CN111002307A - 一种带有视觉导航的腿足式仿生机器狗及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有视觉导航的腿足式仿生机器狗及其控制方法，包括身体主框架、驱动机构、视觉导航系统、动力传动机构和腿部运动机构，驱动机构安装于身体主框架，腿部运动机构通过动力传动机构连接驱动机构，视觉导航系统安装于身体主框架；动力传递机构固定于身体主框架；本发明机械结构简单，便于控制，运动灵活并且具有视觉导航系统，能够广泛用于复杂地形，执行多种任务。

Description

一种带有视觉导航的腿足式仿生机器狗及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体的，涉及带有视觉导航的腿足式仿生机器狗及其控制方法。

背景技术

移动机器人的应用范围覆盖了地面、空中和水下，乃至外太空，按照移动方式可以分为轮式/履带式、腿足式和仿人形机器人等。腿足式移动机器人是模仿哺乳动物、昆虫、两栖动物等的腿足结构和运动方式而设计的机器人系统，研究包括系统设计、步态规划、稳定性等方面。

现有的机器人中，轮式/履带式机器人是被广泛使用的，其成本低、系统成熟，但是在一些特殊坏境下，如崎岖的山路或台阶中，其应用收到地形制约，不能发挥应有的作用。

发明人认为，对于崎岖复杂的山路或台阶，普通的履带机器人在运动方面无法满足任务要求，腿足式避免了履带式机器人必须依靠履带贴地平面支撑的要求，在复杂的地貌下可以进行站立、行走、跳跃等姿势。但是现有的腿足式机器人往往是基于仿生学的原理模仿现有动物的运动，其控制理论复杂，机械结构繁琐。

发明内容

针对现有的轮式/履带式机器人受地形限制，而现有的腿足式机器人控制理论复杂，机械结构繁琐的不足，本发明旨在提出一种带有视觉导航的腿足式仿生机器狗，其机械结构简单，便于控制，运动灵活并且具有视觉导航系统，能够广泛用于复杂地形，执行多种任务。

本发明的第一目的，是提供一种带有视觉导航的腿足式仿生机器狗。

本发明的第二目的，是提供一种带有视觉导航的腿足式仿生机器狗的控制方法。

为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：

本发明公开了一种带有视觉导航的腿足式仿生机器狗，包括身体主框架、驱动机构、视觉导航系统、动力传动机构和腿部运动机构，驱动机构安装于身体主框架，腿部运动机构通过动力传动机构连接驱动机构，视觉导航系统安装于身体主框架；动力传递机构固定于身体主框架；

腿部运动机构呈四边形，腿部运动机构包括顺序铰接的第一杆件、第二杆件、第三杆件和第四杆件，所述第一杆件和第四杆件同时铰接所述动力传动机构；根据四边形机构的运动原理，改变一个杆件的运动状态就可以同时改变另外两个杆件的运动状态，从而实现模拟腿部运动的效果；

视觉导航系统包括位移机构和多个视觉信号采集单元，多个视觉信号采集单元围绕位移机构圆周排列。

进一步，所述腿部运动机构包括多个，每一个腿部运动机构均连接一动力传递机构，每一个动力传递机构均连接一驱动机构。

进一步，所述第二杆件和所述第三杆件的端部均连接足垫。

进一步，所述驱动机构包括驱动电机和侧向限位圆柱，驱动电机固定连接于身体主框架，驱动电机的输出端连接侧向限位圆柱。

进一步，所述动力传动机构包括第一带轮、第二带轮、第三带轮、第四带轮、第一皮带、第二皮带、固定块、动力传递圆管、动力传递轴和整体支撑架，第一带轮和第三带轮连接驱动机构，第二带轮和第四带轮连接动力传递圆管或动力传递轴连接第一杆件或第四杆件，第二带轮通过动力传递圆管连接第一杆件的端部，第四带轮通过动力传递轴连接第四杆件的端部，第一皮带绕于第一带轮和第二带轮，第二皮带绕于第三带轮和第四带轮；固定块连接于身体主框架和动力传递圆管之间，动力传递轴位于动力传递圆管之内。

进一步，所述固定块包括外侧圆周阵列侧翼固定于所述侧向支撑板上。

进一步，所述视觉导航系统的位移机构包括水平移动机构和竖直移动机构，水平移动机构活动连接竖直移动机构，图像采集机构连接于竖直移动机构的端部。

进一步，所述图像采集机构包括主体结构架、辅助结构架和视觉信号采集单元，所述主体结构架的周缘固定连接多个辅助结构架，每个辅助结构架连接一个或多个视觉信号采集单元；

所述水平移动机构为滚珠丝杠机构；

所述竖直移动机构为液压杆。

进一步，还包括通讯机构和显示器，所述图像采集机构电连接通讯机构，所述通讯机构还连接显示器。

其次，本发明还公开了一种带有视觉导航的腿足式仿生机器狗的控制方法，图像采集机构采集图像，将图像传送至显示器，显示器显示由图像采集机构采集的图像；操作人员通过发出电机位置或者转动角度信号驱动每个驱动电机的运转，驱动电机通过传动机构带动，从而带动第一杆件和第四杆件转动，带动第二杆件和第三杆件转动，从而实现机械狗向前运动。

与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

1)本发明的一种带有视觉导航的腿足式仿生机器狗，采用较为简单的机械结构，实现四足机器狗在复杂的地貌下可以进行站立、行走、跳跃等姿势，同时背部装有视觉导航系统和承重装置，可以满足对地下复杂地形的勘探、自然灾害中为受灾者提供补给、战场中侦查与探测等任务要求。

2)本发明的机械狗顶部装有视觉导航系统，能够将视觉信息直接呈现给操作者或者根据路径信息或目的地信息直接计算出机械狗的所需步态数目和幅值，进而计算出电机输出扭矩和频率，实现机械狗自动移动。

3)本发明的机械狗腿部结构为四杆机构，平均每条腿由两个电机驱动，不仅能够提升自身承重能力，也可以在复杂崎岖地形条件下完成行走，跨越障碍物或者跳跃等高难度动作。

4)本发明的机械狗顶部装有视觉导航系统，能够将视觉信息直接呈现给操作者，能够增加机械狗工作范围，满足不同复杂环境条件下工作需求。

5)本发明的机械狗足部结构底端粘接有橡胶垫片，能够保证在崎岖地形条件下机械狗重心稳定，使得整个运动过程中达到平稳效果。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为实施例1整体结构示意图，

图2为实施例1中的身体主框架构示意图，

图3为实施例1中的驱动电机、动力传动机构和腿部运动机构示意图，

图4为实施例1中的视觉导航系统结构示意图。

图中，1-侧向支撑板；2-横向支撑板；3-支撑柱；4-固定块；5-动力传递圆管；6-动力传递轴；7-支撑轴承；8-侧向限位螺栓；9-侧向限位圆环；10-第二带轮；11-水平滑块；12-支撑圆柱；13-丝杠；14-驱动电机；15-固定板；16-液压缸体；17-液压杆；18-主体结构架；19-侧向辅助结构架；20-数码摄像头；21-控制器；22-控制主板；23-存储器；25-电机固定垫片；26-侧向限位圆柱；27-第一带轮；28-电机主控板；29-第一皮带；30-微波雷达；31-控制芯片；32-动力电池；33-第一杆件；34-第四杆件；35-第二杆件；36-第三杆件；37-关节支撑轴承；38-侧向限位螺栓；39-侧向限位垫片；40-脚垫；41-橡胶垫；42-整体支撑架；43-第二皮带；44-第三带轮；45-第四带轮。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所述，针对现有的轮式/履带式机器人受地形限制，而现有的腿足式机器人控制理论复杂，机械结构繁琐的不足，本发明旨在提出一种带有视觉导航的腿足式仿生机器狗，其机械结构简单，便于控制，运动灵活并且具有视觉导航系统，能够广泛用于复杂地形，执行多种任务，现结合附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。

实施例1

请参考图1，本实施例公开了一种带有视觉导航的腿足式仿生机器狗，包括身体主框架、驱动机构、视觉导航系统、动力传动机构和腿部运动机构，驱动机构安装于身体主框架，腿部运动机构通过动力传动机构连接驱动机构，视觉导航系统安装于身体主框架；动力传递机构固定于身体主框架；

腿部运动机构呈四边形，腿部运动机构包括顺序铰接的第一杆件、第二杆件、第三杆件和第四杆件，第一杆件和第四杆件同时铰接动力传动机构；可以理解的是，本实施例中，由第一杆件、第二杆件、第三杆件和第四杆件构成四边形机构，用四边形机构代替现有的腿足式机器人常用的两杆式仿生机器腿，根据四边形机构的运动原理，改变一个杆件的运动状态就可以同时改变另外两个杆件的运动状态，从而实现模拟腿部运动的效果。

视觉导航系统包括位移机构和多个视觉信号采集单元，多个视觉信号采集单元围绕位移机构圆周排列。

请参考图2，本实施例中的身体主框架包括两个侧向支撑板1和一个横向支撑板2，横向支撑板2连接于两个侧向支撑板1之间。横向支撑板2顶侧设有控制主板22，横向支撑板2底侧设有动力电池32。控制主板22设有通讯器、控制器21和存储器23，控制主板22与驱动机构和视觉导航系统电连接。

腿部运动机构包括多个，每一个腿部运动机构均连接一动力传递机构，每一个动力传递机构均连接一驱动机构。

请参考图3，可以理解的是，本实施例中的腿部运动机构供设有四个，分别为第一腿部运动机构、第二腿部运动机构、第三腿部运动机构和第四腿部运动机构，分拨用于模拟四足动物的四条腿，具体的，第一腿部运动机构模拟左前肢，第二腿部运动机构模拟右前肢，第三腿部运动机构模拟左后肢，第四腿部运动机构模拟右后肢。以模拟狗的运动为例，狗在跑动时的运动特征是，在慢走时，其采用对角线换步法，即左前肢和右后肢、右前肢和左后肢的交替循环，对应于在本实施例中，即第一腿部运动机构和第四腿部运动机构为同时运动的一组，第二腿部运动机构和第三腿部运动机构为同时运动的一组；同时，由于本实施例采用的是四边形结构模拟腿部，同时具有前曲和后曲的特征，在运动时有一定的被动减震能力；在快跑时，其采用前后交替换步法，其左前肢和右前肢，左后肢和右后肢交替循环，对应于本实施例，也即，第一腿部运动机构和第二腿部运动机构为同时运动的一组，第三腿部运动机构和第四腿部运动机构为同时运动的一组。

第二杆件和第三杆件的端部均连接足垫。

具体的，本实施例中的腿部运动机构的第一杆件33、第四杆件34、第二杆件35、第三杆件36分别为长驱动腿、短驱动腿、长从动腿、短从动腿，其中第一杆件33和第四杆件34的一端分别设有圆孔和侧向内螺纹孔，第一杆件33通过孔轴配合固定于动力传递机构中的动力传递圆管5，第四杆件34通过固定螺丝固定于动力传递机构中的动力传递轴6。

第一杆件33和第四杆件34的另一端分别设有圆孔，通过侧向限位螺栓38、关节支撑轴承37和限位垫片分别与第一杆件33和第四杆件34相连接，具体的，第四杆件34下部开有通孔，通孔内装有关节支撑轴承37，第二杆件36通过侧向限位螺栓38与第三杆件35相连，第三杆件35底部开有通孔，通过螺栓与足部结构相连。

足部结构包括足垫，足垫为板状件，足垫的底部连接橡胶垫41。

驱动机构包括驱动电机14和侧向限位圆柱26，驱动电机14固定连接于身体主框架，驱动电机14的输出端连接侧向限位圆柱26。

请参考图3，动力传动机构包括第一带轮27、第二带轮10、第三带轮44、第四带轮45、第一皮带29、第二皮带43、固定块4、动力传递圆管5、动力传递轴6和整体支撑架42，第一带轮27连接驱动机构，第二带轮10连接动力传递圆管5，第二带轮10通过动力传递圆管5连接第一杆件的端部，第一皮带29绕于第一带轮27和第二带轮10；第三带轮连接于整体支撑架42，第四带轮连接动力传递轴6，第四带轮通过动力传递轴6连接第四杆件，第二皮带绕于第四带轮和第三带轮；固定块4连接于身体主框架的侧向支撑板1和动力传递圆管5之间，动力传递轴6位于动力传递圆管5之内。

整体支撑架42呈三角形。整体支撑架42固定连接于第一带轮27、第三带轮44和动力传递轴6。

固定块4包括多个圆周阵列侧翼，并且固定于之所述侧向支撑板1上。

请参考图4，视觉导航系统的位移机构包括水平移动机构和竖直移动机构，水平移动机构活动连接竖直移动机构，图像采集机构连接于竖直移动机构的端部。

图像采集机构包括主体结构架18、辅助结构架和视觉信号采集单元，主体结构架18的周缘固定连接多个辅助结构架，每个辅助结构架连接一个或多个视觉信号采集单元；本实施例中，视觉信号采集单元采用数码摄像头20，在其他实施例中，视觉信号采集单元还可以采用红外线摄像头、夜间数码摄像头20等。

水平移动机构为滚珠丝杠13机构；

竖直移动机构为液压杆17。

可以理解的是，水平移动机构由水平滑块11、支撑圆柱12、移动丝杠13和水平移动机构驱动电机14组成，水平滑块11通过侧向通孔固定于支撑圆柱12，支撑圆柱12两端开有螺纹孔，通过螺栓固定于身体主框架中的侧向支撑板1上，水平滑块11能够在支撑圆柱12上做水平移动，同时，水平滑块11与丝杠13配合，组成滚珠丝杠13机构，水平移动机构驱动电机14驱动丝杠13运动；

竖直移动机构包括固定板15，液压缸体16和液压杆17，其中液压缸体16底部开有螺纹孔，通过螺栓直接固定于固定板15上，液压杆17顶部有凸台结构并且具有外螺纹，用于连接图像采集机构，液压杆17上下位移由液压缸体16驱动。

还包括通讯机构和显示器，图像采集机构电连接通讯机构，通讯机构还连接显示器。

还包括微波雷达30，微波雷达30安装于侧向支撑板1的外侧。

实施例2

实施例2公开了一种带有视觉导航的腿足式仿生机器狗的控制方法，图像采集机构采集图像，将图像传送至显示器，显示器显示由图像采集机构采集的图像；操作人员通过发出电机位置或者转动角度信号驱动每个驱动电机14的运转，驱动电机14通过传动机构带动，从而带动第一杆件33和第四杆件36转动，带动第二杆件35和第三杆件34转动，从而实现机械狗向前运动。

可以理解的是，本实施例是对实施例1所公开的带有视觉导航的腿足式仿生机器狗的控制方法，在具体的控制中，以模拟狗的运动为例，在慢走时，第一腿部运动机构和第四腿部运动机构为同时运动的一组，第二腿部运动机构和第三腿部运动机构为同时运动的一组；在快跑时，第一腿部运动机构和第二腿部运动机构为同时运动的一组，第三腿部运动机构和第四腿部运动机构为同时运动的一组。

更为具体的，在慢走时，连接于第一腿部运动机构和第四腿部运动机构的驱动机构的驱动电机14通过传动机构带动第二杆件35运动，由于第一杆件33还连接动力传递圆管5，因此在动力传递轴6与动力传递圆管5相对转动的情况下，第一杆件33与第四杆件34也相对转动，第一杆件33与第四杆件34之间的相对转动带动整个四边形机构运动，使得脚垫40向斜上方运动；此时连接于第一腿部运动机构和第四腿部运动机构的驱动机构的驱动电机14停止运动，连接于第二腿部运动机构和第三腿部运动机构的驱动机构的驱动电机14重复以上动作，第一腿部运动机构和第四腿部运动机构所连接的脚垫40下落，完成整个机械狗的位移。

在快跑时，连接于第一腿部运动机构和第二腿部运动机构的驱动机构的驱动电机14通过传动机构带动第二杆件35运动，由于第一杆件33还连接动力传递圆管5，因此在动力传递轴6与动力传递圆管5相对转动的情况下，第一杆件与第四杆件也相对转动，第一杆件33与第四杆件34之间的相对转动带动整个四边形机构运动，使得脚垫40向斜上方运动；此时连接于第一腿部运动机构和第二腿部运动机构的驱动机构的驱动电机14停止运动，连接于第三腿部运动机构和第四腿部运动机构的驱动机构的驱动电机14重复以上动作，第一腿部运动机构和第二腿部运动机构所连接的脚垫40下落，完成整个机械狗的位移。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带有视觉导航的腿足式仿生机器狗，其特征在于，包括身体主框架、驱动机构、视觉导航系统、动力传动机构和腿部运动机构，驱动机构安装于身体主框架，腿部运动机构通过动力传动机构连接驱动机构，视觉导航系统安装于身体主框架；动力传递机构固定于身体主框架；

腿部运动机构呈四边形，腿部运动机构包括顺序铰接的第一杆件、第二杆件、第三杆件和第四杆件，所述第一杆件和第四杆件同时铰接所述动力传动机构；

视觉导航系统包括位移机构和多个视觉信号采集单元，多个视觉信号采集单元围绕位移机构圆周排列。

2.如权利要求1所述的带有视觉导航的腿足式仿生机器狗，其特征在于，所述腿部运动机构包括多个，每一个腿部运动机构均连接一动力传递机构，每一个动力传递机构均连接一驱动机构。

3.如权利要求1所述的带有视觉导航的腿足式仿生机器狗，其特征在于，所述第二杆件和所述第三杆件的端部均连接足垫。

4.如权利要求1所述的带有视觉导航的腿足式仿生机器狗，其特征在于，所述驱动机构包括驱动电机和侧向限位圆柱，驱动电机固定连接于身体主框架，驱动电机的输出端连接侧向限位圆柱。

5.如权利要求1所述的带有视觉导航的腿足式仿生机器狗，其特征在于，所述动力传动机构包括第一带轮、第二带轮、第三带轮、第四带轮、第一皮带、第二皮带、固定块、动力传递圆管、动力传递轴和整体支撑架，第一带轮和第三带轮连接驱动机构，第二带轮和第四带轮通过连接动力传递圆管或动力传递轴连接第一杆件或第四杆件，第二带轮通过动力传递圆管连接第一杆件的端部，第四带轮通过动力传递轴连接第四杆件的端部，第一皮带绕于第一带轮和第二带轮，第二皮带绕于第三带轮和第四带轮；固定块连接于身体主框架和动力传递圆管之间，动力传递轴位于动力传递圆管之内。

6.如权利要求5所述的带有视觉导航的腿足式仿生机器狗，其特征在于，所述固定块包括多个，多个所述固定块圆周阵列于所述动力传递圆管之外。

7.如权利要求1所述的带有视觉导航的腿足式仿生机器狗，其特征在于，所述视觉导航系统的位移机构包括水平移动机构和竖直移动机构，水平移动机构活动连接竖直移动机构，图像采集机构连接于竖直移动机构的端部。

8.如权利要求7所述的带有视觉导航的腿足式仿生机器狗，其特征在于，所述图像采集机构包括主体结构架、辅助结构架和视觉信号采集单元，所述主体结构架的周缘固定连接多个辅助结构架，每个辅助结构架连接一个或多个视觉信号采集单元；

所述水平移动机构为滚珠丝杠机构；

所述竖直移动机构为液压杆。

9.如权利要求1所述的带有视觉导航的腿足式仿生机器狗，其特征在于，还包括通讯机构和显示器，所述图像采集机构电连接通讯机构，所述通讯机构还连接显示器。

10.如权利要求1～9任意一项所述的带有视觉导航的腿足式仿生机器狗的控制方法，其特征在于，图像采集机构采集图像，将图像传送至显示器，显示器显示由图像采集机构采集的图像；操作人员通过发出电机位置或者转动角度信号驱动每个驱动电机的运转，驱动电机通过传动机构带动，从而带动第一杆件和第四杆件转动，带动第二杆件和第三杆件转动，从而实现机械狗向前运动。

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