CN107253497A - 一种腿臂融合四足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明一种腿臂融合四足机器人，在传统爬行四足机器人结构的基础上，对其中一条腿分支进行腿臂融合的特殊设计，实现腿臂功能复用。具体包括三条普通腿分支、一条腿臂融合分支和机器人本体。普通腿分支具有三个自由度，负责步行转动。腿臂融合分支在末端操作臂折叠时与普通腿分支相同也具有三个自由度，实现行走功能；末端操作臂展开后变成五个自由度的操作臂，可实现操作功能。

Description

一种腿臂融合四足机器人

技术领域

发明涉及一种多足机器人，具体涉及一种腿臂融合四足机器人，属于机器人学、电子技术及传感技术等领域。

背景技术

多足步行机器人是现代机器人学领域一个重要分支，多足步行机器人按腿的数目可分为双足机器人、四足机器人及六足机器人。相对于轮式机器人和履带机器人，多足步行机器人由于其非连续支撑的特点，具有极强的地形适应性和运动灵活性。相对于双足机器人，四足机器人具有更好的承载能力和稳定性，且比六足机器人结构简单，易于控制。从工程角度，综合研发成本、制作难易度、控制方法和***稳定性等各个方面，四足机器人是最好的足式机器人形式。

当今足式机器人的研究更多的偏重于实际应用，所以与运动特性相比，可操作性也成为相当重要的一个功能，可以实现腿臂融合操作功能将是足式机器人单腿结构设计的趋势。当前实现可操作性通常有两种方式，一种是在机器人机身上安装操作臂，典型代表有波士顿动力公司研发的带有操作臂的BigDog和SpotMini机器人，该种方式由于额外增加了操作臂，使整个机器人结构复杂；另一种是利用多足步行机器人的其中的一条、两条或三条腿充当操作臂，进行操作，典型代表有东京工业大学的研制的四足机器人TITAN-IX和NASA研发的六足地外探测机器人ATHLETE，但这些机器人的腿部结构都较为复杂且控制困难。一般在机器人物理机械结构完成后，控制***的构架方式对机器人能否按照预期的目标运作有很大影响。在机器人搭建完成的基础上，如何方便地对机器人进行远程操作也是一个研究热点。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种腿臂融合四足机器人，该四足机器人中腿臂融合分支结构简单，当机器人处于行走模式时，腿臂融合分支中的操作臂能够收起，四条单腿结构正常行走；

所述的腿臂融合四足机器人包括：机器人本体和与机器人本体相连的三条普通腿分支和一条腿臂融合分支；所述腿臂融合分支为在普通腿分支的端部增加可折叠的末端操作臂后形成；当所述腿臂融合分支端部的末端操作臂折叠时，所述腿臂融合分支作为单腿结构，配合三条普通腿分支实现机器人的行走功能；当所述腿臂融合分支端部的末端操作臂展开时，所述腿臂融合分支作为操作臂结构，实现设定的操作功能。

所述普通腿分支包括：三根腿节和三个舵机；其中第一舵机与机器人本体相连，第一腿节的一端与第一舵机的输出轴相连，形成髋关节，另一端与第二舵机固接；第二腿节的一端与第二舵机的输出轴相连，形成大腿关节，另一端与第三舵机固接；第三腿节的一端与第三舵机的输出轴相连，形成小腿关节，另一端安装足端结构；

所述普通腿分支具有三个自由度：以第二腿节和与之对应的普通腿分支与机器人本体之间的垂直连接线所在方向为X向，竖直方向为Z向，机器人本体所在平面内垂直于X向的方向为Y向；所述第一舵机输出轴的轴线沿Z向，第一腿节由第一舵机7驱动绕Z向转动；所述第二舵机输出轴的轴线沿Y向，第二腿节由第二舵机驱动绕Y向转动；所述第三舵机输出轴的轴线沿Y向，第三腿节由第三舵机驱动绕Y向转动。

所述腿臂融合分支为在所述普通腿分支的端部增加由两个舵机、两个手臂杆件和摄像头组成的末端操作臂后形成，具体为：在所述普通腿分支第三腿节的末端安装第四舵机，手臂杆件A的一端与所述第四舵机的输出轴相连，形成手臂关节A，另一端与第五舵机固接；手臂杆件B的一端与第五舵机的输出轴相连，形成手臂关节B，另一端安装有摄像头；

所述末端操作臂具有两个自由度：所述第四舵机输出轴的轴线沿Y向，第四舵机通过手臂关节A带动末端操作臂绕Y向转动，实现末端操作臂的折叠或展开；所述第五舵机的轴线与第四舵机的轴线垂直，第五舵机通过手臂关节B带动手臂杆件B绕其轴线转动，调整摄像头的方位。

所述足端结构包括：三维力传感器、足端立柱和足底圆盘；其中三维力传感器设置在第三腿节端部，用于测量机器人足端作用力；所述足底立柱一端与所述三维力传感器相连，另一端通过球铰与足底圆盘相连。

所述机器人本体上搭载有主控制板、惯性测量单和动力单元；所述主控制板、惯性测量单和动力单元与三维力传感器和摄像头共同构成机器人的机载控制单元；

所述摄像头通过USB接口与主控制板连接，惯性测量单和上述所有舵机分别通过串口与主控制板连接；三维力传感器与过AD模块相连后通过串口与主控制板连接；所述惯性测量单元用于获得机器人自身姿态与位置；所述主控制板依据惯性测量单元所获得的机器人自身姿态与位置，确定机器人所处环境位置并控制机器人运动过程中保持姿态稳定；

所述机载控制单元通过无线网络与一个以上远程控制端通信，所述远程控制端获取安装在机器人上的传感器的数据信息，并对机载控制层发送机器人行走和摄像头运动操作控制指令；所述传感器包括惯性测量单元、摄像头和三维力传感器。

有益效果：

该腿臂融合四足机器人平台兼具步行和操作功能，其中腿臂融合分支实现了腿和操作臂功能的复用，不需要单独安装操作臂来实现操作功能，且当机器人处于行走模式时，腿臂融合分支中的操作臂能够收起，当机器人处于操作模式时，操作臂伸展打开，在另外三条普通腿分支的配合下完成操作功能；在实现可操作性的同时简化了机器人结构；该腿臂融合分支有一定通用性，不仅可以用于本发明中的机器人，还可以用于其他机器人或机械臂等平台。

附图说明

图1为腿臂融合四足机器人的整体结构示意图；

图2为普通腿分支的机构简图；

图3为普通腿分支的结构示意图；

图4为舵机输出轴与腿节间的连接方式示意图；

图5为腿臂融合分支的机构简图；

图6为腿臂融合分支展开时的结构示意图；

图7为腿臂融合分支收起时的结构示意图；

图8为机器人本体上搭载的主控制板和动力单元的示意图；

图9为腿臂融合机器人实验平台硬件框架；

图10为腿臂融合机器人实验平台软件框架。

其中：1-机器人本体，2-普通腿分支，3-腿臂融合分支，4-髋关节、5-大腿关节、6-小腿关节、7-第一舵机、8-第二舵机、9-第三舵机、10-三维力传感器、11-足端立柱、12-足底圆盘、13-手臂关节A、14-手臂关节B、15-手臂杆件A、16-手臂杆件B、17-第四舵机，18-第五舵机，19-摄像头，20-主控制板，21-惯性测量单元，22-动力单元，23-舵机输出轴，24-舵盘，25-髋部连接件B，26-舵机副轴，27-轴承，28-髋部连接件A，29-紧固件，30-端盖

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种腿臂融合四足机器人，该机器人兼具步行和操作功能，设置了腿臂融合分支来实现腿和操作臂功能的复用，在实现可操作性的同时简化了机器人结构。

该腿臂融合四足机器人的整体结构如图1所示，包括：机器人本体1和四条单腿结构。其中机器人本体1为矩形结构，四条单腿结构对称布置在机器人本体1的四个角，用于连接机器人本体1和单腿结构的连接件的安装位置与机器人本体1的对称轴成45°方位角，即机器人本体1每条对角线的两端各设置一个连接件。

机器人的四条单腿结构中，其中三条为普通腿分支2，一条为腿臂融合分支3。虽然机器人单腿结构自由度越多，腿就越灵活，但其设计、控制难度和腿的质量也会逐步地增大。因此，本实施例中的普通腿分支2具有三个自由度，负责步行转动；腿臂融合分支3在折叠时与普通腿分支结构相同，具有三个自由度，实现行走功能，展开后变成具有五自由度的操作臂，可实现操作功能。四条单腿结构的自由度均采用舵机输出，实现行走和操作功能。

三条普通腿分支2的结构相同，以其中一条为例，对其结构进行详细描述。为描述的方便，对该普通腿分支2定义如下坐标系：以该普通腿分支对应的机器人本体1的对角线所在方向为X向，机器人本体1所在平面内垂直于X向的方向为Y向，竖直方向为Z向。

普通腿分支2具有三根腿节和三个舵机，从距离机器人本体1最近的腿节开始，依次为第一腿节、第二腿节、第三腿节；从距离机器人本体1最近的舵机开始，依次为第一舵机7、第二舵机8、第三舵机9。其中，第一舵机7通过本体连接件与机器人本体1相连，第一腿节的一端与第一舵机7的输出轴相连，形成髋关节4，另一端与第二舵机8固接；第二腿节的一端与第二舵机8的输出轴相连，形成大腿关节5，另一端与第三舵机9固接；第三腿节的一端与第三舵机9的输出轴相连，形成小腿关节6，另一端安装足端结构。其中第一腿节与机器人本体1在同一平面内，第一舵机7输出轴的轴线沿Z向，第一腿节由第一舵机7驱动形成在XY平面的横向摆动，即绕Z向的转动；第二腿节竖直设置，第二舵机8输出轴的轴线沿Y向，第二腿节由第二舵机驱动形成在XZ平面的上下摆动，绕Y向的转动；第三舵机9输出轴的轴线与第二舵机8输出轴的轴线平行，即也沿Y向，第三腿节由第三舵机9驱动沿第三舵机9输出轴轴向转动形成在XZ平面的上下摆动，即绕Y向的转动。由此，通过髋关节4可实现普通腿分支2的左右摆动，大腿关节5和小腿关节6实现普通腿分支2的上下移动。

安装在第三腿节末端的足端结构包括：三维力传感器10、足端立柱11和足底圆盘12。其中三维力传感器10设置在第三腿节端部，用于测量机器人足端作用力，作为机器人行走步态算法输入数据。足底立柱11用于连接三维力传感器10和足底圆盘12，足底立柱11通过球铰与足底圆盘12相连，足底圆盘12可实现三轴自由转动。球铰与普通腿分支2中三个舵机的主动旋转自由度组合，可实现普通腿分支2六个自由度运动的需求；同时足底圆盘12在机器人前进时与地面接触产生摩擦力。

上述髋关节4、大腿关节5和小腿关节6处的舵机输出轴与腿节间的连接方式相同，以髋关节4处第一腿节与第一舵机7输出轴之间的连接方式为例，如图4所示，舵机输出轴23与舵盘24相连，舵盘24与髋部连接件B25通过螺钉固联，舵机副轴26安装在舵机输出轴23的对面一侧，上面安装有轴承27，轴承外圈与髋部连接件A28的内孔配合，髋部连接件A28内孔上的凸台对轴承27进行轴向定位，紧固件29将舵机副轴26安装在舵机上，同时将轴承内圈卡在舵机副轴26上，端盖30通过螺钉安装在髋部连接件A28上，起到固定轴承外圈的作用。

腿臂融合分支3的机构简图如图5所示，腿臂融合分支3在普通腿分支2机构简图的基础上增加了手臂关节A13和手臂关节B14。具体在结构上体现是增加了由两个舵机、两个手臂杆件和摄像头组成的末端操作臂。如图6所示，在第三腿节的末端安装第四舵机17，手臂杆件A15的一端与第四舵机17的输出轴相连，形成手臂关节A，另一端与第五舵机18背面固接；手臂杆件B16的一端与第五舵机18的输出轴相连，形成手臂关节B，另一端安装有摄像头19。其中第四舵机17的轴线与第三舵机9的轴线平行，即也沿Y向，第四舵机17通过手臂关节A带动末端操作臂绕其轴线转动，即绕Y向的转动，从而将末端操作臂收起在第三腿节上的凹槽内(如图7所示)，或向外展开(如图6所示)；第五舵机18的轴线与第四舵机17的轴线垂直，第五舵机18通过手臂关节B带动手臂杆件B16绕其轴线转动，从而调整摄像头19的方位。第四舵机17通过舵盘以及螺纹方式接固定在第三腿节末端，第五舵机18与手臂杆件B16通过舵盘用螺纹连接，与图4中舵机输出轴一侧连接方式相同。

当机器人处于操作模式时，三条普通腿分支2站立支撑，腿臂融合分支3伸展打开，如图6所示，由末端摄像头19进行视频和图像捕捉；此时通过腿臂融合分支3的五个自由度结合三条普通腿分支2的三个自由度配合调节末端摄像头19的拍摄角度和位置，实现对摄像头19空间六自由度的运动调节。当机器人处于行走模式时，末端操作臂收起于第三腿节内如图7所示，四条单腿结构正常行走。

机器人本体1上搭载有主控制板20、惯性测量单21(IMU)和动力单元22，如图8所示，与第三腿节末端的三维力传感器10和末端操作臂端部的摄像头19共同构成机器人的控制单元。其中，主控制板20采用MIO-2263系列工业级嵌入式单板电脑，对各类软硬件具有良好的兼容性，同时其较高的性能可以满足大运算量需求，并且使用ROS框架进行开发程序。惯性测量单元21(IMU)采用Xsens公司的MTI-G-300AHRS，能输出三轴线加速度、三轴角速度、三轴偏角和GPS位置信息，从而获得机器人自身姿态与位置。主控制板20依据惯性测量单元21所获得的机器人自身姿态与位置，能够确定机器人所处环境位置并控制机器人运动过程中保持姿态稳定。动力单元22使用两块12v5600mAH的锂电池进行驱动。摄像头采用工业USB摄像头，分辨率可达1920×1080，当机器人处于操作模式时，可通过摄像头捕获机器人周边的视频和图像，并传送给远程控制端。

腿臂融合机器人控制单元的硬件框架如图9所示，分为两层：监测与遥控层和机载控制层。其中机载控制层搭载在机器人身上，核心是主控制板20，周围与之相连的有惯性测量单元21(IMU)、摄像头19、三维力传感器10、AD模块和舵机(第一舵机至第五舵机)。其中摄像头19采用USB接口与主控制板20连接，惯性测量单21和舵机分别通过串口与主控制板20连接；由于三维力传感器10直接输出的是电压模拟信号，不能直接与主控制板20相连，所以通过AD模块(模数转换卡)转换为数字信号后，再通过串口与主控制板20连接。

监测与遥控层可以包括多个同时存在的基于Ubuntu或Android的远程控制端，如PC、笔记本或移动终端等，远程控制端可以同时获取安装在机器人上的传感器的数据信息(所述传感器包括惯性测量单元21、摄像头19和三维力传感器10)，并对机载控制层发送机器人行走和摄像头运动操作控制指令。远程控制端中的功能模块包括：无线连接模块、参数设置模块、舵机控制模块、行走控制模块、操作臂位姿控制模块、视频显示模块和状态监控模块；其中无线连接模块用于实现远程控制端与机载控制层之间的无线连接，参数设置模块用于设置机器人初始状态下各个腿部位置和姿态参数，舵机控制模块用于发送机器人各舵机加载力矩，释放力矩和清除错误等指令，行走控制模块用于发送机器人行走控制指令，操作臂位姿控制模块用于发送摄像头运动操控指令，视频显示模块用于显示摄像头拍摄的图像，状态监控模块用于显示机器人各个传感器采集的数据信息。

在机载控制层中主控制板20是整个机器人的控制中心，它接收来自远程控制端的控制指令，并读取惯性测量单元21所获得的机器人自身姿态与位置、每个舵机自带的位置传感器所获得的角度信息和三维力传感器所获得的三维力信息，通过步态规划、位置控制算法和运动学解算得到机器人运动过程中的关节序列，发送给相应的舵机，进行实时运动控制，同时还会将机器人各个传感器获得的数据信息返回给远程控制端进行界面显示。

机载控制层中的功能模块包括：无线连接模块、参数设置存储模块、舵机控制模块、行走控制模块、步态规划模块和稳定性判断模块，其中无线连接模块用于实现远程控制端与机载控制层之间的无线连接，参数设置存储模块用于存储远程控制端参数设置模块发送的机器人状态参数；舵机控制模块用于控制每个舵机的运动；行走控制模块用于规划机器人本体的行走路径；步态规划模块用于规划机器人各条腿足端的运动轨迹和各关节运动轨迹；稳定性判断模块用于计算机器人本体是否在稳定裕度内，如果在稳定裕度内，可以直接调用步态规划模块进行迈腿动作，如果不在稳定裕度内，机器人行走控制模块会调整机器人运动至稳定裕度内，再进行迈腿动作。

由于远程控制端与机器人机载控制层都基于ROS平台开发，因此有着相同的框架结构，机器人检测与遥控层与机载控制层通过WLAN网络通信，如图10所示。远程控制端对机器人的运动控制依靠ROS中的service(服务)机制来实现。在具体实现中，上位机为client，下位机为server，当上位机调用某个服务后，机器人会接受到该服务调用指令，并自动调用对应的功能模块，实现相应功能。而远程控制端对舵机角度信息、三维力传感器信息、视频信息等的监控主要通过ROS中message(消息)机制来实现，机器人会随时将采集到的数据信息发送到消息队列中，然后经无线传输传送远程控制端的消息队列，最后由上位机进行解析处理，并进行显示。

该机器人的控制单元基于Ubuntu和ROS，远程控制端不仅限于PC、笔记本，还可以很方便地移植到Andriod平台的手机、平板电脑，而且基于ROS的控制软件允许有多个远程控制端同时存在，极大方便了机器人控制和传感器数据采集。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种腿臂融合四足机器人，其特征在于，包括：机器人本体和与机器人本体相连的三条普通腿分支和一条腿臂融合分支；所述腿臂融合分支为在普通腿分支的端部增加可折叠的末端操作臂后形成；当所述腿臂融合分支端部的末端操作臂折叠时，所述腿臂融合分支作为单腿结构，配合三条普通腿分支实现机器人的行走功能；当所述腿臂融合分支端部的末端操作臂展开时，所述腿臂融合分支作为操作臂结构，实现设定的操作功能。

2.如权利要求1所述的腿臂融合四足机器人，其特征在于，所述普通腿分支包括：三根腿节和三个舵机；其中第一舵机与机器人本体相连，第一腿节的一端与第一舵机的输出轴相连，形成髋关节，另一端与第二舵机固接；第二腿节的一端与第二舵机的输出轴相连，形成大腿关节，另一端与第三舵机固接；第三腿节的一端与第三舵机的输出轴相连，形成小腿关节，另一端安装足端结构；

所述普通腿分支具有三个自由度：以第二腿节和与之对应的普通腿分支与机器人本体之间的垂直连接线所在方向为X向，竖直方向为Z向，机器人本体所在平面内垂直于X向的方向为Y向；所述第一舵机输出轴的轴线沿Z向，第一腿节由第一舵机7驱动绕Z向转动；所述第二舵机输出轴的轴线沿Y向，第二腿节由第二舵机驱动绕Y向转动；所述第三舵机输出轴的轴线沿Y向，第三腿节由第三舵机驱动绕Y向转动。

3.如权利要求2所述的腿臂融合四足机器人，其特征在于，所述腿臂融合分支为在所述普通腿分支的端部增加由两个舵机、两个手臂杆件和摄像头组成的末端操作臂后形成，具体为：在所述普通腿分支第三腿节的末端安装第四舵机，手臂杆件A的一端与所述第四舵机的输出轴相连，形成手臂关节A，另一端与第五舵机固接；手臂杆件B的一端与第五舵机的输出轴相连，形成手臂关节B，另一端安装有摄像头；

所述末端操作臂具有两个自由度：所述第四舵机输出轴的轴线沿Y向，第四舵机通过手臂关节A带动末端操作臂绕Y向转动，实现末端操作臂的折叠或展开；所述第五舵机的轴线与第四舵机的轴线垂直，第五舵机通过手臂关节B带动手臂杆件B绕其轴线转动，调整摄像头的方位。

4.如权利要求3所述的腿臂融合四足机器人，其特征在于，所述足端结构包括：三维力传感器、足端立柱和足底圆盘；其中三维力传感器设置在第三腿节端部，用于测量机器人足端作用力；所述足底立柱一端与所述三维力传感器相连，另一端通过球铰与足底圆盘相连。

5.如权利要求4所述的腿臂融合四足机器人，其特征在于，所述机器人本体上搭载有主控制板、惯性测量单和动力单元；所述主控制板、惯性测量单和动力单元与三维力传感器和摄像头共同构成机器人的机载控制单元；

所述摄像头通过USB接口与主控制板连接，惯性测量单和上述所有舵机分别通过串口与主控制板连接；三维力传感器与过AD模块相连后通过串口与主控制板连接；所述惯性测量单元用于获得机器人自身姿态与位置；所述主控制板依据惯性测量单元所获得的机器人自身姿态与位置，确定机器人所处环境位置并控制机器人运动过程中保持姿态稳定；

所述机载控制单元通过无线网络与一个以上远程控制端通信，所述远程控制端获取安装在机器人上的传感器的数据信息，并对机载控制层发送机器人行走和摄像头运动操作控制指令；所述传感器包括惯性测量单元、摄像头和三维力传感器。

6.如权利要求5所述的腿臂融合四足机器人，其特征在于，所述机载控制单元中的功能模块包括：无线连接模块、参数设置存储模块、舵机控制模块、行走控制模块、步态规划模块和稳定性判断模块；所述无线连接模块用于实现机载控制单元与远程控制端之间的无线连接；所述参数设置存储模块用于存储远程控制端发送的机器人状态参数；所述舵机控制模块用于控制每个舵机的运动；所述行走控制模块用于规划机器人的行走路径；所述步态规划模块用于规划机器条普通腿分支和腿臂融合分支的运动轨迹和各关节运动轨迹；所述稳定性判断模块用于判断机器人本体是否在稳定裕度内，如果在稳定裕度内，则直接调用步态规划模块进行迈腿动作，如果不在稳定裕度内，通过所述行走控制模块调整机器人运动直至所述机器人本体在稳定裕度内，再进行迈腿动作；

所述远程控制端中的功能模块包括：无线连接模块、参数设置模块、舵机控制模块、行走控制模块、操作臂位姿控制模块、视频显示模块和状态监控模块；所述无线连接模块用于实现远程控制端与机载控制单元之间的无线连接；所述参数设置模块用于设置机器人初始状态下普通腿分支以及腿臂融合分支的位置和姿态参数；所述舵机控制模块用于向所述机载控制单元发送机器人各舵机加载力矩或释放力矩的指令；所述行走控制模块用向所述机载控制单元于发送机器人行走控制指令；所述操作臂位姿控制模块用于向所述机载控制单元发送摄像头运动操控指令；所述视频显示模块用于显示摄像头拍摄的图像；所述状态监控模块用于显示机器人各个传感器采集的数据信息。

7.如权利要求3所述的腿臂融合四足机器人，其特征在于，当所述末端操作臂折叠时，末端操作臂位于第三腿节上表面的凹槽内。

8.如权利要求1、2或3所述的腿臂融合四足机器人，其特征在于，所述机器人本体为矩形结构，四条所述单腿结构对称布置在机器人本体的四个角，且用于连接机器人本体和单腿结构的连接件位于机器人本体的对角线上。