CN107472396B - 一种可实现空中姿态调整的四足机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明设计了一种可实现空中姿态调整的四足机器人，可运用于机器人以及航天器的姿态调整过程中。本发明主要包括躯干、肢体两大部分，由铰链连接躯干与肢体并通过铰链控制其运动方式，在机器人的每条肢体的末端分别安装一枚转动惯量较大的飞轮，具有较大的转动惯量(与肢体相比不可被忽略)以及急停效果，飞轮轴的指向与肢体中心线指向相同，可通过机器人的肢体摆动，指向不同的转动方向进行机器人的整体姿态微调；也可四肢指向同一方向，使机器人围绕某一特定轴旋转。这样的设计减轻了机器人、航天器所需飞轮的质量；它不需要额外增加过多的空间，减小了机器人、航天器的体积；它也可使飞轮组全部投入工作，提高了飞轮的利用率。

Description

一种可实现空中姿态调整的四足机器人
技术领域
本发明设计了一种可实现空中姿态调整的四足机器人，可运用于机器人以及航天器的姿态调整过程中。
背景技术
近年来，仿生机器人应用范围不断扩大，对仿生机器人的研究也越来越多。对于目前的行走、跳跃、攀爬、滑翔机器人，运动主要是依靠与地面、墙面等外物的接触，通过摩擦力、自身动力实现预期的运动，而随着仿生机器人运动的复杂化，机器人的运动范围从二维平面向三维空间逐渐扩展，机器人在空中不借助外力调整自身运动状态，而是通过改变身体姿势，达到调整转动惯量的作用，并导致整***姿的变化，这属于主动调节位姿的能力，是大部分仿生机器人所不具有的。
通过机构内部飞轮的旋转，例如卫星内部的飞轮旋转，可以实现机器人姿态的变换。中国专利(申请号02114585.7)提出的飞行器空中姿态调整***，采用三对共六台大型飞轮使飞行器角度偏转；中国专利(申请号201310016198.8)提出的一种具有主动调姿能力的仿蝗虫机器人，利用尾部的摆动使机器人进行俯仰偏转；中国专利(申请号201410011975.4)提出的一种空中姿态可调单腿连续跳跃机器人，采用内部三轴陀螺的旋转实现空中姿态调整。上述专利采用各种方式实现了机器人或飞行器的空中姿态变换，但存在飞轮方向不可调节、飞轮质量较大、姿态调整速度不够快等缺陷。卫星内部飞轮质量较大，需要至少X、Y、Z方向上的三个飞轮组成飞轮组，占用体积较多，不利于卫星的作业与快速调姿，而飞轮组的指向无法移动，若需卫星绕某一轴快速旋转，则飞轮组无法全部投入工作；若依靠肢体的摆动使机构转动，则有肢体干涉的可能。对现有专利技术的检索尚未发现能完全克服上述问题的机器人。
发明内容
本发明设计了一种可实现空中姿态调整的四足机器人，能实现机器人通过翻身等动作实现绕任意轴的姿态调整。
本发明设计解决其技术问题所采用的技术方案是：在机器人的每条肢体的末端分别安装一枚转动惯量较大的飞轮，具有较大的转动惯量(与肢体相比不可被忽略)以及急停效果，在飞轮的安装中，飞轮轴的指向与肢体中心线指向相同，如附图3所示。可通过机器人的肢体摆动，指向不同的转动方向进行机器人的整体姿态微调；也可四肢指向同一方向，使机器人围绕某一特定轴旋转。
本发明设计的有益效果是，可以使机器人在空中进行转向，利用肢体不同方向的指向，
使机器人围绕不同指向的轴旋转，既可以围绕某一轴快速旋转，也可以使机器人进行姿态微调。这样的设计使机器人、航天器的姿态调整更灵活多变、易于控制，减轻了所需飞轮的质量。在四足机器人的四肢上增加飞轮，不需要额外增加过多的空间；对于卫星，可在其工作用的机械臂上增加飞轮，则省去卫星内部较大飞轮的安装空间，减小了卫星的体积，也可使飞轮组全部投入工作，提高了飞轮的利用率。
附图说明
图1是本发明一种新型的空中姿态变换的四足机器人的整体外形图。
图2是本发明一种新型的空中姿态变换的四足机器人的肢体内部图。
图3是本发明一种新型的空中姿态变换的四足机器人的肢体内部飞轮的安装方式。
图4是本发明一种新型的空中姿态变换的四足机器人的绕Y轴旋转时的肢体初始指向
图5是本发明一种新型的空中姿态变换的四足机器人的绕Z轴旋转时的肢体初始指向。
图6是本发明一种新型的空中姿态变换的四足机器人的绕某一根特定轴旋转时的姿态整体图
图7是本发明一种新型的空中姿态变换的四足机器人进行姿态微调时的姿态整体图
其中，各附图标记含义如下：
Figure BDA0001418520290000021
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种可实现空中姿态调整的四足机器人，以下将利用机器人在空中不同的姿态变换方式的结构图以及对飞轮的控制方法与速度分析进行详细介绍。
如图1所示，该机器人由躯干部分1、肢体部分2、连接部分3组成。肢体部分2由连接部分3连接在躯干部分1上，具体来说是由躯干电机1B、肢体电机2B连接于连接件3A上，组成二自由度的铰链，躯干电机1B与肢体电机1A的转轴相互垂直且相交于一点，该点为铰链实际上的转动中心。因此每个肢体可进行2自由度的转动。肢体内部的安装由肢体盒盖2E遮挡，在机器人运作时隐藏在内部。若需要机器人围绕X轴旋转，肢体初始姿态为该图姿态。
如图2所示，该机器人肢体内部设有肢体飞轮2C，由肢体飞轮安装座2D，固定在肢体内部。
如图3所示，该机器人的肢体飞轮2C的转轴安装方向与肢体指向相同。
如图4所示，若需要机器人围绕Y轴旋转，则利用躯干电机1B与肢体电机2B组成的铰链使肢体指向旋转至Y轴指向，肢体初始姿态为该图姿态。
如图5所示，若需要机器人围绕Z轴旋转，则利用躯干电机1B与肢体电机2B组成的铰链使肢体指向旋转至Z轴指向，为了使转动稳定，需要处于对角线的两肢体朝上指向，处于另一条对角线两端肢体向下指向，肢体初始姿态为该图姿态。
如图6所示，若需要机器人围绕某一根特定轴旋转，则需要计算得出该轴与X、Y、Z轴的角度λ、θ，然后将肢体摆动至与该轴平行，肢体初始姿态为该图姿态，此时飞轮旋转，机器人将围绕此特定轴旋转。由于四条肢体均指向同一方向，因此肢体上单个飞轮所需质量较小。
如图7所示，若需要机器人进行姿态微调，则摆动肢体，使三根肢体分别朝向X、Y、Z轴，第四根肢体为冗余，也可对其他三根肢体的姿态调整进行补偿。
该机器人的工作过程如下：
机器人在空中处于某一倾斜姿态，需调整至指定姿态，则通过算法计算机器人整体需绕的特定轴方向，随后四肢进行摆动，使四肢均与该特定转轴平行如图6所示，此时飞轮进行快速旋转，使机器人朝反方向旋转至指定姿态，随后进行姿态微调，机器人三肢体分别指向X、Y、Z轴，第四根轴对对其他三根肢体的姿态调整进行补偿，如图7所示，此时飞轮进行较慢的旋转，使机器人进行微小方向的调整，最终达到指定姿态。

Claims (2)

1.一种可实现空中姿态调整的四足机器人，可运用于空间机器人的姿态调整过程中；它包括躯干部分（1）、肢体部分（2）、连接部分（3）；肢体部分（2）由连接部分（3）连接在躯干部分（1）上，具体来说是由躯干电机（1B）、肢体电机（2B）连接于连接件（3A）上，组成二自由度的铰链，躯干电机（1B）与肢体电机（1A） 的转轴相互垂直且相交于一点，该点为铰链实际上的转动中心；因此每个肢体可进行2自由度的转动；肢体内部的安装由肢体盒盖（2E）遮挡，在机器人运作时隐藏在内部；该机器人肢体内部设有肢体飞轮（2C），由肢体飞轮安装座（2D），固定在肢体内部，由于肢体飞轮（2C）的转动惯量远大于肢体自身，在实际工作过程中能够使得肢体实现急停的效果，在飞轮的安装中，飞轮轴的指向与肢体中心线指向相同；可通过机器人的肢体摆动，指向不同的转动方向进行机器人的整体姿态微调；也可四肢指向同一方向，使机器人围绕某一特定轴旋转。
2.根据权利要求1所述的一种可实现空中姿态调整的四足机器人，它的特征是当机器人围绕某一根特定轴旋转，则需要将肢体摆动至与该轴平行，此时飞轮旋转，机器人将围绕此特定轴旋转；由于四条肢体的指向可任意调整，因此肢体上单个飞轮所需质量较小；若需要机器人进行姿态微调，则摆动肢体，使三根肢体分别朝向X、Y、Z轴，第四根肢体为冗余，也可对其他三根肢体的姿态调整进行补偿。
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