CN107140054A - 一种转弯机器人及转弯方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种转弯机器人及转弯方法，包括机体支架，在机体支架的四个角上各设有一条腿，每条腿有三个摆动自由度，分别是侧摆髋关节、前摆髋关节和前摆膝关节；位于前端的两个侧摆髋关节通过侧摆支架I焊接在机体机架前端；位于后端的两个侧摆髋关节通过侧摆支架II焊接在机体机架的后端；每个侧摆髋关节通过侧摆液压缸控制其摆动的方向；侧摆液压缸一端连接侧摆支架I或II上，另一端连接在侧摆髋关节上；前摆髋关节通过前摆液压缸控制其摆动的方向；前摆液压缸一端连接侧摆髋关节上，另一端连接在大腿上；通过前摆液压缸的伸缩即可实现大腿的前摆运动；膝关节的前摆由膝液压缸控制；机器人小腿由小腿液压缸组成，小腿长度可伸缩控制。

Description

一种转弯机器人及转弯方法
技术领域
本发明公开了一种转弯机器人以及转弯方法。
背景技术
目前，四足机器人转弯的实现基本都是通过步态规划，规划方法复杂，难度大，并且会降低四足机器人的性能。
发明内容
为了解决现有技术只存在的技术问题，本发明公开了一种转弯机器人及转弯方法，本发明设计的四足机器人可以通过调整自身结构实现转弯，不需要进行复杂的步态规划。
本发明采用的技术方案如下：
一种转弯机器人，包括机体支架，在所述的机体支架的四个角上各设有一条腿，每条腿具有三个摆动自由度，分别是侧摆髋关节、前摆髋关节和前摆膝关节；位于前端的两个侧摆髋关节通过侧摆支架I焊接在机体机架前端；位于后端的两个侧摆髋关节通过侧摆支架II焊接在机体机架的后端；每个侧摆髋关节通过一个侧摆液压缸控制其摆动的方向；侧摆液压缸一端连接侧摆支架I或II上，另一端连接在侧摆髋关节上；前摆髋关节通过一个前摆液压缸控制其摆动的方向；前摆液压缸一端连接侧摆髋关节的端部凸耳上，另一端连接在大腿上；通过前摆液压缸的伸缩即可实现大腿的前摆运动；膝关节的前摆由膝液压缸控制；由机器人小腿由小腿液压缸组成，小腿长度可以通过小腿液压缸的伸缩控制。
进一步的，所述的侧摆支架I或II的中部各设有两个凸耳，在每个侧摆髋关节上也各设有一个凸耳，侧摆液压缸的一端连接在侧摆支架I或II的凸耳上，另外一端连接在侧摆髋关节的凸耳上。
进一步的，所述的侧摆髋关节的中部和端部还各设有一个凸耳，侧摆髋关节的中部凸耳与大腿铰接，形成前摆髋关节，端部的凸耳连接前摆液压缸。
利用上面的装置进行转弯的第一种方法：
机器人转弯运动的实现主要是通过缩短同一侧腿的小腿长度，左右两侧腿的长度不同，在机器人迈步的过程中两侧的腿会出现步长差，从而实现转弯。
具体的：当机器人向右侧转弯时，需要将右侧两条腿的小腿液压缸收缩，保持左侧腿的腿长不变，此时，侧摆角度不变，各腿与机体垂直；当机器人向左侧转弯时，需要将左侧两条腿的小腿液压缸收缩，保持右侧腿的腿长不变。
利用上面的装置进行转弯的第二种方法：
机器人转弯运动的实现先缩短同一侧腿的小腿长度，保持另一侧的小腿长度不变；然后再控制侧摆液压缸，实现对机器人质心的调整，进而实现转弯。
具体的：当机器人向右转弯时，将右侧两条腿缩短，保持左侧两条腿的腿长不变；再分别伸长左侧腿的侧摆液压缸和缩短右侧腿的侧摆液压缸；实现右转弯；
当机器人向左转弯时，将左侧两条腿缩短，保持右侧两条腿的腿长不变；再分别伸长右侧腿的侧摆液压缸和缩短左侧腿的侧摆液压缸；实现左转弯。
进一步的，两侧腿的侧摆髋关节角度均逆时针转α角；
δ表示的是两侧腿的长度差；W机体宽。
本发明的有益效果如下：
本发明设计的四足机器人可以通过调整自身结构实现转弯，即通过调整腿长的第一种方法来转弯或通过调整腿长和侧摆的第二种方法来实现转弯，两种方法都控制简单，转弯方便；不需要进行复杂的步态规划；第二种方法转弯更稳定，不易翻倒。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1本发明的主视图；
图2本发明的左视图；
图3初始状态左视简化图；
图4腿长调整示意图；
图5机器人转弯运动轨迹；
图6质心调整示意图；
图中：1.机体支架，2.侧摆髋关节，3.大腿，4.前摆液压缸，5.小腿液压缸，6.侧摆液压缸，7.侧摆支架，8前摆髋关节，9前摆膝关节，10膝液压缸。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在四足机器人转弯的实现基本都是通过步态规划，规划方法复杂，难度大，并且会降低四足机器人的性能。为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种转弯机器人以及转弯方法。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1、2、3、4所示，提供了一种转弯机器人，该四足机器人由机体和四条腿组成，每条腿具有三个摆动自由度，分别是前摆髋关节、侧摆髋关节和前摆膝关节。图1和图2分别为四足机器人的主视图和左视图，其中包括，机体支架1，侧摆髋关节2，大腿3，前摆液压缸4，小腿液压缸5，侧摆液压缸6，侧摆支架7，前摆髋关节8，前摆膝关节9，膝液压缸10。
侧摆支架7两端焊接在机体支架1上，其中部有两个凸耳，用于铰接侧摆液压缸6，髋关节2上部有凸耳，用于铰接侧摆液压缸6，通过侧摆液压缸6的伸缩即可实现侧摆髋关节2的侧摆运动。
侧摆髋关节2下部中间位置和一端各有一个凸耳，中部凸耳用于铰接大腿3，端部凸耳用于铰接前摆液压缸4的一端，大腿3中部铰接前摆液压缸4的另一端，通过前摆液压缸4的伸缩即可实现大腿3的前摆运动。机器人小腿由小腿液压缸5组成，小腿长度可以通过小腿液压缸5的伸缩控制；大腿的前后运动通过前摆液压缸4实现；膝关节的前摆由膝液压缸10控制。
初始状态时机器人左视简化图如图3所示，4条腿高度相同，机体水平。此时机器人迈步时向前直行。假设机体宽度即两髋关节之间的距离为W，机体初始质心高度为H。
转弯方法一：
机器人转弯运动的实现主要是通过缩短同一侧腿的小腿长度，这样左右两侧腿长度不同，在机器人迈步的过程中两侧腿会出现步长差，从而实现转弯。
当机器人向右侧转弯时，需要将右侧两条腿的小腿液压缸5收缩，保持左侧腿的腿长不变，得到图4所示的机器人状态。此时，侧摆角度不变，各腿与机体垂直。如图5所示的机器人运动轨迹，左侧腿步长L1大于右侧腿步长L2，形成步长差，机体每步转过的角度为实现右转弯。同样，当机器人向左侧转弯时，需要将左侧两条腿的小腿液压缸5收缩，保持右侧腿的腿长不变。
转弯方法二：
机器人转弯运动的实现先缩短同一侧腿的小腿长度，保持另一侧的小腿长度不变；然后再控制侧摆液压缸，实现对机器人质心的调整，进而实现转弯。
具体的：当机器人向右转弯时，将右侧两条腿缩短，保持左侧两条腿的腿长不变；再分别伸长左侧腿的侧摆液压缸和缩短右侧腿的侧摆液压缸；实现右转弯；
当机器人向左转弯时，将左侧两条腿缩短，保持右侧两条腿的腿长不变；再分别伸长右侧腿的侧摆液压缸和缩短左侧腿的侧摆液压缸；实现左转弯。
下面以右转弯为例，进行详细说明：
当机器人向右转弯时，先将右侧两条腿缩短，保持左侧两条腿的腿长不变，得到图6实线所示的机器人状态，此时，机器人身体向右倾斜，需要将机器人质心进行调整，调整过程如图6所示。
分别伸长左侧腿的侧摆液压缸和缩短右侧腿的侧摆液压缸6，使两侧腿绕侧摆髋关节产生侧摆运动，通过调节侧摆角度，使机器人质心由B位置调整到B′位置，此时机器人腿竖直于地面，机体质心投影点落在A′位置，如图6中虚线所示的状态。将两侧腿的侧摆髋关节角度均逆时针转α角。而根据图中几何关系得到：
δ表示的是两侧腿的长度差；W机体宽；
机器人在转弯运动时走过的轨迹近似为一个圆弧，如图5所示为机器人迈一步时的近似轨迹，机体宽为W，内侧腿足端轨迹圆弧半径为r，外侧腿足端轨迹圆弧半径为R，假设转过的角度为可以得到以下关系：
解得：
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种转弯机器人，其特征在于，包括机体支架，在所述的机体支架的四个角上各设有一条腿，每条腿具有三个摆动自由度，分别是侧摆髋关节、前摆髋关节和前摆膝关节；位于前端的两个侧摆髋关节通过侧摆支架I焊接在机体机架前端；位于后端的两个侧摆髋关节通过侧摆支架II焊接在机体机架的后端；每个侧摆髋关节通过一个侧摆液压缸控制其摆动的方向；侧摆液压缸一端连接侧摆支架I或II上，另一端连接在侧摆髋关节上；前摆髋关节通过一个前摆液压缸控制其摆动的方向；前摆液压缸一端连接侧摆髋关节上，另一端连接在大腿上；通过前摆液压缸的伸缩即可实现大腿的前摆运动；膝关节的前摆由膝液压缸控制；机器人小腿由小腿液压缸组成，小腿长度可以通过小腿液压缸的伸缩控制。
2.如权利要求1所述的一种转弯机器人，其特征在于，所述的侧摆支架I或II的中部各设有两个凸耳，在每个侧摆髋关节上也各设有一个凸耳，侧摆液压缸的一端连接在侧摆支架I或II的凸耳上，另外一端连接在侧摆髋关节的凸耳上。
3.如权利要求1所述的一种转弯机器人，其特征在于，所述的侧摆髋关节的中部和端部还各设有一个凸耳，侧摆髋关节的中部凸耳与大腿铰接，形成前摆髋关节，端部的凸耳连接前摆液压缸。
4.利用权利要求1所述的转弯机器人进行转弯的方法，其特征在于，机器人转弯运动的实现主要是通过缩短同一侧腿的小腿长度，保持另一侧的小腿长度不变，使得左右两侧腿长度不同，在机器人迈步的过程中两侧腿会出现步长差，从而实现转弯。
5.如权利要求4所述的转弯的方法，其特征在于，当机器人向右侧转弯时，需要将右侧两条腿的小腿液压缸收缩，保持左侧腿的腿长不变，此时，侧摆角度不变，各腿与机体垂直；当机器人向左侧转弯时，需要将左侧两条腿的小腿液压缸收缩，保持右侧腿的腿长不变。
6.利用权利要求1所述的转弯机器人进行转弯的方法，其特征在于，机器人转弯运动的实现先缩短同一侧腿的小腿长度，保持另一侧的小腿长度不变；然后再控制侧摆液压缸，实现对机器人质心的调整，进而实现转弯。
7.如权利要求4所述的转弯的方法，其特征在于，当机器人向右转弯时，将右侧两条腿缩短，保持左侧两条腿的腿长不变；再分别伸长左侧腿和缩短右侧腿的侧摆液压缸；实现右转弯；
当机器人向左转弯时，将左侧两条腿缩短，保持右侧两条腿的腿长不变；再分别伸长右侧腿和缩短左侧腿的侧摆液压缸；实现左转弯。
8.如权利要求7所述的转弯的方法，其特征在于，两侧腿的侧摆髋关节角度均逆时针转α角；
δ表示的是两侧腿的长度差；W机体宽。
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