CN105652896B - 一种用于足式机器人运动实验的转台 - Google Patents

Abstract

一种用于足式机器人运动实验的转台，它涉及一种运动实验的转台。本发明解决了目前没有测试和验证足式机器人局部或者整体样机性能的实验装置问题。小带轮轴承盖板安装在小带轮轴承安装座的下端面上，小同步带轮与大同步带轮通过同步带连接，编码器通过编码器安装座安装在机架盖板下端面上，偏航轴承通过偏航轴承座安装在偏航芯轴底板的上端面上，偏航芯轴盖板盖装在偏航轴承座上；偏航芯轴的下部通过偏航轴承安装在偏航轴承座上，俯仰芯轴穿装在俯仰芯轴上部，俯仰方形框通过俯仰芯轴轴承安装在俯仰芯轴的两端上，电位器通过电位器安装座固装在俯仰方形框的外侧壁上，电位器转动轴通过联轴器与俯仰芯轴的同轴固接。本发明用于足式机器人运动实验。

Description

一种用于足式机器人运动实验的转台

技术领域

本发明涉及一种机器人运动实验的转台，具体涉及一种用于足式机器人运动实验的转台。

背景技术

足式机器人是机器人的重要分支，其非连续支撑的运动特点使得机器人能够跨越崎岖和破碎地形，因此足式机器人在军事行动、消防救灾，极地考察等场合具有巨大的应用前景。

自2005年以来，美国波士顿动力公司(Boston Dynamics)相继公开了其历经十余载研制的仿生四足机器人BigDog和LS3等。与传统轮式以及履带式机器人相比，足式机器人以其卓越的运动能力、负载能力、稳定平衡能力以及未知非结构化环境适应能力受到学术界、军界和工业界的广泛关注。而随着四足机器人研究的深入，学者们开始研究机器人动态下的高速行走，或者研究高负重的足式机器人。

目前足式机器人腿部结构设计大多采用仿生设计，具有多关节旋转自由度，腿部也参照生物特点在结构设计中加入弹簧、变刚度等“被动”弹性阻尼环节，驱动方式大多有电机驱动，液压驱动，气压驱动等。在控制层面，以SLIP模型为基础的足式机器人控制思想得到了广泛的应用，这种方法最大限度地保留了机体运动本质特征的同时，有效地降低了***自由度增加带来的模型的复杂性。

目前急需一种能测试和验证足式机器人性能的实验装置。

发明内容

本发明为解决目前没有测试和验证足式机器人局部或者整体样机性能的实验装置的问题，进而提供一种用于足式机器人运动实验的转台。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明的用于足式机器人运动实验的转台包括俯仰角度测量单元、转台机架、线速度测量单元、动力传输单元、支撑架和两个连接接口；

转台机架包括框架主体、液压旋转接头安装和机架盖板，机架盖板和液压旋转接头安装板由上至下水平固装在框架主体的上部，机架盖板上加工有中心通孔；

动力传输单元包括机器人端进油管、机器人端回油管、泵端进油管、泵端回油管和液压旋转接头，液压旋转接头固装在液压旋转接头安装板的上端面上，泵端进油管和泵端回油管的一端均与液压旋转接头的固定端连通，泵端进油管和泵端回油管的另一端均与供油***连接；机器人端进油管和机器人端回油管的一端均与液压旋转接头的旋转端连通，机器人端进油管和机器人端回油管的另一端均与足式机器人的液压***连通；

线速度测量单元包括偏航芯轴盖板、测速模块、偏航轴承和偏航轴承座，测速模块包括偏航芯轴底板、编码器、编码器安装座、同步带、小同步带轮、小带轮轴承盖板、小带轮轴承、小带轮轴承安装座、轴承拔紧螺栓和大同步带轮，偏航芯轴底板和大同步带轮均为圆环体结构，偏航芯轴底板和大同步带轮由上至下依次固装在液压旋转接头的旋转端的上端面上，小带轮轴承安装座嵌装在机架盖板上，小同步带轮的芯轴、小带轮轴承通过轴承拔紧螺栓安装在小带轮轴承安装座上，小带轮轴承盖板安装在小带轮轴承安装座的下端面上，小同步带轮安装在小同步带轮的芯轴上，小同步带轮与大同步带轮通过同步带连接，编码器通过编码器安装座安装在机架盖板的下端面上，编码器的转动轴与小同步带轮的芯轴同轴设置；偏航轴承通过偏航轴承座安装在偏航芯轴底板的上端面上，偏航芯轴盖板盖装在偏航轴承座上；

俯仰角度测量单元包括电位器、联轴器、电位器安装座、俯仰芯轴、偏航芯轴、连接杆、液压管路通路、俯仰方形框和两个俯仰芯轴轴承；偏航芯轴的下部通过偏航轴承安装在偏航轴承座上，俯仰芯轴穿装在偏航芯轴的上部，俯仰方形框通过两个俯仰芯轴轴承安装在俯仰芯轴的两端上，电位器通过电位器安装座固装在俯仰方形框的外侧壁上，电位器的转动轴通过联轴器与俯仰芯轴同轴固接，连接杆的一端固装在俯仰方形框上，连接杆的另一端上设置有连接接口的一块连接片，支撑架的上端设置有连接接口的另一块连接片，连接接口的两块连接片之间安装有足式机器人。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明的用于足式机器人运动实验的转台设置有俯仰角度测量单元和线速度测量单元，当足式机器人发生上下运动时，足式机器人带动连接杆做上下摆动，连接杆通过俯仰方形框与电位器安装座将俯仰运动传递到电位器的主体上，而电位器的转动轴因为通过俯仰芯轴与偏航芯轴固连并不发生旋转，进而足式机器人高度方向的位移表现为电位器的电阻值的变化，通过电位器的电阻值可测量出足式机器人俯仰角度，再换算出足式机器人跳跃高度；

在足式机器人运动过程中，足式机器人在水平方向的位移通过偏航芯轴传递到测速子模块上，通过同步带轮增速传递到编码器上，从而测量足式机器人线速度，通过调节张紧轮调节杆在张紧轮安装座中的前后位置可以调节张紧轮压在同步带上的张紧力大小，补偿两同步带轮间中心距的误差并防止同步带松弛跳齿；

本发明的转台可用于使用外部液压泵站供能的足式机器人在真实路面下进行平面内正反方向连续行走、奔跑等运动实验的状态监测与整机性能验证，液压动力传输单元可传输液压油并避免实验中油管或导线缠绕机器人。俯仰角度测量单元利用电位器测量足式机器人俯仰角度，线速度测量单元应用带减速装置码盘测量机器人线速度；

本发明用于使用外部液压泵站供能的足式机器人在真实路面下进行平面内正反方向连续运动实验的状态监测与整机性能测试，通过本发明的实验转台可以快速精确地获取足式机器人局部或整体***在实际地面环境中的实验数据，避免传统跑步机奔跑测速中跑步机跑带速度对机器人的影响，从而更加真实地评价机器人整体性能效果，为机器人***的设计与控制提供验证平台。

附图说明

图1是本发明的用于足式机器人运动实验的转台的整体结构立体图；

图2是本发明具体实施方式一中俯仰角度测量单元1的俯视图；

图3是本发明具体实施方式一中线速度测量单元3的主视图；

图4是本发明具体实施方式一中测速模块17的结构示意图；

图5是本发明具体实施方式一中转台机架2与动力传输单元4的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～5所示，本实施方式的用于足式机器人运动实验的转台包括俯仰角度测量单元1、转台机架2、线速度测量单元3、动力传输单元4、支撑架5和两个连接接口6；

转台机架2包括框架主体39、液压旋转接头安装板37和机架盖板33，机架盖板33和液压旋转接头安装板37由上至下水平固装在框架主体39的上部，机架盖板33上加工有中心通孔；

动力传输单元4包括机器人端进油管31、机器人端回油管32、泵端进油管34、泵端回油管35和液压旋转接头38，液压旋转接头38固装在液压旋转接头安装板37的上端面上，泵端进油管34和泵端回油管35的一端均与液压旋转接头38的固定端连通，泵端进油管34和泵端回油管35的另一端均与供油***连接；机器人端进油管31和机器人端回油管32的一端均与液压旋转接头38的旋转端连通，机器人端进油管31和机器人端回油管32的另一端均与足式机器人的液压***连通；

线速度测量单元3包括偏航芯轴盖板16、测速模块17、偏航轴承18和偏航轴承座19，测速模块17包括偏航芯轴底板30、编码器21、编码器安装座22、同步带23、小同步带轮24、小带轮轴承盖板25、小带轮轴承26、小带轮轴承安装座27、轴承拔紧螺栓28和大同步带轮29，偏航芯轴底板30和大同步带轮29均为圆环体结构，偏航芯轴底板30和大同步带轮29由上至下依次固装在液压旋转接头38的旋转端的上端面上，小带轮轴承安装座27嵌装在机架盖板33上，小同步带轮24的芯轴、小带轮轴承26通过轴承拔紧螺栓28安装在小带轮轴承安装座27上，小带轮轴承盖板25安装在小带轮轴承安装座27的下端面上，小同步带轮24安装在小同步带轮24的芯轴上，小同步带轮24与大同步带轮29通过同步带23连接，编码器21通过编码器安装座22安装在机架盖板33的下端面上，编码器21的转动轴与小同步带轮24的芯轴同轴设置；偏航轴承18通过偏航轴承座19安装在偏航芯轴底板30的上端面上，偏航芯轴盖板16盖装在偏航轴承座19上；

俯仰角度测量单元1包括电位器7、联轴器8、电位器安装座9、俯仰芯轴10、偏航芯轴11、连接杆12、液压管路通路13、俯仰方形框15和两个俯仰芯轴轴承14；偏航芯轴11的下部通过偏航轴承18安装在偏航轴承座19上，俯仰芯轴10穿装在偏航芯轴11的上部，俯仰方形框15通过两个俯仰芯轴轴承14安装在俯仰芯轴10的两端上，电位器7通过电位器安装座9固装在俯仰方形框15的外侧壁上，电位器7的转动轴通过联轴器8与俯仰芯轴10同轴固接，连接杆12的一端固装在俯仰方形框15上，连接杆12的另一端上设置有连接接口6的一块连接片，支撑架5的上端设置有连接接口6的另一块连接片，连接接口6的两块连接片之间安装有足式机器人。

当足式机器人进行平面内正方向或者反方向连续运动实验时：俯仰角度测量单元1通过零件俯仰芯轴10连接到线速度测量单元3上，线速度测量单元3通过偏航轴承座19与转台机架2连接，动力传输单元4中的液压旋转接头37顶部法兰盘通过零件偏航芯轴底板30与线速度测量单元3连为一体，动力传输单元4中的液压旋转接头38的底部法兰通过液压旋转接头固定板37与转台机架2相连。而机器人通过连接接口6与零件连接杆12相连，挂载到转台机架2的测量和约束***中来；通过和动力传输单元3中的足式机器人端进油管31、机器人端出油管32连接，接入到实验转台的供能子***中。

电位器7主体通过电位器安装座8固连到俯仰方形框15上，电位器7转动轴通过联轴器8与俯仰芯轴10连接，俯仰芯轴10穿过俯仰芯轴轴承14用螺纹固连到偏航芯轴11上。

当机器人发生上下运动时，机器人带动连接杆12做上下摆动。连接杆12通过俯仰方框15与电位器安装座9将俯仰运动传递到电位器7的主体上。而电位器7的转动轴因为通过仰芯轴10与偏航芯轴11固连并不发生旋转。进而机器人高速方向的位移表现为电位器的电阻值的变化。通过电位器的电阻值可测量出机器人俯仰角度，再换算出机器人跳跃高度。在实验中应保证机器人相对跳跃高度与连接杆杆长的比值小于等于tan5°，从而保证机器人近似在平面内运动。

机器人在水平方向的位移通过连接杆12、俯仰方形框15和俯仰芯轴10的机械约束传递到偏航芯轴11上。偏航芯轴11下方通过偏航芯轴底板30与测速子模块17相连。

大同步带轮29为中空结构，为液压旋转接头38和进出油管腾出空间，并通过同步带23与小同步带轮24连接。编码器21主体通过编码器安装座22固定到机架盖板33上，编码器21转动轴连接到小同步带轮24的芯轴上同步转动。小带轮轴承安装座27嵌入到机架盖板33的座孔中，并通过小带轮轴承盖板25约束上下运动的自由度。在足式机器人运动过程中，足式机器人在水平方向的位移通过偏航芯轴11传递到测速子模块17上后，通过同步带轮增速传递到编码器21上，测量足式机器人线速度。通过调节张紧轮调节杆18在张紧轮安装座19中的前后位置可以调节张紧轮20压在同步带23上的张紧力大小，补偿两同步带轮间中心距的误差并防止同步带松弛跳齿。

进行足式机器人实验时，足式机器人以转台机架2的中心轴线为中心运动，通过连接杆12与机器人运动高度差比值小于等于tan5°的约束将足式机器人在球面内的运动近似为圆柱面，并使机器人运动的高度变化接近机架盖板33水平面对称。整个转台机架2主要起连接或固定其它单元的作用。液压旋转接头38具有内外层两层结构，内外层均布置一个进油口和出油口，且内外层进出油口分别相通。内层相对外层旋转时依然保持这种相通特性。液压旋转接头38的内层顶部通过螺栓与偏航芯轴底板30相连，外层底部通过螺栓固定于机架上的液压旋转接头固定板37上。机器人端的进油管31与回油管32与液压旋转接头38的上法兰相接并连通到内层，泵端进油管34、回油管35通过管螺纹连接到液压旋转接头38的外层。通过将机器人与泵端液压管在旋转自由度上的隔离，可以避免液压油管与转台缠绕，实现机器人在水平运动方向上的连续回转。

本发明的转台机架2通过连接杆12的连接接口6与足式机器人连接，适用于不同驱动方式与运动形式、单足或者多足机器人***进行实验；

本发明通过连接杆12连接机器人和转台机架2，将足式机器人的运动约束到以转轴中心点为球心的球面内，足式机器人质心在运动中的相对运动高度与连接杆12杆长的比值小于或等于tan5°，从而实现将机器人约束到近似平面内运动的目标；

液压油源放置在足式机器人运动所在圆周外部以让出连续运动空间，液压油源经由布置于地上的液压管路汇聚到转台机架转轴中间，管路连接到液压旋转接头上并依附连接杆12向运动中的足式机器人供油，实验中保证了布置于地上的液压管路不干涉机器人水平方向运动，液压动力传输单元分为内外两层，液压动力传输单元使机器人端液压管线、俯仰角度测量装置随机器人同步转动，外层液压管线则固定在静止机架上以避免连续运动实验中油管或导线缠绕机器人，从而实现了足式机器人在平面内的正反向连续运动实验，获得与真实地面平面运动近似一致的实验效果；

本发明转台可对足式机器人进行状态监测，在实验过程中，采用俯仰角度测量单元中的电位器或其它角度测量装置测量连杆的俯仰角度进而换算为机器人跳跃高度，采用速度测量单元中的编码器或其它测速装置测量转台转动角速度进而转化为机器人平面运动的线速度，通过集成到机器人***中的传感器可进行机器人装机的状态监测与验证。

具体实施方式二：如图1和图5所示，本实施方式转台机架(2)的框架主体(39)为长方体框架。如此设计，结构简单，易于加工。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图4所示，本实施方式小同步带轮24与大同步带轮29的转速比为5:1。如此设计，可以实现转速的放大和测量精度的提高。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：如图4所示，本实施方式线速度测量单元3还包括张紧轮20、张紧轮调节杆40和张紧轮安装座41，张紧轮安装座41固装在机架盖板33的下端面上，张紧轮20安装在张紧轮安装座41上，张紧轮调节杆40与张紧轮20连接。如此设计，通过调节张紧轮调节杆40在张紧轮安装座41中的前后位置，从而调节张紧轮20压在同步带23上的张紧力大小，补偿两同步带轮间中心距的误差并防止同步带松弛跳齿。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：如图1所示，本实施方式足式机器人关于转台机架2的中心轴线做旋转运动，足式机器人质心在运动中的相对运动高度与连接杆12的长度比值小于等于tan5°。如此设计，从而可以约束足式机器人在近似平面内运动的目标。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：如图2所示，本实施方式俯仰角度测量单元1中的电位器7测量连接杆12的俯仰角度进而换算为机器人跳跃高度。如此设计，通过本发明的实验装置可以测试和验证足式机器人性能指标。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：如图3和图5所示，本实施方式速度测量单元3的编码器21测量转台转动角速度进而转化为足式机器人平面运动的线速度，通过集成到足式机器人***中的传感器可进行足式机器人装机的状态监测与验证。如此设计，通过本发明的实验装置可以测试和验证足式机器人性能指标。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

工作原理：

本发明的转台中工作过程中，足式机器人通过两个连接接口6被约束到以转台机架2为中心的近似平面上来，通过两个连接接口6带动俯仰角度测量单元1顶部的俯仰方形框15俯仰和旋转，并通过电位器7读取俯仰角度；

俯仰方形框15通过偏航芯轴11和偏航芯轴底板30将旋转运动传递给测速模块17，同步带13将旋转运动速度放大后传递给编码器21，从而通过编码器21脉冲信号可获得足式机器人绕中心轴旋转的转动速度，足式机器人的转动速度乘以连接杆杆长即得到机器人的运动线速度；

外部的液压油通过泵端进油管34进入液压旋转接头38，并通过足式机器人端进油管31泵入足式机器人***，通过足式机器人端出油端32经由液压旋转接头38与泵端回油管35相连，组成完整的液压回路。

Claims (7)

1.一种用于足式机器人运动实验的转台，其特征在于：所述用于足式机器人运动实验的转台包括俯仰角度测量单元(1)、转台机架(2)、线速度测量单元(3)、动力传输单元(4)、支撑架(5)和两个连接接口(6)；

转台机架(2)包括框架主体(39)、液压旋转接头安装板(37)和机架盖板(33)，机架盖板(33)和液压旋转接头安装板(37)由上至下水平固装在框架主体(39)的上部，机架盖板(33)上加工有中心通孔；

动力传输单元(4)包括机器人端进油管(31)、机器人端回油管(32)、泵端进油管(34)、泵端回油管(35)和液压旋转接头(38)，液压旋转接头(38)固装在液压旋转接头安装板(37)的上端面上，泵端进油管(34)和泵端回油管(35)的一端均与液压旋转接头(38)的固定端连通，泵端进油管(34)和泵端回油管(35)的另一端均与供油***连接；机器人端进油管(31)和机器人端回油管(32)的一端均与液压旋转接头(38)的旋转端连通，机器人端进油管(31)和机器人端回油管(32)的另一端均与足式机器人的液压***连通；

线速度测量单元(3)包括偏航芯轴盖板(16)、测速模块(17)、偏航轴承(18)和偏航轴承座(19)，测速模块(17)包括偏航芯轴底板(30)、编码器(21)、编码器安装座(22)、同步带(23)、小同步带轮(24)、小带轮轴承盖板(25)、小带轮轴承(26)、小带轮轴承安装座(27)、轴承拔紧螺栓(28)和大同步带轮(29)，偏航芯轴底板(30)和大同步带轮(29)均为圆环体结构，偏航芯轴底板(30)和大同步带轮(29)由上至下依次固装在液压旋转接头(38)的旋转端的上端面上，小带轮轴承安装座(27)嵌装在机架盖板(33)上，小同步带轮(24)的芯轴、小带轮轴承(26)通过轴承拔紧螺栓(28)安装在小带轮轴承安装座(27)上，小带轮轴承盖板(25)安装在小带轮轴承安装座(27)的下端面上，小同步带轮(24)安装在小同步带轮(24)的芯轴上，小同步带轮(24)与大同步带轮(29)通过同步带(23)连接，编码器(21)通过编码器安装座(22)安装在机架盖板(33)的下端面上，编码器(21)的转动轴与小同步带轮(24)的芯轴同轴设置；偏航轴承(18)通过偏航轴承座(19)安装在偏航芯轴底板(30)的上端面上，偏航芯轴盖板(16)盖装在偏航轴承座(19)上；

俯仰角度测量单元(1)包括电位器(7)、联轴器(8)、电位器安装座(9)、俯仰芯轴(10)、偏航芯轴(11)、连接杆(12)、液压管路通路(13)、俯仰方形框(15)和两个俯仰芯轴轴承(14)；偏航芯轴(11)的下部通过偏航轴承(18)安装在偏航轴承座(19)上，俯仰芯轴(10)穿装在偏航芯轴(11)的上部，俯仰方形框(15)通过两个俯仰芯轴轴承(14)安装在俯仰芯轴(10)的两端上，电位器(7)通过电位器安装座(9)固装在俯仰方形框(15)的外侧壁上，电位器(7)的转动轴通过联轴器(8)与俯仰芯轴(10)同轴固接，连接杆(12)的一端固装在俯仰方形框(15)上，连接杆(12)的另一端上设置有连接接口(6)的一块连接片，支撑架(5)的上端设置有连接接口(6)的另一块连接片，连接接口(6)的两块连接片之间安装有足式机器人。

2.根据权利要求1所述的一种用于足式机器人运动实验的转台，其特征在于：转台机架(2)的框架主体(39)为长方体框架。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于足式机器人运动实验的转台，其特征在于：小同步带轮(24)与大同步带轮(29)的转速比为5:1。

4.根据权利要求3所述的一种用于足式机器人运动实验的转台，其特征在于：线速度测量单元(3)还包括张紧轮(20)、张紧轮调节杆(40)和张紧轮安装座(41)，张紧轮安装座(41)固装在机架盖板(33)的下端面上，张紧轮(20)安装在张紧轮安装座(41)上，张紧轮调节杆(40)与张紧轮(20)连接。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种用于足式机器人运动实验的转台，其特征在于：足式机器人关于转台机架(2)的中心轴线做旋转运动，足式机器人质心在运动中的相对运动高度与连接杆(12)的长度比值小于等于tan5°。

6.根据权利要求5所述的一种用于足式机器人运动实验的转台，其特征在于：俯仰角度测量单元(1)中的电位器(7)测量连接杆(12)的俯仰角度进而换算为机器人跳跃高度。

7.根据权利要求5所述的一种用于足式机器人运动实验的转台，其特征在于：速度测量单元(3)的编码器(21)测量转台转动角速度进而转化为足式机器人平面运动的线速度，通过集成到足式机器人***中的传感器可进行足式机器人装机的状态监测与验证。