CN105172932A - 一种基于细胞机器人单体的四足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于细胞机器人单体的四足机器人，包括身部与四条机械足；四条机械足均由等数量细胞机器人单体两两相连构成。每个细胞机器人单体为由两半外壳构成，两半外壳间具有一个旋转自由度，且两半外壳壁面周向均布4个连接位置，两个细胞机器人单体间在连接位置处固连。上述结构四条机械足周向均布，位于始端的细胞机器人单体安装在身部上。本发明的优点在于：整体采用模块化设计思想，在结构上前后左右完全对称，可实现前进、后退、左移、右移等多种行走模式，各模块间便于拆卸、更换、组成；且根据需要对每条机械足中多个细胞机器人单体进行组装，可形成具有多自由度、多余度的机械足。

Description

一种基于细胞机器人单体的四足机器人

技术领域

本发明属于智能机器人技术领域，具体涉及一种基于细胞机器人单体的四足机器人。

背景技术

20世纪60年代，四足步行机器人的研究工作开始起步。随着计算机技术和机器人控制技术的研究和应用，到了20世纪80年代，现代四足步行机器人的研制工作进入了广泛开展的阶段。世界上第一台真正意义的四足步行机器人是由Frank和McGhee于1977年制作的。该机器人具有较好的步态运动稳定性，但其缺点是，该机器人的关节是由逻辑电路组成的状态机控制的，因此机器人的行为受到限制，只能呈现固定的运动形式。20世纪80、90年代最具代表性的四足步行机器人是日本ShigeoHirose实验室研制的TITAN系列。1981～1983年Hirose教授研制成功脚部装有传感和信号处理系统的TITAN-III。它的脚底部由形状记忆合金组成，可自动检测与地面接触的状态。目前最具代表的四足步行机器人是美国Bostondynamics实验室研制的BigDog。它能以不同步态在恶劣的地形上攀爬，可以负载高达52KG的重量，爬升斜坡可达35度。其腿关节类似动物腿关节，安装有吸收震动部件和能量循环部件。同时，腿部连有很多传感器，其运动通过伺服电机来控制。该机器人机动性和反应能力都很强,平衡能力极佳。但由于汽油发电机需携带油箱，故工作时受环境影响大，可靠性差。另外，当机器人行走时引擎会发出怪异的噪音。

国内四足机器人研制工作从20世纪80年代起步，取得一定成果的研究机构有上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学等。上海交通大学机器人研究所于1991年开展了JTUWM系列四足步行机器人的研究。1996年该研究所研制成功了JTUWM—III。该机器人采用开式链腿机构，每条腿有3个自由度，具有结构简单、外形灵巧、体积小、重量轻等特点。它采用力和位置混合控制，脚底装有PVDF测力传感器，利用人工神经网络和模糊算法相结合，实现了对角线动态行走。但其步行速度较慢，极限步速仅为1.7km/h；另外，其负重能力有限，故在实际作业时实用性较差。清华大学所研制的一款四足步行机器人。它采用开环关节连杆机构作为步行机构，通过模拟物的运动机理，实现比较稳定的节律运动，可以自主应付复杂的地形条件，完成上下坡行走、越障等功能。不足之处是腿运动时的协调控制比较复杂，而且承载能力较小。

尽管四足步行机器人技术有了很大的发展，足式机器人的研究平台有很多。但目前的四足机器人大多构成比较复杂，各个组成部分互不相同，维修保障起来比较困难。而基于模块化的四足机器人技术研究却比较少。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于细胞机器人单体的四足机器人，整体采用模块化设计思想，在结构上前后左右完全对称，可实现前进、后退、左移、右移等多种行走模式，且各模块间便于拆卸、更换、组成。

本发明基于细胞机器人单体的四足机器人，包括身部与四条机械足。四条机械足均由等数量细胞机器人单体两两相连构成。

所述细胞机器人单体为由左半部外壳与右半部外壳构成，左半部外壳与右半部外壳间具有一个旋转自由度。左半部外壳与右半部外壳壁面周向均布4个连接位置，两个细胞机器人单体间在连接位置固连。

上述结构四条机械足周向均布，位于始端的细胞机器人单体安装在身部上。

根据需要对每条机械足中多个细胞机器人单体进行组装，可形成具有多自由度、多余度的机械足。

本发明的优点在于：

1、本发明基于细胞机器人单体的四足机器人，整体采用模块化设计思想，每一个细胞单体一样，便于拆卸、更换、组成。

2、本发明基于细胞机器人单体的四足机器人，区别于现有常见的腿式或者轮式四足机器人，在结构上前后左右完全对称，可实现前进、后退、左移、右移等多种行走模式。

3、本发明基于细胞机器人单体的四足机器人，每一条足上的相邻两个细胞机器人单体均采用“基准轴相交”的连接方式，每条腿都可实现多自由度运动。

4、本发明基于细胞机器人单体的四足机器人，可利用细胞机器人单体进行重构组成形态多种多样的四足式机器人，以应用到不同的场合。

附图说明

图1为本发明基于细胞机器人单体的四足机器人结构示意图；

图2为本发明基于细胞机器人单体的四足机器人中细胞机器人单体结构示意图；

图3为本发明基于细胞机器人单体的四足机器人中机械连接装置结构示意图；

图4为机械连接装置中内壳连接件结构示意图；

图5为机械连接装置中内壳上视结构示意图；

图6为机械连接装置中内壳下视结构示意图；

图7为机械连接装置中可伸缩对接机构结构示意图；

图8为机械连接装置中弹性连接器安装位置示意图；

图9为机械连接装置进行连接后结构示意图；

图10为本发明基于细胞机器人单体的四足机器人中细胞机器人单体间连接方式一示意图；

图11为本发明基于细胞机器人单体的四足机器人中细胞机器人单体间连接方式一示意图；

图12为本发明基于细胞机器人单体的四足机器人中细胞机器人单体的优选连接方式示意图；

图13为采用一个细胞机器人单体作为身部时四足机器人结构示意图；

图14为本发明基于细胞机器人单体的四足机器人中细胞机器人单体重构的防蜘蛛形式示意图。

图中：

1-身部2-四条机械足3-细胞机器人单体

301-半球体外壳302-机械连接装置302a-外壳

302b-内壳连接台302c-内壳302d-对接台座

302e-弹簧302f-弹性连接器302g-对接定位面

302h-卡榫302i-榫头302j-定位孔

302k-连接头302l-定位卡头302m-内缘

302n-外缘302o-缺口302p-定位凹进

302q-导通孔302r-凹槽302s-限位台肩

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明基于细胞机器人单体的四足机器人，包括身部1与四条机械足2。其中，令四条机械足分别为足A、足B、足C与足D，均由等数量细胞机器人单体3两两相连构成，周向均布，固定安装于机身1上。机身1内部用来安装供电电源。

所述细胞机器人单体3为由两个半球体外壳301构成的整体球形结构，如图2所示，两个半球体外壳301间具有一个旋转自由度，由驱动电机驱动旋转。每个半球体外壳301壁面周向均布3个安装孔，每个安装孔内安装有一个机械连接装置302，用来实现各个细胞机器人单体3间的连接。

所述机械连接装置302包括外壳302a、内壳连接台302b、内壳302c、对接台座302d、弹簧302e与弹性连接器(弹针)302f,如图3、图6所示。

其中，外壳302a为筒状结构一端面为内陷球面，作为对接定位面302g。在对接定位面302g外缘周向上相对位置设计有卡榫302h。卡榫302h的外表面为圆弧面，榫头302i朝向对接定位面302g；且使卡榫302h的外表面所对应球体与对接定位面302g所对应的球体半径相等，进而实现两个机械连接装置302在对接时，卡榫302h外表面与对接定位面302g间的配合相贴，作为两个机械连接装置302对接时的相对对接位置的基准。

所述内壳连接台302b同轴嵌入固定于对接定位面302g上，如图3所示,也可与对接定位面302g设计为一体结构。内壳连接台302b周向上均匀设计有定位口，用来安装固定内壳302c。

所述内壳302c为筒状结构，用于可伸缩连接机构伸缩运动的导向，以及两个机械连接装置302的对接。内壳302c一端作为安装端，周向上均匀设计有连接头302k，如图5所示，连接头302k端部设计有定位卡头302l。通过各个连接头302k分别穿过内壳连接台302b上的定位口，使定位卡头302l与内壳连接台302b端面间配合卡紧，实现内壳302c的固定。内壳302c另一端作为对接端，端部周向上设计有内缘302m与外缘302n，且外缘302n周向相对位置开设有两个缺口302o，两个缺口302o开设位置分别与外壳302a1上两个卡榫302h所在位置呈90度设计。上述外缘302n的内侧面还设计有两个定位凹进302p，定位凹进302p的凹进面与卡榫302h的榫头302i内表面匹配,两个定位凹进302p分别位于两个缺口302o同侧，如图6所示。

如图7所示,所述对接台座302d同轴设置在内壳302c内部，内部中空，一端作为对接平面，其上开有个导通孔302q；三个导通孔302q中心共线，且中间的导通孔302q中心位于对接台座302d轴线上，三个导通孔302q用于通过弹性连接器302f。对接台座302d另一端作为限位端，周向上设计有凹槽302r，用来设置弹簧302e，且使弹簧302e与对接台座302d同轴。上述对接台座302d的限位端外壁周向上设计有限位台肩302s，与内壳302c对接端周向上的内缘302m配合搭接，实现对接台座302d与内壳302c间的限位，使对接台座302d不会再弹簧302e的回弹作用力下脱出内壳302c。

所述弹性连接器302f为三个，位于对接台座302d内部，如图8所示，三个弹性连接器302f的固定端固定安装在内壳连接台302b的端面上。三个弹性连接器302f的轴线分别过对接台座302d的对接平面上三个导通孔302q的的中心，且三个弹性连接器302f在对接平面上的投影分别位于三个导通孔302q内部，由此保证三个弹性连接器302f可由对接平面穿过。

在两个细胞机器人单体3间的对接，通过两个细胞机器人单体3上的任意机械连接装置302间的对接实现，令两个细胞机器人单体3上的机械连接装置302分别为机械连接装置A与机械连接装置B，且使对接定位面302g相对。则在进行对接时，向机械连接装置A与机械连接装置B施加反向的压力，使机械连接装置A与机械连接装置B的对接定位面302g相互靠近，使旋转连接装A中的两个卡榫302h分别穿过旋转连接B中内壳302c对接端外缘302n上的两个缺口302o；同时，机械连接装置B中的两个卡榫302h也分别穿过机械连接装置A中内壳302c对接端外缘302n上的两个缺口302o。上述过程中，机械连接装置302A与机械连接装置B中对接台座302d的对接平面贴合，且通过两侧的压力作用，使弹簧302e压缩。进一步向机械连接装置A与机械连接装置B施压，至机械连接装置A中的两个卡榫302h外表面与机械连接装置B中外壳302a的对接定位面302g配合相贴，以及机械连接装置B中的两个卡榫h外表面与机械连接装置A中外壳302a的对接定位面302g配合相贴。上述过程中，机械连接装置A与机械连接装置B中的三个弹性连接器302f连接端穿入三个导通孔302q，端面刚好与对接平面齐平，且位于中部的弹性连接器302f端面贴合。随后，转动机械连接装置A与机械连接装置B，使机械连接装置A中卡榫302h的榫头302i的配合面沿旋转装置B中内壳302c的外缘302n周向转动同时旋转装置B中卡榫302h的榫头302i的配合面沿旋转装置A中内壳302c的外缘302n周向转动；此过程中，机械连接装置A与机械连接装置B间始终受到弹簧302e回弹力作用，具有反向运动趋势，直至机械连接装置A中的两个卡榫302h分别旋转至机械连接装置B中的两个定位凹进302p位置时，停止对机械连接装置A与机械连接装置B施加压力，通过机械连接装置A与机械连接装置B中的弹簧302e回弹力，使机械连接装置A中的两个卡榫302h进入机械连接装置B中的两个定位凹进302p内；同时，机械连接装置B中的两个卡榫302h进入机械连接装置302A中的两个定位凹进302p内，实现机械连接装置A与机械连接装置B间的周向定位，如图9所示，进而实现两个细胞机器人单体3间的对接。且此时，机械连接装置A与机械连接装置B中的三个弹性连接器302f连接端端面对应贴合，实现两个细胞机器人单体3间的电气连接。

上述结构细胞机器人单体3在两两进行连接时，具有两种连接方式：令细胞机器人单体3的旋转自由度的轴线为基准轴线；则两种连接方式为：

如图10所示，连接方式一：在连接完毕后，两个细胞机器人单体3的基准轴线相互平行，两个细胞机器人单体3的旋转自由度轴线在空间是相互平行的。此时，两个细胞机器人单体3间形成了一个具有两余度的单自由度机械足。同样，当三个细胞机器人单体3相连时基准轴线相互平行，就形成了一个具有三余度的单自由度机械足。以此类推，当N个细胞机器人单体3相连时基准轴相互平行，就形成了一个具有N余度的单自由度机械足。且若其中一个

如图11所示，连接方式二：在连接完毕后，两个细胞机器人单体3的基准轴线相交。此时，两个单细胞机器人单体3间形成了一个具有两自由度的单余度机械足。同样，当三个细胞机器人单体3相连时基准轴线相交，就形成了一个具有三自由度的单余度机械足；以此类推，当N个细胞机器人单体3相连时基准轴相交，就形成了一个具有N自由度的单余度机械足。

由此，机械足采用以上两种连接方式进行组合，就可以形成多自由度、多余度的不同形态的机械足。且采用这种多余度、多自由度的构成的机械足，当其中一个或几个细胞机器人单体3发生故障而丧失功能的情况下，可以进行机械足余度和自由度降级，利用剩余的功能健康的细胞机器人单体3组合构成余度数和自由度数比原机械足少的而功能健全的新机械足，而将故障的细胞机器人单体3视作一个连接刚体。

上述结构机械足中位于始端的细胞机器人单体3安装在身部1上，用来支撑机械足2主体2与末端执行机构3；且保证细胞机器人单体3始端的细胞机器人单体3的旋转自由度运动不会与身部1发生干涉。本发明中也可采用1个细胞机器人单体3作为身部1，如图12所示，将四条机械足2位于上部的半球体外壳301中任意一个机械连接装置302与身部1中位于周向均布的四个机械连接装置302相连。

本发明中身部1内的供电电源模块内安装有供电电池，通过4条机械足2中用于连接两细胞机器人单体3的机械连接装置中的弹性连接器302f，实现为各细胞机器人单体3中旋转自由度的驱动电机供电，因此所有细胞机器人单体3自身内部都不需要自带电源，节省了很大的空间，使得每个细胞机器人单体3都可以做的小巧轻便。

基于上述结构的四足机器人，整体机械结构上前后左右完全对称，可实现前进、后退、左移、右移等多种行走模式。4条机械足2中各个细胞机器人单体间的连接有选为：均采用连接方式二进行连接，使每条机械足2腿都可实现多自由度运动，如图13所示。且当某一机械足2上的一个或几个细胞机器人单体3发生故障而丧失功能的情况下，可以进行自由度降级，利用剩余的功能健康的细胞机器人单体组合构成自由度数都比原来少的而功能健全的四足机器人，而将故障的细胞机器人单体视作一个刚性连接体。

一种基于细胞机器人单体的四足机器人，可利用细胞机器人单体3进行重构组成形态多种多样的四足式机器人，以应用到不同的场合，如图14所示，采用一个细胞单体作为供电电源模块，其上半球周向上4个机械连接装置分别与1～4号细胞机器人单体3中上半球任意一个机械连接装置相连，形成整体身部1。四条机械足2中始端的细胞机器人单体3分别与1～4号细胞机器人单体3下半球相连，由此构成防蜘蛛四足机器人。

Claims (9)

1.一种基于细胞机器人单体的四足机器人，其特征在于：包括身部与四条机械足；四条机械足均由等数量细胞机器人单体两两相连构成；四条机械足周向均布，位于始端的细胞机器人单体安装在身部上；

所述细胞机器人单体为由左半部外壳与右半部外壳构成，左半部外壳与右半部外壳间具有一个旋转自由度。

2.如权利要求1所述一种基于细胞机器人单体的四足机器人，其特征在于：所述左半部外壳与右半部外壳壁面周向均布4个连接位置，两个细胞机器人单体间在连接位置固连。

3.如权利要求1所述一种基于细胞机器人单体的四足机器人，其特征在于：采用1个细胞机器人单体作为身部。

4.如权利要求1所述一种基于细胞机器人单体的四足机器人，其特征在于：所述身部内安装有电源模块。

5.如权利要求1所述一种基于细胞机器人单体的四足机器人，其特征在于：所述细胞机器人单体在两两进行连接时，具有两种连接方式：令细胞机器人单体的旋转自由度的轴线为基准轴线；则两种连接方式为：

连接方式一：使两个细胞机器人单体的基准轴线相互平行；

连接方式二：使两个细胞机器人单体的基准轴线相交。

6.如权利要求1所述一种基于细胞机器人单体的四足机器人，其特征在于：细胞机器人单体间均采用连接方式二构成机械足。

7.如权利要求1所述一种基于细胞机器人单体的四足机器人，其特征在于：所述细胞机器人单体中各连接位置处、以及底座与末端执行机构上均安装机械连接装置。

8.如权利要求7所述一种基于细胞机器人单体的四足机器人，其特征在于：所述机械连接装置，其特征在于：包括外壳、内壳、可伸缩连接机构、弹性连接器、对接台座与弹簧；

所述内壳同轴安装于外壳一端；外壳外缘周向上设计有卡榫；内壳端部周向上设计有内缘与外缘，且外缘周向相对位置开设有缺口，用于卡榫通过；上述外缘的内侧面还设计有两个定位凹进，定位凹进的凹进面与卡榫的榫头内表面匹配；

所述对接台座设置在内壳内部，内部中空，一端作为对接平面，开有导通孔；对接台座另一端作为限位端，端面周向上设计有凹槽，用来设置弹簧；限位端外壁周向上设计有台肩，与内壳端部上的内缘配合搭接；

弹性连接器位于对接台座内部，弹性连接器的固定端固定安装内壳上；弹性连接器在对接平面上的投影位于导通孔内部；

在两个机械连接装置通过两个机械连接装置中弹簧的回弹力实现对接；对接完毕后，一个机械连接装置中卡榫的榫头分别位于另一机械连接装置中的内壳外缘上的定位凹进内；对接台座的对接平面贴合，且弹性连接器端面贴合。

9.如权利要求1所述一种基于细胞机器人单体的四足机器人，其特征在于：采用一个细胞单体作为供电电源模块，其上半球周向上4个机械连接装置分别与1～4号细胞机器人单体3中上半球任意一个机械连接装置相连，形成整体身部；四条机械足中始端的细胞机器人单体分别与1～4号细胞机器人单体下半球相连，构成防蜘蛛四足机器人。