CN114620160B - 基于多级电动缸并联式腿足结构的电动四足机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于多级电动缸并联式腿足结构的电动四足机器人，结构相对简洁，克服了解耦计算难、工作空间小的问题，运动速度快，越障能力强，应用范围广泛。该电动四足机器人包括：机身、四个髋关节和四组腿足结构；每组腿足结构包括：多级电动缸、单级电动缸和伺服电机旋转关节；髋关节通过旋转轴A分别与机身和伺服电机旋转关节相连，伺服电机旋转关节用于驱动髋关节绕旋转轴A的轴线转动，实现单腿机构的前后摆动；多级电动缸的缸筒通过旋转轴B与髋关节相连，单级电动缸的作动端与多级电动缸的缸筒相连，驱动多级电动缸的缸筒绕旋转轴B的轴线转动，实现单腿机构的左右摆动；同时多级电动缸通过自身的伸缩实现单腿机构的抬腿和落腿运动。
Description
技术领域
本发明涉及一种四足机器人，具体涉及一种并联式腿足结构的电动四足机器人，属于并联四足机器人领域。
背景技术
作为最常见的移动式机器人之一，四足机器人以其高度一体化的机械结构、灵活的运动能力和强大的负载能力受到了众多研究者的关注。利用四足机器人在复杂、恶劣的野外环境灵活运动并承担大量负载的能力，可令其作为人类在野外环境下的运输工具以及危险环境下的侦察工具；另外，四足机器人可以完成猫、狗等贴近现代人类生活的四足动物的行为，从而能作为导盲工具或完成特殊环境信息探测等为人类服务。四足机器人的研究具有深远的社会意义和广泛的应用前景。
机器人的结构一般分为串联式结构和并联式结构。串联式机器人结构简洁，驱动控制容易，工作空间大，但存在末端件惯性大、系统刚度低、负载能力弱、控制精度低等问题。并联式机器人具有末端件惯性小、刚度大、负载能力强、精度高等优点，但结构相对复杂，解耦计算困难，工作空间较小。
在四足机器人的步行、奔跑运动过程中，足端触地时存在强烈冲击力，仅仅依靠被动柔顺方法难以确保电气元件和机械结构不受到损伤。高精度的位置控制和灵活的力控制能够确保机器人完成指定的运动任务以及与环境友好接触，这需要获得精确的末端位置和接触力信息，对传感器和驱动执行器提出了较高要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于多级电动缸并联式腿足结构的电动四足机器人，结构相对简洁，克服了解耦计算难、工作空间小的问题，运动速度快，越障能力强，应用范围广泛。
基于多级电动缸并联式腿足结构的电动四足机器人，包括：机身、四个髋关节和四组腿足结构；每组所述腿足结构包括：一个多级电动缸、一个单级电动缸和一个伺服电机旋转关节；
所述髋关节和所述腿足结构一一对应，一个髋关节和一组腿足结构组成一套单腿机构，四套单腿机构分别安装在机身上；
每套所述单腿机构中：所述髋关节通过旋转轴A分别与机身和伺服电机旋转关节相连，所述伺服电机旋转关节用于驱动所述髋关节绕所述旋转轴A的轴线转动；所述多级电动缸的缸筒通过旋转轴B与髋关节相连，所述单级电动缸的作动端与所述多级电动缸的缸筒相连，用于驱动所述多级电动缸的缸筒绕所述旋转轴B的轴线转动；其中旋转轴A和旋转轴B分别沿所述机身的左右方向和前后方向设置；
所述髋关节绕所述旋转轴A的转动实现所述单腿机构的前后摆动；所述多级电动缸绕所述旋转轴B的转动实现所述单腿机构的左右摆动；所述多级电动缸通过自身的伸缩实现所述单腿机构的抬腿和落腿运动。
作为本发明的一种优选方式，所述伺服电机旋转关节包括：伺服电机和行星齿轮减速机；
所述髋关节位于所述机身上的髋关节安装槽内，所述髋关节为矩形框架结构；所述旋转轴A分为两部分，分别与髋关节位于机身前后方向上的两条侧边相连；其中一条侧边上的旋转轴A与所述行星齿轮减速机相连，另一条侧边上的旋转轴A通过轴承支撑在所述机身上。
作为本发明的一种优选方式，所述单级电动缸包括：单级电动缸缸筒、单级电动缸缸杆和内置同轴伺服电机；
所述单级电动缸的缸筒通过十字轴万向节与所述机身连接，单级电动缸缸杆与多级电动缸缸筒位于机身前后方向上的一个侧面连接，通过所述单级电动缸缸杆的伸缩推拉多级电动缸缸筒，使多级电动缸绕旋转轴B的轴线转动。
作为本发明的一种优选方式，所述单级电动缸的缸筒通过十字轴万向节与所述机身连接，单级电动缸缸杆向上倾斜后与多级电动缸缸筒位于机身前后方向上的一个侧面连接，即多级电动缸绕旋转轴B轴线的转动由单级电动缸斜拉驱动。
作为本发明的一种优选方式，所述多级电动缸包括：多级电动缸缸筒、多级电动缸外活塞、多级电动缸内活塞和多级电动缸伺服电机；
所述多级电动缸外活塞的一端与多级电动缸缸筒相连，另一端与多级电动缸内活塞相连；所述多级电动缸伺服电机用于控制多级电动缸外活塞和多级电动缸内活塞的伸缩。
作为本发明的一种优选方式，所述多级电动缸的缸筒内置位移传感器和拉压力传感器。
作为本发明的一种优选方式，所述单级电动缸的缸筒内置位移传感器和拉压力传感器。
作为本发明的一种优选方式，所述机身上搭载有环境感知传感器和/或作业工具。
作为本发明的一种优选方式，四套单腿机构呈矩形分布且对称安装在机身上。
作为本发明的一种优选方式，所述四足机器人的运动控制由一个上位主控计算机和四个下位嵌入式控制器完成；四个下位嵌入式控制器分别对应控制四套单腿结构。
有益效果：
(1)该电动四足机器人的驱动方式基于多级电动缸，并在主流旋转关节驱动的基础上添加了电动缸斜拉驱动，具有驱动能力强、负载质量比大、刚度高等优点；
(2)该电动四足机器人的腿部采用多级电动缸驱动，工作空间大，运动部件质量轻，具有较快的运动速度和较强的越障能力；
(3)该电动四足机器人的腿部采用竖直式结构，区别于膝式和肘式结构，在上下台阶和不平道路行走时确保足端先一步触地，不易发生碰撞造成机构损坏；
(4)电动缸具有反向自锁能力，站立时不会因为堵转电流过大导致烧毁电机，可以长时间站立；
(5)通过控制多级缸伸缩可以保持机身水平，提供一个稳定的作业平台。
附图说明
图1为本发明的基于多级电动缸并联式腿足结构的电动四足机器人的结构示意图；
图2为四足机器人髋关节俯视图；
图3为四足机器人髋关节仰视图；
图4为崎岖地形下机身维持水平示意图；
其中：1-机身、2-多级电动缸缸筒、3-多级电动缸外活塞、4-多级电动缸内活塞、5-多级电动缸伺服电机、6-单级电动缸缸筒、7、单级电动缸缸杆、8-耳轴、9-十字轴万向节、10-髋关节、11-旋转轴A、12-旋转轴B、13-伺服电机、14-行星齿轮减速机。
具体实施方式
为了帮助相关技术领域内的人员理解本发明，下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1：
本实施例提供一种基于多级电动缸并联式腿足结构的电动四足机器人，如图1-图3所示，该电动四足机器人包括：机身1、四个髋关节10和四组腿足结构。
首先为描述方便，定义机身1所在水平面内，机身1的长度方向为X向(且X向为机器人的前后方向)，机身1的宽度方向为Y向(且Y向为机器人的左右方向)。
髋关节10和腿足结构一一对应，一个髋关节10和一组腿足结构组成一套单腿机构，四套单腿机构对称装配在机身1上(如图1中机身1为矩形结构，四套单腿机构对称装配在机身1的四个角所在位置)，构成一个具有并联式腿足结构的电动四足机器人。
每组腿足结构包括：一个多级电动缸、一个单级电动缸和一个伺服电机旋转关节。其中，多级电动缸包括：多级电动缸缸筒2、多级电动缸外活塞3、多级电动缸内活塞4和多级电动缸伺服电机5；多级电动缸缸筒2机作为腿足结构一个自由度的驱动部件，同时多级电动缸外活塞3、多级电动缸内活塞4也作为该腿足结构的腿足部分。多级电动缸缸筒2内置位移传感器和拉压力传感器，用于实时监测多级电动缸外活塞3以及多级电动缸内活塞4的位移以及轴向受力。
多级电动缸外活塞3的一端与多级电动缸缸筒2相连，另一端与多级电动缸内活塞4相连；多级电动缸伺服电机5用于控制多级电动缸外活塞3相对多级电动缸缸筒2的伸缩以及多级电动缸内活塞4相对多级电动缸外活塞3的伸缩。本例中，为方便对腿足结构的控制，对多级电动缸外活塞3以及多级电动缸内活塞4采用同步控制的方案，即两者同步伸缩，且伸缩量相同。
单级电动缸包括：单级电动缸缸筒6、单级电动缸缸杆7和内置同轴伺服电机。单级电动缸缸筒6内置位移传感器和拉压力传感器，用于实时监测单级电动缸缸杆7的位移以及轴向受力。内置同轴伺服电机用于控制单级电动缸缸杆7相对单级电动缸缸筒6的伸缩。
伺服电机旋转关节包括：伺服电机13、行星齿轮减速机14和旋转轴A11；旋转轴A11的轴向为X向；伺服电机13通过行星齿轮减速机14与旋转轴A11相连，驱动旋转轴A11绕自身轴线(即X向)转动。
每个单腿机构中，髋关节10、多级电动缸、单级电动缸和伺服电机旋转关节之间的连接关系为：在机身1的四个角所在位置各设置一个髋关节安装槽，每个髋关节安装槽内安装一个髋关节10；在机身1上与髋关节安装槽相邻位置另设置四个安装槽，用于安装伺服电机旋转关节的伺服电机13和行星齿轮减速机14。髋关节10为矩形框架结构；旋转轴A11分为两部分，分别与髋关节10位于X方向上的两条侧边相连；其中一条侧边上的旋转轴A11与行星齿轮减速机14相连，作为旋转轴A11的主动部分，另一条侧边上的旋转轴A11通过轴承支撑在机身1上，作为旋转轴A11的被动部分，由此，当伺服电机13驱动旋转轴A11的主动部分转动时，能够带动髋关节10绕旋转轴A11转动。
多级电动缸的多级电动缸缸筒2位于髋关节10的中心孔内，且多级电动缸缸筒2通过旋转轴B12与髋关节10相连(旋转轴B12的两端通过轴承支撑在髋关节10上)，旋转轴B12的轴向沿Y向。
单级电动缸的缸筒6通过十字轴万向节9与机身1连接，单级电动缸缸杆7与多级电动缸缸筒位于X方向上的侧面上的耳轴8连接，通过单级电动缸缸杆7的伸缩推拉多级电动缸缸筒2，使多级电动缸缸筒2绕旋转轴B12转动，进而实现前后向摆动(即多级电动缸缸筒2绕旋转轴B12的旋转由单级电动缸斜拉驱动)。
髋关节10绕旋转轴A11的旋转和多级电动缸缸筒2绕旋转轴B12的旋转分别由伺服电机旋转关节和单级电动缸驱动；通过控制单级电动缸伸缩和伺服电机13的转动，可分别控制单腿前后向和左右向摆动相应角度。由此髋关节10绕旋转轴A11转动时，使得多级电动缸缸筒绕旋转轴A11转动，进而带动腿部进行左右向摆动，提供机器人单腿的第一个自由度；多级电动缸缸筒2绕旋转轴B12旋转可完成腿部前后向摆动，提供单腿的第二个自由度。多级电动缸通过自身的伸缩提供单腿的第三个自由度，通过控制多级电动缸中多级电动缸外活塞3、多级电动缸内活塞4的伸缩，可完成抬腿和落腿运动。
该四足机器人的运动控制由一个上位主控计算机和四个下位嵌入式控制器完成；四个下位嵌入式控制器分别对应四条单腿结构。上位主控计算机进行实时步态规划，通过以太网向各个下位控制器发送运动控制指令。四个下位嵌入式控制器对应四条单腿的运动学解算和动力学柔顺控制。多级电动缸缸筒2和每个单级电动缸的缸筒均内置位移传感器和拉压力传感器，可以精确测量电动缸行程和缸杆轴向所受压力，容易实现力/位复合控制，传感器数据通过CAN总线传输给对应下位控制器。下位控制器接到上位主控计算机的控制指令后，将足端轨迹解算为各个电动缸的位置给定信号，根据位置反馈信号和力反馈信号，对电动缸进行力/位复合柔顺控制，从而完成行走运动。
在机身1上搭载姿态传感器可实时反馈机身姿态信息，从而完成姿态控制，增强行走稳定性。
实施例2：
在上述实施例2的基础上，由于该四足机器人具有强大的负载能力，可在机身上搭载激光雷达等环境感知处理器以及机械手等作业工具，可面向多种工况完成作业任务。
多级电动缸和单级电动缸具有反向自锁能力，其螺母和丝杠的螺纹升角λ小于摩擦角ρ，满足螺纹副的自锁条件，电动缸缸杆伸出后不会因机身承载了大质量负载而缩回，电机也不会因堵转电流过大而被烧毁。因此，该四足机器人可以在重载工况下长时间维持站立姿态。
在野外、工地等非结构化地形下，该四足机器人可作为可靠的运载工具，承载物资、装备等。在运动过程中，由于多级电动缸的大工作空间优势，容易跨越障碍物，避免发生碰撞。在运输任务完成后，还可原地待命，通过姿态传感器的实时姿态反馈，调整四条腿多级缸的伸缩量，在崎岖地形下长时间维持上平台稳定，便于人员取放物资装备，如图4所示。同时，也可将该四足机器人上的负载取下，水平的机身也可作为临时的加工作业平台使用，应用形式灵活多样。
上述实施例仅作为本发明的典型实施例用以帮助理解，并非用于限定本发明的保护范围。在本发明的精神和原则之内，可对其进行相应的修改、变形和等同替换等，但这些相应的修改、变形和等同替换均应包含在本发明所附权利要求的保护范围之内。
Claims (4)
1.基于多级电动缸并联式腿足结构的电动四足机器人，其特征在于：包括：机身（1）、四个髋关节（10）和四组腿足结构；每组所述腿足结构包括：一个多级电动缸、一个单级电动缸和一个伺服电机旋转关节；
所述髋关节（10）和所述腿足结构一一对应，一个髋关节（10）和一组腿足结构组成一套单腿机构，四套单腿机构分别安装在机身（1）上；
每套所述单腿机构中：所述髋关节（10）通过旋转轴A（11）分别与机身（1）和伺服电机旋转关节相连，所述伺服电机旋转关节用于驱动所述髋关节（10）绕所述旋转轴A（11）的轴线转动；所述多级电动缸的缸筒通过旋转轴B（12）与髋关节（10）相连，所述单级电动缸的作动端与所述多级电动缸的缸筒相连，用于驱动所述多级电动缸的缸筒绕所述旋转轴B（12）的轴线转动；其中旋转轴A（11）和旋转轴B（12）分别沿所述机身（1）的前后方向和左右方向设置；
所述髋关节（10）绕所述旋转轴A（11）的转动实现所述单腿机构的左右摆动；所述多级电动缸绕所述旋转轴B（12）的转动实现所述单腿机构的前后摆动；所述多级电动缸通过自身的伸缩实现所述单腿机构的抬腿和落腿运动；
所述伺服电机旋转关节包括：伺服电机（13）和行星齿轮减速机（14）；
在所述机身（1）的四个角所在位置各设置一个髋关节安装槽，所述髋关节（10）位于所述机身（1）上的髋关节安装槽内，在所述机身（1）上与每个髋关节安装槽相邻位置另设置一个安装槽，用于安装伺服电机旋转关节的伺服电机（13）和行星齿轮减速机（14）；所述髋关节（10）为矩形框架结构；所述旋转轴A（11）分为两部分，分别与髋关节（10）位于机身（1）前后方向上的两条侧边相连；其中一条侧边上的旋转轴A（11）与所述行星齿轮减速机（14）相连，另一条侧边上的旋转轴A（11）通过轴承支撑在所述机身（1）上；
所述单级电动缸包括：单级电动缸缸筒（6）、单级电动缸缸杆（7）和内置同轴伺服电机；
所述单级电动缸的缸筒（6）通过十字轴万向节（9）与所述机身（1）连接，单级电动缸缸杆（7）向上倾斜后与多级电动缸缸筒位于机身（1）前后方向上的一个侧面连接，通过所述单级电动缸缸杆（7）的伸缩推拉多级电动缸缸筒，使多级电动缸绕旋转轴B（12）的轴线转动；即多级电动缸绕旋转轴B（12）轴线的转动由单级电动缸斜拉驱动；
所述多级电动缸的缸筒内置位移传感器和拉压力传感器，所述单级电动缸的缸筒内置位移传感器和拉压力传感器；通过测量对应电动缸的行程和缸杆轴向所受压力，实现力和位复合控制；
所述多级电动缸和单级电动缸具有反向自锁能力；在运输任务完成后，通过姿态传感器的实时姿态反馈，调整四条腿多级电动缸的伸缩量，在崎岖地形下长时间维持平台稳定；
所述四足机器人的运动控制由一个上位主控计算机和四个下位嵌入式控制器完成；四个下位嵌入式控制器分别对应控制四套单腿机构。
2.如权利要求1所述的基于多级电动缸并联式腿足结构的电动四足机器人，其特征在于：所述多级电动缸包括：多级电动缸缸筒（2）、多级电动缸外活塞（3）、多级电动缸内活塞（4）和多级电动缸伺服电机（5）；
所述多级电动缸外活塞（3）的一端与多级电动缸缸筒（2）相连，另一端与多级电动缸内活塞（4）相连；所述多级电动缸伺服电机（5）用于控制多级电动缸外活塞（3）和多级电动缸内活塞（4）的伸缩。
3.如权利要求1所述的基于多级电动缸并联式腿足结构的电动四足机器人，其特征在于：所述机身（1）上搭载有环境感知传感器和/或作业工具。
4.如权利要求1所述的基于多级电动缸并联式腿足结构的电动四足机器人，其特征在于：四套单腿机构呈矩形分布且对称安装在机身（1）上。
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2022
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