一種六足機(jī)器人及足部控制方法和步態(tài)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種六足機(jī)器人及足部控制方法和步態(tài)控制方法。該包括軀干及在軀干兩側(cè)對稱設(shè)置的行走機(jī)構(gòu)（前足、中足和后足）。行走機(jī)構(gòu)包括：胯關(guān)節(jié)直線油缸、螺旋擺動油缸、大腿、軸、膝關(guān)節(jié)直線油缸、膝關(guān)節(jié)軸、膝關(guān)節(jié)擺動盤、擋油板、軸承、連接法蘭、小腿、腳掌及緊固件等。根據(jù)不同的步態(tài)控制胯關(guān)節(jié)直線油缸、螺旋擺動油缸、膝關(guān)節(jié)直線油缸之間的協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)行走機(jī)構(gòu)（前足、中足和后足）的行走動作，從而越過復(fù)雜的地形。
【專利說明】
一種六足機(jī)器人及足部控制方法和步態(tài)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)器人領(lǐng)域，特別是涉及一種六足機(jī)器人及足部控制方法和步態(tài)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。作為移動機(jī)器人的重要成員，多足步行機(jī)器人主要被應(yīng)用于以下幾個領(lǐng)域，其一是遠(yuǎn)程勘探，如火山勘探，太空探索，海底探索；其二是危險(xiǎn)環(huán)境，如核電站或高輻射環(huán)境，礦業(yè)勘探和開發(fā)，排雷排爆，災(zāi)區(qū)重建，搜救，戰(zhàn)區(qū);此外還有工地現(xiàn)場，如伐木及運(yùn)輸?shù)裙こ填I(lǐng)域。在以后的發(fā)展中，多足步行機(jī)器人必將在更多的領(lǐng)域大放異彩。
[0003]移動機(jī)器人通?？煞譃檩喪揭苿訖C(jī)器人和多足步行機(jī)器人。到目前為止，雖然輪式移動機(jī)器人占主導(dǎo)地位，但是其通病是只能應(yīng)用于相對平坦的地面，這就導(dǎo)致在部分區(qū)域傳統(tǒng)的輪式移動機(jī)器人難以抵達(dá)。即便是世界上最先進(jìn)的越野車，也只能越過一般崎嶇的區(qū)域，而且能耗巨大，還會對地形、環(huán)境造成破壞。
[0004]多足步行機(jī)器人在自然地形下優(yōu)越的機(jī)動性顯而易見，因?yàn)樗鼈兊倪\(yùn)動只需要離散的落足點(diǎn)作為支撐點(diǎn)，而不像輪式移動機(jī)器人那樣只能在連續(xù)的支撐面上運(yùn)動。即便是在柔軟的地表行走，多足步行機(jī)器人也能利用其落足點(diǎn)離散的特性以較低的能耗運(yùn)動。此夕卜，利用其多自由度的特性，多足步行機(jī)器人能輕而易舉的實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎;通過重心高度的實(shí)時(shí)調(diào)整，多足步行機(jī)器人能降低與不規(guī)則地形間的沖擊，甚至可以與地面間斷性的緊貼，從而增加其負(fù)載能力同時(shí)提高其運(yùn)動穩(wěn)定性。
[0005]多足機(jī)器人雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但在非結(jié)構(gòu)化境下難以用特定的數(shù)據(jù)去描述障礙物特征，其工作仍面臨許多挑戰(zhàn)，為了提高多足機(jī)器人的地形適應(yīng)及越障能力，就需要從機(jī)構(gòu)學(xué)角度、足部控制方法和步態(tài)時(shí)序方面研究更加靈活、可靠的機(jī)器人行走裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了提高多足機(jī)器人的地形適應(yīng)及越障能力，本發(fā)明提供一種六足機(jī)器人及足部控制方法和步態(tài)控制方法。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方法:六足機(jī)器人包括軀干及在軀干兩側(cè)對稱設(shè)置的行走機(jī)構(gòu)(前足、中足和后足)。行走機(jī)構(gòu)包括:胯關(guān)節(jié)直線油缸、螺旋擺動油缸、大腿、軸、膝關(guān)節(jié)直線油缸、膝關(guān)節(jié)軸、膝關(guān)節(jié)擺動盤、擋油板、軸承、連接法蘭、小腿、腳掌及緊固件等。下面對行走機(jī)構(gòu)的具體工作原理作闡述:螺旋擺動油缸通過其上的耳軸和軀干鉸接，另一端通過軸和胯關(guān)節(jié)直線油缸鉸接，胯關(guān)節(jié)直線油缸的另一端通過軸和軀干鉸接，各鉸接處形成可以自由轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動副，胯關(guān)節(jié)直線油缸根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動需要，在油壓的驅(qū)動下，帶動螺旋擺動油缸繞其上的鉸接耳軸擺動，從而帶動行走機(jī)構(gòu)(前足、中足和后足)在主機(jī)左右方向擺動，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向；大腿通過緊固件和螺旋擺動油缸內(nèi)部的擺動軸端面緊固，螺旋擺動油缸在油壓的作用下，其內(nèi)部的擺動軸相對于外殼轉(zhuǎn)動，從而帶動大腿、小腿等在前后方向運(yùn)動;膝關(guān)節(jié)直線油缸安裝于大腿內(nèi)部，膝關(guān)節(jié)軸的兩側(cè)，其一端通過軸和大腿鉸接，形成轉(zhuǎn)動副，另一端通過軸和膝關(guān)節(jié)擺動盤鉸接，形成轉(zhuǎn)動副，膝關(guān)節(jié)擺動盤對稱中心處有正六邊形孔，膝關(guān)節(jié)軸和膝關(guān)節(jié)擺動盤配合處截面同為正六邊形，兩者配合到一起，使其不能在周向產(chǎn)生相對運(yùn)動，膝關(guān)節(jié)軸兩端用安裝于大腿上的軸承支撐，膝關(guān)節(jié)軸和連接法蘭配合處的截面為正六邊形，膝關(guān)節(jié)軸和連接法蘭中心處的正六邊形孔配合，進(jìn)而限制兩者在周向的運(yùn)動，小腿通過緊固件和連接法蘭緊固，膝關(guān)節(jié)直線油缸在油壓的作用下伸縮運(yùn)動，驅(qū)動膝關(guān)節(jié)擺動盤繞其中心轉(zhuǎn)動，進(jìn)而通過膝關(guān)節(jié)軸、連接法蘭將扭矩傳遞給小腿，實(shí)現(xiàn)小腿在前后方向的運(yùn)動;根據(jù)不同的步態(tài)控制胯關(guān)節(jié)直線油缸、螺旋擺動油缸、膝關(guān)節(jié)直線油缸之間的協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)行走機(jī)構(gòu)(前足、中足和后足)的行走動作，通過各行走機(jī)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)工作，從而可以越過各種復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境;連接法蘭、擋油板、大腿及膝關(guān)節(jié)軸之間形成的型腔用于儲存潤滑脂潤滑軸承;為了減小機(jī)器人和地面之間的接觸壓強(qiáng)，提高地形適應(yīng)能力，在小腿下端安裝了腳掌，腳掌和小腿之間通過軸鉸接。
[0008]為了使行走機(jī)構(gòu)靈活運(yùn)動，下面根據(jù)行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其工作原理闡述各足控制方法:情況一，六足機(jī)器人直行的過程中，前足各關(guān)節(jié)動作順序一致(僅存在步態(tài)時(shí)序差，即左前足和右前足存在先后動作的情況)，中足和后足各關(guān)節(jié)動作順序一致(僅存在步態(tài)時(shí)序差)。機(jī)器人向前直行的過程中，以左前足各關(guān)節(jié)的動作順序與控制原理為例闡述前足的工作過程:由螺旋擺動油缸驅(qū)動大腿順時(shí)針轉(zhuǎn)動，完成抬大腿的動作，完成抬大腿之后，在膝關(guān)節(jié)直線油缸的驅(qū)動下踢小腿(順時(shí)針轉(zhuǎn)動)，再由螺旋擺動油缸驅(qū)動大腿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動直至腳掌觸地(此時(shí)完成跨步)，接下來，小腿在膝關(guān)節(jié)直線油缸的驅(qū)動下逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，小腿在逆時(shí)針轉(zhuǎn)動的過程中，大腿在螺旋擺動油缸的驅(qū)動下作逆時(shí)針動作，始終保持腳掌觸地(此時(shí)完成一步的跨步、行走);機(jī)器人向前直行的過程中，以左后足各關(guān)節(jié)的動作順序與控制原理為例闡述中足、后足的工作過程:膝關(guān)節(jié)直線油缸驅(qū)動小腿順時(shí)針轉(zhuǎn)動，到預(yù)定位置后，螺旋擺動油缸驅(qū)動大腿順時(shí)針轉(zhuǎn)動，到預(yù)定位置后，膝關(guān)節(jié)直線油缸驅(qū)動小腿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，腳掌觸地后，螺旋擺動油缸驅(qū)動大腿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，同時(shí)，膝關(guān)節(jié)直線油缸驅(qū)動小腿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，始終保持腳掌觸地。當(dāng)六足機(jī)器人向反方向直線行走的情況下，前足和中足、后足各關(guān)節(jié)動作順序互換。情況二，六足機(jī)器人在轉(zhuǎn)向的過程中，行走機(jī)構(gòu)所包含的前足和后足動作原理一致，下面以左前足向左轉(zhuǎn)向的工作過程作簡要闡述:螺旋擺動油缸驅(qū)動大腿抬腿(逆時(shí)針轉(zhuǎn)動)，胯關(guān)節(jié)直線油缸驅(qū)動螺旋擺動油缸繞其上的耳軸轉(zhuǎn)動，使得左前足向左移動，到預(yù)定位置后，螺旋擺動油缸驅(qū)動大腿落腿(順時(shí)針轉(zhuǎn)動)，使得腳掌觸地，然后，胯關(guān)節(jié)直線油缸驅(qū)動螺旋擺動油缸繞其上的耳軸轉(zhuǎn)動，使得左前足向右移動，在移動的過程中，始終保持腳掌觸地;六足機(jī)器人在轉(zhuǎn)向的過程中，中足的腳掌和地面接觸的工況下，胯關(guān)節(jié)直線油缸處于浮動狀態(tài)，使得中足在左右方向的移動是跟隨主機(jī)的需要從動，在中足在左右方向的跨步過程中，胯關(guān)節(jié)直線油缸驅(qū)動螺旋擺動油缸繞其上的耳軸轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)中足使其在豎直方向。
[0009]為了使行走機(jī)構(gòu)之間協(xié)調(diào)動作，在六足機(jī)器人直行的過程中，假設(shè)步距為A1(指支撐相時(shí)足端相對于機(jī)體在前后方向移動的距離)，由于機(jī)器人向前直行和向后直行步態(tài)原理一致(都是通過支撐相時(shí)足端相對于機(jī)體在前后方向移動的距離為節(jié)點(diǎn)控制各足之間的動作順序，向前行走和向后行走僅跨步方向相反，各足動作順序一致，步態(tài)時(shí)序差均為1/5λι)，下面以機(jī)器人向前行走為例，闡述各足步態(tài)之間的關(guān)系:在初始狀態(tài)，行走機(jī)構(gòu)(前足、中足、后足)的腳掌位于，準(zhǔn)備行走前，機(jī)器人原地調(diào)整各足腳掌和地面接觸的位置，為了便于理解跨步過程，規(guī)定跨步動作是各足完成從OA^IjU1的過程。動作一:原地調(diào)整各足姿態(tài)，此時(shí)，左前足位于&處、右中足位于4/5&處、左后足位于3/5&處、右前足位于2/5A1、左中足位于ΙΛλ!#、右后足位于OA1處；動作二:在各關(guān)節(jié)油缸的協(xié)調(diào)驅(qū)動下(前足、中足、左后足和地面接觸驅(qū)動機(jī)體向前移動)，左前足移動至VSA1*、右中足移動至3/δλ!處、左后足移動至2/5λι處、右如足移動至1/5λι、左中足移動至Ολι處、右后足抬足跨步至λι處；動作三:在各關(guān)節(jié)油缸的協(xié)調(diào)驅(qū)動下(前足、右中足、后足和地面接觸驅(qū)動機(jī)體向前移動)，左前足移動至3/5λ^、右中足移動至2/5λ^、左后足移動至1/5λ^、右前足移動至(^、左中足抬足跨步至&處、右后足移動至4/5Μ處;動作四:在各關(guān)節(jié)油缸的協(xié)調(diào)驅(qū)動下(左前足、中足、后足和地面接觸驅(qū)動機(jī)體向前移動)，左前足移動至2/51!*、右中足移動至Ι/δλ!處、左后足移動至Ολι處、右如足抬足跨步至λι、左中足移動至4/5λι處、右后足移動至3/5λι處；動作五:在各關(guān)節(jié)油缸的協(xié)調(diào)驅(qū)動下(前足、中足、右后足和地面接觸驅(qū)動機(jī)體向前移動)，左如足移動至I/5λι處、右中足移動至Ολι處、左后足抬足跨步至λι處、右肖U足移動至4/5λι、左中足移動至3/5&處、右后足移動至2/5Μ處;動作六:在各關(guān)節(jié)油缸的協(xié)調(diào)驅(qū)動下(前足、左中足、后足和地面接觸驅(qū)動機(jī)體向肖U移動)，左肖U足移動至0λ處、右中足抬足跨步至λ處、左后足移動至4/51!#、右前足移動至3/51!、左中足移動至2/51!#、右后足移動至Ι/δλ!處；動作七:在各關(guān)節(jié)油缸的協(xié)調(diào)驅(qū)動下(前足、左中足、后足和地面接觸驅(qū)動機(jī)體向前移動)，左如足抬足跨步至λι處、右中足移動至4/5λι處、左后足移動至3/5λι處、右肖U足移動至2/5入1、左中足移動至I/5λι處、右后足移動至Ολι處(此時(shí)彳丁走機(jī)構(gòu)完成 ^完整的足循環(huán)，機(jī)體重心向前移動A1的距離)。
[0010]為了使行走機(jī)構(gòu)之間協(xié)調(diào)動作，在六足機(jī)器人原地轉(zhuǎn)向的過程中，假設(shè)步距為λ2(指支撐相時(shí)足端相對于機(jī)體在左右方向移動的距離)，由于機(jī)器人向左轉(zhuǎn)向和向右轉(zhuǎn)向步態(tài)原理一致(都是通過支撐相時(shí)足端相對于機(jī)體在左右方向移動的距離為節(jié)點(diǎn)控制各足之間的動作順序，向左轉(zhuǎn)向和向右轉(zhuǎn)向僅跨步方向相反，各足動作順序一致，步態(tài)時(shí)序差均為1/5λ2)，下面以機(jī)器人向左轉(zhuǎn)向?yàn)槔?，闡述各足步態(tài)之間的關(guān)系:在初始狀態(tài)，行走機(jī)構(gòu)(前足、中足、后足)的腳掌位于1/2&處，規(guī)定行走機(jī)構(gòu)在右極限位置為0λ2，左極限位置為λ2。動作一:原地調(diào)整各足姿態(tài)，此時(shí)，左前足位于&處、右中足浮動(胯關(guān)節(jié)直線油缸不具有約束作用)、左后足位于4/5&處、右前足位于2/5λ2、左中足浮動(胯關(guān)節(jié)直線油缸不具有約束作用)、右后足位于1/5λ2處;動作二:在各關(guān)節(jié)油缸的協(xié)調(diào)驅(qū)動下(前足、左中足、后足和地面接觸驅(qū)動機(jī)體向左轉(zhuǎn)動)，左前足移動至4/5&處、右中足跨步至1/2&處、左后足移動至入2處、右前足移動至1/5λ2、左中足浮動、右后足移動至2/5λ2處;動作三:在各關(guān)節(jié)油缸的協(xié)調(diào)驅(qū)動下(前足、中足、右后足和地面接觸驅(qū)動機(jī)體向左轉(zhuǎn)動)，左前足移動至3/5&處、右中足浮動、左后足跨步至0λ2處、右如足移動至0λ2、左中足浮動、右后足移動至3/5λ2處；動作四:在各關(guān)節(jié)油缸的協(xié)調(diào)驅(qū)動下(左前足、中足、后足和地面接觸驅(qū)動機(jī)體向左轉(zhuǎn)動)，左前足移動至2/5λ2處、右中足浮動、左后足跨步至I/5λ2處、右如足跨步至λ2、左中足浮動、右后足移動至4/5λ2處;動作五:在各關(guān)節(jié)油缸的協(xié)調(diào)驅(qū)動下(前足、右中足、后足和地面接觸驅(qū)動機(jī)體向左轉(zhuǎn)動)，左如足移動至1/5λ2處、右中足浮動、左后足跨步至2/5λ2處、右肖U足移動至4/5λ2、左中足跨步至1/2λ2、右后足移動至λ2處;動作六:在各關(guān)節(jié)油缸的協(xié)調(diào)驅(qū)動下(前足、中足、左后足和地面接觸驅(qū)動機(jī)體向左轉(zhuǎn)動)，左如足移動至0λ2處、右中足浮動、左后足跨步至3/5λ2處、右如足移動至3/5λ2、左中足浮動、右后足跨步至Ολ2處;動作七:在各關(guān)節(jié)油缸的協(xié)調(diào)驅(qū)動下(右前足、中足、后足和地面接觸驅(qū)動機(jī)體向左轉(zhuǎn)動)，左前足跨步至λ2處、右中足浮動、左后足跨步至4/5λ2處、右如足移動至2/5λ2、左中足浮動、右后足移動至1/5入2處;(此時(shí)行走機(jī)構(gòu)完成一個完整的足循環(huán)動作)。
[0011]為了使機(jī)器人能夠應(yīng)用于工程領(lǐng)域，就需要較強(qiáng)的負(fù)重的能力，因此各關(guān)節(jié)采用液壓元件驅(qū)動，為了較小的空間輸出較大的扭矩，胯關(guān)節(jié)的擺動采用螺旋擺動油缸驅(qū)動，根據(jù)空間特點(diǎn)，小腿采用兩個膝關(guān)節(jié)直線油缸驅(qū)動，兩油缸的對稱布置，增加了驅(qū)扭矩的同時(shí)，避免了因單個油缸驅(qū)動軸承受力過大導(dǎo)致?lián)p壞的現(xiàn)象；為了使行走更加平穩(wěn)、承載力大，就需要多足同時(shí)觸地，因此采用各足依次動作的控制方法。
【附圖說明】
[0012]圖1是六足機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2是軀干101的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖3是行走機(jī)構(gòu)102的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖4是螺旋擺動油缸的三維示意圖。
[0016]圖5是行走機(jī)構(gòu)102局部三維示意圖。
[0017]圖6是行走機(jī)構(gòu)102的正視圖。
[0018]圖7是沿圖6中F—F線的剖視圖。
[0019I圖8是行走機(jī)構(gòu)102的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖9各足動作順序及步態(tài)示意簡圖。
[0021]圖10直行動作一步態(tài)時(shí)序圖。
[0022]圖11直行動作二步態(tài)時(shí)序圖。
[0023]圖12直行動作三步態(tài)時(shí)序圖。
[0024]圖13直行動作四步態(tài)時(shí)序圖。
[0025]圖14直行動作五步態(tài)時(shí)序圖。
[0026]圖15直行動作六步態(tài)時(shí)序圖。
[0027]圖16直行動作七步態(tài)時(shí)序圖。
[0028]圖17左轉(zhuǎn)動作一步態(tài)時(shí)序圖。
[0029]圖18左轉(zhuǎn)動作二步態(tài)時(shí)序圖。
[0030]圖19左轉(zhuǎn)動作三步態(tài)時(shí)序圖。
[0031]圖20左轉(zhuǎn)動作四步態(tài)時(shí)序圖。
[0032]圖21左轉(zhuǎn)動作五步態(tài)時(shí)序圖。
[0033]圖22左轉(zhuǎn)動作六步態(tài)時(shí)序圖。
[0034]圖23左轉(zhuǎn)動作七步態(tài)時(shí)序圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]附圖標(biāo)記說明:
101.軀干102.行走機(jī)構(gòu)103.前足104.中足105.后足Α.胯關(guān)節(jié)B.膝關(guān)節(jié)
1.胯關(guān)節(jié)直線油缸2.軸3.螺旋擺動油缸4.大腿5.小腿6.腳掌7.緊固件 8.擺動軸9.外殼10.耳軸11.膝關(guān)節(jié)直線油缸12.膝關(guān)節(jié)擺動盤13.膝關(guān)節(jié)軸
14.軸承15.連接法蘭16.擋油板
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說明。
[0036]—種六足機(jī)器人包括軀干101及在軀干101兩側(cè)對稱設(shè)置的行走機(jī)構(gòu)102(前足
103、中足104和后足105)。行走機(jī)構(gòu)102包括:胯關(guān)節(jié)直線油缸1、軸2、螺旋擺動油缸3、大腿
4、小腿5、腳掌6、緊固件7、膝關(guān)節(jié)直線油缸11、膝關(guān)節(jié)擺動盤12、膝關(guān)節(jié)軸13、軸承14、連接法蘭15及擋油板16等。行走機(jī)構(gòu)102的結(jié)構(gòu)、工作原理一致，下面對其具體的工作原理作詳細(xì)闡述:螺旋擺動油缸3通過其上的耳軸10和軀干101鉸接，另一端通過軸2和胯關(guān)節(jié)直線油缸I鉸接，胯關(guān)節(jié)直線油缸I的另一端通過軸2和軀干101鉸接，各鉸接處形成可以自由轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動副，胯關(guān)節(jié)直線油缸I根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動需要，在油壓的驅(qū)動下，帶動螺旋擺動油缸3繞其上的鉸接耳軸10擺動，從而帶動行走機(jī)構(gòu)102(前足103、中足104和后足105)在主機(jī)左右方向擺動運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向；大腿4通過緊固件7和螺旋擺動油缸3內(nèi)部的擺動軸8端面緊固，螺旋擺動油缸3在油壓的作用下，其內(nèi)部的擺動軸8相對于外殼9擺動，從而帶動大腿4、小腿5等在前后方向運(yùn)動;膝關(guān)節(jié)直線油缸11安裝于大腿4內(nèi)部，膝關(guān)節(jié)軸13的兩側(cè)，其一端通過軸2和大腿4鉸接，形成轉(zhuǎn)動副，另一端通過軸2和膝關(guān)節(jié)擺動盤12鉸接，形成轉(zhuǎn)動副，膝關(guān)節(jié)擺動盤12對稱中心處有正六邊形孔，膝關(guān)節(jié)軸13和膝關(guān)節(jié)擺動盤12配合處截面同為正六邊形，兩者配合到一起，使其不能在周向產(chǎn)生相對運(yùn)動，膝關(guān)節(jié)軸13兩端用安裝于大腿4上的軸承14支撐，膝關(guān)節(jié)軸13和連接法蘭15配合處的截面為正六邊形，膝關(guān)節(jié)軸13和連接法蘭15中心處的正六邊形孔配合，進(jìn)而限制兩者在周向的運(yùn)動，小腿5通過緊固件7和連接法蘭15緊固，膝關(guān)節(jié)直線油缸11在油壓的作用下伸縮運(yùn)動，驅(qū)動膝關(guān)節(jié)擺動盤12繞其中心轉(zhuǎn)動，進(jìn)而通過膝關(guān)節(jié)軸13、連接法蘭15將扭矩傳遞給小腿5，實(shí)現(xiàn)小腿5在前后方向的運(yùn)動;根據(jù)不同的步態(tài)控制胯關(guān)節(jié)直線油缸1、螺旋擺動油缸3、膝關(guān)節(jié)直線油缸11之間的協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)行走機(jī)構(gòu)102(前足103、中足104和后足105)的行走動作，通過各行走機(jī)構(gòu)102之間的協(xié)調(diào)工作，從而可以越過各種復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境;連接法蘭15、擋油板16、大腿4及膝關(guān)節(jié)軸13之間形成的型腔用于儲存潤滑脂潤滑軸承14;為了減小機(jī)器人和地面之間的接觸壓強(qiáng)，提高地形適應(yīng)能力，在小腿5下端安裝了腳掌6，腳掌6和小腿5之間通過軸2鉸接。
[0037]六足機(jī)器人各關(guān)節(jié)采用油缸驅(qū)動具有較強(qiáng)的負(fù)重能力?？桕P(guān)節(jié)在前后方向的擺動采用螺旋擺動油缸驅(qū)動，其特點(diǎn)是能夠輸出較大的扭矩、零泄漏，因此能夠長時(shí)間鎖定某個姿態(tài)，并且負(fù)重能力強(qiáng);根據(jù)空間特點(diǎn)，小腿采用兩個膝關(guān)節(jié)直線油缸驅(qū)動，兩油缸的對稱布置，增加了驅(qū)扭矩的同時(shí)，避免了因單個油缸驅(qū)動軸承受力過大導(dǎo)致?lián)p壞的現(xiàn)象。
[0038]下面章節(jié)對六足機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)動作順序(單足行走原理)及各足之間的步態(tài)時(shí)序進(jìn)行詳細(xì)說明，為了便于闡述，如圖9，規(guī)定前足103的左前足標(biāo)記為a、右前足標(biāo)記為b，中足104的左中足標(biāo)記為c、右中足標(biāo)記為d，后足105的左后足標(biāo)記為e、右后足標(biāo)記為
fo
[0039]為了使行走機(jī)構(gòu)102(前足103、中足104和后足105)靈活運(yùn)動，下面根據(jù)行走機(jī)構(gòu)102的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其工作原理闡述控制方法:情況一，六足機(jī)器人直行的過程中，前足103各關(guān)節(jié)動作順序一致(僅存在步態(tài)時(shí)序差，即左前足a和右前足b存在先后動作的情況)，中足104和后足105各關(guān)節(jié)動作順序一致(僅存在步態(tài)時(shí)序差)。機(jī)器人向前直行的過程中，以左前足a各關(guān)節(jié)的動作順序與控制原理為例闡述前足103的工作過程:由螺旋擺動油缸3驅(qū)動大腿4順時(shí)針轉(zhuǎn)動，完成大腿4的抬腿動作(螺旋擺動油缸3行程結(jié)束)，完成抬大腿4的動作之后，在膝關(guān)節(jié)直線油缸11的驅(qū)動下踢小腿5至豎直狀態(tài)(順時(shí)針轉(zhuǎn)動)，再由螺旋擺動油缸3驅(qū)動大腿4逆時(shí)針轉(zhuǎn)動直至腳掌6觸地(此時(shí)完成跨步)，接下來，小腿5在膝關(guān)節(jié)直線油缸11的驅(qū)動下逆時(shí)針轉(zhuǎn)動至和水平地面之間的夾角為45°，小腿5在逆時(shí)針轉(zhuǎn)動的過程中，大腿4在螺旋擺動油缸3的驅(qū)動下作逆時(shí)針動作，始終保持腳掌6觸地(此時(shí)完成一步的跨步、行走)；機(jī)器人向前直行的過程中，以左后足e各關(guān)節(jié)的動作順序與控制原理為例闡述中足
104、后足105的工作過程:膝關(guān)節(jié)直線油缸11驅(qū)動小腿5順時(shí)針轉(zhuǎn)動至和水平地面之間的夾角為45°，到該位置后，螺旋擺動油缸3驅(qū)動大腿4順時(shí)針轉(zhuǎn)動至螺旋擺動油缸3行程結(jié)束，到該位置后，膝關(guān)節(jié)直線油缸11驅(qū)動小腿5逆時(shí)針轉(zhuǎn)動至腳掌6觸地，然后，螺旋擺動油缸3驅(qū)動大腿4逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，同時(shí)，膝關(guān)節(jié)直線油缸11驅(qū)動小腿5逆時(shí)針轉(zhuǎn)動至豎直狀態(tài)，始終保持腳掌6觸地。當(dāng)六足機(jī)器人向反方向直線行走的情況下，前足103和中足104、后足105各關(guān)節(jié)動作順序互換(即六足機(jī)器人向前直行與向后直行足部控制方法的區(qū)別是前足103的工作步驟和中足104、后足105的工作步驟互換)。情況二，六足機(jī)器人在轉(zhuǎn)向的過程中，行走機(jī)構(gòu)102所包含的前足103和后足105動作原理一致，下面以左前足a向左轉(zhuǎn)向的工作過程作闡述:螺旋擺動油缸3驅(qū)動大腿4抬腿至螺旋擺動油缸3行程結(jié)束(逆時(shí)針轉(zhuǎn)動)，胯關(guān)節(jié)直線油缸I驅(qū)動螺旋擺動油缸3繞其上的耳軸10轉(zhuǎn)動，使得左前足a向左移動，直至胯關(guān)節(jié)直線油缸I行程結(jié)束，螺旋擺動油缸3驅(qū)動大腿4落腿(順時(shí)針轉(zhuǎn)動)，使得腳掌6觸地，然后，胯關(guān)節(jié)直線油缸I驅(qū)動螺旋擺動油缸3繞其上的耳軸10轉(zhuǎn)動，使得左前足a向右移動，至胯關(guān)節(jié)直線油缸(I)行程結(jié)束，在移動的過程中，始終保持腳掌6觸地;六足機(jī)器人在轉(zhuǎn)向的過程中，中足104的腳掌6和地面接觸的工況下，胯關(guān)節(jié)直線油缸I處于浮動狀態(tài)，使得中足104在左右方向的移動是跟隨主機(jī)的需要從動，當(dāng)中足104在左右方向的跨步過程中，胯關(guān)節(jié)直線油缸I驅(qū)動螺旋擺動油缸3繞其上的耳軸10轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)中足104使其在豎直方向。
[0040]為了使行走機(jī)構(gòu)102之間協(xié)調(diào)動作，就需要規(guī)劃各足之間的步態(tài)時(shí)序，在六足機(jī)器人直行的過程中，假設(shè)步距為A1(指支撐相時(shí)足端相對于機(jī)體在前后方向移動的距離)，由于機(jī)器人向前直行和向后直行步態(tài)原理一致(都是通過支撐相時(shí)足端相對于機(jī)體在前后方向移動的距離為節(jié)點(diǎn)控制各足之間的動作順序，向前行走和向后行走僅跨步方向相反，各足動作順序一致，步態(tài)時(shí)序差均為1/5&)，下面以機(jī)器人向前行走為例，闡述各足步態(tài)之間的關(guān)系:在初始狀態(tài)，行走機(jī)構(gòu)102(前足103、中足104、后足105)的腳掌6位于IAA1*，準(zhǔn)備行走前，機(jī)器人原地調(diào)整各足腳掌和地面接觸的位置，為了便于理解跨步過程，規(guī)定跨步動作是各足完成從OA^IjU1的過程。動作一(圖，10):原地調(diào)整各足姿態(tài)，左前足a調(diào)整至A1處、右中足d調(diào)整至4/51!#、左后足e調(diào)整至3/51!#、右前足b調(diào)整至2/51!、左中足c調(diào)整至1/5λι處、右后足f調(diào)整至(^!處;動作二(圖11):在各關(guān)節(jié)油缸的協(xié)調(diào)驅(qū)動下(前足103、中足104、左后足e和地面接觸驅(qū)動機(jī)體向前移動)，左前足a移動至VSA1*、右中足d移動至3/δλ!處、左后足e移動至2/5λι處、右如足b移動至I/5λι、左中足c移動至Ολι處、右后足f抬足跨步至λι處;動作三(圖12):在各關(guān)節(jié)油缸的協(xié)調(diào)驅(qū)動下(前足103、右中足d、后足105和地面接觸驅(qū)動機(jī)體向前移動)，左前足a移動至3/51!#、右中足d移動至2/51!#、左后足e移動至處、右如足b移動至Ολι、左中足c抬足跨步至λι處、右后足f移動至4/5λι處;動作四(圖13):在各關(guān)節(jié)油缸的協(xié)調(diào)驅(qū)動下(左前足a、中足104、后足105和地面接觸驅(qū)動機(jī)體向前移動)，左BU足a移動至2/5λι處、右中足d移動至1/5λι處、左后足e移動至Ολι處、右肖U足b抬足跨步至λι、左中足c移動至4/5λι處、右后足f移動至3/5λι處;動作五(圖14):在各關(guān)節(jié)油缸的協(xié)調(diào)驅(qū)動下(前足103、中足104、右后足f和地面接觸驅(qū)動機(jī)體向前移動)，左前足a移動至l/δλ!處、右中足d移動至Ολι處、左后足e抬足跨步至λι處、右如足b移動至4/5λι、左中足c移動至3/5λι處、右后足f移動至2/5λι處;動作八(圖15):在各關(guān)節(jié)油缸的協(xié)調(diào)驅(qū)動下(如足103、左中足c、后足105和地面接觸驅(qū)動機(jī)體向肖U移動)，左肖U足a移動至0λ處、右中足d抬足跨步至λ處、左后足e移動至4/51!#、右前足b移動至3/51!、左中足c移動至2/51!#、右后足f移動至1/5λι處;動作七(圖16):在各關(guān)節(jié)油缸的協(xié)調(diào)驅(qū)動下(右前足b、中足104、后足105和地面接觸驅(qū)動機(jī)體向肖U移動)，左肖U足a抬足跨步至λι處、右中足d移動至4/5λι處、左后足e移動至3/5λι處、右前足b移動至2/51!、左中足c移動至Ι/δλχ#、右后足f移動至(^!處(此時(shí)行走機(jī)構(gòu)完成一個完整的足循環(huán)，機(jī)體重心向前移動A1的距離)。
[0041]為了使行走機(jī)構(gòu)之間協(xié)調(diào)動作，在六足機(jī)器人原地轉(zhuǎn)向的過程中，假設(shè)步距為λ2(指支撐相時(shí)足端相對于機(jī)體在左右方向移動的距離)，由于機(jī)器人向左轉(zhuǎn)向和向右轉(zhuǎn)向步態(tài)原理一致(都是通過支撐相時(shí)足端相對于機(jī)體在左右方向移動的距離為節(jié)點(diǎn)控制各足之間的動作順序，向左轉(zhuǎn)向和向右轉(zhuǎn)向僅跨步方向相反，各足動作順序一致，步態(tài)時(shí)序差均為1/5λ2)，下面以機(jī)器人向左轉(zhuǎn)向?yàn)槔?，闡述各足步態(tài)之間的關(guān)系:在初始狀態(tài)，行走機(jī)構(gòu)102(前足103、中足104、后足105)的腳掌6位于1/2λ2處，規(guī)定行走機(jī)構(gòu)102在右極限位置為O入2，左極限位置為λ2(圖9)。動作一(圖17):原地調(diào)整各足姿態(tài)，此時(shí)，左前足a位于λ2處、右中足d浮動(胯關(guān)節(jié)直線油缸I不具有約束作用)、左后足e位于4/5&處、右前足b位于2/5λ2、左中足c浮動(胯關(guān)節(jié)直線油缸I不具有約束作用)、右后足f位于1/5λ2處;動作二(圖18):在各關(guān)節(jié)油缸的協(xié)調(diào)驅(qū)動下(前足103、左中足C、后足105和地面接觸驅(qū)動機(jī)體向左轉(zhuǎn)動)，左前足a移動至4/5λ2處、右中足d跨步至1/2λ2處、左后足e移動至λ2處、右前足b移動至1/5入2、左中足c浮動、右后足f移動至2/5λ2處;動作二(圖19):在各關(guān)節(jié)油缸的協(xié)調(diào)驅(qū)動下(BU足103、中足104、右后足f和地面接觸驅(qū)動機(jī)體向左轉(zhuǎn)動)，左前足a移動至3/5λ2處、右中足d浮動、左后足e跨步至0λ2處、右如足b移動至0λ2、左中足c浮動、右后足f移動至3/5λ2處;動作四(圖20):在各關(guān)節(jié)油缸的協(xié)調(diào)驅(qū)動下(左如足a、中足104、后足105和地面接觸驅(qū)動機(jī)體向左轉(zhuǎn)動)，左如足a移動至2/5λ2處、右中足d浮動、左后足e跨步至1/5λ2處、右肖U足b跨步至λ2、左中足c浮動、右后足f移動至4/5λ2處;動作五(圖21):在各關(guān)節(jié)油缸的協(xié)調(diào)驅(qū)動下(如足103、右中足d、后足105和地面接觸驅(qū)動機(jī)體向左轉(zhuǎn)動)，左前足a移動至1/5λ2處、右中足d浮動、左后足e跨步至2/5λ2處、右如足b移動至4/5λ2、左中足c跨步至1/2λ2、右后足f移動至λ〗處；動作六(圖22):在各關(guān)節(jié)油缸的協(xié)調(diào)驅(qū)動下(前足103、中足104、左后足e和地面接觸驅(qū)動機(jī)體向左轉(zhuǎn)動)，左如足a移動至0λ2處、右中足d浮動、左后足e跨步至3/5λ2處、右肖U足b移動至3/5λ2、左中足c浮動、右后足f跨步至0λ2處;動作七(圖23):在各關(guān)節(jié)油缸的協(xié)調(diào)驅(qū)動下(右BU足b、中足104、后足105和地面接觸驅(qū)動機(jī)體向左轉(zhuǎn)動)，左肖U足a跨步至λ2處、右中足d浮動、左后足e跨步至4/5λ2處、右如足b移動至2/5λ2、左中足c浮動、右后足f移動至1/5λ2處；(此時(shí)行走機(jī)構(gòu)102完成一個完整的足循環(huán)動作)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種六足機(jī)器人，包括軀干(101)及在軀干(101)兩側(cè)對稱布置的三對行走機(jī)構(gòu)(102)，其特征在于:三對行走機(jī)構(gòu)(102)分別是前足(103)、中足(104)和后足(105)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種六足機(jī)器人，其特征在于:所述的行走機(jī)構(gòu)(102)在六足機(jī)器人左右方向的擺動由胯關(guān)節(jié)直線油缸(1)驅(qū)動；行走機(jī)構(gòu)(102)的大腿(4)在六足機(jī)器人前后方向的擺動由螺旋擺動油缸(3)驅(qū)動；行走機(jī)構(gòu)(102)的小腿(5)在六足機(jī)器人前后方向的擺動由膝關(guān)節(jié)直線油缸(11)驅(qū)動。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種六足機(jī)器人，其特征在于:所述的螺旋擺動油缸(3)通過其上的耳軸(10)和軀干(101)鉸接，另一端通過軸(2)和胯關(guān)節(jié)直線油缸(1)鉸接，胯關(guān)節(jié)直線油缸(1)的另一端通過軸(2)和軀干(101)鉸接。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種六足機(jī)器人，其特征在于:所述的大腿(4)通過緊固件(7)和螺旋擺動油缸(3)內(nèi)部的擺動軸(8)端面緊固。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種六足機(jī)器人，其特征在于:所述的膝關(guān)節(jié)直線油缸(11)安裝于大腿(4)的內(nèi)部、膝關(guān)節(jié)軸(13)軸線的兩側(cè)，其一端通過軸(2)和大腿(4)鉸接，另一端通過軸(2)和膝關(guān)節(jié)擺動盤(12)鉸接。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種六足機(jī)器人，其特征在于:所述的膝關(guān)節(jié)擺動盤(12)和膝關(guān)節(jié)軸(13)配合處的截面為正六邊形，膝關(guān)節(jié)軸(13)和連接法蘭(15)配合處的截面為正六邊形，膝關(guān)節(jié)軸(13)兩端由安裝于大腿(4)上的軸承(14)支撐，小腿(5)通過緊固件(7)和連接法蘭(15)緊固。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種六足機(jī)器人，其特征在于:所述的連接法蘭(15)、擋油板(16)、大腿(4)及膝關(guān)節(jié)軸(13)之間形成封閉的型腔，型腔中安裝軸承(14)。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種六足機(jī)器人，其特征在于:所述的小腿(5)下端安裝腳掌(6)，腳掌(6)和小腿(5)之間通過軸(2)鉸接。9.一種六足機(jī)器人足部控制方法，其特征在于: 六足機(jī)器人向前直行與向后直行足部控制方法的區(qū)別是前足(103)的工作步驟和中足(104)、后足(105)的工作步驟互換； 六足機(jī)器人向前直行的過程中，左前足(a)和右前足(b)的控制方法相同，下面以左前足(a)的各關(guān)節(jié)動作順序，說明該方法，步驟如下: .1、螺旋擺動油缸(3)驅(qū)動大腿(4)順時(shí)針轉(zhuǎn)動，直至螺旋擺動油缸(3)行程結(jié)束，完成抬大腿(4)的動作； .2、膝關(guān)節(jié)直線油缸(11)的驅(qū)動小腿(5)順時(shí)針轉(zhuǎn)動至豎直位置； .3、螺旋擺動油缸(3)驅(qū)動大腿(4)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動直至腳掌(6)觸地； .4、膝關(guān)節(jié)直線油缸(11)驅(qū)動小腿(5)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動至和水平地面之間的夾角為45°，同時(shí)，螺旋擺動油缸(3)驅(qū)動大腿(4)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，始終保持腳掌(6)觸地； 六足機(jī)器人向前直行的過程中，中足(104)、后足(105)的控制方法相同，下面以左后足(e)的各關(guān)節(jié)動作順序，說明該方法，步驟如下: .1、膝關(guān)節(jié)直線油缸(11)驅(qū)動小腿(5)順時(shí)針轉(zhuǎn)動至和水平地面之間的夾角為45°; .2、螺旋擺動油缸(3)驅(qū)動大腿(4)順時(shí)針轉(zhuǎn)動，直至螺旋擺動油缸(3)行程結(jié)束； .3、膝關(guān)節(jié)直線油缸(11)驅(qū)動小腿(5)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，直至腳掌(6)觸地； .4、螺旋擺動油缸(3)驅(qū)動大腿(4)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，同時(shí)，膝關(guān)節(jié)直線油缸(11)驅(qū)動小腿(5)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動至豎直位置，始終保持腳掌(6)觸地； 六足機(jī)器人向左轉(zhuǎn)向與向右轉(zhuǎn)向控制方法的區(qū)別是胯關(guān)節(jié)直線油缸(1)驅(qū)動行走機(jī)構(gòu)(102)向左擺動與向右擺動，各關(guān)節(jié)動作順序是一致的，下面以左前足(a)驅(qū)動六足機(jī)器人向左動作的工作步驟說明該方法: .1、螺旋擺動油缸(3)驅(qū)動大腿(4)抬腿，胯關(guān)節(jié)直線油缸(I)驅(qū)動螺旋擺動油缸(3)繞其上的耳軸(10)轉(zhuǎn)動，使得左前足(a)向左移動至胯關(guān)節(jié)直線油缸(1)行程結(jié)束； .2、螺旋擺動油缸(3)驅(qū)動大腿(4)落腿，使得腳掌(6)觸地； .3、胯關(guān)節(jié)直線油缸(I)驅(qū)動螺旋擺動油缸(3)繞其上的耳軸(IO)轉(zhuǎn)動，使得左前足(a)相對機(jī)器人向右移動，至胯關(guān)節(jié)直線油缸(1)行程結(jié)束，在移動的過程中，始終保持腳掌(6)觸地； .4、六足機(jī)器人在轉(zhuǎn)向的過程中，中足(104)的腳掌(6)和地面接觸的工況下，胯關(guān)節(jié)直線油缸(I)處于浮動狀態(tài)，使得中足(104)在左右方向的移動是跟隨主機(jī)的需要從動，當(dāng)中足(104)在左右方向的跨步過程中，胯關(guān)節(jié)直線油缸(I)驅(qū)動螺旋擺動油缸(3)繞其上的耳軸(10)轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)中足(104)使其在豎直方向。10.一種六足機(jī)器人步態(tài)控制方法，其特征在于: 六足機(jī)器人向前直行和向后直行步態(tài)原理一致，都是通過支撐相時(shí)足端相對于機(jī)體在前后方向移動的距離為節(jié)點(diǎn)控制各足之間的動作順序，向前行走和向后行走僅跨步方向相反，各足動作順序一致，步態(tài)時(shí)序差均為1/5λ1 ； 六足機(jī)器人向前直行步態(tài)時(shí)序如下: .1、初始狀態(tài)，行走機(jī)構(gòu)(102)的腳掌(6)位于1/2λ I處； .2、機(jī)器人原地調(diào)整各足腳掌和地面接觸的位置，左前足(a)調(diào)整至λ?處、右中足(d)調(diào)整至4/5λ1處、左后足(e)調(diào)整至3/5λ1處、右前足(b)調(diào)整至2/5λ1、左中足(c)調(diào)整至1/5λ1處、右后足(f)調(diào)整至0λ1處； .3、各足行走順序?yàn)?，左前?a)、右中足(d)、左后足(e)、右前足(b)、左中足(C)、右后足(f)、左前足(a)，步態(tài)時(shí)序差為1/5λ1 ； .4、一步行走結(jié)束，向前跨步，步幅為λ1; 六足機(jī)器人向左轉(zhuǎn)向和向右轉(zhuǎn)向步態(tài)原理一致，都是通過支撐相時(shí)足端相對于機(jī)體在左右方向移動的距離為節(jié)點(diǎn)控制各足之間的動作順序，向左轉(zhuǎn)向和向右轉(zhuǎn)向僅跨步方向相反，各足動作順序一致，步態(tài)時(shí)序差均為1/5λ2 ； 六足機(jī)器人向左轉(zhuǎn)向步態(tài)時(shí)序如下: .1、初始狀態(tài)，行走機(jī)構(gòu)(102)的腳掌(6)位于1/2λ2處； .2、原地調(diào)整各足姿態(tài)，左前足(a)位于λ2處、右中足(d)浮動、左后足(e)位于4/5λ2處、右前足(b)位于2/5λ2、左中足(c)浮動、右后足(f)位于1/5λ2處；.3、各足行走順序?yàn)?，左前?a)、右中足(d)、左后足(e)、右前足(b)、左中足(C)、右后足(f)、左前足(a)，步態(tài)時(shí)序差為1/5λ2; .4、一步彳丁走結(jié)束，如足(103)向左跨步、后足(105)向右跨步，步幅為λ2，中足(103)跨步至1/2λ2處。
【文檔編號】B62D57/032GK105857432SQ201610211130
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月5日
【發(fā)明人】趙德朝, 朱凌云
【申請人】趙德朝