專利名稱：一種具有首尾平衡調節裝置的仿生四足機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種四足步行機器人，具體涉及一種具有首位平衡調節裝置的四足步行機器人。
背景技術：
四足機器人發展到現在已經有了半個世紀的歷史了，這類腿式移動機器人能具有靈活、穩定、承載能力強等特點，對復雜地形的適應能力遠遠超出輪式和履帶式移動機構，因此在軍事運輸、反恐排雷、災后營救以及航天探測方面有著很大的應用前景。四足機器人的研究成為了國內外眾多科研單位的重要課題，其中最具有代表性的應該是波士頓動力的bigdog，該機器人 采用三段腿結構，整機共計有20個自由度，每條腿有5個自由度，其中4個主動自由度，具體到每條腿及髖部，包括髖部橫向(側滑)、縱向(前進)2個自由度，膝關節縱向自由度，踝關節縱向自由度；足端增加一個彈性被動自由度，用以增加對地形的適應性。其運動能力是現有的四足機器人中最優秀的，它能夠適應冰面、雪地、草地等多種地形，并表現出超強的抗側向擾動能力。之所以能建造出具有如此強大的機器人，是因為波士頓早起對機器人腿部的研究，使得他們能夠針對足式機器人建立復雜的動力學模型。意大利理工研制的HyQ機器人也具有相當高的運動能力，該機器人采用兩段腿結構，整機共具有
12自由度，包括髖關節橫滾、俯仰兩個自由度和膝關節一個自由度。目前國內多家科研單位都對四足機器人進行研究，其中國防科技大學、哈爾濱工業大學的機器人具有與bigdog相似的自由度配置，而山東大學的機器人與HyQ的機器人具有相同的自由度配置。以上機器人雖然已經具有不錯的運動能力，但是平衡能力方面仍然不夠完善，在設計中常常忽略的平衡調節結構的作用。通常的做法是通過添加配種來改善機器人的運動情況，中國專利文獻CN101811525A公開了“具有質心調節的液壓驅動四足機器人移動機構”，該機器人提出了一種質心調節裝置，該質心調節裝置在機器人縱向與橫向兩個正交軸上布置了移動機構來調節機器人的質量分布。此種質心調節裝置僅在靜態條件下對機器人的平衡穩定性有所幫助，而在動態失穩狀態下很難令機器人恢復平衡。

發明內容
本發明目的在于提高機器人運動的穩定性，提出一種結構簡單、具有越障能力、能夠轉向、具有首位平衡調節裝置的四足機器人。該機器人的提出將為仿生四足機器人的研究提供一個新的思路，有利于提聞四足機器人研究的整體水平。為了實現以上研究目的，本發明采用以下技術方案:一種具有首尾平衡調節裝置的仿生四足機器人，所述機器人包括軀干，頭部平衡調節裝置，尾部平衡調節裝置以及第一條機器人腿、第二條機器人腿、第三條機器人腿、第四條機器人腿。頭部調節裝置中的頭部舵機底座通過螺釘固定在機器人脊椎的一端。尾部調節裝置中的尾部舵機底座通過螺釘固定在機器人脊椎的另一端。
第一至第四條機器人腿結構完全相同。第一條機器人腿的第一條腿髖關節舵機底座通過螺釘固定到軀干的第一橫梁上面的安裝孔處。第二條機器人腿的第二條腿髖關節舵機底座通過螺釘固定到軀干的第一橫梁上面的安裝孔處。第三條機器人腿的第三條腿髖關節舵機底座通過螺釘固定到軀干的第二橫梁上面的安裝孔處。第四條機器人腿的第四條腿髖關節舵機底座通過螺釘固定到軀干的第二橫梁上面的安裝孔處。所述第一條機器人腿包括髖關節橫向舵機組件、髖關節正交舵機架組件、大腿組件以及小腿組件。髖關節橫向舵機組件包括:第一條腿髖關節舵機底座與髖關節橫向舵機，其中第一條腿髖關節舵機底座為槽型件通過螺釘固定在舵機外殼一側的安裝孔上，髖關節橫向舵機的舵盤與髖關節橫向舵機架通過螺釘固定，形成髖關節橫向轉動副，整條機器人腿繞該轉動軸左右擺動。髖關節正交舵機架組件包括髖關節橫向舵機架和髖關節縱向舵機架，所述舵機架為結構幾寸相同的U型件，兩舵機架軸向正交，通過螺釘在U型件中間固定在一起，髖關節縱向舵機架與髖關節縱向舵機的舵盤通過螺釘固定，形成髖關節縱向轉動副，整條機器人腿繞該軸進行前后擺動。大腿組件包括髖關節縱向舵機與膝關節舵機通過第一大腿板以及第二大腿板，所述第一大腿板和第二大腿板為槽型件，兩大腿板分別通過螺釘安裝在軸向平行的髖關節縱向舵機與膝關節舵機外殼上兩側的安裝孔上，膝關節舵機的舵盤與小腿組件中的膝關節舵機架通過螺釘固定在一起形成膝關節轉動副。小腿組件包括膝關節舵機架、氣動彈簧、球形足端以及橡膠足套；氣動彈簧上管末端的螺紋桿穿過膝關節舵機架中間的安裝孔并由螺母固定在舵機架上，氣動彈簧下管末端的螺紋桿與球形足端的螺紋孔配合固定；橡膠足套套在球形足端外面與球形足端的間隙內安裝薄膜式壓力傳感器。第二條機器人腿、第三條機器人腿、第四條機器人腿與第一條機器人腿具有相同組成和安裝關系。所述頭部平衡調節裝置包括:頭部質量塊、頸管、頭部法蘭、頭部舵機架、頭部驅動舵機、頭部舵機底座。所述頭部驅動舵機與頭部舵機底座固定方式與髖關節橫向舵機組件相同。所述頭部舵機架安裝到頭部驅動舵機的舵盤上形成縱向轉動副，頭部法蘭通過螺釘固定在頭部舵機架的中間安裝孔處，頸管一端插入頭部法蘭中間的圓孔并用螺釘固定，頭部質量塊為盤型件沿徑向和軸向分別有一個安裝孔，徑向安裝孔套在頸管外部，軸向安裝孔與頸管的另一端的均勻布置的若干安裝孔其中的一個配合并用螺釘固定。所述尾部舵機底座包括尾部質量塊、尾管、尾部法蘭、尾部舵機架、尾部驅動舵機、尾部舵機底座。尾部舵機底座為槽型件通過螺釘固定尾部驅動舵機底部安裝孔處，尾部舵機架安裝到尾部驅動舵機的舵盤上形成橫向轉動副，尾部法蘭通過螺釘固定在尾部舵機架的中間安裝孔處，尾管一端插入尾部法蘭中間的圓孔并用螺釘固定，尾部質量塊為柱型件并在中間位置沿徑向開有安裝孔與頸管的另一端的均勻布置的若干安裝孔其中的一個配合并用螺釘固定。所述機器人軀干為工字型結構，第一橫梁、第二橫梁通過螺栓與脊柱垂直固定，第一橫梁、第二橫梁結構尺寸相同左右對稱開有安裝孔用于固定機器人腿，脊椎中間安裝微型慣性測量傳感器，測量機器人軀干的三軸角位移、角速度以及三軸線加速度數據。通過控制機器人四條腿各個關節舵機的轉動角位置及轉動速度，實現機器人仿生的行走運動，該機器人可以實現行走步態既每次只邁一條腿，其他三條腿支撐；對角步態既機器人對角線上的腿同時為支撐腿或擺動腿；跳躍步態既前腿與后腿交替著地為支撐腿，同時也存在四腿騰空相。機器人在行走時，地面對足端產生很大的沖擊力，小腿采用的氣動彈簧受沖擊壓縮起到很好的緩沖作用，同時具有一定的儲能作用；球形足端與地面接觸面積減小卻大大的增加了機器人對不同地形的適應能力，表面粗糙的橡膠足套既增加足端與地面的摩擦力又起到保護薄膜壓力傳感器的作用。頭部、尾部相對軀干的位置隨著相應的驅動舵機轉角變化而變化，實現在水平面內的質心調節作用。相互正交的轉軸具有解耦作用，簡化了控制的復雜程度。機器人靜態步態行走時，時刻處于三腿支撐狀態，如果質心不在支撐多邊形內機器人會失穩而翻到，此類調節裝置可以實時調節質心令其在支撐多邊形內部。如果機器人已經處于失穩狀態即將翻到時，通過快速轉動頭部和尾部以產生相反的轉動力矩防止機器人翻到而恢復平衡狀態。頭尾連桿分布調節孔以滿足不同步態下質心調節范圍的需要。本發明的有益效果:(I)本機器人采用數字舵機作為驅動器，舵機可以實現速度、位置控制，并能夠反饋速度、位置、力矩等信息便于在線觀察機器人的運動狀態。(2)每條腿具有三個主動自由度一個被動伸縮自由度，可以實現三維空間運動，使機器人具有更強的復雜環境適應能力以及越障能力。(3)具有首位平衡調節裝置，能夠及時調節機器人的重心位置，在機器人已經處于失穩狀態即將翻到時，通過快速轉動頭部和尾部以產生相反的轉動力矩防止機器人翻到而恢復平衡狀態。本發明適用于復雜地形環境下的軍事、民用物資運輸、反恐裝置、野外探測以及星球探測等多種領域。


圖1本發明的一種具有首尾平衡調節裝置的四足機器人的整體結構圖；圖2本機器人第一條機器人腿結構示意圖；圖3本機器人髖關節橫向舵機組件爆炸示意圖；圖4本機器人髖關節正交舵機架組件裝配示意圖；圖5本機器人大腿組件爆炸示意圖；圖6本機器人小腿組件裝配示意圖；圖7本機器人頭部平衡調節裝置爆炸示意圖8本機器人尾部平衡調節裝置爆炸示意圖；圖9本機器人軀干裝配示意圖；圖中:A.頭部平衡調節裝置、B.軀干、C.尾部平衡調節裝置、D.第一條機器人腿、E.第二條機器人腿、F.第三條機器人腿、G.第四條機器人腿、Al.頭部質量塊、A2.頸管、A3.頭部法蘭、A4.頭部舵機架、A5.頭部驅動舵機、A6.頭部舵機底座、B1.第一橫梁、B2.脊椎、B3.微型慣性測量傳感器、B4.第二橫梁、Cl.尾部質量塊、C2.尾管、C3.尾部法蘭、C4.尾部舵機架、C5.尾部驅動舵機、C6.尾部舵機底座、Dl.髖關節橫向舵機組件、D2.髖關節正交舵機架組件、D3.大腿組件、D4.小腿組件、D1-1.第一條腿髖關節舵機底座、D1-2.髖關節橫向舵機、D2-1.髖關節橫向舵機架、D2-2.髖關節縱向舵機架、D3-1.髖關節縱向舵機、D3-2.第一大腿板、D3-3.第二大腿板、D3-4.膝關節舵機、D4-1.膝關節舵機架、D4-2.氣動彈簧、D4-3.球形足端、D4-4.橡膠足套、E1-1.第二條腿髖關節舵機底座、F1-1.第三條腿髖關節舵機底座、G1-1.第四條腿髖關節舵機底座。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做詳細說明。一種具有首尾平衡調節裝置的仿生四足機器人，如圖1所示，該機器人包括軀干B，頭部平衡調節裝置A，尾部平衡調節裝置C以及第一條機器人腿D、第二條機器人腿E、第三條機器人腿F、第四條機器人腿G。頭部調節裝置中的頭部舵機底座A6通過螺釘固定在機器人脊椎B2的一端。尾部調節裝置中的尾部舵機底座C6通過螺釘固定在機器人脊椎B2的另一端。第一至第四條機器人腿結構完全相同。第一條機器人腿D的第一條腿髖關節舵機底座Dl-1通過螺釘固定到軀干B的第一橫梁BI上面的安裝孔Bl-a處。第二條機器人腿E的第二條腿髖關節舵機底座El-1通過螺釘固定到軀干B的第一橫梁BI上面的安裝孔Bl-b處。第三條機器人腿F的第三條腿髖關節舵機底座Fl-1通過螺釘固定到軀干B的第二橫梁B4上面的安裝孔B4-a處。第四條機器人腿G的第四條腿髖關節舵機底座Gl-1通過螺釘固定到軀干B的第二橫梁B4上面的安裝孔B4-b處。所述第一條機器人腿D，如圖2所示，包括髖關節橫向舵機組件D1、髖關節正交舵機架組件D2、大腿組件D3以及小腿組件D4。髖關節橫向舵機組件D1，如圖3所示，包括:第一條腿髖關節舵機底座Dl-1與髖關節橫向舵機D1-2，其中第一條腿髖關節舵機底座Dl-1為槽型件通過螺釘固定在舵機外殼一側的安裝孔上，髖關節橫向舵機D1-2的舵盤與髖關節橫向舵機架D2-1通過螺釘固定，形成髖關節橫向轉動副，整條機器人腿繞該轉動軸左右擺動。髖關節正交舵機架組件D2，如圖4所示，包括髖關節橫向舵機架D2-1和髖關節縱向舵機架D2-2，所述舵機架為結構幾寸相同的U型件，兩舵機架軸向正交，通過螺釘在U型件中間固定在一起，髖關節縱向舵機架D2-2與髖關節縱向舵機D3-1的舵盤通過螺釘固定，形成髖關節縱向轉動副，整條機器人腿繞該軸進行前后擺動。
大腿組件D3，如圖5所示，包括髖關節縱向舵機D3-1與膝關節舵機D3_4通過第一大腿板D3-2以及第二大腿板D3-3，所述第一大腿板D3-2和第二大腿板D3-3為槽型件，兩大腿板分別通過螺釘安裝在軸向平行的髖關節縱向舵機D3-1與膝關節舵機D3-4外殼上兩側的安裝孔上，膝關節舵機D3-4的舵盤與小腿組件D4中的膝關節舵機架D4-1通過螺釘固定在一起形成膝關節轉動副。小腿組件D4，如圖6所示，包括膝關節舵機架D4-1、氣動彈簧D4-2、球形足端D4-3以及橡膠足套D4-4 ;氣動彈簧D4-2上管末端的螺紋桿穿過膝關節舵機架中間的安裝孔并由螺母固定在舵機架上，氣動彈簧下管末端的螺紋桿與球形足端D4-3的螺紋孔配合固定；橡膠足套D4-4套在球形足端外面與球形足端D4-3的間隙內安裝薄膜式壓力傳感器。第二條機器人腿E、第三條機器人腿F、第四條機器人腿G與第一條機器人腿D具有相同組成和安裝關系。所述頭部平衡調節裝置A，如圖7所示，包括:頭部質量塊Al、頸管A2、頭部法蘭A3、頭部舵機架A4、頭部驅動舵機A5、頭部舵機底座A6。所述頭部驅動舵機A5與頭部舵機底座A6固定方式與髖關節橫向舵機組件Dl相同。所述頭部舵機架A4安裝到頭部驅動舵機A5的舵盤上形成縱向轉動副，頭部法蘭A3通過螺釘固定在頭部舵機架A4的中間安裝孔處，頸管A2 —端插入頭部法蘭A3中間的圓孔并用螺釘固定，頭部質量塊Al為盤型件沿徑向和軸向分別有一個安裝孔，徑向安裝孔套在頸管A2外部，軸向安裝孔與頸管A2的另一端的均勻布置的若干安裝孔其中的一個配合并用螺釘固定。所述尾部平衡調節裝置C，如圖8所示，包括尾部質量塊Cl、尾管C2、尾部法蘭C3、尾部舵機架C4、尾部驅動舵機C5、尾部舵機底座C6。尾部舵機底座C6為槽型件通過螺釘固定尾部驅動舵機C5底部安裝孔處，尾部舵機架C4安裝到尾部驅動舵機C5的舵盤上形成橫向轉動副，尾部法蘭C3通過螺釘固定在尾部舵機架C4的中間安裝孔處，尾管C2 —端插入尾部法蘭C3中間的圓孔并用螺釘固定，尾部質量塊Cl為柱型件并在中間位置沿徑向開有安裝孔與頸管A2的另一端的均勻布置的若干安裝孔其中的一個配合并用螺釘固定。如圖9機器人軀干是由脊椎B2、第一橫梁BI以及第二橫梁B4通過螺釘固定形成的工字型結構，其中脊椎B2、第一橫梁BI以及第二橫梁B4均為矩形板件。微型慣性測量傳感器B3安裝在脊椎B2中部，測量機器人軀干的三軸角位移、角速度以及三軸線加速度數據。
權利要求
1.一種具有首尾平衡調節裝置的仿生四足機器人，其特征在于:該機器人包括軀干(B)，頭部平衡調節裝置(A)，尾部平衡調節裝置(C)以及第一條機器人腿(D)、第二條機器人腿(E)、第三條機器人腿(F)、第四條機器人腿(G)； 頭部調節裝置中的頭部舵機底座(A6)通過螺釘固定在機器人脊椎(B2)的一端； 尾部調節裝置中的尾部舵機底座(C6)通過螺釘固定在機器人脊椎(B2)的另一端； 第一至第四條機器人腿結構完全相同； 第一條機器人腿(D)的第一條腿髖關節舵機底座(Dl-1)通過螺釘固定到軀干(B)的第一橫梁(BI)上面的安裝孔(Bl-a)處； 第二條機器人腿(E)的第二條腿髖關節舵機底座(El-1)通過螺釘固定到軀干(B)的第一橫梁(BI)上面的安裝孔(Bl-b)處； 第三條機器人腿(F)的第三條腿髖關節舵機底座(Fl-1)通過螺釘固定到軀干(B)的第二橫梁(B4)上面的安裝孔(B4-a)處； 第四條機器人腿(G)的第四條腿髖關節舵機底座(Gl-1)通過螺釘固定到軀干(B)的第二橫梁(B4)上面的安裝孔(B4-b)處。
2.如權利要求1所述的具有首尾平衡調節裝置的仿生四足機器人，其特征在于: 所述第一條機器人腿(D)包括髖關節橫向舵機組件(Dl)、髖關節正交舵機架組件(D2)、大腿組件(D3)以及小腿組件(D4)； 髖關節橫向舵機組件(Dl)包括:第一條腿髖關節舵機底座(Dl-1)與髖關節橫向舵機(D1-2)，其中第一條腿髖 關節舵機底座(Dl-1)為槽型件通過螺釘固定在舵機外殼一側的安裝孔上，髖關節橫向舵機(D1-2)的舵盤與髖關節橫向舵機架(D2-1)通過螺釘固定，形成髖關節橫向轉動副，整條機器人腿繞該轉動軸左右擺動； 髖關節正交舵機架組件(D2)包括髖關節橫向舵機架(D2-1)和髖關節縱向舵機架(D2-2)，所述舵機架為結構幾寸相同的U型件，兩舵機架軸向正交，通過螺釘在U型件中間固定在一起，髖關節縱向舵機架(D2-2)與髖關節縱向舵機(D3-1)的舵盤通過螺釘固定，形成髖關節縱向轉動副，整條機器人腿繞該軸進行前后擺動； 大腿組件(D3)包括髖關節縱向舵機(D3-1)與膝關節舵機(D3-4)通過第一大腿板(D3-2)以及第二大腿板(D3-3)，所述第一大腿板(D3-2)和第二大腿板(D3-3)為槽型件，兩大腿板分別通過螺釘安裝在軸向平行的髖關節縱向舵機(D3-1)與膝關節舵機(D3-4)外殼上兩側的安裝孔上，膝關節舵機(D3-4)的舵盤與小腿組件(D4)中的膝關節舵機架(D4-1)通過螺釘固定在一起形成膝關節轉動副； 小腿組件(D4)包括膝關節舵機架(D4-1)、氣動彈簧(D4-2)、球形足端(D4-3)以及橡膠足套(D4-4);氣動彈簧(D4-2)上管末端的螺紋桿穿過膝關節舵機架中間的安裝孔并由螺母固定在舵機架上，氣動彈簧下管末端的螺紋桿與球形足端(D4-3)的螺紋孔配合固定；橡膠足套(D4-4)套在球形足端外面與球形足端(D4-3)的間隙內安裝薄膜式壓力傳感器；第二條機器人腿(E)、第三條機器人腿(F)、第四條機器人腿(G)與第一條機器人腿(D)具有相同組成和安裝關系。
3.如權利要求1所述的具有首尾平衡調節裝置的仿生四足機器人，其特征在于: 所述頭部平衡調節裝置(A)包括:頭部質量塊(Al)、頸管(A2)、頭部法蘭(A3)、頭部舵機架(A4)、頭部驅動舵機(A5)、頭部舵機底座(A6)；所述頭部驅動舵機(A5)與頭部舵機底座(A6)固定方式與髖關節橫向舵機組件(Dl)相同； 所述頭部舵機架(A4)安裝到頭部驅動舵機(A5)的舵盤上形成縱向轉動副，頭部法蘭(A3)通過螺釘固定在頭部舵機架(A4)的中間安裝孔處，頸管(A2) —端插入頭部法蘭(A3)中間的圓孔并用螺釘固定，頭部質量塊(Al)為盤型件沿徑向和軸向分別有一個安裝孔，徑向安裝孔套在頸管(A2)外部，軸向安裝孔與頸管(A2)的另一端的均勻布置的若干安裝孔其中的一個配合并用螺釘固定。
4.如權利要求1所述的具有首尾平衡調節裝置的仿生四足機器人，其特征在于: 所述尾部舵機底座(C6)包括尾部質量塊(Cl)、尾管(C2)、尾部法蘭(C3)、尾部舵機架(C4)、尾部驅動舵機(C5)、尾部舵機底座(C6)； 尾部舵機底座(C6)為槽型件通過螺釘固定尾部驅動舵機(C5)底部安裝孔處，尾部舵機架(C4)安裝到尾部驅動舵機(C5)的舵盤上形成橫向轉動副，尾部法蘭(C3)通過螺釘固定在尾部舵機架(C4)的中間安裝孔處，尾管(C2) —端插入尾部法蘭(C3)中間的圓孔并用螺釘固定，尾部質量塊(Cl)為柱型件并在中間位置沿徑向開有安裝孔與頸管(A2)的另一端的均勻布置的若干安裝 孔其中的一個配合并用螺釘固定。
全文摘要
本發明涉及一種具有首尾平衡調節裝置的仿生四足機器人，包括軀干、頭部平衡調節裝置、尾部平衡調節裝置以及四條機器人腿，所述四條機器人腿分布在機器人軀干下方，所述首尾平衡調節機構位于軀干前部橫梁與后部橫梁。本機器人采用數字舵機作為驅動器，舵機可以實現速度、位置控制，并能夠反饋速度、位置、力矩等信息便于在線觀察機器人的運動狀態。每條腿具有三個主動自由度一個被動伸縮自由度，可以實現三維空間運動，使機器人具有更強的復雜環境適應能力以及越障能力。具有首位平衡調節裝置在靜態行走時能夠及時調節機器人的重心位置，增加機器人的平穩性；在機器人已經處于失穩狀態即將翻到時，通過快速轉動頭部和尾部以產生相反的轉動力矩防止機器人翻到而恢復平衡狀態。本發明適用于復雜地形環境下的軍事、民用物資運輸、反恐裝置、野外探測以及星球探測等多種領域。
文檔編號B62D57/032GK103192898SQ201310120369
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月9日 優先權日2013年4月9日
發明者張秀麗, 龔加慶, 鄂明成, 劉虎 申請人:北京交通大學