CN113830196B - 可自主拼接的双足机器人、多构型机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种可自主拼接的双足机器人、多构型机器人及其控制方法，包括躯干、臂、腿、容差对接套和躯干对接装置；所述躯干左右两侧对应设置有臂，下侧设置有两个腿；所述躯干后侧通过基座活动设置有所述容差对接套，前侧固定有所述躯干对接装置；本公开中双足机器人单体可通过自组织和重构的方式形成多构型足式组合体，实现双足、四足和六足等多足构态，通过足式模块化拼接组合方式提高足式机器人运动稳定性和负载能力，实现强复杂地形运动和协同搬运等移动和作业。

Description

可自主拼接的双足机器人、多构型机器人及其控制方法

技术领域

本公开属于足式移动机器人技术领域，尤其涉及一种可自主拼接的双足机器人、多构型机器人及其控制方法。

背景技术

传统的轮式和履带式移动机器人无法满足非结构化地形高通过性的需求，仿哺乳动物的足式机器人以离散落足的特点在复杂地形适应能力上有天然优势。足式机器人主要为双足和四足机器人，目前四足机器人可实现较好的鲁棒运动能力，但单个机器人的运动能力有限，强非结构特性、强混杂不平整和不连续地形下的运动能力不足；双足机器人近年来发展迅速，但除去波士顿动力的ATLAS等少数机器人，大部分双足机器人稳定性仍然面临巨大挑战。

本公开发明人发现，当前足式机器人单体存在负载能力有限、运动鲁棒性不足和作业能力差等问题。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种可自主拼接的双足机器人、多构型机器人及其控制方法，本公开中双足机器人单体以自组织和重构的方式形成多构型足式组合体，实现双足、四足和六足等多足构态，通过足式模块化拼接组合方式提高足式机器人运动稳定性和负载能力，实现强复杂地形运动和协同搬运等移动和作业。

为了实现上述目的，第一方面，本公开提供了一种可自主拼接的双足机器人，包括躯干、臂、腿、容差对接套和躯干对接装置；

所述躯干左右两侧对应设置有臂，下侧设置有两个腿；

所述躯干后侧通过基座活动设置有所述容差对接套，前侧固定有所述躯干对接装置。

进一步的，所述基座包括基座本体、俯仰运动连杆和横滚运动连杆，所述基座本体设置有连接空间，在连接空间内所述基座本体和所述俯仰运动连杆通过俯仰扭簧连接，所述俯仰运动连杆和所述横滚运动连杆通过横滚扭簧连接。

进一步的，所述容差对接套包括与所述横滚运动连杆远离所述基座一端连接的容差导向套、与所述容差导向套连接的对接套盖以及设置在所述容差导向套内的电磁铁。

进一步的，所述容差导向套设置有锥形容纳空间，所述躯干对接装置远离所述躯干的一端设置为锥形，所述锥形尺寸与所述容差导向套的锥形容纳空间尺寸对应；所述躯干对接装置顶端设置有对接铁片。

进一步的，所述腿上设置有大腿连接杆和小腿连接杆；所述躯干下侧两端对应固定有腿部第一转动部，所述腿部第一转动部上垂直固定有腿部第二转动部，所述腿部第二转动部与所述大腿连杆连接，所述大腿连杆上固定有腿部第三转动部，所述腿部第三转动部通过连杆连接所述小腿连接杆。

进一步的，所述臂上设置有大臂连杆和小臂连杆；所述躯干两侧分别通过钢丝牵拉扭簧固定有大臂转动部，所述大臂转动部连接大臂连杆，所述大臂连杆上固定有小臂转动部，所述小臂转动部通过传动杆连接所述小臂连杆。

进一步的，所述躯干内部固定有臂部牵引电机，所述臂部牵引电机输出轴上缠绕有钢丝，所述钢丝的两端固定在所述躯干两侧的钢丝牵拉扭簧上。

为了实现上述目的，第二方面，本公开还提供了一种可自主拼接的多构型机器人，包括多个如第一方面所述的可自主拼接的双足机器人；相邻两个可自主拼接的双足机器人之间通过所述容差对接套和所述躯干对接装置连接。

进一步的，所述臂的末端安装有可控电磁铁，相邻两个可自主拼接的双足机器人的臂通过所述可控电磁铁连接。

为了实现上述目的，第三方面，本公开还提供了一种可自主拼接的多构型机器人控制方法，包括：

所述容差导向套内的电磁铁通电，所述躯干对接装置插入所述容差导向套上的锥形容纳空间内；

所述述躯干对接装置顶端的对接铁片被所述容差导向套内的电磁铁吸附，所述锥形容纳空间和所述躯干对接装置上的锥形结构配合，实现容差对接；

所述臂上的可控电磁铁通电，相邻两个可自主拼接的双足机器人的臂通过所述可控电磁铁连接。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

1.本公开可根据机器人任务和地形进行多个模块化双足机器人的自主拼接，实现多构型移动作业；

2.本公开中单体机器人具备三维空间稳定步态运动能力，臂部具有简单作业能力；

3.本公开中多个单体机器人通过握手式和轴套式两种拼接组合方式可形成四足、六足和更多足模式，机器人组合体运动步态种类增加，运动稳定性比单体大幅提高，可实现强混杂地形下稳定运动；

4.本公开中通过拼接形成的足式组合体机器人可通过多臂协同实现多种抓取和搬运等作业，且组合体的承载能力提高，可实现大负载作业。

附图说明

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

图1为本公开实施例1的可自主对接的模块化双足机器人正面整体结构示意图；

图2为本公开实施例1的可自主对接的模块化双足机器人侧面整体结构示意图；

图3为本公开实施例1的可自主对接的模块化双足机器人俯视整体结构示意图；

图4为本公开实施例1的机器人躯干前/后侧主动连接机构示意图；

图5为本公开实施例1的钢丝牵拉臂部旋转结构示意图；

图6为本公开实施例1的两机器人“轴套式拼接”为四足机器人俯视图；

图7为本公开实施例1的两个机器人“轴套式拼接”+“握手式拼接”为四足机器人示意图；

图8为本公开实施例1的三机器人“轴套式拼接”为六足机器人示意图；

图9为本公开实施例1的多机器人“轴套式拼接”组合体机器人示意图；

其中，1、小臂连杆，2、大臂连杆，3、躯干，4、大腿连杆，5、小腿连杆，6、腿部第二电机，7、腿部第三电机，8、腿部第一电机，9、基座，91、基座本体，92、俯仰运动连杆，93、横滚运动连杆，94、俯仰扭簧，95、横滚扭簧，10、容差对接套，101、对接套盖，102、容差导向套，11、躯干对接装置，12、钢丝，13、臂部牵引电机，14、大臂电机，15、小臂电机，16、对接铁片，17、电磁铁，18、钢丝牵拉扭簧。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

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

实施例1：

如图1所示，本实施例提供了一种可自主拼接的双足机器人，包括躯干3、臂、腿、容差对接套10和躯干对接装置11；所述躯干3左右两侧对应设置有臂，下侧设置有两个腿；所述躯干3后侧通过基座9活动设置有所述容差对接套10，前侧固定有所述躯干对接装置11。

在本实施例中，如图4所示，所述基座9包括基座本体91、俯仰运动连杆91和横滚运动连杆93，所述基座本体91设置有连接空间，在连接空间内所述基座本体91和所述俯仰运动连杆92通过俯仰扭簧94连接，所述俯仰运动连杆92和所述横滚运动连杆93通过横滚扭簧95连接；所述容差对接套10包括与所述横滚运动连杆93远离所述基座9一端连接的容差导向套102、与所述容差导向套102连接的对接套盖101以及设置在所述容差导向套102内的电磁铁17，所述电磁铁为可控电磁铁。所述容差导向套102设置有锥形容纳空间，所述躯干对接装置11远离所述躯干3的一端设置为锥形，所述锥形尺寸与所述容差导向套102的锥形容纳空间尺寸对应；所述躯干对接装置11顶端设置有对接铁片16。

具体的，机器人躯干3前后两侧有主动连接装置，前侧圆柱状的对接装置11的末端是对接铁片16，用于和后侧的连接装置中的电磁铁17吸附连接。后侧的连接装置由两部分组成，首先是由两组扭簧垂直安装构成的两自由度旋转基座，后面连接一组容差对接套，在对接套中间位置安装可控磁铁，通过控制磁铁电源通断实现两机器人前后端连接和分离，本实施例中称为“轴套式拼接”方式。

在本实施例中，如图1和图2所示，所述腿上设置有大腿连接杆4和小腿连接杆5；所述躯干3下侧两端对应固定有腿部第一转动部，所述腿部第一转动部上垂直固定有腿部第二转动部，所述腿部第二转动部与所述大腿连杆连接，所述大腿连杆上固定有腿部第三转动部，所述腿部第三转动部通过连杆连接所述小腿连接杆；优选的，所述腿部第一转动部、所述腿部第二转动部和所述腿部第三转动部分别设置为腿部第一电机、腿部第二电机和腿部第三电机。

具体的，所述躯干3的下端通过躯干平台连接所述腿部第一电机8，所述腿部第一电机8的输出端通过连接件与所述腿部第二电机6连接，所述腿部第二电机6输出轴末端所述与大腿连杆4相连，所述腿部第三电机7固定在所述大腿连杆4上，并通过连杆传动驱动小腿关节运动。

在本实施例中，如图3和图5所示，所述臂上设置有大臂连杆2和小臂连杆1；所述躯干3两侧分别通过钢丝牵拉扭簧18固定有大臂转动部，所述大臂转动部连接大臂连杆2，所述大臂连杆2上固定有小臂转动部，所述小臂转动部通过传动杆连接所述小臂连杆1；优选的，所述大臂转动部和所述小臂转动部分别设置为大臂电机14和小臂电机15。所述躯干3内部固定有臂部牵引电机13，所述臂部牵引电机13输出轴上缠绕有钢丝12，所述钢丝12的两端固定在所述躯干两侧的钢丝牵拉扭簧18上。

具体的，所述牵引电机13带动钢丝12牵拉，通过对两侧臂部的同步牵引，实现臂的张开-闭合转动；所述大臂电机14输出端固定在所述大臂连杆2，所述大臂连杆2和所述小臂电机15固连，所述小臂电机15通过传动杆带动小臂旋转运动，小臂末端安装有可控电磁铁，通过控制磁铁电源通断可实现臂与臂之间磁铁吸附连接和分离，本实施例中称为“握手式拼接”方式。

为了实现上述目的，第二方面，本公开还提供了一种可自主拼接的多构型机器人，包括多个如第一方面所述的可自主拼接的双足机器人；相邻两个可自主拼接的双足机器人之间通过所述容差对接套10和所述躯干对接装置11连接。

在本实施例中，所述臂的末端安装有可控电磁铁，相邻两个可自主拼接的双足机器人的臂通过所述可控电磁铁连接。

具体的，上述机器人单体可实现独立步态运动，臂部可实现简单的抓取、推移等作业。两个机器人单体通过中间对接机构可自主拼接为四足机器人，如图6所示，是两机器人通过“轴套式拼接”为四足机器人俯视图，如图7所示，是两个机器人“轴套式拼接”+“握手式拼接”为四足机器人示意图，三个机器人通过拼接可组成六足机器人，如图8所示，是三机器人通过“轴套式拼接”为六足机器人示意图，通过该种方式可实现任意多个机器人的拼接组合，如图9所示，是多机器人通过“轴套式拼接”组合体机器人示意图。组合后的机器人具有多臂可实现抓、抱、托等大负载作业，当不需要臂作业时前后两机器人可通过臂部握手式对接方式加强连接的刚度。通过中间轴套方式连接的机器人通过旋转基座可实现两个被动自由度的相对运动，通过臂部握手方式连接的机器人可通过臂部电机的控制现连接的刚/柔相对运动。通过多个机器人的拼接组合，机器人的支撑腿个数增多，适应复杂地形的能力提高，具备复杂地形下大负载作业能力。

为了实现上述目的，第三方面，本公开还提供了一种可自主拼接的多构型机器人控制方法，包括：

所述容差导向套10内的电磁铁17通电，所述躯干对接装置11插入所述容差导向套上的锥形容纳空间内；

所述述躯干对接装置11顶端的对接铁片16被所述容差导向套10内的电磁铁16吸附，所述锥形容纳空间和所述躯干对接装置上的锥形结构配合，实现容差对接；

所述臂上的可控电磁铁通电，相邻两个可自主拼接的双足机器人的臂通过所述可控电磁铁连接。

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

Claims (7)

1.可自主拼接的双足机器人，其特征在于，包括躯干、臂、腿、容差对接套和躯干对接装置；

所述躯干左右两侧对应设置有臂，下侧设置有两个腿；

所述躯干后侧通过基座活动设置有所述容差对接套，前侧固定有所述躯干对接装置；

所述臂上设置有大臂连杆和小臂连杆；所述躯干两侧分别通过钢丝牵拉扭簧固定有大臂转动部，所述大臂转动部连接大臂连杆，所述大臂连杆上固定有小臂转动部，所述小臂转动部通过传动杆连接所述小臂连杆；所述大臂转动部和所述小臂转动部分别设置为大臂电机和小臂电机；所述躯干内部固定有臂部牵引电机，所述臂部牵引电机输出轴上缠绕有钢丝，所述钢丝的两端固定在所述躯干两侧的钢丝牵拉扭簧上；

所述牵引电机带动钢丝牵拉，通过对两侧臂部的同步牵引，实现臂的张开-闭合转动；所述大臂电机输出端固定在所述大臂连杆，所述大臂连杆和所述小臂电机固连，所述小臂电机通过传动杆带动小臂旋转运动，小臂末端安装有可控电磁铁，通过控制磁铁电源通断可实现臂与臂之间磁铁吸附连接和分离。

2.如权利要求1所述的可自主拼接的双足机器人，其特征在于，所述基座包括基座本体、俯仰运动连杆和横滚运动连杆，所述基座本体设置有连接空间，在连接空间内所述基座本体和所述俯仰运动连杆通过俯仰扭簧连接，所述俯仰运动连杆和所述横滚运动连杆通过横滚扭簧连接。

3.如权利要求2所述的可自主拼接的双足机器人，其特征在于，所述容差对接套包括与所述横滚运动连杆远离所述基座一端连接的容差导向套、与所述容差导向套连接的对接套盖以及设置在所述容差导向套内的电磁铁。

4.如权利要求3所述的可自主拼接的双足机器人，其特征在于，所述容差导向套设置有锥形容纳空间，所述躯干对接装置远离所述躯干的一端设置为锥形，躯干对接装置的锥形尺寸与所述容差导向套的锥形容纳空间尺寸对应；所述躯干对接装置顶端设置有对接铁片。

5.如权利要求1所述的可自主拼接的双足机器人，其特征在于，所述腿上设置有大腿连接杆和小腿连接杆；所述躯干下侧两端对应固定有腿部第一转动部，所述腿部第一转动部上垂直固定有腿部第二转动部，所述腿部第二转动部与所述大腿连接杆连接，所述大腿连接杆上固定有腿部第三转动部，所述腿部第三转动部通过连杆连接所述小腿连接杆。

6.可自主拼接的多构型机器人，其特征在于，包括多个如权利要求1-5任一项所述的可自主拼接的双足机器人；相邻两个可自主拼接的双足机器人之间通过所述容差对接套和所述躯干对接装置连接。

7.如权利要求6所述的可自主拼接的多构型机器人的控制方法，其特征在于，包括：

容差导向套内的电磁铁通电，所述躯干对接装置插入容差导向套上的锥形容纳空间内；

所述躯干对接装置顶端的对接铁片被所述容差导向套内的电磁铁吸附，所述锥形容纳空间和所述躯干对接装置上的锥形结构配合，实现容差对接；

所述臂上的可控电磁铁通电，相邻两个可自主拼接的双足机器人的臂通过所述可控电磁铁连接。

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