一種六輪腿移動操作機器人實驗平臺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種六輪腿移動操作機器人實驗平臺，包括機器人本體以及6條機器人單腿結(jié)構(gòu)，6條機器人單腿結(jié)構(gòu)周向均勻安裝于機器人本體上；單腿結(jié)構(gòu)能設(shè)計為兩種結(jié)構(gòu)：一種為具有步行與輪行功能的輪腿結(jié)構(gòu)；另一種為具有步行及操作功能的腿臂操作結(jié)構(gòu)。上述兩種單腿結(jié)構(gòu)，可根據(jù)不同任務(wù)需求來具體選擇。同時機器人本體內(nèi)部由隔板分割為傳感層、驅(qū)動層、控制層及動力層，用于安裝控制系統(tǒng)；實現(xiàn)對機器人的運動控制。本發(fā)明的優(yōu)點在于：兼具步行輪行功能，對路面環(huán)境的適應(yīng)性較好，并且具有特殊的操作腿，可配置不同的末端執(zhí)行器完成不同任務(wù)需求。
【專利說明】
-種六輪腿移動操作機器人實驗平臺
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明專利設(shè)計一種六輪腿移動操作機器人實驗平臺，屬于機器人學(xué)、電子技術(shù) 及傳感技術(shù)等領(lǐng)域
【背景技術(shù)】
[0002] 足式機器人是現(xiàn)代機器人學(xué)領(lǐng)域一個重要分支，其按腿的數(shù)目機器人可分為雙足 機器人、四足機器人及六足機器人。六足機器人因為其運動的高穩(wěn)定性及高冗余度而備受 各國學(xué)者關(guān)注，被廣泛應(yīng)用于野外探測、搶先救援等任務(wù)，但是其運動速度受到當(dāng)前技術(shù)的 限制，工作效率較為低下，而傳統(tǒng)的輪式機器人運動速度、工作效率較高，但對工作環(huán)境的 要求較為苛刻。所W輪腿結(jié)合式機器人，將兩種機器人的優(yōu)點結(jié)合在一起，其具有很高的研 究價值。未來的機器人僅僅具有移動功能是不夠的，其應(yīng)還具有一定的對目標(biāo)物體進(jìn)行操 作的功能，肢體可W實現(xiàn)腿臂融合操作功能將是足式機器人單腿結(jié)構(gòu)設(shè)計的趨勢，近年來 對于足式機器人單腿實現(xiàn)操作功能的結(jié)構(gòu)設(shè)計成果日益增多，典型的代表有日本東京工業(yè) 大學(xué)研制的Ti化n-IX機器人、日本大阪大學(xué)工程科技研究院研制的Asterisk等，但運些機 器人的腿結(jié)構(gòu)都有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制困難等缺點。一般在機器人物理機械結(jié)構(gòu)完成后，控制系 統(tǒng)的構(gòu)架方式對機器人能否按照預(yù)期的目標(biāo)運作有很大影響。在機器人平臺搭建完成的基 礎(chǔ)上，如何方便地對機器人進(jìn)行遠(yuǎn)程操作也是一個研究熱點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對上述問題，本發(fā)明提出一種六輪腿移動操作機器人實驗平臺，對六輪腿機器 人進(jìn)行新的構(gòu)建;其物理機械結(jié)構(gòu)主要包括五條移動輪腿組件、一條腿臂操作組件及本體 組件；在物理機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上搭建六輪腿機器人的控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)，并配置動力原 件。
[0004] 本發(fā)明一種六輪腿移動操作機器人實驗平臺，包括機器人本體W及6條機器人單 腿結(jié)構(gòu)，6條機器人單腿結(jié)構(gòu)周向均勻安裝于機器人本體上。單腿結(jié)構(gòu)能設(shè)計為兩種結(jié)構(gòu)：
[0005] 結(jié)構(gòu)一:具有步行與輪行功能的輪腿結(jié)構(gòu)，包括Ξ根腿節(jié)，W及4個驅(qū)動艙機。令 Ξ根腿節(jié)分別為第一腿節(jié)、第二腿節(jié)、第Ξ腿節(jié)，4個驅(qū)動艙機分別為第一艙機、第二艙機、 第Ξ艙機、第四艙機。其中，第一腿節(jié)一端固定安裝在第一艙機的輸出軸上，形成髓關(guān)節(jié);第 一艙機輸出軸軸線與水平面垂直，由第一艙機驅(qū)動第一腿節(jié)橫向擺動。第二艙機固定安裝 于第一腿節(jié)另一端，第二艙機輸出軸與第二腿節(jié)一端固定，形成膝關(guān)節(jié);第二艙機輸出軸軸 線與第一艙機輸出軸軸線垂直，由第二艙機驅(qū)動第二腿節(jié)縱向擺動。第二腿節(jié)另一端與第 Ξ艙機輸出軸固定，形成踩關(guān)節(jié);第Ξ艙機輸出軸軸線與第二艙機輸出軸軸線平行，由第Ξ 艙機驅(qū)動第Ξ腿節(jié)縱向擺動。第四艙機位于第Ξ腿節(jié)中部，第四艙機的輸出軸軸線與第Ξ 艙機輸出軸軸線平行，第四艙機輸出軸上通過花鍵同軸固定安裝有輪子，通過第四艙機驅(qū) 動輪子轉(zhuǎn)動;第Ξ腿節(jié)另一端安裝有足地檢測機構(gòu)，用于單腿結(jié)構(gòu)與地面間的接觸，同時可 實現(xiàn)足地接觸狀態(tài)的檢測。
[0006] 結(jié)構(gòu)二:具有步行及操作功能的腿臂操作結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)一的基礎(chǔ)上去掉第四艙機 與輪子；同時去掉第Ξ腿節(jié)與足地檢測機構(gòu)，并分別由執(zhí)行器連接件與末端執(zhí)行器替換，貝U 末端執(zhí)行器通過執(zhí)行器連接件與第Ξ艙機固連，具體連接方式為:執(zhí)行器連接件采用可替 換接口的執(zhí)行器連接件，使執(zhí)行器連接件可連接末端執(zhí)行器。
[0007] 機器人本體內(nèi)部由隔板分割為四層，由上至下依次為傳感層、驅(qū)動層、控制層及動 力層，用于安裝控制系統(tǒng)。其中，傳感層上安裝有Xtion PRO LIVE攝像頭與IMU;Xtion PRO LIVE攝像頭用來采集環(huán)境信息，實現(xiàn)同時定位及地圖創(chuàng)建，W及獲取人的信息，用于人機交 互。IMU用于獲得機器人的自身姿態(tài)，輔助定位和創(chuàng)建環(huán)境地圖。驅(qū)動層上安裝有六塊艙機 驅(qū)動板，分別用于控制6條單腿結(jié)構(gòu)上的各個艙機運動。控制層上安裝有主控板，實現(xiàn)通訊 管理、傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與驅(qū)動管理等功能。動力層上安裝有電池盒，電池盒內(nèi)安 裝機器人供電電池。
[0008] 機器人本體與遠(yuǎn)程控制端進(jìn)行無線通信，由遠(yuǎn)程控制端進(jìn)行控制。遠(yuǎn)程控制端具 有安全認(rèn)證模塊、音視頻播放模塊、操控模塊與信息顯示模塊。各個模塊均分為前端與后 臺；前端為人機交互接口；后臺負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理。其中，安全認(rèn)證模塊用于獲取用戶 輸入的用戶信息，經(jīng)后臺封裝成數(shù)據(jù)包發(fā)送至機器人的控制主控板中，由主控板反饋登錄 結(jié)果至安全認(rèn)證模塊進(jìn)行顯示。音視頻播放模塊通過后臺接收Xtion PRO LIVE攝像頭返回 的聲音信息和相機采集的圖像，經(jīng)后臺解碼后在音視頻播放模塊中進(jìn)行顯示。信息顯示模 塊接收IMU返回的六組機器人傳感信息，如姿態(tài)、關(guān)節(jié)角度和關(guān)節(jié)力矩信息用于顯示六足 機器人傳感信息。操控模塊由運動控件組成，可控制機器人運動；同時可W設(shè)置機器人行進(jìn) 模式。
[0009] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0010] 1、本發(fā)明六輪腿移動操作機器人實驗平臺，兼具步行輪行功能，對路面環(huán)境的適 應(yīng)性較好，并且具有特殊的操作腿，可配置不同的末端執(zhí)行器完成不同任務(wù)需求；
[0011] 2、本發(fā)明六輪腿移動操作機器人實驗平臺中，操作腿組件，有一定通用性，不僅可 W用于本發(fā)明中的機器人平臺，還能用于其它機器人、機械臂等平臺；
[0012] 3、本發(fā)明六輪腿移動操作機器人實驗平臺的控制不再僅僅局限于PC端，還可使用 普通手機、平板電腦等進(jìn)行控制，由于手機端、平板端Amlroid控制軟件的拓展，使機器人的 控制更加方便。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明六輪腿移動操作機器人實驗平臺整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖2為本發(fā)明六輪腿移動操作機器人實驗平臺中結(jié)構(gòu)一的單腿結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖3為單腿結(jié)構(gòu)中艙機與腿節(jié)間的安裝方式示意圖；
[0016] 圖4為本發(fā)明六輪腿移動操作機器人實驗平臺中結(jié)構(gòu)二的單腿結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖5為本發(fā)明六輪腿移動操作機器人實驗平臺站立時單腿結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖6為本發(fā)明六輪腿移動操作機器人實驗平臺中輪行時單腿結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖7為本發(fā)明六輪腿移動操作機器人實驗平臺中機器人主體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖8為本發(fā)明六輪腿移動操作機器人實驗平臺中機器人主體的外殼內(nèi)部分層結(jié)構(gòu) 示意圖；
[0021 ]圖9為本發(fā)明六輪腿移動操作機器人實驗平臺的遠(yuǎn)程控制端結(jié)構(gòu)框圖。
[0022] 1-機器人本體 2-單腿結(jié)構(gòu) 3-艙盤
[0023] 4-伸出軸 5-軸承 6-輪子
[0024] 7-執(zhí)行器連接件 8-末端執(zhí)行器 9-Xtion PRO LIVE攝像頭
[0025] 10-IMU 11-艙機驅(qū)動板 12-主控板
[00%] 13-電池盒 14-充電接口 15-電源開關(guān)
[0027] 101-外殼 102-周邊罩 201-第一腿節(jié)
[002引 202-第二腿節(jié) 203-第Ξ腿節(jié) 204-第一艙機
[00巧]205-第二艙機 206-第Ξ艙機 207-第四艙機
[0030] 208-足地檢測機構(gòu) 901-底座 902-倒U型支架
【具體實施方式】
[0031 ]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0032] 本發(fā)明六輪腿移動操作機器人實驗平臺，包括機器人本體及6條機器人單腿結(jié) 構(gòu)2,如圖1所示，6條機器人單腿結(jié)構(gòu)2周向均勻安裝于機器人本體1上。
[0033] -般機器人步行時為了實現(xiàn)足端在空間中的自由移動，單腿結(jié)構(gòu)2自由度至少為 3,機器人單腿結(jié)構(gòu)2自由度越多，腿就越靈活，但其設(shè)計、控制難度和腿的質(zhì)量將逐步地增 大。本發(fā)明中6條機器人單腿結(jié)構(gòu)2均采用Ξ個艙機輸出Ξ個自由度，實現(xiàn)基本步行功能。
[0034] 本發(fā)明中單腿結(jié)構(gòu)2按功能類型設(shè)計為兩種結(jié)構(gòu)：
[0035] 結(jié)構(gòu)一為具有步行與輪行功能的輪腿結(jié)構(gòu)，如圖2所示，具有Ξ根腿節(jié)，W及4個驅(qū) 動艙機。令Ξ根腿節(jié)分別為第一腿節(jié)、第二腿節(jié)、第Ξ腿節(jié)，4個驅(qū)動艙機分別為第一艙機、 第二艙機、第Ξ艙機、第四艙機。其中，第一腿節(jié)一端固定安裝在第一艙機的輸出軸上，形成 髓關(guān)節(jié);第一艙機204輸出軸軸線與水平面垂直，由第一艙機204驅(qū)動第一腿節(jié)201橫向擺 動。第二艙機205固定安裝于第一腿節(jié)201另一端，第二艙機205輸出軸與第二腿節(jié)202-端 固定，形成膝關(guān)節(jié);第二艙機205輸出軸軸線與第一艙機204輸出軸軸線垂直，由第二艙機 205驅(qū)動第二腿節(jié)202縱向擺動。第二腿節(jié)202另一端與第Ξ艙機206輸出軸固定，形成踩關(guān) 節(jié);第Ξ艙機206輸出軸軸線與第二艙機205輸出軸軸線平行，由第Ξ艙機206驅(qū)動第Ξ腿節(jié) 203縱向擺動。
[0036] 對于上述髓關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)與踩關(guān)節(jié)處的艙機與第一腿節(jié)201、第二腿節(jié)202、第Ξ腿 節(jié)203間的連接方式相同，如圖3所示，其中艙機輸出軸上通過螺釘固定安裝有艙盤3,艙盤3 嵌入腿節(jié)的端部一側(cè)連接位上設(shè)計的凹槽內(nèi)定位;艙機的輸出軸同軸固定安裝有伸出軸4， 伸出軸4端部通過軸承5與腿節(jié)端部另一側(cè)連接位相連。由此艙機通過上述連接方式將動力 傳遞至腿節(jié)，減少了軸承的使用，達(dá)到減重的目的。
[0037] 上述第Ξ腿節(jié)203設(shè)計為向機器人主體1方向彎曲，彎曲夾角為140度;使第四艙機 207位于彎曲處，第四艙機207的輸出軸軸線與第Ξ艙機203輸出軸軸線平行，第四艙機207 輸出軸上通過花鍵同軸固定安裝有輪子6,通過第四艙機207驅(qū)動輪子6轉(zhuǎn)動。
[0038] 第Ξ腿節(jié)203另一端安裝有足地檢測機構(gòu)208,用于單腿結(jié)構(gòu)2與地面間的接觸，同 時可實現(xiàn)足地接觸狀態(tài)的檢測。上述足地檢測機構(gòu)208可采用公開號為CN104816766A的發(fā) 明專利中公開的一種適用于腿式機器人的足端觸地檢測機構(gòu)，運種足地接觸檢測裝置實質(zhì) 是在足端安裝接觸開關(guān)。
[0039] 結(jié)構(gòu)二為具有步行及操作功能的腿臂操作結(jié)構(gòu)，如圖4所示，在結(jié)構(gòu)一的基礎(chǔ)上去 掉第四艙機207與輪子6;同時去掉第Ξ腿節(jié)203與足地檢測機構(gòu)208,并分別由執(zhí)行器連接 件7與末端執(zhí)行器8替換，則末端執(zhí)行器8通過執(zhí)行器連接件7與第Ξ艙機206固連，具體連接 方式為:執(zhí)行器連接件7采用可替換接口的執(zhí)行器連接件，使執(zhí)行器連接件7可連接不同結(jié) 構(gòu)形式的末端執(zhí)行器8。末端執(zhí)行器8根據(jù)操作任務(wù)具體選擇，如:在核福射區(qū)域需夾持某物 體，末端執(zhí)行器8可采用夾持結(jié)構(gòu)，便可控制機器人完成夾持操作；如需讓機器人剪斷某物 體，則末端執(zhí)行器8采用剪切結(jié)構(gòu)，便可控制機器人將特定物體剪斷。本發(fā)明中將末端執(zhí)行 器8設(shè)計為夾持結(jié)構(gòu)。末端執(zhí)行器8由小型電機進(jìn)行驅(qū)動，完成相應(yīng)的操作任務(wù)。
[0040] 在上述結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)一的單腿結(jié)構(gòu)2與機器人本體間的安裝方式相同，直接將第 一艙機204固定與機器人本體1上即可；而6條腿的結(jié)構(gòu)選擇上，可選擇5個結(jié)構(gòu)一的單腿結(jié) 構(gòu)2與1個結(jié)構(gòu)二的單腿結(jié)構(gòu)2;則當(dāng)機器人進(jìn)行步行前進(jìn)時，6條單腿結(jié)構(gòu)2的支撐形式根據(jù) 不同的關(guān)節(jié)位姿也不盡相同，根據(jù)仿生學(xué)原理，仿制蜂卿步行時的單腿支撐構(gòu)型，如圖5所 示，由第一艙機201、第二艙機202、第Ξ艙機203分別驅(qū)動髓關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，調(diào) 節(jié)Ξ個關(guān)節(jié)的位姿，實現(xiàn)單腿結(jié)構(gòu)2的前后擺動或縱向移動，按照不同的步態(tài)前進(jìn)；同時，結(jié) 構(gòu)二的單腿結(jié)構(gòu)2中末端執(zhí)行器8作為步行足足端來支撐機器人進(jìn)行行走。6條腿的結(jié)構(gòu)選 擇上，也可采用4個結(jié)構(gòu)一和2個結(jié)構(gòu)二的單腿結(jié)構(gòu)2,通過2個結(jié)構(gòu)二的單腿結(jié)構(gòu)2實現(xiàn)雙肢 體協(xié)調(diào)操作。當(dāng)機器人進(jìn)行輪行前進(jìn)時，可驅(qū)動其中至少3個單腿結(jié)構(gòu)2中膝關(guān)節(jié)及踩關(guān)節(jié) 轉(zhuǎn)動改變單腿結(jié)構(gòu)2的構(gòu)型，使單腿結(jié)構(gòu)2中的輪子6著地，如圖6所示，實現(xiàn)輪行運動。
[0041] 所述機器人本體1由外殼101、周邊罩102構(gòu)成，如圖7所示;均使用3D打印制作，材 料為塑料，質(zhì)量較輕硬度適宜，并且加工周期短，便于機器人本體1的造型控制。周邊罩102 加裝于外殼101外部，周向上預(yù)留單腿結(jié)構(gòu)2的安裝口；周邊罩102用于保護(hù)外殼101及外殼 101內(nèi)部控制系統(tǒng)。上述機器人本體1中，外殼101采用近圓柱體，且內(nèi)部由具有減重孔的侶 合金板分割為四層，如圖8所示，由上至下依次為傳感層、驅(qū)動層、控制層及動力層，用于安 裝控制系統(tǒng)。
[0042] 其中，傳感層上安裝有Xtion PRO LIVE攝像頭9、IMU(慣性導(dǎo)航單元）10;Xtion PRO LIVE攝像頭9位于外殼101外部，其底座901位于傳感器層內(nèi)，固定安裝在倒U型支架 902上，倒U型支架902固定在傳感層上表面。IMU10固定于傳感器層上，位于倒U型支架902 內(nèi)，由此實現(xiàn)緊湊設(shè)計，減少機器人的體積。上述Xtion PRO LIVE攝像頭9有兩個作用:一是 采集環(huán)境信息，實現(xiàn)同時定位及地圖創(chuàng)建（Simultaneous Localization and Mapping， SLAM,同時定位及地圖創(chuàng)建）；二是獲取人的信息，用于人機交互。Xtion PRO LIVE攝像頭9 包含2個相機，分別為一個RGB相機及一個深度相機;深度相機有效距離在0.8m至3.5m之間。 另外Xtion PRO LIVE攝像頭9兩側(cè)的麥克組成麥克陣列，能夠有效地獲取環(huán)境中的聲音信 息，可用于實現(xiàn)語音控制等自然人機交互方式。IMU10采用慣性導(dǎo)航單元，用于獲得機器人 的自身姿態(tài)，輔助定位和創(chuàng)建環(huán)境地圖。本發(fā)明中IMU10采用MTI-300AHRS，能輸出Ξ軸線加 速度、Ξ軸角速度、Ξ軸偏角，內(nèi)部采用突破性的傳感器融合算法XEE(Xsens Estimation 化gine)，一定程度上克服了 Kalman濾波的限制，性能接近于光學(xué)巧螺儀。
[0043] 驅(qū)動層上安裝有六塊艙機驅(qū)動板11，分別用于控制6條單腿結(jié)構(gòu)2上的各個艙機運 動。六塊艙機驅(qū)動板11并排設(shè)置在驅(qū)動層上表面上，可W實現(xiàn)并行計算，實時性好。
[0044] 控制層上安裝有主控板12,主控板12為機器人的控制中屯、，可實現(xiàn)通訊管理、傳感 器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、驅(qū)動管理等功能。主控板12采用MI0-2263系列嵌入式單板電腦，為 搭載嵌入式化松頗CeleronJ1900四核處理器的工業(yè)級嵌入式單板電腦。主控板12為x86架 構(gòu)，對各類軟硬件具有良好的兼容性，同時其較高的性能可W滿足大運算量需求，并且使用 R0S框架進(jìn)行開發(fā)。
[0045] 動力層上安裝有電池盒13,電池盒13安裝有一塊12V裡電池和一塊7.4V裡電池，使 機器人不用外接電源，獨立自主，擴大機器人適用范圍。
[0046] 上述控制層上還設(shè)計有充電接口 14與電源開關(guān)15;充電導(dǎo)線兩端分別與充電接口 14和動力層中兩塊裡電池相連；由此使外接電源通過充電接口 14來為裡電池充電。電源開 關(guān)15來用來控制每條單腿結(jié)構(gòu)2中的各個艙機及主控板12的上電下電。
[0047] 本發(fā)明在wlan無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，與遠(yuǎn)程控制端(手機端或平板端)進(jìn)行無線通信， 由遠(yuǎn)程控制端進(jìn)行控制?？刂贫瞬捎肁mlroid系統(tǒng)，設(shè)計有控制模塊;控制模塊包括安全認(rèn) 證模塊、音視頻播放模塊、操控模塊、信息顯示模塊，如圖9所示?？刂贫酥懈鱾€模塊均分為 前端與后臺。前端為人機交互接口；后臺負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理。其中，安全認(rèn)證模塊用于 獲取用戶輸入的用戶信息，經(jīng)后臺封裝成數(shù)據(jù)包發(fā)送至機器人的控制主控板12中，由主控 板反饋登錄結(jié)果至安全認(rèn)證模塊進(jìn)行顯示。音視頻播放模塊通過后臺接收六足機器人中 Xtion PRO LIVE攝像頭返回的聲音信息和相機采集的圖像，經(jīng)后臺解碼后在音視頻播放 模塊中進(jìn)行顯示。信息顯示模塊接收IMU返回的六組機器人傳感信息，如姿態(tài)、關(guān)節(jié)角度和 關(guān)節(jié)力矩信息用于顯示六足機器人傳感信息，如姿態(tài)、關(guān)節(jié)角度和關(guān)節(jié)力矩。操控模塊由多 個控件組成，可控制六足機器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、暫停、停止等動作。同時可W設(shè)置機 器人行進(jìn)模式，如腿式行進(jìn)模式或輪式行進(jìn)模式。
[0048] 對于平板電腦端，由于平板電腦的屏幕較大，能夠容納更多的功能模塊。相比手機 端，本發(fā)明中在平板電腦端還增加了Ξ維仿真模塊。Ξ維仿真模根據(jù)Xtion PRO LIVE攝像 頭與IMU模塊返回的機器人運動及其周圍環(huán)境信號，同步顯示機器人運動和環(huán)境地形。在機 器人運行過程中，Ξ維仿真模塊根據(jù)六足機器人關(guān)節(jié)角度信息，驅(qū)動Ξ維模型與真實機器 人同步(低延時)運動。
【主權(quán)項】
1. 一種六輪腿移動操作機器人實驗平臺，包括機器人本體以及6條機器人單腿結(jié)構(gòu)，6 條機器人單腿結(jié)構(gòu)周向均勻安裝于機器人本體上;其特征在于： 單腿結(jié)構(gòu)能設(shè)計為兩種結(jié)構(gòu)： 結(jié)構(gòu)一：具有步行與輪行功能的輪腿結(jié)構(gòu)，包括三根腿節(jié)，以及4個驅(qū)動舵機;令三根腿 節(jié)分別為第一腿節(jié)、第二腿節(jié)、第三腿節(jié)，4個驅(qū)動舵機分別為第一舵機、第二舵機、第三舵 機、第四舵機;其中，第一腿節(jié)一端固定安裝在第一舵機的輸出軸上，形成髖關(guān)節(jié);第一舵機 輸出軸軸線與水平面垂直，由第一舵機驅(qū)動第一腿節(jié)橫向擺動;第二舵機固定安裝于第一 腿節(jié)另一端，第二舵機輸出軸與第二腿節(jié)一端固定，形成膝關(guān)節(jié);第二舵機輸出軸軸線與第 一舵機輸出軸軸線垂直，由第二舵機驅(qū)動第二腿節(jié)縱向擺動;第二腿節(jié)另一端與第三舵機 輸出軸固定，形成踝關(guān)節(jié);第三舵機輸出軸軸線與第二舵機輸出軸軸線平行，由第三舵機驅(qū) 動第三腿節(jié)縱向擺動;第四舵機位于第三腿節(jié)中部，第四舵機的輸出軸軸線與第三舵機輸 出軸軸線平行，第四舵機輸出軸上通過花鍵同軸固定安裝有輪子，通過第四舵機驅(qū)動輪子 轉(zhuǎn)動;第三腿節(jié)另一端安裝有足地檢測機構(gòu)，用于單腿結(jié)構(gòu)與地面間的接觸，同時可實現(xiàn)足 地接觸狀態(tài)的檢測； 結(jié)構(gòu)二：具有步行及操作功能的腿臂操作結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)一的基礎(chǔ)上去掉第四舵機與輪 子;同時去掉第三腿節(jié)與足地檢測機構(gòu)，并分別由執(zhí)行器連接件與末端執(zhí)行器替換，則末端 執(zhí)行器通過執(zhí)行器連接件與第三舵機固連，具體連接方式為:執(zhí)行器連接件采用可替換接 口的執(zhí)行器連接件，使執(zhí)行器連接件可連接末端執(zhí)行器； 機器人本體內(nèi)部由隔板分割為四層，由上至下依次為傳感層、驅(qū)動層、控制層及動力 層，用于安裝控制系統(tǒng)；其中，傳感層上安裝有Xtion PRO LIVE攝像頭與IMU;Xtion PRO LIVE攝像頭用來采集環(huán)境信息，實現(xiàn)同時定位及地圖創(chuàng)建，以及獲取人的信息，用于人機交 互；MU用于獲得機器人的自身姿態(tài)，輔助定位和創(chuàng)建環(huán)境地圖；驅(qū)動層上安裝有六塊舵機 驅(qū)動板，分別用于控制6條單腿結(jié)構(gòu)上的各個舵機運動;控制層上安裝有主控板，實現(xiàn)通訊 管理、傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與驅(qū)動管理等功能;動力層上安裝有電池盒，電池盒內(nèi)安 裝機器人供電電池； 機器人本體與遠(yuǎn)程控制端進(jìn)行無線通信，由遠(yuǎn)程控制端進(jìn)行控制；遠(yuǎn)程控制端具有安 全認(rèn)證模塊、音視頻播放模塊、操控模塊與信息顯示模塊;各個模塊均分為前端與后臺；前 端為人機交互接口；后臺負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理;其中，安全認(rèn)證模塊用于獲取用戶輸入 的用戶信息，經(jīng)后臺封裝成數(shù)據(jù)包發(fā)送至機器人的控制主控板中，由主控板反饋登錄結(jié)果 至安全認(rèn)證模塊進(jìn)行顯示;音視頻播放模塊通過后臺接收Xtion PRO LIVE攝像頭返回的聲 音信息和相機采集的圖像，經(jīng)后臺解碼后在音視頻播放模塊中進(jìn)行顯示;信息顯示模塊接 收頂U返回的六組機器人傳感信息，如姿態(tài)、關(guān)節(jié)角度和關(guān)節(jié)力矩信息用于顯示六足機器人 傳感信息;操控模塊由運動控件組成，可控制機器人運動；同時可以設(shè)置機器人行進(jìn)模式。2. 如權(quán)利要求1所述一種六輪腿移動操作機器人實驗平臺，其特征在于:在機器人本體 上安裝5個結(jié)構(gòu)一的單腿結(jié)構(gòu)與1個結(jié)構(gòu)二的單腿結(jié)構(gòu);或安裝4個結(jié)構(gòu)一和2個結(jié)構(gòu)二的單 腿結(jié)構(gòu)。3. 如權(quán)利要球1所述一種六輪腿移動操作機器人實驗平臺，其特征在于:髖關(guān)節(jié)、膝關(guān) 節(jié)與踝關(guān)節(jié)處的舵機與第一腿節(jié)、第二腿節(jié)、第三腿節(jié)間的連接方式相同，其中舵機輸出軸 上通過螺釘固定安裝有舵盤，舵盤嵌入腿節(jié)的端部一側(cè)連接位上設(shè)計的凹槽內(nèi)定位;舵機 的輸出軸同軸固定安裝有伸出軸，伸出軸端部通過軸承與腿節(jié)端部另一側(cè)連接位相連。4. 如權(quán)利要球1所述一種六輪腿移動操作機器人實驗平臺，其特征在于:機器人本體外 加裝周邊罩，周邊罩周向上預(yù)留單腿結(jié)構(gòu)的安裝口；通過周邊罩對機器人本進(jìn)行保護(hù)。5. 如權(quán)利要球1所述一種六輪腿移動操作機器人實驗平臺，其特征在于：Xtion PRO LIVE攝像頭位于機器人主體外部，底座位于傳感器層內(nèi)，固定安裝在倒U型支架上，倒U型支 架固定在傳感層上表面;MU位于倒U型支架內(nèi)。6. 如權(quán)利要球1所述一種六輪腿移動操作機器人實驗平臺，其特征在于:六塊舵機驅(qū)動 板并排設(shè)置在驅(qū)動層上表面上，可以實現(xiàn)并行計算，實時性好。7. 如權(quán)利要球1所述一種六輪腿移動操作機器人實驗平臺，其特征在于:控制層上還設(shè) 計有充電接口與電源開關(guān);充電導(dǎo)線兩端分別與充電接口和動力層中兩塊鋰電池相連；由 此使外接電源通過充電接口來為鋰電池充電；電源開關(guān)來用來控制每條單腿結(jié)構(gòu)中的各個 舵機及主控板的上電下電。8. 如權(quán)利要球1所述一種六輪腿移動操作機器人實驗平臺，其特征在于:遠(yuǎn)程控制端還 具有三維仿真模塊;三維仿真模根據(jù)Xtion PRO LIVE攝像頭與頂U模塊返回的機器人運動 及其周圍環(huán)境信號，同步顯示機器人運動和環(huán)境地形;在機器人運行過程中，三維仿真模塊 根據(jù)六足機器人關(guān)節(jié)角度信息，驅(qū)動三維模型與真實機器人同步運動。
【文檔編號】B25J13/00GK105966488SQ201610389714
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月2日
【發(fā)明人】丁希侖, 鄭羿, 齊靜, 尹業(yè)成
【申請人】北京航空航天大學(xué)