CN104787138B - 一种沙漠四足机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种沙漠四足机器人，包括机器人前后躯体、腿部结构、支撑结构、连接机构、计算机控制***、供电***。其中，腿部结构由伺服电机、驱动器、位置传感器、C形腿组成。该机器人采用了柔性钢丝及碳纤维材料作为前后躯体的连接机构。C形腿结构对称地安装于机器人前后左右四个位置。本发明提供的机器人能在崎岖路面等未知环境下快速、稳定地行走。采用柔性连接机构在兼顾结构强度的情况下增加了机器人的灵活性，提高了对复杂环境的适应能力。
Description
技术领域
本发明涉及移动机器人技术领域，尤其涉及到一种适合在复杂路面环境下行走的沙漠四足机器人。
背景技术
足式移动机器人是仿生机器人领域研究的热点之一。目前国内外针对足式机器人的研究，主要集中在机器人足部结构、控制方法策略、对不同环境的适应等方面。国内外许多研究机构针对沙漠、碎石、崎岖路面、草地等复杂环境设计了不同种类的足式机器人，取得了一定的研究进展与成果。
总体来看，现有针对复杂路面环境下的足式机器人方案各有千秋，但也有一定的问题与缺陷存在，机器人对环境的适应能力有待提高。现有的机器人中，有些较为笨重，受限于电机功率与电池续航能力，机器人的驱动力矩有限，在沙漠等环境下难以避免沉陷等情况。有的机器人驱动单元仅为单一电机，依靠机械机构传动实现多组运行，无法做到对机器人行走姿态的精确控制，而且机器人行走步态单一，对不同路面适应性较差。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种结构强度高、姿态灵活、行走稳定性好、对复杂环境适应能力较强的沙漠四足机器人。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种沙漠四足机器人，包括：机器人躯体、腿部结构、计算机控制***以及供电***；其中：
所述计算机控制***和供电***分别包裹于机器人躯体内；
所述腿部结构包括四个C形腿结构，四个C形腿结构两两对称设置于机器人躯体的两侧，四个C形腿结构按照逆时针顺序从机器人躯体左上方开始依次为第一C形腿结构、第二C形腿结构、第三C形腿结构和第四C形腿结构，所述第一C形腿结构和第三C形腿结构形成第一对C形腿结构，第二C形腿结构和第四C形腿结构形成第二对C形腿结构；当第一对C形腿结构悬在空中作为摆动相时，第二对C形腿结构站立在地面上作为支撑相，支撑相和摆动相之间交替切换，实现机器人躯体平稳爬行；
所述四个C形腿结构分别与计算机控制***和供电***相连接，并通过计算机控制***的控制实现两对C形腿结构之间支撑相和摆动相的交替切换。
优选地，每一个C形腿结构均包括C形腿、驱动器、伺服电机、位置传感器和齿轮组；其中：
所述驱动器分别与计算机控制***、供电***和伺服电机相连接，所述伺服电机通过轴承块与C形腿相连接；计算机控制***通过控制驱动器，进而控制伺服电机驱动C形腿运动；
所述齿轮组包括两个减速比为1∶1的齿轮，所述C形腿通过齿轮将C形腿末端的速度信息传递给位置传感器；
所述位置传感器与驱动器相连接。
优选地，所述机器人躯体包括前躯体、后躯体以及连接机构，所述前躯体和后躯体之间通过连接机构连接形成一个整体；
所述前躯体和后躯体分别设有一个支撑结构，所述支撑结构横贯前躯体或后躯体；所述四个C形腿结构分别连接于支撑结构的端部；
所述连接机构包括柔性钢丝和碳纤维块，所述柔性钢丝的一端连接于碳纤维块，所述柔性钢丝的另一端分别与支撑结构相连接。所述柔性钢丝实现机器人躯体前躯体和后躯体的运动自由度。
优选地，所述柔性钢丝共八根，八根柔性钢丝平均分配于碳纤维块的两端。
优选地，所述机器人躯体的外部包裹有碳纤维外壳。
优选地，所述供电***包括两块供电电池，两块供电电池分别包裹于前躯体和后躯体内部，两块供电电池之间通过连接电路连接。
优选地，所述计算机控制***包括工控机以及连接网络；其中，所述工控机通过连接网络与驱动器连接形成控制回路。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1.沙漠四足机器人采用四个伺服电机与四个驱动器，由计算机控制***采集每条C形腿的位置信息，独立控制每条C形腿，保证了机器人腿部位置控制的精确性。
独立的高功率伺服电机提供了高扭矩，保证了机器人在复杂环境下的脱困能力。
2.沙漠四足机器人的前躯体和后躯体之间通过轻质、高强度连接机构相连，提高了机器人的灵活性。
3、沙漠四足机器人的C形腿结构保证了机器人行走的稳定性和越障能力。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为机器人整体示意图；
图2为机器人躯体结构示意图；
图3为机器人腿部结构示意图；
图4为机器人行走示意图。
图中：
1为前躯体，2为后躯体，3为伺服电机，4为驱动器，5为位置传感器，6为C形腿，7为柔性钢丝，8为碳纤维块
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
实施例
本实施例提供了一种沙漠四足机器人，包括：机器人躯体、腿部结构、计算机控制***以及供电***；其中：
所述计算机控制***和供电***分别包裹于机器人躯体内；
所述腿部结构包括四个C形腿结构，四个C形腿结构两两对称设置于机器人躯体的两侧，四个C形腿结构按照逆时针顺序从机器人躯体左上方开始依次为第一C形腿结构、第二C形腿结构、第三C形腿结构和第四C形腿结构，所述第一C形腿结构和第三C形腿结构形成第一对C形腿结构，第二C形腿结构和第四C形腿结构形成第二对C形腿结构；当第一对C形腿结构悬在空中作为摆动相时，第二对C形腿结构站立在地面上作为支撑相，支撑相和摆动相之间交替切换，实现机器人躯体平稳爬行；
所述四个C形腿结构分别与计算机控制***和供电***相连接，并通过计算机控制***的控制实现两对C形腿结构之间支撑相和摆动相的交替切换。
进一步地，每一个C形腿结构均包括C形腿、驱动器、伺服电机、位置传感器和齿轮组；其中：
所述驱动器分别与计算机控制***、供电***和伺服电机相连接，所述伺服电机通过轴承块与C形腿相连接；计算机控制***通过控制驱动器，进而控制伺服电机驱动C形腿运动；
所述齿轮组包括两个减速比为1∶1的齿轮，所述C形腿通过齿轮将C形腿末端的速度信息传递给位置传感器；
所述位置传感器与驱动器相连接。
进一步地，所述机器人躯体包括前躯体、后躯体以及连接机构，所述前躯体和后躯体之间通过连接机构连接形成一个整体；
所述前躯体和后躯体分别设有一个支撑结构，所述支撑结构横贯前躯体或后躯体；所述四个C形腿结构分别连接于支撑结构的端部；
所述连接机构包括柔性钢丝和碳纤维块，所述柔性钢丝的一端连接于碳纤维块，所述柔性钢丝的另一端分别与支撑结构相连接；所述柔性钢丝实现机器人躯体前躯体和后躯体的运动自由度。
进一步地，所述柔性钢丝共八根，八根柔性钢丝平均分配于碳纤维块的两端。
进一步地，所述机器人躯体的外部包裹有碳纤维外壳。
进一步地，所述供电***包括两块供电电池，两块供电电池分别包裹于前躯体和后躯体内部，两块供电电池之间通过连接电路连接。
进一步地，所述计算机控制***包括工控机以及连接网络；其中，所述工控机通过连接网络与驱动器连接形成控制回路。
进一步地，上述柔性钢丝也为柔软钢丝。
下面结合附图对本实施例的实施方式作详细说明：
本实施例提供的沙漠四足机器人，包括机器人前躯体1、后躯体2、腿部结构、支撑结构、连接机构、计算机控制***、供电***。其中，腿部结构由伺服电机3、驱动器4、位置传感器5、C形腿6组成。该机器人采用了柔性钢丝7及碳纤维块8作为前后躯体的连接机构。C形腿结构对称地安装于机器人前后左右四个位置。
进一步地，所述的机器人躯体外包裹有由碳纤维板制成的轻质外壳。
进一步地，四条C形腿对角地氛围两组，每组内的C形腿同时运动与停止。
进一步地，所述的支撑结构固定于腿部结构的轴承块上，底部与机器人躯体底板相连。
进一步地，所述的支撑结构前后两部分各有两根横杆，横贯于躯体左右。
进一步地，所述的连接机构包括柔性钢丝和中部的碳纤维块。其中，机器人前后躯体各通过支撑结构的横杆与四根柔性钢丝相连。前后共八根柔性钢丝与碳纤维块固定相连。
进一步地，所述的连接机构具有一定的柔性，电机带动机器人躯体运动时前后两部分均具有运动自由度，可在一定范围内***。
机器人爬行时，四足按照逆时针的顺序从左上方的C型腿开始依次以1-4编号。其中，腿1和3为一组，腿2和4为另一组。如图4所示，悬在空中的腿称为摆动相，站立在地面上的一组腿称为支撑相。每组腿在支撑相和摆动相之间交替切换，如此保证机器人平稳爬行。
在本实施例中：
所述的计算机***和供电***包裹于机器人躯体内。
所述的腿部结构包括伺服电机、驱动器、位置传感器、C形腿。
所述的腿部结构中，C形腿有4个，对称地安装于机器人躯体的前后左右四个位置。
述的连接机构采用了柔性钢丝，连接机器人中部的碳纤维块。连接机构把机器人前后躯体连接起来形成一个整体。
所述的供电***由两块电池及连接电路组成，两块电池分别安装于前后躯体，包裹于内部。
所述的腿部结构包含两个减速比为1∶1的齿轮，通过齿轮将C形腿末端的速度信息传递给光电编码器。
所述的计算机控制***由工控机构成，工控机通过网线与机器人躯体内安装的驱动器连接形成控制回路。每个驱动器与电池、电机和位置传感器相连。
本实施例提供的沙漠四足机器人，能在崎岖路面等未知环境下快速、稳定地行走；采用柔性连接机构在兼顾结构强度的情况下增加了机器人的灵活性，提高了对复杂环境的适应能力。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (6)
1.一种沙漠四足机器人，其特征在于，包括：机器人躯体、腿部结构、计算机控制***以及供电***；其中：
所述计算机控制***和供电***分别包裹于机器人躯体内；
所述腿部结构包括四个C形腿结构，四个C形腿结构两两对称设置于机器人躯体的两侧，四个C形腿结构按照逆时针顺序从机器人躯体左上方开始依次为第一C形腿结构、第二C形腿结构、第三C形腿结构和第四C形腿结构，所述第一C形腿结构和第三C形腿结构形成第一对C形腿结构，第二C形腿结构和第四C形腿结构形成第二对C形腿结构；当第一对C形腿结构悬在空中作为摆动相时，第二对C形腿结构站立在地面上作为支撑相，支撑相和摆动相之间交替切换，实现机器人躯体平稳爬行；
所述四个C形腿结构分别与计算机控制***和供电***相连接，并通过计算机控制***的控制实现两对C形腿结构之间支撑相和摆动相的交替切换；
每一个C形腿结构均包括C形腿、驱动器、伺服电机、位置传感器和齿轮组；其中：
所述驱动器分别与计算机控制***、供电***和伺服电机相连接，所述伺服电机通过轴承块与C形腿相连接；计算机控制***通过控制驱动器，进而控制伺服电机驱动C形腿运动；
所述齿轮组包括两个减速比为1∶1的齿轮，所述C形腿通过齿轮将C形腿末端的速度信息传递给位置传感器；
所述位置传感器与驱动器相连接。
2.根据权利要求1所述的沙漠四足机器人，其特征在于，所述机器人躯体包括前躯体、后躯体以及连接机构，所述前躯体和后躯体之间通过连接机构连接形成一个整体；
所述前躯体和后躯体分别设有一个支撑结构，所述支撑结构横贯前躯体或后躯体；所述四个C形腿结构分别连接于支撑结构的端部；
所述连接机构包括柔性钢丝和碳纤维块，所述柔性钢丝的一端连接于碳纤维块，所述柔性钢丝的另一端分别与支撑结构相连接。
3.根据权利要求2所述的沙漠四足机器人，其特征在于，所述柔性钢丝共八根，八根柔性钢丝平均分配于碳纤维块的两端。
4.根据权利要求2所述的沙漠四足机器人，其特征在于，所述机器人躯体的外部包裹有碳纤维外壳。
5.根据权利要求2所述的沙漠四足机器人，其特征在于，所述供电***包括两块供电电池，两块供电电池分别包裹于前躯体和后躯体内部，两块供电电池之间通过连接电路连接。
6.根据权利要求1所述的沙漠四足机器人，其特征在于，所述计算机控制***包括工控机以及连接网络；其中，所述工控机通过连接网络与驱动器连接形成控制回路。
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