可滾動前進的六足機器人的製作方法

2023-05-01 05:56:01

專利名稱：可滾動前進的六足機器人的製作方法
技術領域：
本發明屬於機器人技術領域，涉及一種即可以用腿行走又可以滾動的六足越障機器人。
背景技術：
具有諸多優勢:相對於輪式機器人，足式機器人在崎嶇路面、惡劣路況下具有更好的適應性和避障行走能力；相對於履帶機器人，足式機器人具有重量更輕，行走機構耦合性更弱，在一定自由度的機構失靈後仍能繼續行走等特點。足式機器人，特別是六足機器人，具有良好的路面適應能力、高速機動性、行走穩定性和結構可靠性，能比較輕鬆的跨越障礙。因此六足機器人被廣泛用於危險區域探測，災難救援等領域。目前，已經出現了許多六足機器人，此類機器人一般採用連杆驅動，能實現越障等功能，但是很難越過超過自己身高的障礙；並且系統比較複雜，控制難度大。現在的六足機器人有比較好的越障能力，但是在平坦路面很難高速行走。

發明內容
本發明旨在通過仿生的方法，設計出一種仿生蜘蛛，在越障時利用多足機器人的優勢輕鬆越障；在斜坡崎嶇路面時利用輪型機器人的優勢，快速滾動。同時通過改進設計，加強越障能力，使其可以越過超過身高的障礙。本發明通過以下技術方案實現:一種可滾動前進的六足機器人，包括六邊形的整機支架1，固定安裝於整機支架I正上方的控制與檢測模塊2以及分別固定於整機支架I的六個側邊的六隻足部機構3、4、5、6、7、8，其中六隻足部機構3、4、5、6、7、8的結構形式相同，均包括上肢機構A、中段機構B和下肢機構C。所述的上肢機構A由上肢伺服舵機9、上肢動力輸出法蘭10、上肢與中段連接件
11、帶法蘭支撐軸12、軸承組件13和軸承支架14組成。高扭矩的上肢伺服舵機9通過上肢動力輸出法蘭10帶動上肢與中段連接件11轉動。為了保持運動的剛性，增加了支撐組件。帶法蘭支撐軸12的法蘭端和上肢與中段連接件11固定連接。帶法蘭支撐軸12的軸端與軸承組件13的軸承內圈配合。軸承組件13通過角型材的軸承支架14和整機支架14固連。上肢驅動A配置為抬升機構，提高了機器人的越障能力。所述的中段機構B由中段驅動舵機15、中段支撐軸承16、中段與下肢連接件17和中段動力輸出法蘭18組成。中段支撐舵機15橫向布置，使整條腿的長度變短，降低了腿的力臂長度，從而降低了上肢伺服舵機9的負擔。中段驅動舵機15的動力通過中段動力輸出法蘭18輸出。中段與下肢連接件17在中段驅動舵機15的輸出軸向有兩處和其相連，其中，中段動力輸出法蘭18帶動中段與下肢連接件17橫向轉動，中段支撐軸承16負責支撐。所述的下肢機構C由下肢驅動舵機19、下肢動力輸出法蘭20和下肢雙向足21組成。下肢驅動舵機19通過下肢動力輸出法蘭20帶動下肢雙向足21運動。下肢雙向足21採用鏤空碳纖維板材製造，在保證強度的同時降低了重量。由於下肢雙向足21關於下肢驅動舵機19對稱，即使機器人傾覆仍可正常行走。當進入滾動行走模式時，下肢雙向足21的外部長端著地，因為長度大，所以行走穩定性高，降低了控制系統的負擔。控制與檢測模塊2包括全向視覺的CMOS攝像頭2-1、硬體視覺處理模塊2_2、中央控制器2-3、慣性測量單元2-4以及無線通信單元2-5 ；其中，CMOS攝像頭2-1將採集到的周圍環境信息傳遞給具有硬體視頻壓縮功能的硬體視覺處理模塊2-2，進行視頻處理後，將路況信息傳輸給中央控制器2-3 ；慣性測量單元2-4採集的運動信息，並傳輸給中央控制器2-3 ；無線通信單元2-5用於接收和發送控制指令；中央控制器2-3根據硬體視覺處理模塊2-2和慣性測量單元2-4傳遞過來的信息自行輸出驅動指令，或者根據無線通信單元2-5接收到的人工控制指令，控制各個伺服舵機動作，進而使各個腿移動相應的角度。在自主行走模式下，中央控制器2-3根據CMOS攝像頭2_1的視覺信息做出路況判斷，中央處理器2-3根據視覺信息和慣性測量單元2-4獲得的運動信息做出步態調整與規劃，通過總線發送給各個伺服舵機，各個伺服舵機接收指令並做出相應動作。在遠程控制模式下，通過無線收發單元2-5將CMOS攝像頭2_1採集到的周圍環境信息、慣性測量單元2-4採集的運動信息發送給遠程控制器上的顯示器，操縱員根據顯示信息發出相應控制指令。無線收發單元2-5接收操作員的控制指令，進而通過中央控制器2-3控制各個伺服舵機。在崎嶇和惡劣路況下，採用足式行走。當遇到平坦和下坡路面時，各個足部機構在中央控制器2-3的控制下，協調動作，完成行走到滾動的姿態切換。此過程中，中央控制器2-3通過讀取慣性測量單元2-4的反饋信息來了解自身所處的姿態，做出平衡調整。本發明的有益效果在於:1、在惡劣路況下利用足式機器人的優勢完成越障，在平坦和下坡路面利用輪型機器人的優勢高速行走，提高能量利用率；2、將靠近身體的驅動機構配置為控制抬升自由度，相對於傳統的將靠近身體的機構配置為橫向擺動自由度，提高了越障能力；3、通過自身攜帶的慣性測量單元IMU獲取機器人的姿態，輕鬆完成行走和滾動的切換；4、靠近身體的執行器增加了軸承支撐，相對於沒有支撐的執行器，承載能力更強，運動剛度更大；5、越障能力更強，可以翻越高於身高的障礙；6、整機採用碳纖維和航空鋁結構，重量輕，在相同動力下能提供更高的有效載荷；7、末端腿部相對身體對稱，即使傾覆也能正常行走，同時也增加了滾動時與地面的接觸面積，更穩定，降低了控制系統的負擔；8、六足機器人的運動機構冗餘性，使得機器人在一定的關節失效後仍可前進；雙腿可完成抓取動作，提高了執行任務的能力。


圖1為本發明的整機結構圖；圖2為上肢機構部分的放大圖；圖3為中段結構部分的放大圖；圖4為下肢機構部分的放大圖；圖5為行走姿態到滾動姿態的轉變過程簡圖；圖6為控制與檢測模塊框圖。圖中:1、整機支架；2、控制與檢測模塊；3、4、5、6、7、8、足部機構；9、上肢伺服舵機；10、上肢動力輸出法蘭；11、上肢與中段連接件；12、帶法蘭支撐軸；13、軸承組件；14、軸承支架；15、中段驅動舵機；16、中段支撐軸承；17、中段與下肢連接件；18、中段動力輸出法蘭；19、下肢驅動舵機；20、下肢動力輸出法蘭；21、下肢雙向足；A、上肢機構；B、中段機構；C、下肢機構；2-l、CM0S攝像頭；2_2、硬體視覺處理模塊；2_3、中央控制器；2-4、慣性測量單元；2_5、無線通信單元。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步介紹。圖1為本發明的一種可滾動前進的六足機器人的整機結構圖，可見其包括六邊形的整機支架1，固定安裝於整機支架I正上方的控制與檢測模塊2以及分別固定於整機支架I的六個側邊的六隻足部機構3、4、5、6、7、8，其中六隻足部機構3、4、5、6、7、8的結構形式相同，均包括上肢機構A、中段機構B和下肢機構C。所述的上肢機構A如圖2所示，由上肢伺服舵機9、上肢動力輸出法蘭10、上肢與中段連接件11、帶法蘭支撐軸12、軸承組件13和軸承支架14組成。高扭矩的上肢伺服舵機9通過上肢動力輸出法蘭10帶動上肢與中段連接件11轉動。為了保持運動的剛性，增加了支撐組件。帶法蘭支撐軸12的法蘭端和上肢與中段連接件11固定連接。帶法蘭支撐軸12的軸端與軸承組件13的軸承內圈配合。軸承組件13通過角型材的軸承支架14和整機支架14固連。上肢驅動A配置為抬升機構，提高了機器人的越障能力。所述的中段機構B如圖3所示，由中段驅動舵機15、中段支撐軸承16、中段與下肢連接件17和中段動力輸出法蘭18組成。中段支撐舵機15橫向布置，使整條腿的長度變短，降低了腿的力臂長度，從而降低了上肢伺服舵機9的負擔。中段驅動舵機15的動力通過中段動力輸出法蘭18輸出。中段與下肢連接件17在中段驅動舵機15的輸出軸向有兩處和其相連，其中，中段動力輸出法蘭18帶動中段與下肢連接件17橫向轉動，中段支撐軸承16負責支撐。所述的下肢機構C如圖4所示，由下肢驅動舵機19、下肢動力輸出法蘭20和下肢雙向足21組成。下肢驅動舵機19通過下肢動力輸出法蘭20帶動下肢雙向足21運動。下肢雙向足21採用鏤空碳纖維板材製造，在保證強度的同時降低了重量。由於下肢雙向足21關於下肢驅動舵機19對稱，即使機器人傾覆仍可正常行走。當進入滾動行走模式時，下肢雙向足21的外部長端著地，因為長度大，所以行走穩定性高，降低了控制系統的負擔。圖6為本發明的控制與檢測模塊框圖，包括全向視覺的CMOS攝像頭2-1、硬體視覺處理模塊2-2、中央控制器2-3、慣性測量單元2-4以及無線通信單元2-5 ；其中，CMOS攝像頭2-1將採集到的周圍環境信息傳遞給具有硬體視頻壓縮功能的硬體視覺處理模塊2-2，進行視頻處理後，將路況信息傳輸給中央控制器2-3 ；慣性測量單元2-4採集的運動信息，並傳輸給中央控制器2-3 ；無線通信單元2-5用於接收和發送控制指令；中央控制器2-3根據硬體視覺處理模塊2-2和慣性測量單元2-4傳遞過來的信息自行輸出驅動指令，或者根據無線通信單元2-5接收到的人工控制指令，控制各個伺服舵機動作，進而使各個腿移動相應的角度。在自主行走模式下，中央控制器2-3根據CMOS攝像頭2_1的視覺信息做出路況判斷，中央處理器2-3根據視覺信息和慣性測量單元2-4獲得的運動信息做出步態調整與規劃，通過總線發送給各個伺服舵機，各個伺服舵機接收指令並做出相應動作。在遠程控制模式下，通過無線收發單元2-5將CMOS攝像頭2_1採集到的周圍環境信息、慣性測量單元2-4採集的運動信息發送給遠程控制器上的顯示器，操縱員根據顯示信息發出相應控制指令。無線收發單元2-5接收操作員的控制指令，進而通過中央控制器2-3控制各個伺服舵機。在崎嶇和惡劣路況下，採用足式行走。當遇到平坦和下坡路面時，各個足部機構在中央控制器2-3的控制下，協調動作，完成行走到滾動的姿態切換，其具體過程如圖5所示。此過程中，中央控制器2-3通過讀取慣性測量單元2-4的反饋信息來了解自身所處的姿態，做出平衡調整。上述實施例僅用於說明本發明，其中各部件的結構、連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護範圍之外。
權利要求
1.一種可滾動前進的六足機器人，其特徵在於:包括六邊形的整機支架(1)，固定安裝於整機支架(I)正上方的控制與檢測模塊(2)以及分別固定於整機支架(I)的六個側邊的六隻足部機構(3、4、5、6、7、8)，其中六隻足部機構(3、4、5、6、7、8)的結構形式相同，均包括上肢機構(A)、中段機構(B)和下肢機構(C)。
2.根據權利要求1所示的一種可滾動前進的六足機器人，其特徵在於: 所述的上肢機構(A)由上肢伺服舵機(9)、上肢動力輸出法蘭(10)、上肢與中段連接件(11)、帶法蘭支撐軸(12)、軸承組件(13)和軸承支架(14)組成；高扭矩的上肢伺服舵機(9)通過上肢動力輸出法蘭(10)帶動上肢與中段連接件(11)轉動；帶法蘭支撐軸(12)的法蘭端和上肢與中段連接件(11)固定連接；帶法蘭支撐軸(12)的軸端與軸承組件(13)的軸承內圈配合；軸承組件(13)通過角型材的軸承支架(14)和整機支架(14)固連。
3.根據權利要求1所示的一種可滾動前進的六足機器人，其特徵在於: 所述的中段機構(B)由中段驅動舵機(15)、中段支撐軸承(16)、中段與下肢連接件(17)和中段動力輸出法蘭(18)組成；中段支撐舵機(15)橫向布置；中段驅動舵機(15)的動力通過中段動力輸出法蘭(18)輸出；中段與下肢連接件(17)在中段驅動舵機(15)的輸出軸向有兩處和其相連，其中，中段動力輸出法蘭(18)帶動中段與下肢連接件(17)橫向轉動，中段支撐軸承(16)負責支撐。
4.根據權利要求1所示的一種可滾動前進的六足機器人，其特徵在於: 所述的下肢機構(C)由下肢驅動舵機(19)、下肢動力輸出法蘭(20)和下肢雙向足(21)組成；下肢驅動舵機(19)通過下肢動力輸出法蘭(20)帶動下肢雙向足(21)運動；下肢雙向足(21)關於下肢驅動舵機(19)對稱；當進入滾動行走模式時，下肢雙向足(21)的外部長端著地。
5.根據權利要求1所示的一種可滾動前進的六足機器人，其特徵在於: 所述的控制與檢測模塊(2)包括全向視覺的CMOS攝像頭(2-1)、硬體視覺處理模塊(2-2)、中央控制器(2-3)、慣性測量單元(2-4)以及無線通信單元(2-5)； CMOS攝像頭(2-1)將採集到的周圍環境信息傳遞給具有硬體視頻壓縮功能的硬體視覺處理模塊(2-2 )，進行視頻處理後，將路況信息傳輸給中央控制器(2-3 ); 慣性測量單元(2-4)採集的運動信息，並傳輸給中央控制器(2-3)； 無線通信單元(2-5)用於接收和發送控制指令； 中央控制器(2-3)根據硬體視覺處理模塊(2-2)和慣性測量單元(2-4)傳遞過來的信息自行輸出驅動指令，或者根據無線通信單元(2-5)接收到的人工控制指令，控制各個伺服舵機動作，進而使各個腿移動相應的角度。
全文摘要
本發明公開了一種可滾動前進的六足機器人，包括六邊形的整機支架，固定安裝於整機支架正上方的控制與檢測模塊以及分別固定於整機支架的六個側邊的六隻足部機構，其中六隻足部機構的結構形式相同，均包括上肢機構、中段機構和下肢機構；本發明在崎嶇和惡劣路況下，採用足式行走；當遇到平坦和下坡路面時，各個足部機構在中央控制器的控制下，協調動作，完成行走到滾動的姿態切換；本發明將靠近身體的驅動機構配置為控制抬升自由度，相對於傳統的將靠近身體的機構配置為橫向擺動自由度，提高了越障能力；六足機器人的運動機構冗餘性，使得機器人在一定的關節失效後仍可前進；雙腿可完成抓取動作，提高了執行任務的能力。
文檔編號B62D57/032GK103171645SQ20131013638
公開日2013年6月26日 申請日期2013年4月19日 優先權日2013年4月19日
發明者張海龍, 張先彪, 周威, 尹婷婷, 孟珂, 劉春傑, 楊樂 申請人:吉林大學