CN106945743B - 一种用于双足机器人行走模拟与自动测试的无边轮机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无边轮机构，可用于双足机器人的行走模拟与自动测试。本发明由中心轴模块、滑套模块、腿部模块、控制电路模块、中心轴连接模块以及附加功能模块组成，并通过各模块间的相互协作实现多种模式下的运动。本发明所具有的空间双边无边轮运动模式，通过自身轮辐末端与地形斜面间的间歇性碰撞接触，模仿足式稳定行走步态的足底节律运动并进行测试。本发明优点在于：相比传统无边轮机构及其应用，本发明能够改变腿的数量、调整轮距和腿长、添加弹性阻尼元件、切换平面单边无边轮系统及空间双边无边轮系统模式，从而实现形式更为丰富的双足被动运动测试与控制研究。

Description

一种用于双足机器人行走模拟与自动测试的无边轮机构
技术领域
本发明涉及一种无边轮机构。更明确地，本发明涉及一种用于双足机器人行走模拟与自动测试的无边轮机构。属于机器人被动行走技术领域。
背景技术
足式仿生机器人技术的持续进步正在快速推进机器人技术变革，更强的驱动能力及动力学控制水平为此提供了理论及工程技术牵引，而传统的被动行走理论则为提升运动机构的内在稳定性及运动能效提供另一方法途径。作为双足被动行走的经典基础模型，无边轮机构能够在不依赖内部动力源条件下，实现自身轮辐末端与地形斜面的间歇性碰撞接触，以模仿足式稳定行走步态的足底节律化接触特征。无边轮机构运动状态仅取决于自身几何物理属性、地形特征、系统初始状态，因此可将其有效应用于被动行走机构，以及具有被动运动特征的主动控制机器人系统的研究与开发。
尽管已被长期广泛研究，无边轮机构理论及模型至今仍主要局限在二维运动状况下的讨论，即机构及运动均被限制于平面内，空间几何特征及质量分布被过度简化，并具体表现为缺乏专业的无边轮机构测试装置。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的无边轮机构种类少、结构简单、功能单一等不足，提供一种用于双足机器人行走模拟与自动测试的无边轮机构，能够在不依赖内部动力源条件下，通过手动或自动改变无边轮的系统参数实现轮辐末端与斜面的间歇性碰撞接触，以模仿足式稳定行走步态的足底节律化接触特征，揭示足式动物高稳定和高效行走的机理，为主动式足式机器人的设计与控制提供依据，从而提升足式机器人的稳定性和能效。
为达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案：
一种用于双足机器人行走模拟与自动测试的无边轮机构，包括中心轴模块、滑套模块、腿部模块、控制电路模块、中心轴连接模块以及附加功能模块，其特征在于：所述腿部模块通过螺母和螺栓安装于滑套模块侧面，滑套模块沿滑轨安装在中心轴模块的侧面，2个中心轴模块子单元通过中心轴连接模块相连，控制电路模块固定于中心轴连接模块的顶部，控制电路模块与PC上位机、控制手柄和摄像头可选扩展设备相连；
所述中心轴模块包含2个中心轴模块子单元，所有中心轴模块子单元的具体结构相同，包括中心轴、滑轨、质量块和端盖。中心轴与中心轴连接模块相连，滑轨用于滑套和中心轴的连接，质量块安装在中心轴内腔中，端盖通过螺钉固定在中心轴的端面；
所述滑套模块包含2个滑套模块子单元，所有滑套模块子单元的具体结构相同，包括滑套、腿部固定螺栓、滑套固定螺母和滑套固定螺栓。滑套沿滑轨安装于中心轴侧面，腿部模块子单元通过腿部固定螺栓与滑套固连，滑套通过滑套固定螺母和滑套固定螺栓固定在中心轴上；
所述腿部模块包含12个腿部模块子单元，所有腿部模块子单元的具体结构相同，包括内壳、电气接头、固定螺母、电路线舱、直流伺服电机、减速器、编码器、轴承、轴套、联轴器、外壳、滚珠丝杠、丝杠螺母、弹性元件、阻尼元件、连接杆、橡胶足端和压力传感器。内壳嵌套在外壳内孔，内壳通过固定螺母与滑套相连，电路线舱用于电线的排线，减速器和编码器固定在直流伺服电机上，直流伺服电机通过螺钉安装在内壳内部，并通过电气接头与电机控制器连接，直流伺服电机输出轴依次通过轴承(III-1-8)、轴套(III-1-9)和联轴器(III-1-10)与滚珠丝杠相连，丝杠螺母通过螺钉与外壳固连，弹性元件与阻尼元件安装在外壳上，连接杆和橡胶足端固定于阻尼元件上，橡胶足端安装有压力传感器；
所述控制电路模块包含12个电机控制板、2个电源、电源控制盒、陀螺仪和加速度计。电机控制板安装在电源控制盒中间内腔，电源对称安装在电源控制盒两侧内腔，陀螺仪和加速度计安装在电源控制盒上，电源控制盒固定于上连接盖顶部；
所述中心轴连接模块包含上连接盖、下连接盖和配重。上连接盖和下连接盖通过螺栓和螺母固定，配重固定于下连接盖底部。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
(1)本发明装置结构简单、紧凑，操作方便，具有较好的自动化程度。
(2)无边轮机构的测试应用需要满足平面和空间无边轮相互切换能力、斜面运动控制能力，和复杂无边轮扩展能力这三方面的需求，本发明以此为设计目标，实现了腿结构数量、轮距和腿长调整、弹性阻尼元件调整以及平面单边/空间双边无边轮切换等功能，具有良好的实用性。进一步，上述调整功能包含自动调整方法，即在运行过程中由系统自行调整，而不需要使用者的参与，从而实现更多种类的运动模式研究。
(3)本发明包含与控制手柄、上位机等扩展设备连接的接口功能，方便了与使用者的操作交互及功能扩展。
附图说明
图1为本发明提供的空间双边无边轮机构整体结构示意图。
图2为本发明控制电路安装结构示意图。
图3为本发明提供的单边无边轮机构的局部结构拆解示意图。
图4为本发明单边无边轮机构部分结构示意图。
图5为本发明腿部模块结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明及其实施例作进一步说明如下，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。
实施例一
如图1所示，一种用于双足机器人行走模拟与自动测试的无边轮机构，包括中心轴模块 I、滑套模块II、腿部模块III、控制电路模块IV、中心轴连接模块V以及附加功能模块，其特征在于：所述腿部模块III通过螺母和螺栓安装于滑套模块II侧面，滑套模块II沿滑轨安装在中心轴模块I的侧面，中心轴模块子单元I-1和中心轴模块子单元I-2通过中心轴连接模块V相连，控制电路模块IV固定于中心轴连接模块V的顶部。
实施例二
本实施例与实施例一的技术方案基本相同，不同之处在于：
如图1、图2所示，所述中心轴模块I包含2个中心轴模块子单元I-1、I-2，所有中心轴模块子单元I-1、I-2的具体结构相同，以中心轴模块子单元I-1为例，其包括中心轴I-1-1、滑轨I-1-2、质量块I-1-3和端盖I-1-4。中心轴I-1-1与中心轴连接模块V相连，滑轨I-1-2用于滑套II-1-1和中心轴I-1-1的连接和固定，防止滑套II-1-1绕中心轴I-1-1转动；质量块I-1-3 安装在中心轴I-1-1内腔中，通过更换质量块来改变系统的转动惯量；端盖I-1-4通过螺钉固定在中心轴I-1-1的端面，防止质量块I-1-3脱落。
如图1、图2、图3所示，所述滑套模块II包含2个滑套模块子单元II-1、II-2，所有滑套模块子单元II-1、II-2的具体结构相同，以滑套模块子单元II-1为例，其包括滑套II-1-1、腿部固定螺栓II-1-2、滑套固定螺母II-1-3和滑套固定螺栓II-1-4。滑套II-1-1沿滑轨I-1-2安装于中心轴I-1-1侧面，腿部模块子单元III-1通过腿部固定螺栓II-1-2与滑套II-1-1固连，滑套II-1-1通过滑套固定螺母II-1-3、滑套固定螺栓II-1-4和端盖I-1-4固定在中心轴I-1-1上，限制滑套II-1-1轴向移动，分别通过调节滑套固定螺母II-1-3调整轮距和更换滑套II-1-1改变腿的数量。
如图2、图3、图4、图5所示，所述腿部模块III包含12个腿部模块子单元III-1、III-2、 III-3、III-4、III-5、III-6、III-7、III-8、III-9、III-10、III-11、III-12，所有腿部模块子单元III-1、 III-2、III-3、III-4、III-5、III-6、III-7、III-8、III-9、III-10、III-11、III-12的具体结构相同，以腿部模块子单元III-1为例，其包括内壳III-1-1、电气接头III-1-2、固定螺母III-1-3、电路线舱III-1-4、直流伺服电机III-1-5、减速器III-1-6、编码器III-1-7、轴承III-1-8、轴套III-1-9、联轴器III-1-10、外壳III-1-11、滚珠丝杠III-1-12、丝杠螺母III-1-13、弹性元件III-1-14、阻尼元件III-1-15、连接杆III-1-16、橡胶足端III-1-17和压力传感器III-1-18。内壳III-1-1嵌套在外壳III-1-11内孔，沿着内孔轴向移动；内壳III-1-1通过固定螺母III-1-3与滑套II-1-1相连，电路线舱III-1-4用于电线的排线，减速器III-1-6和编码器III-1-7固定在直流伺服电机 III-1-5上，编码器III-1-7实时记录电机的角度数据，作为反馈信号提供给控制器；直流伺服电机III-1-5通过螺钉安装在内壳III-1-1内部，并通过电气接头III-1-2与电机控制器连接；直流伺服电机III-1-5输出轴依次通过轴承III-1-8、轴套III-1-9和联轴器III-1-10与滚珠丝杠 III-1-12相连，将电机III-1-5的高速转动运动转换成直线运动，控制腿的伸缩来改变腿长；丝杠螺母III-1-13与外壳III-1-11固连，弹性元件III-1-14和阻尼元件III-1-15安装在外壳III-1-11 上，连接杆III-1-16和橡胶足端III-1-17固定于阻尼元件III-1-15上，橡胶足端III-1-17安装有压力传感器III-1-18，采集足端的接触力信号。
如图2所示，所述控制电路模块IV包含12个电机控制板IV-1、IV-2、IV-3、IV-4、IV-5、 IV-6、IV-7、IV-8、IV-9、IV-10、IV-11、IV-12、2个电源IV-13、IV-14、电源控制盒IV-15、陀螺仪IV-16和加速度计IV-17。电机控制板IV-1、IV-2、IV-3、IV-4、IV-5、IV-6、IV-7、IV-8、IV-9、IV-10、IV-11、IV-12安装在电源控制盒IV-15中间内腔，与12个腿长控制电机一一对应；电源IV-13、IV-14对称安装在电源控制盒IV-15两侧内腔，陀螺仪IV-16和加速度计IV-17 安装在电源控制盒IV-15上，分别用于测量无边轮在斜面上运动瞬间的角速度信号和加速度信号；电源控制盒IV-15固定于上连接盖V-1顶部。
如图1、图2所示，所述中心轴连接模块V包含上连接盖V-1、下连接盖V-2和配重V-3。上连接盖V-1和下连接盖V-2通过螺栓和螺母固定，用于中心轴模块子单元I-1和I-2间的固连；配重V-3固定于下连接盖V-2底部。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构及控制方式做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种用于双足机器人行走模拟与自动测试的无边轮机构，包括中心轴模块(I)、滑套模块(II)、腿部模块(III)、控制电路模块(IV)、中心轴连接模块(V)以及附加功能模块，其特征在于：所述腿部模块(III)通过螺母和螺栓安装于滑套模块(II)侧面，滑套模块(II)沿滑轨安装在中心轴模块(I)的侧面，控制电路模块(IV)固定于中心轴连接模块(V)的顶部，控制电路模块(IV)与PC上位机、控制手柄和摄像头设备相连，所述中心轴模块(I)包含2个中心轴模块子单元(I-1、I-2)，2个中心轴模块子单元(I-1、I-2)通过中心轴连接模块(V)相连。
2.根据权利要求1所述的用于双足机器人行走模拟与自动测试的无边轮机构，其特征在于：所述中心轴模块(I)所包含的2个中心轴模块子单元(I-1、I-2)的具体结构相同，均包括中心轴、滑轨、质量块和端盖，中心轴与中心轴连接模块(V)相连，滑轨用于滑套和中心轴的连接，质量块安装在中心轴内腔中，端盖通过螺钉固定在中心轴的端面。
3.根据权利要求1所述的用于双足机器人行走模拟与自动测试的无边轮机构，其特征在于：所述滑套模块(II)包含2个滑套模块子单元(II-1、II-2)，所有滑套模块子单元的具体结构相同，均包括滑套、腿部固定螺栓、滑套固定螺母和滑套固定螺栓，滑套沿滑轨安装于中心轴侧面，腿部模块子单元通过腿部固定螺栓与滑套固连，滑套通过滑套固定螺母和滑套固定螺栓固定在中心轴上。
4.根据权利要求1所述的用于双足机器人行走模拟与自动测试的无边轮机构，其特征在于：所述腿部模块(III)包含12个腿部模块子单元(III-1、III-2、III-3、III-4、III-5、III-6、III-7、III-8、III-9、III-10、III-11、III-12)，所有腿部模块子单元的具体结构相同，均包括内壳、电气接头、固定螺母、电路线舱、直流伺服电机、减速器、编码器、轴承、轴套、联轴器、外壳、滚珠丝杠、丝杠螺母、弹性元件、阻尼元件、连接杆、橡胶足端和压力传感器，内壳嵌套在外壳内孔，内壳通过固定螺母与滑套相连，电路线舱用于电线的排线，减速器和编码器固定在直流伺服电机上，直流伺服电机通过螺钉安装在内壳内部，并通过电气接头与电机控制器连接，直流伺服电机输出轴依次通过轴承、轴套和联轴器与滚珠丝杠相连，丝杠螺母通过螺钉与外壳固连，弹性元件与阻尼元件安装在外壳上，连接杆和橡胶足端固定于阻尼元件上，橡胶足端安装有压力传感器。
5.根据权利要求1所述的用于双足机器人行走模拟与自动测试的无边轮机构，其特征在于：所述控制电路模块(IV)包含12个电机控制板(IV-1、IV-2、IV-3、IV-4、IV-5、IV-6、IV-7、IV-8、IV-9、IV-10、IV-11、IV-12)、2个电源(IV-13、IV-14)、电源控制盒(IV-15)、陀螺仪(IV-16)和加速度计(IV-17)，电机控制板安装在电源控制盒(IV-15)中间内腔，电源(IV-13、IV-14)对称安装在电源控制盒(IV-15)两侧内腔，陀螺仪(IV-16)和加速度计(IV-17)安装在电源控制盒(IV-15)上，电源控制盒(IV-15)固定于上连接盖(V-1)顶部。
6.根据权利要求1所述的用于双足机器人行走模拟与自动测试的无边轮机构，其特征在于：所述中心轴连接模块(V)包含上连接盖(V-1)、下连接盖(V-2)和配重(V-3)，上连接盖(V-1)和下连接盖(V-2)通过螺栓和螺母固定，配重(V-3)固定于下连接盖(V-2)底部。
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