CN110775179B - 仿生承载机器人装置及其选择步态模式的方法 - Google Patents

仿生承载机器人装置及其选择步态模式的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种仿生承载机器人装置，包括：载运台、机架、三自由度单腿和控制系统，载运台安装在机架顶端，并通过孔槽结构与机架配合连接；机架两侧均安装有四个三自由度单腿，且两两对称设置；控制系统包括压力传感器、主控板和供电电源，压力传感器设置于载运台与机架的连接处，机架的中央位置设置有支架，主控板和供电电源均设置在支架上；供电电源和压力传感器均与主控板电性连接。本发明结构设计合理，能够更好的适应各种地形，更好的完成载运任务，并且可以自主选择步态模式，既保证了越障能力，又有较好的承载能力和速度特性。

Description

仿生承载机器人装置及其选择步态模式的方法
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，更具体的说是涉及仿生承载机器人装置及其选择步态模式的方法。
背景技术
随着科技的发展，自动化程度的逐步提高,机器人已经越来越广泛地被应用到科研、探测、生产、救援等各个领域。虽然，机器人的种类繁多，功能各异，但就其行走方式而言，主要有三种轮式、履带式和足式。这三种行走方式各有各的特点。
轮式和履带式是最为常见的行走方式,其具有控制简单、移动迅速平稳的优点。但是足式机器人的越障能力要远远高于前两者。同时，对于各种复杂地形地貌，足式机器人也具有更强的适应能力。
步行机器人是利用仿生学原理，模仿各种自然界中的生物行走的步态，来实现自身移动的一种机器人。它经历了上百年的发展，取得了长足的进步。其发展过程中主要经历了以下三个阶段：
第一阶段以机械和液压控制实现运动的机器人。
第二阶段以电子计算机技术控制的机器人。
第三阶段多功能性和自主性的要求使得机器人技术进入新的发展阶段。
所谓多足步行机器人，一般是指四足及四足以上的机器人，例如四足机器人、六足机器人、八足机器人等。
目前，常见的步行机器人有两足式、四足式和六足式应用较多，其中的两足式，四足式和六足式相对八足式腿部个数较少，腿部承载能力差，步态不够灵活，动态稳定性较差。而且大部分现有的行走机器人行走步态是固定的，这样在崎岖不平稳路面行走时机体的关节将受到很大的冲击力，而且不能很好的完成载运任务。
因此，如何提供一种承载能力和速度特性良好的仿生承载机器人装置及其选择步态模式的方法成为了本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了仿生承载机器人装置及其选择步态模式的方法，结构设计合理，能够更好的适应各种地形，更好的完成载运任务，并且可以自主选择步态模式，既保证了越障能力，又有较好的承载能力和速度特性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种仿生承载机器人装置，包括：载运台、机架、三自由度单腿和控制系统，其中，所述载运台安装在所述机架顶端，并通过孔槽结构与所述机架配合连接；所述机架两侧均安装有四个所述三自由度单腿，且两两对称设置；所述控制系统包括压力传感器、主控板和供电电源，所述压力传感器设置于所述载运台与所述机架的连接处，所述机架的中央位置设置有支架，所述主控板和所述供电电源均设置在所述支架上；所述供电电源和所述压力传感器均与所述主控板电性连接。
本发明设计有八个三自由度单腿，能够更好的适应各种地形，更好的完成载运任务；压力传感器检测将检测到的实际载荷信号传输至主控板，主控板控制仿生承载机器人装置进行载荷能力的调整，使其在保证承载能力的前提下，具有较好的速度特性。
进一步，所述三自由度单腿包括直线电机、髋关节、舵机一、股关节、舵机二和胫关节，所述直线电机固定安装在所述机架的一侧，所述髋关节安装在所述直线电机的传动轴上，所述髋关节远离所述直线电机的一侧依次连接有所述舵机一、所述股关节、所述舵机二、所述胫关节，所述髋关节与所述舵机一转动连接，所述胫关节与所述舵机二转动连接，所述舵机一和所述舵机二均与所述股关节固定连接。直线电机带动髋关节直线运动，从而带动股关节和胫关节的直线运动，进而实现了胫关节的横向自由运动；通过舵机一实现了胫关节的纵向自由运动；通过舵机二实现了胫关节的旋转自由运动。
进一步，所述髋关节和所述胫关节上均安装有主舵盘和副舵盘，所述主舵盘和所述副舵盘相对设置。髋关节上安装主舵盘和副舵盘在于实现髋关节与舵机一的转动连接；胫关节上安装主舵盘和副舵盘在于实现胫关节与舵机二的转动连接。
进一步，安装在所述髋关节上的所述主舵盘和所述副舵盘与所述舵机一的输出轴一转动连接。舵机一的运转将带动股关节以主舵盘和副舵盘为中心进行旋转，从而实现了胫关节的纵向自由运动。
进一步，安装在所述胫关节上的所述主舵盘和所述副舵盘与所述舵机二的输出轴二转动连接。舵机二的运转将带动胫关节以主舵盘和副舵盘为中心进行旋转，从而实现了胫关节的旋转自由运动。
进一步，所述机架两侧均设置有滑道，所述直线电机带动所述髋关节在所述滑道内作直线运动。直线电机带动髋关节可作前后直线运动，由于舵机一、股关节、舵机二、胫关节依次与髋关节连接，从而实现了胫关节的横向自由运动，滑道的设置，保证了胫关节横向自由运动的稳定性。
进一步，所述直线电机、所述舵机一和所述舵机二均与所述主控板电性连接。通过主控板可控制直线电机、舵机一和舵机二的运转与停止。
一种仿生承载机器人装置选择步态模式的方法，包括如下步骤：
S1：设定额定载荷，
S2：通过压力传感器检测初始载荷，并将初始载荷与额定载荷对比；
S3：选择一种预设的步态；
S4：仿生承载机器人装置以当前的步态模式运动；
S5：若负载变化，则返回步骤S3，若负载不变，则返回步骤S4。
本发明通过压力传感器检测的初始的实际载荷与额定载荷对比，可以自主选择步态模式，使得仿生承载机器人装置具有较好的承载能力和速度特性，并且任务执行过程中实际载荷发生变化后，步态可以重新选择。
进一步，步态的选择算法为：
三自由度单腿处于支撑相的时间与整个步态周期之比定义为三自由度单腿的有荷系数，记作β，有β＝1-TP/TW，其中，TP为三自由度单腿处于摆动相的时间，TW为步态周期；TW从2TP逐渐增加到8TP的过程中，波形步态的迈步次序呈现七种形式，设定有荷系数为3/4的Ⅲ型步态模式下的最大载荷为仿生承载机器人装置的额定载荷，将实际载荷与额定载荷作对比，若实际载荷小于等于额定载荷，选择同型或低型步态模式，若实际载荷大于额定载荷，选择高型步态模式。
通过步态的选择算法，使仿生承载机器人装置能够在初始时选择合适的步态，保证仿生承载机器人装置具有较好的承载能力和速度特性，并且任务执行过程中实际载荷发生变化后，重新选择步态，保证了在承载能力的范围内具有较高的行进速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明仿生承载机器人装置的结构示意图。
图2附图为本发明仿生承载机器人装置的爆炸图。
图3附图为本发明三自由度单腿的结构示意图。
图4附图为本发明仿生承载机器人装置选择步态模式方法的流程图。
图5附图为本发明三自由度单腿的编号图。
其中，图中，
1-载运台；2-机架；3-压力传感器；4-主控板；41-M3螺钉；42-支撑柱；5-供电电源；6-直线电机；61-定位套筒；7-髋关节；8-舵机一；81-输出轴一；9-股关节；91-M2螺钉；10-舵机二；101-输出轴二；11-胫关节；12-主舵盘；13-副舵盘。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅附图1-3，本发明提供了一种仿生承载机器人装置，包括：载运台1、机架2、三自由度单腿和控制系统，其中，载运台1安装在机架2顶端，并通过孔槽结构与机架2配合连接；机架2两侧均安装有四个三自由度单腿，且两两对称设置；控制系统包括压力传感器3、主控板4和供电电源5，压力传感器3设置于载运台1与机架2的连接处，机架2的中央位置设置有支架，供电电源5均设置在支架上，主控板4通过M3螺钉41和支撑柱42固定在支架上；供电电源5和压力传感器3均与主控板4电性连接，其中，压力传感器3采用电阻式薄膜压力传感器，电阻式薄膜压力传感器具有高灵敏性和高稳定性，保证了压力传感器3的检测精度。
本发明设计有八个三自由度单腿，能够更好的适应各种地形，更好的完成载运任务；压力传感器3检测将检测到的实际载荷信号传输至主控板4，主控板4控制仿生承载机器人装置进行载荷能力的调整，使其在保证承载能力的前提下，具有较好的速度特性。
本发明还设置有车速传感器和雷达传感器，且车速传感器和雷达传感器均与主控板电性连接。车速传感器能够实时监测仿生承载机器人装置的行进速度，通过雷达传感器可实时监测仿生承载机器人装置所处的位置，比便于仿生承载机器人装置能够更好的完成载运任务。
三自由度单腿包括直线电机6、髋关节7、舵机一8、股关节9、舵机二10和胫关节11，直线电机6通过孔销和定位套筒61固定安装在机架2的一侧，髋关节7通过孔销结构安装在直线电机6的传动轴上，髋关节7远离直线电机6的一侧依次连接有舵机一8、股关节9、舵机二10、胫关节11，髋关节7与舵机一8转动连接，胫关节11与舵机二10转动连接，舵机一8和舵机二10无输出轴的一端均通过M2螺钉91直接与股关节9固定连接。直线电机6带动髋关节7直线运动，从而带动股关节9和胫关节11的直线运动，进而实现了胫关节11的横向自由运动；通过舵机一8实现了胫关节11的纵向自由运动；通过舵机二10实现了胫关节11的旋转自由运动。
髋关节7和胫关节11上均安装有主舵盘12和副舵盘13，主舵盘12和副舵盘13通过M2螺钉91与髋关节7和胫关节11固定连接，主舵盘12和副舵盘13相对设置，且主舵盘12上设置有渐开线花键。髋关节7上安装主舵盘12和副舵盘13在于实现髋关节7与舵机一8的转动连接；胫关节11上安装主舵盘12和副舵盘13在于实现胫关节11与舵机二10的转动连接。
安装在髋关节7上的主舵盘12和副舵盘13与舵机一8的输出轴一81转动连接。舵机一8的运转将带动股关节9以主舵盘12和副舵盘13为中心进行旋转，从而实现了胫关节11的纵向自由运动。
安装在胫关节11上的主舵盘12和副舵盘13与舵机二10的输出轴二101转动连接。舵机二10的运转将带动胫关节11以主舵盘12和副舵盘13为中心进行旋转，从而实现了胫关节11的旋转自由运动。
机架2两侧均设置有滑道，直线电机6带动髋关节7在滑道内作直线运动。直线电机6带动髋关节7可作前后直线运动，由于舵机一8、股关节9、舵机二10、胫关节11依次与髋关节7连接，从而实现了胫关节11的横向自由运动，滑道的设置，保证了胫关节11横向自由运动的稳定性。
直线电机6、舵机一8和舵机二10均与主控板4电性连接。通过主控板4可控制直线电机6、舵机一8和舵机二10的运转与停止。
供电电源5实现压力传感器3、主控板4、车速传感器、雷达传感器、直线电机
参阅附图4-5，本发明提供了一种仿生承载机器人装置选择步态模式的方法，包括如下步骤：
S1：设定额定载荷，
S2：通过压力传感器检测初始载荷，并将初始载荷与额定载荷对比；
S3：选择一种预设的步态；
S4：仿生承载机器人装置以当前的步态模式运动；
S5：若负载变化，则返回步骤S3，若负载不变，则返回步骤S4。
本发明通过压力传感器3检测的初始的实际载荷与额定载荷对比，可以自主选择步态模式，使得仿生承载机器人装置具有较好的承载能力和速度特性，并且任务执行过程中实际载荷发生变化后，步态可以重新选择。
满足下列条件：
的步态称为八足波形步态。其中，TW：步态周期；Ti n：第i号步行足第n步的起始时刻；TP：步行足处于摆动相的时间，与i和n无关，为恒值。
八足波形步态周期TW最小为2TP，最大为8TP，在此范围内改变TW值，就可以得出所有的八足波形步态；位于躯体两侧的步行足相位相差半个周期，这是波形步态的一个重要特征；分别使位于身体最后端的两足(L7和L8)执行迈步动作就可以获得所有的波形步态，其余足必然依照从后向前的次序依次迈步。通过对多足步行各种步态的观察，可以依时序记录所执行迈步动作的次序。用表示迈步起始事件的按时间先后顺序排列的一串足的标号序列来记录，最后执行迈步动作的足的标号记在序列的最右端。如果有某两个或多个足同时执行迈步动作，则用括号将这几个足的标号括起来。例如步态序列:
…，L1，L3，(L4，L5)，(L6，L7)，L8，L2，
表示机器人的最后8步是：先L1迈步，然后L3迈步，然后L4和L5同时迈步，然后L6和L7同时迈步，然后L8迈步，最后L2迈步。
各足的有荷系数定义为步行足处于支撑相的时间与整个步态周期之比，记作记作β，有β＝1-TP/TW。那么将TW从2TP逐渐增加到8TP的过程中，波形步态的迈步次序呈现出七种形式：
Ⅰ型：β＝1/2(TW＝2TP)；
Ⅱ型：1/2<β<3/4(2TP<TW<4TP)；
Ⅲ型：β＝3/4(TW＝4TP)；
Ⅳ型：3/4<β<5/6(4TP<TW<6TP)；
Ⅴ型：β＝5/6(TW＝6TP)；
Ⅵ型：5/6<β<7/8(6TP<TW<8TP)；
Ⅶ型：β＝7/8(TW＝8TP)；
其中，Ⅰ型、Ⅲ型、Ⅴ型和Ⅶ型为四个特殊情况，运动时各步态的迈步顺序为
Ⅰ型：(L1，L5，L4，L8)，(L7，L6，L3，L2)；
Ⅲ型：(L3，L8)，(L1，L6)，(L4，L7)，(L2，L5)；
Ⅴ型：(L1，L8)，L6，L4，(L2，L7)，L5，L3；
Ⅶ型：L8，L6，L4，L2，L7，L5，L3，L1。
以有荷系数较大的步态行走时，步行机器人的承载能力较高，但行进速度会下降。随有荷系数的增加，波形步态呈现出不同的形式，行进速度逐渐减慢，Ⅶ型波形步态为最慢的一种波形步态。
本发明选择步态模式的方法为：设定以有荷系数为3/4的Ⅲ型步态模式下的最大载荷为仿生承载机器人装置的额定载荷，当仿生承载机器人装置的实际载荷经由电阻式薄膜压力传感器测出后与额定载荷对比，若实际载荷在0.75倍仿生承载机器人装置的额定载荷以下时，采用Ⅰ型步态，以获得更高的行进速度；若实际载荷在0.75倍仿生承载机器人装置的额定载荷和1倍仿生承载机器人装置的额定载荷之间时，采用Ⅲ型步态；若实际载荷在1倍仿生承载机器人装置的额定载荷和1.1倍仿生承载机器人装置的额定载荷之间时，采用Ⅵ型步态；若实际载荷在1.1倍仿生承载机器人装置的额定载荷和1.25倍仿生承载机器人装置的额定载荷之间时，采用Ⅶ型步态，以获得更高的承载能力。
通过步态的选择算法，使仿生承载机器人装置能够在初始时选择合适的步态，保证仿生承载机器人装置具有较好的承载能力和速度特性，并且任务执行过程中实际载荷发生变化后，重新选择步态，保证了在承载能力的范围内具有较高的行进速度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种仿生承载机器人装置，其特征在于，包括：载运台、机架、三自由度单腿和控制系统，其中，所述载运台安装在所述机架顶端，并通过孔槽结构与所述机架配合连接；所述机架两侧均安装有四个所述三自由度单腿，且两两对称设置；所述控制系统包括压力传感器、主控板和供电电源，所述压力传感器设置于所述载运台与所述机架的连接处，所述机架的中央位置设置有支架，所述主控板和所述供电电源均设置在所述支架上；所述供电电源和所述压力传感器均与所述主控板电性连接；压力传感器将检测到的实际载荷信号传输至主控板，主控板控制仿生承载机器人装置进行载荷能力的调整，使其在保证承载能力的前提下，具有较好的速度特性；
调整步骤包括：
S1：设定额定载荷；
S2：通过压力传感器检测实际载荷，并将实际载荷与额定载荷对比；
S3：选择一种预设的步态；步态的选择算法为：三自由度单腿处于支撑相的时间与整个步态周期之比定义为三自由度单腿的有荷系数，记作β，有β＝1-TP/TW，其中，TP为三自由度单腿处于摆动相的时间，TW为步态周期；TW从2TP逐渐增加到8TP的过程中，波形步态的迈步次序呈现七种形式，设定有荷系数为3/4的Ⅲ型步态模式下的最大载荷为仿生承载机器人装置的额定载荷，将实际载荷与额定载荷作对比，若实际载荷小于等于额定载荷，选择同型或低型步态模式，若实际载荷大于额定载荷，选择高型步态模式；
S4：仿生承载机器人装置以当前的步态模式运动；
S5：若负载变化，则返回步骤S3，若负载不变，则返回步骤S4；
所述三自由度单腿包括直线电机、髋关节、舵机一、股关节、舵机二和胫关节，所述直线电机固定安装在所述机架的一侧，所述髋关节安装在所述直线电机的传动轴上，所述髋关节远离所述直线电机的一侧依次连接有所述舵机一、所述股关节、所述舵机二、所述胫关节，所述髋关节与所述舵机一转动连接，所述胫关节与所述舵机二转动连接，所述舵机一和所述舵机二均与所述股关节固定连接；直线电机带动髋关节直线运动，从而带动股关节和胫关节的横向自由运动；所述髋关节上安装有第一主舵盘和第一副舵盘；所述第一主舵盘和所述第一副舵盘相对设置；安装在所述髋关节上的所述第一主舵盘和所述第一副舵盘与所述舵机一的输出轴一转动连接；舵机一的运转将带股关节以所述第一主舵盘和所述第一副舵盘为中心进行旋转，从而实现胫关节的纵向自由运动。
2.根据权利要求1所述的仿生承载机器人装置，其特征在于，所述胫关节上安装有第二主舵盘和第二副舵盘，所述第二主舵盘和所述第二副舵盘相对设置。
3.根据权利要求2所述的仿生承载机器人装置，其特征在于，安装在所述胫关节上的所述第二主舵盘和所述第二副舵盘与所述舵机二的输出轴二转动连接。
4.根据权利要求1所述的仿生承载机器人装置，其特征在于，所述机架两侧均设置有滑道，所述直线电机带动所述髋关节在所述滑道内作直线运动。
5.根据权利要求1所述的仿生承载机器人装置，其特征在于，所述直线电机、所述舵机一和所述舵机二均与所述主控板电性连接。
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