基于复合凸轮结构的微型六足爬行机器人

本发明属于微型机器人，具体是一种基于复合凸轮结构的微型六足爬行机器人。

背景技术：

1、微型机器人具有体积小、运动灵活等特点，可在微空间中进行可控操作或采集信息，能够替代人类在微空间中执行任务，例如管道检测、灾后救援、废墟探测、排爆等。由于体积的限制，微型机器人的结构设计需要具有一定的被动机械自稳定性，才能在复杂地形环境中稳定运动。

2、公开号为cn104802875a的专利申请公开了一种六足仿生爬行机器人，包括六条仿生c形腿，与六条仿生c形腿对应配制的六个电机、六个驱动器以及六个位置传感器，电机经过减速机带动仿生c形腿的腿部进行旋转运动，对于沙漠等松软地面环境的适应能力较好，可用于复杂环境探测。该机器人的每条腿都配置单独的电机驱动，保证了爬行过程中的稳定性，但是元器件较多，结构较复杂，在控制方面需要考虑各条仿生c形腿之间的协调性，增加了控制难度。

3、为此，本发明设计一种基于复合凸轮结构的微型六足爬行机器人，通过两个驱动电机带动六条腿运动，具有结构简单、稳定性高、体积小等优点。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于复合凸轮结构的微型六足爬行机器人。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

3、一种基于复合凸轮结构的微型六足爬行机器人，其特征在于，包括机器人壳体、支腿、凸轮、凸轮轴和驱动机构；所述机器人壳体内的左、右两侧对称安装两个凸轮轴，每个凸轮轴上安装一组由三个凸轮组成的复合凸轮，凸轮开有环绕在凸轮周向上的异型凸轮槽，位于左前、右中以及左后位置的三个凸轮的安装角度相同，即三个凸轮的异型凸轮槽布置方向相同，位于右前、左中以及右后位置的三个凸轮的安装角度相同，且与另外三个凸轮的异型凸轮槽布置方向相差180°；六条支腿的一端始终与对应凸轮的异型凸轮槽配合，每条支腿的末端伸出机器人壳体外；驱动机构与两个凸轮轴连接，驱动凸轮轴转动，进而驱动六条支腿运动。

4、进一步的，支腿末端的运动轨迹与凸轮转动的关系式为：

5、qn(t)＝k2k1g(t)c(s)(11)

6、式中，qn(t)为t时刻支腿末端几何中心的位置，k1和k2为常数矩阵，g(t)为凸轮转动的旋转矩阵，c(s)为异型凸轮槽的中心点在空间中的运动轨迹。

7、进一步的，所述支腿包括球头、支腿连杆和球头支撑关节；从动球位于支腿连杆的一端，且与凸轮的异型凸轮槽配合；球头支撑关节位于支腿连杆上部，球头支撑关节同时与机器人壳体转动连接形成球面副。

8、进一步的，所述支腿连杆呈类m型结构，具有两个上凸型折弯部和位于两个上凸型折弯部的下凹型折弯部，球头支撑关节位于下凹型折弯部的折弯处。

9、进一步的，令点a为球头的几何中心，点b为球头支撑关节的几何中心，点n为支腿末端的几何中心，点m为邻近支腿末端的上凸型折弯部的折弯点，ra为点a到b的距离，rb为点b到m的距离，rc为点m到n的距离，θ1为线段ab与水平方向的夹角，θ2为线段bm与水平方向的夹角，θ3为线段mn与竖直方向的夹角，h为点n到与支腿配合的凸轮圆心的竖直距离，e为点n到两个凸轮轴对称面的距离，l为凸轮圆心到两个凸轮轴对称面的距离，r为凸轮圆心到球头几何中心的距离，为线段bn与水平方向的夹角，则点n到b的距离rg满足式(1)，点a、b的位置满足式(2)，支腿在水平方向和竖直方向的运动学关系满足式(3)和(4)；

10、

11、

12、

13、

14、进一步的，所述驱动机构包括位于机器人壳体前、后端的两个驱动模块，每个驱动模块均包括驱动电机、电机支架、主动齿轮和从动齿轮；驱动电机通过电机支架安装在机器人壳体的上部，主动齿轮安装在驱动电机的输出轴上，从动齿轮安装在相应的凸轮轴上且与主动齿轮啮合。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

16、1、本发明的结构新颖，通过凸轮建立驱动机构与各个支腿之间的联系，凸轮的周向上设有异型凸轮槽，支腿与异型凸轮槽配合，在凸轮转动过程中支腿在异型凸轮槽的限制下被动运动，将凸轮自身的旋转运动转换为支腿在空间中的运动，使支腿末端按照期望轨迹运动，实现机器人的爬行。

17、2、本发明的凸轮轴上设有三个凸轮组成的复合凸轮结构，每个凸轮对应一个支腿，驱动机构只需要两个驱动电机实现两个凸轮轴的转动，与常规的六足爬行机器人相比，驱动结构简单，减少了驱动电机的数量，降低了控制复杂度，采用简单的控制策略即可在复杂地形环境下完成直行、转弯、旋转等运动。常规的六足爬行机器人需要六个驱动电机驱动六条腿运动。在结构布置方面，基于仿生学原理，采用三角交替步态，保证机器人在任意时刻至少有三条支腿接触地面，确保机器人在爬行过程中的平衡，提高稳定性。

18、3、本发明的爬行机器人属于厘米级，长宽高都在五厘米以内，体积小，隐蔽性强，可以搭载摄像头、传感器等传感设备，可代替人类在狭小空间中执行任务。

技术特征：

1.一种基于复合凸轮结构的微型六足爬行机器人，其特征在于，包括机器人壳体、支腿、凸轮、凸轮轴和驱动机构；所述机器人壳体内的左、右两侧对称安装两个凸轮轴，每个凸轮轴上安装一组由三个凸轮组成的复合凸轮，凸轮开有环绕在凸轮周向上的异型凸轮槽，位于左前、右中以及左后位置的三个凸轮的安装角度相同，即三个凸轮的异型凸轮槽布置方向相同，位于右前、左中以及右后位置的三个凸轮的安装角度相同，且与另外三个凸轮的异型凸轮槽布置方向相差180°；六条支腿的一端始终与对应凸轮的异型凸轮槽配合，每条支腿的末端伸出机器人壳体外；驱动机构与两个凸轮轴连接，驱动凸轮轴转动，进而驱动六条支腿运动。

2.根据权利要求1所述的基于复合凸轮结构的微型六足爬行机器人，其特征在于，支腿末端的运动轨迹与凸轮转动的关系式为：

3.根据权利要求1或2所述的基于复合凸轮结构的微型六足爬行机器人，其特征在于，所述支腿包括球头、支腿连杆和球头支撑关节；从动球位于支腿连杆的一端，且与凸轮的异型凸轮槽配合；球头支撑关节位于支腿连杆上部，球头支撑关节同时与机器人壳体转动连接形成球面副。

4.根据权利要求3所述的基于复合凸轮结构的微型六足爬行机器人，其特征在于，所述支腿连杆呈类m型结构，具有两个上凸型折弯部和位于两个上凸型折弯部的下凹型折弯部，球头支撑关节位于下凹型折弯部的折弯处。

5.根据权利要求4所述的基于复合凸轮结构的微型六足爬行机器人，其特征在于，令点a为球头的几何中心，点b为球头支撑关节的几何中心，点n为支腿末端的几何中心，点m为邻近支腿末端的上凸型折弯部的折弯点，ra为点a到b的距离，rb为点b到m的距离，rc为点m到n的距离，θ1为线段ab与水平方向的夹角，θ2为线段bm与水平方向的夹角，θ3为线段mn与竖直方向的夹角，h为点n到与支腿配合的凸轮圆心的竖直距离，e为点n到两个凸轮轴对称面的距离，l为凸轮圆心到两个凸轮轴对称面的距离，r为凸轮圆心到球头几何中心的距离，为线段bn与水平方向的夹角，则点n到b的距离rg满足式(1)，点a、b的位置满足式(2)，支腿在水平方向和竖直方向的运动学关系满足式(3)和(4)；

6.根据权利要求1所述的基于复合凸轮结构的微型六足爬行机器人，其特征在于，所述驱动机构包括位于机器人壳体前、后端的两个驱动模块，每个驱动模块均包括驱动电机、电机支架、主动齿轮和从动齿轮；驱动电机通过电机支架安装在机器人壳体的上部，主动齿轮安装在驱动电机的输出轴上，从动齿轮安装在相应的凸轮轴上且与主动齿轮啮合。

技术总结
本发明为一种基于复合凸轮结构的微型六足爬行机器人，包括机器人壳体、支腿、凸轮、凸轮轴和驱动机构；所述机器人壳体内的左、右两侧对称安装两个凸轮轴，每个凸轮轴上安装一组由三个凸轮组成的复合凸轮，凸轮开有环绕在凸轮周向上的异型凸轮槽，位于左前、右中以及左后位置的三个凸轮的安装角度相同，位于右前、左中以及右后位置的三个凸轮的安装角度相同，且与另外三个凸轮的异型凸轮槽布置方向相差180°；六条支腿的一端始终与对应凸轮的异型凸轮槽配合，每条支腿的末端伸出机器人壳体外；驱动机构与两个凸轮轴连接，驱动凸轮轴转动，进而驱动六条支腿运动。结构简单新颖，通过凸轮建立驱动机构与支腿之间的联系，将凸轮的旋转运动转换为支腿在空间中的运动，实现机器人的爬行。

技术研发人员：武毅男,邓皓月,方勇纯,刘华旺,白一凡
受保护的技术使用者：南开大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15