CN104309717B - 具有储能功能的变机体模块化四足步行机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有储能功能的变机体模块化四足步行机器人，包括机身结构单元，在机身结构单元中部下方设置有储能结构单元，在机身结构单元左右两侧下方分别设置有一组脚部结构单元，在机身结构上设置有控制器单元。本发明通过储能结构单元调整机体尺寸变化，形成一种实现机体变化功能的模块化四足步行机器人，模拟仿生哺乳动物的身体变化，使该机器人初步具备跳跃功能。该机器人方案同时简化机器人的结构和控制，降低研制和使用成本。该机器人具有良好运动灵活性、对地面的适应能力，提升机器人越障能力，从而使其能够在更多特殊环境和场合中使用，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种具有储能功能的变机体模块化多足步行机器人。
背景技术
与轮式、履带式移动机器人相比，仿生足式机器人以其独特的运动形式和控制方法，在崎岖不平的路面运动具有较好的地面适应性，以及野外复杂环境下的应用潜力而成为机器人研究领域的热点。
但目前的多足仿生步行机器人，其机动性不好，对环境的适应性不够，越障能力较弱，运动步态的模式较有限。比较典型的，仿生步行机器人实现对沟壑、障碍的跳跃就比较困难。为提高仿生步行机器人的运动性能，国内外学者开展了具有弹跳性能的仿生机器人研究。对有弹跳性能的仿生机器人研究多从单腿系统开始。单腿系统不仅是决定机器人运动能力的关键因素，也是整机开发过程中重要的前期研究平台，国内外学者开展了较多的机器人单腿的结构设计和控制方法方面的研究工作。麻省理工学院Raibert等人在20世纪80年代研制了单腿跳跃机器人，其中的腿部气缸为弹性阻尼元件。C．Jean和GarthZeglin等人于2001年研制出3Dleg机器人，利用弹性弓形腿，通过拉伸绳索机构使弓形腿弯曲并驱动钢板弹簧变形存储能量，当弓形腿弯曲到一定程度时会自动释放绳索，释放能量的同时，弓形腿弹回原来的形状，在地面反弹力的作用下实现跳跃。所开发的控制系统，使其在跳跃运动过程中弓形腿能够始终与地面保持垂直，从而使其在跳跃过程中能够保证身体动态平衡。但该机构具有一定的缺陷，即只能在二维平面内运动。
加拿大McGill大学MartinBuehler教授的团队研制了SOUT、KOLT等以行走步态为主要运动形式的四足机器人。为了追求更高的动态性能，很多学者从带有弹性元件的单腿系统入手开展四足机器人研究。Kim和Lewis则仿照猎豹运动特点，开发了两款针对高速奔跑运动的单腿系统和单足弹跳机器人，并开展了相关研究。美国波士顿动力公司（BostonDynamics）研发的一套运输机器人“BigDog”，其依靠安装有液压驱动器的腿部可以完成跳跃运动。
国内研究方面，西北工业大学的葛文杰课题组研制袋鼠仿生机器人，浙江大学付新课题组李霏等人研究了叶蝉仿生机器人、哈工大赵杰课题组的王猛等人研究具有跳跃运动的青蛙仿生机器人。东南大学的宋光明教授等人研制了具有滚动和跳跃能力的室内侦察机器人。哈尔滨工程大学的陈东良等人研制了仿生蝗虫跳跃机器人等。然而就现有的国内外相关文献来看，目前设计的仿生跳跃机器人的跳跃主要由腿部的弹跳来实现，机体在跳跃过程中是刚性不变的，忽略了机体在弹跳过程中的作用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种具有储能功能的变机体模块化四足步行机器人，本发明的机器人既可以生成行走步态，实现正常行走运动；也可以生成初步的跳跃步态，实现跳跃功能。其可变的机体设计，可为机器人的跳跃运动提供某些辅助动力。
本发明具有储能功能的变机体模块化四足步行机器人所采用的技术方案如下：
本发明具有储能功能的变机体模块化四足步行机器人，包括机身结构单元，在机身结构单元中部下方设置有储能结构单元，在机身结构单元左右两侧下方分别设置有一组脚部结构单元，在机身结构上设置有控制器单元。机身结构单元为四足步行机器人的主体，四足步行机器人依靠脚部结构单元行走，通过设置储能结构单元，将机体变形和腿部弹跳结合，可以使仿生机器人获得良好的跳跃性能与运动性能。控制器单元一方面控制脚部结构单元，另一方面控制储能结构单元内的伺服电机及电磁离合器，从而辅助完成四足步行机器人的行走、跳跃功能。通过这种结构设置，使本发明四足步行机器人在运动灵活性、对地面的适应能力等方面的性能有较大提高，提升了机器人越障能力，从而使其能够在更多特殊环境和场合中使用。
作为本发明的优选方案，所述储能结构单元包括储能器和储能器支架，所述储能器包括储能器外架，在储能器外架左右两侧分别设置有左端盖和右端盖并通过第一锁紧螺钉和第二锁紧螺钉固定。在左端盖外侧固定设置有左连接杆，左连接杆与储能器支架连接。在储能器外架内设置有储能弹簧，储能弹簧的一端设置有活塞，活塞与位于活塞中心线位置的滑动导杆固定连接，在滑动导杆上固定设置有齿条，齿条与位于右端盖内侧的齿轮轴啮合连接。在储能器右端设置有减速器安装座，减速器安装座与储能器外架固定连接，减速器安装座内设置有蜗轮蜗杆减速器，蜗轮蜗杆减速器的输入端设置有伺服电机，输出轴设置有电磁离合器，电磁离合器的输入端与蜗轮蜗杆减速器的输出轴连接，输出端与齿轮轴连接，在右端盖上设置有供滑动导杆穿过的通孔，滑动导杆的末端穿过通孔与储能器支架连接。本发明四足步行机器人通过储能结构单元来调整机身结构单元的尺寸变化，形成一种具有机体变化功能的模块化四足步行机器人，模拟仿生哺乳动物的身体变化。为了实现机体变化功能，储能器两端连接杆之间的长短可以变化。当机器人正常行走时，储能器两端连接杆之间的长短保持不变。当机器人需要进行跳跃或者类似运动时，储能器滑动导杆被弹出，储能器两端连接杆之间的长短瞬间发生较大变化而伸长，为机器人的运动提供辅助能量。
作为本发明的优选方案，还包括设置在储能器外架内部的缓冲垫，在储能器右部内壁上设置有凸缘，缓冲垫固定设置在凸缘上。通过在储能器外架内部的缓冲垫，一方面起到对储能弹簧释放出来的力进行缓冲，另一方面可限制活塞的顶出位置，对储能器右侧的伺服电机等结构进行保护。
作为本发明的优选方案，所述蜗轮蜗杆减速器为具有自锁功能的蜗轮蜗杆减速器。因为蜗轮蜗杆减速器具有自锁功能，当电磁离合器结合时，电机通过蜗轮蜗杆减速器、电磁离合器、齿轮轴齿条传动，驱动滑动导杆向内运动，压缩弹簧进行储能。当电磁离合器在某时刻断开时，弹簧的势能释放，驱动滑动导杆快速向外运动，改变储能器两端连接杆之间的长短。电磁离合器结合，在电机部驱动的状态下，由于蜗轮蜗杆减速器的自锁功能，弹簧的压缩力不能推动滑动导杆向外运动，使储能器两端连接杆之间的长度保持不变，从而使机器人的机身保持稳定，机器人正常行走。
作为本发明的优选方案，所述机身结构单元包括机架，机架数目有两组，两组机架之间设置有铰接单元，在每组机架的末端均设置有机架连接板。通过在两组机架之间设置铰接单元，使机架可绕铰接单元自由转动。储能器的左连接杆与滑动导杆分别与储能器支架连接，储能器支架有两个，分别设置在两组机架下方。当储能器上两端连接杆之间的长短发生变化时，可通过储能支架带动两组机架进行变化。
作为本发明的优选方案，所述脚部结构单元包括髋关节、大腿关节和小腿关节，髋关节的一端与机架连接板铰接，另一端与大腿关节的一端铰接，大腿关节的另一端与小腿关节铰接。其中，机身与髋关节、髋关节与大腿、大腿与小腿之间可以进行相对的转动。
作为本发明的优选方案，所述控制单元设置在机架上表面或下表面上。
综上所述，本发明具有储能功能的变机体模块化四足步行机器人的优点是，既可以生成行走步态，实现正常行走运动；也可以生成跳跃步态，实现跳跃功能。其可变的机体设计，可为机器人的跳跃运动提供某些辅助动力。
由于在结构上，采用模块化设计，使步行机器人的结构和运动功能上有更大的扩展空间。该步行机器人能够在更多特殊环境和场合中使用，满足各种环境和任务的需要，同时简化机器人的结构和控制，降低研制和使用成本。
附图说明
图1是本发明具有储能功能的变机体模块化四足步行机器人的机体为水平状态主视图。
图2是本发明具有储能功能的变机体模块化四足步行机器人的机体为水平状态侧视图。
图3是本发明具有储能功能的变机体模块化四足步行机器人的机体为三角状态主视图。
图4是本发明具有储能功能的变机体模块化四足步行机器人的储能器主视图。
图5是本发明具有储能功能的变机体模块化四足步行机器人的储能器图4的A-A面剖视图。
图6是本发明具有储能功能的变机体模块化四足步行机器人的储能器图4的局部放大图。
具体实施方式
如图1至6所示，本发明具有储能功能的变机体模块化四足步行机器人，包括机身结构单元，所述机身结构单元包括机架5，机架5数目有两组，两组机架5通过铰接单元8连接，使机架5可绕铰接单元8自由转动。在每组机架5的末端均设置有一块机架连接板4，所述机架连接板4与脚部结构单元连接。四足步行机器人依靠脚部结构单元行走，所述脚部结构单元包括髋关节3、大腿关节2和小腿关节1，髋关节3的一端与机架连接板4铰接，另一端与大腿关节2的一端铰接，大腿关节2的另一端与小腿关节1铰接。其中，机架5与髋关节3、髋关节3与大腿关节2、大腿关节2与小腿关节1之间可以进行相对的转动。
在机身结构单元的中部下方设置有储能结构单元，储能结构单元的两端分别与机身结构单元的两组机架连接，两组机架5与储能结构单元形成一个可变长度的三角形结构，形成稳定的机体结构。储能结构单元用来调整机身结构单元的尺寸变化，将机体变形和腿部弹跳结合，可以使仿生机器人获得良好的跳跃性能与运动性能，从而形成一种具有机体变化功能的模块化四足步行机器人，在模拟哺乳动物的身体变化的同时，还具备了跳跃功能。所述储能结构单元包括储能器7和储能器支架6，储能器7通过储能器支架6设置在机架5下方。所述储能器7包括储能器外架7-5，在储能器外架7-5左右两侧分别设置有左端盖7-3和右端盖7-12，右端盖7-12上设置有供滑动导杆穿过的通孔，左端盖7-3和右端盖7-12通过第一锁紧螺钉7-2及第二锁紧螺钉7-13固定在储能器外架7-5上，在左端盖7-3外侧固定设置有左连接杆7-1，左连接杆7-1与储能器支架6连接。
为了实现储能器两端连接杆之间长短的瞬间变化，本发明四足步行机器人采用弹性势能驱动。在储能器外架7-5内设置有储能弹簧7-4，储能弹簧7-4的一端设置有活塞7-6，活塞7-6与位于活塞中心线位置的滑动导杆7-8固定连接，滑动导杆7-8上固定设置有齿条7-7，齿条7-7与位于右端盖内侧的齿轮轴7-10啮合连接。在储能器外架7-5内部安装有缓冲垫7-9，其缓冲垫7-9优选为缓冲橡胶垫，在储能器外架7-5右部内壁上设置有凸缘，缓冲垫7-9固定设置在凸缘上。
在储能器7右端设置有减速器安装座7-17，减速器安装座7-17内设置有蜗轮蜗杆减速器7-15，所述蜗轮蜗杆减速器7-15优选为具有自锁功能的蜗轮蜗杆减速器。蜗轮蜗杆减速器7-15的输入端设置有伺服电机7-11，伺服电机7-11的输出轴设置有电磁离合器7-14，电磁离合器7-14的输入端与蜗轮蜗杆减速器7-15的输出轴连接，蜗轮蜗杆减速器7-15的输出端与齿轮轴7-10连接，滑动导杆7-8的末端穿过右端盖7-12上的通孔与储能器支架6连接。齿轮轴7-10与齿条7-7啮合，在伺服电机7-11的带动下，推动与齿条7-7固定连接的滑动导杆7-8做伸缩运动，对储能弹簧7-4进行储能。
储能器7两端的左连接杆7-1和滑动导杆7-8之间的长短可以变化。当机器人正常行走时，储能器两端左连接杆7-1和滑动导杆7-8之间的长短保持不变。当机器人需要进行跳跃或者类似运动时，储能器滑动导杆7-8被弹出，储能器两端的左连接杆7-1和滑动导杆7-8之间的长短瞬间发生较大变化而伸长，为机器人的运动提供辅助能量。
当电磁离合器7-14结合时，伺服电机7-11通过蜗轮蜗杆减速器7-15、电磁离合器7-14、齿轮轴7-10、齿条7-7、传动，驱动滑动导杆7-8向内运动，压缩储能弹簧7-4进行储能。当机器人需要跳跃运动时，电磁离合器7-14断开，储能弹簧7-4的势能快速释放，驱动滑动导杆7-8快速向外运动，改变储能器7两端连接杆，即左连接杆7-1和滑动导杆7-8之间的长短。当机器人正常行走时，伺服电机则停止驱动，电磁离合器7-14结合，由于蜗轮蜗杆减速器7-15的自锁功能，储能弹簧7-4的压缩力不能推动滑动导杆7-8向外运动，使储能器两端的左连接杆7-1和滑动导杆7-8之间的长度保持不变，从而使机器人的机身保持稳定，机器人正常行走。
在机身结构上设置有控制器单元，所述控制器单元一方面用来控制脚部结构单元，另一方面用来控制储能结构单元内的伺服电机及电磁离合器的电控信号，从而辅助完成四足步行机器人的行走、跳跃功能。
由于目前设计的仿生跳跃机器人忽略了机体在弹跳过程中的作用。然而事实上，哺乳动物在运动过程中，特别是在弹跳过程中，多依靠腿部的肌腱、韧带进行能量的存储和释放，并结合机体的变形来完成跳跃和奔跑运动，通过机体的变形，来调整重心的方向，使保持机器人自平衡。显然，通过机体变形和腿部弹跳结合，可以使仿生机器人获得更好的跳跃性能与运动性能。
本发明具有储能功能的变机体模块化四足步行机器人针对现有技术的不足，进一步提高了移动机器人的性能，使其在运动灵活性、对地面的适应能力等方面的性能不断提高，提升机器人越障能力，既可以生成行走步态，实现正常行走运动；也可以生成跳跃步态，实现跳跃功能。其可变的机体设计，可为机器人的跳跃运动提供某些辅助动力。
由于在结构上，采用模块化设计，使步行机器人的结构和运动功能上有更大的扩展空间。该步行机器人能够在更多特殊环境和场合中使用，满足各种环境和任务的需要，同时简化机器人的结构和控制，降低研制和使用成本，从而使其能够在更多特殊环境和场合中使用，具有广阔的应用前景。
以上结合附图对本发明的优选实施例做了详细说明，但本发明并不限于上述实施方式，例如，缓冲垫的材料并不限于橡胶，只要达到缓冲的效果即可，总之，只要在所述领域普通技术人员所具备的知识范围内，对本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替代和改进等，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围之内。
Claims (6)
1.一种具有储能功能的变机体模块化四足步行机器人，其特征在于：包括机身结构单元，在机身结构单元中部下方设置有储能结构单元，在机身结构单元左侧下方设置有两个脚部结构单元，在机身结构单元右侧下方设置有两个脚部结构单元，在机身结构上设置有控制器单元，所述储能结构单元包括储能器（7）和储能器支架（6），所述储能器（7）包括储能器外架（7-5），在储能器外架（7-5）左右两侧分别设置有左端盖（7-3）和右端盖（7-12），并通过第一锁紧螺钉（7-2）及第二锁紧螺钉（7-13）固定；在左端盖（7-3）外侧固定设置有左连接杆（7-1），左连接杆（7-1）与储能器支架（6）连接；在储能器外架（7-5）内设置有储能弹簧（7-4），在储能弹簧（7-4）的一端设置有活塞（7-6），活塞（7-6）与位于活塞中心线位置的滑动导杆（7-8）固定连接；在滑动导杆（7-8）上固定设置有齿条（7-7），齿条（7-7）与位于右端盖内侧的齿轮轴（7-10）啮合连接；在储能器（7）右端设置有减速器安装座（7-17），减速器安装座（7-17）内设置有蜗轮蜗杆减速器（7-15），蜗轮蜗杆减速器（7-15）的输入端设置有伺服电机（7-11），输出轴设置有电磁离合器（7-14），电磁离合器（7-14）的输入端与蜗轮蜗杆减速器（7-15）的输出轴连接，输出端与齿轮轴（7-10）连接，在右端盖（7-12）上设置有供滑动导杆穿过的通孔，滑动导杆（7-8）的末端穿过通孔与储能器支架（6）连接。
2.根据权利要求1所述的具有储能功能的变机体模块化四足步行机器人，其特征在于：还包括设置在储能器外架（7-5）内部的缓冲垫（7-9），在储能器外架右部内壁上设置有凸缘，缓冲垫（7-9）固定设置在凸缘上。
3.根据权利要求2所述的具有储能功能的变机体模块化四足步行机器人，其特征在于：所述蜗轮蜗杆减速器（7-15）为具有自锁功能的蜗轮蜗杆减速器。
4.根据权利要求1所述的具有储能功能的变机体模块化四足步行机器人，其特征在于：所述机身结构单元包括机架（5），机架（5）数目有两组，两组机架（5）之间设置有铰接单元（8），在每组机架（5）的末端均设置有机架连接板（4）。
5.根据权利要求4所述的具有储能功能的变机体模块化四足步行机器人，其特征在于：所述脚部结构单元包括髋关节（3）、大腿关节（2）和小腿关节（1），髋关节（3）的一端与机架连接板（4）铰接，另一端与大腿关节（2）的一端铰接，大腿关节（2）的另一端与小腿关节（1）铰接。
6.根据权利要求1所述的具有储能功能的变机体模块化四足步行机器人，其特征在于：所述控制器单元设置在机架上表面或下表面上。
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