架杆。对于Jansen连杆机构进行杆件尺寸上的设计优化，主要对曲柄摇杆机构处进行最小传动角与急回特性的考虑，设计求解得出较优的曲柄长度。以曲柄扭矩与足端高度的函数关系实现双目标规划，采用蒙特卡洛模拟启发式算法解决初始值的选取，再使用MATLAB中的fmincon()函数的内点法进行联合优化，从而求解非线性规划得出一组最优解。对于机构的足端轨迹，选用优化后的杆件尺寸并改变二力杆的长度来进行比对，选出一种最优的足端轨迹。利用Inspire软件来进行足端构件的拓扑优化，并利用有限元分析和运动仿真。

基于上述Jansen连杆结构机器人仿生腿，本申请还设计出了一种基于Jansen连杆结构的仿生蝎式六足机器人，结合附图4-6所示；该仿生蝎式六足机器人主要包括：

下层板15，下层板15沿周向均匀分为六瓣；每一瓣的底部装有云台18、云台垫片19、下云台支撑20；

如图7，第一驱动电机14输出轴与云台18圆心、云台垫片19的键槽、下层板15键槽处于同一轴心。第一驱动电机14输出轴驱动云台垫片19转动，从而带动下云台支撑20转动；且非旋转部件之间还需要通过紧固件进行固定连接，例如螺钉等。

下云台支撑20侧部固定装有第二驱动电机16，第二驱动电机16的动力输出端连接仿生腿上的曲柄2，通过第二驱动电机16驱动腿部机构运动。

在下云台支撑20内侧固定装有步进电机驱动21，步进电机驱动21通过信号线分别连接第二驱动电机16和第一驱动电机14，并对两个第二驱动电机16和第一驱动电机14进行控制；安装在下云台支撑20内侧可以节约机器人上部的空间

在下层板15的上部设有上云台12，下层板15和上云台12之间阵列分布多个减震刚簧13，减震刚簧13的两端分别连接下层板15和上云台12。

在上云台12的上部装有后机械臂11；负责夹取后方物品。

在下层板15某一瓣上部装有前机械臂17；负责夹取前方物品。

前后机械臂可以通过蓝牙等方式进行控制。

如图5和图6所示，本发明所设计的基于Jansen连杆结构的仿生蝎式六足机器人步态设计作进一步说明，该机器人的步态包括直行，转弯和倒退。

由于腿部在纵向上只有一个自由度，腿部最下端按一定轨迹运动，定义腿部末端运动在轨迹上端时为抬起，运动在轨迹下半为行走。直行时腿AEC与腿BDF交替运动。首先机器启动，手机APP向蓝牙模块发出信号，六条腿同时收到信号站立，蓝牙模块收到行走命令后，AEC抬起，BDF不动，然后BDF行走，当BDF即将抬起时，AEC行走，从而形成循环。蓝牙收到发出左转弯命令时，BDF不动，云台转向电机控制AEC左转，BDF抬起，然后AEC复位，使机身回正，然后BDF放下，左转弯结束。蓝牙模块收到右转弯命令时，AEC不动，云台转向电机控制BDF左转，AEC抬起，然后BDF复位，使机身回正，然后AEC放下，右转弯结束。蓝牙收到发出倒退命令时，AEC不动，云台转向电机控制BDF旋转180°，云台转向电机控制AEC旋转180°，同时大云台转向电机控制大云台旋转180°，使本仿生机器人后端变前端，电机直行便是倒退。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。