CN102837752B - 一种具有自断肢功能的六足越障机器人及其控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有自断肢功能的六足越障机器人，包括整机支架，两只带有扭转弹簧的能单向弯曲的前足，两只由同步带驱动的中足，两只带有扭转弹簧的能单向弯曲的后足和能转动的前腰部和后腰部；两只前足通过前支架和前腰部连接在整机支架前部，两只中足安装在整机支架两侧，两只后足通过后支架和后腰部连接在整机支架后部；前、中、后足的中部均安装有热敏感液体驱动的解锁机构；当解锁机构接收到中央处理器发送的断肢指令时，执行断肢动作，整机进入断肢行走状态。本发明的越障能力更强，系统复杂度和控制难度降低，提高了稳定性和实用性；能识别足部是否被困，自行断肢后可继续行走，提高了生存能力。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，涉及一种具有在困境中能切断肢体的六足越障机器人及其控制系统。
背景技术
相对于轮式机器人，足式机器人在崎岖路面，恶劣路况下具有更好的适应性和避障行走能力。相对于履带机器人，足式机器人具有重量更轻，行走机构耦合性更弱，在一定自由度的机构失灵后仍能继续行走等特点。特别是六足机器人，有良好的路面适应能力，高速机动性和行走稳定性，结构可靠性，能比较轻松的跨越障碍。被广泛用于危险区域探测，灾难救援等领域。
目前，已经出现了许多六足机器人，此类机器人一般采用连杆驱动，能实现越障等功能，但是很难越过超过自己身高的障碍。并且系统比较复杂，控制难度大。
此外，美国波士顿动力开发的半圆环腿的六足机器人RHEX具有良好的越障能力，但是在崎岖路面行走时，一旦某足被卡住，无法脱出，整个机器人即陷入困境。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明通过仿生的方法，利用六足机器人的系统冗余性，在某足被卡时可以像动物一样自行断掉此足，完成逃生；同时通过改进设计，加强越障能力，使其可以越过超过身高的障碍；利用欠驱动方式，降低系统的复杂度和控制难度。
一种具有自断肢功能的六足越障机器人，包括有整机支架1，两只带有扭转弹簧的能单向弯曲的前足2、3，两只由同步带驱动的中足4、5，两只带有扭转弹簧的能单向弯曲的后足6、7和能转动的前腰部8和后腰部9；
其中，两只前足2、3通过前支架11和前腰部8连接在整机支架1前部，两只中足4、5安装在整机支架1两侧，两只后足6、7通过后支架12和后腰部9连接在整机支架1后部；
所述的前、中、后足的中部均安装有热敏性液体驱动的解锁机构22；当解锁机构22接收到中央处理器发送的断肢指令时，执行断肢动作，整机进入断肢行走状态；
所述的解锁机构22包括有：
与上肢体固连的壳体39，
通过制退杆41固定在壳体39内腔中的活塞38，
活塞38端面与壳体39内腔密封形成的燃料腔体40，
通过滚珠43与壳体39左侧端面固连的内壁加工有轨道37的前端盖36，以及
左侧通过被压缩的弹簧34顶在后端盖45上、右侧顶在活塞38上、右侧外端面将滚珠43压紧在轨道37内的顶杆44，
其中，前端盖36与后端盖45通过螺纹连接35固定在一起，后端盖45与下肢体固连，燃料腔体40内安装有加热装置和热敏性液体，制退杆41通过固定螺丝42和制退弹簧46滑动连接在壳体39的侧壁径向孔内；
正常状态下，弹簧34压紧顶杆44，迫使滚珠43进入前端盖36的轨道37中，使上肢体和下肢体无法分离；
当接到触发信号后，燃料腔体40内的加热装置迅速加热热敏性液体，使其汽化，体积迅速膨胀，推动活塞38向左运动，活塞推动顶杆44后退，滚珠43失去约束，从轨道37中脱落，当顶杆44把弹簧34压缩到极限时，后端盖45开始带动前端盖36向左移动，当活塞38运动到最左侧时，前端盖36脱离壳体39，完成脱离动作；
此时活塞38的端面已经超过制退杆41，制退杆41在制退弹簧46作用下落入腔体，阻止活塞倒退，防止由于意外而引起机构脱离后再次锁紧。
采用了上述解锁机构22后，大大提高了本发明在恶劣环境中的生存能力。
所述的前足由驱动电机28，上肢29，下肢30，和开放自由度的膝关节31组成。驱动电机28固定在前支架11前端部，并通过前足连接件32和上肢29相连。膝关节31安装有扭转弹簧和限位装置，使膝关节31只可单方向转动。当遇到障碍物时，驱动电机28带动上肢29向上转动，下肢30碰到障碍物，膝关节31发生弯曲，当越过障碍物后，压缩的膝关节31扭转弹簧释放，使下肢30伸直，此时驱动电机28带动上肢29、下肢30向下转动，膝关节31伸直后由于限位装置而保持伸直状态，腿此时停止转动，前支架11由腰肢驱动向上运动，完成越障。
所述的后足与前足结构相同；
前、后足的结构，使其可以完成其他六足机器人无法完成的动作——跨越高于身高的障碍物，同时零件易于加工，便于生产。
所述的前腰部8包括有固定在电机支架17上的电机16，由电机16驱动的蜗杆13，固定在轴15上的蜗轮14，其中轴15通过轴承架18旋转连接在整机支架1上，轴15通过连接法兰19带动前支架11上下摆动；
所述的后腰部9的结构与前腰部8相同；
所述的中足包括有安装于整机支架1上的转向电机26，带动转向支架27转动，同步轮25旋转连接在转向支架27上，升降电机20法兰和中足支撑架24连接，升降电机20输出轴和同步轮25连接，两同步轮25通过同步带21连接，连接件23上端固定在第二个同步轮25的端面上，下端固定有解锁机构22以及下肢体；工作时，转向电机26通过转向支架27带动中足前后挥动，升降电机20带动中足上下摆动；
中足由于采用了欠驱动方式，将抬腿的电机由两个减少为一个，降低了控制难度，同时也提高了系统的稳定性。
一种具有自断肢功能的六足越障机器人的控制系统，包括有中央处理器CPU、收集前方路况的摄像头10、视觉处理器MCU、检测整机姿态的惯性测量单元IMU以及各电机配置的伺服驱动器；
摄像头10采集视频信息，视觉处理器MCU负责视频处理，将路况信息传输给中央处理器CPU，中央处理器CPU根据视觉信息和惯性测量单元IMU获得的整机运动信息做出步态调整与规划，通过总线发送给各电机的伺服驱动器；通过接受中央控制器CPU的指令，伺服驱动器控制各电机转动相应的角度，进而实现各腿的相关位移。
此外，伺服驱动器的电流单元实时检测通过电机的电流，如果处于堵转状态，并且编码器的输出也指示为堵转，会将堵转信息发送给中央处理器CPU，中央处理器CPU会做出调整，控制其他腿，协助解脱；如果几次尝试无效后，会向解锁机构22发送指令，执行断肢动作，同时中央处理器CPU控制整机进入断肢行走状态。
整机控制系统采用分散式控制模式，为每个电机配置单独的伺服驱动器，提高了运动控制的定位精度，降低了中央处理器CPU的负担，中央处理器CPU只负责路径和步态的规划，将每个关节需要的状态通过总线发送给伺服驱动器即可。在传感器方面，配置CMOS摄像头，通过专用的视觉处理器MCU进行视觉处理运算，将适时的路况信息传送给中央处理器CPU。同时机载由陀螺仪和加速度传感器组成的惯性测量单元IMU，实时反馈整机的姿态信息，中央处理器CPU根据此信息做出步态调整。
本发明的有益效果在于：越障能力更强，可以翻越高于身高的障碍；中腿采用欠驱动方式，减少了驱动单元数量，系统复杂度和控制难度降低，提高了稳定性和实用性；能识别足部是否被困，采取相应措施从困境中解脱，继续行走，提高了装置的生存能力。
附图说明
图1为本发明的整机结构图；
图2为腰部结构局部放大图；
图3为中足结构局部放大图；
图4为前足结构局部放大图；
图5为解锁机构局部放大图；
图6为本发明的控制系统框图。
图中：
1：整机支架；2、3：前足；4、5：中足；6、7：后足；8：前腰部；9：后腰部；
10：摄像头；11：前支架；12：后支架；
13：蜗杆；14：蜗轮；15：轴；16：电机；18：轴承架；19：连接法兰；
20：升降电机；21：同步带；22：解锁机构；23：连接件；
24：中足支撑架；25：同步轮；26：转向电机；27：转向支架；
28：驱动电机；29：上肢；30：下肢；31：膝关节；32：前足连接件；
34：弹簧；35：螺纹连接；36：前端盖；37：轨道；38：活塞；39：壳体；
40：燃料腔体；41：制退杆；42：固定螺丝；43：滚珠；44：顶杆；
45：后端盖；46：制退弹簧
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细介绍。
图1为本发明的整机结构图，可见本发明的一种具有自断肢功能的六足越障机器人，包括有整机支架1，两只带有扭转弹簧的能单向弯曲的前足2、3，两只由同步带驱动的中足4、5，两只带有扭转弹簧的能单向弯曲的后足6、7和能转动的前腰部8和后腰部9；
其中，两只前足2、3通过前支架11和前腰部8连接在整机支架1前部，两只中足4、5安装在整机支架1两侧，两只后足6、7通过后支架12和后腰部9连接在整机支架1后部；
所述的前、中、后足的中部均安装有热敏性液体驱动的解锁机构22；当解锁机构22接收到中央处理器发送的断肢指令时，执行断肢动作，整机进入断肢行走状态；
图5为解锁机构局部放大图，可见所述的解锁机构22包括有：
与上肢体固连的壳体39，
通过制退杆41固定在壳体39内腔中的活塞38，
活塞38端面与壳体39内腔密封形成的燃料腔体40，
通过滚珠43与壳体39左侧端面固连的内壁加工有轨道37的前端盖36，以及
左侧通过被压缩的弹簧34顶在后端盖45上、右侧顶在活塞38上、右侧外端面将滚珠43压紧在轨道37内的顶杆44，
其中，前端盖36与后端盖45通过螺纹连接35固定在一起，后端盖45与下肢体固连，燃料腔体40内安装有加热装置和热敏性液体，制退杆41通过固定螺丝42和制退弹簧46滑动连接在壳体39的侧壁径向孔内；
正常状态下，弹簧34压紧顶杆44，迫使滚珠43进入前端盖36的轨道37中，使上肢体和下肢体无法分离；
当接到触发信号后，燃料腔体40内的加热装置迅速加热热敏性液体，使其汽化，体积迅速膨胀，推动活塞38向左运动，活塞推动顶杆44后退，滚珠43失去约束，从轨道37中脱落，当顶杆44把弹簧34压缩到极限时，后端盖45开始带动前端盖36向左移动，当活塞38运动到最左侧时，前端盖36脱离壳体39，完成脱离动作；
此时活塞38的端面已经超过制退杆41，制退杆41在制退弹簧46作用下落入腔体，阻止活塞倒退，防止由于意外而引起机构脱离后再次锁紧。
采用了上述解锁机构22后，大大提高了本发明在恶劣环境中的生存能力。
图4为前足结构局部放大图，可见所述的前足由驱动电机28，上肢29，下肢30，和开放自由度的膝关节31组成。驱动电机28固定在前支架11前端部，并通过前足连接件32和上肢29相连。膝关节31安装有扭转弹簧和限位装置，使膝关节31只可单方向转动。当遇到障碍物时，驱动电机28带动上肢29向上转动，下肢30碰到障碍物，膝关节31发生弯曲，当越过障碍物后，压缩的膝关节31扭转弹簧释放，使下肢30伸直，此时驱动电机28带动上肢29、下肢30向下转动，膝关节31伸直后由于限位装置而保持伸直状态，腿此时停止转动，前支架11由腰肢驱动向上运动，完成越障。
所述的后足与前足结构相同；
前、后足的结构，使其可以完成其他六足机器人无法完成的动作——跨越高于身高的障碍物，同时零件易于加工，便于生产。
图2为腰部结构局部放大图，可见所述的前腰部8包括有固定在电机支架17上的电机16，由电机16驱动的蜗杆13，固定在轴15上的蜗轮14，其中轴15通过轴承架18旋转连接在整机支架1上，轴15通过连接法兰19带动前支架11上下摆动；
所述的后腰部9的结构与前腰部8相同；
图3为中足结构局部放大图，可见所述的中足包括有安装于整机支架1上的转向电机26，带动转向支架27转动，同步轮25旋转连接在转向支架27上，升降电机20法兰和中足支撑架24连接，升降电机20输出轴和同步轮25连接，两同步轮25通过同步带21连接，连接件23上端固定在第二个同步轮25的端面上，下端固定有解锁机构22以及下肢体；工作时，转向电机26通过转向支架27带动中足前后挥动，升降电机20带动中足上下摆动；
中足由于采用了欠驱动方式，将抬腿的电机由两个减少为一个，降低了控制难度，同时也提高了系统的稳定性。
图6为本发明的控制系统框图，可见本发明的一种具有自断肢功能的六足越障机器人的控制系统，包括有中央处理器CPU、收集前方路况的摄像头10、视觉处理器MCU、检测整机姿态的惯性测量单元IMU以及各电机配置的伺服驱动器；
摄像头10采集视频信息，视觉处理器MCU负责视频处理，将路况信息传输给中央处理器CPU，中央处理器CPU根据视觉信息和惯性测量单元IMU获得的整机运动信息做出步态调整与规划，通过总线发送给各电机的伺服驱动器；通过接受中央控制器CPU的指令，伺服驱动器控制各电机转动相应的角度，进而实现各腿的相关位移。
此外，伺服驱动器的电流单元实时检测通过电机的电流，如果处于堵转状态，并且编码器的输出也指示为堵转，会将堵转信息发送给中央处理器CPU，中央处理器CPU会做出调整，控制其他腿，协助解脱；如果几次尝试无效后，会向解锁机构22发送指令，执行断肢动作，同时中央处理器CPU控制整机进入断肢行走状态。
整机控制系统采用分散式控制模式，为每个电机配置单独的伺服驱动器，提高了运动控制的定位精度，降低了中央处理器CPU的负担，中央处理器CPU只负责路径和步态的规划，将每个关节需要的状态通过总线发送给伺服驱动器即可。在传感器方面，配置CMOS摄像头，通过专用的视觉处理器MCU进行视觉处理运算，将适时的路况信息传送给中央处理器CPU。同时机载由陀螺仪和加速度传感器组成的惯性测量单元IMU，实时反馈整机的姿态信息，中央处理器CPU根据此信息做出步态调整。
Claims (5)
1.一种具有自断肢功能的六足越障机器人，包括有整机支架(1)，两只带有扭转弹簧的能单向弯曲的前足(2、3)，两只由同步带驱动的中足(4、5)，两只带有扭转弹簧的能单向弯曲的后足(6、7)和能转动的前腰部(8)和后腰部(9)；
其中，两只前足(2、3)通过前支架(11)和前腰部(8)连接在整机支架(1)前部，两只中足(4、5)安装在整机支架(1)两侧，两只后足(6、7)通过后支架(12)和后腰部(9)连接在整机支架(1)后部；
其特征在于：
所述的前、中、后足的中部均安装有热敏性液体驱动的解锁机构(22)；当解锁机构(22)接收到中央处理器发送的断肢指令时，执行断肢动作，整机进入断肢行走状态。
2.根据权利要求1所述的一种具有自断肢功能的六足越障机器人，其特征在于：所述的解锁机构(22)包括有：
与上肢体固连的壳体(39)，
通过制退杆(41)固定在壳体(39)内腔中的活塞(38)，
活塞(38)端面与壳体(39)内腔密封形成的燃料腔体(40)，
通过滚珠(43)与壳体(39)左侧端面固连的内壁加工有轨道(37)的前端盖(36)，以及
左侧通过被压缩的弹簧(34)顶在后端盖(45)上、右侧顶在活塞(38)上、右侧外端面将滚珠(43)压紧在轨道(37)内的顶杆(44)，
其中，前端盖(36)与后端盖(45)通过螺纹连接(35)固定在一起，后端盖(45)与下肢体固连，燃料腔体(40)内安装有加热装置和热敏性液体，制退杆(41)通过固定螺丝(42)和制退弹簧(46)滑动连接在壳体(39)的侧壁径向孔内；
正常状态下，弹簧(34)压紧顶杆(44)，迫使滚珠(43)进入前端盖(36)的轨道(37)中，使上肢体和下肢体无法分离；
当接到触发信号后，燃料腔体(40)内的加热装置迅速加热热敏性液体，使其汽化，体积迅速膨胀，推动活塞(38)向左运动，活塞推动顶杆(44)后退，滚珠(43)失去约束，从轨道(37)中脱落，当顶杆(44)把弹簧(34)压缩到极限时，后端盖(45)开始带动前端盖(36)向左移动，当活塞(38)运动到最左侧时，前端盖(36)脱离壳体(39)，完成脱离动作；
此时活塞(38)的端面已经超过制退杆(41)，制退杆(41)在制退弹簧(46)作用下落入腔体，阻止活塞倒退，防止由于意外而引起机构脱离后再次锁紧。
3.根据权利要求1所述的一种具有自断肢功能的六足越障机器人，其特征在于：所述的前足由驱动电机(28)，上肢(29)，下肢(30)和开放自由度的膝关节(31)组成；驱动电机(28)固定在前支架(11)前端部，并通过前足连接件(32)和上肢(29)相连，膝关节(31)安装有扭转弹簧和限位装置，使膝关节(31)只可单方向转动；当遇到障碍物时，驱动电机(28)带动上肢(29)向上转动，下肢(30)碰到障碍物，膝关节(31)发生弯曲，当越过障碍物后，压缩的膝关节(31)扭转弹簧释放，使下肢(30)伸直，此时驱动电机(28)带动上肢(29)、下肢(30)向下转动，膝关节(31)伸直后由于限位装置而保持伸直状态，腿此时停止转动，前支架(11)由腰肢驱动向上运动，完成越障；
所述的后足与前足结构相同。
4.根据权利要求1所述的一种具有自断肢功能的六足越障机器人，其特征在于：所述的前腰部(8)包括有固定在电机支架(17)上的电机(16)，由电机(16)驱动的蜗杆(13)以及固定在轴(15)上的蜗轮(14)，其中轴(15)通过轴承架(18)旋转连接在整机支架(1)上，轴(15)通过连接法兰(19)带动前支架(11)上下摆动；
所述的后腰部(9)的结构与前腰部(8)相同。
5.根据权利要求1所述的一种具有自断肢功能的六足越障机器人，其特征在于：所述的中足包括有安装于整机支架(1)上的转向电机(26)，带动转向支架(27)转动，同步轮(25)旋转连接在转向支架(27)上，升降电机(20)法兰和中足支撑架(24)连接，升降电机(20)输出轴和同步轮(25)连接，两同步轮(25)通过同步带(21)连接，连接件(23)上端固定在第二个同步轮(25)的端面上，下端固定有解锁机构(22)以及下肢体；工作时，转向电机(26)通过转向支架(27)带动中足前后挥动，升降电机(20)带动中足上下摆动。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20141105 Termination date: 20150920 |
|
| EXPY | Termination of patent right or utility model |