專利名稱：一種六足步行機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種六足歩行機(jī)器人。
背景技術(shù)：
移動(dòng)機(jī)器人所采用的運(yùn)動(dòng)方式主要包括輪式、履帶式、足式、混合式等運(yùn)動(dòng)形式， 其中以輪式機(jī)器人應(yīng)用最為廣泛。眾所周知，輪式機(jī)器人具有速度快、穩(wěn)定性好、易控制等優(yōu)點(diǎn)，但是其對(duì)環(huán)境要求較高，要求地面狀況相對(duì)平坦、連續(xù)，因而其應(yīng)用有其局限性。雖然履帶式機(jī)器人一定程度上弱化了這ー問題，但并不能從本質(zhì)上克服，同時(shí)相對(duì)笨重而觸地面積較大的履帶往往還帶來了破壞地表原狀等一系列新的問題。而多足歩行機(jī)器人能夠在不平的路面上穩(wěn)定行走，可以取代輪式和履帶式機(jī)器人完成ー些非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜環(huán)境中的運(yùn)輸作業(yè)。相比輪式和履帶式的行走車輛和機(jī)構(gòu)，多足歩行機(jī)器人僅需要一些斷續(xù)、離散的落足點(diǎn)，因而可以像動(dòng)物一祥跨越障礙，通過崎嶇、松軟或泥濘的地面，因而多足歩行機(jī)器人具有更強(qiáng)的對(duì)在復(fù)雜地表上行走的適應(yīng)能力，其良好的環(huán)境適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)靈活性使的多足歩行機(jī)器人的研究在近一個(gè)世紀(jì)得到了廣泛的重視。自20世紀(jì)80年代機(jī)器人學(xué)開拓者、美國著名機(jī)器人學(xué)家R. B. McGhee等開始研究四足歩行機(jī)器人以來，多足歩行機(jī)器人的研究一直受到眾多學(xué)者關(guān)注。在國外，近年來涌現(xiàn)出了一大批技術(shù)日漸進(jìn)步的多足歩行機(jī)器人，日本東京エ業(yè)大學(xué)Siigeo Hirose團(tuán)隊(duì)的四足歩行機(jī)器人TITAN，美國密歇根大學(xué)、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、UC伯克利大學(xué)和加拿大McGitl 大學(xué)組成的研究組的仿生自主機(jī)器人Miex，西班牙CSIC研究議會(huì)的IAI研究中心Gonzalez de Santos團(tuán)隊(duì)研制的Silo4和Silo6掃雷機(jī)器人，Boston Dynamics公司推出的BigDog 軍用機(jī)器人等。在國內(nèi)，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所、中科院沈陽自動(dòng)化研究所、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱エ業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)等単位和院校都先后開展了機(jī)器人技術(shù)的研究，并在多足歩行機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展上也取得了較大的成果，例如中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所采用平行四邊形和凸輪機(jī)構(gòu)研制出一臺(tái)八足螃蟹式歩行機(jī)；中科院沈陽自動(dòng)化所研制成功的水下六足歩行機(jī)；清華大學(xué)開發(fā)出了 DTWN框架式雙三足歩行機(jī)器人和五足爬桿機(jī)器人；上海交通科技大學(xué)研究開發(fā)了 JTUWM系列四足行走機(jī)器人；華中科技大學(xué)研制的“4+2”多足歩行機(jī)器人、MiniQuad可重構(gòu)多足歩行機(jī)器人。多足歩行機(jī)器人因其突出的優(yōu)越性而得到眾多研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注，但是現(xiàn)有多足步行機(jī)器人存在一些亟待解決的問題，如機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能量消耗大，控制復(fù)雜，不適應(yīng)地形復(fù)雜、障礙叢生的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。多足歩行機(jī)器人技術(shù)還需要更進(jìn)一歩的研究和提升。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種克服以上問題的六足歩行機(jī)器人。本發(fā)明由六足歩行機(jī)器人機(jī)械本體和六足歩行機(jī)器人控制系統(tǒng)組成。六足歩行機(jī)器人機(jī)械本體包括機(jī)架和機(jī)器人腿。機(jī)架包括機(jī)身和6個(gè)腿固定板組。機(jī)身包括機(jī)身上板和機(jī)身下板，機(jī)身上板位于機(jī)身下板正上方，機(jī)身上板和機(jī)身下板上分布有等間隔上下対稱的孔，方便腿固定板組安裝位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。ー個(gè)腿固定板組包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的腿固定板，腿固定板呈直角形，腿固定板與機(jī)器人腿螺紋連接的面上分布有等間隔的孔，方便機(jī)器人腿安裝位置進(jìn)行調(diào)節(jié)；機(jī)身上板與腿固定板組的上端螺紋連接，機(jī)身下板與腿固定板組的下端螺紋連接；機(jī)器人腿總共6條包括第一前腿、第二前腿、第一中腿、第二中腿、第一后腿和第二后腿，每條機(jī)器人腿具有三個(gè)自由度，且結(jié)構(gòu)相同，每條機(jī)器人腿與機(jī)架上的ー個(gè)腿固定板組螺紋連接，每條機(jī)器人腿包括臀部、大腿、小腿和腳。其中在六足歩行機(jī)器人的第一前腿、第二前腿和第一后腿、第二后腿的高度固定后，第一中腿、 第二中腿的高度可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，從而使六足歩行機(jī)器人行走更加平穩(wěn)、靈活。機(jī)器人腿的臀部包括第一伺服電機(jī)、第一連接件和第二連接件。第一伺服電機(jī)外殼與腿固定板組螺紋連接，第一伺服電機(jī)的輸出軸與第一連接件的叉部螺紋連接，第一連接件的基部與第二連接件的基部正交且螺紋連接。第一伺服電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)第一連接件運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人腿的外擺和內(nèi)擺運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人腿的大腿包括第二伺服電機(jī)、第一連接板、第二連接板和第三伺服電機(jī)。第 ニ伺服電機(jī)的輸出軸與第二連接件的叉部螺紋連接，第二伺服電機(jī)的外殼同時(shí)與第一連接板和第二連接板的一端螺紋連接，第一連接板和第二連接板的另一端同時(shí)與第三伺服電機(jī)的外殼螺紋連接。第二伺服電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)大腿整體運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人大腿的前擺和后擺運(yùn)動(dòng)從而完成大腿的抬起和落下動(dòng)作。機(jī)器人腿的小腿包括第三連接件、第一連接圓筒和カ傳感器。第三連接件的叉部與第三伺服電機(jī)的輸出軸螺紋連接，第三連接件的基部與第一連接圓筒的一端螺紋連接， 第一連接圓筒的另一端與力傳感器的外殼螺紋連接。第三伺服電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)第三連接件運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人小腿的前擺和后擺運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人腿的腳包括第二連接圓筒和足端。第二連接圓筒的一端與力傳感器外殼螺紋連接，足端為半球形，第二連接圓筒的另一端與足端的半球形截面通過螺紋連接，此足端采用橡膠材料制造，其落足后與地面為柔性接觸而非剛性接觸，既可以防止六足歩行機(jī)器人在行走時(shí)打滑又可以減小地面沖擊，有效的提高了機(jī)器人對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。六足歩行機(jī)器人控制系統(tǒng)包括中央控制器、電子羅盤、力傳感器、電池和編碼器。 中央控制器、電子羅盤和電池安裝在機(jī)身下板的上側(cè)面，六個(gè)カ傳感器分別裝于六條機(jī)器人腿的小腿之上，編碼器為伺服電機(jī)自帯，其與伺服電機(jī)封裝在一起。六足歩行機(jī)器人控制系統(tǒng)中電池為六足歩行機(jī)器人提供能量；電子羅盤用于測(cè)量六足歩行機(jī)器人的姿態(tài)，并將所測(cè)結(jié)果輸入到中央控制器中；六個(gè)力傳感器分別測(cè)量六條機(jī)器人腿與地面之間的作用力，并將所測(cè)結(jié)果輸入到中央控制器中；中央控制器對(duì)得到的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行綜合分析，然后生成相應(yīng)的步態(tài)控制信號(hào)分別對(duì)六條機(jī)器人腿進(jìn)行控制，從而使六足歩行機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明利用編碼器的伺服電機(jī)位置反饋和六個(gè)カ傳感器的力反饋，不僅可以實(shí)現(xiàn)六足歩行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)閉環(huán)控制而且使六足歩行機(jī)器人具有カ覺。本發(fā)明可以達(dá)到的有益效果
(1)采用將伺服電機(jī)作為六足歩行機(jī)器人腿結(jié)構(gòu)一部分的設(shè)計(jì)方式，大大簡化了六足歩行機(jī)器人腿的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使六足歩行機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡単、緊湊，具有更高的可靠性；
(2)采用仿哺乳動(dòng)物腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，六條機(jī)器人腿合理規(guī)劃生成六足歩行機(jī)器人行走步態(tài)，可以有效提高六足歩行機(jī)器人的能量利用率；
(3)采用六足歩行機(jī)器人兩條中腿高度可調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，使六足歩行機(jī)器人在行走過程中各條機(jī)器人腿受カ均勻性大大提高，同時(shí)使六足歩行機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎等步態(tài)中整個(gè)六足歩行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性得到有效的提高，使六足歩行機(jī)器人具有優(yōu)越的運(yùn)動(dòng)靈活性；
(4)運(yùn)用中央控制器分別對(duì)六條機(jī)器人腿進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)整個(gè)六足歩行機(jī)器人六條機(jī)器人腿進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，中央控制器中任務(wù)分エ明確、協(xié)調(diào)一致，大大降低了控制難度，提高了控制的可靠性，從而可以有效提高機(jī)器人對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。


圖1本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2本發(fā)明的第一前腿的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.第一前腿，2.第二前腿，3.第一中腿，4.第二中腿，5.第一后腿，6.第 ニ前腿，7.機(jī)身上板，8.機(jī)身下板，9.腿固定板組，10.第一伺服電機(jī)，11.第二伺服電機(jī)， 12.第三伺服電機(jī)，13.第一連接件，14.第二連接件，15.第三連接件，16.第一連接板， 17.第二連接板，18.第一連接圓筒，19.カ傳感器，20.第二連接圓筒，21.足端，22.中央控制器，23.電子羅盤，24.電池。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步說明。如圖1所示，本發(fā)明由六足歩行機(jī)器人機(jī)械本體和六足歩行機(jī)器人控制系統(tǒng)組成。六足歩行機(jī)器人機(jī)械本體包括機(jī)架和機(jī)器人腿。機(jī)架包括機(jī)身和6個(gè)腿固定板組。機(jī)身包括機(jī)身上板7和機(jī)身下板8，機(jī)身上板7位于機(jī)身下板8正上方，機(jī)身上板7和機(jī)身下板8上分布有等間隔上下対稱的孔，方便腿固定板組安裝位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。一個(gè)腿固定板組包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的腿固定板，腿固定板呈直角形，腿固定板與機(jī)器人腿螺紋連接的面上分布有等間隔的孔，方便機(jī)器人腿安裝位置進(jìn)行調(diào)節(jié)；以腿固定板組9為例，機(jī)身上板7與腿固定板組9的上端螺紋連接，機(jī)身下板8與腿固定板組9的下端螺紋連接；機(jī)器人腿總共6條包括第一前腿1、第二前腿2、第一中腿3、第二中腿4、第一后腿5和第二后腿6， 每條機(jī)器人腿具有三個(gè)自由度，且結(jié)構(gòu)相同，每條機(jī)器人腿與機(jī)架上的ー個(gè)腿固定板組螺紋連接，每條機(jī)器人腿包括臀部、大腿、小腿和腳。其中在六足歩行機(jī)器人的第一前腿1、第 ニ前腿2和第一后腿5、第二后腿6的高度固定后，第一中腿3、第二中腿4的高度可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，從而使六足歩行機(jī)器人行走更加平穩(wěn)、靈活。下面以第一前腿1為例進(jìn)行說明。如圖2所示，機(jī)器人腿的臀部包括第一伺服電機(jī)10、第一連接件13和第二連接件 14。第一伺服電機(jī)10外殼與腿固定板組螺紋連接，第一伺服電機(jī)10的輸出軸與第一連接件13的叉部螺紋連接，第一連接件13的基部與第二連接件14的基部正交且螺紋連接。第一伺服電機(jī)10的輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)第一連接件13運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人腿的外擺和內(nèi)擺運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人腿的大腿包括第二伺服電機(jī)11、第一連接板16、第二連接板17和第三伺服電機(jī)12。第二伺服電機(jī)11的輸出軸與第二連接件14的叉部螺紋連接，第二伺服電機(jī)11的外殼同時(shí)與第一連接板16和第二連接板17的一端螺紋連接，第一連接板16和第二連接板 17的另一端同時(shí)與第三伺服電機(jī)12的外殼螺紋連接。第二伺服電機(jī)11的輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)大腿整體運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人大腿的前擺和后擺運(yùn)動(dòng)從而完成大腿的抬起和落下動(dòng)作。機(jī)器人腿的小腿包括第三連接件15、第一連接圓筒18和力傳感器19。第三連接件15的叉部與第三伺服電機(jī)12的輸出軸螺紋連接，第三連接件15的基部與第一連接圓筒 18的一端螺紋連接，第一連接圓筒18的另一端與力傳感器19的外殼螺紋連接。第三伺服電機(jī)12的輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)第三連接件15運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人小腿的前擺和后擺運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人腿的腳包括第二連接圓筒20和足端21。第二連接圓筒20的一端與力傳感器19外殼螺紋連接，足端21為半球形，第二連接圓筒20的另一端與足端21的半球形截面通過螺紋連接，此足端采用橡膠材料制造，其落足后與地面為柔性接觸而非剛性接觸，既可以防止六足歩行機(jī)器人在行走時(shí)打滑又可以減小地面沖擊，有效的提高了機(jī)器人對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。如圖1、2所示，六足歩行機(jī)器人控制系統(tǒng)包括中央控制器22、電子羅盤23、カ傳感器19、電池M和編碼器。中央控制器22、電子羅盤23和電池M安裝在機(jī)身下板8的上側(cè)面，六個(gè)カ傳感器分別裝于六條機(jī)器人腿的小腿之上，編碼器為伺服電機(jī)自帶，其與伺服電
機(jī)封裝在一起。六足歩行機(jī)器人控制系統(tǒng)中電池M為六足歩行機(jī)器人提供能量；電子羅盤23用于測(cè)量六足歩行機(jī)器人的姿態(tài)，并將所測(cè)結(jié)果輸入到中央控制器22中；六個(gè)力傳感器分別測(cè)量六條機(jī)器人腿與地面之間的作用力，并將所測(cè)結(jié)果輸入到中央控制器22中；中央控制器22對(duì)得到的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行綜合分析，然后生成相應(yīng)的步態(tài)控制信號(hào)對(duì)六條機(jī)器人腿分別進(jìn)行控制，從而使六足歩行機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)中編碼器將伺服電機(jī)的位置實(shí)時(shí)反饋給中央控制器22，由中央控制器22對(duì)六足歩行機(jī)器人各條機(jī)器人腿的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行閉環(huán)控制。本發(fā)明的六足歩行機(jī)器人不僅可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)閉環(huán)控制還具有力覺，六個(gè)カ傳感器將所測(cè)量的六條機(jī)器人腿與地面之間的作用力輸入到中央控制器22中，中央控制器22對(duì)整個(gè)六足歩行機(jī)器人受カ狀態(tài)進(jìn)行分析，然后中央控制器22根據(jù)分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人腿的カ控制。本發(fā)明運(yùn)用簡單的控制裝置實(shí)現(xiàn)了六足歩行機(jī)器人的復(fù)雜有效控制，使六足步行機(jī)器人控制變的簡單可靠，大大提高了六足歩行機(jī)器人對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。
權(quán)利要求
1. 一種六足歩行機(jī)器人，包括六足歩行機(jī)器人機(jī)械本體和六足歩行機(jī)器人控制系統(tǒng)， 其特征在于六足歩行機(jī)器人機(jī)械本體包括機(jī)架和機(jī)器人腿，機(jī)架包括機(jī)身和六個(gè)腿固定板組；機(jī)身包括機(jī)身上板和機(jī)身下板，機(jī)身上板位于機(jī)身下板正上方，機(jī)身上板和機(jī)身下板上分布有等間隔上下対稱的孔，ー個(gè)腿固定板組包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的腿固定板，腿固定板呈直角形，腿固定板與機(jī)器人腿螺紋連接的面上分布有等間隔的孔，機(jī)身上板與腿固定板組的上端螺紋連接，機(jī)身下板與腿固定板組的下端螺紋連接；機(jī)器人腿總共六條包括第一前腿、第 ニ前腿、第一中腿、第二中腿、第一后腿和第二后腿，每條機(jī)器人腿具有三個(gè)自由度，且結(jié)構(gòu)相同，每條機(jī)器人腿與機(jī)架上的ー個(gè)腿固定板組螺紋連接，每條機(jī)器人腿包括臀部、大腿、 小腿和腳；機(jī)器人腿的臀部包括第一伺服電機(jī)、第一連接件和第二連接件；第一伺服電機(jī)外殼與腿固定板組螺紋連接，第一伺服電機(jī)的輸出軸與第一連接件的叉部螺紋連接，第一連接件的基部與第二連接件的基部正交且螺紋連接，第一伺服電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)第一連接件運(yùn)動(dòng)；機(jī)器人腿的大腿包括第二伺服電機(jī)、第一連接板、第二連接板和第三伺服電機(jī)；第二伺服電機(jī)的輸出軸與第二連接件的叉部螺紋連接，第二伺服電機(jī)的外殼同時(shí)與第一連接板和第二連接板的一端螺紋連接，第一連接板和第二連接板的另一端同時(shí)與第三伺服電機(jī)的外殼螺紋連接；第二伺服電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)大腿整體運(yùn)動(dòng)；機(jī)器人腿的小腿包括第三連接件、第一連接圓筒和カ傳感器；第三連接件的叉部與第三伺服電機(jī)的輸出軸螺紋連接，第三連接件的基部與第一連接圓筒的一端螺紋連接，第一連接圓筒的另一端與力傳感器的外殼螺紋連接；第三伺服電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)第三連接件運(yùn)動(dòng)；機(jī)器人腿的腳包括第二連接圓筒和足端；第二連接圓筒的一端與力傳感器外殼螺紋連接，足端為半球形，第二連接圓筒的另一端與足端的半球形截面通過螺紋連接，此足端采用橡膠材料制造；六足歩行機(jī)器人控制系統(tǒng)包括中央控制器、電子羅盤、力傳感器、電池和編碼器；中央控制器、電子羅盤和電池安裝在機(jī)身下板的上側(cè)面，六個(gè)カ傳感器分別裝于六條機(jī)器人腿的小腿之上，編碼器為伺服電機(jī)自帯，其與伺服電機(jī)封裝在一起，電池為六足歩行機(jī)器人提供能量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種六足步行機(jī)器人?，F(xiàn)有步行機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能量消耗大，控制復(fù)雜且不適應(yīng)地形復(fù)雜環(huán)境。本發(fā)明包括六足步行機(jī)器人機(jī)械本體和六足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)。六足步行機(jī)器人機(jī)械本體包括機(jī)架和機(jī)器人腿。機(jī)架包括機(jī)身和6個(gè)腿固定板組，機(jī)身包括機(jī)身上板和機(jī)身下板；每條機(jī)器人腿結(jié)構(gòu)相同，包括臀部、大腿、小腿和腳，都具有三個(gè)自由度，六條機(jī)器人腿均勻分列于機(jī)架的兩側(cè)，控制系統(tǒng)包括中央控制器、電子羅盤、力傳感器、電池和編碼器。本發(fā)明機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，能量利用率高，控制簡單可靠，具有優(yōu)越的靈活性和環(huán)境適應(yīng)能力。
文檔編號(hào)B62D57/032GK102556198SQ20111045164
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者金波, 陳剛, 陳誠, 陳鷹 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)