CN113977595A - 一种智能仿生足式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能仿生足式机器人。本发明的一种智能仿生足式机器人包括机身、仿生机械腿、机械臂、驱动机构、检测模块和控制模块，所述仿生机械腿安装在机身下方处，所述机械臂位于所述机身前部上方，检测模块电连接在控制模块的输入端口，驱动机构电连接在控制模块的输出端口。本发明的一种智能仿生足式机器人根据环境感知单元采集机器人所处的地形信息和六维状态信息，根据惯性测量单元测量机器人的位姿信息，控制器根据检测模块的检测结果控制机械腿稳定行走并控制机械臂灵活抓取物体。在机身内设储物栏，并在储物栏下设置电池，使得本发明的足式机器人结构紧凑、重心低，能够进一步提高本发明的智能仿生足式机器人的稳定性。

Description

一种智能仿生足式机器人

技术领域

本发明涉及一种智能仿生足式机器人。

背景技术

机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”，发展机器人产业对提高创新能力、增强国家综合实力、带动整体经济发展都具有十分重要的意义，在我国，机器人技术创新和产业发展都是重要内容。

作为未来智能移动服务机器人的最为主要的发展，灵巧机动和自主作业的四足机器人正在成为下一代智能移动机器人的标志性研究热点，世界各国都在不遗余力的发展。2009年，我国开启高性能四足机器人项目论证。2011年“高性能四足机器人”、陆军“伴随保障四足机器人”等陆续开展项目支持。我国更是在陆军某特种机器人计划、科技部国家重点研发计划、自然基金委共融机器人重大研究计划等项目中，设置专门基金支持，意在大力发展，赶超世界水平。

目前国内外的机器人难以满足面向民生应用的能力需求，高承载灵巧作业的仿生机器人正成为国内外研究的趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够进行灵巧作业以面向民生应用的智能仿生足式机器人。

为实现上述目的，本发明的一种智能仿生足式机器人采用以下技术方案：

一种智能仿生足式机器人，包括机身、仿生机械腿、机械臂、驱动机构、检测模块和控制模块，所述仿生机械腿安装在机身下方，所述机械臂位于所述机身前部上方，所述驱动机构包括用于驱动所述仿生机械腿动作的机械腿驱动机构和用于驱动所述机械臂动作的机械臂驱动机构；所述检测模块包括环境感知单元和惯性测量单元，环境感知单元和惯性测量单元均通过导线电连接在所述控制模块的输入端口以向其传递检测数据，所述驱动机构通过导线电连接在所述控制模块的输出端口以受控运动；所述机身包括壳体，所述壳体包括储物栏，所述壳体内于所述储物栏的下方与所述储物栏分隔开地设置有电池，所述检测模块设置在所述壳体的前方，所述控制模块设置在所述壳体的后方。

所述仿生机械腿包括臀部、大腿、小腿、足端和大腿连杆机构，所述臀部通过臀部侧展关节安装在所述机身的前后两端，所述大腿铰接在臀部的下方，所述小腿铰接在大腿的下方，所述足端安装在小腿下端，所述小腿的上端超出其与大腿的铰接轴线，所述大腿连杆机构的下端铰接在所述小腿上、上端铰接在所述驱动机构上，所述大腿与臀部的铰接轴线与小腿与大腿的铰接轴线相平行，且均沿机身的宽度方向延伸。

所述足端导向移动地安装在所述小腿下端，所述足端中安装有力传感器。

所述机械腿驱动机构包括设置在臀部的第一驱动电机、第二驱动电机和第三驱动电机，第一驱动电机用于驱动臀部相对机身侧展，第二驱动电机用于驱动大腿相对臀部转动，第三驱动电机用于驱动小腿相对大腿转动；第一驱动电机与第二驱动电机共轴线地并列集成在一起。

所述机械臂包括铰接连接的第一节臂和第二节臂，所述第二节臂的末端转动安装有任务器，所述第一节臂铰接在机身上，所述第一节臂与机身的铰接轴线、第二节臂与第一节臂的铰接轴线方向相平行，所述任务器的转动轴线和第一节臂与机身的铰接轴线相垂直，所述任务器包括可开合的第一夹取部和第二夹取部。

所述机械臂驱动机构包括设置在机身上方以驱动第一节臂转动的第一节臂驱动电机、设置在第一节臂末端以驱动第二节臂转动的第二节臂驱动电机、设置在第二节臂末端以驱动任务器转动的任务器转动驱动电机和驱动任务器开合的任务器开合驱动电机。

所述壳体宽度方向两侧轮廓为圆弧。

所述电池与壳体之间和/或控制模块与壳体之间和/或检测模块与壳体之间和/或仿生机械腿与壳体之间和/或机械臂与壳体之间通过快拆接口实现通讯连接和电连接，所述快拆接口包括机械接口、通讯接口和电源接口，所述机械接口采用榫卯配合结构以实现定位，所述机械接口向外凸出于所述通讯接口和所述电源接口。

所述仿生机械腿和机械臂均包括碳纤维材质制成的空心管状结构，所述导线埋设于所述空心管状结构和所述壳体内部，所述导线的外端引出至相应通讯接口和电源接口。

本发明具有如下优点：本发明的一种智能仿生足式机器人根据环境感知单元采集机器人所处的地形信息和六维状态信息，根据惯性测量单元测量机器人的位姿信息，控制器根据检测模块的检测结果控制机械腿稳定行走并控制机械臂灵活抓取物体。在机身内设储物栏，并在储物栏下设置电池，使得本发明的足式机器人结构紧凑、重心低，能够进一步提高本发明的智能仿生足式机器人的稳定性。

附图说明

图1为本发明的智能仿生足式机器人的一个实施例的结构示意图；

图2为本发明的智能仿生足式机器人拆除机械臂后的爆炸图；

图3是图1中仿生机械腿的局部结构示意图；

图4是图1中机械臂的局部结构示意图；

图5是图1中控制模块的接线示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施方案对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，但是本领域技术人员应当理解，下文所述的实施方案仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方案，都属于本发明保护的范围。

本发明的一种智能仿生足式机器人的实施例：

本发明的一种智能仿生足式机器人的结构如图1至图5所示，包括机身1、仿生机械腿2、机械臂3和驱动机构4，仿生机械腿2负责实现行走功能，包括臀部21、大腿22、小腿23、足端24、大腿连杆机构25，臀部21通过臀部侧展关节安装在机身1的前后两端，大腿22铰接在臀部21的下方，小腿23铰接在大腿22的下方。小腿23的上端超出其与大腿22的铰接轴线，大腿连杆机构25的下端铰接在所述小腿23上、上端铰接在所述驱动机构4上。大腿22的铰接轴线与小腿23的铰接轴线相平行，且均沿机身1的宽度方向延伸。足端24导向移动地安装在所述小腿23下端，所述足端中安装有力传感器足端24中安装有用于行走过程中的着地判断的力传感器，所以可通过力传感器采集仿生机械腿2行走时的受力。此处强调的是：足端24与小腿23之间设置有限位结构，该限位结构可保证足端24只能在一限定范围内沿小腿23导向移动以实现力的采集却不会与小腿23脱开。

机身1包括壳体11，壳体11包括储物栏12，壳体11内于储物栏12 的下方与储物栏12分隔开地设置有电池7，壳体11的两端设置有控制模块5和检测模块6，其中检测模块6设置在壳体11的前方，控制模块5 设置在壳体11的后方。电池7安装在壳体11底部有利于降低重心。壳体11左右两侧轮廓为圆弧，可以在机器人摔倒时起到保护作用，以及辅助自恢复。

机械臂3位于机身1前部上方，机械臂3包括铰接连接的第一节臂 31和第二节臂32，第二节臂32的末端装载任务器33，第一节臂31通过首端铰接在机身1的上端，任务器33转动安装在第二节臂32的末端。第一节臂31与机身1的铰接轴线、第二节臂32与第一节臂31的铰接轴线相平行，任务器33的回转中心线垂直于第一节臂31与第二节臂32的铰接轴线。任务器33包括第一夹取部和第二夹取部，第一夹取部和第二夹取部之间开合角度可调节以便抓取物体。上述结构下实现了任务器33 的多自由度的灵巧运动，使得任务器33可实现灵巧抓取，实现在复杂环境下的主动作用。

本实施例中，仿生机械腿2和机械臂3均包括碳纤维材质制成的空心管状结构。该结构下可采用内走线方案，将预制线缆完全埋设于空心管状结构和壳体11内部，将线缆的外端引出机械结构的外部并进行快拆接口设计。电池7与壳体11之间、控制模块5与壳体11之间、检测模块6和壳体11之间、仿生机械腿2与壳体11之间、机械臂3与壳体11 之间均通过设计的快拆接口实现通讯连接和电连接。设计的快拆接口包括机械接口、通讯接口和电源接口，其中相配合的机械接口采用榫卯配合结构以实现定位，并且机械接口向外凸出于通讯接口和电源接口，所以机械接口能够提供基础的连接、承载和防尘防水功能。碳纤维具有强度高、重量轻的优点，用于加工所述空心管状结构既实现了内走线，又保证了机械结构的强度，使得本发明具有较高的承载比。在其他实施例中，所述仿生机械腿2和机械臂3中的空心管状结构还可以由其他材料制成；空心管状结构也可以省去，但这种情况不利于内走线。

本实施例中，所述机身1以框架结构为基础，在框架结构上设置蒙皮和隔板实现储物栏、感知头、控制箱、电池仓的分区。

驱动机构4包括用于驱动所述仿生机械腿2动作的机械腿驱动机构和用于驱动所述机械臂3动作的机械臂驱动机构，机械腿驱动机构包括设置在臀部21的第一驱动电机41、第二驱动电机42和第三驱动电机43，机械臂驱动机构包括设置在机身1上方以驱动第一节臂31转动的第一节臂驱动电机44、设置在第一节臂31末端以驱动第二节臂32转动的第二节臂驱动电机45、设置在第二节臂32末端以驱动任务器33转动的任务器转动驱动电机46和驱动任务器33开合的任务器开合驱动电机47。第一驱动电机41与第二驱动电机42共轴线地并列集成在一起以提高关节集成度，第一驱动电机41用于驱动臀部侧展关节实现臀部21相对机身1 的侧展，第二驱动电机42用于驱动大腿22相对臀部转动，第三驱动电机43的输出轴与大腿连杆机构25的上端铰接以通过所述大腿连杆机构 25驱动小腿23相对大腿22转动。在其他实施例中，所述驱动机构4还可以使用其他布置形式，但需要进行传动结构的设计以实现动力传递需求。

检测模块6包括环境感知单元61和惯性测量单元62，环境感知单元 61用于检测周边环境并采集地形信息和机身1的六维状态信息，惯性测量单元62用于检测机身1的位姿信息，位姿信息包括三轴姿态角以及加速度。

控制模块5包括控制器51，环境感知单元61和惯性测量单元62通过通讯接口连接在控制器51的不同输入端口，驱动机构4中的各驱动电机通过通讯接口连接在控制器51的不同输出端口。控制器51根据环境感知单元61和惯性测量单元62的检测结果生成与驱机构中各执行器相适配的控制指令以驱动仿生机械腿2和机械臂3受控运动。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种智能仿生足式机器人，其特征在于：包括机身、仿生机械腿、机械臂、驱动机构、检测模块和控制模块，所述仿生机械腿安装在机身下方，所述机械臂位于所述机身前部上方，所述驱动机构包括用于驱动所述仿生机械腿动作的机械腿驱动机构和用于驱动所述机械臂动作的机械臂驱动机构；所述检测模块包括环境感知单元和惯性测量单元，环境感知单元和惯性测量单元均通过导线电连接在所述控制模块的输入端口以向其传递检测数据，所述驱动机构通过导线电连接在所述控制模块的输出端口以受控运动；所述机身包括壳体，所述壳体包括储物栏，所述壳体内于所述储物栏的下方与所述储物栏分隔开地设置有电池，所述检测模块设置在所述壳体的前方，所述控制模块设置在所述壳体的后方。

2.根据权利要求1所述的一种智能仿生足式机器人，其特征在于：所述仿生机械腿包括臀部、大腿、小腿、足端和大腿连杆机构，所述臀部通过臀部侧展关节安装在所述机身的前后两端，所述大腿铰接在臀部的下方，所述小腿铰接在大腿的下方，所述足端安装在小腿下端，所述小腿的上端超出其与大腿的铰接轴线，所述大腿连杆机构的下端铰接在所述小腿上、上端铰接在所述驱动机构上，所述大腿与臀部的铰接轴线与小腿与大腿的铰接轴线相平行，且均沿机身的宽度方向延伸。

3.根据权利要求2所述的一种智能仿生足式机器人，其特征在于：所述足端导向移动地安装在所述小腿下端，所述足端中安装有力传感器。

4.根据权利要求2所述的一种智能仿生足式机器人，其特征在于：所述机械腿驱动机构包括设置在臀部的第一驱动电机、第二驱动电机和第三驱动电机，第一驱动电机用于驱动臀部相对机身侧展，第二驱动电机用于驱动大腿相对臀部转动，第三驱动电机用于驱动小腿相对大腿转动；第一驱动电机与第二驱动电机共轴线地并列集成在一起。

5.根据权利要求1所述的一种智能仿生足式机器人，其特征在于：所述机械臂包括铰接连接的第一节臂和第二节臂，所述第二节臂的末端转动安装有任务器，所述第一节臂铰接在机身上，所述第一节臂与机身的铰接轴线、第二节臂与第一节臂的铰接轴线方向相平行，所述任务器的转动轴线和第一节臂与机身的铰接轴线相垂直，所述任务器包括可开合的第一夹取部和第二夹取部。

6.根据权利要求5所述的一种智能仿生足式机器人，其特征在于：所述机械臂驱动机构包括设置在机身上方以驱动第一节臂转动的第一节臂驱动电机、设置在第一节臂末端以驱动第二节臂转动的第二节臂驱动电机、设置在第二节臂末端以驱动任务器转动的任务器转动驱动电机和驱动任务器开合的任务器开合驱动电机。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的一种智能仿生足式机器人，其特征在于：所述壳体宽度方向两侧轮廓为圆弧。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的一种智能仿生足式机器人，其特征在于：所述电池与壳体之间和/或控制模块与壳体之间和/或检测模块与壳体之间和/或仿生机械腿与壳体之间和/或机械臂与壳体之间通过快拆接口实现通讯连接和电连接，所述快拆接口包括机械接口、通讯接口和电源接口，所述机械接口采用榫卯配合结构以实现定位，所述机械接口向外凸出于所述通讯接口和所述电源接口。

9.根据权利要求8所述的一种智能仿生足式机器人，其特征在于：所述仿生机械腿和机械臂均包括碳纤维材质制成的空心管状结构，所述导线埋设于所述空心管状结构和所述壳体内部，所述导线的外端引出至相应通讯接口和电源接口。

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