專利名稱：六足步行機器人的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于機器人技術領域，具體涉及一種六足步行機器人。
背景技術：
移動機器人所采用的運動方式主要包括輪式、履帶式、足式、混合式等運動形式，其中以輪式機器人應用最為廣泛。眾所周知，輪式機器人具有速度快、穩(wěn)定性好、易控制等優(yōu)點，但是其對環(huán)境要求較高，要求地面狀況相對平坦、連續(xù)，因而其應用有其局限性。雖然履帶式機器人一定程度上弱化了這一問題，但并不能從本質上克服，同時相對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。而多足步行機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器人完成一些非結構性的復雜環(huán)境中的運輸作業(yè)。相比輪式和履帶式的行走車輛和機構，多足步行機器人僅需要一些斷續(xù)、離散的落足點，因而可以像動物一樣跨越障礙，通過崎嶇、松軟或泥濘的地面，因而多足步行機器人具有更強的對在復雜地表上行走的適應能力，其良好的環(huán)境適應性和運動靈活性使的多足步行機器人的研究在近一個世紀得到了廣泛的重視。自20世紀80年代機器人學開拓者、美國著名機器人學家R. B. McGhee等開始研究四足步行機器人以來，多足步行機器人的研究一直受到眾多學者關注。在國外，近年來涌現出了一大批技術日漸進步的多足步行機器人，日本東京工業(yè)大學Shigeo Hirose團隊的四足步行機器人TITAN，美國密歇根大學、卡內基梅隆大學、UC伯克利大學和加拿大McGitl大學組成的研究組的仿生自主機器人Rhex,西班牙CSIC研究議會的IAI研究中心Gonzalezde Santos團隊研制的Silo4和Silo6掃雷機器人，Boston Dynamics公司推出的BigDog軍用機器人等。在國內，中國科學院長春光學精密機械研究所、中科院沈陽自動化研究所、清華大學、上海交通大學、哈爾濱工業(yè)大學、華中科技大學等單位和院校都先后開展了機器人技術的研究，并在多足步行機器人技術的發(fā)展上也取得了較大的成果，例如中國科學院長春光學精密機械研究所采用平行四邊形和凸輪機構研制出一臺八足螃蟹式步行機；中科院沈陽自動化所研制成功的水下六足步行機；清華大學開發(fā)出了 DTWN框架式雙三足步行機器人和五足爬桿機器人；上海交通科技大學研究開發(fā)了 JTUWM系列四足行走機器人；華中科技大學研制的“4+2”多足步行機器人、MiniQuad可重構多足步行機器人。多足步行機器人因其突出的優(yōu)越性而得到眾多研究機構的關注，但是現有多足步行機器人存在一些亟待解決的問題，如機械結構復雜，能量消耗大，控制復雜，不適應地形復雜、障礙叢生的非結構化環(huán)境。多足步行機器人技術還需要更進一步的研究和提升。
發(fā)明內容本實用新型的目的在于提供一種克服以上問題的六足步行機器人。本實用新型由六足步行機器人機械本體和六足步行機器人控制系統(tǒng)組成。六足步行機器人機械本體包括機架和機器人腿。機架包括機身和6個腿固定板組。機身包括機身上板和機身下板，機身上板位于機身下板正上方，機身上板和機身下板上分布有等間隔上下對稱的孔，方便腿固定板組安裝位置進行調節(jié)。一個腿固定板組包括兩個結構相同的腿固定板，腿固定板呈直角形，腿固定板與機器人腿螺紋連接的面上分布有等間隔的孔，方便機器人腿安裝位置進行調節(jié)；機身上板與腿固定板組的上端螺紋連接，機身下板與腿固定板組的下端螺紋連接；機器人腿總共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，每條機器人腿具有三個自由度，且結構相同，每條機器人腿與機架上的一個腿固定板組螺紋連接，每條機器人腿包括臀部、大腿、小腿和腳。其中在六足步行機器人的第一前腿、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需要進行調整，從而使六足步行機器人行走更加平穩(wěn)、靈活。機器人腿的臀部包括第一伺服電機、第一連接件和第二連接件。第一伺服電機外殼與腿固定板組螺紋連接，第一伺服電機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。第一伺服電機的輸出軸轉動帶動第一連接件運動，從而實現機器人腿的外擺和內擺運動。機器人腿的大腿包括第二伺服電機、第一連接板、第二連接板和第三伺服電機。第二伺服電機的輸出軸與第二連接件的叉部螺紋連接，第二伺服電機的外殼同時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與第三伺服電機的外殼螺紋連接。第二伺服電機的輸出軸轉動帶動大腿整體運動，實現機器人大腿的前擺和后擺運動從而完成大腿的抬起和落下動作。機器人腿的小腿包括第三連接件、第一連接圓筒和力傳感器。第三連接件的叉部與第三伺服電機的輸出軸螺紋連接，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。第三伺服電機的輸出軸轉動帶動第三連接件運動，從而實現機器人小腿的前擺和后擺運動。機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，既可以防止六足步行機器人在行走時打滑又可以減小地面沖擊，有效的提高了機器人對環(huán)境的適應性。六足步行機器人控制系統(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身下板的上側面，六個力傳感器分別裝于六條機器人腿的小腿之上，編碼器為伺服電機自帶，其與伺服電機封裝在一起。六足步行機器人控制系統(tǒng)中電池為六足步行機器人提供能量；電子羅盤用于測量六足步行機器人的姿態(tài)，并將所測結果輸入到中央控制器中；六個力傳感器分別測量六條機器人腿與地面之間的作用力，并將所測結果輸入到中央控制器中；中央控制器對得到的測量信號進行綜合分析，然后生成相應的步態(tài)控制信號分別對六條機器人腿進行控制，從而使六足步行機器人協(xié)調運動。本實用新型利用編碼器的伺服電機位置反饋和六個力傳感器的力反饋，不僅可以實現六足步行機器人運動閉環(huán)控制而且使六足步行機器人具有力覺。本實用新型可以達到的有益效果(I)采用將伺服電機作為六足步行機器人腿結構一部分的設計方式，大大簡化了六足步行機器人腿的機械結構，使六足步行機器人結構簡單、緊湊，具有更高的可靠性；[0016](2)采用仿哺乳動物腿結構設計，六條機器人腿合理規(guī)劃生成六足步行機器人行走步態(tài)，可以有效提高六足步行機器人的能量利用率；(3)采用六足步行機器人兩條中腿高度可調節(jié)設計，使六足步行機器人在行走過程中各條機器人腿受力均勻性大大提高，同時使六足步行機器人在轉彎等步態(tài)中整個六足步行機器人的運動協(xié)調性得到有效的提高，使六足步行機器人具有優(yōu)越的運動靈活性；(4)運用中央控制器分別對六條機器人腿進行控制，同時對整個六足步行機器人六條機器人腿進行協(xié)調控制，中央控制器中任務分工明確、協(xié)調一致，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器人對環(huán)境的適應性。

圖I本實用新型的總體結構示意圖；圖2本實用新型的第一前腿的結構示意圖。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.第二前腿，7.機身上板，8.機身下板，9.腿固定板組，10.第一伺服電機，11.第二伺服電機，12.第三伺服電機，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.力傳感器，20.第二連接圓筒，21.足端，22.中央控制器，23.電子羅盤，24.電池。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步說明。如圖I所示，本實用新型由六足步行機器人機械本體和六足步行機器人控制系統(tǒng)組成。六足步行機器人機械本體包括機架和機器人腿。機架包括機身和6個腿固定板組。機身包括機身上板7和機身下板8，機身上板7位于機身下板8正上方，機身上板7和機身下板8上分布有等間隔上下對稱的孔，方便腿固定板組安裝位置進行調節(jié)。一個腿固定板組包括兩個結構相同的腿固定板，腿固定板呈直角形，腿固定板與機器人腿螺紋連接的面上分布有等間隔的孔，方便機器人腿安裝位置進行調節(jié)；以腿固定板組9為例，機身上板7與腿固定板組9的上端螺紋連接，機身下板8與腿固定板組9的下端螺紋連接；機器人腿總共6條包括第一前腿I、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,每條機器人腿具有三個自由度，且結構相同，每條機器人腿與機架上的一個腿固定板組螺紋連接，每條機器人腿包括臀部、大腿、小腿和腳。其中在六足步行機器人的第一前腿I、第二前腿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的高度可根據需要進行調整，從而使六足步行機器人行走更加平穩(wěn)、靈活。下面以第一前腿I為例進行說明。如圖2所示，機器人腿的臀部包括第一伺服電機10、第一連接件13和第二連接件14。第一伺服電機10外殼與腿固定板組螺紋連接,第一伺服電機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10的輸出軸轉動帶動第一連接件13運動，從而實現機器人腿的外擺和內擺運動。[0027]機器人腿的大腿包括第二伺服電機11、第一連接板16、第二連接板17和第三伺服電機12。第二伺服電機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11的外殼同時與第一連接板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的另一端同時與第三伺服電機12的外殼螺紋連接。第二伺服電機11的輸出軸轉動帶動大腿整體運動，實現機器人大腿的前擺和后擺運動從而完成大腿的抬起和落下動作。機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12的輸出軸轉動帶動第三連接件15運動，從而實現機器人小腿的前擺和后擺運動。機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，既可以防止六足步行機器人在行走時打滑又可以減小地面沖擊，有效的提高了機器人對環(huán)境的適應性。如圖1、2所示，六足步行機器人控制系統(tǒng)包括中央控制器22、電子羅盤23、力傳感器19、電池24和編碼器。中央控制器22、電子羅盤23和電池24安裝在機身下板8的上側面，六個力傳感器分別裝于六條機器人腿的小腿之上，編碼器為伺服電機自帶，其與伺服電
機封裝在一起。六足步行機器人控制系統(tǒng)中電池24為六足步行機器人提供能量；電子羅盤23用于測量六足步行機器人的姿態(tài)，并將所測結果輸入到中央控制器22中；六個力傳感器分別測量六條機器人腿與地面之間的作用力，并將所測結果輸入到中央控制器22中；中央控制器22對得到的測量信號進行綜合分析，然后生成相應的步態(tài)控制信號對六條機器人腿分別進行控制，從而使六足步行機器人協(xié)調運動。伺服電機中編碼器將伺服電機的位置實時反饋給中央控制器22，由中央控制器22對六足步行機器人各條機器人腿的運動進行閉環(huán)控制。本實用新型的六足步行機器人不僅可以實現運動閉環(huán)控制還具有力覺，六個力傳感器將所測量的六條機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對整個六足步行機器人受力狀態(tài)進行分析，然后中央控制器22根據分析結果實現對機器人腿的力控制。本實用新型運用簡單的控制裝置實現了六足步行機器人的復雜有效控制，使六足步行機器人控制變的簡單可靠，大大提高了六足步行機器人對環(huán)境的適應性。
權利要求1.六足步行機器人，包括六足步行機器人機械本體和六足步行機器人控制系統(tǒng)，其特征在于 六足步行機器人機械本體包括機架和機器人腿，機架包括機身和6個腿固定板組；機身包括機身上板和機身下板，機身上板位于機身下板正上方，機身上板和機身下板上分布有等間隔上下對稱的孔，一個腿固定板組包括兩個結構相同的腿固定板，腿固定板呈直角形，腿固定板與機器人腿螺紋連接的面上分布有等間隔的孔，機身上板與腿固定板組的上端螺紋連接，機身下板與腿固定板組的下端螺紋連接；機器人腿總共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，每條機器人腿具有三個自由度，且結構相同，每條機器人腿與機架上的一個腿固定板組螺紋連接，每條機器人腿包括臀部、大腿、小腿和腳； 機器人腿的臀部包括第一伺服電機、第一連接件和第二連接件；第一伺服電機外殼與腿固定板組螺紋連接，第一伺服電機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，第一伺服電機的輸出軸轉動帶動第一連接件運動； 機器人腿的大腿包括第二伺服電機、第一連接板、第二連接板和第三伺服電機；第二伺服電機的輸出軸與第二連接件的叉部螺紋連接，第二伺服電機的外殼同時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與第三伺服電機的外殼螺紋連接；第二伺服電機的輸出軸轉動帶動大腿整體運動； 機器人腿的小腿包括第三連接件、第一連接圓筒和力傳感器；第三連接件的叉部與第三伺服電機的輸出軸螺紋連接，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；第三伺服電機的輸出軸轉動帶動第三連接件運動； 機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； 六足步行機器人控制系統(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身下板的上側面，六個力傳感器分別裝于六條機器人腿的小腿之上，編碼器為伺服電機自帶，其與伺服電機封裝在一起，電池為六足步行機器人提供能量。
專利摘要本實用新型公開了一種六足步行機器人?，F有步行機器人機械結構復雜，能量消耗大，控制復雜且不適應地形復雜環(huán)境。本實用新型包括六足步行機器人機械本體和六足步行機器人控制系統(tǒng)。六足步行機器人機械本體包括機架和機器人腿。機架包括機身和6個腿固定板組，機身包括機身上板和機身下板；每條機器人腿結構相同，包括臀部、大腿、小腿和腳，都具有三個自由度，六條機器人腿均勻分列于機架的兩側，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。本實用新型機械結構簡單、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)境適應能力。
文檔編號B62D57/032GK202378991SQ20112056430
公開日2012年8月15日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權日2011年12月29日
發(fā)明者金波, 陳剛, 陳誠, 陳鷹 申請人:浙江大學