CN103171645B - 可滚动前进的六足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可滚动前进的六足机器人，包括六边形的整机支架，固定安装于整机支架正上方的控制与检测模块以及分别固定于整机支架的六个侧边的六只足部机构，其中六只足部机构的结构形式相同，均包括上肢机构、中段机构和下肢机构；本发明在崎岖和恶劣路况下，采用足式行走；当遇到平坦和下坡路面时，各个足部机构在中央控制器的控制下，协调动作，完成行走到滚动的姿态切换；本发明将靠近身体的驱动机构配置为控制抬升自由度，相对于传统的将靠近身体的机构配置为横向摆动自由度，提高了越障能力；六足机器人的运动机构冗余性，使得机器人在一定的关节失效后仍可前进；双腿可完成抓取动作，提高了执行任务的能力。

Description

可滚动前进的六足机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种即可以用腿行走又可以滚动的六足越障机器人。

背景技术

具有诸多优势：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。足式机器人，特别是六足机器人，具有良好的路面适应能力、高速机动性、行走稳定性和结构可靠性，能比较轻松的跨越障碍。因此六足机器人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。现在的六足机器人有比较好的越障能力，但是在平坦路面很难高速行走。

发明内容

本发明旨在通过仿生的方法，设计出一种仿生蜘蛛，在越障时利用多足机器人的优势轻松越障；在斜坡崎岖路面时利用轮型机器人的优势，快速滚动。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。

本发明通过以下技术方案实现：

一种可滚动前进的六足机器人，包括六边形的整机支架1，固定安装于整机支架1正上方的控制与检测模块2以及分别固定于整机支架1的六个侧边的六只足部机构3、4、5、6、7、8，其中六只足部机构3、4、5、6、7、8的结构形式相同，均包括上肢机构A、中段机构B和下肢机构C。

所述的上肢机构A由上肢伺服舵机9、上肢动力输出法兰10、上肢与中段连接件11、带法兰支撑轴12、轴承组件13和轴承支架14组成。高扭矩的上肢伺服舵机9通过上肢动力输出法兰10带动上肢与中段连接件11转动。为了保持运动的刚性，增加了支撑组件。带法兰支撑轴12的法兰端和上肢与中段连接件11固定连接。带法兰支撑轴12的轴端与轴承组件13的轴承内圈配合。轴承组件13通过角型材的轴承支架14和整机支架1固连。上肢驱动A配置为抬升机构，提高了机器人的越障能力。

所述的中段机构B由中段驱动舵机15、中段支撑轴承16、中段与下肢连接件17和中段动力输出法兰18组成。中段驱动舵机15横向布置，使整条腿的长度变短，降低了腿的力臂长度，从而降低了上肢伺服舵机9的负担。中段驱动舵机15的动力通过中段动力输出法兰18输出。中段与下肢连接件17在中段驱动舵机15的输出轴向有两处和其相连，其中，中段动力输出法兰18带动中段与下肢连接件17横向转动，中段支撑轴承16负责支撑。

所述的下肢机构C由下肢驱动舵机19、下肢动力输出法兰20和下肢双向足21组成。下肢驱动舵机19通过下肢动力输出法兰20带动下肢双向足21运动。下肢双向足21采用镂空碳纤维板材制造，在保证强度的同时降低了重量。由于下肢双向足21关于下肢驱动舵机19对称，即使机器人倾覆仍可正常行走。当进入滚动行走模式时，下肢双向足21的外部长端着地，因为长度大，所以行走稳定性高，降低了控制系统的负担。

控制与检测模块2包括全向视觉的CMOS摄像头2-1、硬件视觉处理模块2-2、中央控制器2-3、惯性测量单元2-4以及无线通信单元2-5；

其中，CMOS摄像头2-1将采集到的周围环境信息传递给具有硬件视频压缩功能的硬件视觉处理模块2-2，进行视频处理后，将路况信息传输给中央控制器2-3；

惯性测量单元2-4采集的运动信息，并传输给中央控制器2-3；

无线通信单元2-5用于接收和发送控制指令；

中央控制器2-3根据硬件视觉处理模块2-2和惯性测量单元2-4传递过来的信息自行输出驱动指令，或者根据无线通信单元2-5接收到的人工控制指令，控制各个伺服舵机动作，进而使各个腿移动相应的角度。

在自主行走模式下，中央控制器2-3根据CMOS摄像头2-1的视觉信息做出路况判断，中央处理器2-3根据视觉信息和惯性测量单元2-4获得的运动信息做出步态调整与规划，通过总线发送给各个伺服舵机，各个伺服舵机接收指令并做出相应动作。

在远程控制模式下，通过无线收发单元2-5将CMOS摄像头2-1采集到的周围环境信息、惯性测量单元2-4采集的运动信息发送给远程控制器上的显示器，操纵员根据显示信息发出相应控制指令。无线收发单元2-5接收操作员的控制指令，进而通过中央控制器2-3控制各个伺服舵机。

在崎岖和恶劣路况下，采用足式行走。当遇到平坦和下坡路面时，各个足部机构在中央控制器2-3的控制下，协调动作，完成行走到滚动的姿态切换。此过程中，中央控制器2-3通过读取惯性测量单元2-4的反馈信息来了解自身所处的姿态，做出平衡调整。

本发明的有益效果在于：

1、在恶劣路况下利用足式机器人的优势完成越障，在平坦和下坡路面利用轮型机器人的优势高速行走，提高能量利用率；

2、将靠近身体的驱动机构配置为控制抬升自由度，相对于传统的将靠近身体的机构配置为横向摆动自由度，提高了越障能力；

3、通过自身携带的惯性测量单元IMU获取机器人的姿态，轻松完成行走和滚动的切换；

4、靠近身体的执行器增加了轴承支撑，相对于没有支撑的执行器，承载能力更强，运动刚度更大；

5、越障能力更强，可以翻越高于身高的障碍；

6、整机采用碳纤维和航空铝结构，重量轻，在相同动力下能提供更高的有效载荷；

7、末端腿部相对身体对称，即使倾覆也能正常行走，同时也增加了滚动时与地面的接触面积，更稳定，降低了控制系统的负担；

8、六足机器人的运动机构冗余性，使得机器人在一定的关节失效后仍可前进；双腿可完成抓取动作，提高了执行任务的能力。

附图说明

图1为本发明的整机结构图；

图2为上肢机构部分的放大图；

图3为中段结构部分的放大图；

图4为下肢机构部分的放大图；

图5为行走姿态到滚动姿态的转变过程简图；

图6为控制与检测模块框图。

图中：

1、整机支架；2、控制与检测模块；3、4、5、6、7、8、足部机构；

9、上肢伺服舵机；10、上肢动力输出法兰；11、上肢与中段连接件；

12、带法兰支撑轴；13、轴承组件；14、轴承支架；15、中段驱动舵机；

16、中段支撑轴承；17、中段与下肢连接件；18、中段动力输出法兰；

19、下肢驱动舵机；20、下肢动力输出法兰；21、下肢双向足；

A、上肢机构；B、中段机构；C、下肢机构；

2-1、CMOS摄像头；2-2、硬件视觉处理模块；2-3、中央控制器；

2-4、惯性测量单元；2-5、无线通信单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步介绍。

图1为本发明的一种可滚动前进的六足机器人的整机结构图，可见其包括六边形的整机支架1，固定安装于整机支架1正上方的控制与检测模块2以及分别固定于整机支架1的六个侧边的六只足部机构3、4、5、6、7、8，其中六只足部机构3、4、5、6、7、8的结构形式相同，均包括上肢机构A、中段机构B和下肢机构C。

所述的上肢机构A如图2所示，由上肢伺服舵机9、上肢动力输出法兰10、上肢与中段连接件11、带法兰支撑轴12、轴承组件13和轴承支架14组成。高扭矩的上肢伺服舵机9通过上肢动力输出法兰10带动上肢与中段连接件11转动。为了保持运动的刚性，增加了支撑组件。带法兰支撑轴12的法兰端和上肢与中段连接件11固定连接。带法兰支撑轴12的轴端与轴承组件13的轴承内圈配合。轴承组件13通过角型材的轴承支架14和整机支架1固连。上肢驱动A配置为抬升机构，提高了机器人的越障能力。

所述的中段机构B如图3所示，由中段驱动舵机15、中段支撑轴承16、中段与下肢连接件17和中段动力输出法兰18组成。中段驱动舵机15横向布置，使整条腿的长度变短，降低了腿的力臂长度，从而降低了上肢伺服舵机9的负担。中段驱动舵机15的动力通过中段动力输出法兰18输出。中段与下肢连接件17在中段驱动舵机15的输出轴向有两处和其相连，其中，中段动力输出法兰18带动中段与下肢连接件17横向转动，中段支撑轴承16负责支撑。

所述的下肢机构C如图4所示，由下肢驱动舵机19、下肢动力输出法兰20和下肢双向足21组成。下肢驱动舵机19通过下肢动力输出法兰20带动下肢双向足21运动。下肢双向足21采用镂空碳纤维板材制造，在保证强度的同时降低了重量。由于下肢双向足21关于下肢驱动舵机19对称，即使机器人倾覆仍可正常行走。当进入滚动行走模式时，下肢双向足21的外部长端着地，因为长度大，所以行走稳定性高，降低了控制系统的负担。

图6为本发明的控制与检测模块框图，包括全向视觉的CMOS摄像头2-1、硬件视觉处理模块2-2、中央控制器2-3、惯性测量单元2-4以及无线通信单元2-5；

其中，CMOS摄像头2-1将采集到的周围环境信息传递给具有硬件视频压缩功能的硬件视觉处理模块2-2，进行视频处理后，将路况信息传输给中央控制器2-3；

惯性测量单元2-4采集的运动信息，并传输给中央控制器2-3；

无线通信单元2-5用于接收和发送控制指令；

中央控制器2-3根据硬件视觉处理模块2-2和惯性测量单元2-4传递过来的信息自行输出驱动指令，或者根据无线通信单元2-5接收到的人工控制指令，控制各个伺服舵机动作，进而使各个腿移动相应的角度。

在自主行走模式下，中央控制器2-3根据CMOS摄像头2-1的视觉信息做出路况判断，中央处理器2-3根据视觉信息和惯性测量单元2-4获得的运动信息做出步态调整与规划，通过总线发送给各个伺服舵机，各个伺服舵机接收指令并做出相应动作。

在远程控制模式下，通过无线收发单元2-5将CMOS摄像头2-1采集到的周围环境信息、惯性测量单元2-4采集的运动信息发送给远程控制器上的显示器，操纵员根据显示信息发出相应控制指令。无线收发单元2-5接收操作员的控制指令，进而通过中央控制器2-3控制各个伺服舵机。

在崎岖和恶劣路况下，采用足式行走。当遇到平坦和下坡路面时，各个足部机构在中央控制器2-3的控制下，协调动作，完成行走到滚动的姿态切换，其具体过程如图5所示。此过程中，中央控制器2-3通过读取惯性测量单元2-4的反馈信息来了解自身所处的姿态，做出平衡调整。

上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种可滚动前进的六足机器人，其特征在于：包括六边形的整机支架(1)，固定安装于整机支架(1)正上方的控制与检测模块(2)以及分别固定于整机支架(1)的六个侧边的六只足部机构(3、4、5、6、7、8)，其中六只足部机构(3、4、5、6、7、8)的结构形式相同，均包括上肢机构(A)、中段机构(B)和下肢机构(C)。

2.根据权利要求1所示的一种可滚动前进的六足机器人，其特征在于：

所述的上肢机构(A)由上肢伺服舵机(9)、上肢动力输出法兰(10)、上肢与中段连接件(11)、带法兰支撑轴(12)、轴承组件(13)和轴承支架(14)组成；高扭矩的上肢伺服舵机(9)通过上肢动力输出法兰(10)带动上肢与中段连接件(11)转动；带法兰支撑轴(12)的法兰端和上肢与中段连接件(11)固定连接；带法兰支撑轴(12)的轴端与轴承组件(13)的轴承内圈配合；轴承组件(13)通过角型材的轴承支架(14)和整机支架(1)固连。

3.根据权利要求1所示的一种可滚动前进的六足机器人，其特征在于：

所述的中段机构(B)由中段驱动舵机(15)、中段支撑轴承(16)、中段与下肢连接件(17)和中段动力输出法兰(18)组成；中段驱动舵机(15)横向布置；中段驱动舵机(15)的动力通过中段动力输出法兰(18)输出；中段与下肢连接件(17)在中段驱动舵机(15)的输出轴向有两处和其相连，其中，中段动力输出法兰(18)带动中段与下肢连接件(17)横向转动，中段支撑轴承(16)负责支撑。

4.根据权利要求1所示的一种可滚动前进的六足机器人，其特征在于：

所述的下肢机构(C)由下肢驱动舵机(19)、下肢动力输出法兰(20)和下肢双向足(21)组成；下肢驱动舵机(19)通过下肢动力输出法兰(20)带动下肢双向足(21)运动；下肢双向足(21)关于下肢驱动舵机(19)对称；当进入滚动行走模式时，下肢双向足(21)的外部长端着地。

5.根据权利要求1所示的一种可滚动前进的六足机器人，其特征在于：

所述的控制与检测模块(2)包括全向视觉的CMOS摄像头(2-1)、硬件视觉处理模块(2-2)、中央控制器(2-3)、惯性测量单元(2-4)以及无线通信单元(2-5)；

CMOS摄像头(2-1)将采集到的周围环境信息传递给具有硬件视频压缩功能的硬件视觉处理模块(2-2)，进行视频处理后，将路况信息传输给中央控制器(2-3)；

惯性测量单元(2-4)采集的运动信息，并传输给中央控制器(2-3)；

无线通信单元(2-5)用于接收和发送控制指令；

中央控制器(2-3)根据硬件视觉处理模块(2-2)和惯性测量单元(2-4)传递过来的信息自行输出驱动指令，或者根据无线通信单元(2-5)接收到的人工控制指令，控制各个伺服舵机动作，进而使各个腿移动相应的角度。