CN106476926A - 一种新型悬浮腿式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新型悬浮腿式六足机器人，腿与机身采用移动副连接，使腿可以绕机身沿轨道滑动。具体包括：机身上下板，机身上下圆形凹槽导轨，机身固定大齿轮；六条腿，腿上装有四个舵机，一个带动小齿轮，小齿轮与机身固定大齿轮啮合，小齿轮转动时，会驱动腿沿机身圆形导轨绕机身做圆周运动；腿上装有四个牛眼轴承，牛眼轴承插入到机身圆形导轨的凹槽内，形成配合，既起到固定腿的作用，又可以使腿沿轨道滑动；剩余三个舵机分别驱动髋关节的两个自由度和膝关节的一个自由度。当机器人两条腿做操作时，剩余四条腿经过位置重新分配后，可以保证在只使用这四条腿行走时，机器人的重心依然时刻位于支撑多边形内，从而实现操作和行走同时进行。

Description

一种新型悬浮腿式机器人

技术领域

本发明属于多足步行机器人领域，具体涉及一种新型悬浮腿式六足机器人，六条腿与机器人机身的连接位置可以根据不同需求重新布置。

背景技术

服务机器人技术是集机械、信息、材料、生物医学等多学科交叉的战略性高技术，对于相关技术与产业的发展起着重要的支撑和引领作用，是当今前沿高技术研究最活跃的领域之一。其中将机械手安装在一个腿式移动平台上构成的腿式移动机器人具有强适应性和高灵活性的特性，是服务机器人研究中最主要的研究对象。现阶段，腿式移动机器人在大型固件的切割及焊接、核电站及矿井救援救灾、农产品果实采摘及社会安防等行业有重大需求。在核电站及矿井救援救灾与野外环境等作业中，由于工作地形并不平坦，可以稳定支撑机器人的连续路径十分有限，这使得轮履式机器人很难适应工作环境，而腿式机器人的地面运动轨迹是一系列离散的足印，对这种非结构化的复杂环境适应性较强。

多足步行机器人的腿如果设计合理可以作为手臂一样使用，即当腿的自由度具有3自由度或具有3自由度以上时，可以同机械臂一样到达三维空间中运动范围内的任何位置。然而实现腿臂融合的最大困难是多足机器将腿作为臂使用后，剩余的支撑腿无法稳定支撑机器人行走，这是由于腿的分布情况无法满足稳定性要求。目前六足步行机器人多为仿昆虫式结构，三条腿在左侧，另外三条腿在右侧，如果需要机器人完成操作任务，如果两条前腿抬起后，剩余的四条腿由于运动范围限制无法稳定支撑机器人行走，则需要额外在机器人背部或者前部安装操作臂。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种新型悬浮腿式六足机器人。该机器人拥有六条悬浮腿，具体是指机器人的腿与机器人机身连接处可以沿滑轨移动，从而改变机器人六条腿相对于机身的位置分布，扩大了机器人相对于机身的运动范围，从而可以通过腿的重新分布提高机器人的稳定性，增加机器人的承载能力，使机器人可以完成四足行走，剩余的两条腿可以用于完成搬运物体等任务。

本发明是采用如下技术措施实现的，本发明包括：圆形机身，六条三自由度腿，机身圆形轨道，机身固定大齿轮，腿部固定小齿轮。圆形机身包括上下两块圆形板，板上固定圆形轨道，机身下底板固定大齿轮。腿包括四个舵机，其中一个舵机驱动小齿轮，小齿轮与机身大齿轮啮合，驱动腿沿机身圆形导轨运动，实现腿相对于机身的运动；腿另外三个舵机构成三自由度机构，实现腿的末端在三维空间中的运动。

所述机身圆形轨道有两块，分别固定在机身上下两块底板上，具体为一种圆形矩形凹槽。机身上下两块底板采用四根连接销固定在一起。

所述六条腿与机身的连接采用移动副连接，具体是腿上装有四个牛眼轴承，牛眼轴承与机身圆形轨道配合，牛眼轴承与机身圆形轨道构成移动副，即固定了腿，有可以实现腿沿轨道的移动。

所述腿由四个舵机驱动，一个舵机带动小齿轮，另外三个舵机分别驱动髋关节的两个自由度和膝关节的一个自由度，三个连杆分别对应髋连杆，大腿连杆和小腿连杆。

本发明具有以下优点及有益效果：本发明中所述新型悬浮腿式六足机器人可以实现腿相对机身位置的重新分布，从而可以增大腿的运动范围，提高机器人的稳定性，使机器人可以在两条腿进行操作作业时，剩余的四条腿依然可以稳定支撑机器人行走，从而实现腿臂融合的特点，如需再为机器人安装额外的机械臂，减少控制电机的轴数，减轻机器人的重量，提高机器人的负重能力，降低制造成本，提高机器人的功能集合度。

附图说明

图1是本发明所提新型悬浮腿式六足机器人的三维外观图。

图2是机器人机构简图。

图3是机器人一条腿的三维外观图。

图4是机器人机身三维外观图。

图5是机器人初始状态时的俯视图。

图6是机器人两条腿作臂剩余四条腿行走时的俯视图。

图7是机器人两条腿夹持物体四条腿行走示意图。

图1至图7中，各数字与构件的对应关系如下：1.小腿连杆2.膝关节舵机固定板3.大腿连杆4.髋关节俯仰驱动舵机5.髋连杆6.髋关节基座7.腿身连接舵机8.机身大齿轮9.机身上板10.机身上轨道11.小齿轮12.膝关节舵机13.髋关节摆动驱动舵机固定板14.髋关节摆动驱动舵机15.髋关节俯仰驱动舵机固定板16.机身下板17.牛眼轴承18.机身下轨道19.机身连接销 20.重心 21.支撑多边形 22.操作腿 23.被夹持物体。

具体实施方式

以下结合实施例及附图对本发明作进一步详细的说明，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

以下将详细叙述本发明的一种基于接触力观测器的机器人柔顺控制方法的原理及实施方式，使本领域技术性人员不需要创造性劳动即可理解本发明一种基于接触力观测器的机器人柔顺控制方法。

如图1所示，本发明所述新型悬浮腿式六足机器人包括六条腿和一个圆形机身。腿包括3段连杆，即小腿连杆1、大腿连杆4和髋连杆5。腿包括两个传统的关节，即膝关节和髋关节，及一个本发明提出的一个绕机身运动的移动关节。其中髋关节包括两个关节，分别由两个舵机驱动实现腿的摆动和俯仰运动，驱动舵机分别为髋关节摆动驱动舵机14和髋关节俯仰驱动舵机4。机身与腿的连接采用移动副连接，即机身上下轨道10、18与腿的牛眼轴承17构成移动副，4个牛眼轴承17插入到机身上下轨道10、18中，不仅起到固定腿的作用，而且因为牛眼轴承可以实现滚动运动，所以可以在轨道中滚动，实现腿相对机身的运动。腿相对机身的运动具体是由机身连接舵机7驱动小齿轮11绕固定的机身大齿轮8运动所致。当小齿轮7转动时，由于机身大齿轮8是固定的，又由于小齿轮和机身连接舵机7都是固连在腿上的，所以会带动腿绕大齿轮8旋转，也就是实现了腿沿机身上下轨道的移动。

图1中可以看到机器人的小腿连杆1设计成球形，目的是为了增加局部自由度，即机器人的腿触地时球形末端会与地面形成球副，图2中机器人机构简图可以很清楚的看到机器人腿的末端与地面形成球副，不对腿的转动形成约束，这样保证腿处于支撑相时具有6个自由度，也保证了机器人机身相对于地面具有6个自由度，从而可以使机身实现任意方向的转动与移动。

图3中4个牛眼轴承17固定于髋关节基座6上，而且牛眼轴承沿圆弧分布，因为牛眼轴承17要与机身上下轨道10、18配合，因此牛眼轴承必须安装在与机身上下轨道10、18相等的圆弧上。

机身结构示意图如图4所示，机身上板9和机身下板16完全相同，都采用镂空式结构，目的是减轻重量。机身上轨道10和机身下轨道18也完全相同，都采用凹槽式设计，由于轨道要与牛眼轴承配合，因此除了加工精度要求很高外，还需要涂抹润滑油。机身下板16还固定着大齿轮8。整个机身采用4根机身连接销19在腿装入后上下压紧，夹住腿，使机器人成为一个整体。

图5，图6，图7显示了机器人两条腿作手臂抓取物体并行走的实例。图5为初始状态俯视图，六条腿均匀分布在机身上。很明显当两腿腿作为操作腿22完成操作任务时，剩余四条腿将无法完成行走，因为机器人采用三角步态行走，行走过程中要求机器人的重心20必须落到支撑多边形21内，而从图5中很明显地看到将不能满足重心20每时每刻在支撑多边形21内。图6中，为完成搬运行走任务，腿沿机身重新分布。重新分布后，机器人的重心20位于支撑多边形21内，可以实现四条腿行走，两条腿做操作。图7为机器人搬运物体的示意图，经过腿沿机身的重新分布后，两条腿可以作为操作腿22夹住被夹持物体23，剩余四条腿可以继续行走，从而实现行走和操作同时进行，而无需额外安装操作臂。

Claims (4)

1.一种新型悬浮腿式六足机器人，其机械部分包括：圆形机身，六条三自由度腿，机身圆形轨道，机身固定大齿轮，腿部固定小齿轮；圆形机身包括上下两块圆形板，板上固定圆形轨道，机身下底板固定大齿轮；腿包括四个舵机，其中一个舵机驱动小齿轮，小齿轮与机身大齿轮啮合，驱动腿沿机身圆形轨道运动，实现腿相对于机身的运动；腿另外三个舵机构成三自由度机构，实现腿的末端在三维空间中的运动。

2.根据权利要求1所述的一种新型悬浮腿式六足机器人，其特征在于：所述的六条腿与机身的连接方式采用移动副连接，而不是固定连接，称之为悬浮腿；腿上装有4个牛眼轴承，牛眼轴承插入到机身圆形轨道的凹槽内，形成配合关系，牛眼轴承可以相对轨道滑动，当腿上的小齿轮在舵机带动下转动时，由于与机身固定大齿轮存在啮合关系，带动腿沿轨道的运动，使腿相对于机身的位置可以重新分布。

3.根据权利要求1所述的基于接触力观测器的机器人柔顺控制方法，其特征在于：所述腿的重新分布，是在不同任务要求下，为了使机器人重心依然落在支撑腿形成的支撑多边形内而进行的；尤其是机器人两条腿作为操作臂操作时，其余四条腿要能够实现按照三角步态行走，如果不对腿的位置重新分配，重心将无法保证每时每刻都落在支撑多边形内，机器人也就无法采用剩余三条腿完成行走。

4.根据权利要求1所述的基于接触力观测器的机器人柔顺控制方法，其特征在于：所述机身由上下两块完全相同的机身板、上下两块完全相同的圆形轨道、大齿轮和四根连接销组成；六条腿的牛眼轴承都插入机身圆形轨道后，采用四根销把机身上下板连接起来，并且使上下板夹着六条腿压紧，从而使机器人成为一个整体，而机器人的腿又可以在机身轨道内滑动。