CN109571543B - 一种具有躯体俯仰关节和抓取机构的四足机器人及其抓取方法 - Google Patents

一种具有躯体俯仰关节和抓取机构的四足机器人及其抓取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有躯体俯仰关节和抓取机构的四足机器人及其抓取方法，包括驱动机构、机体、四条机械腿以及抓取机构。所述抓取方法为：先驱动四足机器人向目标抓取物体运动直至手爪位于目标抓取物正上方；然后协调腿部运动使机器人朝向目标抓取物体运动，直至目标抓取物体位于抓取机构的抓取范围内；驱动脊柱关节使机器人躯体向上凸起，抓取部件一和抓取部件二形成对目标抓取物体的抓取动作，在抓取过程中协调腿部运动，保持目标抓取物体在抓取机构的抓取范围内；抓取物体后，协调腿部运动，使机器人向上运动，直至机器人恢复到初始运动状态，驱动机器人继续运动。本发明的抓取机构简单，控制方法层次清晰，控制精确，运行稳定可靠。

Description

一种具有躯体俯仰关节和抓取机构的四足机器人及其抓取 方法
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种具有躯体俯仰关节和抓取机构的四足机器人及其抓取方法。
背景技术
为了增强机器人的作业能力，研究者会在机器人上安装机械臂。物体的抓取和搬运是安装在机器人上的机械臂的主要任务之一。目前对四足机器人的研究主要集中在提高运动能力和地形适应能力方面，对四足机器人抓取功能的研究很少。公开的文献资料中仅美国的波士顿动力公司在研制的四足机器人BigDog和Spot上，通过安装机械臂的方式实现了抓取功能。在四足机器人上安装机械臂可以实现物体的抓取，但是也增加了机器人的重量，降低了机器人的运动性能。
发明内容
本发明目的是针对现有技术中四足机器人的抓取功能研究较少的问题，提供一种具有躯体俯仰关节和抓取机构的四足机器人及其抓取方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种具有躯体俯仰关节和抓取机构的四足机器人，包括驱动机构、机体、四条机械腿以及抓取机构；所述机体由机体前部和机体后部组成，机体前部与机体后部之间相铰接，铰接处形成脊柱关节，所述脊柱关节用于实现机体前部和机体后部之间的相对俯仰转动；所述机械腿与机体固定连接，由结构相同的左前腿、右前腿、左后腿和右后腿组成，其中，所述左前腿和右前腿分别铰接于机体前部的两侧，所述左后腿和右后腿分别铰接于机体后部的两侧；所述抓取机构由结构相同的手爪组件一和手爪组件二组成；所述抓取机构垂直设于机架的下部，其中，手爪组件一与机体前部固定连接，所述手爪组件二与机体后部固定连接；所述手爪组件一和手爪组件二的抓取端相对设置，抓取端底部处于同一高度，用于对目标物体的抓取；所述驱动机构由多组伺服电机组成，分别设于机架内部铰接处、机架与机械腿铰接处以及机械腿内部各部件的铰接处，用于机架以及机械腿的运动。
本发明进一步解决的技术方案是，所述伺服电机由固定件、输出轴以及连接件组成，所述脊柱关节通过固定件将伺服电机固定于机体前部，输出轴通过连接件与机体后部固定连接。
本发明进一步解决的技术方案是，所述机械腿包括由上至下依次铰接的肩胛骨、大腿和小腿；所述肩胛骨与机体的铰接处形成偏航髋关节，所述大腿与肩胛骨的铰接处形成俯仰髋关节，所述小腿与大腿的铰接处形成膝关节。
本发明进一步解决的技术方案是，所述偏航髋关节通过固定件将伺服电机固定于机体前部或机体后部，输出轴通过连接件与肩胛骨固定连接；所述俯仰髋关节通过固定件将伺服电机固定于肩胛骨，输出轴通过连接件与大腿固定连接；所述膝关节通过固定件将伺服电机固定于大腿，输出轴通过连接件与小腿固定连接。
本发明进一步解决的技术方案是，所述手爪组件一和手爪组件二由固定架和两个手爪组成；所述手爪对称分布于固定架的两端，与固定架一体焊接成型。
本发明进一步解决的技术方案是，所述手爪组件一的手爪与手爪组件二的手爪之间错开分布。
本发明还保护一种具有躯体俯仰关节和抓取机构的四足机器人用于抓取物体的方法，包含以下步骤：
a、驱动四足机器人向目标抓取物体运动，直至手爪组件一和手爪组件二位于目标抓取物体的正上方；
b、驱动右前腿和右后腿的偏航髋关节按逆时针方向运动，驱动左前腿和左后腿的偏航髋关节按顺时针方向运动，同时驱动俯仰髋关节按顺时针方向运动，驱动膝关节按逆时针方向运动，使机器人躯体向下朝目标抓取物体运动，直至目标抓取物体位于手爪组件一和手爪组件二的抓取范围内；
c、驱动脊柱关节，使机体后部相对于机体前部逆时针转动，进一步使手爪组件一和手爪组件二相互逼近，形成对目标抓取物体的抓取动作，在抓取过程中驱动右前腿和右后腿的偏航髋关节按顺时针方向运动，驱动左前腿和左后腿的偏航髋关节按逆时针方向运动，同时驱动俯仰髋关节按顺时针方向运动，驱动膝关节按逆时针方向运动，保持目标抓取物体在手爪组件一和手爪组件二的抓取范围内；
d、抓取物体后，驱动右前腿和右后腿的偏航髋关节按顺时针方向运动，驱动左前腿和左后腿的偏航髋关节按逆时针方向运动，同时驱动俯仰髋关节按逆时针方向运动，驱动膝关节按顺时针方向运动，使机器人躯体向上运动，直至机器人恢复到初始的运动状态，然后驱动机器人继续运动。
本发明通过协调驱动左前腿、右前腿、左后腿、右后腿和脊柱偏航关节，使安装在机器人上的抓取机构逼近目标抓取物体并实现抓取。脊柱关节、偏航髋关节、俯仰髋关节及膝关节均采用直接驱动方式；左前腿、右前腿、左后腿、右后腿和脊柱偏航关节通过驱动机构均可作为主动件带动其他部件运动。
本发明的有益效果为：
本发明通过协调驱动左前腿、右前腿、左后腿、右后腿和脊柱偏航关节，可以在不引入机械臂且不增加额外驱动的情况下实现四足机器人的抓取功能。本发明的机构简单，控制方法层次清晰，控制精确，运行稳定可靠。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明结构正视图。
图3为本发明结构侧视图。
图4为本发明结构俯视图。
图5为本发明抓取机构立体图。
图6为本发明抓取机构正视图。
图7为本发明抓取机构侧视图。
图8为本发明抓取机构俯视图。
图9为本发明驱动机构示意图。
图10为本发明实施例步骤a抓取物体立体图。
图11为本发明实施例步骤a抓取物体正视图。
图12为本发明实施例步骤b抓取物体立体图。
图13为本发明实施例步骤b抓取物体正视图。
图14为本发明实施例步骤c抓取物体立体图。
图15为本发明实施例步骤c抓取物体正视图。
图16为本发明实施例步骤d抓取物体立体图。
图17为本发明实施例步骤d抓取物体正视图。
图中序号，1-机体前部、2-机体后部、3-左前腿、4-右前腿、5-左后腿、6-右后腿、7-手爪组件一、8-手爪组件二、9-肩胛骨、10-大腿、11-小腿、12-目标抓取物体、13-固定架、14-手爪、30-伺服电机、101-脊柱关节、102-偏航髋关节、103-俯仰髋关节、104-膝关节、301-固定件、302-连接件、303-输出轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的发明内容作进一步地说明。
参见图1-4所示的一种具有躯体俯仰关节和抓取机构的四足机器人，包括驱动机构、机体、四条机械腿以及抓取机构；所述机体由机体前部1和机体后部2组成，机体前部1与机体后部2之间相铰接，由驱动机构直接驱动，铰接处形成脊柱关节101，可以再方向201和202上运动，所述脊柱关节1用于实现机体前部1和机体后部之间2的相对俯仰转动；所述机械腿与机体固定连接，由结构相同的左前腿3、右前腿4、左后腿5和右后腿6组成，其中，所述左前腿3和右前腿4分别铰接于机体前部1的两侧，所述左后腿5和右后腿6分别铰接于机体后部2的两侧，机械腿均由驱动机构直接驱动；所述机械腿包括由上至下依次铰接的肩胛骨9、大腿10和小腿11；所述肩胛骨9与机体的铰接处形成偏航髋关节102，可以在方向203和204上运动；所述大腿10与肩胛骨9的铰接处形成俯仰髋关节103，可以在方向205和206上运动；所述小腿11与大腿10的铰接处形成膝关节104，可以在方向204和208上运动；所述抓取机构由结构相同的手爪组件一7和手爪组件二8组成；所述抓取机构垂直设于机架的下部，其中，手爪组件一7与机体前部1固定连接，所述手爪组件二8与机体后部2固定连接；所述手爪组件一7和手爪组件二8的抓取端相对设置，抓取端底部处于同一高度，用于对目标物体的抓取；所述驱动机构由多组伺服电机30组成，分别设于机架内部铰接处、机架与机械腿铰接处以及机械腿内部各部件的铰接处，用于驱动机架以及机械腿的运动。本发明的伺服电机30为Dynamixel公司生产的伺服电机RX-28，可以驱动脊柱关节101、偏航髋关节102、俯仰髋关节103及膝关节104。
参见图1和图9，本实施例中，所述伺服电机30由固定件301、输出轴303以及连接件302组成，所述脊柱关节101通过固定件301将伺服电机30固定于机体前部1，输出轴303通过连接件302与机体后部2固定连接。所述偏航髋关节102通过固定件301将伺服电机30固定于机体前部1或机体后部2上，输出轴303通过连接件302与肩胛骨9固定连接；所述俯仰髋关节103通过固定件301将伺服电机30固定于肩胛骨9，输出轴303通过连接件302与大腿10固定连接；所述膝关节104通过固定件301将伺服电机30固定于大腿10，输出轴303通过连接件302与小腿11固定连接。
参见图5-8，本实施例中，所述手爪组件一7和手爪组件二8由固定架13和两个手爪14组成；所述手爪14对称分布于固定架13的两端，与固定架13一体焊接成型。
本实施例中，为了避免脊柱关节101运动时手爪组件一7和手爪组件二8发生干涉，将手爪组件一7的手爪14与手爪组件二8的手爪14之间设计成错开分布的形状。
本发明所述的四足机器人用于抓取物体的方法，包含以下步骤：
a、参见图10-11，先驱动四足机器人向目标抓取物体12运动，直至手爪组件一7和手爪组件二8位于目标抓取物体12的正上方；
b、参见图12-13，先驱动右前腿4和右后腿6的偏航髋关节102按逆时针方向运动，即按方向203运动，然后驱动左前腿3和左后腿5的偏航髋关节102按顺时针方向运动，即按方向204运动，同时驱动俯仰髋关节103按顺时针方向运动，即按方向206运动，并驱动膝关节104按逆时针方向运动，即按方向207运动，使机器人躯体，包括机体前部1、机体后部2、手爪组件一7和手爪组件二8同时向下朝目标抓取物体12运动，直至目标抓取物体12位于手爪组件一7和手爪组件二8的抓取范围内；
c、参见图14-15，驱动脊柱关节101，使机体后部2相对于机体前部1逆时针转动，即按方向201运动，使机器人躯体向上凸起，此时手爪组件一7和手爪组件二8相互逼近，形成对目标抓取物体12的抓取动作，在抓取过程中驱动右前腿4和右后腿6的偏航髋关节102按逆时针方向运动，即按方向203运动，驱动左前腿3和左后腿5的偏航髋关节102按顺时针方向运动，即按方向204运动，同时驱动俯仰髋关节103按顺时针方向运动，即按方向206运动，驱动膝关节104按逆时针方向运动，即按方向207运动，保持目标抓取物体12在手爪组件一7和手爪组件二8的抓取范围内；
d、参见图16-17，抓取物体12后，驱动右前腿4和右后腿6的偏航髋关节102按顺时针方向运动，即按方向204运动，驱动左前腿3和左后腿5的偏航髋关节102按逆时针方向运动，即按方向203运动，同时驱动俯仰髋关节103按逆时针方向运动，即按方向205运动，驱动膝关节104按顺时针方向运动，即按方向208运动，使机器人躯体，包括机体前部1、机体后部2、手爪组件一7和手爪组件二8向上运动直至机器人恢复到初始的运动状态，然后驱动机器人继续运动。
本发明的工作原理：通过协调驱动左前腿、右前腿、左后腿、右后腿和脊柱偏航关节，使安装在机器人上的抓取机构逼近目标抓取物体并实现抓取。左前腿、右前腿、左后腿、右后腿和脊柱偏航关节通过驱动机均可作为主动件带动其他部件运动。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种具有躯体俯仰关节和抓取机构的四足机器人，其特征在于：包括驱动机构、机体、四条机械腿以及抓取机构；所述机体由机体前部(1)和机体后部(2)组成，机体前部(1)与机体后部(2)之间相铰接，铰接处形成脊柱关节(101)，所述脊柱关节(101)用于实现机体前部(1)和机体后部(2)之间的相对俯仰转动；所述机械腿与机体固定连接，由结构相同的左前腿(3)、右前腿(4)、左后腿(5)和右后腿(6)组成，其中，所述左前腿(3)和右前腿(4)分别铰接于机体前部(1)的两侧，所述左后腿(5)和右后腿(6)分别铰接于机体后部(2)的两侧；所述抓取机构由结构相同的手爪组件一(7)和手爪组件二(8)组成；所述抓取机构垂直设于机架的下部，其中，手爪组件一(7)与机体前部(1)固定连接，所述手爪组件二(8)与机体后部(2)固定连接；所述手爪组件一(7)和手爪组件二(8)的抓取端相对设置，抓取端底部处于同一高度，用于对目标物体的抓取；所述驱动机构由多组伺服电机(30)组成，分别设于机架内部铰接处、机架与机械腿铰接处以及机械腿内部各部件的铰接处，用于驱动机架以及机械腿的运动；
所述伺服电机(30)由固定件(301)、输出轴(303)以及连接件(302)组成，所述脊柱关节(101)通过固定件(301)将伺服电机(30)固定于机体前部(1)，输出轴(303)通过连接件(302)与机体后部(2)固定连接；
所述机械腿包括由上至下依次铰接的肩胛骨(9)、大腿(10)和小腿(11)；所述肩胛骨(9)与机体的铰接处形成偏航髋关节(102)，所述大腿(10)与肩胛骨(9)的铰接处形成俯仰髋关节(103)，所述小腿(11)与大腿(10)的铰接处形成膝关节(104)；
所述手爪组件一(7)和手爪组件二(8)由固定架(13)和两个手爪(14)组成；所述手爪(14)对称分布于固定架(13)的两端，与固定架(13)一体焊接成型。
2.根据权利要求1所述的一种具有躯体俯仰关节和抓取机构的四足机器人，其特征在于：所述偏航髋关节(102)通过固定件(301)将伺服电机(30)固定于机体前部(1)或机体后部(2)，输出轴(303)通过连接件(302)与肩胛骨(9)固定连接；所述俯仰髋关节(103)通过固定件(301)将伺服电机(30)固定于肩胛骨(9)，输出轴(303)通过连接件(302)与大腿(10)固定连接；所述膝关节(104)通过固定件(301)将伺服电机(30)固定于大腿(10)，输出轴(303)通过连接件(302)与小腿(11)固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种具有躯体俯仰关节和抓取机构的四足机器人，其特征在于：所述手爪组件一(7)的手爪(14)与手爪组件二(8)的手爪(14)之间错开分布。
4.如权利要求2所述的四足机器人用于抓取物体的方法，其特征在于，包含以下步骤：
a、驱动四足机器人向目标抓取物体(12)运动，直至手爪组件一(7)和手爪组件二(8)位于目标抓取物体(12)的正上方；
b、驱动右前腿(4)和右后腿(6)的偏航髋关节(102)按逆时针方向运动，驱动左前腿(3)和左后腿(5)的偏航髋关节(102)按顺时针方向运动，同时驱动俯仰髋关节(103)按顺时针方向运动，驱动膝关节(104)按逆时针方向运动，使机器人躯体向下朝目标抓取物体（12）运动，直至目标抓取物体(12)位于手爪组件一(7)和手爪组件二(8)的抓取范围内；
c、驱动脊柱关节(101)，使机体后部(2)相对于机体前部(1)逆时针转动，进一步使手爪组件一(7)和手爪组件二(8)相互逼近，形成对目标抓取物体(12)的抓取动作，在抓取过程中驱动右前腿(4)和右后腿(6)的偏航髋关节(102)按逆时针方向运动，驱动左前腿(3)和左后腿(5)的偏航髋关节(102)按顺时针方向运动，同时驱动俯仰髋关节(103)按顺时针方向运动，驱动膝关节(104)按逆时针方向运动，保持目标抓取物体(12)在手爪组件一(7)和手爪组件二(8)的抓取范围内；
d、抓取物体后，驱动右前腿(4)和右后腿(6)的偏航髋关节(102)按顺时针方向运动，驱动左前腿(3)和左后腿(5)的偏航髋关节(102)按逆时针方向运动，同时驱动俯仰髋关节(103)按逆时针方向运动，驱动膝关节(104)按顺时针方向运动，使机器人躯体向上运动，直至机器人恢复到初始的运动状态，然后驱动机器人继续运动。
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