一種仿生四足蜘蛛機(jī)器人的制作方法

本實(shí)用新型屬于機(jī)器人領(lǐng)域，涉及一種基于壓電片驅(qū)動(dòng)的仿生四足蜘蛛機(jī)器人。

背景技術(shù)：

地球表面多為崎嶇不平、高低起伏的路面，基于這種路況，傳統(tǒng)的輪式機(jī)械結(jié)構(gòu)行走困難，對(duì)于機(jī)體平衡性不足的機(jī)器人甚至還會(huì)發(fā)生側(cè)翻而影響正常工作。因此，設(shè)計(jì)一種能夠適應(yīng)不平整路面以及復(fù)雜地形的機(jī)械機(jī)構(gòu)就顯得尤為重要。自然界爬行動(dòng)物的行走模式在經(jīng)過(guò)千百年的演化后已經(jīng)能高水平適應(yīng)復(fù)雜變化的路面，爬行動(dòng)物能安然穿行于自然界主要取決于自身的骨骼架構(gòu)和腿部結(jié)構(gòu)。為了研究生命體結(jié)構(gòu)并能應(yīng)用于機(jī)器人中，模擬生物運(yùn)動(dòng)機(jī)理的機(jī)器人得到更廣泛應(yīng)用，仿生機(jī)械學(xué)獲得越來(lái)越多人的關(guān)注，成為一門新興學(xué)科。

機(jī)器人移動(dòng)方式有輪式、履帶式以及腿足式。輪式和履帶式在生活各領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，而腿足式還處于不斷突破的上升期，還有很多創(chuàng)新點(diǎn)可以被發(fā)掘。腿足式具有前兩種移動(dòng)方式不具有的優(yōu)勢(shì)，腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有多自由度，運(yùn)動(dòng)更具靈活性，能比較容易跨越障礙物體，對(duì)復(fù)雜地形有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。目前，基于偶數(shù)條腿部能加強(qiáng)機(jī)器人行走穩(wěn)定性的特點(diǎn)，腿部機(jī)器人研究中較多的有雙足、四足、六足機(jī)器人，四足與雙足相比有更好的穩(wěn)定性以及承載本體的能力；相比于六足，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、實(shí)用性更強(qiáng)，從系統(tǒng)和控制器的設(shè)計(jì)來(lái)考慮，腿部數(shù)量設(shè)計(jì)成四足是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提供了一種視野廣、可搬運(yùn)物體、運(yùn)動(dòng)靈活的仿生四足蜘蛛機(jī)器人。

本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：

一種仿生四足蜘蛛機(jī)器人，其特征在于：包括一作為軀體的本體，所述本體兩側(cè)設(shè)有兩對(duì)對(duì)稱設(shè)置的腿部爬行機(jī)構(gòu)，所述本體前側(cè)設(shè)有嘴部夾持裝置，所述本體中部設(shè)有攝像頭模塊；

所述腿部爬行機(jī)構(gòu)是一由壓電片驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)的平面四桿機(jī)構(gòu)，其包括鉸接在本體上的水平設(shè)置的機(jī)架桿，所述機(jī)架桿的內(nèi)端鉸接有豎直平面上設(shè)置的第一連架桿，其外端鉸接有豎直平面上設(shè)置的第二連架桿，所述第二連架桿的上端是一向外彎折的彎曲結(jié)構(gòu)的后腿，所述第一連架桿與第二連架桿的彎折處之間通過(guò)連桿連接，所述第一連架桿、第二連架桿、以及機(jī)架桿上均安裝有產(chǎn)生彎矩帶動(dòng)相應(yīng)部件動(dòng)作的對(duì)稱設(shè)置的壓電片組；

所述嘴部夾持裝置包括與本體連接的固定架，所述固定架上鉸接有后夾板，所述后夾板的外側(cè)安裝有驅(qū)動(dòng)其閉合或張開(kāi)的垂直地面設(shè)置的豎直壓電片，所述后夾板的前端連接有由其帶動(dòng)閉合或張開(kāi)的前夾板，所述前夾板的上側(cè)安裝有驅(qū)動(dòng)其上下轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整夾持位置的平行地面設(shè)置的水平壓電片；

所述攝像頭模塊包括安裝于本體頂部的轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)和安裝于轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上的攝像頭，所述轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)包括可旋轉(zhuǎn)的圓臺(tái)和固定在圓臺(tái)上支撐件，所述攝像頭固定在支撐件上；

所述腿部爬行機(jī)構(gòu)的壓電片組、嘴部夾持裝置的豎直壓電片和水平壓電片、轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)和攝像頭均與控制模塊連接。本實(shí)用新型的腿部爬行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基于平面四桿機(jī)構(gòu)模型，相比于輪式和履帶式，和地面有更好的附著力以及越障能力，可用于搬運(yùn)物體；通過(guò)嘴部夾持裝置能抓取物體，按照設(shè)定的路徑能搬運(yùn)到目的地，該夾持器有4個(gè)自由度，不僅能控制夾持物體的松緊程度，還能通過(guò)上下轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整夾持物體的作用點(diǎn)，更具有柔敏性；頂部的攝像頭模塊能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，保證仿生蜘蛛機(jī)器人捕捉更廣的視野。

進(jìn)一步，所述控制模塊包括一中樞控制模塊，所述中樞控制模塊上連接有視覺(jué)處理模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊，所述運(yùn)動(dòng)控制模塊與轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)、腿部爬行機(jī)構(gòu)的壓電片組、嘴部夾持裝置的豎直壓電片和水平壓電片連接，所述視覺(jué)處理模塊與攝像頭連接。

進(jìn)一步，所述機(jī)架桿上壓電片組安裝在機(jī)架桿的前后兩側(cè)上，所述第一連架桿和第二連架桿上的壓電片組分別安裝在第一連架桿和第二連架桿的左右兩側(cè)上。本實(shí)用新型通過(guò)第一連架桿和第二連架桿上的壓電片組來(lái)實(shí)現(xiàn)腿部爬行機(jī)構(gòu)的抬腿放腿動(dòng)作，通過(guò)機(jī)架桿上壓電片組來(lái)實(shí)現(xiàn)腿部爬行機(jī)構(gòu)的前擺后擺動(dòng)作。

進(jìn)一步，所述支撐件包括一固定攝像頭的支撐桿，所述支撐桿固定在圓臺(tái)上，所述圓臺(tái)通過(guò)多根立柱與圓盤固定連接。

本實(shí)用新型的有益效果：

1、單條足部結(jié)構(gòu)采用鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)模型，四根桿部件之間用鉸鏈連接，轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼小，更具靈活性，力矩傳遞效率高，能達(dá)到腿部擺動(dòng)的力矩要求。

2、嘴部夾持器有4個(gè)自由度，不僅能控制夾持物體的松緊程度，還能通過(guò)上下轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整夾持物體的作用點(diǎn)，更具靈活性。

3、頂部安裝有攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，圓盤的加入能實(shí)現(xiàn)整個(gè)攝像頭平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而選擇攝像頭最佳的辨識(shí)區(qū)域。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實(shí)用新型的腿部爬行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本實(shí)用新型的嘴部夾持裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本實(shí)用新型的攝像頭模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本實(shí)用新型的電路原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例來(lái)對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，但并不將本實(shí)用新型局限于這些具體實(shí)施方式。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，本實(shí)用新型涵蓋了權(quán)利要求書范圍內(nèi)所可能包括的所有備選方案、改進(jìn)方案和等效方案。

參見(jiàn)圖1-5，一種仿生四足蜘蛛機(jī)器人，包括一作為軀體的本體5，所述本體5兩側(cè)設(shè)有兩對(duì)對(duì)稱設(shè)置的腿部爬行機(jī)構(gòu)1和4、2和3，所述本體5前側(cè)設(shè)有嘴部夾持裝置10，所述本體5中部設(shè)有攝像頭模塊11；

所述腿部爬行機(jī)構(gòu)是一由壓電片驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)的平面四桿機(jī)構(gòu)，其包括鉸接在本體5上的水平設(shè)置的機(jī)架桿6，所述機(jī)架桿6的內(nèi)端鉸接有豎直平面上設(shè)置的第一連架桿7，其外端鉸接有豎直平面上設(shè)置的第二連架桿9，所述第二連架桿9的上端是一向外彎折的彎曲結(jié)構(gòu)的后腿，所述第一連架桿7與第二連架桿9的彎折處之間通過(guò)連桿8連接，所述第一連架桿7、第二連架9、以及機(jī)架桿6上均安裝有產(chǎn)生彎矩帶動(dòng)相應(yīng)部件動(dòng)作的對(duì)稱設(shè)置的壓電片組；

所述嘴部夾持裝置10包括與本體5連接的固定架14，所述固定架14上鉸接有后夾板13，所述后夾板13的外側(cè)安裝有驅(qū)動(dòng)其閉合或張開(kāi)的垂直地面設(shè)置的豎直壓電片，所述后夾板13的前端連接有由其帶動(dòng)閉合或張開(kāi)的前夾板12，所述前夾板12的上側(cè)安裝有驅(qū)動(dòng)其上下轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整夾持位置的平行地面設(shè)置的水平壓電片；

所述攝像頭模塊11包括安裝于本體5頂部的轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)和安裝于轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上的攝像頭19，所述轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)包括可旋轉(zhuǎn)的圓臺(tái)15和固定在圓臺(tái)15上支撐件，所述攝像頭19固定在支撐件上；

所述腿部爬行機(jī)構(gòu)的壓電片組、嘴部夾持裝置10的豎直壓電片和水平壓電片、轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)和攝像頭19均與控制模塊連接。本實(shí)用新型的腿部爬行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基于平面四桿機(jī)構(gòu)模型，相比于輪式和履帶式，和地面有更好的附著力以及越障能力，可用于搬運(yùn)物體；通過(guò)嘴部夾持裝置10能抓取物體，按照設(shè)定的路徑能搬運(yùn)到目的地，該夾持器有4個(gè)自由度，不僅能控制夾持物體的松緊程度，還能通過(guò)上下轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整夾持物體的作用點(diǎn)，更具有柔敏性；頂部的攝像頭模塊11能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，保證仿生蜘蛛機(jī)器人捕捉更廣的視野。

本實(shí)施例所述控制模塊包括一中樞控制模塊，所述中樞控制模塊上連接有視覺(jué)處理模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊，所述運(yùn)動(dòng)控制模塊與轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)、腿部爬行機(jī)構(gòu)的壓電片組、嘴部夾持裝置的豎直壓電片和水平壓電片連接，所述視覺(jué)處理模塊與攝像頭連接。

本實(shí)施例所述機(jī)架桿6上壓電片組安裝在機(jī)架桿的前后兩側(cè)上，所述第一連架桿7和第二連架桿9上的壓電片組分別安裝在第一連架桿和第二連架桿的左右兩側(cè)上。本實(shí)用新型通過(guò)第一連架桿7和第二連架桿9上的壓電片組來(lái)實(shí)現(xiàn)腿部爬行機(jī)構(gòu)的抬腿放腿動(dòng)作，通過(guò)機(jī)架桿6上壓電片組來(lái)實(shí)現(xiàn)腿部爬行機(jī)構(gòu)的前擺后擺動(dòng)作。

本實(shí)施例所述支撐件包括一固定攝像頭的支撐桿18，所述支撐桿18固定在圓臺(tái)17上，所述圓臺(tái)17通過(guò)多根立柱16與圓盤15固定連接。

如圖2所示，單個(gè)腿部爬行機(jī)構(gòu)參照平面四桿機(jī)構(gòu)模型而設(shè)計(jì)，由機(jī)架桿6、第一連架桿7、連桿8、第二連架桿9組成，第二連架桿9伸展出的曲體部分作為仿生蜘蛛的后腿，后腿能實(shí)現(xiàn)仿生蜘蛛的爬行運(yùn)動(dòng)，四桿通過(guò)鉸鏈結(jié)構(gòu)相互聯(lián)接，能有效傳遞力矩帶動(dòng)后腿運(yùn)動(dòng)。并且利用壓電陶瓷片（PZT）來(lái)驅(qū)動(dòng)腿部運(yùn)動(dòng)，在電壓控制下，機(jī)架桿6在C組壓電片作用下能實(shí)現(xiàn)前后擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)腿部往前運(yùn)動(dòng)；第一連架桿7和第二連架桿9上在A、B組壓電片作用下能做左右擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)腿部的抬高與下落。在完成單只腿部爬行機(jī)構(gòu)前后運(yùn)動(dòng)同時(shí)，仿生蜘蛛通過(guò)兩條足部相互作用產(chǎn)生彎矩能使身體往左或往右方向偏轉(zhuǎn)一定角度實(shí)現(xiàn)朝不同方向的行走。

如圖2，本實(shí)用新型向前進(jìn)要實(shí)現(xiàn)垂直向上的抬腿和水平向前的邁腿兩個(gè)動(dòng)作，抬腿運(yùn)動(dòng)是給第一連架桿7上A組壓電片與第二連架桿9上B組壓電片施加正向電壓信號(hào)，使得A組的左壓電片上表面收縮，下表面伸長(zhǎng)從而使得第一連架桿7產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針的彎矩；在A組的右壓電片上施加與左壓電片極性相同的電壓，使得右壓電片上表面收縮，下表面伸長(zhǎng)，帶動(dòng)第一連架桿7也產(chǎn)生一個(gè)向上逆時(shí)針的彎矩，帶動(dòng)第一連架桿7逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。在第一連架桿7帶動(dòng)下，連桿8能將逆時(shí)針轉(zhuǎn)矩傳遞給第二連架桿9，同時(shí)給B組壓電片施加與A組極性相同的電壓，使得B組的兩片壓電片都產(chǎn)生相應(yīng)應(yīng)變，帶動(dòng)第二連架桿9逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，聯(lián)接在第二連架桿9上的后腿在第二連架桿9逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)下就能抬起一定高度，實(shí)現(xiàn)抬腿動(dòng)作。

抬起腿部后，需要有往前邁腿的動(dòng)作。給機(jī)架桿6施加正向電壓信號(hào)，使得C組壓電片伸長(zhǎng)帶動(dòng)機(jī)架桿6產(chǎn)生向前的彎矩，機(jī)架桿6能往前擺動(dòng)并帶動(dòng)整條腿往前運(yùn)動(dòng)。

緊接著腿部有水平方向的收腿和垂直方向的放腿兩個(gè)動(dòng)作，返回到相對(duì)于本體的初始位置。如圖2所示，給第一連架桿7上A組壓電片與第二連架桿9上B組壓電片施加反向電壓信號(hào)，使得兩組壓電片產(chǎn)生應(yīng)變帶動(dòng)第一連架桿7和第二連架桿9產(chǎn)生順時(shí)針的彎矩，帶動(dòng)后腿回落直到與地面接觸。同時(shí)要給機(jī)架桿6上C組壓電片施加反向電壓信號(hào)，機(jī)架桿6在壓電片作用下產(chǎn)生向后的彎矩并帶動(dòng)整條腿往后運(yùn)動(dòng)。這樣一條腿就完成了“抬腿—前擺—放腿—后擺”一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，四條腿通過(guò)周而復(fù)始的周期運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)仿生蜘蛛整個(gè)軀體往前運(yùn)動(dòng)。

仿生蜘蛛在移動(dòng)時(shí)要求能實(shí)現(xiàn)朝不同方向的運(yùn)動(dòng)，在實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，需要加上往左或者往右偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)朝不同方向的運(yùn)動(dòng)。仿生蜘蛛有四條腿，通過(guò)兩條腿結(jié)合形成一個(gè)轉(zhuǎn)矩，共可產(chǎn)生兩個(gè)轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)身體轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度。如圖1所示，當(dāng)仿生蜘蛛要往左偏轉(zhuǎn)時(shí)，給腿1上A、B組壓電片施加正向電壓，實(shí)現(xiàn)抬腿運(yùn)動(dòng)，再給C組壓電片施加正向電壓，實(shí)現(xiàn)往前擺動(dòng)，給腿3上A、B組壓電片施加正向電壓，實(shí)現(xiàn)抬腿運(yùn)動(dòng)，再給C組壓電片施加負(fù)向電壓，實(shí)現(xiàn)往后擺動(dòng)，腿1、腿3一前一后的相互運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針轉(zhuǎn)矩；同樣地，給腿2上A、B組壓電片施加正向電壓，實(shí)現(xiàn)抬腿運(yùn)動(dòng)，再給C組壓電片施加正向電壓，實(shí)現(xiàn)往前擺動(dòng)，給腿4上A、B組壓電片施加正向電壓，實(shí)現(xiàn)抬腿運(yùn)動(dòng)，再給C組壓電片施加負(fù)向電壓，實(shí)現(xiàn)往后擺動(dòng)，腿2、腿4一前一后的相互運(yùn)動(dòng)也產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針轉(zhuǎn)矩，在兩個(gè)逆時(shí)針轉(zhuǎn)矩作用下仿生蜘蛛就能往左偏轉(zhuǎn)。

仿生蜘蛛往右轉(zhuǎn)動(dòng)與往左轉(zhuǎn)動(dòng)的原理是一樣的，只是腿部不同的組合情況來(lái)實(shí)現(xiàn)不同方向的轉(zhuǎn)矩。如圖1所示，要實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)，給腿部爬行機(jī)構(gòu)4上A、B組壓電片施加正向電壓，實(shí)現(xiàn)抬腿運(yùn)動(dòng)，再給C組壓電片施加正向電壓，實(shí)現(xiàn)往前擺動(dòng)，給腿部爬行機(jī)構(gòu)2上A、B組壓電片施加正向電壓，實(shí)現(xiàn)抬腿運(yùn)動(dòng)，再給C組壓電片施加負(fù)向電壓，實(shí)現(xiàn)往后擺動(dòng)，腿部爬行機(jī)構(gòu)4、腿部爬行機(jī)構(gòu)2一前一后的相互運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針轉(zhuǎn)矩；同樣地，給腿部爬行機(jī)構(gòu)3上A、B組壓電片施加正向電壓，實(shí)現(xiàn)抬腿運(yùn)動(dòng)，再給C組壓電片施加正向電壓，實(shí)現(xiàn)往前擺動(dòng)，給腿部爬行機(jī)構(gòu)1上A、B組壓電片施加正向電壓，實(shí)現(xiàn)抬腿運(yùn)動(dòng)，再給C組壓電片施加負(fù)向電壓，實(shí)現(xiàn)往后擺動(dòng)，腿部爬行機(jī)構(gòu)3、腿部爬行機(jī)構(gòu)1一前一后的相互運(yùn)動(dòng)也產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針轉(zhuǎn)矩，在兩個(gè)順時(shí)針轉(zhuǎn)矩作用下仿生蜘蛛就能往右偏轉(zhuǎn)。

在實(shí)現(xiàn)仿生蜘蛛基本運(yùn)動(dòng)功能后，就要賦予它最主要的用途，本實(shí)用新型目的在于讓仿生蜘蛛能用來(lái)搬運(yùn)物體，這樣就需要加入嘴部夾持裝置10。如圖3所示，嘴部夾持裝置10有前夾板12、后夾板13和固定架14，嘴部夾持裝置10的張開(kāi)與閉合要通過(guò)后夾板13來(lái)實(shí)現(xiàn)，是利用粘貼在后夾板13上的豎直壓電片來(lái)驅(qū)動(dòng)的，后夾板13上的豎直壓電片沿垂直于地面的方向分布，當(dāng)給兩個(gè)豎直壓電片施加正向電壓時(shí)，由于豎直壓電片分布在后夾板外側(cè)，正向電壓使得豎直壓電片伸長(zhǎng)，帶動(dòng)兩塊后夾板13伸長(zhǎng)，不過(guò)由于后夾板13末端是固定的，能產(chǎn)生一個(gè)往里的彎矩，使得兩塊后夾板13閉合夾緊，這樣就能夾緊目標(biāo)物體了；同理施加負(fù)向電壓，兩塊后夾板13張開(kāi)一定角度。前夾板12上的水平壓電片沿平行于地面的方向分布，粘貼在前夾板12的上表面，當(dāng)給予施加負(fù)向電壓能使兩片水平壓電片外表面收縮，帶動(dòng)前夾板12縮短，產(chǎn)生一個(gè)向上的彎矩，帶動(dòng)兩塊前夾板12往上轉(zhuǎn)動(dòng)；兩塊前夾板12向下轉(zhuǎn)動(dòng)能通過(guò)給水平壓電片施加正向電壓實(shí)現(xiàn)。前夾板12向上向下轉(zhuǎn)動(dòng)是為了確定夾持物體的一個(gè)最優(yōu)作用點(diǎn)。

仿生蜘蛛有了能抓取物體的本事后，更需要有一雙“眼睛”來(lái)確定目標(biāo)物體的位置，基于此就在本體5頂部設(shè)計(jì)了一個(gè)攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，該平臺(tái)是由圓盤15承載攝像頭19實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的，還包括有輔助部件，如立柱16、圓臺(tái)17、支撐桿18。圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)能使得攝像頭能擁有更廣闊的視角來(lái)確定物體位置。