CN218616954U - 一种双足机器人以及直立平衡控制实验平台 - Google Patents
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Abstract
一种双足机器人以及直立平衡控制实验平台，该双足机器人包括由上到下设置的躯干支架、双腿链接件、大腿、小腿以及脚板。双足机器人只有脚踝连接处可以自由转动，减小双足机器人的结构复杂程度，同时不影响双足机器人踝关节处进行直立平衡控制实验。控制实验平台的电机输出力矩并通过传动组件将输出力矩放大，放大的力矩传动到右端的小腿的连接轴上，使双足机器人脚踝以上的躯体围绕连接轴转动，在转动的过程中调节双足机器人踝关节直立平衡，编码器检测其运动发生的角度变化，依此判定双足机器人直立平衡状态。如果双足机器人的脚踝处正处于直立平衡状态，这时通过获取电机的放大后的输出力矩即可得出双足机器人保持直立平衡所需的期望力矩。
Description
技术领域
本实用新型涉及机器人技术领域，具体涉及一种双足机器人以及直立平衡控制实验平台。
背景技术
双足机器人作为与人类形象最贴近的机器形态，从其诞生之日起就被赋予了更好地为人类服务的使命。双足机器人研究的最终目的是让其能够像人类一样在现实环境中活动和工作。双足机器人与周围环境发生动态交互时，对平衡的干扰是不可避免的，双足机器人如何应对外界干扰并保持直立平衡状态是其在现实环境中活动和工作的前提。一般认为，根据扰动的从小到大，双足机器人的直立平衡控制可分为踝关节控制策略、髋关节控制策略和跨步控制策略。其中，踝关节控制策略是研究双足机器人直立平衡控制的重要部分。双足机器人直立平衡控制实验过程中，不可避免的遇到跌倒等情况，损伤双足机器人结构。因而，设计一种结构简单并且抗击摔倒的双足机器人直立平衡直立平衡控制实验平台，显得尤为重要。
实用新型内容
本实用新型的目的是为解决上述技术问题及不足，提供一种双足机器人以及直立平衡控制实验平台，设计一个能进行脚直立平衡测试的双足机器人，并通过实验平台控制双足机器人进行脚直立平衡测试，从而得出双足机器人能在多少力矩下能实现脚直立平衡。
本实用新型为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：一种双足机器人，包括由上到下设置的躯干支架、双腿链接件、大腿、小腿以及脚板，大腿、小腿和脚板均设有两个，双腿链接件的上沿与躯干支架的下沿不可转动连接，大腿的上关节与双腿链接件的下沿不可转动连接，小腿的上关节与大腿的下关节不可转动连接，脚板关节处均固定设有连接轴，脚板通过连接轴与小腿的下关节转动铰接。
作为本实用新型一种双足机器人的进一步优化，大腿和小腿上均设有减重孔。
作为本实用新型一种双足机器人的进一步优化，躯干支架和大腿上均设有用来拓展结构的安装孔。
作为本实用新型一种双足机器人的进一步优化，躯干支架、双腿链接件、大腿、小腿以及脚板均为铝合金材质。
作为本实用新型一种双足机器人的进一步优化，所述连接轴为45号钢。
一种具有双足机器人的直立平衡控制实验平台，包括控制实验平台以及上述的双足机器人，控制实验平台包括电机、用于放大电机传动力矩的传动组件以及编码器，电机设置在双足机器人右端的小腿上，电机的输出轴通过传动组件与右端的小腿处的连接轴传动连接，编码器设置在双足机器人左端的小腿上，编码器的检测轴通过联轴器与左端的小腿处的连接轴一端传动连接。
作为本实用新型一种具有双足机器人的直立平衡控制实验平台的进一步优化，传动组件包括第一传动轮、第二传动轮、第三传动轮以及第四传动轮，所述第一传动轮与电机的输出轴同轴连接，第四传动轮与右端的小腿处的连接轴同轴连接，第一传动轮与第四传动轮之间的右端的小腿上设有传动轴，第二传动轮和第三传动轮均与传动轴同轴连接，第一传动轮与第二传动轮通过第一传动带传动连接，第三传动轮均与第四传动轮通过第二传动带传动连接，第一传动轮的直径小于第二传动轮，第三传动轮的直径小于第四传动轮的直径。
作为本实用新型一种具有双足机器人的直立平衡控制实验平台的进一步优化，所述控制实验平台还包括主控芯片，电机以及编码器均通过主控芯片与外部电源电连接，编码器的数据输出端与主控芯片的I/O口连接。
本实用新型具有以下有益效果：
一、本实用新型中双足机器人只有脚踝连接处可以自由转动，减小双足机器人的结构复杂程度，同时不影响双足机器人踝关节处进行直立平衡控制实验。
二、本实用新型中控制实验平台的电机输出力矩并通过传动组件将输出力矩放大，放大的力矩传动到右端的小腿的连接轴上，使双足机器人脚踝以上的躯体围绕连接轴转动，在转动的过程中调节双足机器人踝关节直立平衡状态，在转动的过程中编码器检测其运动发生的角度变化，依此判定双足机器人直立平衡状态。如果双足机器人的脚踝处正处于直立平衡状态，这时通过获取电机的放大后的输出力矩即可得出双足机器人保持直立平衡所需的期望力矩。
附图说明
图1为实施例1中双足机器人的结构示意图；
图2为实施例2中双足机器人和控制实验平台的结构示意图；
附图标记：1、躯干支架，2、双腿链接件，3、大腿，4、小腿，6、脚板，7、连接轴，8、安装孔，9、减重孔，10、电机，11、编码器，3、第一传动轮，14、第二传动轮，15、第三传动轮，16、第四传动轮，17、传动轴，18、第一传动带，19、第二传动带。
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。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种双足机器人，包括由上到下设置的躯干支架1、双腿链接件2、大腿3、小腿4以及脚板6，大腿3、小腿4和脚板6均设有两个，双腿链接件2的上沿与躯干支架1的下沿均设有相对应的螺孔，通过螺栓的栓体穿过螺孔，使双腿链接件2的上沿与躯干支架1的下沿不可转动连接，大腿3的上关节与双腿链接件2的下沿均设有相对应的螺孔，通过螺栓的栓体穿过螺孔，使大腿3的上关节与双腿链接件2的下沿不可转动连接，小腿4的上关节与大腿3的下关节均设有相对应的螺孔，通过螺栓的栓体穿过螺孔，使小腿4的上关节与大腿3的下关节不可转动连接，脚板6关节处均固定设有连接轴7，小腿4的下关节处均设有供连接轴7端部插入的轴孔，轴孔内均设有轴承，脚板 6通过连接轴7与小腿4的下关节转动铰接。
通过使双足机器人只有脚踝连接处可以自由转动，减小双足机器人的结构复杂程度，同时不影响双足机器人踝关节处进行直立平衡控制实验。
为了减轻整个机器设备重量，躯干支架1、双腿链接件2、大腿3、小腿 4以及脚板6均为铝合金材质，同时在大腿3和小腿4上均设有减重孔9，在不改变其硬度的情况，减少其重量。同时为保证关节轴刚度，连接轴7的材质选用 45号钢。
为了后续使双足机器人的功能方便扩展，在躯干支架1和大腿3上均设有用来拓展结构的安装孔8，方便后续拓展的功能模块便于安装。
实施例2
如图2所示，本实施例提供一种具有双足机器人的直立平衡控制实验平台，包括控制实验平台以及实施例1中的双足机器人。控制实验平台包括电机 10、用于放大电机10传动力矩的传动组件以及编码器11。电机10为直流伺服电机，电机10设置在双足机器人右端的小腿4上，电机10的输出轴通过传动组件与右端的小腿4处的连接轴7传动连接，电机10的输出力矩通过传动组件放大，并使其从传递至右端的小腿4的连接轴7上，使右端的小腿4处得到放大力矩，并使小腿4以连接轴7为圆心进行转动，通过控制小腿4转动调节双足机器人踝关节直立平衡，使小腿4与脚板6保持垂直状态，即可使双足机器人保持直立平衡。
双足机器人保持直立平衡状态由编码器11进行检测。编码器11设置在双足机器人左端的小腿4上，编码器11的检测轴通过联轴器与左端的小腿4处的连接轴7一端传动连接。因为编码器11是固定在左端的小腿4上的，当小腿 4以连接轴7为圆心进行转动的时候，编码器11可以检测其运动发生的角度变化，依此判定双足机器人直立平衡状态。如果双足机器人的脚踝处正处于直立平衡状态，这时通过获取电机10的放大后的输出力矩即可得出双足机器人保持直立平衡所需的期望力矩。
传动组件包括第一传动轮13、第二传动轮15、第三传动轮15以及第四传动轮16，第一传动轮13与电机10的输出轴同轴连接，第四传动轮16与右端的小腿4处的连接轴7同轴连接，第一传动轮13与第四传动轮16之间的右端的小腿4上设有传动轴17，第二传动轮15和第三传动轮15均与传动轴17同轴连接，第一传动轮13与第二传动轮15通过第一传动带18传动连接，第三传动轮 15均与第四传动轮16通过第二传动带19传动连接，第一传动轮13的直径小于第二传动轮15，第三传动轮15的直径小于第四传动轮16的直径。本实施例中第一传动轮13与第二传动轮15的直径比为1:5，第三传动轮15的直径与第四传动轮16的直径比也是1:5，所以电机10通过传动组件与连接轴7形成1:25的传动减速比和力矩放大，使电机10的输出力矩能满足双足机器人直立平衡过程踝关节所需要的力矩。
在本实施例中控制实验平台还设有主控芯片，主控芯片为STM32F407单片机，电机10以及编码器11均通过主控芯片与外部电源电连接，使主控芯片可以控制电机10以及编码器11工作，编码器11的数据输出端与主控芯片的I/O 口连接，使编码器11的检测数据均传至主控芯片内进行处理。
本实施例中主控芯片与电机10和编码器11电路连接以及主控芯片与编码器11的数据连接均属于现有技术。
通过主控芯片控制电机10转动，并通过传动组件将力矩放大，从而控制使双足机器人脚踝以上的躯体围绕连接轴7转动，在转动的过程中调节双足机器人踝关节直立平衡，在转动的过程中编码器11检测其运动发生的角度变化，依此判定双足机器人直立平衡状态。如果编码器11检测到双足机器人的脚踝处正处于直立平衡状态，这时通过主控芯片获取电机10的放大后的输出力矩即可得出双足机器人保持直立平衡所需的期望力矩。
以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内作出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。
Claims (8)
1.一种双足机器人，其特征在于：包括由上到下设置的躯干支架(1)、双腿链接件(2)、大腿(3)、小腿(4)以及脚板(6)，大腿(3)、小腿(4)和脚板(6)均设有两个，双腿链接件(2)的上沿与躯干支架(1)的下沿不可转动连接，大腿(3)的上关节与双腿链接件(2)的下沿不可转动连接，小腿(4)的上关节与大腿(3)的下关节不可转动连接，脚板(6)关节处均固定设有连接轴(7)，脚板(6)通过连接轴(7)与小腿(4)的下关节转动铰接。
2.根据权利要求1所述一种双足机器人，其特征在于：大腿(3)和小腿(4)上均设有减重孔(9)。
3.根据权利要求1所述一种双足机器人，其特征在于：所述躯干支架(1)和大腿(3)上均设有用来拓展结构的安装孔(8)。
4.根据权利要求1所述一种双足机器人，其特征在于：所述躯干支架(1)、双腿链接件(2)、大腿(3)、小腿(4)以及脚板(6)均为铝合金材质。
5.根据权利要求1所述一种双足机器人，其特征在于：所述连接轴(7)为45号钢。
6.一种具有双足机器人的直立平衡控制实验平台，其特征在于：包括控制实验平台以及权利要求1-5中任一权利要求所述的双足机器人，控制实验平台包括电机(10)、用于放大电机(10)传动力矩的传动组件以及编码器(11)，电机(10)设置在双足机器人右端的小腿(4)上，电机(10)的输出轴通过传动组件与右端的小腿(4)处的连接轴(7)传动连接，编码器(11)设置在双足机器人左端的小腿(4)上，编码器(11)的检测轴通过联轴器与左端的小腿(4)处的连接轴(7)一端传动连接。
7.根据权利要求6所述一种具有双足机器人的直立平衡控制实验平台，其特征在于：传动组件包括第一传动轮(13)、第二传动轮(14)、第三传动轮(15)以及第四传动轮(16)，所述第一传动轮(13)与电机(10)的输出轴同轴连接，第四传动轮(16)与右端的小腿(4)处的连接轴(7)同轴连接，第一传动轮(13)与第四传动轮(16)之间的右端的小腿(4)上设有传动轴(17)，第二传动轮(14)和第三传动轮(15)均与传动轴(17)同轴连接，第一传动轮(13)与第二传动轮(14)通过第一传动带(18)传动连接，第三传动轮(15)均与第四传动轮(16)通过第二传动带(19)传动连接，第一传动轮(13)的直径小于第二传动轮(14)，第三传动轮(15)的直径小于第四传动轮(16)的直径。
8.根据权利要求6所述一种具有双足机器人的直立平衡控制实验平台，其特征在于：所述控制实验平台还包括主控芯片，电机(10)以及编码器(11)均通过主控芯片与外部电源电连接，编码器(11)的数据输出端与主控芯片的I/O口连接。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116293201A (zh) * | 2023-04-08 | 2023-06-23 | 南京北控工程检测咨询有限公司 | 一种管道载物器及管道机器人 |
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2022
- 2022-11-15 CN CN202223031986.8U patent/CN218616954U/zh active Active
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| CN116293201A (zh) * | 2023-04-08 | 2023-06-23 | 南京北控工程检测咨询有限公司 | 一种管道载物器及管道机器人 |
| CN116293201B (zh) * | 2023-04-08 | 2023-10-10 | 南京北控工程检测咨询有限公司 | 一种管道载物器及管道机器人 |
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