CN113894822A - 一种具有仿生刚柔耦合腿的八足机器人及控制方法 - Google Patents

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CN113894822A CN202111394705.2A CN202111394705A CN113894822A CN 113894822 A CN113894822 A CN 113894822A CN 202111394705 A CN202111394705 A CN 202111394705A CN 113894822 A CN113894822 A CN 113894822A
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Abstract

本发明提出了一种具有仿生刚柔耦合腿的八足机器人及控制方法，所述搜救机器人包括机架、机壳、刚柔耦合腿、控制处理模块、感知单元、无线传输模块、电机驱动模块和电源模块，刚柔耦合腿包括八条结构相同的，安装在机架左边的左腿一、左腿二、左腿三、左腿四及安装在机架右边的右腿一、右腿二、右腿三和右腿四，均由刚性节块、关节轴、足、扭转弹簧、直线驱动器、连接件和弹簧钢片组成，所述控制方法包括步长控制方法、步频控制方法、身高控制方法、机架与刚柔耦合腿协调控制方法、稳定爬坡步态控制方法和隧道穿过步态控制方法。本发明八足机器人将刚性节块与柔性弹簧钢片结合，具备结构紧凑、轻质、自适应柔顺性等优点，可用于搜救、探测等任务。

Description

一种具有仿生刚柔耦合腿的八足机器人及控制方法
技术领域
本发明及属于机器人学、传感技术、计算机科学、控制科学、人机交互技术、医疗康复的交叉领域，具体为一种具有仿生刚柔耦合腿的八足机器人及控制方法。
背景技术
我国地震灾害发生频繁，灾后的搜救工作一直是科研人员研究的重点领域。考虑到震后环境的复杂性，例如废墟形成的狭窄缝隙及各类崎岖路面等救援人员难以进入的场景，如果救援人员在对倒塌建筑物内部情况未知的情况下盲目进入，将面临很大的危险，并且可能造成被困人员的二次伤害。因此，需要由结构紧凑、小巧、适应性强、搭载环境和生命探测传感器的移动机器人快速进入倒塌建筑物，获取第一手的环境信息和被困人员的分布信息，为搜救人员实施搜救任务制定方案和技术路线提供信息化支撑。
轮式和履带式机器人目前已经获得了大量的应用，在灾后物资运输、环境探测等方面得到应用，但是其面临复杂崎岖环境的运动能力不如多足式机器人强。多足爬行搜救机器人主要可以分为刚性或柔性两大类。就刚性关节的多足机器人而言，为了实现崎岖路面上的运动，通常需要对机器人进行步态设计、地面感知、运动轨迹规划及各足协调控制。尽管刚性的机器人腿具有运动精度高和载荷能力强等优点，但由于缺乏柔顺性，各足在接触地面时通常需要较高的控制精度，因此存在环境自适应性和安全性较低等情况，并且往往每条腿都需要多个电机驱动，如中国发明专利CN201910402908.8提出的仿蜘蛛八足机器人。而柔性机器人具有变形能力优异、环境适应性强等优点，但其承载能力往往较低，且在复杂路面上的移动速度要弱于刚性多足机器人。针对上述问题，本设计采用仿生刚柔耦合的方式进行八足机器人腿部的设计，具有结构简单、紧凑、轻质、柔顺自适应等优点，并提出多种步态控制方法，使机器人实现各类复杂环境的自适应行走，可以完成搜救等工作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于刚性搜救机器人的自适应性较差和控制要求高，而柔性搜救机器人的承载和移动能力较弱，通过将刚性结构和柔性结构组合应用于机器人腿部设计，结合多种步态控制方法，提出一种具有仿生刚柔耦合腿的八足机器人，以实现在各类复杂环境下的移动探测等功能。
本发明提供一种具有仿生刚柔耦合腿的八足机器人，所述的八足机器人包括机架、机壳、刚柔耦合腿、感知单元、控制处理模块、无线传输模块、电机驱动模块和电源模块；
所述感知单元、控制处理模块、无线传输模块、电机驱动模块和电源模块固定在机架上；
所述的机架为长方形板结构，两侧设置有安装所述刚柔耦合腿的结构；所述的机壳包括上机壳和下机壳，分别安装在机架的上部和下部；所述的刚柔耦合腿包括左腿一、左腿二、左腿三、左腿四、右腿一、右腿二、右腿三和右腿四；所述的左腿一、左腿二、左腿三、左腿四、右腿一、右腿二、右腿三和右腿四结构相同；所述的左腿一、左腿二、左腿三和左腿四安装在所述的机架的左边；所述的右腿一、右腿二、右腿三和右腿四安装在所述的机架的右边；
所述的刚柔耦合腿均由刚性节块一、刚性节块二、刚性节块三、刚性节块四、关节轴一、关节轴二、关节轴三、关节轴四、关节轴五、足、左旋扭簧一、右旋扭簧一、左旋扭簧二、右旋扭簧二、左旋扭簧三、右旋扭簧三、左旋扭簧四、右旋扭簧四、左旋扭簧五、右旋扭簧五、直线驱动器、连接件和弹簧钢片组成；
所述的刚性节块一与机架通过关节轴一以转动副连接；所述的刚性节块二与刚性节块一通过关节轴二以转动副连接；所述的刚性节块三与刚性节块二通过关节轴三以转动副连接；所述的刚性节块四与刚性节块三通过关节轴四以转动副连接；所述的足与刚性节块四通过关节轴五以转动副连接；所述的刚性节块一、刚性节块二、刚性节块三、刚性节块四上沿着腿方向具有贯通的槽孔；
所述的左旋扭簧一和右旋扭簧一套在所述的关节轴一上，两条腿分别固定在所述的机架和刚性节块一上，所述的左旋扭簧二和右旋扭簧二套在所述的关节轴二上，两条腿分别固定在所述的刚性节块一上和刚性节块二上，所述的左旋扭簧三和右旋扭簧三套在所述的关节轴三上，两条腿分别固定在所述的刚性节块二上和刚性节块三上，所述的左旋扭簧四和右旋扭簧四套在所述的关节轴四上，两条腿分别固定在所述的刚性节块三上和刚性节块四上，所述的左旋扭簧五和右旋扭簧五套在所述的关节轴五上，两条腿分别固定在所述的刚性节块四上和足上；所述的直线驱动器固定在所述的机架1上，直线驱动器的电机轴朝向刚柔耦合腿；所述的连接件与所述直线驱动器的电机轴以转动副连接；所述的弹簧钢片为梯形长条片状，梯形下边一端固定在所述的连接件上，梯形上边一端穿过所述的刚性节块一、刚性节块二、刚性节块三、刚性节块四上的槽孔，固定在所述的足上；所述的弹簧钢片和左旋扭簧一、右旋扭簧一、左旋扭簧二、右旋扭簧二、左旋扭簧三、右旋扭簧三、左旋扭簧四、右旋扭簧四、左旋扭簧五、右旋扭簧五构成了所述刚柔耦合腿的柔性结构。
作为本发明机器人进一步改进，所述的控制处理模块固定在所述的机架上；所述的感知单元包括红外测距模块、图像采集模块、光敏电阻模块和姿态检测模块；所述的红外测距模块包括左测距模块和右测距模块，所述的左测距模块和右测距模块分别安装在机架的左边部位和右边部位，并与机架呈相应夹角，伸出上机壳上的孔,所述的图像采集模块安装在所述的上机壳上部，所述的光敏电阻模块、姿态检测模块、无线传输模块和电机驱动模块均安装在所述的控制处理模块上；所述的红外测距模块和图像采集模块均与所述的控制处理模块电气连接；所述的电源模块安装在所述的机架底部，并与所述的控制处理模块、感知单元、无线传输模块和电机驱动模块电气连接。
作为本发明机器人进一步改进，所述的足具有尖形端部。
本发明提供一种具有仿生刚柔耦合腿的八足机器人的控制方法，所述的控制方法包括搜救机器人的步长控制方法、步频控制方法、身高控制方法、机体与刚柔耦合腿协调控制方法、稳定爬坡步态控制方法和隧道检测及步态控制方法；
所述的步长控制方法为：通过控制所述的直线驱动器的伸缩运动行程，控制刚柔耦合腿的弯曲角度，以及足端的空间运动范围，从而控制八足机器人的步长；
所述的步频控制方法为：通过控制所述的直线驱动器的伸缩频率，控制刚柔耦合腿的弯曲和伸展运动频率，从而控制八足机器人的迈步频率；
所述的身高控制方法为：通过控制所述的直线驱动器伸缩运动的区间，实现刚柔耦合腿的弯曲运动的区间控制，以及足部在空间的运动区间控制，从而控制八足机器人运动过程的身体高度，当直线驱动器的电机输出轴推进位移范围为0到l1范围内运动时，机器人的身体最大高度为H1，当直线驱动器的电机输出轴推进位移从l2开始，运动范围长度仍然为d时，机器人的身体最大高度为H2，当直线驱动器的电机输出轴推进位移从l3开始，运动范围长度仍然为d时，机器人的身体最大高度为H3，当直线驱动器的电机输出轴推进位移从l4开始，运动范围长度仍然为d时，机器人的身体最大高度为H4，当直线驱动器的电机输出轴推进位移从l5开始，运动范围长度仍然为d时，机器人的身体最大高度为H5；
所述的机体与刚柔耦合腿协调控制方法包括Z型步态控制和T型步态控制；
所述的稳定爬坡步态控制方法为：通过设置前进方向的前面刚柔耦合腿的直线驱动器推进区间a1-a2、a3-a4距离其初始位置比较近，而后面刚柔耦合腿的直线驱动器推进区间a5-a6、a7-a8距离其初始位置比较远，从而保证机器人身体前低后高；
所述的隧道检测及步态控制方法为：机器人初始位置为C1状态，通过所述的红外测距模块检测隧道距离机器人的顶部的距离，并基于所述的身高控制方法调节机器人运动过程的身体高度，从而实现在隧道外时以较高的身体高度快速运动，而在进入隧道后，以较低的身体高度缓慢穿行，机器人进入隧道后为C2状态。
作为本发明控制方法进一步改进，以左腿一方向为前进方向，所述Z型步态控制的步骤包括：
S1：所述的左腿一、左腿二、左腿三、左腿四、右腿一、右腿二、右腿三和右腿四弯曲角度相等，八足机器人处于静止状态；
S2：所述的左腿一、左腿三、右腿二和右腿四向前迈进，所述的左腿二、左腿四、右腿一和右腿三保持支持状态，所述机架向前进方向的左侧倾斜一定角度，机架左侧低右侧高，为左腿二、左腿四向前迈进提供与地面之间的间隙；
S3：所述的左腿一、左腿三、右腿二和右腿四着地，所述的左腿二、左腿四、右腿一和右腿三备迈进；
S4：所述的左腿二、左腿四、右腿一和右腿三向前迈进，所述的左腿一、左腿三、右腿二和右腿四保持支持状态，所述机架向前进方向的右侧倾斜，机架右侧低左侧高，为左腿一、左腿三向前迈进提供与地面之间的间隙；
S5：所述的左腿二、左腿四、右腿一和右腿三着地，所述的左腿一、左腿三、右腿二和右腿四准备迈进，八足机器人处于暂时静止状态。
作为本发明控制方法进一步改进，以左腿一方向为前进方向，所述Z型步态控制的步骤包括：
S6：所述的左腿一、左腿二、左腿三、左腿四、右腿一、右腿二、右腿三和右腿四弯曲角度相等，八足机器人处于静止状态；
S7：所述的左腿一、左腿四、右腿二和右腿三由于腿的柔顺特性向前迈进，所述的左腿二、左腿三、右腿一和右腿四保持支持状态；
S8：所述的左腿一、左腿四、右腿二和右腿三着地，所述的左腿二、左腿三、右腿一和右腿四准备迈进；
S9：所述的左腿二、左腿三、右腿一和右腿四由于腿的柔顺特性向前迈进，所述的左腿一、左腿四、右腿二和右腿三保持支持状态；
S10：所述的左腿二、左腿三、右腿一和右腿四着地，所述的左腿一、左腿四、右腿二和右腿三准备迈进，八足机器人处于暂时静止状态。
有益效果：
本发明的具有仿生刚柔耦合腿的八足机器人，模仿螃蟹腿足的外骨骼肌肉系统，将刚性外壳与柔性驱动器结合，应用于机器人腿部设计，刚性外壳起到支撑保护作用，柔性驱动器位于刚性外壳内部，实现类似螃蟹的紧凑轻巧腿结构；该仿生刚柔耦合腿的八足机器人同时具有刚性机器人的移动性能、稳定性和承载能力，以及柔性机器人的自适应性和驱动能力；直线驱动器置于机体内部原理足部的设计方案使得机器人可以涉水运动，并且通过控制直线驱动器可以实现八足机器人的步长、步频、机身高度控制，通过刚性机体与柔性腿的协同，实现每条腿只需一个驱动器情况下的机器人步行运动，比传统的仿生八足机器人所采样的驱动器数量少，通过改变步态控制方法，可以实现爬坡、穿越隧道等多种运动行为，代替救援人员在复杂环境下实施信息采集等作业任务。
附图说明
图1为本发明的系统组成示意图；
图2为本发明的机器人整体机构立体视图；
图3为本发明的机器人整体俯视图；
图4为本发明的机器人机架立体视图；
图5为本发明的单腿机构立体爆炸视图；
图6为本发明的传感器及控制系统安装位置示意图；
图7为本发明的机器人步长控制示意图；
图8为本发明的机器人步频控制示意图；
图9为本发明的机器人机身高度控制示意图；
图10为本发明的机器人机身与机器人足协调控制示意图1；
图11为本发明的机器人机身与机器人足协调控制示意图2；
图12为本发明的机器人稳定爬坡步态控制示意图；
图13为本发明的机器人隧道检测及步态控制示意图；
附件标记如下：
1、机架；2、机壳；2-1、上机壳；2-2、下机壳；3、刚柔耦合腿；3-1、左腿一；3-2、左腿二；3-3、左腿三；3-4、左腿四；3-5、右腿一；3-6、右腿二；3-7、右腿三；3-8、右腿四；3-9-1、刚性节块一；3-9-2、刚性节块二；3-9-3、刚性节块三；3-9-4、刚性节块四；3-9-5、关节轴一；3-9-6、关节轴二；3-9-7、关节轴三；3-9-8、关节轴四；3-9-9、关节轴五；3-9-10、足；3-9-11、左旋扭簧一；3-9-12、右旋扭簧一；3-9-13、左旋扭簧二；3-9-14、右旋扭簧二；3-9-15、左旋扭簧三；3-9-16、右旋扭簧三；3-9-17、左旋扭簧四；3-9-18、右旋扭簧四；3-9-19、左旋扭簧五；3-9-20、右旋扭簧五；3-9-21、直线驱动器；3-9-22、连接件；3-9-23、弹簧钢片；4、控制处理模块；5、感知单元；5-1、红外测距模块；5-1-1、左测距模块；5-1-2、右测距模块；5-2、图像采集模块；5-3、光敏电阻模块；5-4、姿态检测模块；6、无线传输模块；7、电机驱动模块；8、电源模块；9、步长控制方法；10、步频控制方法；11、身高控制方法；12、机体与刚柔耦合腿协调控制方法；12-1、Z型步态控制；12-2、T型步态控制；13、稳定爬坡步态控制方法；14、隧道检测及步态控制方法。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
参照附图1和附图6，本发明公开了一种具有仿生刚柔耦合腿的八足机器人及控制方法，所述的八足机器人包括机架1、机壳2、刚柔耦合腿3、控制处理模块4、感知单元5、无线传输模块6、电机驱动模块7和电源模块8；
参照附图1，附图2，附图3，所述的机架1为长方形板结构，两侧设置有安装所述刚柔耦合腿3的结构；所述的机壳2包括上机壳2-1和下机壳2-2，分别安装在机架1的上部和下部；所述的刚柔耦合腿3包括左腿一3-1、左腿二3-2、左腿三3-3、左腿四3-4、右腿一3-5、右腿二3-6、右腿三3-7和右腿四3-8；所述的左腿一3-1、左腿二3-2、左腿三3-3、左腿四3-4、右腿一3-5、右腿二3-6、右腿三3-7和右腿四3-8结构相同；所述的左腿一3-1、左腿二3-2、左腿三3-3、左腿四3-4安装在所述的机架1的左边；所述的右腿一3-5、右腿二3-6、右腿三3-7和右腿四3-8安装在所述的机架1的右边；
参照附图5，所述的刚柔耦合腿3均由刚性节块一3-9-1、刚性节块二3-9-2、刚性节块三3-9-3、刚性节块四3-9-4、关节轴一3-9-5、关节轴二3-9-6、关节轴三3-9-7、关节轴四3-9-8、关节轴五3-9-9、足3-9-10、左旋扭簧一3-9-11、右旋扭簧一3-9-12、左旋扭簧二3-9-13、右旋扭簧二3-9-14、左旋扭簧三3-9-15、右旋扭簧三3-9-16、左旋扭簧四3-9-17、右旋扭簧四3-9-18、左旋扭簧五3-9-19、右旋扭簧五3-9-20、直线驱动器3-9-21、连接件3-9-22和弹簧钢片3-9-23组成；
参照附图5，所述的刚性节块一3-9-1与机架1通过关节轴一3-9-5以转动副连接；所述的刚性节块二3-9-2与刚性节块一3-9-1通过关节轴二3-9-6以转动副连接；所述的刚性节块三3-9-3与刚性节块二3-9-2通过关节轴三3-9-7以转动副连接；所述的刚性节块四3-9-4与刚性节块三3-9-3通过关节轴四3-9-8以转动副连接；所述的足3-9-10与刚性节块四3-9-4通过关节轴五3-9-9以转动副连接；所述的刚性节块一3-9-1、刚性节块二3-9-2、刚性节块三3-9-3、刚性节块四3-9-4上沿着腿方向具有贯通的槽孔；所述的足3-9-10具有尖形端部；
参照附图5，所述的左旋扭簧一3-9-11和右旋扭簧一3-9-12套在所述的关节轴一3-9-5上，两条腿分别固定在所述的机架1和刚性节块一3-9-1上，所述的左旋扭簧二3-9-13和右旋扭簧二3-9-14套在所述的关节轴二3-9-6上，两条腿分别固定在所述的刚性节块一3-9-1上和刚性节块二3-9-2上，所述的左旋扭簧三3-9-15和右旋扭簧三3-9-16套在所述的关节轴三3-9-7上，两条腿分别固定在所述的刚性节块二3-9-2上和刚性节块三3-9-3上，所述的左旋扭簧四3-9-17和右旋扭簧四3-9-18套在所述的关节轴四3-9-8上，两条腿分别固定在所述的刚性节块三3-9-3上和刚性节块四3-9-4上，所述的左旋扭簧五3-9-19和右旋扭簧五3-9-20套在所述的关节轴五3-9-9上，两条腿分别固定在所述的刚性节块四3-9-4上和足3-9-10上；所述的直线驱动器3-9-21固定在所述的机架1上，直线驱动器3-9-21的电机轴朝向刚柔耦合腿3；所述的连接件3-9-22与所述直线驱动器3-9-21的电机轴以转动副连接；所述的弹簧钢片3-9-23为梯形长条片状，梯形下边一端固定在所述的连接件3-9-22上，梯形上边一端穿过所述的刚性节块一3-9-1、刚性节块二3-9-2、刚性节块三3-9-3、刚性节块四3-9-4上的槽孔，固定在所述的足3-9-10上；所述的弹簧钢片3-9-23和左旋扭簧一3-9-11、右旋扭簧一3-9-12、左旋扭簧二3-9-13、右旋扭簧二3-9-14、左旋扭簧三3-9-15、右旋扭簧三3-9-16、左旋扭簧四3-9-17、右旋扭簧四3-9-18、左旋扭簧五3-9-19、右旋扭簧五3-9-20构成了所述刚柔耦合腿3的柔性结构。
参照附图3、附图6，所述的控制处理模块4固定在所述的机架1上；所述的感知单元5包括红外测距模块5-1、图像采集模块5-2、光敏电阻模块5-3、姿态检测模块5-4；所述的红外测距模块5-1包括左测距模块5-1-1和右测距模块5-1-2，分别安装在机架1的左边部位和右边部位，并与机架1呈一定夹角，伸出上机壳上2-1的孔；所述的图像采集模块5-2安装在所述的上机壳2-1上部；所述的光敏电阻模块5-3、姿态检测模块5-4、无线传输模块6和电机驱动模块7均安装在所述的控制处理模块4上；所述的红外测距模块5-1和图像采集模块5-2均与所述的控制处理模块4电气连接；所述的电源模块8安装在所述的机架底部，并与所述的控制处理模块4、传感器单元5、无线传输模块6和电机驱动模块7电气连接。
参照附图7、附图8、附图9、附图10、附图11、附图12、附图13所述的控制方法包括搜救机器人的步长控制方法9、步频控制方法10、身高控制方法11、机体与刚柔耦合腿协调控制方法12、稳定爬坡步态控制方法13和隧道检测及步态控制方法14。
参照附图7，所述的步长控制方法9为：通过控制所述的直线驱动器3-9-21的伸缩运动行程，可以控制刚柔耦合腿3的弯曲角度，以及足端的空间运动范围，从而可以控制八足机器人的步长；
参照附图8，所述的步频控制方法10为：通过控制所述的直线驱动器3-9-21的伸缩频率，可以控制刚柔耦合腿3的弯曲和伸展运动频率，从而可以控制八足机器人的迈步频率；
参照附图9，所述的身高控制方法11为：通过控制所述的直线驱动器3-9-21伸缩运动的区间，实现刚柔耦合腿3的弯曲运动的区间控制，以及足部在空间的运动区间控制，从而控制八足机器人运动过程的身体高度，见附图9，当直线驱动器3-9-21的电机输出轴推进位移范围为0到l1范围内运动时，机器人的身体最大高度为H1，当直线驱动器3-9-21的电机输出轴推进位移从l2开始，运动范围长度仍然为d时，机器人的身体最大高度为H2，当直线驱动器3-9-21的电机输出轴推进位移从l3开始，运动范围长度仍然为d时，机器人的身体最大高度为H3，当直线驱动器3-9-21的电机输出轴推进位移从l4开始，运动范围长度仍然为d时，机器人的身体最大高度为H4，当直线驱动器3-9-21的电机输出轴推进位移从l5开始，运动范围长度仍然为d时，机器人的身体最大高度为H5。
参照附图10，附图11，所述的机体与刚柔耦合腿协调控制方法12包括Z型步态控制12-1和T型步态控制12-2。
参照附图10，以左腿一3-1方向为前进方向，所述Z型步态控制12-1的步骤包括：
S1：所述的左腿一3-1、左腿二3-2、左腿三3-3、左腿四3-4、右腿一3-5、右腿二3-6、右腿三3-7和右腿四3-8弯曲角度相等，八足机器人处于静止状态；
S2：所述的左腿一3-1、左腿三3-3、右腿二3-6和右腿四3-8向前迈进，所述的左腿二3-2、左腿四3-4、右腿一3-5和右腿三3-7保持支持状态，所述机架1向前进方向的左侧倾斜一定角度，机架1左侧低右侧高，为左腿二3-2、左腿四3-4向前迈进提供与地面之间的间隙；
S3：所述的左腿一3-1、左腿三3-3、右腿二3-6和右腿四3-8着地，所述的左腿二3-2、左腿四3-4、右腿一3-5和右腿三3-7准备迈进；
S4：所述的左腿二3-2、左腿四3-4、右腿一3-5和右腿三3-7向前迈进，所述的左腿一3-1、左腿三3-3、右腿二3-6和右腿四3-8保持支持状态，所述机架1向前进方向的右侧倾斜，机架1右侧低左侧高，为左腿一3-1、左腿三3-3向前迈进提供与地面之间的间隙；
S5：所述的左腿二3-2、左腿四3-4、右腿一3-5和右腿三3-7着地，所述的左腿一3-1、左腿三3-3、右腿二3-6和右腿四3-8准备迈进，八足机器人处于暂时静止状态。
参照附图11，以左腿一3-1方向为前进方向，所述T型步态控制12-2的步骤包括：
S6：所述的左腿一3-1、左腿二3-2、左腿三3-3、左腿四3-4、右腿一3-5、右腿二3-6、右腿三3-7和右腿四3-8弯曲角度相等，八足机器人处于静止状态；
S7：所述的左腿一3-1、左腿四3-4、右腿二3-6和右腿三3-7由于腿的柔顺特性可以向前迈进，所述的左腿二3-2、左腿三3-3、右腿一3-5和右腿四3-8保持支持状态；
S8：所述的左腿一3-1、左腿四3-4、右腿二3-6和右腿三3-7着地，所述的左腿二3-2、左腿三3-3、右腿一3-5和右腿四3-8准备迈进；
S9：所述的左腿二3-2、左腿三3-3、右腿一3-5和右腿四3-8由于腿的柔顺特性向前迈进，所述的左腿一3-1、左腿四3-4、右腿二3-6和右腿三3-7保持支持状态；
S10：所述的左腿二3-2、左腿三3-3、右腿一3-5和右腿四3-8着地，所述的左腿一3-1、左腿四3-4、右腿二3-6和右腿三3-7准备迈进，八足机器人处于暂时静止状态。
参照附图12，所述的稳定爬坡步态控制方法13为：通过设置前进方向的前面刚柔耦合腿3的直线驱动器3-9-21推进区间a1-a2、a3-a4距离其初始位置比较近，而后面刚柔耦合腿3的直线驱动器3-9-21推进区间a5-a6、a7-a8距离其初始位置比较远，从而保证机器人身体前低后高，提高爬坡的稳定性和安全性。
参照附图13，所述的隧道检测及步态控制方法14为：机器人初始位置为C1状态，通过所述的红外测距模块5-1检测隧道距离机器人的顶部的距离，并基于所述的身高控制方法11调节机器人运动过程的身体高度，从而实现在隧道外时以较高的身体高度快速运动，而在进入隧道后，以较低的身体高度缓慢穿行，机器人进入隧道后为C2状态。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种具有仿生刚柔耦合腿的八足机器人，所述的八足机器人包括机架(1)、机壳(2)、刚柔耦合腿(3)、控制处理模块(4)、感知单元(5)、无线传输模块(6)、电机驱动模块(7)和电源模块(8)，其特征在于：
所述控制处理模块(4)、感知单元(5)、无线传输模块(6)、电机驱动模块(7)和电源模块(8)固定在机架(1)上；
所述的机架(1)为长方形板结构，两侧设置有安装所述刚柔耦合腿(3)的结构；所述的机壳(2)包括上机壳(2-1)和下机壳(2-2)，分别安装在机架(1)的上部和下部；所述的刚柔耦合腿(3)包括左腿一(3-1)、左腿二(3-2)、左腿三(3-3)、左腿四(3-4)、右腿一(3-5)、右腿二(3-6)、右腿三(3-7)和右腿四(3-8)；所述的左腿一(3-1)、左腿二(3-2)、左腿三(3-3)、左腿四(3-4)、右腿一(3-5)、右腿二(3-6)、右腿三(3-7)和右腿四(3-8)结构相同；所述的左腿一(3-1)、左腿二(3-2)、左腿三(3-3)和左腿四(3-4)安装在所述的机架(1)的左边；所述的右腿一(3-5)、右腿二(3-6)、右腿三(3-7)和右腿四(3-8)安装在所述的机架(1)的右边；
所述的刚柔耦合腿(3)均由刚性节块一(3-9-1)、刚性节块二(3-9-2)、刚性节块三(3-9-3)、刚性节块四(3-9-4)、关节轴一(3-9-5)、关节轴二(3-9-6)、关节轴三(3-9-7)、关节轴四(3-9-8)、关节轴五(3-9-9)、足(3-9-10)、左旋扭簧一(3-9-11)、右旋扭簧一(3-9-12)、左旋扭簧二(3-9-13)、右旋扭簧二(3-9-14)、左旋扭簧三(3-9-15)、右旋扭簧三(3-9-16)、左旋扭簧四(3-9-17)、右旋扭簧四(3-9-18)、左旋扭簧五(3-9-19)、右旋扭簧五(3-9-20)、直线驱动器(3-9-21)、连接件(3-9-22)和弹簧钢片(3-9-23)组成；
所述的刚性节块一(3-9-1)与机架(1)通过关节轴一(3-9-5)以转动副连接；所述的刚性节块二(3-9-2)与刚性节块一(3-9-1)通过关节轴二(3-9-6)以转动副连接；所述的刚性节块三(3-9-3)与刚性节块二(3-9-2)通过关节轴三(3-9-7)以转动副连接；所述的刚性节块四(3-9-4)与刚性节块三(3-9-3)通过关节轴四(3-9-8)以转动副连接；所述的足(3-9-10)与刚性节块四(3-9-4)通过关节轴五(3-9-9)以转动副连接；所述的刚性节块一(3-9-1)、刚性节块二(3-9-2)、刚性节块三(3-9-3)、刚性节块四(3-9-4)上沿着腿方向具有贯通的槽孔；
所述的左旋扭簧一(3-9-11)和右旋扭簧一(3-9-12)套在所述的关节轴一(3-9-5)上，两条腿分别固定在所述的机架(1)和刚性节块一(3-9-1)上，所述的左旋扭簧二(3-9-13)和右旋扭簧二(3-9-14)套在所述的关节轴二(3-9-6)上，两条腿分别固定在所述的刚性节块一(3-9-1)上和刚性节块二(3-9-2)上，所述的左旋扭簧三(3-9-15)和右旋扭簧三(3-9-16)套在所述的关节轴三(3-9-7)上，两条腿分别固定在所述的刚性节块二(3-9-2)上和刚性节块三(3-9-3)上，所述的左旋扭簧四(3-9-17)和右旋扭簧四(3-9-18)套在所述的关节轴四(3-9-8)上，两条腿分别固定在所述的刚性节块三(3-9-3)上和刚性节块四(3-9-4)上，所述的左旋扭簧五(3-9-19)和右旋扭簧五(3-9-20)套在所述的关节轴五(3-9-9)上，两条腿分别固定在所述的刚性节块四(3-9-4)上和足(3-9-10)上；所述的直线驱动器(3-9-21)固定在所述的机架1上，直线驱动器(3-9-21)的电机轴朝向刚柔耦合腿(3)；所述的连接件(3-9-22)与所述直线驱动器(3-9-21)的电机轴以转动副连接；所述的弹簧钢片(3-9-23)为梯形长条片状，梯形下边一端固定在所述的连接件(3-9-22)上，梯形上边一端穿过所述的刚性节块一(3-9-1)、刚性节块二(3-9-2)、刚性节块三(3-9-3)、刚性节块四(3-9-4)上的槽孔，固定在所述的足(3-9-10)上；所述的弹簧钢片(3-9-23)和左旋扭簧一(3-9-11)、右旋扭簧一(3-9-12)、左旋扭簧二(3-9-13)、右旋扭簧二(3-9-14)、左旋扭簧三(3-9-15)、右旋扭簧三(3-9-16)、左旋扭簧四(3-9-17)、右旋扭簧四(3-9-18)、左旋扭簧五(3-9-19)、右旋扭簧五(3-9-20)构成了所述刚柔耦合腿(3)的柔性结构。
2.根据权利要求1所述的一种具有仿生刚柔耦合腿的八足机器人，其特征在于：所述的控制处理模块(4)固定在所述的机架(1)上；所述的感知单元(5)包括红外测距模块(5-1)、图像采集模块(5-2)、光敏电阻模块(5-3)和姿态检测模块(5-4)；所述的红外测距模块(5-1)包括左测距模块(5-1-1)和右测距模块(5-1-2)，所述的左测距模块(5-1-1)和右测距模块(5-1-2)分别安装在机架(1)的左边部位和右边部位，并与机架(1)呈相应夹角，伸出上机壳(2-1)上的孔；所述的图像采集模块(5-2)安装在所述的上机壳(2-1)上部，所述的光敏电阻模块(5-3)、姿态检测模块(5-4)、无线传输模块(6)和电机驱动模块(7)均安装在所述的控制处理模块(4)上；所述的红外测距模块(5-1)和图像采集模块(5-2)均与所述的控制处理模块(4)电气连接；所述的电源模块(8)安装在所述的机架底部，并与所述的控制处理模块(4)、感知单元(5)、无线传输模块(6)和电机驱动模块(7)电气连接。
3.根据权利要求1所述的一种具有仿生刚柔耦合腿的八足机器人，其特征在于：所述的足(3-9-10)具有尖形端部。
4.根据权利要求1-3任意一项所述具有仿生刚柔耦合腿的八足机器人的控制方法，其特征在于：所述的控制方法包括搜救机器人的步长控制方法(9)、步频控制方法(10)、身高控制方法(11)、机体与刚柔耦合腿协调控制方法(12)、稳定爬坡步态控制方法(13)和隧道检测及步态控制方法(14)；
所述的步长控制方法(9)为：通过控制所述的直线驱动器(3-9-21)的伸缩运动行程，控制刚柔耦合腿(3)的弯曲角度，以及足端的空间运动范围，从而控制八足机器人的步长；所述的步频控制方法(10)为：通过控制所述的直线驱动器(3-9-21)的伸缩频率，控制刚柔耦合腿(3)的弯曲和伸展运动频率，从而控制八足机器人的迈步频率；
所述的身高控制方法(11)为：通过控制所述的直线驱动器(3-9-21)伸缩运动的区间，实现刚柔耦合腿(3)的弯曲运动的区间控制，以及足部在空间的运动区间控制，从而控制八足机器人运动过程的身体高度，当直线驱动器(3-9-21)的电机输出轴推进位移范围为0到l1范围内运动时，机器人的身体最大高度为H1，当直线驱动器(3-9-21)的电机输出轴推进位移从l2开始，运动范围长度仍然为d时，机器人的身体最大高度为H2，当直线驱动器(3-9-21)的电机输出轴推进位移从l3开始，运动范围长度仍然为d时，机器人的身体最大高度为H3，当直线驱动器(3-9-21)的电机输出轴推进位移从l4开始，运动范围长度仍然为d时，机器人的身体最大高度为H4，当直线驱动器(3-9-21)的电机输出轴推进位移从l5开始，运动范围长度仍然为d时，机器人的身体最大高度为H5；
所述的机体与刚柔耦合腿协调控制方法(12)包括Z型步态控制(12-1)和T型步态控制(12-2)；
所述的稳定爬坡步态控制(13)方法为：通过设置前进方向的前面刚柔耦合腿(3)的直线驱动器(3-9-21)推进区间a1-a2、a3-a4距离其初始位置比较近，而后面刚柔耦合腿(3)的直线驱动器(3-9-21)推进区间a5-a6、a7-a8距离其初始位置比较远，机器人身体前低后高；
所述的隧道检测及步态控制方法(14)为：机器人初始位置为C1状态，通过所述的红外测距模块(5-1)检测隧道距离机器人的顶部的距离，并基于所述的身高控制方法(11)调节机器人运动过程的身体高度，机器人在隧道外时以较高的身体高度快速运动，进入隧道后以较低的身体高度缓慢穿行，机器人进入隧道后为C2状态。
5.根据权利要求4所述的一种具有仿生刚柔耦合腿的八足机器人的控制方法，其特征在于：以左腿一(3-1)方向为前进方向，所述Z型步态控制的步骤包括：
S1：所述的左腿一(3-1)、左腿二(3-2)、左腿三(3-3)、左腿四(3-4)、右腿一(3-5)、右腿二(3-6)、右腿三(3-7)和右腿四(3-8)弯曲角度相等，八足机器人处于静止状态；
S2：所述的左腿一(3-1)、左腿三(3-3)、右腿二(3-6)和右腿四(3-8)向前迈进，所述的左腿二(3-2)、左腿四(3-4)、右腿一(3-5)和右腿三(3-7)保持支持状态，所述机架(1)向前进方向的左侧倾斜一定角度，机架(1)左侧低右侧高，为左腿二(3-2)、左腿四(3-4)向前迈进提供与地面之间的间隙；
S3：所述的左腿一(3-1)、左腿三(3-3)、右腿二(3-6)和右腿四(3-8)着地，所述的左腿二(3-2)、左腿四(3-4)、右腿一(3-5)和右腿三(3-7)准备迈进；
S4：所述的左腿二(3-2)、左腿四(3-4)、右腿一(3-5)和右腿三(3-7)向前迈进，所述的左腿一(3-1)、左腿三(3-3)、右腿二(3-6)和右腿四(3-8)保持支持状态，所述机架(1)向前进方向的右侧倾斜，机架(1)右侧低左侧高，为左腿一(3-1)、左腿三(3-3)向前迈进提供与地面之间的间隙；
S5：所述的左腿二(3-2)、左腿四(3-4)、右腿一(3-5)和右腿三(3-7)着地，所述的左腿一(3-1)、左腿三(3-3)、右腿二(3-6)和右腿四(3-8)准备迈进，八足机器人处于暂时静止状态。
6.根据权利要求4所述的一种具有仿生刚柔耦合腿的八足机器人的控制方法，以左腿一(3-1)方向为前进方向，所述Z型步态控制的步骤包括：
S6：所述的左腿一(3-1)、左腿二(3-2)、左腿三(3-3)、左腿四(3-4)、右腿一(3-5)、右腿二(3-6)、右腿三(3-7)和右腿四(3-8)弯曲角度相等，八足机器人处于静止状态；
S7：所述的左腿一(3-1)、左腿四(3-4)、右腿二(3-6)和右腿三(3-7)由于腿的柔顺特性向前迈进，所述的左腿二(3-2)、左腿三(3-3)、右腿一(3-5)和右腿四(3-8)保持支持状态；
S8：所述的左腿一(3-1)、左腿四(3-4)、右腿二(3-6)和右腿三(3-7)着地，所述的左腿二(3-2)、左腿三(3-3)、右腿一(3-5)和右腿四(3-8)准备迈进；
S9：所述的左腿二(3-2)、左腿三(3-3)、右腿一(3-5)和右腿四(3-8)由于腿的柔顺特性向前迈进，所述的左腿一(3-1)、左腿四(3-4)、右腿二(3-6)和右腿三(3-7)保持支持状态；
S10：所述的左腿二(3-2)、左腿三(3-3)、右腿一(3-5)和右腿四(3-8)着地，所述的左腿一(3-1)、左腿四(3-4)、右腿二(3-6)和右腿三(3-7)准备迈进，八足机器人处于暂时静止状态。
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