CN103144692A - 一种用于六足机器人的集成模块化腿部系统 - Google Patents

Abstract

一种用于六足机器人的集成模块化腿部系统，它涉及一种集成模块化腿部系统。本发明为了解决现有的机器人腿部系统存在机械结构复杂和定位不精确的问题。本发明的控制部分安装到机械机构上，三角形连接件、躯干-基节关节、基节梁、基节-股节关节、股节梁和股节-胫节关节依次连接，法兰与股节-胫节关节连接，足端架的上端设在法兰的法兰孔内，第一一维力传感器设置在基节梁上，第二一维力传感器设置在股节梁与基节-股节关节之间，三维力传感器设置在足端架上，数据采集卡固定在三维力传感器上，第一角位置传感器设在躯干-基节关节上，第二角位置传感器设在基节-股节关节上，第三角位置传感器设在股节-胫节关节上。本发明适用于六足机器人。

Description

一种用于六足机器人的集成模块化腿部系统

技术领域

本发明涉及一种集成模块化腿部系统，具体涉及一种用于六足机器人的集成模块化腿部系统。

背景技术

轮式机器人和履带式机器人能够在平坦的地面上表现出良好的运动能力，但是在地球以及外部星球的大部分地面都是非平坦的、非结构化的地面，这时，轮式和履带式机器人的运动能力就不能很好的发挥，甚至有些地形都无法行走。足式机器人特别是六足机器人能够很好的克服轮式和履带式机器人的上述缺点，能够实现在复杂、非结构化的地面环境中实现稳定地行走。

六足机器人的腿部作为六足机器人的关键部件，其设计的好坏对于机器人整体的性能有着很大的影响。但现有的机器人腿部系统存在机械结构复杂和定位不精确的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的机器人腿部系统存在机械结构复杂和定位不精确的问题，进而提供一种用于六足机器人的集成模块化腿部系统。

本发明的技术方案是：一种用于六足机器人的集成模块化腿部系统包括机械机构和控制部分，控制部分安装到机械机构上，

所述机械机构包括三角形连接件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、连接件13、法兰14、弹簧15、足端架44和足端胶皮套18，三角形连接件5、躯干-基节关节6、基节梁43、基节-股节关节8、股节梁10和股节-胫节关节12由左至右依次连接，法兰14通过连接件13与股节-胫节关节12连接，足端架44的上端设置在法兰14的法兰孔内，弹簧15套装在足端架44的上部，足端胶皮套18套装在足端架44的下端，

所述控制部分包括第一一维力传感器7、第二一维力传感器9、数据采集卡17、传感器数据处理模块11、三维力传感器16、第一角位置传感器A1、第二角位置传感器A2和第三角位置传感器A3，第一一维力传感器7设置在基节梁43上，第二一维力传感器9设置在股节梁10与基节-股节关节8之间，三维力传感器16设置在足端架44上，数据采集卡17固定在三维力传感器16上，传感器数据处理模块11设置在股节梁10和股节-胫节关节12之间，第一角位置传感器A1设置在躯干-基节关节6上，第二角位置传感器A2设置在基节-股节关节8上，第三角位置传感器A3设置在股节-胫节关节12上。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1.本发明的腿部系统采用集成化结构，机械结构在实现其行走功能的前提下相对更加简单，结构更加紧凑，整体的重量更加轻，能够在相对简单的结构基础上提供较大的动力，可靠性高。

2.本发明的机械机构和控制部分均采用模块化结构，使其在出现状况的时候维修、更换更加方便，使用起来更加便捷。

3.本发明采用仿生学对腿部各部分尺寸进行了优化设计，使其在相同的基础上得到了更大的灵活度。

4.本发明的机械机构中的无刷直流电机代替现有的舵机驱动，控制和定位更加简单，精确。

附图说明

图1是本发明的整体外部结构图；图2是本发明去掉基节包装壳体、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3是图2去掉A1、A2和A3后的结构示意图；图4是躯干-基节关节的整体外部结构图；图5是胫节的整体结构示意图；图6是图4去掉关节壳体后的俯视图；图7是用于驱动整个腿部系统工作的总控制系统图；图8是第二一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至图3和图8说明本实施方式，本实施方式的一种用于六足机器人的集成模块化腿部系统集成模块化腿部系统包括机械机构和控制部分，控制部分安装到机械机构上，

所述机械机构包括三角形连接件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、连接件13、法兰14、弹簧15、足端架44和足端胶皮套18，三角形连接件5、躯干-基节关节6、基节梁43、基节-股节关节8、股节梁10和股节-胫节关节12由左至右依次连接，法兰14通过连接件13与股节-胫节关节12连接，足端架44的上端设置在法兰14的法兰孔内，弹簧15套装在足端架44的上部，足端胶皮套18套装在足端架44的下端，

所述控制部分包括第一一维力传感器7、第二一维力传感器9、数据采集卡17、传感器数据处理模块11、三维力传感器16、第一角位置传感器A1、第二角位置传感器A2和第三角位置传感器A3，第一一维力传感器7设置在基节梁43上，第二一维力传感器9设置在股节梁10与基节-股节关节8之间，三维力传感器16设置在足端架44上，数据采集卡17固定在三维力传感器16上，传感器数据处理模块11设置在股节梁10和股节-胫节关节12之间，第一角位置传感器A1设置在躯干-基节关节6上，第二角位置传感器A2设置在基节-股节关节8上，第三角位置传感器A3设置在股节-胫节关节12上。

本发明在实现其高灵活度和小型化的基础上，使其具有全方位的力感知和关节位置感知功能，从而可以实现腿部足端精确的位置控制和力控制，为六足机器人非结构化环境的自主稳定步行奠定基础。

本发明的法兰盘14由螺钉固定在连接件13上，三维力传感器16套上弹簧15插入法兰盘14的孔内，在连接件13上开有槽，螺钉通过槽连接三维力传感器16，螺钉可在槽内移动，这样胫节就有了一个基于弹簧15的被动自由度，能够缓冲一定的足端接触力带来的冲击。

本发明的数据采集卡17通过螺钉和垫圈固定在胫节三维力传感器16上，可以收集三维力传感器16上应变片收集到信号；角位置传感器(A1、A2或A3)由螺钉固定在第一轴承座23上，每个关节各有一个，选用基于霍尔效应的芯片配合磁头的设计，直接感应关节转过的绝对角度；数据处理模块11固定在股节梁10上，用来收集数据采集卡17，角位置传感器传来的数据并把数据传回处理器中。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的集成模块化腿部系统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。如此设置，不但有效的保护了腿部系统各种构件，还使得腿部系统更加美观、小巧。其它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4和图6说明本实施方式，本实施方式的躯干-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，关节壳体26的两端分别设有第一轴承座23和第二轴承座24。如此设置，使其在出现状况的时候维修、更换更加方便，使用起来更加便捷。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图6说明本实施方式，本实施方式的内部传动系统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由右至左依次设置，且主传动系统29和从传动系统30之间通过同步带34带连接。如此设置，结构简单，运行可靠。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图6说明本实施方式，本实施方式的主传动系统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。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图6说明本实施方式，本实施方式的从传动系统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由下至上依次设置在从动轴37上。其它组成和连接关系与具体实施方式四或五相同。

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传感器7、第二一维力传感器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传感器7、第二一维力传感器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——第一一维力传感器7或第二一维力传感器9(或连接件13)。其他零件起到固定和润滑的作用。

具体实施方式七：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的躯干-基节关节6的转轴到基节-股节关节8的转轴之间的长度：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：股节-胫节关节12的转轴到足端之间的长度比为1∶4∶3。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。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式八：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的躯干-基节关节6、基节-股节关节8和股节-胫节关节12的长度分别为48mm，140mm和122mm。如此设置，机器人能够获得最大的灵活性。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：结合图6说明本实施方式，本实施方式的谐波减速器39的减速比为100。如此设置，便于与从动带轮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六相同。

本发明的直流无刷盘式电机27，它具有较大的功率体积比：直径20mm，额定转速：5480rpm，额定力矩：8.2mNm。带传动方式，有效的减少了横向尺寸，从而减小运动时腿间的干涉可能性，提高了腿部的灵活度。谐波减速器的减速比为100，结合大小带轮齿数比(大带轮32齿，小带轮14齿)，传动系统的减速比约为230，因此实际关节工作转速为24rpm，工作转矩为1.9Nm。

具体实施方式十：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的六足机器人的集成模块化腿部系统展开的总长度为310mm。如此设置，结构简单。其它组成和连接关系与具体实施方式九相同。

结合图7说明本发明腿部的控制部分，六足机器人的机身上设有专门控制机器人腿部系统的控制模块，该控制模块包括接口板D、驱动板C及核心控制器B，核心控制器B和驱动板C由左至右依次设置在接口板D上。每条腿有一个控制模块，用来接收并处理数据并且控制并驱动电机的转动。

Claims (10)

1.一种用于六足机器人的集成模块化腿部系统，其特征在于：所述集成模块化腿部系统包括机械机构和控制部分，控制部分安装到机械机构上， 

所述机械机构包括三角形连接件(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)、连接件(13)、法兰(14)、弹簧(15)、足端架(44)和足端胶皮套(１８)，三角形连接件(5)、躯干-基节关节(6)、基节梁(43)、基节-股节关节(8)、股节梁(10)和股节-胫节关节(12)由左至右依次连接，法兰(14)通过连接件(13)与股节-胫节关节(12)连接，足端架(44)的上端设置在法兰(14)的法兰孔内，弹簧(15)套装在足端架(44)的上部，足端胶皮套(１８)套装在足端架(44)的下端， 

所述控制部分包括第一一维力传感器(7)、第二一维力传感器(9)、数据采集卡(17)、传感器数据处理模块(11)、三维力传感器(16)、第一角位置传感器(A1)、第二角位置传感器(A2)和第三角位置传感器(A3)，第一一维力传感器(7)设置在基节梁(43)上，第二一维力传感器(9)设置在股节梁(10)与基节-股节关节(8)之间，三维力传感器(16)设置在足端架(44)上，数据采集卡(17)固定在三维力传感器(16)上，传感器数据处理模块(11)设置在股节梁(10)和股节-胫节关节(12)之间，第一角位置传感器(A1)设置在躯干-基节关节(6)上，第二角位置传感器(A2)设置在基节-股节关节(8)上，第三角位置传感器(A3)设置在股节-胫节关节(12)上。 

2.根据权利要求1所述一种用于六足机器人的集成模块化腿部系统，其特征在于：所述集成模块化腿部系统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或2所述一种用于六足机器人的集成模块化腿部系统，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，关节壳体(26)的两端分别设有第一轴承座(23)和第二轴承座(24)。 

4.根据权利要求3所述一种用于六足机器人的集成模块化腿部系统，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)由右至左依次设置，且主传动系统(29)和从传动系统 (30)之间通过同步带(34)带连接。 

5.根据权利要求4所述一种用于六足机器人的集成模块化腿部系统，其特征在于：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。 

6.根据权利要求4或5所述一种用于六足机器人的集成模块化腿部系统，其特征在于：所述从传动系统(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)由下至上依次设置在从动轴(37)上。 

7.根据权利要求3所述一种用于六足机器人的集成模块化腿部系统，其特征在于：所述躯干-基节关节(6)的转轴到基节-股节关节(8)的转轴之间的长度：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：股节-胫节关节(12)的转轴到足端之间的长度比为1∶4∶3。 

8.根据权利要求1所述一种用于六足机器人的集成模块化腿部系统，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)的长度分别为48mm，140mm和122mm。 

9.根据权利要求6所述一种用于六足机器人的集成模块化腿部系统，其特征在于：所述谐波减速器(39)的减速比为(100)。 

10.根据权利要求9所述一种用于六足机器人的集成模块化腿部系统，其特征在于：所述六足机器人的集成模块化腿部系统展开的总长度为310mm。 

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