具有綜合移動功能的五足步行載體的製作方法
2023-07-17 18:30:01 1
專利名稱：具有綜合移動功能的五足步行載體的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有綜合移動功能的五足步行載體，屬機器人技術領域。
在很多作業環境中，一些危險有害的工作需要可移動的機器人代替人類來完成，這類機器人通常採用的移動方式有輪式、履帶式和腿式，其中輪式和履帶式移動機構適宜於在較平坦、相對連續的地面上移動，腿式機構不僅適宜於地面步行，還能跨越障礙和壕溝，攀登臺階和桁架等非連續的空間地形，而且對環境造成的破壞較小，所以腿式移動方式在環境適應能力方面有顯著的優越性，以這種腿式步行方式移動的載體有廣泛的應用前景。
目前，國內外有關腿式移動載體主要是針對具體的、單一的作業環境而開發的，其中大部分僅適合地面行走，還有少數專門設計的機型可在連續牆壁上爬行。對於能夠適應一定的綜合非結構作業環境的移動載體，國內外的研究涉及甚少。複雜的結構環境大致可分為一般的地面地形和包括大坡度的斜面、牆壁、桁架、臺階等空間意義上的結構地形，其中桁架結構是一種人類經常面臨的作業環境，在這種作業環境下的移動機構的研究在國內外幾乎都是空白，更沒有能實現攀登桁架功能的移動載體問世，特別是兼具一般地面移動又能攀登桁架，而且能夠從地面移動狀態自主過渡到桁架攀登狀態的多功能足式移動載體及相關的研究更未有報導，但是具有這種移動能力是機器人在許多應用環境中進行自主作業所必需的。
對於腿式移動機構的靜穩定步行而言，傳統的步行機設計採用偶數條腿，而且對稱分布，這是人們受自然界動物的行走方式的啟發，直觀仿生而設計出的。實際上動物的行走不僅依靠各腿的循環交替運動，而且很大程度上還依賴於軀體脊椎、頸椎等部位的自由度的配合協調運動，特別是在非常規行走、爬行或攀登運動時，表現得尤為顯著。因此，在模仿動物行走機理進行步行機設計時，不能簡單的從形式上進行仿生，應綜合考慮各部分的運動功能的影響進行功能仿生。現在的步行機一般有偶數條腿，且相對車體對稱分布，每條腿有三個自由度，車體為一剛性結構。這種步行機在靜穩定行走或攀登時，因缺乏必要的車體協調自由度，使得在支撐圖形或攀登握持狀態不對稱時得不到必要的運動協調，從而影響了其移動性能。
本發明的目的是基於功能仿生開發一種融合地面行走、桁架攀登及從地面行走狀態到攀登狀態的自主過渡等綜合移動功能的五足步行載體。
本發明五足步行載體由車體、五條腿，五隻足和控制系統四部分組成。車體由前體、左、右翼體、尾體組成，在前體和左、右翼體上各設置一條腿，在尾體上設置二條腿。每條腿的下部各設置一隻足，控制系統設置在車體內。在前體和尾體上的腿各有三個關節，依次為轉動關節，髖關節和膝關節。在左、右翼體上的腿只有髖關節和膝關節兩個關節。在尾體上的腿的下端設置被動足，可用作地面行走和支撐在橫杆上，其橫杆支撐功能由足後部的圓弧槽實現。在前體和左、右翼體上的腿下端設置有抓握功能的主動足，可用作地面行走，又可抓握橫杆，其抓握功能有抓握機構實現，抓握機構有三個軸線相互平行的輥柱組成，其中一個輥注可以上、下移動，實現抓持或鬆開功能。活動輥柱由電機驅動一絲杆滑塊機構實現上、下移動。
為實現較大足端可達空間，滿足多種攀登姿態要求，膝關節的驅動電機設置在大腿內，抓握電機設置在足掌內。
說明附圖如下圖1是本發明步行載體的整機結構示意圖。
圖2是本發明步行載體的車體結構示意圖。
圖3是設置在前體上的腿結構示意圖。
圖4是設置在尾體上的腿結構示意圖。
圖5是設置在左、右翼體上的腿結構示意圖。
圖6是本發明步行載體的轉彎關節結構示意圖。
圖7是本發明步行載體的髖關節結構示意圖。
圖8是本發明步行載體的膝關節結構示意圖。
圖9是本發明步行載體的主動足結構示意圖。
圖10是本發明步行載體的被動足結構示意圖。
圖11是控制系統結構框圖。
圖12是本發明在典型地面靜穩定行走的示意圖。
圖13是本發明從地面行走到桁架攀登的過渡過程示意圖。
圖14是本發明攀登桁架運動的示意圖。
圖15為程序框圖。
結合
實施例如下圖1是本發明五足步行載體整機結構示意圖，其中1是梯子，3，5，8，10，12是五條步行腿；2，6，7，9，13是五隻足；11是控制系統，4是車體。
圖2是車體結構示意圖，其中，14是前體；15是右翼體；16是左翼體；17是尾體；18是上、下基板。
前體14，右翼體15，左翼體16和尾體17與上、下基板18聯結於一體，並相對車體縱向軸線呈左右對稱，目的是使步行載體在行走或攀登時，可得到較好的受力狀態及穩定性。前體14，右翼體15，左翼體16，尾體13兩端分別供安置圖1中的8，5，10，3，12五條腿。翼體和尾體的距離構成步行載體的有效長度。較小的車體有效長度，保證從地面行走狀態到攀登狀態的順利過渡。
圖3為圖1中設置在前體上的腿8的結構示意圖，該腿含有轉彎關節19，髖關節20和膝關節21三個關節，並由轉彎關節19連在車體上，足22為主動足結構(如圖9)。
圖4為圖1中設置在尾體上的腿的結構示意圖，該種腿含有轉彎關節23，髖關節24和膝關節25三個關節，並由轉彎關節23連在車體上，足26為被動足結構(如圖10)。
圖5為圖1中設置在左、右翼體上的腿的結構示意圖，該種腿只含有髖關節27和膝關節28兩個關節，而沒有轉彎關節，整個腿由髖關節27直接固聯於車體上，足29為主動足結構(如圖9)。
圖3、圖4、圖5所示的各腿均為內置電機式關節型結構，即膝關節21、25、28的驅動電機內置入大腿20中，主動足22、29的驅動電機內置於小腿31中。這些腿的結構都類似哺乳動物的腿結構形式，有較大靈活性，且可實現較大足端可達空間，避免了腿和腿、腿和桁架的幹涉，能滿足任意攀登姿態的要求。
圖6是轉彎關節結構示意圖，其中32是髖關節，33是傳動齒輪對，34是關節轉軸，35是關節檢測器，36是驅動電機，37是齒輪減速器。
圖7是髖關節結構示意圖，其中38是傳動齒輪，39是關節轉軸，40是關節檢測器，41是關節驅動電機，42是大腿。髖關節結構中，驅動電機41經過一級蝸輪和二級齒輪減速器驅動關節轉軸39帶動大腿42繞關節轉動軸39相對轉動。關節檢測器40位於關節轉動軸39的軸端，用以檢測髖關節的轉動位置及轉動速度等狀態信息。
圖8是膝關節結構示意圖，其中，43是驅動電機，44是大腿，45是減速器，46是膝關節檢測器，47是關節轉動軸，48是小腿。膝關節結構中，驅動電機43經過一級蝸輪和二級齒輪減速器45驅動關節轉動軸47帶動小腿48相對繞關節轉動軸47轉動。驅動電機43內置於大腿44中。關節檢測器46位於關節轉動軸47的軸端，用以檢測膝關節的轉動位置及轉動速度等狀態信息。
圖9是主動足結構示意圖，其中，49是聯軸器，50是絲槓，51是滑塊，52是導軌，53是活動尼龍輥柱，54是驅動電機，55是側基板，56是固定尼龍輥柱，57是弧形尼龍塊，58是膠皮墊。本足結構兼具有抓握功能，故稱為主動足結構。其抓握功能由抓握機構實現。抓握機構由三個軸線相互平行的尼龍輥柱53，56組成，其中活動尼龍輥柱53聯結於滑塊51上。驅動電機54經聯軸器49驅動絲槓50轉動，絲槓50帶動滑塊51沿導軌52上下移動，滑塊51帶動活動尼龍輥柱53運動，從而完成抓握功能。導軌52具有精確導向及承載雙重功能。絲槓50與電機軸由聯軸器49浮動聯結，以使足端載荷作用於腿上而不是在電機軸上。足底部為弧形尼龍塊57，外覆彈性材料膠皮墊58。圓弧形的足底設計可使腿在繞地面轉動時保持較小的車體高度變化，並與地面有良好的接觸狀態。外覆的彈性材料層膠皮墊58的作用是減小行走時的足端衝擊力和增加摩擦力，防止足端滑動。
圖10是被動足結構示意圖，其中，59是側基板，60是膠皮墊，61是弧形尼龍塊。本足結構不具有主動抓握功能，但可在桁架橫杆上被動支撐，故稱為被動足結構。它與主動足在外形上類似，內部不含抓握機構。弧形尼龍塊61和膠皮墊60的作用與圖9中的弧形尼龍塊57和膠皮墊58的作用相同。
圖11所示的控制系統結構框圖中，採用了分級分布式的控制結構。規劃協調層的作用為；進行系統編程與人機信息交互；步態選擇與規劃；接收與處理伺服控制層反饋來的狀態信息；生成關節伺服控制指令等。伺服控制層計算機接受協調計算機發來的控制指令，對腿上各關節進行控制，實現所規劃的運動，同時把各關節檢測器與足端傳感器的感知信息反饋給協調層計算機，以對下一步控制指令作修正與補償。通訊層為集中管理與分布式郵箱處理結構，實現規劃協調層計算機和伺服控制層計算機的數據交互通訊。對象層的傳感系統對關節運動狀態和足端接觸或抓握狀態等進行在線檢測。
圖12是本發明五足步行載體在典型地面靜穩定行走的示意圖。在圖中a圖為水平地面靜穩定行走的示意圖，b圖為斜坡地面靜穩定行走的示意圖，c圖為靜穩定攀登臺階運動的示意圖，d圖為丘陵地面靜穩定行走的示意圖。
圖13是本發明五足步行載體從地面行走到桁架攀登的過渡過程示意圖。a圖-1圖分別為各個過渡狀態示意圖。其過渡過程實際為擺腿、推進車體、調整車體姿態等幾個基本運動組合而成。用圖1標定的腿號，具體過程為進行車體初態調整後，擺腿8抓握到橫杆上，至圖a狀態；擺腿5抓握到橫杆上，至圖b狀態；擺腿10抓握到橫杆上，至圖c狀態；鬆開腿8並抬起，進行車體姿態調整，如圖d狀態；擺腿8抓握到上一階橫杆上，擺5腿抓握到上一階橫杆上，至圖e狀態；擺腿10抓握到上一階橫杆上；鬆開腿8並抬起，進行車體姿態調整，如圖g狀態；擺腿8抓握到再上一階橫杆上，擺5腿抓握到再上一階橫杆上，至圖h狀態；擺腿10抓握到再上一階橫杆上，擺動腿3跨步，至圖i狀態；擺腿12跨步，鬆開腿8並抬起，進行車體姿態調整，如圖j狀態；擺腿8抓握到再上一階橫杆上，擺5腿抓握到再上一階橫杆上，至圖k狀態；擺腿10抓握到再上一階橫杆上，擺動腿3支撐到橫杆上，擺動腿12支撐到橫杆上，至圖1狀態；從而完成從地面行走到桁架攀登的過渡。
圖14是本發明攀登桁架運動的示意圖。圖a-圖d分別為各個攀登狀態示意圖。用圖1標定的腿號，從圖a狀態開始，其攀登過程為進行車體姿態調整，至圖b狀態；轉換腿5，腿10抓握到上一階橫杆上，再轉換腿3抓握到上一階橫杆上，至圖c狀態；再轉換腿12抓握到上一階橫杆上，進行車體姿態調整，至圖d狀態；按照此順序循環運動下去，實現攀登桁架的運動。
圖15是程序框圖。
本發明具有以下效果1.較強的綜合移動功能與多地形適用性。本發明具有靈活的地面行走功能、桁架和臺階攀登功能、地面爬行狀態與攀登狀態的自主過渡功能、跨越障礙和壕溝功能，可作為實現工廠自動化或野外作業環境中的移動載體，用於物體搬運或移動檢測。
2.較好的移動性能.本發明克服了現有步行機在行走或攀登時因支撐圖形或攀登握持狀態不對稱造成的較差的移動性能，並實現了較多的靜穩定行走步態種類，具有較強的抗失穩性、更快的步行速度和較好的靈活性。
權利要求
1.一種具有綜合移動功能的五足步行載體，其特徵是由車體、五條腿，五隻足和控制系統四部分組成，車體由前體、左、右翼體、尾體組成，在前體和左、右翼體上備設置一條腿，在尾體上設置二條腿，每條腿的下部各設置一隻足，控制系統設置在車體內，在前體和尾體上的腿各有三個關節，依次為轉動關節，髖關節和膝關節，在左、右翼體上的腿只有髖關節和膝關節兩個關節，在尾體上的腿的下端設置被動足，在前體和左、右翼體上的腿下端設置有抓握功能的主動足，其抓握功能有抓握機構實現，抓握機構有三個軸線相互平行的輥柱組成，其中一個輥注可以上、下移動，實現抓持或鬆開功能，活動輥柱由電機驅動一絲杆滑塊機構實現上、下移動。
2.根據權利要求1所述的具有綜合移動功能的五足步行載體，其特徵是膝關節的驅動電機設置在大腿內，抓握電機設置在足掌內。
全文摘要
一種具有綜合移動功能的五足步行載體，屬機器人領域。本五步行載體由車體、五條腿，五隻足和控制系統四部分組成，車體由前體、左、右翼體、尾體組成。在前體和左、右翼體上各設置一條腿，在尾體上設置二條腿，每條腿的下部各設置一隻足。控制系統設置在車體內，在前體和尾體上的腿各有三個關節，依次為轉動關節，髖關節和膝關節，在左、右翼體上的腿只有髖關節和膝關節兩個關節，在尾體上的腿的下端設置被動足，在前體和左、右翼體上的腿下端設置有抓握功能的主動足，其抓握功能有抓握機構實現。
文檔編號B62D57/00GK1164491SQ9710410
公開日1997年11月12日 申請日期1997年4月18日 優先權日1997年4月18日
發明者汪勁松, 張伯鵬, 張江紅, 孟慶國, 鄭浩峻, 陳懇, 王維 申請人:清華大學