CN214776233U - 一种模块化的仿生四足机器人 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种模块化的仿生四足机器人，包括身部，以及通过第二连接臂分别与身部的四角连接的仿生机械腿，还包括监控系统、操作控制系统以及语音系统；其中，所述仿生机械腿由肩关节、膝关节俯仰的两个主动自由度和一个脚部被动伸缩的被动自由度组成，肩关节和膝关节的俯仰运动，使机器人实现前后向运动，配合重心的变换，可实现机器人的转向、平移，通过在仿生四足机器人上搭载摄像头，实时监控老人动向，并在仿生四足机器人上搭载智能学习系统，语音控制模块，使得机器人仿宠物狗，使得老人可与机器人之间进行互动，可以增加老人的娱乐时间，在仿生四足机器人上搭载扩音器，可以做到实时语音，系统自动提醒，实现提醒作用。
Description
技术领域
本实用新型涉及机器人技术领域，具体是一种模块化的仿生四足机器人。
背景技术
移动机器人平台的发展是一个重要和相对比较活跃的科研领域。移动机器人一般包括轮式、履带式和足式机器人。相对于轮式和履带式机器人而言，足式机器人对非结构环境的适应性更强，几乎可以在陆地上的任何地方行走。该四足机器人是一种模仿犬类动物的一种仿生机器人。它是一个缩比模型，用以研究四足机器人的算法及模型。四足机器人的用途十分广泛，无论是用于家庭还是社会，都有其独特的作用，能代替目前国内在这方面远落后于国外。
近年来，中国老龄化趋于严重，独居老人的比重较大，家中独居老人因年纪大、易忘事、缺乏子女陪伴等，出现越来越多的问题，甚至一些摔倒、忘记吃药等较为严重的问题甚至会危机生命。助老器械的出现大幅度降低独居老人问题的出现，并且发展前景越来越广泛。
1、成长性：国家制造发展战略“中国制造2025“，十二、十三五服务机器人发展规划，推动我国服务机器人快速发展，特别是助老助残服务机器人，市场需求大，目前关于赵老助残服务机器人关键技术研究迫切需求，与国家社会重大需求结合，该项目具备良好的成长前景和生命力。
2、市场：老人数量多寿命长，照料成本快速攀升，老龄化问题医疗与助老机器人需求紧迫和市场前景广阔。
3、产业化：联合相关医院、康复机构，本项目可以开展相关助老服务：陪护、关爱、助老摔倒照料，助行机器人，大型助老智能环境建设等，服务社会同时创造经济新增长点。
近些年，美国波士顿动力公司研制了一款名为BigDog的军用机器人，用于战场运输以减轻士兵在战场中负重过多的问题。该款四足机器人系统自带动力源，无外接动力线缆和通讯线缆，具有高速、高负载能力，对典型非结构化地形具有高适应能力，可在泥沙、乱石、雪地、冰面和斜坡等路面上实现稳定前行，并具有抗惯性力、抗侧向冲击等扰动的平衡自恢复能力。BigDog以其优越的稳定性及仿生性被认为是目前最具代表性的四足机器人。在国内报道的众多四足机器人中，机器人步行速度、控制性能，尤其是负载能力都无法同“BigDog”机器人相比。
国内对四足仿生机器人的研究起步较晚，系统性的研究始于2009年。2010年，国家863计划先进制造领域发布了“高性能四足仿生机器人”主题项目指南，国内也掀起了研发具有高动态特性、大负载能力和强环境适应性的液压驱动四足机器人热潮，山东大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学和北京理工大学分别组成了相应的研究队伍，展开了液压驱动四足机器人的研究工作。2003年1月，以五家单位牵头的研究队伍分别开发了各自的基于液压驱动的、能量自治四足仿生机器人实验平台，并分别在国家地震紧急救援训练基地不同地形环境下(沙石地面、砾石地面、凹凸地形和坡道地形)做了演示性行走实验，取得了一批具有自主知识产权的成果，为高性能四足仿生机器人的实用化奠定了较好的基础，显著推动了我国仿生机器人技术的发展。
四足仿生机器人从诞生以来经历了半个世纪，随着生命科学、数学与力学、信息科学、工程技术、系统科学和自动控制理论等多个相关领域的不断发展，素值仿生机器人在负载能力、续航能力、力柔顺性能等方面都有所发展，智能化的水平也逐步提高，正在向实用化迈进，无论是在崎岖地形的表现还是运动灵活性，四足机器人的优势已经凸显，在四足机器人的发展过程中，目前以提高四足机器人的大负载能力、高动态特性和环境适应性为主，它们将在未来发挥越来越重要的作用。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种模块化的仿生四足机器人，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种模块化的仿生四足机器人，包括身部，以及通过第二连接臂分别与身部的四角连接的仿生机械腿，还包括监控系统、操作控制系统以及语音系统；其中，
所述仿生机械腿由肩关节、膝关节俯仰的两个主动自由度和一个脚部被动伸缩的被动自由度组成，肩关节和膝关节的俯仰运动，使机器人实现前后向运动，配合重心的变换，可实现机器人的转向、平移；
所述监控系统用于对使用者进行实时监控；
所述操作控制系统用以对该机器人进行控制，使其具备智能学习功能及语音控制功能；
所述语音系统通过实时语音对使用者进行提醒，具备系统自动提醒功能。
作为本实用新型进一步的方案：所述肩关节的一端通过转轴转动连接有第一连接臂，所述肩关节的另一端通过推动轴承与膝关节转动连接，且所述肩关节的上表面设置有舵机，所述舵机转动连接有被动伸缩关节，所述被动伸缩关节的另一端通过转轴与膝关节的顶端转动连接，被动伸缩关节使机器人腿与地面接触时起到缓冲作用，降低冲击力，提高机体稳定性，且所述膝关节的底部设置有支脚。
作为本实用新型再进一步的方案：所述第一连接臂及第二连接臂均为圆盘形结构，且所述第一连接臂与第二连接臂之间呈直角分布，且所述第一连接臂与第二连接臂之间通过螺钉固定连接。
作为本实用新型再进一步的方案：所述第一连接臂一侧与肩关节连接的转轴处设置有电机，所述电机用于驱动肩关节进行运动。
作为本实用新型再进一步的方案：所述支脚为滚轮型结构，且所述支脚与膝关节之间固定连接。
作为本实用新型再进一步的方案：所述身部内分别设置有控制模块及中央处理器，所述中央处理器与控制模块电性连接。
作为本实用新型再进一步的方案：所述监控系统由摄像头构成，所述摄像头安装于身部上，且所述摄像头具有人脸识别功能。
作为本实用新型再进一步的方案：所述操作控制系统由智能学习模块及语音控制模块构成，所述智能学习模块用以控制机器人学习多种技能，所述语音控制模块用以通过语音对机器人的行为进行控制。
作为本实用新型再进一步的方案：所述语音系统由安装在身部上的扩音器构成。
作为本实用新型再进一步的方案：所述控制模块分别与电机、舵机、摄像头、智能学习模块、语音控制模块及扩音器电性连接，其中控制模块采用树莓派4B作为控制器。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型通过使得机器人的仿生机械腿由肩关节、膝关节俯仰的两个主动自由度和一个脚部被动伸缩的被动自由度组成，通过肩关节和膝关节的俯仰运动，使机器人实现前后向运动，配合重心的变换，可实现机器人的转向、平移，被动伸缩关节使机器人腿与地面接触时起到缓冲作用，降低冲击力，提高机体稳定性。
2、通过在仿生四足机器人上搭载摄像头，实时监控老人动向，并在仿生四足机器人上搭载智能学习系统，语音控制模块，使得机器人仿宠物狗，使得老人可与机器人之间进行互动，可以增加老人的娱乐时间，在仿生四足机器人上搭载扩音器，可以做到实时语音，系统自动提醒，实现提醒作用，进而实现对独居老人的视觉听觉的双向提醒作用，有利于提高独居老人生活质量。
附图说明
图1为一种模块化的仿生四足机器人的结构示意图。
图2为一种模块化的仿生四足机器人的侧视图。
图3为一种模块化的仿生四足机器人的俯视图。
图4为一种模块化的仿生四足机器人中仿生机械腿的结构示意图。
图5为一种模块化的仿生四足机器人中仿生机械腿另一视角的结构示意图。
图6为一种模块化的仿生四足机器人中机器人坐标系设定图。
图7为一种模块化的仿生四足机器人中机器人坐标系设定图。
图8为一种模块化的仿生四足机器人中仿生机械腿函数构造图。
图9为一种模块化的仿生四足机器人中基本量及坐标图示的前视图。
图10为一种模块化的仿生四足机器人中基本量及坐标图示。
图11为一种模块化的仿生四足机器人中基本量及坐标图的俯视图。
图12为一种模块化的仿生四足机器人中三轴活动范围图示的正视图。
图13为一种模块化的仿生四足机器人中三轴活动范围图示中∠B的结构示意图。
图14为一种模块化的仿生四足机器人中三轴活动范围图示中∠C的结构示意图。
图15为一种模块化的仿生四足机器人中三轴活动范围图示中∠A计算的结构示意图。
图16为一种模块化的仿生四足机器人中三轴活动范围图示中Y在负半轴的示意图。
图17为一种模块化的仿生四足机器人中三轴活动范围图示中Y在正半轴的示意图。
图中：1、身部；2、仿生机械腿；3、控制模块；4、中央处理器；5、第一连接臂；6、肩关节；7、膝关节；8、支脚；9、被动伸缩关节；10、舵机；11、第二连接臂；12、推动轴承。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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例，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1～17，本实用新型实施例中，一种模块化的仿生四足机器人，包括身部1，以及通过第二连接臂11分别与身部1的四角连接的仿生机械腿2，还包括监控系统、操作控制系统以及语音系统；其中，所述仿生机械腿2由肩关节6、膝关节7俯仰的两个主动自由度和一个脚部被动伸缩的被动自由度组成，肩关节6和膝关节7的俯仰运动，使机器人实现前后向运动，配合重心的变换，可实现机器人的转向、平移；所述监控系统用于对使用者进行实时监控；所述操作控制系统用以对该机器人进行控制，使其具备智能学习功能及语音控制功能；所述语音系统通过实时语音对使用者进行提醒，具备系统自动提醒功能。
所述肩关节6的一端通过转轴转动连接有第一连接臂5，所述肩关节6的另一端通过推动轴承12与膝关节7转动连接，且所述肩关节6的上表面设置有舵机10，所述舵机10 转动连接有被动伸缩关节9，所述被动伸缩关节9的另一端通过转轴与膝关节7的顶端转动连接，被动伸缩关节9使机器人腿与地面接触时起到缓冲作用，降低冲击力，提高机体稳定性，且所述膝关节7的底部设置有支脚8。
所述第一连接臂5及第二连接臂11均为圆盘形结构，且所述第一连接臂5与第二连接臂11之间呈直角分布，且所述第一连接臂5与第二连接臂11之间通过螺钉固定连接。
所述第一连接臂5一侧与肩关节6连接的转轴处设置有电机，所述电机用于驱动肩关节6进行运动。
所述支脚8为滚轮型结构，且所述支脚8与膝关节7之间固定连接。
所述身部1内分别设置有控制模块3及中央处理器4，所述中央处理器4与控制模块3电性连接。
所述监控系统由摄像头构成，所述摄像头安装于身部1上，且所述摄像头具有人脸识别功能。
所述操作控制系统由智能学习模块及语音控制模块构成，所述智能学习模块用以控制机器人学习多种技能，所述语音控制模块用以通过语音对机器人的行为进行控制。
所述语音系统由安装在身部1上的扩音器构成。
所述控制模块3分别与电机、舵机10、摄像头、智能学习模块、语音控制模块及扩音器电性连接，其中控制模块3采用树莓派4B作为控制器。
通过以犬类的姿态为研究重点对象，分析犬类运动时的不同动作，包括walk(行走) 步态，trot(对角小跑)步态，pace(踱步)步态，bound(跳跃)步态，运动学建模方面采用D-H坐标法求机器人的运动学逆解。
要对四足机器人进行步态规划，就要对其进行运动学分析。首先通过建立坐标系，确定机器人各构件之间的位姿关系。本实用新型采用基于D-H坐标的方法，建立四足机器人坐标系如下:坐标系{O}为大地坐标系，坐标系{B}为机器人躯干质心坐标系，坐标系{0}为肩关节与机体固连的坐标系，其余为机器人腿部各杆件坐标系，机器人坐标系设定如图6-7所示；
其中因为为压缩比模型，h对结果影响可忽略，故计算时可认为是0。计算方面极力精简当下常用的算法，基本通过三角函数间的计算就可实现机器人的运动学逆解。以机器人的一条腿为例，如图8所示：
以O为原点，a为公共边，根据足端坐标(x，y)，有：
a2＝x2+y2
根据余弦定理：
a2＝11 2+12 2-21112cos(180°-θ2)
则有：
x2+y2＝11 2+12 2-21112cos(180°-θ2)
得到小腿舵机转角θ2完成第一步，接下来求大腿舵机转角θ1；
求大腿舵机转角θ1；
根据余弦定理，有：
则：
求夹角
在自然界中，四足动物的步态主要有walk(行走)步态，trot(对角小跑)步态，pace(蹄蹓)步态，bound(跳跃)步态和gallop(奔跑)步态。为了提高四足机器人的非结构环境适应性，高效率地完成给定任务，一般四足机器人使用trot动步态。即机器人处于对角线上的两条腿动作一致，均处于摆动相或均处于支撑相。trot步态也可以用占空比进行描述，trot步态是占空比为0.5的动步态。
trot步态能效高、速度适应范围大，对角线上的两条腿的动作相同，这种对称性的运动有利于保持机器人自身的稳定性。为了保证足底与地面接触时的平稳性，防止滑动，步态规划采用复合摆线形式。
结合图9-17，本实用新型的算法为：
∠A：髋关节横摆轴角度，参考对地垂直线，正视向机器人右侧为正半轴，范围±90°；
∠B：髋关节纵摆轴，参考对地垂直线，左视逆时针方向，范围0-180°；
∠C：膝关节纵摆轴，参考线段E，左视逆时针方向，范围0-180°；
线段D：∠A与∠B连接处，随∠A转动不随∠B转动(A、B旋转点难以重合，所以加此线段。此线段通常是∠B舵机的长度占用的)；
线段E：大臂(靠身体的)长度；
线段F：小臂(远离身体的)长度；
X轴：机器人的左右轴向，向右为正方向；
Y轴：机器人的前后轴向，向前为正方向；
Z轴：机器人的上下轴向，向下为正方向，非负数；
基本量中，已知X、Y、Z、D、E、F，求∠A、∠B、∠C。另有其他变量后文使用时临时增设。
求∠A：
1)、X正负号的影响，
如果X＝0，则∠A＝0。∠A的数值与X同正负。计算时用绝对值计算即可，计算后再根据X的正负，赋予∠A正负。
2)、设变量G，求∠A，如图15，
∠A＝Arctan(X/Z)
求∠B；
1)、Y正负号的影响，
Y正负号对计算的影响会在公式中体现，如图16-17；
3)、设变量H、I、∠J、∠K，求∠B，
如果Y≠0；
∠J＝Arctan(Y/H)；
否则//如果Y＝0，则H＝I，∠J被角K代替，只需修改此处；∠J＝0；
∠K＝Arccos((E2+I2-F2)/2EI)；
如果Y＞0；
∠B＝∠K-∠J；
否则
∠B＝∠K+∠J。
求∠C；
∠C＝Arccos((E2+F2-I2)/2EF)。
汇总；
∠A＝Arctan(X/Z)；
如果Y≠0；
∠J＝Arctan(Y/H)；
否则；
∠J＝0；
∠K＝Arccos((E2+I2-F2)/2EI)；
如果Y＞0；
∠B＝∠K-∠J；
否则；
∠B＝∠K+∠J；
∠C＝Arccos((E2+F2-I2)/2EF)。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种模块化的仿生四足机器人，包括身部(1)，以及通过第二连接臂(11)分别与身部(1)的四角连接的仿生机械腿(2)，其特征在于，还包括监控系统、操作控制系统以及语音系统；其中，
所述仿生机械腿(2)由肩关节(6)、膝关节(7)俯仰的两个主动自由度和一个脚部被动伸缩的被动自由度组成；
所述监控系统用于对使用者进行实时监控；
所述操作控制系统用以对该机器人进行控制，使其具备智能学习功能及语音控制功能；
所述语音系统通过实时语音对使用者进行提醒，具备系统自动提醒功能。
2.根据权利要求1所述的一种模块化的仿生四足机器人，其特征在于，所述肩关节(6)的一端通过转轴转动连接有第一连接臂(5)，所述肩关节(6)的另一端通过推动轴承(12)与膝关节(7)转动连接，且所述肩关节(6)的上表面设置有舵机(10)，所述舵机(10)转动连接有被动伸缩关节(9)，所述被动伸缩关节(9)的另一端通过转轴与膝关节(7)的顶端转动连接，且所述膝关节(7)的底部设置有支脚(8)。
3.根据权利要求2所述的一种模块化的仿生四足机器人，其特征在于，所述第一连接臂(5)及第二连接臂(11)均为圆盘形结构，且所述第一连接臂(5)与第二连接臂(11)之间呈直角分布，且所述第一连接臂(5)与第二连接臂(11)之间通过螺钉固定连接。
4.根据权利要求2所述的一种模块化的仿生四足机器人，其特征在于，所述第一连接臂(5)一侧与肩关节(6)连接的转轴处设置有电机，所述电机用于驱动肩关节(6)进行运动。
5.根据权利要求2所述的一种模块化的仿生四足机器人，其特征在于，所述支脚(8)为滚轮型结构，且所述支脚(8)与膝关节(7)之间固定连接。
6.根据权利要求1所述的一种模块化的仿生四足机器人，其特征在于，所述身部(1)内分别设置有控制模块(3)及中央处理器(4)，所述中央处理器(4)与控制模块(3)电性连接。
7.根据权利要求1所述的一种模块化的仿生四足机器人，其特征在于，所述监控系统由摄像头构成，所述摄像头安装于身部(1)上，且所述摄像头具有人脸识别功能。
8.根据权利要求1所述的一种模块化的仿生四足机器人，其特征在于，所述操作控制系统由智能学习模块及语音控制模块构成，所述智能学习模块用以控制机器人学习多种技能，所述语音控制模块用以通过语音对机器人的行为进行控制。
9.根据权利要求1所述的一种模块化的仿生四足机器人，其特征在于，所述语音系统由安装在身部(1)上的扩音器构成。
10.根据权利要求6所述的一种模块化的仿生四足机器人，其特征在于，所述控制模块(3)分别与电机、舵机(10)、摄像头、智能学习模块、语音控制模块及扩音器电性连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20211119 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |