多足机器人
技术领域
本发明涉及机器人领域,尤指一种多足机器人。
背景技术
国内服务机器人产业,主要以低端产品为主,以多个轮子加平板方案,严重影响了我国机器人产业在国际上的竞争力,四轮驱动方案只适应于室内环境,因为轮式结构限制,甚至室内环境都不能完全适应,因此足式机器人的优势得以展现,在结构设计上目前国内大型20公斤以上多足机器人的大腿X轴Y轴舵机多采用BLDC 3霍尔电机加行星减速机结构方案,电机单步误差大,行星减速机精度差的问题,并且由于普通电机转子位置监测部分会显著加大电机的轴向长度,导致体积大的显著缺陷,无法与由编码器组成的高精度矢量电磁控制的国际产品相提并论。小腿结构设计也采用简易行星驱动加曲轴杆驱动,精度无法提高。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供一种关节输出位置精确、结构紧凑、误差小、体积小的多足机器人。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种多足机器人,包括躯体、多个腿部总成、控制单元,所述多个腿部总成分别与躯体连接,所述腿部总成包括第一舵机、第二舵机、第三舵机、曲轴连杆机构、小腿支架,所述第一舵机包括装配连接的第一电机和第一减速机,所述第二舵机包括装配连接第二电机和第二减速机,所述第三舵机包括装配连接第三电机和丝杆机构,所述第一电机、第二电机、第三电机均包括电机壳体,电机输出轴,所述电机输出轴转动设于电机壳体的中心轴线上,所述电机壳体的后端中心固设有霍尔阵列编码芯片,所述霍尔阵列编码芯片上设有环形分布的霍尔阵列,所述电机输出轴的后端固设有霍尔磁铁;所述第一电机的电机输出轴与第一减速机的输入端连接,所述第二电机的电机输出轴与第二减速机的输入端连接,所述第三电机的电机输出轴与丝杆机构的输入端连接;所述第二电机设于第一减速机的输出端,且第二电机的轴向与第一电机的轴向垂直,所述第三电机设于第二减速机的输出端,且第三电机的轴向与第二电机的轴向垂直,所述丝杆机构的驱动端通过曲轴连杆机构与小腿支架连接并驱动小腿支架转动;所述控制单元设于躯体内,所述第一电机、第二电机、第三电机均与控制单元连接。
优选地,所述第一电机、第二电机、第三电机均为正弦波无刷伺服电机,所述第一减速机、第二减速机均为谐波减速机。
优选地,所述第一减速机和第二减速机均包括减速机外壳、柔性轴承、波发生器、柔轮、钢轮,所述减速机外壳与电机壳体的前端固定连接,所述波发生器套于电机输出轴表面,所述柔轮通过柔性轴承套于波发生器表面,所述钢轮固设于减速机外壳上,且所述柔轮与所述钢轮啮合。
优选地,所述柔轮通过交叉滚子轴承连接有输出法兰盘,所述第二电机与第一减速机的输出法兰盘连接,所述第三电机与第二减速机的输出法兰盘连接。
优选地,所述丝杆机构包括丝杆壳体、丝杆、丝杆螺母、力矩输出杆,所述丝杆壳体与第三电机的电机壳体固定连接,所述丝杆转动设于所述丝杆壳体内且第三电机的电机输出轴与丝杆驱动连接,所述丝杆螺母套接于丝杆表面,所述力矩输出杆为中空结构,所述力矩输出杆套于所述丝杆的外侧并与丝杆螺母固定连接,所述力矩输出杆与丝杆壳体滑动连接并延伸至丝杆壳体外部。
优选地,所述曲轴连杆机构包括连接器、连杆轴,所述小腿支架的一端为连接端,所述小腿支架的另一端为自由端,所述连接器的一端与丝杆壳体固定连接,所述连接器的另一端与小腿支架两端之间的位置铰接,所述连杆轴的一端与力矩输出轴铰接,所述连杆轴的另一端与小腿支架的连接端铰接。
优选地,所述小腿支架的另一端设有足底压力传感器,所述足底压力传感器与控制单元连接。
优选地,所述躯体的头部设有立体视觉相机、信息交互显示器、仿生耳,所述仿生耳与躯体转动连接,所述躯体内设有与所述仿生耳驱动连接的仿生耳驱动电机,所述立体视觉相机、信息交互显示器、仿生耳驱动电机均与控制单元连接。
优选地,所述躯体上还设有三维力传感器,所述三维力传感器的受力端连接有牵引控制绳,所述三维力传感器的信号输出端与控制单元连接。
优选地,所述多足机器人还配置有无线充电发送装置,所述躯体上设有无线充电接收装置,所述无线充电发送装置包括电源线、充电线路板、充电线圈,所述电源线与充电线路板电性连接,所述充电线圈设于充电线路板上并与充电线路板电性连接,所述无线充电接收装置包括第一蓄电池、接收线路板、接收线圈,所述接收线圈设于接收线路板上并与接收线路板电性连接,所述接收线路板与第一蓄电池电性连接。
本发明的有益效果在于:本发明在舵机中采用内置扁平式的霍尔阵列编码芯片和霍尔磁铁,霍尔磁铁跟随电机输出轴作旋转运动,这样霍尔阵列编码芯片内的环形霍尔阵列就会经过该霍尔磁铁产生的磁场,霍尔阵列编码芯片会根据霍尔阵列的感应信号计算出转子相对于霍尔阵列编码芯片的机械位置,通过上述机械结构加软件算法配合来获取转子相对定子的角度,并解析出关节的绝对角度信息,该输出角度精确,从而提高多足机器人的运动精度。而且通过该紧凑型结构设计,显著减短了舵机的轴端尺寸,可以减小舵机的体积和重量,便于腿部总成的小型化,有利于多足机器人灵活运动。
附图说明
图1是本发明的多足机器人的整体结构示意图;
图2是本发明的躯体支架及腿部总成的结构示意图;
图3是本发明的多足机器人沿腿部总成前后方向的剖面示意图;
图4是本发明的躯体支架的结构示意图;
图5是本发明的多足机器人的躯体头部的结构示意图;
图6是本发明的腿部总成结构示意图;
图7是本发明的第一舵机和第二舵机剖开结构示意图;
图8是本发明的第二舵机结构示意图;
图9是本发明的第二舵机俯视图;
图10是图9的A-A处剖面示意图;
图11是本发明的第二舵机的输出法兰盘与第二电机连接结构示意图;
图12是本发明的第三舵机剖面示意图;
图13是本发明的多足机器人与无线充电发送装置对接示意图;
图14是本发明的两个多足机器人之间通过充电线连接示意图;
图15是本发明的无线充电发送装置俯视图;
图16是图15的C-C处剖面示意图。
附图标号说明:
A-躯体;B-腿部总成;C-控制单元;
1-第一舵机;2-第二舵机;3-第三舵机;4-曲轴连杆机构;5-小腿支架;6-级联架;
11-第一电机;12-第一减速机;21-第二电机;22-第二减速机;31-第三电机;32-丝杆机构;
121-限位块;
211-电机前端盖;212-电机外壳;213-电机后端盖;2131-出线孔;214-电机输出轴;215-定子;216-转子;2161-转子轴承;217-霍尔阵列编码芯片;218-霍尔磁铁;2191-同心连接环;2192-第一预紧螺丝;2193-第二预紧螺丝;
221-减速机外壳;222-柔性轴承;223-波发生器;224-柔轮;2241-齿圈;225-钢轮;226-交叉滚子轴承;2261-固定孔;227-柔轮压紧盖;228-输出压紧螺丝;229-限位槽;
231-输出法兰盘;232-凸块;233-安装孔;234-法兰锁紧螺丝孔;235-止动销钉孔;
321-丝杆壳体;322-丝杆;323-丝杆螺母;324-力矩输出杆;325-活塞滑环;326-固定轴承;327-调心滑块;
41-连接器;42-连杆轴;411-连接片;412-连接盘;
51-足底压力传感器;52-角度编码器;53-转动支点;
61-圆环支架;62-腿部内壳胆子;63-腿部外部装饰壳;
71-躯体支架;72-躯体外壳;
711-连接杆;712-固定架;7121-安装口;713-吊环;714-三维力传感器;141-受力端;715-牵引控制绳;
721-立体视觉相机;722-信息交互显示器;723-仿生耳;724-提手;725-传感器预留位;726-上部挡板;
81-无线充电发送装置;82-无线充电接收装置;
811-电源线;812-充电线路板;813-充电线圈;814-第二蓄电池;815-充电接口;816-红外信标灯;817-充电线;
821-第一蓄电池;822-接收线路板;823-接收线圈;824-充电口。
具体实施方式
请参阅图1-3,本发明关于一种多足机器人,包括躯体A、多个腿部总成B、控制单元C,所述多个腿部总成B分别与躯体A连接,所述控制单元C设于躯体A内。
一、腿部总成B
实施例一
请参阅图6-7,所述腿部总成B包括第一舵机1、第二舵机2、第三舵机3、曲轴连杆机构4、小腿支架5,所述第一舵机1包括装配连接的第一电机11和第一减速机12,所述第二舵机2包括装配连接第二电机21和第二减速机22,所述第三舵机3包括装配连接第三电机31和丝杆机构32,所述第一电机11、第二电机21、第三电机31均包括电机壳体,电机输出轴2141,所述电机输出轴2141转动设于电机壳体的中心轴线上,所述电机壳体的后端中心固设有霍尔阵列编码芯片217,所述霍尔阵列编码芯片217上设有环形分布的霍尔阵列,所述电机输出轴2141的后端固设有霍尔磁铁218;所述第一电机11的电机输出轴2141与第一减速机12的输入端连接,所述第二电机21的电机输出轴2141与第二减速机22的输入端连接,所述第三电机31的电机输出轴2141与丝杆机构32的输入端连接;所述第二电机21设于第一减速机12的输出端,且第二电机21的轴向与第一电机11的轴向垂直,所述第三电机31设于第二减速机22的输出端,且第三电机31的轴向与第二电机21的轴向垂直,所述丝杆机构32的驱动端通过曲轴连杆机构4与小腿支架5连接并驱动小腿支架5转动;所述第一电机11、第二电机21、第三电机31均与控制单元C连接。
本实施例中,所述多足机器人为四足机器人,其具有四组相同的、左右两侧对称结构的腿部总成B,经过与躯体A连接,形成四足支撑结构,四足机器人共具有12个自由度,可以完成行走、站立、蹲下、跳跃和转弯等动作。每条腿部总成B由大腿动力单元(第一舵机1)、大腿前后运动单元(第二舵机2)、小腿收缩动力单元(第三舵机3)组成的3自由度单元。每个腿部总成B的外侧都包覆有腿部内壳胆子62和腿部外部装饰壳63。
本实施例中,第一电机11与第一减速机12装配连接,且第一电机11的中心轴线与第一减速机12的中心轴线重合。第二电机21与第二减速机22装配连接,且第二电机21的中心轴线与第二减速机22的中心轴线重合。第三电机31与丝杆机构32装配连接,且第三电机31的中心轴线与丝杆机构32的中心轴线重合。
需要说明的是,对于每个舵机来说,电机壳体的前端指的是电机壳体与减速机(或丝杆机构32)连接的一端,相应的,电机壳体的后端指的是相对电机壳体前端的另外一端。其中,第一电机11的电机壳体后端与多足机器人的躯体A部分连接。
请参阅图8-10,下面以第二舵机2为例,具体说明第一舵机1和第二舵机2的工作原理(其中,第一电机11、第二电机21的内部结构及工作原理相同,第一减速机12、第二减速机22的内部结构及工作原理相同,此处不重复叙述)。所述电机壳体包括电机前端盖211、电机外壳212、电机后端盖213,所述电机前端盖211和电机后端盖213分别盖设于电机外壳212的前后两端,所述减速机固设于电机前端盖211上,所述电机输出轴2141设于电机外壳212的中心轴线上并分别与电机前端盖211和电机后端盖213转动连接,所述电机输出轴2141的前端延伸至减速机内并与减速机的输入端连接,所述转子216固设于电机输出轴2141的周侧,所述定子215固设于电机外壳212的内壁。
本实施例中,霍尔阵列编码芯片217通过锁紧盖固定在电机后端盖213的内面中心,电机后端盖213上开设有出线孔2131,电机输出轴2141外侧的转子216通过转子轴承2161与电机前端盖211和电机后端盖213实现转动连接,前后的转子轴承2161保证了转子216和定子215之间的均匀稳定磁场空间。霍尔阵列编码芯片217和霍尔磁体压缩在5-8毫米内,轴向尺寸只有普通光电编码器的二分之一。
本发明的第一舵机1和第二舵机2均采用内置式的霍尔阵列编码芯片217及霍尔磁铁218,既可输出霍尔开关信号,也可以输出转子216相对定子215的角度(A,B,Z编码器信号),以及关节(输出法兰盘231)的绝对角度信息。
具体原理如下:霍尔阵列编码芯片217固定在电机后端盖213上为静止器件,电机的转子216为相对运动器件,在电机输出轴2141靠近电机后端盖213的一端安装一圆柱形的霍尔磁铁218,该霍尔磁铁218跟随电机输出轴2141作旋转运动,这样霍尔阵列编码芯片217内的环形霍尔阵列就会经过该霍尔磁铁218产生的磁场,霍尔阵列编码芯片217会根据霍尔阵列的感应信号计算出转子216相对于霍尔阵列编码芯片217的机械位置(角度),同时输出霍尔开关信号。因为电机的定子215通过电机外壳212与电机后端盖213连接在一起,可视为一体,因此在转子216转动的一个圆周内,转子216相对于定子215位置的机械角度可以经霍尔阵列编码芯片217随时准确读出。
但是,由于减速机的减速作用,此角度并非为关节(输出法兰盘231)的最终角度,仅能代表电机转子216相对于定子215的角度,而在关节运转的0-180度内,电机输出轴2141需要旋转N圈(N>1,与减速比相关)。因此霍尔阵列编码芯片217必须记录到电机输出轴2141转动的圈数,然后加上电机转子216相对于定子215的绝对角度,便能换算出准确的关节(输出法兰盘231)的机械角度位置信息。
由于关节绝对位置信息是由转子216和定子215的位置信息换算出来的,而转子216相对定子215是周期运动,在记录转子216相对定子215的位置的初始,需要确定一个零点。因此,霍尔阵列编码芯片217记录关节的机械角度位置的过程如下:在系统上电后,若关节绝对位置丢失,先让电机输出轴2141以低速小力矩朝机械极限方向运动,当到达极限后,电机被堵转。此时的位置为理论上关节的零点机械位置。但若以此机械位置为参考零点并不精确,因为机械位置会因为机械形变的不确定性引入误差。
本实施例中,当电机输出轴2141碰触到机械极限位置后,读取霍尔阵列编码芯片217绝对位置,然后将电机朝反方向运动几步,离开机械限制位置一点,旋转到一个指定的霍尔读数,此读数规定为电机转子216定子215的起始绝对零相位。然后霍尔阵列编码芯片217可以根据霍尔阵列的感应信号随时得知电机输出轴2141旋转的圈数,该圈数加上和转子216与定子215的绝对位置就可以准确获取关节的准确位置(角度)。通过上述零点的确定方法,保证了本发明中霍尔阵列编码芯片217输出关节位置信息的精确性。
本发明的第一舵机1和第二舵机2结构简单、安装方便,通过霍尔阵列编码芯片217和霍尔磁铁218配合外部机械原点位置,无需额外引入外部零点位置监测即可获知腿部关节的绝对角度和相对增量信息。
请参阅图10,在本发明的一种优选实施方式中,所述第一电机11、第二电机21、第三电机31均为正弦波无刷伺服电机,所述第一减速机12、第二减速机22均为谐波减速机。
传统的多足机器人多是采用BLDC 120度霍尔电机加行星减速机结构方案,该方案存在电机单步误差大,行星减速机精度差的问题。普通的低速电机为获得足够的力矩,必然要使用较大的驱动电流,系统发热严重。不同于普通设计的低速电机,本设计采用高速大扭矩电机加大减速比方案,使关节部分无效能量损耗降至最低,无需考虑散热问题。高速电机配合大减速比谐波减速,使系统在静态站立模式下也能经过很小能量损耗获得足够保持力矩,无需刹车装置。
本实施例中的舵机模组采用无刷斜槽正弦波电机加谐波减速机方案,电机部分采用分数斜槽定子215绕组设计,转子216部分采用耐高温强磁永磁体设计,有效减少槽间抖动,提升精度,用在四足机器人上,在静态站立模式,所需锁定电流小,动力模组不发烫。
在本发明的一种优选实施方式中,所述第一减速机12和第二减速机22均包括减速机外壳221、柔性轴承222、波发生器223、柔轮224、钢轮225,所述减速机外壳221与电机壳体的前端固定连接,所述波发生器223套于电机输出轴2141表面,所述柔轮224通过柔性轴承222套于波发生器223表面,所述钢轮225固设于减速机外壳221上,且所述柔轮224与所述钢轮225啮合。
谐波减速机的工作原理如下:转子轴承2161将电机高速旋转力矩传递到波发生器223上,波发生器223周期圆周椭圆形变,引起柔性轴承222在径向上周期椭圆形变,此形变最终传递到柔轮224的齿圈2241上。柔轮224齿圈2241在波发生器223的作用下,发生周期形变,并和钢轮225连续啮合。在电机旋转一周时,柔轮224会产生一个周期的形变,而柔轮224和钢轮225的连续啮合后,柔轮224和钢轮225相对径向运动一个齿差,达到减速作用,最终,经过减速后的力矩由柔轮224输出。
在本发明的一种优选实施方式中,所述柔轮224通过交叉滚子轴承226连接有输出法兰盘231,所述第二电机21与第一减速机12的输出法兰盘231连接,所述第三电机31与第二减速机22的输出法兰盘231连接。
因为柔轮224是脆弱器件,抗轴向冲击力比较差,因此为了隔离柔轮224端和负载端之间的不利冲击,交叉滚子轴承226的使用是必要的,交叉滚子轴承226可提高腿部的抗冲击能力。输出法兰盘231上设有两排安装孔233,下一级的部件可以通过螺丝配合安装孔233安装在输出法兰盘231上,柔轮224输出的力矩经过输出法兰盘231输出到下一级部件。
请参阅图5-10,在本发明的一种优选实施方式中,所述电机前端盖211和钢轮225之间设有同心连接环2191,通过第一预紧螺丝2192依次贯穿所述电机后端盖213、电机外壳212、电机前端盖211、同心连接环2191、钢轮225、减速机外壳221,所述电机与减速机固定连接。
对于第一舵机1和第二舵机2来说,因为电机部分与减速机部分为模块化独立单元,为保证两个独立单元组合所需要的精确位置关系,如同心度的要去,特别设计了同心连接环2191(连接钢圈),同时满足电机与减速机之间的连接定位和以及对同心度的要求,电机与减速机之间的轴向力锁紧通过第一预紧螺丝2192实现。
对于电机自身部分,通过第二预紧螺丝2193依次贯穿所述电机后端盖213、电机外壳212、电机前端盖211,实现电机前端盖211和电机后端盖213之间的轴向力锁紧。
在本发明的一种优选实施方式中,所述电机前端盖211、同心连接环2191、钢轮225依次插入有销钉。
对于第一舵机1和第二舵机2来说,电机和减速机靠第一预紧螺丝2192实现轴向力锁紧,电机和减速机单元会在负载受力的时候,产生径向扭矩,若径向扭力过大,会造成电机与减速机产生径向偏转,从而影响了最终位置输出的精度,因此本设计在电机前端盖211、同心连接环2191、钢轮225的连接位置内部,采用销钉结构进行贯穿,以此确保即使负载过大的情况,也不会出现电机和减速机部分产生位置偏移,影响精度的问题,从而保证了舵机的高精度。
在本发明的一种优选实施方式中,所述柔轮224的内孔设有柔轮压紧盖227,所述交叉滚子轴承226的外圈通过螺丝固设于减速机外壳221的内壁,通过输出压紧螺丝228依次穿过柔轮压紧盖227、交叉滚子轴承226的内圈,所述柔轮224与所述交叉滚子轴承226的内圈固定连接。
输出压紧螺丝228和柔轮压紧盖227将柔轮224与交叉滚子轴承226的内圈预紧结合,最终经过输出法兰盘231,将本单元力矩输出到下一级。柔轮压紧盖227的下端插入交叉滚子轴承226的内孔,柔轮压紧盖227扩大了压紧面积并保证了交叉滚子轴承226的对中度。
在本发明的一种优选实施方式中,所述柔轮压紧盖227与所述交叉滚子轴承226的内圈依次插入有销钉。
在负载或者力矩传动时,若力矩过大,柔轮224与交叉滚子轴承226内圈之间会产生径向滑动,影响系统的精度。因此将销钉依次插入柔轮压紧盖227与所述交叉滚子轴承226的内圈,减小轮压紧盖与交叉滚子轴承226的内圈的相对滑动,保证系统的精度。
请参阅图10,在本发明的一种优选实施方式中,通过法兰锁紧螺丝依次穿过输出法兰盘231、交叉滚子轴承226的内圈,所述输出法兰盘231与交叉滚子轴承226的内圈固定连接。
输出法兰盘231起连接减速机输出和下一级的中间件作用。输出法兰盘231上开设有锁紧螺丝孔,交叉滚子轴承226的内圈开设有固定孔2261,法兰锁紧螺丝依次插入锁紧螺丝孔和固定孔2261,将输出法兰盘231与交叉滚子轴承226的内圈固定连接。法兰锁紧螺丝主要起轴向预紧作用。
在本发明的一种优选实施方式中,所述输出法兰盘231、交叉滚子轴承226内圈的中心依次插入有销钉。
在负载或者力矩传动时,若力矩过大,输出法兰盘231仅靠轴向预紧力及与减速机交叉滚子轴承226之间产生的摩擦力,不足以保证相对位置不变,力矩过大后,会产生径向相对运动,这样减速机到下一级会产生因为径向滑动所造成的背隙,严重影响系统的精度。因此本设计在输出法兰盘231的中心和交叉滚子轴承226内圈的中心均开设有止动销钉孔235,将止动销钉依次插入输出法兰盘231的和交叉滚子轴承226内圈的止动销钉孔235,解决上述的问题。
在本发明的一种优选实施方式中,所述丝杆机构32包括丝杆壳体321、丝杆322、丝杆螺母323、力矩输出杆324,所述丝杆壳体321与第三电机31的电机壳体固定连接,所述丝杆322转动设于所述丝杆壳体321内且第三电机31的电机输出轴2141与丝杆322驱动连接,所述丝杆螺母323套接于丝杆322表面,所述力矩输出杆324为中空结构,所述力矩输出杆324套于所述丝杆322的外侧并与丝杆螺母323固定连接,所述力矩输出杆324与丝杆壳体321滑动连接并延伸至丝杆壳体321外部。
请参阅图12,下面具体说明第三舵机3的内部结构及工作原理:
其中,第三电机31的内部结构与第一电机11相同。所述电机壳体包括电机前端盖211、电机外壳212、电机后端盖213,所述电机前端盖211和电机后端盖213分别盖设于电机外壳212的前后两端,所述丝杆壳体321固设于电机前端盖211上,所述电机输出轴2141设于电机外壳212的中心轴线上并分别与电机前端盖211和电机后端盖213转动连接,所述电机输出轴2141的前端延伸至丝杆壳体321内并与丝杆322驱动连接,所述转子216固设于电机输出轴2141的周侧,所述定子215固设于电机外壳212的内壁。其中,丝杆322通过固定轴承326与丝杆壳体321转动连接,电机输出轴2141通过调心滑块327与丝杆322一端连接。
其中,霍尔阵列编码芯片217通过锁紧盖固定在电机后端盖213的内面中心,电机后端盖213上开设有出线孔2131,电机输出轴2141外侧的转子216通过转子轴承2161与电机前端盖211和电机后端盖213实现转动连接,前后的转子轴承2161保证了转子216和定子215之间的均匀稳定磁场空间。霍尔阵列编码芯片217和霍尔磁体压缩在5-8毫米内,轴向尺寸只有普通光电编码器的二分之一。
第三舵机3驱动小腿支架5转动的过程如下:第三电机31的电机输出轴2141驱动丝杆322转动,通过丝杆螺母323沿丝杆322移动带动力矩输出杆324沿丝杆壳体321滑动,从而将第三电机31的旋转运动转变为直线运动,进而通过曲轴连杆机构4控制小腿支架5的屈伸运动。本发明通过第三电机31加丝杆机构32及曲轴连杆机构4来驱动小腿支架5,使得小腿支架5的肢体动作更为符合人体力学的构造。
本发明的第三舵机3采用内置式的霍尔阵列编码芯片217及霍尔磁铁218,既可输出霍尔开关信号,也可以输出转子216相对定子215的角度(A,B,Z编码器信号),以及关节(小腿支架5的转动支点53)的绝对角度信息。
第三舵机3检测小腿支架5转动角度的工作原理如下:霍尔阵列编码芯片217固定在电机后端盖213上为静止器件,电机的转子216为相对运动器件,在电机输出轴2141靠近电机后端盖213的一端安装一圆柱形的霍尔磁铁218,该霍尔磁铁218跟随电机输出轴2141作旋转运动,这样霍尔阵列编码芯片217内的环形霍尔阵列就会经过该霍尔磁铁218产生的磁场,霍尔阵列编码芯片217会根据霍尔阵列的感应信号计算出转子216相对于霍尔阵列编码芯片217的机械位置(角度),同时输出霍尔开关信号。因为电机的定子215通过电机外壳212与电机后端盖213连接在一起,可视为一体,因此在转子216转动的一个圆周内,转子216相对于定子215位置的机械角度可以经霍尔阵列编码芯片217随时准确读出。
但是,由于丝杆机构32及曲轴连杆机构4的转化作用,此角度并非为关节(小腿支架5的转动支点53)的最终角度,仅能代表电机转子216相对于定子215的角度,而在关节运转的角度范围内,电机输出轴2141需要旋转N圈(N>1,与丝杆机构32及曲柄连杆机构的结构有关)。因此霍尔阵列编码芯片217必须记录到电机输出轴2141转动的圈数,然后加上电机转子216相对于定子215的绝对角度,便能换算出准确的关节(小腿支架5的转动支点53)的机械角度位置信息。
本发明的第三舵机3结构简单、安装方便,通过霍尔阵列编码芯片217和霍尔磁铁218配合外部机械原点位置,无需额外引入外部零点位置监测即可获知腿部关节的绝对角度和相对增量信息。
请参阅图6、7、12,在本发明的一种优选实施方式中,所述曲轴连杆机构4包括连接器41、连杆轴42,所述小腿支架5的一端为连接端,所述小腿支架5的另一端为自由端,所述连接器41的一端与丝杆壳体321固定连接,所述连接器41的另一端与小腿支架5两端之间的位置铰接,所述连杆轴42的一端与力矩输出轴铰接,所述连杆轴42的另一端与小腿支架5的连接端铰接。
本实施例中,小腿支架5的转动支点53(连接器41另一端与小腿支架5的连接点)位于小腿支架5两端之间且靠近连接端的位置。丝杆机构32的力矩输出杆324作直线往复运动时,力矩输出杆324会通过连杆轴42带动小腿支架5的连接端绕小腿支架5的转动支点53作来回摆动,从而实现小腿支架5的屈伸运动。
在本发明的一种优选实施方式中,所述小腿支架5的自由端还依次设有足底压力传感器51和足部弹性结构,且所述足部弹性结构与所述足底压力传感器51的检测端连接。
所述小腿支架5的另一端设有足部弹性结构。所述足部弹性结构为与小腿支架5可拆卸连接的悬臂梁形变结构,该足部弹性结构将足部的压力通过形变方式传递至足底压力传感器51的检测端,足底压力传感器51再将该压力转化为电信号反馈至机器人的控制系统。通过足底压力传感器51完成足底触觉,以此进行脚部落地检测和平衡辅助检测。足底压力传感设计可以及时获取动态足部压力信息,辅助仿生动作的精确小冲击的执行。
在本发明的一种优选实施方式中,所述力矩输出杆324位于丝杆壳体321内的近端和远端均套接有活塞滑环325,且活塞滑环325与丝杆壳体321的内壁滑动配合。
需要说明的是,力矩输出杆324的近端指的是力矩输出杆324位于丝杆壳体321内靠近电机输出轴2141的一端,力矩输出杆324的远端指的是力矩输出杆324位于丝杆壳体321内靠近小腿支架5的一端,力矩输出杆324的近端及远端均通过活塞滑环325与丝杆壳体321的内壁滑动连接,保证了力矩输出杆324滑动时的稳定性,有利于小腿支架5动作的稳定性。
另外,可以理解的是,当力矩输出杆324的近端完全缩进至丝杆壳体321内的极限位置时,力矩输出杆324远端上的活塞滑环325与丝杆壳体321端部的距离应大于力矩输出杆324的直线行程范围。这样,当力矩输出杆324伸出时,力矩输出杆324远端上的活塞滑环325不会与丝杆壳体321的端部发生干涉。
请参阅图6、11,在本发明的一种优选实施方式中,所述第一减速机12的输出法兰盘231通过级联架6与第二电机21固定连接,所述第一减速机12的端部设有用于限制所述级联架6转动角度的限位块121。
伺服舵机用在关节型足式机器人上的情况,多数关节非旋转型,而在0-180度。否则关节运动超出范围后,会造成机体或壳体损伤,内置线缆绞断。因此机械上的限位在关节型产品上的安全设计是必须的。本实施例中,第一舵机1的机械位置的限制结构,主要由减速机外壳221的限位块121对级联架6的转动在一定角度范围内进行阻挡,从而限制了安全运动的极限位置。
具体而言,级联架6包括两块形状相同的圆环支架61,两圆环支架61并排设置在第一减速机12的输出法兰盘231上,第二电机21装设在两圆环支架61内。限位块121固设于第一减速机12的端部且向第二电机21方向凸出,当第一减速机12的输出法兰盘231转动带动两圆环支架61转动时,两圆环支架61会受限位块121的阻挡而停止转动,从而通过限位块121将两圆环支架61的转动角度限制在一定范围。
请参阅图11,在本发明的一种优选实施方式中,所述第二减速机22的输出法兰盘231的内表面设有凸块232,所述第二减速机22的减速机外壳221的端部设有环形的限位槽229,且所述凸块232置于所述限位槽229内。
本实施例中,第二舵机2的机械位置的限制结构,主要由输出法兰盘231上的凸块232在减速机外壳221上的限位槽229内滑动,从而限制了安全运动的极限位置。且该限位结构为内置形式,额外组件少,结构简洁。
在本发明的一种优选实施方式中,所述电机前端盖211、电机外壳212、电机后端盖213均为铝合金材质。
为降低电机的总质量,电机前端盖211、电机外壳212、电机后端盖213均采用高强度牌号铝合金。
在本发明的一种优选实施方式中,所述减速机外壳221为铝合金材质。
为降低减速机的总质量,减速机外壳221采用高强度牌号铝合金。
以上实施例示出的为多足机器人的单个腿部总成B,第二电机21的轴向与第一电机11的轴向垂直,第三电机31的轴向与第二电机21的轴向垂直,分别对应三维空间中的三个方向。该腿部总成B具有三个自由度,分别为第一舵机1的转动,第二舵机2的转动以及第三舵机3驱动小腿支架5的摆动,而且该腿部总成B的结构符合人体肢体的力学构造。在一个具体实施例中,该多足机器人共有四个腿部,四个腿部分别与机器人躯体A部分连接,该四足机器人的腿部共具有十二个自由度,使得机器人的足部动作灵活,便于机器人多体态的呈现。
本发明中的第一舵机1、第二舵机2、第三舵机3均采用内置扁平式的霍尔阵列编码芯片217和霍尔磁铁218,通过机械结构加软件算法配合,来获取转子216相对定子215的角度,并解析出关节的绝对角度信息,输出角度精确。通过该紧凑型结构设计,显著减短了舵机的轴端尺寸,可以减小舵机的体积和重量,并且无需在输出端布线,使得机械臂动力单元可以与机械本体拆分,便于机械臂的小型化和模块化,提高替换性。
实施例二
请参阅图6-7,为实现上述目的,本发明还提供另一种多足机器人腿部总成B,包括第一舵机1、第二舵机2、第三舵机3、曲轴连杆机构4、小腿支架5,所述第一舵机1包括装配连接的第一电机11和第一减速机12,所述第二舵机2包括装配连接第二电机21和第二减速机22,所述第三舵机3包括装配连接第三电机31和丝杆机构32,所述第一电机11、第二电机21、第三电机31均包括电机壳体,电机输出轴2141,所述电机输出轴2141转动设于电机壳体的中心轴线上,所述第一电机11、第二电机21的电机壳体的后端中心固设有霍尔阵列编码芯片217,所述霍尔阵列编码芯片217上设有环形分布的霍尔阵列,所述第一电机11、第二电机21的电机输出轴2141的后端固设有霍尔磁铁218;所述第一电机11的电机输出轴2141与第一减速机12的输入端连接,所述第二电机21的电机输出轴2141与第二减速机22的输入端连接,所述第三电机31的电机输出轴2141与丝杆机构32的输入端连接;所述第二电机21设于第一减速机12的输出端,且第二电机21的轴向与第一电机11的轴向垂直,所述第三电机31设于第二减速机22的输出端,且第三电机31的轴向与第二电机21的轴向垂直,所述丝杆机构32的驱动端通过曲轴连杆机构4与小腿支架5连接并驱动小腿支架5转动,所述曲轴连杆机构4上设有用于测量所述小腿支架5转动信息的角度编码器52。
与实施例一的多足机器人腿部总成B相比,本实施例二的多组机器人腿部总成B的区别之处在于,第三电机31的电机壳体后端没有设置霍尔阵列编码芯片217,第三电机31的电机输出轴2141后端没有设置霍尔磁铁218,即第三电机31的轴向长度比第一电机11和第二电机21更短。与第三电机31缺少霍尔阵列编码芯片217和霍尔磁铁218相对应的,在曲轴连杆机构4上设有用于测量所述小腿支架5转动信息的角度编码器52。
请参阅图6、7、12,与实施例一相同地,所述曲轴连杆机构4包括连接器41、连杆轴42,所述小腿支架5的一端为连接端,所述小腿支架5的另一端为自由端,所述连接器41的一端与丝杆壳体321固定连接,所述连接器41的另一端与小腿支架5两端之间的位置铰接,所述连杆轴42的一端与力矩输出轴铰接,所述连杆轴42的另一端与小腿支架5的连接端铰接。
本实施例中,小腿支架5的转动支点53(连接器41另一端与小腿支架5的连接点)位于小腿支架5两端之间且靠近连接端的位置。丝杆机构32的力矩输出杆324作直线往复运动时,力矩输出杆324会通过连杆轴42带动小腿支架5的连接端绕小腿支架5的转动支点53作来回摆动,从而实现小腿支架5的屈伸运动。
具体地,所述小腿支架5与连接器41的连接处设有一铰接轴,所述小腿支架5通过所述铰接轴与所述连接器41另一端铰接,所述连接器41另一端设有用于测量所述铰接轴转动信息的角度编码器52。
更进一步地,连接器41包括两连接板和一连接盘412,两连接板的一端固定设置在连接盘412上,连接盘412套设在丝杆壳体321的端部,小腿支架5的转动支点53位于两连接板之间,小腿支架5的转动支点53上设有铰接轴,铰接轴的两头分别与两连接板转动连接。连接板另一端的外侧面设有一角度编码器52,该编码器用于读取铰接轴的转动角度信息,以此获知小腿支架5的屈伸运动角度。
通过上述设计,实施例二中的第三电机31轴向长度更短,减去了第三电机31内检测元件的安装,通过角度编码器52可更为准确直接地获取小腿支架5的转动角度,减少了软件换算的复杂。
二、躯体A
在本发明的一种优选实施方式中,所述躯体A包括碳纤维的躯体支架71,满足高强度的同时,又减轻了重量。请参阅图2、4,具体地,所述躯体支架71包括四根连接杆711和四块固定架712,所述四块固定架712两两一组前后设置,四个连接杆711对应固定架712的四角将四块固定架712连接在一起,每个固定架712上均设有两个用于安装第一电机11的安装口7121,左右两侧的腿部总成B中的第一电机11通过对应的安装口7121安装在固定架712上。前后两组腿部总成B分别由前后两组的固定架712固定。
请参阅图1,本实施例中,所述躯体A还包括躯体外壳72,所述躯体外壳72包覆着整个躯体支架71。以躯体A的长度方向为前后方向,以躯体A的宽度方向为左右方向,躯体A的前端为头部,躯体外壳72的前端面为多足机器人的脸部,躯体A的后端为尾部。
请参阅图1、4,本实施例中,躯体支架71中,上面两根连接杆711的前后两端设有位于躯体外壳72外部的吊环713,总计四个吊环713,躯体外壳72位于前后两个吊环713之间还设有提手724,通过该吊环713及提手724配合绳索可以将多足机器人悬吊起来,以便进行前期调试。
本实施例中,躯体外壳72的左右两侧面还设有传感器预留位725,该传感器预留位725用于安装更多的传感器或摄像头等。
请参阅图5,在本发明的一种优选实施方式中,所述躯体A的头部设有立体视觉相机721、信息交互显示器722、仿生耳723,所述仿生耳723与躯体A转动连接,所述躯体A内设有与所述仿生耳723驱动连接的仿生耳723驱动电机,所述立体视觉相机721、信息交互显示器722、仿生耳723驱动电机均与控制单元C连接。
立体视觉相机721设置在躯体A的脸部,立体视觉相机721可以摄取外部环境信息传递至控制单元C,控制单元C以此判断行走路径并调整腿部总成B的动作。
信息交互显示器722设置在躯体A的脸部,信息交互显示器722可以显示多足机器人的运动角度、速度、受力,以及电路电流、工作温度、电池电量等情况,外界可以通过信息交互显示器722输入相关指令控制多足机器人的运动。
在躯体A的头部左右两侧分别设有仿生耳723,所述仿生耳723与躯体A转动连接,所述躯体A内设有与所述仿生耳723驱动连接的仿生耳723驱动电机,通过控制仿生耳723转动的幅度、频率、停顿,来进行肢体语言表达,展现多足机器人的情绪和意图。
在本发明的一种优选实施方式中,所述躯体A(固定架712)上还设有三维力传感器714,所述三维力传感器714的受力端141连接有牵引控制绳715,所述三维力传感器714的信号输出端与控制单元C连接。
在自主避障不使用的情况下,必须用遥控的方式控制四足机器人,体验效果差、控制不灵活。本实施例中,三维力传感器714的受力端141连接有一牵引控制绳715,三维力传感器714通过牵引控制绳715可以检测到用户的手部用力大小和用力方向,用户可以经牵引控制绳715控制四足机器人动作,如牵引控制绳715垂直向上用力拉为四足机器人站起,牵引控制绳715向后拉为四足机器人停止走动,牵引控制绳715向左拖动和向右拖动代表四足机器人左右转弯,此控制方式相对于传统机器人的遥控器的控制方式要灵活快捷。
本实施例中,控制单元C安装在躯体外壳72内部,躯体外壳72的上部设有一可拆卸的上部挡板726,通过拿开上部挡板726,方便对控制单元C进行维修。
三、能量补给系统
目前足式机器人采用传统被动且有接触充电模式,足式机器人进入长期服务模式状态下,目前所有足式机器人需要在电量不足的时候人工干预充电,若无人干预,电池耗尽后进入死机状态,并不满足全天候自主连续工作,且充电端和被充电端接口采用物理接触,存在着电极接触物理寿命和安全隐患。
请参阅图13、15、16,在本发明的一种优选实施方式中,所述多足机器人还配置有无线充电发送装置81,所述躯体A上设有无线充电接收装置82,所述无线充电发送装置81包括电源线811、充电线路板812、充电线圈813,所述电源线811与充电线路板812电性连接,所述充电线圈813设于充电线路板812上并与充电线路板812电性连接,请参阅图3,所述无线充电接收装置82包括第一蓄电池821、接收线路板822、接收线圈823(接收线路板822及接收线圈823安装在躯体外壳72的底部,第一蓄电池821安装在躯体支架71的底部),所述接收线圈823设于接收线路板822上并与接收线路板822电性连接,所述接收线路板822与第一蓄电池821电性连接。
当多足机器人能量不足时,多足机器人通过头部的立体视觉相机721找寻无线充电发送装置81,根据立体视觉相机721摄取的无线充电发送装置81的外观形状和3D深度信息,足式机器人主动靠近无线充电发送装置81,初步调整身躯接近无线充电发送装置81,让无线充电接收装置82和无线充电发送装置81尽量接近。其中,机器视觉定位技术作为一项较为成熟的技术,广泛应用于机器人的控制上,其原理是通过立体视觉相机721获取被摄取目标(无线充电发送装置81)的图像信息,将被摄取目标(无线充电发送装置81)转换成图像信号,传送给控制单元C中专用的图像处理系统,图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征,进而根据判别的结果来控制腿部总成B动作,使多足机器人接近无线充电发送装置81。如专利号为CN207650650U、CN205843680U等的中国专利均对机器视觉定位进行相关的技术揭示。
市电通过电源线811给无线充电发送装置81传输电能,通过无线充电发送装置81的充电线圈813和多足机器人身上的无线充电接收装置82的接收线圈823之间产生的交变磁场,实现电能的传输,传输到无线充电接收装置82中的电能储存在第一蓄电池821内,从而实现对多足机器人能量的补给,补给完毕后,控制单元C控制多足机器人移动躯体A离开无线充电发送装置81,进入正常工作状态,无需人工参与,可自主进行非接触式充电,有效降低安全隐患。基于视觉系统的自主充电功能,解决了移动足式机器人长期服务需要人为参与的弊端。
在本发明的一种优选实施方式中,所述无线充电接收装置82的接收线路板822上设有用于检测接收线圈823电流大小的电流检测模块,所述接收线路板822与控制单元C连接。
采用上述方案,通过电流检测模块检测接收线线圈中电流大小的变化情况,并反馈到控制单元C,控制单元C根据反馈的信息控制多足机器人调整身体,调整到最佳充电效率后进入充电状态。
请参阅图14,在本发明的一种优选实施方式中,所述多足机器人的躯体A尾部设有充电口824,所述充电口824与第一蓄电池821电性连接。
采用上述方案,通过在多足机器人的躯体A尾部设置充电口824,保留了多足机器人的有线充电方式。通过充电线817连接两个多足机器人上的充电口824,还可以使两个多足机器人的能量进行直接交换。机器人的躯体A尾部还设有用于控制第一蓄电池821与机器人内部工作电路通断的电源开关。
请参阅图15-16,在本发明的一种优选实施方式中,所述无线充电发送装置81还包括第二蓄电池814,所述电源线811与充电线路板812通过第二蓄电池814电性连接。
采用上述方案,在无线充电发送装置81内设置第二蓄电池814,通过电源线811给第二蓄电池814储存电能,使无线充电发送装置81可以在脱离市电的情况下移动位置,比如移动至郊外。当多足机器人在户外能量不足时,可以通过第二蓄电池814给充电线圈813供给电能,再通过充电线圈813和接收线圈823之间产生的交变磁场,实现对多足机器人进行能量补给。
在本发明的一种优选实施方式中,所述无线充电发送装置81的外部设有充电接口815,所述充电接口815与第二蓄电池814电性连接。
采用上述方案,当机器人在户外能量不足时,除了可以进行无线充电以外,还可以进行有线充电,即通过充电线817连接无线充电发送装置81上的充电接口815和多足机器人的充电口824,将第二蓄电池814储存电能传输到第一蓄电池821内,实现对机器人进行能量的补给。
在本发明的一种优选实施方式中,所述无线充电发送装置81上设有红外信标灯816。
采用上述方案,通过在无线充电发送装置81上设置红外信标灯816,可以使立体视觉相机721更容易找寻无线充电发送装置81,尤其是在光线较暗的情况下,红外信标灯816的辅助作用尤为明显。
在本发明的一种优选实施方式中,所述红外信标灯816从无线充电发送装置81上端的中心向四周均匀分布。
采用上述方案,通过在无线充电发送装置81上端的中心和四周均匀设置红外信标灯816,可以有效强化红外信标灯816的辅助作用,使立体视觉相机721更容易摄取无线充电发送装置81的外观形状。
以上实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进,均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。