CN111113435A - 一种基于竞赛教学的四足机器人装置 - Google Patents

Abstract

一种基于竞赛教学的四足机器人装置，包括前、后的机器人躯干，前、后的机器人躯干通过机器人转向机构连接，前、后的机器人躯干上连接有前后相位角差180°的机器人腿部机构，机器人腿部机构和机器人驱动机构连接；所述的机器人躯干安装有动力源、电控系统和视觉导航系统，动力源带动机器人驱动机构旋转进而将动力传送到机器人腿部机构；电控系统是控制电机及机器人驱动机构3的控制系统；视觉导航系统实时监测前方障碍情况，规划行走路线，为机器人提供环境感知和目标导向；本发明具有较高的控制及运动稳定性，运动灵活，能够适用于多种场景，进行行走跨障，具有结构简单，成本低廉等优点。

Description

一种基于竞赛教学的四足机器人装置

技术领域

本发明涉及足式机器人技术领域，具体涉及一种基于竞赛教学的四足机器人装置。

背景技术

足式机器人通过仿生设计，模仿马等四足动物进行运动，可以实现越障，行走等基本功能。同时足式机器人面对各类复杂地形，荒滩，泥沼都较普通的轮式机器人有更好的适应能力。我国不断加强深化新工科课程改革，强调加强机电一体化的学习。同时机器人的课程改革能够培养学生的学科交叉能力和对技术前沿的初步了解。四足机器人是近年来机器人行业发展的新方向，所以设计适用于大规模教学培训的四足机器人对于本科生的机械创新能力和电器控制能力是非常有意义的。

多足步行机器人采用的驱动方式有电机驱动，液压驱动和气缸驱动。由于气缸需要气压作为动力源且输出不可控，所以现在流行的驱动方式为电机驱动和液压驱动。但电机驱动较液压驱动更易于控制，且输出稳定，便于布置，成本低廉，适用于小型行走的四足机器人。

中国专利(公开号为CN207311654U)公开了一种四足教育机器人，包括机架、齿轮传动机构、传动轴、连杆机构、三角连接架、中间连杆、两条前足、两条后足。所述的四足教育机器人还包括电机和控制系统。该机器人为单点式足式机器人，且转向为差速转向，不够灵活，腿部设计复杂，不可调节且不易于装配，不易于推广。

中国专利(公开号为CN109664310A)公开了一种结合轮式移动机构的双足行走教育机器人，包括机器人本体和机器人各关节支撑架，各关节自由度分别通过舵机控制，实现机器人各种动作；足部每只脚均通过移动机构控制。该发明是轮式机器人与足式机器人结合，但仍属于轮式机器人范畴，且机器人运动较为简单，难以完成复杂任务，具有较大的局限性。

综上所述，现有的足式机器人存在控制及运动稳定性差，运动不灵活，成本高的缺点。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于竞赛教学的四足机器人装置，具有较高的控制及运动稳定性，运动灵活，能够适用于多种场景，进行行走跨障，具有结构简单，成本低廉等优点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于竞赛教学的四足机器人装置，包括前、后的机器人躯干1，前、后的机器人躯干1通过机器人转向机构4连接，前、后的机器人躯干1上连接有前后相位角差180°的机器人腿部机构2，机器人腿部机构2和机器人驱动机构3连接；所述的机器人躯干1安装有动力源、电控系统和视觉导航系统，动力源带动机器人驱动机构3旋转进而将动力传送到机器人腿部机构2；电控系统是控制电机及机器人驱动机构3的控制系统；视觉导航系统实时监测前方障碍情况，规划行走路线，为机器人提供环境感知和目标导向。

所述的机器人躯干1包括躯干方铝框架12，躯干方铝框架12内部连接有躯干支撑片11。

所述的躯干方铝框架12由方铝通过焊接而成。

所述的机器人腿部机构2包括机器人小腿27，机器人小腿27的底部和机器人支撑脚28连接；机器人小腿27上部通过滑轨导向直线轴承210连接有导向滑轨23，导向滑轨23另一端连接有滑轨后转动支撑座22，滑轨后转动支撑座22固定在机器人躯干1前端上的连接孔处；机器人小腿27顶部通过腿紧固螺栓26和机器人大腿24一侧连接，腿紧固螺栓26穿过机器人大腿24上安装的腿内侧法兰轴承25，以及机器人小腿27上安装的腿外侧法兰轴承211；机器人大腿24另一侧与机器人驱动机构3连接；机器人腿部机构2构成一个曲柄滑块机构，曲柄即机器人大腿24转动，转化为滑块即滑轨导向直线轴承210的往复运动，带动机器人小腿27实现仿生行走。

所述的机器人驱动机构3包括驱动电机220，驱动电机220并固定在机器人躯干1中间的连接孔处，驱动电机220的输出轴上连接有驱动小齿轮218，驱动小齿轮218与驱动转轴传动齿轮盘216啮合，驱动转轴传动齿轮盘216固定在驱动转轴215上，驱动转轴215两端固定在驱动转轴支撑座214上，驱动转轴215端头通过腿轴连接支撑座213与躯干两侧的机器人大腿24连接；驱动电机220转动，通过驱动小齿轮218、驱动转轴传动齿轮盘216将动力传递给机器人大腿24，进而带动机器人小腿27实现仿生行走。

所述的机器人转向结构4包括转向电机31，转向电机31固定在转向电机固定垫片32上，转向电机固定垫片32通过转动垫铝33和转动结构上夹紧片34连接，转动结构上夹紧片34通过转动结构加紧方铝38和转动结构下夹紧片37将转动连接垫片36加紧，转动连接垫片36架在机器人躯干1上；转向电机31的输出轴上连接有转动小齿轮35，转动小齿轮35与转动大齿轮39啮合；转向电机31转动，通过转动小齿轮35驱动转动大齿轮39，使机器人躯干产生相位角，由于前后脚前进方向不同，通过速度合成，完成机器人的转向。

本发明与现有技术相比，包括以下优点:

a、便于控制，步态稳定，运动准确性高，结构紧凑，机身轻便。

b、配置独立视觉导航系统，借助视觉导航系统遗传优化算法可以更好的设计机器人行进路径，可以进行更多复杂指令，使得四足机器人更加灵活。

c、前后腿独立控制，增强了驱动能力，增强了机器人的运动越障能力，在复杂情况下仍然能够继续完成工作。

d、机器人腿部机构2采用曲柄滑块机构，可以实时调节机器人的步态，控制越障能力，在不同的地形工作条件进行调整，使得机器人的工作效率，工作能力大大提高。

e、机器人转向结构4能够完成机器人的转向，且机动性高，姿态灵活。

f、两前腿(后腿)利用同一驱动电机220控制，可以保证步态的稳定，且固定其相位差为180°可以有效控制重心的稳定，且达到仿生行走的效果。

g、基于竞赛教学的四足机器人加工所使用的工艺为简单加工技术，成本较低便于实现，且对大学生的动手能力培养有很大锻炼，同时控制方式简易。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例机器人躯干1的结构示意图。

图3为本发明实施例机器人腿部机构2的结构示意图。

图4为本发明实施例机器人驱动机构3的结构示意图。

图5为本发明实施例机器人转向结构4的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步阐述本发明。

如图1所示，一种基于竞赛教学的四足机器人装置，包括前、后的机器人躯干1，前、后的机器人躯干1通过机器人转向机构4连接，前、后的机器人躯干1上连接有前后相位角差180°的机器人腿部机构2，机器人腿部机构2和机器人驱动机构3连接；

所述的机器人躯干1安装有动力源、散热系统、电控系统和视觉导航系统，动力源为电机和电池，动力源带动机器人驱动机构3旋转进而将动力传送到机器人腿部机构2；电控系统包括电器硬件及软件，是控制电机及机器人驱动机构3的控制系统；散热系统是电器散热系统，为电机、电气硬件和视觉导航系统的正常工作提供温度环境保障；视觉导航系统实时监测前方障碍情况，规划行走路线，为机器人提供环境感知和目标导向。

如图2所示，所述的机器人躯干1包括躯干方铝框架12，躯干方铝框架12由方铝通过焊接而成，躯干方铝框架12内部连接有躯干支撑片11，躯干支撑片11增强机器人躯干1的稳固性，同时还保证机器人躯干1的平面度。

如图3和图4所示，所述的机器人腿部机构2包括机器人小腿27，机器人小腿27的底部通过脚部紧固件29和机器人支撑脚28连接；机器人小腿27上部通过滑轨导向直线轴承210连接有导向滑轨23，导向滑轨23另一端通过滑轨紧固件21连接有滑轨后转动支撑座22，滑轨后转动支撑座22固定在机器人躯干1前端上的连接孔处；机器人小腿27顶部通过腿紧固螺栓26和机器人大腿24一侧连接，并通过腿紧固螺母212锁紧，腿紧固螺栓26穿过机器人大腿24上安装的腿内侧法兰轴承25，以及机器人小腿27上安装的腿外侧法兰轴承211；机器人大腿24另一侧通过腿轴连接支撑座213与机器人驱动机构3连接；机器人腿部机构2构成一个曲柄滑块机构，曲柄即机器人大腿24转动，转化为滑块即滑轨导向直线轴承210的往复运动，带动机器人小腿27实现仿生行走。

如图4所示，所述的机器人驱动机构3包括驱动电机220，驱动电机220连接在驱动电机支撑座219上并固定在机器人躯干1中间的连接孔处，驱动电机220的输出轴上连接有驱动小齿轮218，驱动小齿轮218与驱动转轴传动齿轮盘216啮合，驱动转轴传动齿轮盘216通过驱动转轴法兰盘217固定在驱动转轴215上，驱动转轴215两端固定在驱动转轴支撑座214上，驱动转轴215端头通过腿轴连接支撑座213与躯干两侧的机器人大腿24连接；驱动电机220转动，通过驱动小齿轮218、驱动转轴传动齿轮盘216将动力传递给机器人大腿24，进而带动机器人小腿27实现仿生行走。

如图5所示，所述的机器人转向结构4包括转向电机31，转向电机31固定在转向电机固定垫片32上，转向电机固定垫片32通过转动垫铝33和转动结构上夹紧片34连接，转动结构上夹紧片34通过转动结构加紧方铝38和转动结构下夹紧片37将转动连接垫片36加紧，转动连接垫片36架在机器人躯干1上；转向电机31的输出轴上连接有转动小齿轮35，转动小齿轮35与转动大齿轮39啮合；

转向电机31转动，通过转动小齿轮35驱动转动大齿轮39，使机器人躯干产生相位角，由于前后脚前进方向不同，通过速度合成，完成机器人的转向。

本发明的工作原理为：

行走时，驱动电机220驱动前后躯干的两个机器人腿部机构2交叉着地，保证了行进过程中与地面始终有两个交叉的着地点，行进时机器人腿部机构2交叉转动控制机器人前进方向。在前进过程中，驱动电机220带动驱动转轴215旋转，从而带动曲柄摇杆机构运动，实现循环往复运动轨迹，从而带动机器人小腿27运动，通过前后腿的交替运动，可以保持四足机器人的重心稳定，同时仿生的行走方式也使得四足机器人更加稳定，步态优雅。当需要转弯时，转动电机31转动，使前后的机器人躯干1产生相位角，改变前进方向，通过速度合成，完成机器人的转向。机器人转向结构4可以使该四足机器人在较小的调整空间完成较大幅度的转向，大大增强了机器人的灵活性。

行进过程中，只使用了两个驱动电机220驱动前进方向的运动，减少了多自由度情况下的不可控因素，同时机器人腿部机构2采用交叉180°的设计，保证了着地点的一致，保证了每一步的步长，从而保证了机器人运动的可控性和稳定性。且前后腿具有独立的驱动电机220控制，可以让机器人获得更强动力实现更多功能。机器人转向结构4使得机器人在运行过程中更加灵活，实现转向和一些复杂动作。

Claims (6)

1.一种基于竞赛教学的四足机器人装置，其特征在于：包括前、后的机器人躯干(1)，前、后的机器人躯干(1)通过机器人转向机构(4)连接，前、后的机器人躯干(1)上连接有前后相位角差180°的机器人腿部机构(2)，机器人腿部机构(2)和机器人驱动机构(3)连接；所述的机器人躯干(1)安装有动力源、电控系统和视觉导航系统，动力源带动机器人驱动机构(3)旋转进而将动力传送到机器人腿部机构(2)；电控系统是控制电机及机器人驱动机构(3)的控制系统；视觉导航系统实时监测前方障碍情况，规划行走路线，为机器人提供环境感知和目标导向。

2.根据权利要求1所述的一种基于竞赛教学的四足机器人装置，其特征在于：所述的机器人躯干(1)包括躯干方铝框架(12)，躯干方铝框架(12)内部连接有躯干支撑片(11)。

3.根据权利要求2所述的一种基于竞赛教学的四足机器人装置，其特征在于：所述的躯干方铝框架(12)由方铝通过焊接而成。

4.根据权利要求1所述的一种基于竞赛教学的四足机器人装置，其特征在于：所述的机器人腿部机构(2)包括机器人小腿(27)，机器人小腿(27)的底部和机器人支撑脚(28)连接；机器人小腿(27)上部通过滑轨导向直线轴承(210)连接有导向滑轨(23)，导向滑轨(23)另一端连接有滑轨后转动支撑座(22)，滑轨后转动支撑座(22)固定在机器人躯干(1)前端上的连接孔处；机器人小腿(27)顶部通过腿紧固螺栓(26)和机器人大腿(24)一侧连接，腿紧固螺栓(26)穿过机器人大腿(24)上安装的腿内侧法兰轴承(25)，以及机器人小腿(27)上安装的腿外侧法兰轴承(211)；机器人大腿(24)另一侧与机器人驱动机构(3)连接；机器人腿部机构(2)构成一个曲柄滑块机构，曲柄即机器人大腿(24)转动，转化为滑块即滑轨导向直线轴承(210)的往复运动，带动机器人小腿(27)实现仿生行走。

5.根据权利要求1所述的一种基于竞赛教学的四足机器人装置，其特征在于：所述的机器人驱动机构(3)包括驱动电机(220)，驱动电机(220)固定在机器人躯干(1)中间的连接孔处，驱动电机(220)的输出轴上连接有驱动小齿轮(218)，驱动小齿轮(218)与驱动转轴传动齿轮盘(216)啮合，驱动转轴传动齿轮盘(216)固定在驱动转轴(215)上，驱动转轴(215)两端固定在驱动转轴支撑座(214)上，驱动转轴(215)端头与躯干两侧的机器人大腿(24)连接；驱动电机(220)转动，通过驱动小齿轮(218)、驱动转轴传动齿轮盘(216)将动力传递给机器人大腿(24)，进而带动机器人小腿(27)实现仿生行走。

6.根据权利要求1所述的一种基于竞赛教学的四足机器人装置，其特征在于：所述的机器人转向结构(4)包括转向电机(31)，转向电机(31)固定在转向电机固定垫片(32)上，转向电机固定垫片(32)通过转动垫铝(33)和转动结构上夹紧片(34)连接，转动结构上夹紧片(34)通过转动结构加紧方铝(38)和转动结构下夹紧片(37)将转动连接垫片(36)加紧，转动连接垫片(36)架在机器人躯干(1)上；转向电机(31)的输出轴上连接有转动小齿轮(35)，转动小齿轮(35)与转动大齿轮(39)啮合；转向电机(31)转动，通过转动小齿轮(35)驱动转动大齿轮(39)，使机器人躯干产生相位角，由于前后脚前进方向不同，通过速度合成，完成机器人的转向。

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