CN109774813A - 一种小型电动六足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型电动六足机器人，包括躯体、六条腿及控制系统，六条腿均包括第一段腿、第二段腿、足部以及侧摆关节、髋关节和膝关节；侧摆关节固定于躯体内部，且当侧摆关节不发生转动时，六条腿的落足点分布于一个矩形的四条边上，侧摆关节与第一段腿相连，驱动第一段腿的转动；髋关节设于第一段腿的内部，与第二段腿相连，驱动第二段腿的转动；膝关节设于第二段腿的内部，与足部相连，驱动足部的转动；控制系统包括下位机控制器、上位机控制器、摄像头和电池，下位机控制器与上位机控制器之间串口通信，下位机控制器配备惯性测量单元，上位机控制器具有网络通信功能。上述机器人结构紧凑，具备一定承载能力，便于组装维护。

Description

一种小型电动六足机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种小型电动六足机器人。

背景技术

近些年来，随着机器人技术的迅速发展，足式机器人的研究受到了广泛的关注。基于其良好的灵活性和对复杂地形的适应能力，足式机器人越来越广泛地应用在从军事工业到日常生活等各个领域。其中，六足机器人作为足式机器人的一种，不仅有着足式机器人共有的优越性能，还具有稳定性较高，步态灵活多样等优点，极具研究价值。

开发一个小型六足机器人，使其在做到结构相对简单、控制方便、成本较低的前提下，拥有较好的运动性能，并能及时进行姿态调整，对复杂环境有一定适应能力，以便能够更好地走进人们的生活，用在教育娱乐、生活服务等各个领域，具有重要的实际意义。

公开号为CN106043491A的专利说明书公开了一种六足机器人，包括连接板、电路板、飞思卡尔控制板和六组活动足，每组活动足包括第一舵机、第一连接臂、第二舵机、第二连接臂、第三舵机、压板以及支撑脚。上述机器人整体体型较小，成本较低，组装方便，便于控制。但此机器人的外形是仿照一般昆虫进行设计的，显得不够紧凑，承载能力较为有限。而且，此机器人也缺乏足部的反馈信息，使其对复杂地形的适应能力较弱。

公开号为CN102556198A的专利说明书公开了一种六足步行机器人，包括本体和控制系统，所述的本体包括机架和机器人腿，机架包括机身和6个腿固定板组，机身包括机身上板和机身下板；每条机器人腿结构相同，包括臀部、大腿、小腿和脚，都具有三个自由度，六条机器人腿均匀分列于机架两侧，控制系统包括中央控制器、电子罗盘、力传感器、电池和编码器。此机器人控制系统较为复杂，同样缺乏足部反馈信息。

发明内容

针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种小型电动六足机器人，在尽可能保证结构相对简单、控制灵活方便、成本较低的前提下，此机器人的结构更为紧凑，占地面积小，具备一定的承载能力，并且便于组装维护。

一种小型电动六足机器人，包括躯体、六条腿及控制系统，所述的六条腿均包括第一段腿、第二段腿、足部以及侧摆关节、髋关节和膝关节；所述的侧摆关节固定于躯体内部，且当侧摆关节不发生转动时，六条腿的落足点分布于一个矩形的四条边上，侧摆关节与第一段腿相连，驱动第一段腿的转动；所述的髋关节设于第一段腿的内部，与第二段腿相连，驱动第二段腿的转动；所述的膝关节设于第二段腿的内部，与足部相连，驱动足部的转动；所述的控制系统包括下位机控制器、上位机控制器、摄像头和电池，所述的下位机控制器与上位机控制器之间串口通信，下位机控制器配备惯性测量单元，上位机控制器具有网络通信功能。

优选地，所述的躯体内部设有相互支撑的上层板和下层板，所述的下位机控制器、上位机控制器和电池设于下层板上，摄像头设于上层板上。这样设计使得下位机控制器、上位机控制器和电池位于躯体内部，可以避免受到外界的干扰，也使机器人的整体外形更为美观。将摄像头设于上层板上，便于采集视频，及时给用户反馈，实现对机器人的操控。

所述的摄像头可通过USB数据线穿过上层板与上位机控制器连接，这样使机器人摄像头所采集到的视频能够传输到上位机控制器，从而再通过网络通信，传输到移动端，供用户远程控制机器人。

所述的下位机控制器与上位机控制器之间可采用针脚和针座插接的方式进行串口通信。上位机控制器具有网络通信功能，可与手机等移动终端进行网络通信。基于上、下位机的控制系统，机器人可通过网络通信的方式方便高效地实现用户的远程控制。

优选地，所述的侧摆关节包括侧摆关节支架和第一舵机，侧摆关节支架固定于下层板的上方，第一舵机固定安装在侧摆关节支架上，驱动第一段腿的转动。侧摆关节支架起到固定第一舵机的作用，固定于下层板的上方，便于机器人关节的安装、引线，也利于使机器人的整体外形更加美观。第一舵机直接驱动机器人第一段腿的转动，方便控制。

优选地，所述的第一段腿包括第一段腿前外壳和第一段腿后外壳，所述的髋关节包括髋关节支架和第二舵机，髋关节支架与第一段腿后外壳及第一舵机的驱动端固定连接，第二舵机固定安装在髋关节支架上，驱动第二段腿的转动。第一段腿设置前、后外壳，使机器人的髋关节及导线可位于第一段腿的内部，不易受到外界环境的干扰，腿部外形也更加美观。髋关节支架起到固定第二舵机的作用，髋关节支架与第一段腿后外壳及第一舵机的驱动端固定连接，使第一段腿由第一舵机直接驱动，并且使髋关节支架和第二舵机，即髋关节位于第一段腿前、后外壳的内部。第二舵机直接驱动机器人第二段腿的转动，方便控制。

优选地，所述的第二段腿包括第二段腿前外壳和第二段腿后外壳，所述的膝关节包括膝关节支架和第三舵机，膝关节支架固定于第二段腿后外壳，第三舵机固定安装在膝关节支架上，驱动足部的转动。第二段腿设置前后外壳，使机器人的膝关节及导线可位于第二段腿的内部，不易受到外界环境的干扰，腿部外形也更加美观。膝关节支架起到固定第三舵机的作用，膝关节支架固定于第二段腿后外壳，使膝关节支架和第三舵机，即膝关节位于第二段腿前、后外壳的内部。第三舵机直接驱动足部的转动，方便控制。

优选地，所述的足部包括足部前外壳、足部后外壳、微动开关、导杆、弹簧和半球足端，所述的足部前外壳与足部后外壳固定连接，微动开关固定于后外壳内，导杆设于前外壳与后外壳形成的空腔内，导杆一端与半球足端连接，导杆的另一端触动微动开关，弹簧套在导杆上。机器人的足部可以实现一定的减震缓冲，并将是否触地的信息进行反馈，从而使机器人能及时感知自身所处的地形，必要时自主地进行相应的步态、姿态的调整，提升机器人运动性能和对环境的适应能力。

优选地，所述的足部前外壳与足部后外壳的底部相对弯曲，所述的导杆与半球足端连接的一端设有小凸台和大凸台，小凸台和大凸台的直径均大于足部前外壳与足部后外壳底部的间距，大凸台伸出空腔后与半球足端固定，所述的弹簧与小凸台相抵。由于导杆行程存在限位，微动开关不会承受过大的力，具有较好的耐用性和可靠性。

优选地，所述的躯体包括躯体上外壳和躯体下外壳。

本发明与现有技术相比，主要优点包括：

(1)本发明所提供的小型六足步行机器人的躯体和腿部均通过外壳包裹，不易受到外界环境的干扰，使机器人的整体外形小巧美观。

(2)本机器人六条腿与大部分四足机器人相似，在初始时刻呈直立状态，这样使机器人结构紧凑，占地面积仅与A4纸大小相当，承载能力更强，也易于增大前行的动力。

(3)机器人的每个关节通过舵机驱动，可以灵活地实现各种动作，控制上也方便可靠，并且每个关节均通过支架固定，每个支架上也具有必要的开口，可以方便地引出导线，并根据需要灵活地进行组装和拆卸。

(4)机器人的足部可以通过弹簧实现减震缓冲，并结合导杆和微动开关，将其是否触地的信息进行反馈，使机器人能够根据足部微动开关是否闭合判断机器人的足部是否触地，从而可以在必要的时候自主地及时进行步态、姿态上的调整，提升对复杂地形的适应能力。

(5)机器人的控制系统包括下位机和上位机两层，分工明确，降低了相应控制器的工作压力和控制难度，并可实现用户的远程遥控。其中，下位机控制器可以采集微动开关是否闭合的信息和惯性测量单元的数据，将其传输给上位机控制器，并接收上位机控制器的关节角度指令驱动18路舵机。机器人的上位机控制器可以与手机等移动终端进行网络通信，接收用户的远程遥控命令，通过解算后得到关节角度指令，再传输给下位机控制器，并将下位机控制器传送的信息和摄像头采集的视频及时反馈给用户。

(7)机器人的整体制作成本也较低，便于走入人们的生活，可应用日常服务、教育娱乐等各个领域。

附图说明

图1为实施例的小型电动六足机器人的结构示意图；

图2为实施例的小型电动六足机器人去掉躯体上外壳及躯体下外壳后的结构示意图；

图3为实施例的小型电动六足机器人去掉躯体上外壳、躯体下外壳、上层板及六角铜柱后的结构示意图；

图4为实施例的小型电动六足机器人的一条腿去掉第一段腿前外壳、第二段腿前外壳及足部前外壳后的结构示意图；

图5为实施例的小型电动六足机器人的第一段腿及髋关节的结构示意图；

图6为实施例的小型电动六足机器人的第二段腿及膝关节的结构示意图；

图7为实施例的小型电动六足机器人的足部触地时的结构示意图；

图8为实施例的小型电动六足机器人的足部未触地时的结构示意图；

图中：1-躯体；2-第一段腿；3-第二段腿；4-足部；5-摄像头；6-下层板；7-侧摆关节支架；8-第一舵机；9-上层板；10-六角铜柱；11-躯体下外壳；12-躯体上外壳；13-电池；14-下位机控制器；15-上位机控制器；16-第二舵机；17-髋关节支架；18-第一段腿后外壳；19-第一段腿前外壳；20-第三舵机；21-膝关节支架；22-第二段腿后外壳；23-第二段腿前外壳；24-半球足端；25-导杆；26-弹簧；27-微动开关；28-足部后外壳；29-足部前外壳。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，本发明的实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

如图1所示，本实施例的小型电动六足机器人的外观可看到躯体1、六条腿和摄像头5。

如图1、4所示，每条腿包括第一段腿2、第二段腿3、足部4以及侧摆关节、髋关节和膝关节。六条腿的侧摆关节固定于躯体内部，且当侧摆关节不发生转动时，机器人六个落足点位于躯体的正下方，在一个矩形的四条边上分布。

如图2、3所示，躯体包括躯体上外壳12和躯体下外壳11，躯体内部包括上层板9和下层板6，上层板9和下层板6间通过六角铜柱10进行支撑。下层板6上置有下位机控制器14，上位机控制器15及电池13。上层板上置有摄像头5。躯体上层板9中部具有方形开口。侧摆关节包括侧摆关节支架7和第一舵机8。侧摆关节支架7通过螺纹联接固定于躯体内部下层板6的上方，第一舵机8固定安装在侧摆关节支架7上，驱动第一段腿2的转动。下位机控制器14与上位机控制器15之间采用针脚和针座插接的方式进行串口通信。下位机控制器14配备惯性测量单元。上位机控制器15可与手机等移动终端进行网络通信。所述的摄像头5可通过USB数据线穿过躯体上层板9的方形开口连接到上位机控制器15。电池13为小型电动六足机器人提供能量。

如图5所示，第一段腿2包括第一段腿前外壳19和第一段腿后外壳18，所述的髋关节包括髋关节支架17和第二舵机16，髋关节支架17通过螺纹联接与第一段腿后外壳18及第一舵机8的驱动端固定，第二舵机16固定安装在髋关节支架17上，驱动第二段腿3的转动。

如图6所示，第二段腿3包括第二段腿前外壳23和第二段腿后外壳22，所述的膝关节包括膝关节支架21和第三舵机20，膝关节支架21通过螺纹联接与第二段腿后外壳22固定，第三舵机20固定安装在膝关节支架21上，驱动足部4的转动。

如图7所示，足部4包括足部前外壳29和足部后外壳28，足部前外壳29与足部后外壳28的底部相对弯折，足部内部包括微动开关27、弹簧26、导杆25，底部为半球足端24。微动开关27固定于足部后外壳28上，导杆25位于微动开关27下方，导杆25一端触动微动开关27，另一端设有小凸台和大凸台，小凸台和大凸台的直径均大于足部前外壳29与足部后外壳28底部的间距，弹簧26套在导杆25上，弹簧26底端与小凸台顶端相抵，大凸台伸出空腔，与半球足端24固定连接，导杆可有一个较小行程的上下移动，半球足端24具有一定的缓冲能力。

本发明的工作过程如下：机器人的腿在初始时刻呈直立状态，整体结构显得较为紧凑，也具有较高的承载能力。机器人每条腿具有的三个关节是相互独立的，其中侧摆关节轴线方向与机体前行方向是平行的，实现腿部的侧向转动，而髋关节和膝关节的轴线初始方向与机体前行方向是垂直的，这两个自由度实现机器人前进所需的抬腿和落腿的动作，因此机器人可以灵活地实现多种动作，也十分便于控制。同时每个关节均通过舵机驱动，由支架固定，每个支架上也具有必要的开口，可以方便地引出导线，根据需要灵活地进行组装和拆卸，并且每个关节最终放置于机体或机器人腿部外壳的内部，也不易受到外界环境的干扰。

机器人在实际运动中可采用如图1所示的“前腿向前弯，中腿及后腿向后弯”的行走方式。机器人运动过程中，当足部4触地时，导杆25将上移，并碰触微动开关27的摆杆使其闭合。导杆25下方凸台的上表面与足部前外壳29及足部后外壳28的下表面接触时，达到其运动行程的最上端。同时，在导杆25上移的过程中，弹簧26也被压缩，从而减少一定来自地面的冲击，实现减震缓冲的作用。由于导杆25行程很短，当机器人的足部4稍稍抬起，离开地面时，在重力和弹簧26的复位力的作用下，导杆25将迅速下移，微动开关27的摆杆复位，微动开关27断开，如图8所示。这样机器人足部4是否触地的信息便可通过微动开关27是否闭合进行反馈，这种反馈方式灵敏迅速，成本低廉。微动开关27尾部具有焊接端子，其上可焊接导线。将导线接入到下位机控制器14上，机器人便可采集到微动开关27是否闭合的信息，从而得知足部4是否触地，以便使机器人根据需要在必要时自主地调整步态、姿态，提升运动中的稳定性。

下位机控制器14可以通过串口通信的方式将微动开关27是否闭合的信息和惯性测量单元的数据传输给上位机控制器15，并接收上位机控制器15的关节角度指令驱动18路舵机。机器人的上位机控制器15可以与手机等移动终端进行网络通信，接收用户的远程遥控命令，通过解算后得到关节角度指令，再传输给下位机控制器14，并将下位机控制器14传送的信息和摄像头5采集的视频及时反馈给用户。这样机器人可方便灵活地实现用户的远程控制，并且拥有较好的运动性能，对复杂地形有一定的适应能力，机器人整体制作成本也比较低。

此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种小型电动六足机器人，包括躯体、六条腿及控制系统，其特征在于，所述的六条腿均包括第一段腿、第二段腿、足部以及侧摆关节、髋关节和膝关节；所述的侧摆关节固定于躯体内部，且当侧摆关节不发生转动时，六条腿的落足点分布于一个矩形的四条边上，侧摆关节与第一段腿相连，驱动第一段腿的转动；所述的髋关节设于第一段腿的内部，与第二段腿相连，驱动第二段腿的转动；所述的膝关节设于第二段腿的内部，与足部相连，驱动足部的转动；所述的控制系统包括下位机控制器、上位机控制器、摄像头和电池，所述的下位机控制器与上位机控制器之间串口通信，下位机控制器配备惯性测量单元，上位机控制器具有网络通信功能。

2.根据权利要求1所述的小型电动六足机器人，其特征在于，所述的躯体内部设有相互支撑的上层板和下层板，所述的下位机控制器、上位机控制器和电池设于下层板上，摄像头设于上层板上。

3.根据权利要求2所述的小型电动六足机器人，其特征在于，所述的摄像头通过USB数据线穿过上层板与上位机控制器连接。

4.根据权利要求1所述的小型电动六足机器人，其特征在于，所述的下位机控制器与上位机控制器之间采用针脚和针座插接的方式进行串口通信。

5.根据权利要求2所述的小型电动六足机器人，其特征在于，所述的侧摆关节包括侧摆关节支架和第一舵机，侧摆关节支架固定于下层板的上方，第一舵机固定安装在侧摆关节支架上，驱动第一段腿的转动。

6.根据权利要求5所述的小型电动六足机器人，其特征在于，所述的第一段腿包括第一段腿前外壳和第一段腿后外壳，所述的髋关节包括髋关节支架和第二舵机，髋关节支架与第一段腿后外壳及第一舵机的驱动端固定连接，第二舵机固定安装在髋关节支架上，驱动第二段腿的转动。

7.根据权利要求1所述的小型电动六足机器人，其特征在于，所述的第二段腿包括第二段腿前外壳和第二段腿后外壳，所述的膝关节包括膝关节支架和第三舵机，膝关节支架固定于第二段腿后外壳，第三舵机固定安装在膝关节支架上，驱动足部的转动。

8.根据权利要求1所述的小型电动六足机器人，其特征在于，所述的足部包括足部前外壳、足部后外壳、微动开关、导杆、弹簧和半球足端，所述的足部前外壳与足部后外壳固定连接，微动开关固定于后外壳内，导杆设于前外壳与后外壳形成的空腔内，导杆一端与半球足端连接，导杆的另一端触动微动开关，弹簧套在导杆上。

9.根据权利要求8所述的小型电动六足机器人，其特征在于，所述的足部前外壳与足部后外壳的底部相对弯曲，所述的导杆与半球足端连接的一端设有小凸台和大凸台，小凸台和大凸台的直径均大于足部前外壳与足部后外壳底部的间距，大凸台伸出空腔后与半球足端固定，所述的弹簧与小凸台相抵。