CN108163080B - 能适应复杂崎岖地形的高负载能力的电驱动四足机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于机器人技术领域，提供了一种能适应复杂崎岖地形的高负载能力的电驱动四足机器人，本发明的四足机器人的电机——减速器动力系统的输出端与负载相连接。相比于需要泵站来提供动力的液压驱动系统，复杂性大大降低，可以实现高精度位置、速度的控制，响应速度快，便于四足机器人获得更好的动态响应能力。另外，电驱动系统运行过程不产生噪声，不排放气体，体积小、质量轻、便于运输和携带。本发明机器人的电机与减速机连接，通过输出端驱动各个关节转动进而带动支腿运动。电机经减速器降速后，输出端扭矩进一步加大，使得该机器人不仅能在崎岖路面上实现慢走、小跑、各项运动及自平衡外，还具有较高的负载能力。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种能适应复杂崎岖地形的高负载能力的电驱动四足机器人。
背景技术
能够在复杂非结构地形环境下运行的移动机器人是当今机器人领域研究的热点。现有的移动机器人主要分为轮式、履带式和足式等几种类型。轮式机器人在运动过程中需要连续平整的地面，较难适应未知的复杂路面。履带式机器人运动需要较大的转弯半径，灵活度较低。足式机器人具有较高的自由度，使其可以灵活地跨过崎岖程度较高的障碍，具备较高的越障能力。
足式机器人按照腿的数量可分为双足机器人、四足机器人和多足机器人等。双足机器人主要是仿照人类的结构设计的，其外观和运动形式都和人类较为接近，但在运动速度、负载能力及稳定性方面的性能都不满足在复杂非结构地形环境下作为运送物资的载体的要求；多足机器人主要是仿照昆虫设计的，其结构和运动特性都和昆虫较为接近，多足机器人在崎岖地形上的运动能力相比于双足机器人有一定的提高，但其速度较慢，体型庞大，在狭窄空间的越障灵活度较低；四足机器人主要是仿造自然界中的哺乳动物的结构进行设计的，自然界中的四足动物例如猎豹、狗和马等，其在移动速度和环境适应性方面都有极佳的表现，四足机器人运动步态丰富，不仅能克服复杂地形对机器人稳定性的影响，而且能在动态的情况下实现高速运动，非常适合作为在复杂非结构化地形环境下的运送载体。发明专利公开号为US 8126592B2的专利文献公开了一种由汽油内燃机提供动力的高负载四足机器人装置，该机器人在复杂非结构化地形环境下具有较高的运动灵活性和环境适应性。其设计原理为通过陀螺仪和加速度仪等传感器感知环境并由机载计算机规划步态，它的主动平衡性使其可以保持稳定。该装置由每段肢体对应的液压执行器根据当前运动控制系统所发出的指令参数，借助各自电液伺服阀的调压功能，获取恰好满足各自肢体所需要的动力输出。液压的特性是有负载才有油压输出，没有负载则油压消失，发动机转数下降至零，因此BigDog的驱动系统无法满足在野外崎岖路况下瞬间油压值大幅度增加的要求。(在机器人奔跑跳跃时间段内，当四条腿处于腾空状态时，四腿各个肢体的载荷均大幅降低。汽油发动机的转数必然呈下降趋势，四腿腾空时间越长，油压总路油压值下降越明显。而落地时腿部与地面接触时间短并且冲击载荷巨大，需要液压系统提供和起跳前接近的油压输出。由于时间太短，汽油发动机无法瞬间给油压总路实现大幅度增压。所以腿部的液压执行器无法提供足够的支撑力，满足落地瞬间的动力输出要求。腿部必然变软，造成机器人瘫倒)另外，液压驱动系统组件较为庞大笨重且工作过程中噪声较大，这些都限制了该四足机器人的商业发展前景。
另外，电驱动系统运行过程不产生噪声，不排放气体，相比于液压系统体积小、质量轻，具备较好的商业发展前景，也是四足机器人的研究热点和发展趋势。较典型的电机驱动四足机器人如Cheetah，具有仿生式的柔性背部关节，在奔跑过程中可如猎豹般伸曲自如，还可保持稳定、高速的前进步伐，最高运动速度可达46km/h，是世界上奔跑最快的机器人，但目前该机器人的控制系统和电力系统仍然外置，显然不适合在野外崎岖路面自主行走，整个机器人还处在实验室原理样机研发阶段，并未见其投入到商业运用。另一较典型的电驱动四足机器人ANYmal，由集成化的关节模块驱动腿部运动，同时可以自主规划其导航路径，具备较好的越障能力，目前已经投入商业化使用，可以进行巡逻和救援，但其不具备负载能力，所以商业化前景进一步受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能适应复杂崎岖地形的高负载能力的电驱动四足机器人，旨在解决现有技术中的足式机器人载荷能力低或者体积庞大、笨重且工作过程中噪声较大的问题。
本实施例提供了一种能适应复杂崎岖地形的高负载能力的电驱动四足机器人，包括机身以及四条支腿，所述四条支腿包括两条前腿以及两条后腿，所述两条前腿分别安装于所述机身前端的两侧，所述两条后腿分别安装于所述机身后端的两侧；每一所述支腿均包括大腿以及小腿，所述大腿包括髋关节摆动板、髋正摆关节电机、髋正摆关节减速器、髋正摆关节内法兰、髋正摆关节法兰以及位于两侧的大腿板；所述小腿包括膝关节电机、膝关节减速器、凸轮、小腿驱动杆、小腿杆以及脚垫；所述支腿还包括髋侧摆关节，所述髋侧摆关节包括髋侧摆关节电机、髋侧摆关节减速器以及髋侧摆关节法兰；
所述髋侧摆关节电机固定在机身上，其输出端与髋侧摆关节减速器的内转子传动连接，所述髋侧摆关节减速器的外转子与所述髋侧摆关节法兰固定连接，所述髋侧摆关节法兰与髋关节摆动板固定连接，所述髋侧摆关节电机用于驱动整个支腿整体绕所述机身的长度方向转动，
所述髋正摆关节电机固定在所述髋关节摆动板上，其输出端与所述髋正摆关节减速器的内转子传动连接，所述髋正摆关节减速器的外转子与所述髋正摆关节内法兰固定连接，所述髋正摆关节内法兰与所述髋正摆关节法兰固定连接，所述髋正摆关节法兰与所述两侧的大腿板的一端固定连接，所述髋正摆关节电机用于驱动整个支腿整体绕所述机身的宽度方向转动；
所述膝关节电机固定在所述髋正摆关节法兰上，其输出端与所述膝关节减速器的内转子传动连接，所述膝关节减速器的外转子与所述凸轮固定连接，所述凸轮与所述小腿驱动杆的一端铰接，所述小腿驱动杆另一端与所述小腿杆的顶端铰接，同时，所述小腿杆的顶端还与所述大腿板的另一端铰接，所述膝关节电机用于驱动所述小腿杆绕所述机身的宽度方向转动；
所述脚垫固定在所述小腿杆的底端。
进一步地，所述机身包括第一U型板、第二U型板、短杆以及长杆，所述机身前、后端均设置有相间隔的所述第一U型板以及第二U型板，所述机身前、后端的两块第一U型板通过所述长杆连接，所述机身前端的第一U型板以及第二U型板通过所述短杆连接，所述机身后端的第一U型板以及第二U型板亦通过所述短杆连接；所述支腿的髋侧摆关节电机固定在第二U型板上，所述支腿的髋关节摆动板的另一端可转动地安装于所述第一U型板上。
进一步地，所述机身还包括轴套，所述长杆通过所述轴套安装在所述第一U型板上，所述短杆通过所述轴套安装于所述第一U型板以及第二U型板之间。
进一步地，所述长杆以及短杆均采用碳纤维、各类型铝合金、或各类型不锈钢等抗拉强度超过100MPa的材料制作。
进一步地，所述电驱动四足机器人还包括用于实时检测所述髋正摆关节电机、髋侧摆关节电机以及膝关节电机的转动角度的关节码盘和/或用于检测脚底接触力的脚底压力传感器，所述机器人还包括控制系统，所述控制系统接收所述关节码盘和/或脚底压力传感器所采集到的信息，并控制所述机器人的运动。
进一步地，所述电驱动四足机器人还包括规划机器人运动路径的导航系统，所述导航系统包括环境采集装置以及处理器，所述环境采集装置采集所述机器人外部的环境信息，所述处理接收来自所述环境采集装置的数据，并经过运算后得到所述机器人的路径规划，所述处理器将其运算结果发送至所述控制系统，所述控制系统控制所述机器人的运动。
进一步地，所述环境采集装置包括激光雷达、双目摄像头或者单目摄像头。
进一步地，所述电驱动四足机器人还包括用于检测所述髋正摆关节电机、髋侧摆关节电机以及膝关节电机的输出力矩的力矩感知功能模块，所述力矩感知功能模块与所述控制系统电连接，用于提供机器人实时的力反馈信息；所述力矩感知功能模块采集的力矩信息为力矩传感器检测的力矩信息、电机驱动电流推算的力矩信息或由弹簧形变推算的力矩信息。
进一步地，所述髋正摆关节电机、髋正摆关节减速器、膝关节电机、膝关节减速器、髋侧摆关节电机以及髋侧摆关节减速器均安装于所述支腿的上端。
本实施例与现有技术相比，有益效果在于：本发明的四足机器人采用电机驱动。电机驱动系统是将电机——减速器动力系统的输出端与负载相连接。相比于需要泵站来提供动力的液压驱动系统，电机驱动系统的复杂性大大降低。由于电机可以实现高精度位置、速度的控制，所以电机驱动系统的位置伺服的精确度很高，且电机响应速度快，能在瞬间获得足够大的扭矩输出，便于四足机器人获得更好的动态响应能力，比如复杂路况的应急能力、优良的奔跑、跳跃等能力。另外，电驱动系统运行过程不产生噪声，不排放气体，相比于液压系统体积小、质量轻、便于运输和携带，具备较好的商业发展前景。
本发明电驱动四足机器人的驱动系统由电机及减速器组成，高力矩密度的电机与减速机连接，通过输出端驱动各个关节转动进而带动四条支腿运动。大扭矩电机经减速器降速后，输出端扭矩进一步加大，使得该机器人不仅能在崎岖路面上实现慢走、小跑、各项运动及自平衡外，还具有较高的负载能力。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明实施例提供的一种电驱动四足机器人的立体结构示意图；
图2a及2b是犬类动物骨骼的结构示意图；
图3a及3b是本实施例的电驱动四足机器人的结构比例示意图；
图4是本实施例的电驱动四足机器人的结构物理模型图；
图5a及5b是本实施例的电驱动四足机器人的支腿的结构图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明的一较佳实施例，提供了一种能适应复杂崎岖地形的高负载能力的电驱动四足机器人，包括机身1以及四条支腿2，所述四条支腿2包括两条前腿以及两条后腿，两条前腿分别安装于机身1前端的两侧，两条后腿分别安装于机身1后端的两侧。每一支腿2均包括髋侧摆关节、大腿以及小腿。
犬类是一种很具有代表性的四足哺乳动物，在结构以及运动上具有很大的研究及模仿价值。本实施例的四足机器人的结构是仿照犬类动物骨骼进行设计的，其骨骼结构图如图2a及2b所示。图3a及3b为本实施例四足机器人的结构图，图3a及3b中的L10、L20、L30、L40及L50尺寸件的比例关系与图2a及2b中的L1、L2、L3、L4及L5之间的比例关系相近。
具体地，请参见图4，上述机身1包括第一U型板11、第二U型板12、短杆13、长杆14以及轴套15。机身1前、后端均设置有相间隔的第一U型板11以及第二U型板12。机身1前、后端的两块第一U型板11通过长杆14连接，机身1前端的第一U型板11以及第二U型板12通过短杆13连接，机身1后端的第一U型板11以及第二U型板12亦通过短杆13连接。
请参见图5a及5b，上述髋侧摆关节包括髋侧摆关节电机21、髋侧摆关节减速器(图中未示出)以及髋侧摆关节法兰23。大腿包括髋关节摆动板24、髋正摆关节电机25、髋正摆关节减速器(图中未示出)、髋关节内法兰(图中未出)、髋正摆关节法兰27以及位于两侧的大腿板28。小腿包括膝关节电机29、膝关节减速器(图中未示出)、凸轮31、小腿驱动杆32、小腿杆33以及脚垫34。
上述髋侧摆关节电机21固定在第二U型板12上，髋侧摆关节电机21的输出端与髋侧摆关节减速器的内转子通过键连接实现传动，所述髋侧摆关节减速器的外转子与所述髋侧摆关节法兰23固定连接，所述髋侧摆关节法兰23与髋关节摆动板24的一端固定连接，所述髋侧摆关节电机21用于驱动整个支腿2整体绕机身1的长度方向转动(即相对于机身1左右摆动)。
髋关节摆动板24的另一端可转动地安装于第一U型板12上。长杆14通过轴套15安装在第一U型板11上，所述短杆13通过所述轴套15安装于所述第一U型板11以及第二U型板12之间。为了减轻机身1的重量，长杆14以及短杆13均采用碳纤维、各类型铝合金、或各类型不锈钢等抗拉强度超过100MPa的材料制作。
上述髋正摆关节电机25固定在髋关节摆动板24上，其输出端与所述髋正摆关节减速器的内转子通过键连接实现连接，所述髋正摆关节减速器的外转子与所述髋正摆关节内法兰固定连接，所述髋正摆关节内法兰与髋正摆关节法兰27固定连接，所述髋正摆关节法兰27与位于两侧的大腿板28的一端固定连接。所述髋正摆关节电机25用于驱动整个支腿2整体绕所述机身1的宽度方向转动(即相对于机身1前后摆动)。
上述膝关节电机29固定在所述髋正摆关节法兰27上，其输出端与膝关节减速器的内转子通过键连接实现连接，膝关节减速器的外转子与凸轮31固定连接，凸轮31与小腿驱动杆32的一端铰接，小腿驱动杆32另一端与小腿杆33的顶端铰接，同时，小腿杆33的顶端还与大腿板28的另一端铰接。膝关节电机29用于驱动小腿杆33绕机身1的宽度方向转动(即相对于机身1前后摆动)。
上述脚垫34固定在小腿杆33的底端，其作为机器人的足掌。
为了提高机器人的智能化程度，上述电驱动四足机器人还包括用于实时检测所述髋侧摆关节电机21、髋正摆关节电机25以及膝关节电机29的转动角度的关节码盘、用于检测脚底接触力的脚底压力传感器以及控制系统。控制系统接收关节码盘和脚底压力传感器所采集到的信息，并控制机器人的运动。机器人行进速度可达5km/h，能够攀越15°的斜坡，能够平稳通过落差不超过0.3m的崎岖地形。可携带质量为30kg的负载，完成执行检测和运输等各项任务。
机器人还包括规划机器人运动路径的导航系统。导航系统包括环境采集装置以及处理器，环境采集装置可采用激光雷达、双目摄像头或者单目摄像头等设备。环境采集装置采集所述机器人外部的环境信息，处理接收来自环境采集装置的数据，并经过运算后得到机器人的路径规划，处理器将其运算结果发送至控制系统，控制系统控制机器人的运动，因此，本机器人还可以自主规划其导航路径，具备较好的越障能力。
机器人还包括用于检测所述髋侧摆关节电机21、髋正摆关节电机25以及膝关节电机29的输出力矩的力矩感知功能模块，所述力矩感知功能模块与所述控制系统电连接，用于提供机器人实时的力反馈信息；所述力矩感知功能模块采集的力矩信息为力矩传感器检测的力矩信息、电机驱动电流推算的力矩信息、由弹簧形变推算的力矩信息，或者由其它技术方案获取的力矩信息。
为了减小支腿2对机器人整体的转动惯量，上述髋正摆关节电机25、髋正摆关节减速器、膝关节电机29、膝关节减速器、髋侧摆关节电机21以及髋侧摆关节减速器均安装于所述支腿2的上端。
本实施例的四足机器人采用电机驱动。电机驱动系统是将电机——减速器动力系统的输出端与负载相连接。相比于需要泵站来提供动力的液压驱动系统，电机驱动系统的复杂性大大降低。由于电机可以实现高精度位置、速度的控制，所以电机驱动系统的位置伺服的精确度很高，且电机响应速度快，能在瞬间获得足够大的扭矩输出，便于四足机器人获得更好的动态响应能力，比如复杂路况的应急能力、优良的奔跑、跳跃等能力。另外，电驱动系统运行过程不产生噪声，不排放气体，相比于液压系统体积小、质量轻、便于运输和携带，具备较好的商业发展前景。
本实施例电驱动四足机器人的驱动系统由电机及减速器组成，高力矩密度的电机与减速机连接，通过输出端驱动各个关节转动进而带动四条支腿运动。大扭矩电机经减速器降速后，输出端扭矩进一步加大，使得该机器人不仅能在崎岖路面上实现慢走、小跑、各项运动及自平衡外，还具有较高的负载能力。
请一同参见下表，表中示出了常见的能适应复杂崎岖地形的四足机器人与本发明实施例的机器人的对比：
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种能适应复杂崎岖地形的高负载能力的电驱动四足机器人，包括机身以及四条支腿，所述四条支腿包括两条前腿以及两条后腿，所述两条前腿分别安装于所述机身前端的两侧，所述两条后腿分别安装于所述机身后端的两侧；每一所述支腿均包括大腿以及小腿，其特征在于，所述大腿包括髋关节摆动板、髋正摆关节电机、髋正摆关节减速器、髋正摆关节内法兰、髋正摆关节法兰以及位于两侧的大腿板；所述小腿包括膝关节电机、膝关节减速器、凸轮、小腿驱动杆、小腿杆以及脚垫；所述支腿还包括髋侧摆关节，所述髋侧摆关节包括髋侧摆关节电机、髋侧摆关节减速器以及髋侧摆关节法兰；
所述髋侧摆关节电机固定在机身上，其输出端与髋侧摆关节减速器的内转子传动连接，所述髋侧摆关节减速器的外转子与所述髋侧摆关节法兰固定连接，所述髋侧摆关节法兰与髋关节摆动板固定连接，所述髋侧摆关节电机用于驱动整个支腿整体绕所述机身的长度方向转动，
所述髋正摆关节电机固定在所述髋关节摆动板上，其输出端与所述髋正摆关节减速器的内转子传动连接，所述髋正摆关节减速器的外转子与所述髋正摆关节内法兰固定连接，所述髋正摆关节内法兰与所述髋正摆关节法兰固定连接，所述髋正摆关节法兰与所述两侧的大腿板的一端固定连接，所述髋正摆关节电机用于驱动整个支腿整体绕所述机身的宽度方向转动；
所述膝关节电机固定在所述髋正摆关节法兰上，其输出端与所述膝关节减速器的内转子传动连接，所述膝关节减速器的外转子与所述凸轮固定连接，所述凸轮与所述小腿驱动杆的一端铰接，所述小腿驱动杆另一端与所述小腿杆的顶端铰接，同时，所述小腿杆的顶端还与所述大腿板的另一端铰接，所述膝关节电机用于驱动所述小腿杆绕所述机身的宽度方向转动；
所述脚垫固定在所述小腿杆的底端。
2.如权利要求1所述的电驱动四足机器人，其特征在于，所述机身包括第一U型板、第二U型板、短杆以及长杆，所述机身前、后端均设置有相间隔的所述第一U型板以及第二U型板，所述机身前、后端的两块第一U型板通过所述长杆连接，所述机身前端的第一U型板以及第二U型板通过所述短杆连接，所述机身后端的第一U型板以及第二U型板亦通过所述短杆连接；所述支腿的髋侧摆关节电机固定在第二U型板上，所述支腿的髋关节摆动板的另一端可转动地安装于所述第一U型板上。
3.如权利要求2所述的电驱动四足机器人，其特征在于，所述机身还包括轴套，所述长杆通过所述轴套安装在所述第一U型板上，所述短杆通过所述轴套安装于所述第一U型板以及第二U型板之间。
4.如权利要求2或3所述的电驱动四足机器人，其特征在于，所述第一U型板、第二U型板也可以是三角形或梯形。
5.如权利要求2或3所述的电驱动四足机器人，其特征在于，所述长杆以及短杆均采用碳纤维、各类型铝合金、或各类型不锈钢的材料制作。
6.如权利要求1所述的电驱动四足机器人，其特征在于，所述电驱动四足机器人还包括用于实时检测所述髋正摆关节电机、髋侧摆关节电机以及膝关节电机的转动角度的关节码盘和/或用于检测脚底接触力的脚底压力传感器，所述机器人还包括控制系统，所述控制系统接收所述关节码盘和/或脚底压力传感器所采集到的信息，并控制所述机器人的运动。
7.如权利要求6所述的电驱动四足机器人，其特征在于，所述电驱动四足机器人还包括规划机器人运动路径的导航系统，所述导航系统包括环境采集装置以及处理器，所述环境采集装置采集所述机器人外部的环境信息，所述处理器接收来自所述环境采集装置的数据，并经过运算后得到所述机器人的路径规划，所述处理器将其运算结果发送至所述控制系统，所述控制系统控制所述机器人的运动。
8.如权利要求7所述的电驱动四足机器人，其特征在于，所述环境采集装置包括激光雷达、双目摄像头或者单目摄像头。
9.如权利要求6所述的电驱动四足机器人，其特征在于，所述电驱动四足机器人还包括用于检测所述髋正摆关节电机、髋侧摆关节电机以及膝关节电机的输出力矩的力矩感知功能模块，所述力矩感知功能模块与所述控制系统电连接，用于提供机器人实时的力反馈信息；所述力矩感知功能模块采集的力矩信息为力矩传感器检测的力矩信息、电机驱动电流推算的力矩信息或由弹簧形变推算的力矩信息。
10.如权利要求1至3中任意一项所述的电驱动四足机器人，其特征在于，所述髋正摆关节电机、髋正摆关节减速器、膝关节电机、膝关节减速器、髋侧摆关节电机以及髋侧摆关节减速器均安装于所述支腿的上端。
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