CN103129640A - 一种新型六足机器人 - Google Patents

Abstract

一种新型六足机器人，属于仿生机器人领域。本发明为解决现有六足机器人对环境感知能力较弱且没有对自身状态的感知能力，以及机器人集成度不高的问题。所述机器人包括躯干、机械腿、传感系统和控制系统，所述每个机械腿均由连接件、躯干-基节关节、基节梁、基节-股节关节、股节梁、股节-胫节关节和胫节梁依次连接构成，所述控制系统包括计算机终端、主控制板、单腿控制模块、关节驱动器和CAN总线，计算机终端与主控制板通过以太网连接，单腿控制模块共6个，单腿控制模块和关节驱动器均设置在躯干内，主控制板通过CAN总线与单腿控制模块相连，6个机械腿上的关节驱动器搭接在CAN总线上。本发明用于搬运、探测以及极限环境作业等。

Description

一种新型六足机器人

技术领域

本发明涉及一种新型六足机器人，属于仿生机器人领域。

背景技术

作为多足仿生机器人的典型代表，六足仿生机器人的特点是具很强的攀爬能力和容错能力，适合在复杂的自然环境中执行对自主性、可靠性要求比较高的任务，如：外星球搬运、野外探测以及极限环境作业等。

六足机器人的应用背景决定其必须能够满足非结构化地形的自主步行。但现有六足机器人存在对环境感知能力较弱且没有对自身状态的感知能力，同时，机器人集成度不高的问题。

发明内容

本发明为解决现有六足机器人对环境感知能力较弱且没有对自身状态的感知能力，同时，机器人集成度不高的问题。

为解决上述技术问题提供一种新型六足机器人，所述机器人包括躯干、机械腿、传感系统和控制系统，所述机械腿共6个，6个机械腿均匀分布在躯干下端的两侧并与躯干的下端相固接，所述每个机械腿均由连接件、躯干-基节关节、基节梁、基节-股节关节、股节梁、股节-胫节关节和胫节梁依次连接构成；

所述传感系统包括视觉传感器、位姿传感器、第一一维力矩传感器、第二一位力矩传感器、三维力传感器、关节角位置传感器、数据采集模块和力信息处理模块，所述视觉传感器设置在躯干的前端，位姿传感器设置在躯干上，第一一维力矩传感器设置在基节梁与躯干-基节关节之间的连接处，第二一维力矩传感器设置在股节梁与基节-股节关节之间的连接处，三维力矩传感器设置在胫节梁上，数据采集模块设置在三维力传感器上，力信息处理模块固定设置在股节梁上，所述6个机械腿上每一个躯干-基节关节、基节-股节关节和股节-胫节关节上均设置有一个关节角位置传感器；

所述控制系统包括计算机终端、主控制板、单腿控制模块、关节驱动器和CAN总线，计算机终端与主控制板通过以太网连接，所述视觉传感器和位姿传感器的信号输出端与主控制板相连，主控制板固定设置在躯干内，所述单腿控制模块共6个，单腿控制模块和关节驱动器均设置在躯干内，所述主控制板通过CAN总线与单腿控制模块相连，6个机械腿上的关节驱动器也搭接在CAN总线上，关节驱动器共18个，18个关节驱动器分别与18个关节角位置传感器的信号输出端相连，所述三维力矩传感器的信号输出端与数据采集模块的信号接收端相连，数据采集模块、第一一维力矩传感器和第二一位力矩传感器的信号输出端与力信息处理模块的信号接收端相连，力信息处理模块的信号输出端与CAN总线相连。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明的机械结构、传感系统和控制系统均采用集成化、模块化结构，不仅实现其小型化，使机器人各部件布局更合理，结构更加紧凑，整体的重量更轻，能够在相对简单的结构基础上提供较大的动力，可靠性高，同时，使其使用及维护起来更加方便。

2、本发明的腿部系统集成有足端三维力传感器、第一关节力矩传感器和第二关节力矩传感器，从而使腿部具有全方位的力感知功能，并且在各个关节中设计了关节角位置传感器来直接感知关节的转角，从而使腿部具有全方位的对外界力和自身状态的感知能力。

3、本发明在机器人躯干的前端和躯干内分别设置有视觉传感器和位姿传感器，使其具有良好的外部环境和自身平衡的感知能力。

附图说明

图1是本发明的整体外部结构图；图2是视觉传感器、位姿传感器、计算机终端、主控制板以及单腿控制模块之间的传感和控制关系图，图3是单个机械腿上传感器和控制部件间的传感及控制关系图，图4是本发明中机械腿的结构示意图；图5是图4去掉基节包装壳体、多个档线板、股节包装壳体和胫节包装壳体后的结构示意图；图6是图4去掉关节角位置传感器后的结构示意图；图7是躯干-基节关节的整体外部结构图；图8是胫节部分的整体结构示意图；图9是图7去掉关节壳体后的俯视图；图10是接口板、单腿控制模块和关节驱动器的装配图；图11是第二一维力传感器的结构示意图，图12是三维力传感器的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6和图8说明本实施方式，本实施方式所述一种新型六足机器人，所述机器人包括躯干45、机械腿46、传感系统和控制系统，所述机械腿46共6个，6个机械腿46均匀分布在躯干45下端的两侧并与躯干45的下端相固接，所述每个机械腿46均由连接件5、躯干-基节关节6、基节梁43、基节-股节关节8、股节梁10、股节-胫节关节12和胫节梁44依次连接构成；

所述传感系统包括视觉传感器47、位姿传感器48、第一一维力矩传感器7、第二一位力矩传感器9、三维力传感器16、关节角位置传感器49、数据采集模块17和力信息处理模块11，所述视觉传感器47设置在躯干45的前端，位姿传感器48设置在躯干45上，第一一维力矩传感器7设置在基节梁43与躯干-基节关节6之间的连接处，第二一维力矩传感器9设置在股节梁10与基节-股节关节8之间的连接处，三维力矩传感器16设置在胫节梁44上，数据采集模块17设置在三维力传感器16上，力信息处理模块11固定设置在股节梁10上，所述6个机械腿46上每一个躯干-基节关节6、基节-股节关节8和股节-胫节关节12上均设置有一个关节角位置传感器49；

所述控制系统包括计算机终端50、主控制板51、单腿控制模块52、关节驱动器53和CAN总线54，计算机终端50与主控制板51通过以太网连接，所述视觉传感器47和位姿传感器48的信号输出端与主控制板51相连，主控制板51固定设置在躯干45内，所述单腿控制模块52共6个，单腿控制模块52和关节驱动器53均设置在躯干45内，所述主控制板51通过CAN总线54与单腿控制模块52相连，6个机械腿46上的关节驱动器53也搭接在CAN总线54上，关节驱动器53共18个，18个关节驱动器53分别与18个关节角位置传感器49的信号输出端相连，所述三维力矩传感器16的信号输出端与数据采集模块17的信号接收端相连，数据采集模块17、第一一维力矩传感器7和第二一位力矩传感器9的信号输出端与力信息处理模块11的信号接收端相连，力信息处理模块11的信号输出端与CAN总线54相连；

如此设置：使六足机器人的机械结构、传感系统和控制系统均采用集成化、模块化结构，不仅实现其小型化，使机器人各部件布局更合理，结构更加紧凑，整体的重量更轻，能够在相对简单的结构基础上提供较大的动力，可靠性高，同时，使其使用及维护起来更加方便；使腿部系统集成有足端三维力传感器、第一关节力矩传感器和第二关节力矩传感器，从而使腿部具有全方位的力感知功能，并且在各个关节中设计了关节角位置传感器来直接感知关节的转角，从而使腿部具有全方位的对外界力和自身状态的感知能力；在机器人躯干的前端和躯干内分别设置有视觉传感器和位姿传感器，使其具有良好的外部环境和自身平衡的感知能力。

具体实施方式二：结合图4、图5和图6说明本实施方式，本实施方式所述机器人还包括基节包装壳体1、多个挡线板2、股节包装壳体3和胫节包装壳体4，基节包装壳体1设置在躯干-基节关节6上，股节包装壳体3设置在基节-股节关节8上，胫节包装壳体4设置在股节-胫节关节12上，躯干-基节关节6、基节-股节关节8和股节-胫节关节12的两端分别设有一个挡线板2，如此设置，有效保护机械腿46内部的各个结构，其他组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图10说明本实施方式，本实施方式所述躯干45内还固定设置有6个接口板55，每个接口板55上均设置有与其中一个机械腿46相对应的1个单腿控制模块52和3个关节驱动器53，如此设置，使六足机器人整体结构更加合理和紧凑，方便维护和使用，其他组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图7和图9说明本实施方式，本实施方式所述躯干-基节关节6、基节-股节关节8和股节-胫节关节12均包括关节壳体26、第一轴承座23、第二轴承座24和内部传动系统25，内部传动系统25设置在关节壳体26内，第一轴承座23和第二轴承座24分别设置在关节壳体26的两端，其他组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图9说明本实施方式，本实施方式所述内部传动系统25包括主传动系统29、从传动系统30和同步带34，主传动系统29和从传动系统30之间通过同步带34传动连接，所述主传动系统29包括无刷直流电机27、延长轴28、第一轴承31和主动带轮33，无刷直流电机27的输出端与延长轴28连接，第一轴承31和主动带轮33由上至下依次套装在延长轴28上，从传动系统30包括从动带轮35、第二轴承36、从动轴37、垫块38、谐波减速器39、第三轴承座40、第三轴承41和第四轴承42，从动轴37竖直设置在从动带轮35上，第二轴承36套装在从动带轮35上端的从动轴37上，第二轴承36与从动带轮35之间设有垫块38，谐波减速器39、第三轴承座40、第三轴承41和第四轴承42依次设置在从动轴37上，其他组成和连接关系与具体实施方式四相同。

本发明的无刷直流电机27由螺钉固定在关节外壳26上，延长轴28通过螺钉固定在无刷直流电机27的输出轴上，主动带轮33通过螺钉固定住延长轴28上，第二轴承座24由螺钉固定在关节外壳26上，第二轴承36嵌套在第二轴承座24里，第二轴承36的内圈与从动轴37接触，第三轴承41套在第三轴承座40上，第三轴承41的外圈与第一一维力矩传感器7、第二一维力矩传感器9或者连接件13相接触，第四轴承42嵌套在第二轴承座24里，第四轴承42的外圈同样与第一一维力矩传感器7、第二一维力矩传感器9或者连接件13相接触。此模块化关节里面的动力传输路径为：无刷直流电机27——延长轴28——主动带轮33——同步带34——从动带轮35——从动轴37——谐波减速器39——第一一维力矩传感器7或第二一维力矩传感器9(或连接件13)。其他零件起到固定和润滑的作用。

具体实施方式六：结合图1、图4、图5和图6说明本实施方式，本实施方式所述基节、股节和胫节的长度比为1∶4∶3(基节长度：躯干-基节关节6的转轴到基节-股节关节8的转轴之间的长度；股节长度：基节-股节关节8的转轴到股节-胫节关节12的转轴之间的长度；胫节长度：股节-胫节关节12的转轴到足端之间的长度)，如此设置，为了获得较好的运动灵活性，从而提高机器人的运动能力为目的，在构形设计的基础上，对六足仿生机器人的结构参数进行优化设计。通过仿真和计算分析，当腿部肢节长度比例(基节∶股节∶胫节)为1∶4∶3、基节轴线旋转面与水平面夹角为30度时，机器人能够获得最大的灵活性，即六足机器人在此时具有较好的整体运动灵活度，其他组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：结合图1、图4、图5、图6和图9说明本实施方式，本实施方式所述基节的长度为48mm，股节的长度为140mm，胫节的长度为122mm，单个机械腿伸直后的总长度为310mm，所述谐波减速器39的减速比为100，如此设置，机器人能够获得最大的灵活性，便于从动带轮35和主动带轮33的齿数比相匹配，提高腿部运动精度，其它组成和连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式八：结合图8说明本实施方式，本实施方式所述三维力传感器16包括第一弹性体16-1、第二弹性体16-2、第三弹性体16-3、两个轴向力应变片16-4，两个横向力应变片16-5和两个纵向力应变片16-6，第一弹性体16-1、第二弹性体16-2和第三弹性体16-3沿各自长度方向依次固接为一体，第一弹性体16-1的侧壁上加工有贴片孔16-1-1，贴片孔16-1-1内设置有两个轴向力应变片16-4，两个轴向力应变片16-4之间通过导线连接，第二弹性体16-2上相对的两个侧壁上分别设置有一个横向力应变片16-5，两个横向力应变片16-5之间通过导线连接，第三弹性体16-3上相对的两个侧壁上分别设置有一个纵向力应变片16-6，两个纵向力应变片16-6之间通过导线连接，其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

当三维力传感器16受到力时，会发生相应的应变，从而使两个轴向力应变片16-4，两个横向力应变片16-5和两个纵向力应变片16-6发生相应阻值的变化，并将变化信号传递给数据采集模块17，数据采集模块17将发生阻值变化后产生的电压变化值传递给力信息处理模块11进行分析处理，并得出相应的力学数据。

具体实施方式九：结合图11说明本实施方式，本实施方式所述第一一维力矩传感器7包括圆柱形关节7-1、弹性体横梁7-2、连接法兰7-3和两个关节应变片7-4，弹性体横梁7-2固接在圆柱形关节7-1外壁的中部，圆柱形关节7-1的中心轴线方向垂直于弹性体横梁7-2的端面设置，弹性体横梁7-2的底面垂直固接在连接法兰7-3的端面上，两个关节应变片7-4分别固接在弹性体横梁7-2底面的两端处，两个关节应变片7-4之间通过导线连接，所述第二一维力矩传感器9与第一一维力矩传感器7的结构相同，其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

Claims (9)

1.一种新型六足机器人，所述机器人包括躯干(45)、机械腿(46)、传感系统和控制系统，所述机械腿(46)共6个，6个机械腿(46)均匀分布在躯干(45)下端的两侧并与躯干(45)的下端相固接，其特征在于：所述每个机械腿(46)均由连接件(5)、躯干-基节关节(6)、基节梁(43)、基节-股节关节(8)、股节梁(10)、股节-胫节关节(12)和胫节梁(44)依次连接构成；

所述传感系统包括视觉传感器(47)、位姿传感器(48)、第一一维力矩传感器(7)、第二一位力矩传感器(9)、三维力传感器(16)、关节角位置传感器(49)、数据采集模块(17)和力信息处理模块(11)，所述视觉传感器(47)设置在躯干(45)的前端，位姿传感器(48)设置在躯干(45)上，第一一维力矩传感器(7)设置在基节梁(43)与躯干-基节关节(6)之间的连接处，第二一维力矩传感器(9)设置在股节梁(10)与基节-股节关节(8)之间的连接处，三维力矩传感器(16)设置在胫节梁(44)上，数据采集模块(17)设置在三维力传感器(16)上，力信息处理模块(11)固定设置在股节梁(10)上，所述6个机械腿(46)上每一个躯干-基节关节(6)、基节-股节关节(8)和股节-胫节关节(12)上均设置有一个关节角位置传感器(49)；

所述控制系统包括计算机终端(50)、主控制板(51)、单腿控制模块(52)、关节驱动器(53)和CAN总线(54)，计算机终端(50)与主控制板(51)通过以太网连接，所述视觉传感器(47)和位姿传感器(48)的信号输出端与主控制板(51)相连，主控制板(51)固定设置在躯干(45)内，所述单腿控制模块(52)共6个，单腿控制模块(52)和关节驱动器(53)均设置在躯干(45)内，所述主控制板(51)通过CAN总线(54)与单腿控制模块(52)相连，6个机械腿(46)上的关节驱动器(53)也搭接在CAN总线(54)上，关节驱动器(53)共18个，18个关节驱动器(53)分别与18个关节角位置传感器(49)的信号输出端相连，所述三维力矩传感器(16)的信号输出端与数据采集模块(17)的信号接收端相连，数据采集模块(17)、第一一维力矩传感器(7)和第二一位力矩传感器(9)的信号输出端与力信息处理模块(11)的信号接收端相连，力信息处理模块(11)的信号输出端与CAN总线(54)相连。

2.根据权利要求1所述一种新型六足机器人，其特征在于：所述机器人还包括基节包装壳体(1)、多个档线板(2)、股节包装壳体(3)和胫节包装壳体(4)，基节包装壳体(1)设置在躯干-基节关节(6)上，股节包装壳体(3)设置在基节-股节关节(8)上，胫节包装壳体(4)设置在股节-胫节关节(12)上，躯干-基节关节(6)、基节-股节关节(8)和股节-胫节关节(12)的两端分别设有一个档线板(2)。

3.根据权利要求1所述一种新型六足机器人，其特征在于：所述躯干(45)内还固定设置有6个接口板(55)，每个接口板(55)上均设置有与其中一个机械腿(46)相对应的1个单腿控制模块(52)和3个关节驱动器(53)。

4.根据权利要求1所述一种新型六足机器人，其特征在于：所述躯干-基节关节(6)、基节-股节关节(8)和股节-胫节关节(12)均包括关节壳体(26)、第一轴承座(23)、第二轴承座(24)和内部传动系统(25)，内部传动系统(25)设置在关节壳体(26)内，第一轴承座(23)和第二轴承座(24)分别设置在关节壳体(26)的两端。

5.根据权利要求4所述一种新型六足机器人，其特征在于：所述内部传动系统(25)包括主传动系统(29)、从传动系统(30)和同步带(34)，主传动系统(29)和从传动系统(30)之间通过同步带(34)传动连接，所述主传动系统(29)包括无刷直流电机(27)、延长轴(28)、第一轴承(31)和主动带轮(33)，无刷直流电机(27)的输出端与延长轴(28)连接，第一轴承(31)和主动带轮(33)由上至下依次套装在延长轴(28)上，从传动系统(30)包括从动带轮(35)、第二轴承(36)、从动轴(37)、垫块(38)、谐波减速器(39)、第三轴承座(40)、第三轴承(41)和第四轴承(42)，从动轴(37)竖直设置在从动带轮(35)上，第二轴承(36)套装在从动带轮(35)上端的从动轴(37)上，第二轴承(36)与从动带轮(35)之间设有垫块(38)，谐波减速器(39)、第三轴承座(40)、第三轴承(41)和第四轴承(42)依次设置在从动轴(37)上。

6.根据权利要求1所述一种新型六足机器人，其特征在于：所述基节、股节和胫节的长度比为1∶4∶3。

7.根据权利要求4所述一种新型六足机器人，其特征在于：所述基节的长度为48mm，股节的长度为140mm，胫节的长度为122mm，单个机械腿伸直后的总长度为310mm，所述谐波减速器(39)的减速比为100。

8.根据权利要求3所述一种新型六足机器人，其特征在于：所述三维力传感器(16)包括第一弹性体(16-1)、第二弹性体(16-2)、第三弹性体(16-3)、两个轴向力应变片(16-4)，两个横向力应变片(16-5)和两个纵向力应变片(16-6)，第一弹性体(16-1)、第二弹性体(16-2)和第三弹性体(16-3)沿各自长度方向依次固接为一体，第一弹性体(16-1)的侧壁上加工有贴片孔(16-1-1)，贴片孔(16-1-1)内设置有两个轴向力应变片(16-4)，两个轴向力应变片(16-4)之间通过导线连接，第二弹性体(16-2)上相对的两个侧壁上分别设置有一个横向力应变片(16-5)，两个横向力应变片(16-5)之间通过导线连接，第三弹性体(16-3)上相对的两个侧壁上分别设置有一个纵向力应变片(16-6)，两个纵向力应变片(16-6)之间通过导线连接。

9.根据权利要求3所述一种新型六足机器人，其特征在于：所述第一一维力矩传感器(7)包括圆柱形关节(7-1)、弹性体横梁(7-2)、连接法兰(7-3)和两个关节应变片(7-4)，弹性体横梁(7-2)固接在圆柱形关节(7-1)外壁的中部，圆柱形关节(7-1)的中心轴线方向垂直于弹性体横梁(7-2)的端面设置，弹性体横梁(7-2)的底面垂直固接在连接法兰(7-3)的端面上，两个关节应变片(7-4)分别固接在弹性体横梁(7-2)底面的两端处，两个关节应变片(7-4)之间通过导线连接，所述第二一维力矩传感器(9)与第一一维力矩传感器(7)的结构相同。

Images