專利名稱：仿壁虎機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微小型機器人-仿壁虎機器人，主要應(yīng)用于反恐，救援，首腦保衛(wèi)，特種偵查等公共和國家安全等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前世界上關(guān)于仿壁虎機器人的研制還出在初步階段，真正實現(xiàn)類似壁虎的全空間無障礙運動的機器人還需要時間。Kathryn A.Daltori，AndrewD.Horchler，Stanislav Gorb，Roy E.Ritzmann，Roger D.Quinn.A SmallWall-Walking Robot with Compliant，Adhesive Feet.“2005 IEEE/RSJInternational Conference on Intelligent Robots and Systems”公開了美國克里佛蘭市的Case Western Reverse大學(xué)研制了一臺小型的名字叫Mini-Whegs的爬壁機器人，該機器人用一個電機驅(qū)動四個輪子同時轉(zhuǎn)動，每個輪子上裝有4片由仿壁虎腳趾的材料制作的腳掌(如圖1所示)，該機器人的特點是體積小、重量輕(87g)，可以獨立行走在垂直壁面、天花板，自備電源，并且能夠輕松地從一個面過度到另一個垂直面上，該機器人還處于研究階段，主要應(yīng)用于對仿壁虎腳掌材料吸附能力的測試實驗。CarloMenon，Michael Murphy，Metin Sitti.Gecko Inspired Surface ClimbingRobots.“IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics(ROBIO)”.ShengYang，China，Aug 2004.公開了美國卡梅隆大學(xué)利用研制出的仿壁虎腳掌材料研制兩種不同機構(gòu)的爬壁機器人，經(jīng)過試驗證實這兩種機器人能夠在任意干燥表面移動，并且具有一定越障能力，其中圖2所示結(jié)構(gòu)的機器人還可以輕松地在存在夾角的兩個表面來回過度。該學(xué)校的研究人員還將吸附材料做成履帶形勢安裝于機器人身上，研制出履帶式爬壁機器人如圖3所示。試驗證明這三種類壁虎機器人都實現(xiàn)了爬壁的功能，但是由于其爬行方式為輪式爬行，當沿著垂直壁面爬行轉(zhuǎn)彎時由于吸附材料與墻面發(fā)生相對滑動導(dǎo)致其吸附能力遭到破壞，難于實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎動作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種仿壁虎機器人，該機器人在爬壁過程中能夠?qū)崿F(xiàn)小半徑轉(zhuǎn)彎動作，機器人爬行過程中產(chǎn)生吸附力的腳掌不與壁面發(fā)生相對移動，機器人具有豐富的姿態(tài)能夠適應(yīng)復(fù)雜地形；越障能力得到提高。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案仿壁虎機器人由機械部分和電路部分組成，其中機械部分采用足式爬行方式，分為前工作部分和后工作部分，且兩部分結(jié)構(gòu)完全對稱，具有互換性，兩部分通過柔性桿連接在一起；前工作部分或后工作分別由機器人身體、兩個腳掌和兩條腿構(gòu)成，每條腿由三個可控自由度的大腿零件、小腿零件和腿根零件組成，每個大腿零件的兩端、小腿零件的一端和腿根零件的一端之間均通過舵機鉸接連接在一起，每個小腿零件的另一端與腳掌連接，每個腿根零件的另一端與機械人身體連接；電路部分包括單片機、數(shù)字開關(guān)控制電路、舵機、吸盤和電源，電源為單片機、位于腳掌上的吸盤和舵機提供電源，單片機通過輸出PWM波形控制舵機轉(zhuǎn)角大小，達到控制機器人的步態(tài)，同時單片機通過控制數(shù)字開關(guān)電路的通斷達到控制機器人腳掌上吸盤的吸附與釋放。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于本發(fā)明仿壁虎機器人采用足式爬行方式，機器人能夠在小轉(zhuǎn)彎半徑內(nèi)實現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)彎動作，而且由于采用足式方式，機器人能夠在爬行過程中選擇合適的姿態(tài)與合適的落腳點，克服壁面不平坦現(xiàn)象，越障能力比輪式爬行機器人強。合理的機器人爬行機構(gòu)設(shè)計及步態(tài)規(guī)劃結(jié)果，保證機器人爬行過程中吸附在墻面的腳掌不與壁面發(fā)生相對滑動，即不會破壞機器人的吸附能力；機器人可以具有豐富的姿態(tài)以適應(yīng)復(fù)雜的地形環(huán)境。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的機器人Mini-Whegs結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為現(xiàn)有技術(shù)的輪式爬壁機器人結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)的履帶式爬壁機器人結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明機器人的機械部分的主視結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明機器人的機械部分的后視結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明機器人的機械部分的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明機器人身體部分的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖7a為俯視圖，圖7b為主視圖，圖7c為側(cè)視圖；圖8為本發(fā)明機器人的大腿零件結(jié)構(gòu)圖，其中圖8a為俯視圖，圖8b為主視圖，圖8c為側(cè)視圖；圖9本發(fā)明機器人的腿根零件圖，其中圖9a為俯視圖，圖9b為主視圖，圖9c為右側(cè)視圖，圖9d為左側(cè)視圖；圖10本發(fā)明機器人的小腿零件圖，其中圖10a為俯視圖，圖10b為主視圖，圖10c為側(cè)視圖；圖11為本發(fā)明機器人的電路部分結(jié)構(gòu)組成框圖；圖12為本發(fā)明的單片機部分電路示意圖；圖13為本發(fā)明電路部分中控制吸附腳掌通斷的數(shù)字開關(guān)控制電路電原理圖；圖14本發(fā)明的機器人工作流程圖；圖15本發(fā)明的上位機控制程序界面。
具體實施例方式
如圖4、5、6所示，本發(fā)明仿壁虎機器人的機械部分采用足式爬行方式，分為前工作部分和后工作部分，上半部分為前工作部分，下半部分為后工作部分，兩部分結(jié)構(gòu)完全對稱，上下兩部分具有互換性，兩部分通過柔性桿6連接在一起，柔性桿6兩端通過螺釘固接于機器人身體上，在本實施例中柔性桿6采用彈簧片。前工作部分或后工作分別由機器人身體2、兩個腳掌7和兩條腿構(gòu)成，每條腿由三個可控自由度的大腿零件4、小腿零件5和腿根零件3組成，每個大腿零件4的兩端、小腿零件5的一端和腿根零件3的一端之間均通過舵機1鉸接連接在一起，每個小腿零件5的另一端與腳掌7連接，每個腿根零件3的另一端與機械人身體2連接。本發(fā)明中每條腿上共3個舵機，4條腿共12個舵機，在大腿零件4、小腿零件5和腿根零件3與舵機1的連接處加工出一個能夠鑲嵌舵機輸出端的大約1mm的凹槽8，達到將舵機運動傳輸?shù)较乱粋€連接器件的目的；本發(fā)明機器人的其他連接處，如每個小腿零件5與腳掌7的連接和腿根零件3與機械人身體2連接等均采用螺釘或螺栓固接，螺釘或螺栓直徑尺寸選用M2。
舵機1的輸出端為一個十字架，該十字架的形狀如圖8、9、10所示的凹槽，將舵機1輸出的十字架嵌入到凹槽8中并用螺釘固定，實現(xiàn)舵機1與各零件的連接。
圖7為機器人身體部分零件圖，兩個舵機1通過螺紋孔10固定于擋板9上，12為底板11上加工的減輕槽，螺紋孔13用于固定控制電路板，螺紋孔14用于固定連接前后身體的柔性桿6，機器人身體由兩個圖7所示的零件構(gòu)成，兩個零件通過固定于螺紋孔14的柔性桿7連接。
圖8為機器人大腿零件圖，固定于腿根的舵機輸出端嵌入到圖示的凹槽8中，并通過孔15用螺釘固定，另一個舵機1通過螺紋孔16固定在與舵機外形尺寸相同的矩形孔17處，機器人總共有4個大腿零件。
圖9位機器人腿根零件圖，固定在機器人身體零件上的舵機1輸出端通過螺釘固定在圖示的凹槽8中，另一個舵機1通過螺紋孔19固定在與舵機外形尺寸相同的矩形孔20處，機器人總共有4個腿根零件。
圖10為機器人小腿零件圖，固定在大腿零件上的舵機輸出端通過螺釘固定在圖10所示的凹槽8中，自選的腳掌7可以通過孔21固定于小腿零件上，機器人總共有四個小腿零件。
如圖11所示，本發(fā)明的電路部分包括單片機22、數(shù)字開關(guān)控制電路23、舵機1、位于腳掌上的吸盤24和電源25，為了便于控制和操作，電路部分中還接有上位機26，該上位機26通過UART或RS232接口與單片機22連接，電源25分別為單片機電路22、吸盤24上電磁鐵和12個舵機1提供電源，上位機26發(fā)出控制指令，單片機22通過串口接收該控制指令后，其12路I/O口輸出12個PWM波形控制12個舵機1的轉(zhuǎn)角大小，達到控制機器人的步態(tài)，同時單片機22的4路I/O作為腳掌吸附力控制端口輸出控制數(shù)字開關(guān)電路23的通斷達到控制機器人腳掌7上吸盤24的吸附與釋放。
如圖12所示，本發(fā)明的單片機22的12個I/O口作為PWM輸出控制舵機的轉(zhuǎn)角，4個I/O口輸出的SUCKn信號作為腳掌吸附力控制端口，I/O利用高低電壓控制功率三極管的通斷達到控制腳掌吸附力的目的，RXD、TXD分別為串口接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)引腳，RESET為復(fù)位信號，VCC接5V輸入電壓，SCK、MISO、MOSI作為單片機的在系統(tǒng)編程信號(ISP)；單片機通過串口接收上位機的控制指令，如果串口沒有控制指令，機器人將采用默認指令運動。
如圖13所示，數(shù)字開關(guān)控制電路23由功率三極管D1758和位于基極上的上拉電阻R組成，功率三極管D1758的集電極上接吸盤電磁鐵。本實施例中基極與發(fā)射極的電壓為5V時，該功率三級管的放大倍數(shù)大約為190，腳掌吸附元件為電磁鐵，其電阻大小為20歐；為了使功率管工作在最佳狀態(tài)，使得在電磁鐵上分擔電壓達到最大，可以求出R＝24*190*(5-0.7)/(VCC-2)，VCC為15v，經(jīng)過測量此時功率管集電極到發(fā)射極的電壓大約為2伏，可以算出基極的電阻R大小應(yīng)該選用1500歐。
如圖14所示本發(fā)明的工作流程圖，單片機內(nèi)部設(shè)有兩個計數(shù)器，一個計數(shù)器控制機器人爬行周期(即機器人爬行速度)，另一個計數(shù)器控制PWM波形，兩個計數(shù)器同時協(xié)作實現(xiàn)控制機器人做各種不同特征的運動。如果單片機沒有接到上位機發(fā)送的控制指令，則控制機器人按照默認的爬行方式爬行，否則程序響應(yīng)中斷，識別并分析指令，再調(diào)用對應(yīng)的控制函數(shù)；控制函數(shù)中通過讀取計數(shù)器數(shù)值，當計數(shù)器數(shù)值所對應(yīng)的時間等于所需要的PWM脈寬，則設(shè)置相應(yīng)的I/O口，通過若干次比較可以模擬出12路PWM波形控制舵機轉(zhuǎn)動，同時通過4路I/O口控制功率三極管的通斷達到控制機器人腳掌的吸附力。
如圖15所示為上位機控制程序自定義通信協(xié)議，接收用戶輸入的控制參數(shù)，然后通過串口向單片機發(fā)送控制指令，結(jié)合單片機的控制程序能夠控制機器人任意關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角以及機器人的爬行方向和爬行速度。
權(quán)利要求
1.仿壁虎機器人由機械部分和電路部分組成，其特征在于所述的機械部分采用足式爬行方式，分為前工作部分和后工作部分，且兩部分結(jié)構(gòu)完全對稱，具有互換性，兩部分通過柔性桿連接在一起；前工作部分或后工作分別由機器人身體、兩個腳掌和兩條腿構(gòu)成，每條腿由三個可控自由度的大腿零件、小腿零件和腿根零件組成，每個大腿零件的兩端、小腿零件的一端和腿根零件的一端之間均通過舵機鉸接連接在一起，每個小腿零件的另一端與腳掌連接，每個腿根零件的另一端與機械人身體連接；所述的電路部分包括單片機、數(shù)字開關(guān)控制電路、舵機、吸盤和電源，電源為單片機、位于腳掌上的吸盤和舵機提供電源，單片機通過輸出PWM波形控制舵機轉(zhuǎn)角大小，達到控制機器人的步態(tài)，同時單片機通過控制數(shù)字開關(guān)電路的通斷達到控制機器人腳掌上吸盤的吸附與釋放。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿壁虎機器人，其特征在于所述的電路部分中還接有上位機，該上位機通過UART或RS232接口與單片機連接，輸出控制指令，使單片機工作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿壁虎機器人，其特征在于所述的數(shù)字開關(guān)控制電路由功率三極管和位于基極上的上拉電阻R組成，功率三極管的集電極上接吸盤電磁鐵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿壁虎機器人，其特征在于所述的柔性桿為彈簧片。
全文摘要
仿壁虎機器人由機械部分和電路部分組成，機械部分分前工作部分和后工作部分，兩部分結(jié)構(gòu)完全對稱，并通過柔性桿連接；每一部分由機器人身體、兩個腳掌和兩條腿構(gòu)成，每條腿由三個可控自由度的大腿零件、小腿零件和腿根零件組成，每個大腿零件的兩端、小腿零件的一端和腿根零件的一端之間均通過舵機鉸接連接在一起；電路部分包括單片機、數(shù)字開關(guān)控制電路、舵機、吸盤和電源，電源為單片機、位于腳掌上的吸盤和舵機提供電源，單片機通過輸出PWM波形控制舵機轉(zhuǎn)角大小，達到控制機器人的步態(tài)，同時單片機通過控制數(shù)字開關(guān)電路的通斷達到控制機器人腳掌上吸盤的吸附與釋放。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)小半徑轉(zhuǎn)彎動作，越障能力得到提高。
文檔編號A63H11/20GK1966337SQ20061011477
公開日2007年5月23日 申請日期2006年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月23日
發(fā)明者孟偲, 王田苗, 裴葆青, 丑武勝, 官勝國 申請人:北京航空航天大學(xué)