CN103192898A - 一种具有首尾平衡调节装置的仿生四足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有首尾平衡调节装置的仿生四足机器人，包括躯干、头部平衡调节装置、尾部平衡调节装置以及四条机器人腿，所述四条机器人腿分布在机器人躯干下方，所述首尾平衡调节机构位于躯干前部横梁与后部横梁。本机器人采用数字舵机作为驱动器，舵机可以实现速度、位置控制，并能够反馈速度、位置、力矩等信息便于在线观察机器人的运动状态。每条腿具有三个主动自由度一个被动伸缩自由度，可以实现三维空间运动，使机器人具有更强的复杂环境适应能力以及越障能力。具有首位平衡调节装置在静态行走时能够及时调节机器人的重心位置，增加机器人的平稳性；在机器人已经处于失稳状态即将翻到时，通过快速转动头部和尾部以产生相反的转动力矩防止机器人翻到而恢复平衡状态。本发明适用于复杂地形环境下的军事、民用物资运输、反恐装置、野外探测以及星球探测等多种领域。

Description

一种具有首尾平衡调节装置的仿生四足机器人

技术领域

本发明涉及一种四足步行机器人，具体涉及一种具有首位平衡调节装置的四足步行机器人。

背景技术

四足机器人发展到现在已经有了半个世纪的历史了，这类腿式移动机器人能具有灵活、稳定、承载能力强等特点，对复杂地形的适应能力远远超出轮式和履带式移动机构，因此在军事运输、反恐排雷、灾后营救以及航天探测方面有着很大的应用前景。四足机器人的研究成为了国内外众多科研单位的重要课题，其中最具有代表性的应该是波士顿动力的bigdog，该机器人采用三段腿结构，整机共计有20个自由度，每条腿有5个自由度，其中4个主动自由度，具体到每条腿及髋部，包括髋部横向（侧滑）、纵向（前进）2个自由度，膝关节纵向自由度，踝关节纵向自由度；足端增加一个弹性被动自由度，用以增加对地形的适应性。其运动能力是现有的四足机器人中最优秀的，它能够适应冰面、雪地、草地等多种地形，并表现出超强的抗侧向扰动能力。之所以能建造出具有如此强大的机器人，是因为波士顿早起对机器人腿部的研究，使得他们能够针对足式机器人建立复杂的动力学模型。意大利理工研制的HyQ机器人也具有相当高的运动能力，该机器人采用两段腿结构，整机共具有12自由度，包括髋关节横滚、俯仰两个自由度和膝关节一个自由度。目前国内多家科研单位都对四足机器人进行研究，其中国防科技大学、哈尔滨工业大学的机器人具有与bigdog相似的自由度配置，而山东大学的机器人与HyQ的机器人具有相同的自由度配置。以上机器人虽然已经具有不错的运动能力，但是平衡能力方面仍然不够完善，在设计中常常忽略的平衡调节结构的作用。通常的做法是通过添加配种来改善机器人的运动情况，中国专利文献CN101811525A公开了“具有质心调节的液压驱动四足机器人移动机构”，该机器人提出了一种质心调节装置，该质心调节装置在机器人纵向与横向两个正交轴上布置了移动机构来调节机器人的质量分布。此种质心调节装置仅在静态条件下对机器人的平衡稳定性有所帮助，而在动态失稳状态下很难令机器人恢复平衡。

发明内容

本发明目的在于提高机器人运动的稳定性，提出一种结构简单、具有越障能力、能够转向、具有首位平衡调节装置的四足机器人。该机器人的提出将为仿生四足机器人的研究提供一个新的思路，有利于提高四足机器人研究的整体水平。

为了实现以上研究目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有首尾平衡调节装置的仿生四足机器人，所述机器人包括躯干，头部平衡调节装置，尾部平衡调节装置以及第一条机器人腿、第二条机器人腿、第三条机器人腿、第四条机器人腿。

头部调节装置中的头部舵机底座通过螺钉固定在机器人脊椎的一端。

尾部调节装置中的尾部舵机底座通过螺钉固定在机器人脊椎的另一端。

第一至第四条机器人腿结构完全相同。

第一条机器人腿的第一条腿髋关节舵机底座通过螺钉固定到躯干的第一横梁上面的安装孔处。

第二条机器人腿的第二条腿髋关节舵机底座通过螺钉固定到躯干的第一横梁上面的安装孔处。

第三条机器人腿的第三条腿髋关节舵机底座通过螺钉固定到躯干的第二横梁上面的安装孔处。

第四条机器人腿的第四条腿髋关节舵机底座通过螺钉固定到躯干的第二横梁上面的安装孔处。

所述第一条机器人腿包括髋关节横向舵机组件、髋关节正交舵机架组件、大腿组件以及小腿组件。

髋关节横向舵机组件包括：第一条腿髋关节舵机底座与髋关节横向舵机，其中第一条腿髋关节舵机底座为槽型件通过螺钉固定在舵机外壳一侧的安装孔上，髋关节横向舵机的舵盘与髋关节横向舵机架通过螺钉固定，形成髋关节横向转动副，整条机器人腿绕该转动轴左右摆动。

髋关节正交舵机架组件包括髋关节横向舵机架和髋关节纵向舵机架，所述舵机架为结构几寸相同的U型件，两舵机架轴向正交，通过螺钉在U型件中间固定在一起，髋关节纵向舵机架与髋关节纵向舵机的舵盘通过螺钉固定，形成髋关节纵向转动副，整条机器人腿绕该轴进行前后摆动。

大腿组件包括髋关节纵向舵机与膝关节舵机通过第一大腿板以及第二大腿板 ，所述第一大腿板和第二大腿板 为槽型件，两大腿板分别通过螺钉安装在轴向平行的髋关节纵向舵机与膝关节舵机外壳上两侧的安装孔上，膝关节舵机的舵盘与小腿组件中的膝关节舵机架通过螺钉固定在一起形成膝关节转动副。

小腿组件包括膝关节舵机架、气动弹簧、球形足端以及橡胶足套；气动弹簧上管末端的螺纹杆穿过膝关节舵机架中间的安装孔并由螺母固定在舵机架上，气动弹簧下管末端的螺纹杆与球形足端的螺纹孔配合固定；橡胶足套套在球形足端外面与球形足端的间隙内安装薄膜式压力传感器。

第二条机器人腿、第三条机器人腿、第四条机器人腿与第一条机器人腿具有相同组成和安装关系。

所述头部平衡调节装置包括：头部质量块、颈管、头部法兰、头部舵机架、头部驱动舵机、头部舵机底座。

所述头部驱动舵机与头部舵机底座固定方式与髋关节横向舵机组件相同。

所述头部舵机架安装到头部驱动舵机的舵盘上形成纵向转动副，头部法兰通过螺钉固定在头部舵机架的中间安装孔处，颈管一端插入头部法兰中间的圆孔并用螺钉固定，头部质量块为盘型件沿径向和轴向分别有一个安装孔，径向安装孔套在颈管外部，轴向安装孔与颈管的另一端的均匀布置的若干安装孔其中的一个配合并用螺钉固定。

所述尾部舵机底座包括尾部质量块、尾管、尾部法兰、尾部舵机架、尾部驱动舵机、尾部舵机底座。

尾部舵机底座为槽型件通过螺钉固定尾部驱动舵机底部安装孔处，尾部舵机架安装到尾部驱动舵机的舵盘上形成横向转动副，尾部法兰通过螺钉固定在尾部舵机架的中间安装孔处，尾管一端插入尾部法兰中间的圆孔并用螺钉固定，尾部质量块为柱型件并在中间位置沿径向开有安装孔与颈管的另一端的均匀布置的若干安装孔其中的一个配合并用螺钉固定。

所述机器人躯干为工字型结构，第一横梁、第二横梁通过螺栓与脊柱垂直固定，第一横梁、第二横梁结构尺寸相同左右对称开有安装孔用于固定机器人腿，脊椎中间安装微型惯性测量传感器，测量机器人躯干的三轴角位移、角速度以及三轴线加速度数据。

通过控制机器人四条腿各个关节舵机的转动角位置及转动速度，实现机器人仿生的行走运动，该机器人可以实现行走步态既每次只迈一条腿，其他三条腿支撑；对角步态既机器人对角线上的腿同时为支撑腿或摆动腿；跳跃步态既前腿与后腿交替着地为支撑腿，同时也存在四腿腾空相。

机器人在行走时，地面对足端产生很大的冲击力，小腿采用的气动弹簧受冲击压缩起到很好的缓冲作用，同时具有一定的储能作用；球形足端与地面接触面积减小却大大的增加了机器人对不同地形的适应能力，表面粗糙的橡胶足套既增加足端与地面的摩擦力又起到保护薄膜压力传感器的作用。

头部、尾部相对躯干的位置随着相应的驱动舵机转角变化而变化，实现在水平面内的质心调节作用。相互正交的转轴具有解耦作用，简化了控制的复杂程度。机器人静态步态行走时，时刻处于三腿支撑状态，如果质心不在支撑多边形内机器人会失稳而翻到，此类调节装置可以实时调节质心令其在支撑多边形内部。如果机器人已经处于失稳状态即将翻到时，通过快速转动头部和尾部以产生相反的转动力矩防止机器人翻到而恢复平衡状态。头尾连杆分布调节孔以满足不同步态下质心调节范围的需要。本发明的有益效果：

(1)本机器人采用数字舵机作为驱动器，舵机可以实现速度、位置控制，并能够反馈速度、位置、力矩等信息便于在线观察机器人的运动状态。

(2)每条腿具有三个主动自由度一个被动伸缩自由度，可以实现三维空间运动，使机器人具有更强的复杂环境适应能力以及越障能力。

(3)具有首位平衡调节装置，能够及时调节机器人的重心位置，在机器人已经处于失稳状态即将翻到时，通过快速转动头部和尾部以产生相反的转动力矩防止机器人翻到而恢复平衡状态。

本发明适用于复杂地形环境下的军事、民用物资运输、反恐装置、野外探测以及星球探测等多种领域。

附图说明

图1 本发明的一种具有首尾平衡调节装置的四足机器人的整体结构图；

图2 本机器人第一条机器人腿结构示意图；

图3 本机器人髋关节横向舵机组件爆炸示意图；

图4 本机器人髋关节正交舵机架组件装配示意图；

图5 本机器人大腿组件爆炸示意图；

图6 本机器人小腿组件装配示意图；

图7 本机器人头部平衡调节装置爆炸示意图；

图 8 本机器人尾部平衡调节装置爆炸示意图；

图 9 本机器人躯干装配示意图；

图中：A.头部平衡调节装置、B.躯干、C.尾部平衡调节装置、D.第一条机器人腿、E.第二条机器人腿、F.第三条机器人腿、G.第四条机器人腿、A1.头部质量块、A2.颈管、A3.头部法兰、A4.头部舵机架、A5.头部驱动舵机、A6.头部舵机底座、B1.第一横梁、B2.脊椎、B3.微型惯性测量传感器、B4.第二横梁、C1.尾部质量块、C2.尾管、C3.尾部法兰、C4.尾部舵机架、C5.尾部驱动舵机、C6.尾部舵机底座、D1.髋关节横向舵机组件、D2.髋关节正交舵机架组件、D3.大腿组件、D4.小腿组件、D1-1.第一条腿髋关节舵机底座、D1-2.髋关节横向舵机、D2-1.髋关节横向舵机架、D2-2.髋关节纵向舵机架、D3-1.髋关节纵向舵机、D3-2.第一大腿板、D3-3.第二大腿板、D3-4.膝关节舵机、D4-1.膝关节舵机架、D4-2.气动弹簧、D4-3.球形足端、D4-4.橡胶足套、E1-1.第二条腿髋关节舵机底座、F1-1.第三条腿髋关节舵机底座、G1-1.第四条腿髋关节舵机底座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

一种具有首尾平衡调节装置的仿生四足机器人，如图1所示，该机器人包括躯干B，头部平衡调节装置A，尾部平衡调节装置C以及第一条机器人腿D、第二条机器人腿E、第三条机器人腿F、第四条机器人腿G。

头部调节装置中的头部舵机底座A6通过螺钉固定在机器人脊椎B2的一端。

尾部调节装置中的尾部舵机底座C6通过螺钉固定在机器人脊椎B2的另一端。

第一至第四条机器人腿结构完全相同。

第一条机器人腿D的第一条腿髋关节舵机底座D1-1通过螺钉固定到躯干B的第一横梁B1上面的安装孔B1-a处。

第二条机器人腿E的第二条腿髋关节舵机底座E1-1通过螺钉固定到躯干B的第一横梁B1上面的安装孔B1-b处。

第三条机器人腿F的第三条腿髋关节舵机底座F1-1通过螺钉固定到躯干B的第二横梁B4上面的安装孔B4-a处。

第四条机器人腿G的第四条腿髋关节舵机底座G1-1通过螺钉固定到躯干B的第二横梁B4上面的安装孔B4-b处。

所述第一条机器人腿D，如图2所示，包括髋关节横向舵机组件D1、髋关节正交舵机架组件D2、大腿组件D3以及小腿组件D4。

髋关节横向舵机组件D1，如图3所示，包括：第一条腿髋关节舵机底座D1-1与髋关节横向舵机D1-2，其中第一条腿髋关节舵机底座D1-1为槽型件通过螺钉固定在舵机外壳一侧的安装孔上，髋关节横向舵机D1-2的舵盘与髋关节横向舵机架D2-1通过螺钉固定，形成髋关节横向转动副，整条机器人腿绕该转动轴左右摆动。

髋关节正交舵机架组件D2，如图4所示，包括髋关节横向舵机架D2-1和髋关节纵向舵机架D2-2，所述舵机架为结构几寸相同的U型件，两舵机架轴向正交，通过螺钉在U型件中间固定在一起，髋关节纵向舵机架D2-2与髋关节纵向舵机D3-1的舵盘通过螺钉固定，形成髋关节纵向转动副，整条机器人腿绕该轴进行前后摆动。

大腿组件D3，如图5所示，包括髋关节纵向舵机D3-1与膝关节舵机D3-4通过第一大腿板D3-2以及第二大腿板 D3-3，所述第一大腿板D3-2和第二大腿板 D3-3为槽型件，两大腿板分别通过螺钉安装在轴向平行的髋关节纵向舵机D3-1与膝关节舵机D3-4外壳上两侧的安装孔上，膝关节舵机D3-4的舵盘与小腿组件D4中的膝关节舵机架D4-1通过螺钉固定在一起形成膝关节转动副。

小腿组件D4，如图6所示，包括膝关节舵机架D4-1、气动弹簧D4-2、球形足端D4-3以及橡胶足套D4-4；气动弹簧D4-2上管末端的螺纹杆穿过膝关节舵机架中间的安装孔并由螺母固定在舵机架上，气动弹簧下管末端的螺纹杆与球形足端D4-3的螺纹孔配合固定；橡胶足套D4-4套在球形足端外面与球形足端D4-3的间隙内安装薄膜式压力传感器。

第二条机器人腿E、第三条机器人腿F、第四条机器人腿G与第一条机器人腿D具有相同组成和安装关系。

所述头部平衡调节装置A，如图7所示，包括：头部质量块A1、颈管A2、头部法兰A3、头部舵机架A4、头部驱动舵机A5、头部舵机底座A6。

所述头部驱动舵机A5与头部舵机底座A6固定方式与髋关节横向舵机组件D1相同。

所述头部舵机架A4安装到头部驱动舵机A5的舵盘上形成纵向转动副，头部法兰A3通过螺钉固定在头部舵机架A4的中间安装孔处，颈管A2一端插入头部法兰A3中间的圆孔并用螺钉固定，头部质量块A1为盘型件沿径向和轴向分别有一个安装孔，径向安装孔套在颈管A2外部，轴向安装孔与颈管A2的另一端的均匀布置的若干安装孔其中的一个配合并用螺钉固定。

所述尾部平衡调节装置C，如图8所示，包括尾部质量块C1、尾管C2、尾部法兰C3、尾部舵机架C4、尾部驱动舵机C5、尾部舵机底座C6。

尾部舵机底座C6为槽型件通过螺钉固定尾部驱动舵机C5底部安装孔处，尾部舵机架C4安装到尾部驱动舵机C5的舵盘上形成横向转动副，尾部法兰C3通过螺钉固定在尾部舵机架C4的中间安装孔处，尾管C2一端插入尾部法兰C3中间的圆孔并用螺钉固定，尾部质量块C1为柱型件并在中间位置沿径向开有安装孔与颈管A2的另一端的均匀布置的若干安装孔其中的一个配合并用螺钉固定。如图9机器人躯干是由脊椎B2、第一横梁B1以及第二横梁B4通过螺钉固定形成的工字型结构，其中脊椎B2、第一横梁B1以及第二横梁B4均为矩形板件。微型惯性测量传感器B3安装在脊椎B2中部，测量机器人躯干的三轴角位移、角速度以及三轴线加速度数据。

Claims (4)

1.一种具有首尾平衡调节装置的仿生四足机器人，其特征在于：该机器人包括躯干(B)，头部平衡调节装置(A)，尾部平衡调节装置(C)以及第一条机器人腿(D)、第二条机器人腿(E)、第三条机器人腿(F)、第四条机器人腿(G)；

头部调节装置中的头部舵机底座(A6)通过螺钉固定在机器人脊椎(B2)的一端；

尾部调节装置中的尾部舵机底座(C6)通过螺钉固定在机器人脊椎(B2)的另一端；

第一至第四条机器人腿结构完全相同；

第一条机器人腿(D)的第一条腿髋关节舵机底座(D1-1)通过螺钉固定到躯干(B)的第一横梁(B1)上面的安装孔(B1-a)处；

第二条机器人腿(E)的第二条腿髋关节舵机底座(E1-1)通过螺钉固定到躯干(B)的第一横梁(B1)上面的安装孔(B1-b)处；

第三条机器人腿(F)的第三条腿髋关节舵机底座(F1-1)通过螺钉固定到躯干(B)的第二横梁(B4)上面的安装孔(B4-a)处；

第四条机器人腿(G)的第四条腿髋关节舵机底座(G1-1)通过螺钉固定到躯干(B)的第二横梁(B4)上面的安装孔(B4-b)处。

2.如权利要求1所述的具有首尾平衡调节装置的仿生四足机器人，其特征在于：

所述第一条机器人腿(D)包括髋关节横向舵机组件(D1)、髋关节正交舵机架组件(D2)、大腿组件(D3)以及小腿组件(D4)；

髋关节横向舵机组件(D1)包括：第一条腿髋关节舵机底座(D1-1)与髋关节横向舵机(D1-2)，其中第一条腿髋关节舵机底座(D1-1)为槽型件通过螺钉固定在舵机外壳一侧的安装孔上，髋关节横向舵机(D1-2)的舵盘与髋关节横向舵机架(D2-1)通过螺钉固定，形成髋关节横向转动副，整条机器人腿绕该转动轴左右摆动；

髋关节正交舵机架组件(D2)包括髋关节横向舵机架(D2-1)和髋关节纵向舵机架(D2-2)，所述舵机架为结构几寸相同的U型件，两舵机架轴向正交，通过螺钉在U型件中间固定在一起，髋关节纵向舵机架(D2-2)与髋关节纵向舵机(D3-1)的舵盘通过螺钉固定，形成髋关节纵向转动副，整条机器人腿绕该轴进行前后摆动；

大腿组件(D3)包括髋关节纵向舵机(D3-1)与膝关节舵机(D3-4)通过第一大腿板(D3-2)以及第二大腿板 (D3-3)，所述第一大腿板(D3-2)和第二大腿板 (D3-3)为槽型件，两大腿板分别通过螺钉安装在轴向平行的髋关节纵向舵机(D3-1)与膝关节舵机(D3-4)外壳上两侧的安装孔上，膝关节舵机(D3-4)的舵盘与小腿组件(D4)中的膝关节舵机架(D4-1)通过螺钉固定在一起形成膝关节转动副；

小腿组件(D4)包括膝关节舵机架(D4-1)、气动弹簧(D4-2)、球形足端(D4-3)以及橡胶足套(D4-4)；气动弹簧(D4-2)上管末端的螺纹杆穿过膝关节舵机架中间的安装孔并由螺母固定在舵机架上，气动弹簧下管末端的螺纹杆与球形足端(D4-3)的螺纹孔配合固定；橡胶足套(D4-4)套在球形足端外面与球形足端(D4-3)的间隙内安装薄膜式压力传感器；

第二条机器人腿(E)、第三条机器人腿(F)、第四条机器人腿(G)与第一条机器人腿(D)具有相同组成和安装关系。

3.如权利要求1所述的具有首尾平衡调节装置的仿生四足机器人，其特征在于：

所述头部平衡调节装置(A)包括：头部质量块(A1)、颈管(A2)、头部法兰(A3)、头部舵机架(A4)、头部驱动舵机(A5)、头部舵机底座(A6)；

所述头部驱动舵机(A5)与头部舵机底座(A6)固定方式与髋关节横向舵机组件(D1)相同；

所述头部舵机架(A4)安装到头部驱动舵机(A5)的舵盘上形成纵向转动副，头部法兰(A3)通过螺钉固定在头部舵机架(A4)的中间安装孔处，颈管(A2)一端插入头部法兰(A3)中间的圆孔并用螺钉固定，头部质量块(A1)为盘型件沿径向和轴向分别有一个安装孔，径向安装孔套在颈管(A2)外部，轴向安装孔与颈管(A2)的另一端的均匀布置的若干安装孔其中的一个配合并用螺钉固定。

4.如权利要求1所述的具有首尾平衡调节装置的仿生四足机器人，其特征在于：

所述尾部舵机底座(C6)包括尾部质量块(C1)、尾管(C2)、尾部法兰(C3)、尾部舵机架(C4)、尾部驱动舵机(C5)、尾部舵机底座(C6)；

尾部舵机底座(C6)为槽型件通过螺钉固定尾部驱动舵机(C5)底部安装孔处，尾部舵机架(C4)安装到尾部驱动舵机(C5)的舵盘上形成横向转动副，尾部法兰(C3)通过螺钉固定在尾部舵机架(C4)的中间安装孔处，尾管(C2)一端插入尾部法兰(C3)中间的圆孔并用螺钉固定，尾部质量块(C1)为柱型件并在中间位置沿径向开有安装孔与颈管(A2)的另一端的均匀布置的若干安装孔其中的一个配合并用螺钉固定。

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