(19)中华人民共和国国家知识产权局 ▣装▣ (12)实用新型专利 (10)授权公告号CN205273662U (45)授权公告日2016.06.01 (21)申请号201620019561.0 (22)申请日2016.01.11 (73)专利权人中国人民解放军军事交通学院 地址300361天津市河东区东局子1号 (72)发明人王乐马超 (74)专利代理机构天津市三利专利商标代理有 限公司12107 代理人韩新城 (51)1nt.Cl. B62D571032(2006.01) 权利要求书1页说明书6页附图5页 (54)实用新型名称 一种基于仿生学原理的军用仿生作战机器人 (57)摘要 本实用新型涉及一种基于仿生学原理的军用 仿生作战机器人，包括机体，机体具有可拆卸安装 不同作战模块的机载平台，机体外侧安装有可实 现机器人在爬行、飞行及轮式三种运动状态间切 换的六只仿生行走腿，机体安装有中央处理模块， 与中央处理模块连接的数据传输模块、定位模块、 传感器模块及电机控制模块，电机控制模块与控 制机器人动作的电机模块相连接：每只仿生行走 腿包括可实现上下及前后摆动的支撑腿部，支撑 腿部的下部安装有滚动轮，滚动轮的外侧安装有 可转动的蹄型足，支撑腿部的中部安装飞行旋翼。 本实用新型可适用于各种路面，不仅避免了能量 的损失，更提升了通过性能，具有环境适应性强的 特点，可应用到科考、排爆、抢险救灾、军事侦察等 场所。 石
CN205273662U 权利要求书 1/1页 1.一种基于仿生学原理的军用仿生作战机器人，其特征在于，包括机体，所述机体具有 可拆卸安装不同作战模块的机载平台，所述机体外侧安装有六只可实现机器人在爬行、飞 行及轮式三种运动状态间切换的仿生行走腿，所述机体安装有中央处理模块，与所述中央 处理模块连接的数据传输模块、定位模块、传感器模块以及电机控制模块，所述电机控制模 块与控制机器人动作的电机模块相连接：其中，每只仿生行走腿包括可实现上下及前后摆 动的支撑腿部，所述支撑腿部的下部安装有滚动轮，所述滚动轮的外侧安装有可转动的蹄 型足，所述支撑腿部的中部安装飞行旋翼。 2.根据权利要求1所述基于仿生学原理的军用仿生作战机器人，其特征在于，所述支撑 腿部的上部连接支撑腿部摆动控制装置，所述支撑腿部摆动控制装置包括用于实现所述旋 翼飞行器的打开或闭合的第一转动机构、用于实现所述支撑腿部上下摆动的第二转动机 构，所述第一转动机构与所述第二转动机构通过两个连接板形成的连接部相连接，所述连 接部与所述机体通过实现所述支撑腿部前后摆动的第三转动机构相连接。 3.根据权利要求2所述基于仿生学原理的军用仿生作战机器人，其特征在于，所述支撑 腿部包括两块相对设置的支撑板，每块支撑板通过蹄型足转动轴连接两个蹄型足，每个所 述蹄型足通过一伸缩杆连接所述支撑板，所述滚动轮通过轮轴安装在所述两个支撑板之 间：当所述蹄型足处于升起状态时，所述滚动轮与支撑面接触。 4.根据权利要求3所述基于仿生学原理的军用仿生作战机器人，其特征在于，所述飞行 旋翼的空心杯电机安装在所述两个支撑板之间，连接所述空心杯电机的螺旋桨位于一个所 述支撑板的外侧。 5.根据权利要求4所述基于仿生学原理的军用仿生作战机器人，其特征在于，所述传感 器模块包括陀螺仪模块、红外探测模块、视频传感器。 6.根据权利要求5所述基于仿生学原理的军用仿生作战机器人，其特征在于，所述数据 传输模块通过无线模块连接远程控制模块，所述远程控制模块包括控制端模块以及与所述 控制端模块相连接的上位机，所述控制端模块与所述数据传输模块相连接。 7.根据权利要求1-6任一项所述基于仿生学原理的军用仿生作战机器人，其特征在于， 所述中央处理模块通过CN总线与所述定位模块相连接，实现数据交换，所述定位模块采用 军用北斗定位模块。 8.根据权利要求7所述基于仿生学原理的军用仿生作战机器人，其特征在于，所述中央 处理模块具有用于与不同作战模块进行连接的八0接口模块。 9.根据权利要求1或8所述基于仿生学原理的军用仿生作战机器人，其特征在于，所述 机器人的外表面涂装有伪装料材层。 10.根据权利要求9所述基于仿生学原理的军用仿生作战机器人，其特征在于，所述机 载平台包括旋转套筒以及与所述旋转套筒连接的伸缩控制臂，所述旋转套筒的上方安装有 作战模块搭载架，所述作战模块搭载架与所述缩控制臂的另一端相连接。 2
CN205273662U 说明书 1/6页 一种基于仿生学原理的军用仿生作战机器人 技术领域 [0001] 本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及一种基于仿生学原理的军用仿生作战 机器人。 背景技术 [0002]现代战争其实就是高技术条件下的战争，军事实力的较量很大程度上是武器装备 的较量。在这种条件下，可代替人类执行作战任务的各式军用机器人应运而生。一方面，由 于作战形式变化多端，战场环境错综复杂，在执行军事任务时，可能会遇到或平整、或崎岖 的路面，也有可能遇到诸如壕沟、水沟等难以穿行的路况，这对军用机器人通过能力提出了 很高的要求。另一方面，目前生产的机器人大多是单一的轮式或单一的履带式运动结构。单 轮式结构机器人，耗能较少、机动性强，但是难以穿过复杂的路况，环境适应性较差：单一 的履带式机构机器人，越障能力有所提高，但是其耗能较高，在平坦的路面上产生能量的浪 费，机动灵活性较差。此外，在一些恶劣的环境中，如遇到河沟、壕沟等障碍时，大部分机器 人就会难以通行，影响其作战性能的发挥。因此，针对复杂的路面情况，设计出一种具有多 种运动模式，既能有效避免能量的损失，又具有很强的越障通行能力的机器人，对于完成多 样化作战和勘察任务、减少人员伤亡具有很重要的意义。 实用新型内容 [0003]本实用新型的目的在于解决上述的技术问题而提供一种基于仿生学原理的军用 仿生作战机器人。 [0004]为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案： [0005]一种基于仿生学原理的军用仿生作战机器人，包括机体，所述机体具有可拆卸安 装不同作战模块的机载平台，所述机体外侧安装有六只可实现机器人在爬行、飞行及轮式 三种运动状态间切换的仿生行走腿，所述机体安装有中央处理模块，与所述中央处理模块 连接的数据传输模块、定位模块、传感器模块以及电机控制模块，所述电机控制模块与控制 机器人动作的电机模块相连接：其中，每只仿生行走腿包括可实现上下及前后摆动的支撑 腿部，所述支撑腿部的下部安装有滚动轮，所述滚动轮的外侧安装有可转动的蹄型足，所述 支撑腿部的中部安装飞行旋翼。 [0006]所述支撑腿部的上部连接支撑腿部摆动控制装置，所述支撑腿部摆动控制装置包 括用于实现所述旋翼飞行器的打开或闭合的第一转动机构、用于实现所述支撑腿部上下摆 动的第二转动机构，所述第一转动机构与所述第二转动机构通过两个连接板形成的连接部 相连接，所述连接部与所述机体通过实现所述支撑腿部前后摆动的第三转动机构相连接。 [0007]所述支撑腿部包括两块相对设置的支撑板，每块支撑板通过蹄型足转动轴连接两 个蹄型足，每个所述蹄型足通过一伸缩杆连接所述支撑板，所述滚动轮通过轮轴安装在所 述两个支撑板之间：当所述蹄型足处于升起状态时，所述滚动轮与支撑面接触。 [0008]所述飞行旋翼的空心杯电机安装在所述两个支撑板之间，连接所述空心杯电机的 3
CN205273662U 说明书 2/6页 螺旋桨位于一个所述支撑板的外侧。 [0009]所述传感器模块包括陀螺仪模块、红外探测模块、视频传感器 [0010] 所述数据传输模块通过无线模块连接远程控制模块，所述远程控制模块包括控制 端模块以及与所述控制端模块相连接的上位机，所述控制端模块与所述数据传输模块相连 接。 [0011]所述中央处理模块通过CAN总线与所述定位模块相连接，实现数据交换，所述定位 模块采用军用北斗定位模块。 [0012]所述中央处理模块具有用于与不同作战模块进行连接的I\0接口模块。 [0013]所述机器人的外表面涂装有伪装料材层。 [0014]所述机载平台包括旋转套筒以及与所述旋转套筒连接的伸缩控制臂，所述旋转套 筒的上方安装有作战模块搭载架，所述作战模块搭载架与所述缩控制臂的另一端相连接。 [0015]本实用新型利用仿生的六腿结构实现机器人在平整路面上的移动和崎岖路面上 的行走，利用飞行旋翼结构完成机器人的飞行控制，通过机载平台上的可拆卸功能实现不 用作战模块的安装，三种运动姿态的设计提高了该机器人的环境适应性，不同的模块化作 战模块使得该机器人能够完成多样化的侦察、排爆、打击、携行等作战任务，解决了目前野 战用机器人越障性能较差、运动方式单一的问题。 附图说明 [0016] 图1为本实用新型实施例提供的仿生作战机器人在爬行状态下的示意图： [0017] 图2为本实用新型实施例提供的仿生作战机器人在飞行状态下示意图； [0018] 图3为本实用新型实施例提供的的仿生作战机器人的仿生行走腿的示意图： [0019] 图4为本实用新型实施例提供的的仿生作战机器人的三角步态行走的示意图； [0020] 图5所示为本新型的仿生作战机器人的工作流程示意图： [0021] 图6所示为本新型的仿生作战机器人的控制系统的原理图。 具体实施方式 [0022]下面，结合实例对本实用新型的实质性特点和优势作进一步的说明，但本实用新 型并不局限于所列的实施例。 [0023]参见图1-6所示，一种基于仿生学原理的军用仿生作战机器人，包括机体100，所述 机体具有可拆卸安装不同作战模块30的机载平台10，所述机体外侧安装有六只可实现机器 人在爬行、飞行及轮式三种运动状态间切换的仿生行走腿20，参见图6所示，所述机体安装 有中央处理模块，与所述中央处理模块连接的数据传输模块、定位模块、传感器模块以及电 机控制模块，所述电机控制模块与控制机器人动作的电机模块相连接：参见图1-3所示，其 中，每只仿生行走腿包括可实现上下及前后摆动的支撑腿部，所述支撑腿部的下部安装有 滚动轮23，所述滚动轮的外侧安装有可转动的蹄型足24，所述支撑腿部的中部安装飞行旋 翼。 [00241 所述电机模块包括多个电机，用于实现运动控制，主要利用PWM脉宽调制实现对电 机速度的控制，电机上自带编码器等传感器反馈状态信号，从而实现对电机的PID控制，从 而实现机器人的运动状态的控制。 4
CN205273662U 说明书 3/6页 [0025]传统的轮式或履带不适用于山地和多障碍地面行进，而六足机器人可以在这些路 面行走、拐弯、跨越障碍物，六足结构的足部落脚点的面积小的特点使其对坑洼山地的机动 性和适应性更强，具有更高的越障能力，同时能保持机器人整体平衡度。 [0026]六腿结构的行走运动是通过三角步态实现的。三角步态是六腿机器人的两组腿 (机体一侧的前腿、后腿与另一侧的中腿)，即处于支撑三角形上的三条腿的动作完全一样， 均处于摆动相或均处于支撑相。本实用新型机器人的三角步态运动如图4所示。 [0027]以下为详细对三角步态解释： [0028] 参见图4所示，机器人开始运动时，首先左侧前腿201及左侧后腿203，右侧中腿205 构成三角形支架，以保证机器人重心在处于三角形内，具有稳定性，不易摔倒。右侧前腿204 及右侧后腿206和左侧中腿202抬起，准备向前摆动。左侧中腿202、右侧前腿204及右侧后腿 206向前跨步。由于左侧中腿202、右侧中腿204及右侧后腿206的跨步摆动使起支撑的左侧 前腿201及左侧后腿203、右侧中腿205进行了一定角度的摆动，在支撑机器人本体的同时， 机器人机体也向前运动半个步长S。 [0029]机器人集体前进半步长S后，摆动的左侧中腿202、右侧前腿204及右侧后腿206迅 速放下，接替左侧前腿201及左侧后腿203、右侧中腿205形成新的三角支撑，是机器人的重 心位置稳定处于左侧中腿202、右侧前腿204及右侧后腿206三条支撑腿所构成的三角支架 内，左侧前腿201及左侧后腿203、右侧中腿205己抬起进入摆动状态，做好向前跨步的准备， 左侧前腿201及左侧后腿203、右侧中腿205号摆动腿向前跨步摆动，左侧中腿202、右侧前腿 204及右侧后腿206一边支撑本体一边带动机器人机体使其又向前运动半个步长S,以上运 动为一个整周期。 [0030]具体实现上，所述支撑腿部的上部连接支撑腿部摆动控制装置，所述支撑腿部摆 动控制装置包括用于实现所述旋翼飞行器的打开或闭合的第一转动机构26、用于实现所述 支撑腿部上下摆动以行走的第二转动机构27，所述第一转动机构与所述第二转动机构通过 两个连接板形成的连接部29相连接，所述连接部与所述机体100通过实现所述支撑腿部前 后摆动的第三转动机构28相连接。 [0031]本实用新型中，所述第一转动机构与所述第二转动机构、第三转动机构均可以采 用舵机驱动转动轴实现，该舵机电机可以一个角度一个角度旋转，舵机的调速是通过控制 电机的频率来获得的。一般控制信号频率越高，电机转的越快，频率越低，转的越慢。标准的 舵机有三条控制线，分别为：电源、地及控制。电源线与地线用于提供内部的直流马达及控 制线路所需的能源，电压通常介于4V一6V之间。输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期 性脉冲信号的高电平时间通常在1ms一2ms之间，而低电平时间应在5ms到20ms之间。旋翼飞 行器的打开和闭合是通过第一转动机构来实现。通过操纵舵机运转，带动六足连接处绕第 一转动机构的轴旋转，实现六旋翼机构的打开或闭合。 [0032]其中，所述支撑腿部包括两块相对设置的支撑板21，每块支撑板通过蹄型足转动 轴连接两个蹄型足24，每个所述蹄型足24通过一伸缩杆241连接所述支撑板21，所述滚动轮 23通过轮轴安装在所述两个支撑板21之间；当所述蹄型足24处于升起状态时，所述滚动轮 23与支撑面，或地面接触，实现轮式运动，当所述当所述蹄型足24处于放下状态时，所述蹄 型足24与地面接触，此时实现爬行运行。 [0033]其中，所述的伸缩杆241是实现轮式运动模式与六足爬行运动模式转化的机构。伸 5
CN205273662U 说明 书 4/6页 缩杆收缩时，带动六足的蹄型足向上移动，滚动轮与地面接触，变为轮式运动模式：伸缩杆 伸长，带动六足结构的蹄型足向下聚拢，蹄型足接触地面，滚动轮与地面脱离，变为六足爬 行模式。 [0034]其中，所述飞行旋翼的空心杯电机22安装在所述两个支撑板21之间，连接所述空 心杯电机22的螺旋桨25位于一个所述支撑板21的外侧。 [0035]由于每仿生行走腿上安装一个飞行旋翼，从而构成六旋翼飞行结构，使得本机器 人具有优秀的低速性能与垂直起降性能，适合在复杂的城市环境中进行侦查；具有紧凑的 结构设计，控制结构也较为简单：在保证机体尺寸相当的前提下，六旋翼无人机比四旋翼无 人机更好地利用了机体的结构空间，增加了旋翼的个数，提升了负载能力，将动力系统为机 体提供的最大拉力提升，而且并没有对总重量造成显著的增加，因此提高了整个飞行器的 推重比，便于机器人飞行状态的控制。 [0036]本实用新型中，所述传感器模块可以是包括陀螺仪模块、红外探测模块、视频传感 器等模块，陀螺仪模块有感知机器人平衡姿态的功能，可结合中央处理器MCU对机器人姿态 作出调整。红外探测传感器主要是实现夜间环境下对周围目标的探测。视频传感器主要作 为视觉传感，实时反映路面情况，具体可根据需要安装，并不限上述的传感器模块。 [0037]具体实现上，所述数据传输模块通过无线模块连接远程控制模块，所述远程控制 模块包括控制端模块以及与所述控制端模块相连接的上位机，所述控制端模块与所述数据 传输模块相连接。其中，所述控制端模块可以与所述上位机通过数据线相连接或带有USB接 口的数据连接，实现数据或命令的传送功能。 [O038]具体的，所述中央处理模块通过CAN总线与所述定位模块相连接，实现数据交换， 所述定位模块采用军用北斗定位模块。所述中央处理模块可以是MCU控制器，或其它控制器 来实现。军用北斗定位模块可以实现对机器人本体的实时位置感知，达到作战目的。 [0039]进一步的，为了实现中央处理与不同的作战模块的数据口连接，实现数据的传送 控制，本实用新型中，所述中央处理模块具有用于与不同作战模块进行连接的自定义八0接 口模块，如从中央处理模块MCU接出部分引脚，作为改换机载平台时的控制引脚及数据接 口。例如在搭载狙击步枪时，需要对扣动扳机精确瞄准等进行控制，就需要有额外的引脚及 数据接口。 [0040]进一步的，为了作战隐蔽的需要，本实用新型中，所述机器人的外表面涂装有伪装 料材层。 [0041]为了更有效地控制作战模块的控制，本实用新型中，参见图1所示，所述机载平台 10包括旋转套筒11以及与所述旋转套筒连接的伸缩控制臂13，所述旋转套筒10的上方安装 有作战模块搭载架12，所述作战模块搭载架12与所述缩控制臂13的另一端相连接，在所述 作战模块搭载架一侧设有图像采集装置14这样可以实现安装其上的作战模块进行360度 旋转并伸缩，实现无死角进行相应作战功能的实现。 [0042]机载平台具有可拆卸的功能，可以根据不同的需要更换不同的作战模块，旋转套 筒内有轴承装置，可绕底座旋转，实现全方位无死角的探测：伸缩控制臂通过伸缩实现俯仰 角度的变化：图像采集装置可获得实时视频图像，通过北斗定位模块传回总控制台，便于操 作端对机器人的控制。可拆卸的机载平台通过螺丝与螺纹孔的配合而实现，可以方便的进 行作战模块的更换，体现了模块化设计的特点，如可以根据需要分别安装安装狙击模块和 6
CN205273662U 说明书 5/6页 侦察模块，激光制导模块等。 [0043]优选的，本实用新型中，所述的无线传输模块采用大功率无线传输模块，通过与电 脑相连的控制端模块与控制机器人的上位机进行数据传输，控制端模块通过USB与电脑一 上位机相连，使用上位机软件，可实现与数据传输模块的数据交流，从而实现控制端对机器 人视频信号、各传感器数据的采集，以及对其运动的控制. [0044]本实用新型的机器人的材料可在采用硬质铝合金，具有硬度强度好，易加工成型 的特点，同时，硬质铝合金由于质量较轻，可以大大减轻机器人自身重量，便于六旋翼状态 的飞行。 [0045]优选的，本实用新型长110cm,宽110cm,高80cm,行走状态下底盘高度为50cm厘米， 具有较强的越野性能。 [0046] 使用时，将机器人的控制端模块接入电源，通过USB插入电脑，打开上位机：根据作 战需要选择机载的作战模块：通过图像采集装置实时传输路面情况，对运动方式进行选择： 到达指定位置。 [0047]当作战任务下达时，根据该作战任务选择适宜的机载平台，同时确定目标的位置， 结合北斗定位系统规划行进路线。通过图像采集装置探测周围环境，根据能否通行作出运 行方式的选择，以便快速到达目的地，完成作战任务。 [0048] 本实用新型具有以下特点： [0049] 1)利用仿生学原理，模拟六足爬行原理进行了此设计，具有良好的稳定性和环境 适应性： [0050]2)集多种运动方式于一体：轮式运动可有效降低能耗，在平坦路面上具有良好的 灵活机动型；六足爬行运动可轻松地实现越野，在复杂路面上具有良好的环境适应性：六旋 翼飞行运动在一些无法通行的路面上具有很好的适应性，突破了传统移动机器人单一运动 模式的局限。 [0051]3)模块化设计：机载平台具有可拆卸功能，可以根据不同的作战任务更换作战模 块，具有节省成本、功能多样的优点。 [0052]4)材料选择：采用伪装材料涂装，具有高度的隐蔽性，适应不同的作战环境。 [0053]本实用新型军用仿生作战机器人，可以适用于各种路面，不仅避免了能量的损失， 更提升了其通过性能，具有环境适应性的特点。目前，我国机器人的运动模式较为单一，难 以适应一些急难险重的任务，本实用新型填补了我国这一方面的空白，可以很好的应用到 科考、排爆、抢险救灾、军事侦察等各个场所，应用前景广泛。 [0054]可以看出，本实用新型具有爬行、飞行、轮式运动三种运动姿态，不仅适应在单一 的平坦或崎岖的结构化路面行走，更适应在平坦与崎岖并存、软硬相间的非结构化环境工 作，在一些恶劣的环境下，通过变换运动姿态，实现机器人的飞行功能：具有模块化的机载 平台和良好的可拆卸功能，可根据不同的作战要求更换作战模块，操作简便，功能强大，通 过三角步态的控制，在保证六足爬虫结构稳定性的同时实现了向前爬行：借助伸缩杆的伸 长和缩短，实现了六足结构轮式运动和行走式运动的转换：利用大扭矩舵机的运转，实现六 足支撑腿部的起升，完成地面运动状态到六旋翼飞行状态的转换：机载平台通过螺纹孔与 螺丝的配合，可以方便的进行作战模块的更换，满足多样化的作战需求。该作品作为工程机 械，不仅能代替人类满足各种危险的军事任务，也能广泛的应用到科考、取样、环境治理等
CN205273662U 说明书 6/6页 场所中，应用前景广泛。 [0055]以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和 润饰也应视为本实用新型的保护范围。 8
CN205273662U 说明书附图 1/5页 30 0 14 12 10 3 100 20 图1 9
CN205273662U 说明书附图 2/5页 23 20 21 26 25 29 27 28 图2 10
