CN110254553A - 一种全形态式仿鸵鸟高速跑跳机器人 - Google Patents

一种全形态式仿鸵鸟高速跑跳机器人 Download PDF

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Abstract

本发明涉及双足行走机器人领域，特别涉及一种全形态式仿鸵鸟高速跑跳机器人。它的总体结构由第一、第二翅膀组件、第一、第二腿部组件、颈部组件、躯干组件和尾部组件构成，其结构简单，具有完善的类生物躯干整体结构，通过二自由度头部的传感设计、二自由度尾部和翅膀的稳定平衡转向设计以及四肢的三自由度设计，以实现全形态式仿鸵鸟机器人的高速跑跳运动。

Description

一种全形态式仿鸵鸟高速跑跳机器人
技术领域
本发明涉及双足行走机器人领域，特别涉及一种全形态式仿鸵鸟高速跑跳机器人。
背景技术
具有高速跑跳功能的双足机器人是目前研究的一大热点，目前的双足机器人大多行动缓慢，依靠ZMP理论进行自平衡控制。而高速跑跳机器人可基于动力学基础实现动态平衡，不局限于重心位置的调整，拓展了双足自平衡的手段。本发明设计的全形态式仿鸵鸟机器人具备完整的头部、尾部和翅膀特征：头部布有视觉传感器和激光雷达为机器人的运动提供环境感知，与头部相连有二自由度颈部，可保持头部水平并跟踪目标；尾部和翅膀采用二自由度机构和配重，可在其高速奔跑过程中调整机器人重心，维持步态稳定，控制机器人行进方向；同时四肢的三自由度设计，可提供宽范围的运动空间，满足基本的运动需求；全形态式的仿照生物关节特点，将生物运动形态作为设计对象，结合柔性元件，有利于提高高速跑跳速度和能量利用效率。
发明内容
本发明要解决的问题是设计一种全形态式仿鸵鸟高速跑跳机器人，其结构简单，具有完善的类生物整体结构，通过二自由度头部的传感设计、二自由度尾部和翅膀的稳定平衡转向设计以及四肢的三自由度设计，以实现全形态式仿鸵鸟机器人的高速跑跳运动。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种全形态式仿鸵鸟高速跑跳机器人，其总体结构由第一、第二翅膀组件、第一、第二腿部组件、颈部组件、躯干组件和尾部组件构成；其中，第一翅膀组件与第二翅膀组件关于躯干组件的中心面对称分布；第一翅膀组件的第二长U型支架与躯干组件的控制箱的一侧通过螺栓螺母固定连接，第二翅膀组件的第三长U型支架与躯干组件的控制箱的另一侧通过螺栓螺母固定连接；颈部组件的第四长U型支架与躯干组件的第二支撑板的中心通孔通过螺栓螺母固定连接，尾部组件的第一长U型支架与第一支撑板的中心通孔通过螺栓螺母固定连接；第一腿部组件与第二腿部组件同样关于躯干组件的中心面对称分布；第一腿部组件的第一矩形支架两侧短边的中心孔分别与第一、第二支撑板的周边孔形成活动转动连接；第二腿部组件的第二矩形支架两侧短边的中心孔分别与第一、第二支撑板的周边孔形成活动转动连接。
第一腿部组件由矩形支架，第一、第二和第三舵机，第一、第二和第三法兰，第一、第二扭簧，第一、第二多功能舵机支架，第一L型舵机支架，斜U型舵机支架，传动杆，小腿杆，U型舵机支架、大腿杆组成；第一舵机的输出轴穿过矩形支架短侧的孔，并固定在第一支撑板上；第二舵机安装在第一多功能舵机支架上，输出轴与第二法兰相连，第一法兰穿过第一扭簧和第一多功能舵机支架的一侧通孔，形成转动连接；第一多功能舵机支架、大腿杆以及短U型支架通过螺栓固定连接；第三舵机固定在第二多功能支架上，它的输出轴穿过第二多功能支架一侧的通孔和短U型支架相对固定，同时第三法兰依次穿过第二扭簧、短U型支架和第二多功能支架另一侧的通孔，使第二多功能支架与短U型支架形成转动连接；第一L型支架与斜U型支架通过螺栓固定，并整体与第二多功能支架固定连接；传动杆的一端与斜U型支架的通孔形成转动连接，另一端与U型舵机支架的通孔形成转动连接；U型舵机支架固定在小腿杆上，小腿杆与大腿杆通过轴形成转动连接；第一腿部组件与第二腿部组件的组成构件与装配形式完全一致，且关于仿鸵鸟机器人躯干组件体态中心对称。
尾部组件由第一两自由度转动组件和第一配重块组成；其中第一两自由度转动组件与躯干组件的第一支撑板通过螺栓螺母固定连接，第一配重块固连在平衡杆上。
第一翅膀组件由第二两自由度转动组件和第二配重块组成；其中第二两自由度转动组件的第二长U型支架与躯干组件的控制箱固定连接；第二翅膀组件的结构和装配关系与第一翅膀组件完全一致，且关于躯干组件中心对称分布。
躯干组件由第一、第二支撑板、控制箱和第一、第二天线，其中第一支撑板固定在控制箱的一侧，第二支撑板固定在控制箱的另一侧，第一、第二天线布置在控制箱的顶部。
颈部组件由第四两自由度转动组件、第五长U型支架、激光雷达和双目摄像头组成，其中第四两自由度转动组件的第四长U型支架与第二支撑板固定连接，第五长U型支架上固定激光雷达和双目摄像头。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果：本发明通过二自由度头部的传感设计、二自由度尾部和翅膀的稳定平衡转向设计以及四肢的三自由度设计，使该双足机器人具有强大的高速跑跳能力、环境友好接触能力、高速度高动态稳定运动能力、目标锁定跟踪能力和抵御外界干扰的能力，使该双足机器人具有广泛的社会运用前景。
附图说明
图1全形态式仿鸵鸟高速跑跳机器人结构示意图；
图2仿鸵鸟机器人正面视图；
图3仿鸵鸟机器人侧视图；
图4第一腿部组件示意图；
图5第一腿部组件爆炸示意图；
图6尾部组件示意图；
图7第一翅膀组件示意图；
图8第二翅膀组件示意图；
图9躯干组件示意图；
图10颈部组件示意图；
图中：第一、第二翅膀组件(1-1、1-2)，第一、第二腿部组件(2-1、2-2)，颈部组件(3)，躯干组件(4)，尾部组件(5)，第一、第二矩形支架(6-1、6-2)，第一、第二和第三舵机(7-1、7-2、7-3)，第一、第二和第三法兰(8-1、8-2、8-3)，第一、第二扭簧(9-1、9-2)，第一、第二、第三和第四多功能舵机支架(10-1、10-2、10-3、10-4)，第一、第二L型舵机支架(11-1、11-2)，斜U型舵机支架(12)，传动杆(13)，小腿杆(14)，U型舵机支架(15)，大腿杆(16)，第一、第二短U型支架(17-1、17-2)，第一、第二、第三、第四和第五长U型支架(18-1、18-2、18-3、18-4、18-5)，第四、第五法兰(19-1、19-2)，平衡杆(20)，第一、第二、第三和第四两自由度转动组件(21-1、21-2、21-3、21-4)，第一、第二配重块(22-1、22-2)，第一、第二支撑板(23-1、23-2)，控制箱(24)，第一、第二天线(25-1、25-2)，激光雷达(26)，双目摄像头(27)。
具体实施方式
结合附图对本发明做进一步说明。
本发明要解决的问题是设计一种全形态式仿鸵鸟高速跑跳机器人，其结构简单，具有完善的类生物整体结构，通过二自由度头部的传感设计、二自由度尾部和翅膀的稳定平衡转向设计以及四肢的三自由度设计，以实现全形态式仿鸵鸟机器人的高速跑跳运动。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种全形态式仿鸵鸟高速跑跳机器人，其总体结构可以由第一、第二翅膀组件(1-1、1-2)、第一、第二腿部组件(2-1、2-2)、颈部组件(3)、躯干组件(4)和尾部组件(5)构成。
如图2和图3所示，第一翅膀组件(1-1)与第二翅膀组件(1-2)关于躯干组件(4)的中心面对称分布；第一翅膀组件(1-1)的第二长U型支架(18-2)与躯干组件(4)的控制箱(24)的一侧通过螺栓螺母固定连接，第二翅膀组件(1-2)的第三长U型支架(18-3)与躯干组件(4)的控制箱(24)的另一侧通过螺栓螺母固定连接；颈部组件(3)的第四长U型支架(18-4)与躯干组件(4)的第二支撑板(23-2)的中心通孔通过螺栓螺母固定连接，尾部组件(5)的第一长U型支架(18-1)与第一支撑板(23-1)的中心通孔通过螺栓螺母固定连接。
第一腿部组件(2-1)与第二腿部组件(1-2)同样关于躯干组件(4)的中心面对称分布；第一腿部组件(2-1)的第一矩形支架(6-1)两侧短边的中心孔分别与第一、第二支撑板(23-1、23-2)的周边孔形成活动转动连接；第二腿部组件(2-2)的第二矩形支架(6-2)两侧短边的中心孔分别与第一、第二支撑板(23-1、23-2)的周边孔形成活动转动连接。
如图4所示，第一腿部组件(2-1)由矩形支架(6-1)，第一、第二和第三舵机(7-1、7-2、7-3)，第一、第二和第三法兰(8-1、8-2、8-3)，第一、第二扭簧(9-1、9-2)，第一、第二多功能舵机支架(10-1、10-2)，第一L型舵机支架(11-1)，斜U型舵机支架(12)，传动杆(13)，小腿杆(14)，U型舵机支架(15)、大腿杆(16)组成；如图5所示，第一舵机(7-1)的输出轴穿过矩形支架(6-1)短侧的孔，并固定在第一支撑板(23-1)上；第二舵机(7-2)安装在第一多功能舵机支架(10-1)上，输出轴与第二法兰(8-2)相连，第一法兰(8-1)穿过第一扭簧(9-1)和第一多功能舵机支架(10-1)的一侧通孔，形成转动连接；第一多功能舵机支架(10-1)、大腿杆(16)以及短U型支架(17-1)通过螺栓固定连接；第三舵机(7-3)固定在第二多功能支架(10-2)上，它的输出轴穿过第二多功能支架(10-2)一侧的通孔和短U型支架(17-1)相对固定，同时第三法兰(8-3)依次穿过第二扭簧(9-2)、短U型支架(17-1)和第二多功能支架(10-2)另一侧的通孔，使第二多功能支架(10-2)与短U型支架(17-1)形成转动连接；第一L型支架(11-1)与斜U型支架(12)通过螺栓固定，并整体与第二多功能支架(10-2)固定连接；传动杆(13)的一端与斜U型支架(12)的通孔形成转动连接，另一端与U型舵机支架(15)的通孔形成转动连接；U型舵机支架(15)固定在小腿杆(14)上，小腿杆(14)与大腿杆(16)通过轴形成转动连接。
第二腿部组件(10-2)与第一腿部组件(10-1)的组成构件与装配形式完全一致，且关于仿鸵鸟机器人躯干组件(4)体态中心对称。
如图6所示，尾部组件(5)由第一两自由度转动组件(21-1)和第一配重块(22-1)组成；其中第一两自由度转动组件(21-1)与躯干组件(4)的第一支撑板(23-1)通过螺栓螺母固定连接，第一配重块(22-1)固连在平衡杆(20)上。
如图7所示，第一翅膀组件(1-1)由第二两自由度转动组件(21-2)和第二配重块(22-2)组成；其中第二两自由度转动组件(21-2)的第二长U型支架(18-2)与躯干组件(4)的控制箱固定连接；如图8所示，第二翅膀组件(1-2)的结构和装配关系与第一翅膀组件(1-1)完全一致，且关于躯干组件(4)中心对称分布。
躯干组件(4)由第一、第二支撑板(23-1、23-2)、控制箱(24)和第一、第二天线(25-1、25-2)，其中第一支撑板(23-1)固定在控制箱(24)的一侧，第二支撑板(23-2)固定在控制箱(24)的另一侧，第一、第二天线(25-1、25-2)布置在控制箱(24)的顶部，如图9所示。
如图10所示，颈部组件(3)由第四两自由度转动组件(21-4)、第五长U型支架(18-5)、激光雷达(26)和双目摄像头(27)组成，其中第四两自由度转动组件(21-4)的第四长U型支架(18-4)与第二支撑板(23-2)固定连接，第五长U型支架(18-5)上固定激光雷达(26)和双目摄像头(27)。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果：本发明通过二自由度头部的传感设计、二自由度尾部和翅膀的稳定平衡转向设计以及四肢的三自由度设计，使该双足机器人具有强大的高速跑跳能力、环境友好接触能力、高速度高动态稳定运动能力、目标锁定跟踪能力和抵御外界干扰的能力，使该双足机器人具有广泛的社会运用前景。

Claims (5)

1.一种全形态式仿鸵鸟高速跑跳机器人，其特征在于：它的总体结构可以由第一、第二翅膀组件(1-1、1-2)、第一、第二腿部组件(2-1、2-2)、颈部组件(3)、躯干组件(4)和尾部组件(5)构成；
其中，第一翅膀组件(1-1)与第二翅膀组件(1-2)关于躯干组件(4)的中心面对称分布；第一翅膀组件(1-1)的第二长U型支架(18-2)与躯干组件(4)的控制箱(24)的一侧通过螺栓螺母固定连接，第二翅膀组件(1-2)的第三长U型支架(18-3)与躯干组件(4)的控制箱(24)的另一侧通过螺栓螺母固定连接；颈部组件(3)的第四长U型支架(18-4)与躯干组件(4)的第二支撑板(23-2)的中心通孔通过螺栓螺母固定连接，尾部组件(5)的第一长U型支架(18-1)与第一支撑板(23-1)的中心通孔通过螺栓螺母固定连接；
第一腿部组件(2-1)与第二腿部组件(1-2)同样关于躯干组件(4)的中心面对称分布；第一腿部组件(2-1)的第一矩形支架(6-1)两侧短边的中心孔分别与第一、第二支撑板(23-1、23-2)的周边孔形成活动转动连接；第二腿部组件(2-2)的第二矩形支架(6-2)两侧短边的中心孔分别与第一、第二支撑板(23-1、23-2)的周边孔形成活动转动连接。
2.根据权利要求1所述的一种全形态式仿鸵鸟高速跑跳机器人，其特征在于：它的第一腿部组件(2-1)由矩形支架(6-1)，第一、第二和第三舵机(7-1、7-2、7-3)，第一、第二和第三法兰(8-1、8-2、8-3)，第一、第二扭簧(9-1、9-2)，第一、第二多功能舵机支架(10-1、10-2)，第一L型舵机支架(11-1)，斜U型舵机支架(12)，传动杆(13)，小腿杆(14)，U型舵机支架(15)、大腿杆(16)组成；第一舵机(7-1)的输出轴穿过矩形支架(6-1)短侧的孔，并固定在第一支撑板(23-1)上；第二舵机(7-2)安装在第一多功能舵机支架(10-1)上，输出轴与第二法兰(8-2)相连，第一法兰(8-1)穿过第一扭簧(9-1)和第一多功能舵机支架(10-1)的一侧通孔，形成转动连接；第一多功能舵机支架(10-1)、大腿杆(16)以及短U型支架(17-1)通过螺栓固定连接；第三舵机(7-3)固定在第二多功能支架(10-2)上，它的输出轴穿过第二多功能支架(10-2)一侧的通孔和短U型支架(17-1)相对固定，同时第三法兰(8-3)依次穿过第二扭簧(9-2)、短U型支架(17-1)和第二多功能支架(10-2)另一侧的通孔，使第二多功能支架(10-2)与短U型支架(17-1)形成转动连接；第一L型支架(11-1)与斜U型支架(12)通过螺栓固定，并整体与第二多功能支架(10-2)固定连接；传动杆(13)的一端与斜U型支架(12)的通孔形成转动连接，另一端与U型舵机支架(15)的通孔形成转动连接；U型舵机支架(15)固定在小腿杆(14)上，小腿杆(14)与大腿杆(16)通过轴形成转动连接；
第二腿部组件(10-2)与第一腿部组件(10-1)的组成构件与装配形式完全一致，且关于仿鸵鸟机器人躯干组件(4)体态中心对称；
尾部组件(5)由第一两自由度转动组件(21-1)和第一配重块(22-1)组成；其中第一两自由度转动组件(21-1)与躯干组件(4)的第一支撑板(23-1)通过螺栓螺母固定连接，第一配重块(22-1)固连在平衡杆(20)上；
第一翅膀组件(1-1)由第二两自由度转动组件(21-2)和第二配重块(22-2)组成；其中第二两自由度转动组件(21-2)的第二长U型支架(18-2)与躯干组件(4)的控制箱固定连接；第二翅膀组件(1-2)的结构和装配关系与第一翅膀组件(1-1)完全一致，且关于躯干组件(4)中心对称分布；
躯干组件(4)由第一、第二支撑板(23-1、23-2)、控制箱(24)和第一、第二天线(25-1、25-2)，其中第一支撑板(23-1)固定在控制箱(24)的一侧，第二支撑板(23-2)固定在控制箱(24)的另一侧，第一、第二天线(25-1、25-2)布置在控制箱(24)的顶部；
颈部组件(3)由第四两自由度转动组件(21-4)、第五长U型支架(18-5)、激光雷达(26)和双目摄像头(27)组成，其中第四两自由度转动组件(21-4)的第四长U型支架(18-4)与第二支撑板(23-2)固定连接，第五长U型支架(18-5)上固定激光雷达(26)和双目摄像头(27)。
3.根据权利要求1所述的一种全形态式仿鸵鸟高速跑跳机器人，其特征在于：它具有全形态式的仿生机械设计，各个组件的自由度数量可以根据需求重新设计。
4.根据权利要求1所述的一种全形态式仿鸵鸟高速跑跳机器人，其特征在于：：它的驱动电机选型多样化，可以用舵机，步进电机，伺服电机；永磁无磁，交直流，同异步等，也可以用液压马达等旋转执行器，电机的选型应当考虑电机的额定输出扭矩，额定转速，位置控制精度，转角范围；扭簧的选型应当考虑扭簧的刚度，变形量，预紧力；电机和扭簧的选型都以满足足式机器人运动性能为目的，确定最优方案，优化主被动驱动力，实现节能。
5.根据权利要求1所述的一种全形态式仿鸵鸟高速跑跳机器人，其特征在于：可以在电机的输出轴线或者关节的旋转轴上同时安装角度传感器和力矩传感器，实现力位闭环控制，利于高精度力位混合控制算法，阻抗控制算法和柔顺性控制算法的应用。
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