CN205396267U - 一种自动行走机器人 - Google Patents

Abstract

一种自动行走机器人，包括髋关节、行走腿、驱动装置和电子控制装置；髋关节包括外筒和内筒，内筒通过轴承的安装可转动的套设于外筒内，且内筒的任一端突出于外筒；行走腿设有不少于2条，外筒和内筒分别至少设置有一条行走腿；驱动装置用于转动外筒，实现外筒和内筒上各自行走腿的相对运动；电子控制装置包括位于髋关节的主控电路和连接于主控电路的分支电路，主控电路用于控制驱动装置，分支电路分布于行走腿，分支电路用于控制、测量和传感自动行走机器人的动作和数据。本实用新型可自动直线行走，整体设计采用模块化结构，每个模块完成独立功能，传感器灵敏度独立可调，可适应各种环境和光照条件，电子线路简单可靠、工作平稳、成本低廉。

Description

一种自动行走机器人

技术领域

本实用新型涉及一种机器人，尤其涉及一种自动行走机器人。

背景技术

距1962年世界第一个机器人的出现，机器人已走过四十多年的发展历史。四十多年来，机器人由工业机器人发展到智能机器人，成功成为了21世纪的高新技术之一，其研究范围广，涉及学科多，主要涵盖机械、电子、生物、传感器、驱动与控制等多个领域。

如今，机器人行走方式总共可分为轮式、步行式、履带式、爬行式、蠕动式五钟，其中环境适应力更强，耗能更低，更像人类的步行机器人一直是机器人领域的前沿性研究。

2005年，由美国康奈尔大学的研究人员安蒂·鲁仪纳和他的同事研制出步行机器人“漫游者”，与早期的步行机器人相比，它拥有类似人类的脚且消耗的能量较少，在康奈尔大学体育馆里，他以14.3英里(约合23公里)的距离打破了机器人的步行记录，但是，“漫游者”看起来像是一种双腿僵硬的金属怪物。

因此，为解决以上问题，需要一种活动灵活行走机器人。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种能自动行走，节省能量且动作灵活的机器人。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种自动行走机器人，包括髋关节、行走腿、驱动装置和电子控制装置；

所述髋关节包括外筒和内筒，所述内筒通过轴承的安装可转动的套设于所述外筒内，且所述内筒的任一端突出于所述外筒；所述行走腿设有不少于2条，所述外筒和所述内筒分别至少设置有一条所述行走腿；所述驱动装置用于转动所述外筒，实现所述外筒和所述内筒上各自行走腿的相对运动；

所述电子控制装置包括位于所述髋关节的主控电路和连接于所述主控电路的分支电路，所述主控电路用于控制所述驱动装置，所述分支电路分布于所述行走腿，所述分支电路用于控制、测量和传感所述自动行走机器人的动作和数据。

进一步的，所述行走腿包括大腿、膝关节、小腿和脚关节，所述大腿的一端对应连接于所述内筒或所述外筒，所述大腿的另一端通过所述膝关节铰接有所述小腿，所述小腿的另一端铰接有所述脚关节。

进一步的，所述驱动装置内置于所述内筒，且通过传动圆柱连接并传动于所述外筒。

进一步的，所述膝关节包括电磁铁、限位板和吸铁；所述电磁铁安装于所述大腿靠近所述小腿的一端；所述限位板安装于所述小腿靠近所述大腿的一端；所述吸铁安装于所述限位板上并能与所述电磁铁相吸。

进一步的，所述膝关节还包括膝关节铰链和膝关节铰链座，所述大腿和所述小腿通过安装在膝关节铰链座上的膝关节铰链铰接在一起。

进一步的，所述脚关节包括U型钣金件，脚关节连接块和脚关节编码器固定板；所述脚关节连接块连接所述小腿与所述U型钣金件；所述脚关节编码器固定板安装于所述U型钣金件上。

进一步的，所述驱动装置依次通过减速器和扭矩传感器连接于所述传动圆柱；所述驱动装置的电机和所述减速器之间安装有支撑环；所述减速器和所述扭矩传感器之间通过十字滑块联轴器连接。

进一步的，还包括安装于所述膝关节上的膝关节编码器；所述膝关节编码器固定于编码器固定板上。

进一步的，还包括编码器、位置传感器和微型开关；所述编码器安装于所述脚关节上并固定在脚关节编码器固定板；所述位置传感器安装于所述U型钣金件一侧；所述微型开关安装于所述U型钣金件的底部；所述位置传感器与分布在所述脚关节上的分支电路的输入端连接，反馈所述自动行走机器人的脚与地板所成的角度。

进一步的，所述大腿和所述小腿为空心的管状体。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型可自动直线行走，整体设计采用模块化结构，每个模块完成独立功能，允许安装不同膝盖模块和脚模块，传感器灵敏度独立可调，可适应各种环境和光照条件，电子线路简单可靠、工作平稳、成本低廉。

附图说明

图1～图3是本实用新型的结构示意图；

图4是图1中A-A的剖面图；

图5是图2中B处的放大图；

图6是图3中C处的放大图；

图7是本实用新型行走时的动作示意图。

其中：1为髋关节；2为膝关节；3为脚关节；4为大腿；5为小腿；1-1为外筒；1-2为内筒；1-3为传动圆柱；1-4为十字滑块联轴器；1-5为深沟球轴承；1-6为电机；1-7为减速器；1-8为扭矩传感器；1-9为支撑环；2-1为电磁铁；2-2为限位板；2-3为吸铁；2-4为膝关节编码器固定板；2-5为膝关节编码器；2-6为膝关节铰链；2-7为膝关节铰链座；3-1为U型钣金件；3-2为脚关节连接块；3-3为脚关节编码器固定板；3-4为位置传感器；3-5为编码器。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

一种自动行走机器人，包括髋关节1、行走腿、驱动装置和电子控制装置；

所述髋关节包括外筒1-1和内筒1-2，所述内筒1-2通过轴承的安装可转动的套设于所述外筒1-1内，且所述内筒1-2的任一端突出于所述外筒1-1；所述行走腿设有不少于2条，所述外筒1-1和所述内筒1-2分别至少设置有一条所述行走腿；所述驱动装置用于转动所述外筒1-1，实现所述外筒1-1和所述内筒1-2上各自行走腿的相对运动；

所述电子控制装置包括位于所述髋关节1的主控电路和连接于所述主控电路的分支电路，所述主控电路用于控制所述驱动装置，所述分支电路分布于所述行走腿，所述分支电路用于控制、测量和传感所述自动行走机器人的动作和数据。

所述自动行走机器人设有两条或两条以上的行走腿，保证横向方向稳定的腿由单个驱动装置驱动，即可完成自动直线行走，整体设计采用分布式网络结构设计及模块化结构设计，主控电路由11块单片机组成，并连接到同一总线，以作为中央处理器与行走主控电路。

更优的，组成主控电路的单片机板配备了AtmelATmega8RISC控制器，控制器作为总线，可从所有分支电路中获取信息并发送命令到机器人所有关节，还可以发送完整的机器人状态(所有角度、开关状态、功率消耗和转矩)到主机以记录数据。

更优的，所述驱动装置为伺服电机，伺服电机结合电机放大器以驱动机器人的运作，所属伺服电机由与主控电路中相同的单片机控制，并与TWI总线连接，放大器采用半桥时序驱动器设计，安全监测，温度传感，自动熔断，降低噪声信号尖峰功能和电流限制功能将由单片机提供，一个中央继电器可以用来关闭电源，二极管、电机放大器板接口、电容器和一个小的缓冲网络安装在电机的输出轴。单片机有自身的设定值和增益值，执行在TWI总线控制回路得到的任务。

各关节电路板的相互连接连使用TWI总线(双线接口，也被称为“飞利浦I2总线”)，仅四根TWI线便可将机器人所有关节连接到主控电路的总控制器上。因此，每个模块完成独立功能，传感器灵敏度独立可调，可适应各种环境和光照条件，电子线路简单可靠、工作平稳、成本低廉。

进一步的，所述行走腿包括大腿4、膝关节2、小腿5和脚关节3，所述大腿4的一端对应连接于所述内筒1-2或所述外筒1-1，所述大腿4的另一端通过所述膝关节2铰接有所述小腿5，所述小腿5的另一端铰接有所述脚关节3。

如图1～3所示，本实用新型模仿人体结构而设计，行动更加灵活，除了能自动稳定行走外，还能节省能量。

进一步的，所述驱动装置内置于所述内筒1-2，且通过传动圆柱1-3连接并传动于所述外筒1-1。

所述驱动装置连接在主控电路的输出端以驱动机器人运动。

优选的，髋关节1的机械设计为：外筒1-1长为30厘米直径为9厘米，内筒1-2长为50厘米直径为6厘米，传动圆筒1-3长为17.5厘米直径为8厘米。

进一步的，所述膝关节2包括电磁铁2-1、限位板2-2和吸铁2-3；所述电磁铁2-1安装于所述大腿4靠近所述小腿5的一端；所述限位板2-2安装于所述小腿5靠近所述大腿4的一端；所述吸铁2-3安装于所述限位板2-2上并能与所述电磁铁2-1相吸。

如图5所示，该机器人膝关节2主要有一个自锁机构以限制机器人大腿的抬高角度，当驱动装置带动机器人大腿抬到一定位置时，受到惯性及磁性影响的小腿会紧跟着大腿抬起，当抬到一定高度和角度时，限位板2-2限制小腿的运动，吸铁2-3与电磁铁2-1相吸，电磁铁2-1断电，驱动装置停止运作，前脚随惯性及重力落下。

进一步的，所述膝关节2还包括膝关节铰链2-6和膝关节铰链座2-7，所述大腿4和所述小腿5通过安装在膝关节铰链座2-7上的膝关节铰链2-6铰接在一起。

如图5所示，铰链将所述大腿4和所述小腿5限定在行进方向上转动，以实现机器人的直线行走。

进一步的，所述脚关节3包括U型钣金件3-1，脚关节连接块3-2和脚关节编码器固定板3-3；所述脚关节连接块3-2连接所述小腿5与所述U型钣金件3-1；所述脚关节编码器固定板3-3安装于所述U型钣金件3-1上。

如图6所示，所述脚关节3是机器人中较为灵活的一个关节，其脚板使用U型钣金件3-1，这种形状对步行行为的影响降到最小。该机器人的所述脚关节3确保机器人可正常前行，装于脚踝处的位置传感器3-4测量与记录脚与地板所成的角度，底部的微型开关将在前脚落地时被触动以启动驱动装置，位置传感器3-4的信息传入主控电路从而使后脚抬升，重心前移，机器人前进。

优选的，机器人的脚底部可覆盖一层较为粗糙的材料以提高机器人的防滑性，防止机器人“滑倒”。

进一步的，所述驱动装置依次通过减速器1-7和扭矩传感器1-8连接于所述传动圆柱1-3；所述驱动装置的电机1-6和所述减速器1-7之间安装有支撑环1-9；所述减速器1-7和所述扭矩传感器1-8之间通过十字滑块联轴器1-4连接。

所述扭矩传感器1-8和十字滑块联轴器1-4连接电机轴，将转矩从执行器传递到大腿上，此二者连同电机1-6连接于总控电路，实现自动行走机器人的直线运动。为使机器人的传动更加稳定，不会造成速度时快时慢的情况，本实用新型还增加了减速器1-7。为填充驱动装置和减速器1-7之间的间隙，两者间安装有支撑环1-9。

进一步的，还包括安装于所述膝关节2上的膝关节编码器2-5；所述膝关节编码器2-5固定于编码器固定板2-4上。

位于膝关节2的分支电路，由TWI总线连接，单片机板接口端连接膝关节编码器2-5以控制所述膝关节2的自锁机构。

进一步的，还包括编码器3-5、位置传感器3-4和微型开关；所述编码器3-5安装于所述脚关节3上并固定于脚关节编码器固定板3-3；所述位置传感器3-4安装于所述U型钣金件3-1一侧；所述微型开关安装于所述U型钣金件3-1的底部；所述位置传感器3-4与分布在所述脚关节3上的分支电路的输入端连接，反馈所述自动行走机器人的脚与地板所成的角度。

位于脚关节3的接口电路板主要连接有编码器3-5、位置传感器3-4及微型开关，以测量与记录脚与地板所成的角度。位置传感器3-4与控制电路输入端连接。电机1-6运作带动内脚大腿运动，小腿随惯性甩出，电磁铁2-1吸附，电磁铁2-1断电，电机1-6停止，小腿落地，触动微型开关，位置传感器3-4反馈信息，控制电路接受反馈指令，电机1-6再次运作，外脚大腿运动。

进一步的，所述大腿4和所述小腿5为空心的管状体。

优选的，机器人的所述大腿4和所述小腿5由矩形空心铝管组成，其中大腿长37厘米，小腿长41厘米，与人类相近。铝管拥有最好的已知刚度和中空物体重量比，空心结构能让机器人有足够的安装空间来包含电机、电子元件和导线，并避免它们缠绕。机器人的所述大腿4连接所述髋关节1和所述膝关节2，所述小腿5连接所述膝关节2和所述脚关节3，每处接头都可以通过四个螺丝来进行简单的装卸，因此可以实现模块化，从而进行不同的膝盖或脚模块的替换。

如图7所示，机器人行走方式如下：

优选的，当所述大腿4和所述小腿5均为4条时，所述大腿4、所述膝关节2、所述小腿5和所述脚关节3组成了4条腿，靠外的两条腿为外脚，靠内的两条腿为内脚。

当机器人处于原始状态，两只外脚为后脚，内脚为前脚，后脚触地前脚离地，按动开关启动电机，前脚随重力落下，机器人开始行走；

四脚触地，启动所述脚关节3底部的微型开关，电机1-6开始转动，所述位置传感器3-4测量角度“分辨前后脚”，编码器3-5记录位置，输入主控电路，位于主控电路输出端的电机1-6带动内筒1-2转动，外脚大腿抬升，重心前移；

此时电机1-6运作，机器人抬升外脚大腿，小腿随惯性向前甩，到一定高度及角度；

机器人外脚大腿及小腿抬升到限定位置，即电磁铁2-1触碰到所述限位板2-2上的吸铁2-3，电磁铁2-1断电，电机1-6停止运作，外脚随重力落地，重心前移；

此时机器人四脚触地，两只内脚为后脚，外脚为前脚，所述脚关节3底部的微型开关触动，电机1-6运行，位置传感器3-4工作，编码器3-5记录位置，电机1-6带动外筒1-1转动，内脚大腿抬升，重心前移；

此时电机1-6运作，机器人抬升内脚大腿，小腿随惯性向前甩，到一定高度及角度；

机器人内脚大腿及小腿抬升到限定位置，即电磁铁2-1触碰到所述限位板2-2上的吸铁2-3，电磁铁2-1断电，电机1-6停止运作，外脚随重力落地，重心前移；行走机器人的运动以此循环。

以上内容仅为本实用新型的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种自动行走机器人，其特征在于，包括髋关节、行走腿、驱动装置和电子控制装置；

所述髋关节包括外筒和内筒，所述内筒通过轴承的安装可转动的套设于所述外筒内，且所述内筒的任一端突出于所述外筒；所述行走腿设有不少于2条，所述外筒和所述内筒分别至少设置有一条所述行走腿；所述驱动装置用于转动所述外筒，实现所述外筒和所述内筒上各自行走腿的相对运动；

所述电子控制装置包括位于所述髋关节的主控电路和连接于所述主控电路的分支电路，所述主控电路用于控制所述驱动装置，所述分支电路分布于所述行走腿，所述分支电路用于控制、测量和传感所述自动行走机器人的动作和数据。

2.如权利要求1所述的自动行走机器人，其特征在于，所述行走腿包括大腿、膝关节、小腿和脚关节，所述大腿的一端对应连接于所述内筒或所述外筒，所述大腿的另一端通过所述膝关节铰接有所述小腿，所述小腿的另一端铰接有所述脚关节。

3.如权利要求1所述的自动行走机器人，其特征在于，所述驱动装置内置于所述内筒，且通过传动圆柱连接并传动于所述外筒。

4.如权利要求2所述的自动行走机器人，其特征在于，所述膝关节包括电磁铁、限位板和吸铁；所述电磁铁安装于所述大腿靠近所述小腿的一端；所述限位板安装于所述小腿靠近所述大腿的一端；所述吸铁安装于所述限位板上并能与所述电磁铁相吸。

5.如权利要求4所述的自动行走机器人，其特征在于，所述膝关节还包括膝关节铰链和膝关节铰链座，所述大腿和所述小腿通过安装在膝关节铰链座上的膝关节铰链铰接在一起。

6.如权利要求2所述的自动行走机器人，其特征在于，所述脚关节包括U型钣金件，脚关节连接块和脚关节编码器固定板；所述脚关节连接块连接所述小腿与所述U型钣金件；所述脚关节编码器固定板安装于所述U型钣金件上。

7.如权利要求3所述的自动行走机器人，其特征在于，所述驱动装置依次通过减速器和扭矩传感器连接于所述传动圆柱；所述驱动装置的电机和所述减速器之间安装有支撑环；所述减速器和所述扭矩传感器之间通过十字滑块联轴器连接。

8.如权利要求2所述的自动行走机器人，其特征在于，还包括安装于所述膝关节上的膝关节编码器；所述膝关节编码器固定于编码器固定板上。

9.如权利要求6所述的自动行走机器人，其特征在于，还包括编码器、位置传感器和微型开关；所述编码器安装于所述脚关节上并固定在脚关节编码器固定板；所述位置传感器安装于所述U型钣金件一侧；所述微型开关安装于所述U型钣金件的底部；所述位置传感器与分布在所述脚关节上的分支电路的输入端连接，反馈所述自动行走机器人的脚与地板所成的角度。

10.如权利要求2所述的自动行走机器人，其特征在于，所述大腿和所述小腿为空心的管状体。