CN113044131A - 一种基于总线的四足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种基于总线的四足机器人；本发明包括机器本体及设置在机器本体上的四条支撑腿；机器本体内安装有相连接的主控器和锂电池，主控器上连接有EtherCAT总线，支撑腿上设置有与所述EtherCAT总线进行电性连接的腿运动控制器，支撑腿的髋关节、大腿关节和小腿关节分别安装有用于控制髋关节运动的髋关节控制机构、用于控制大腿关节运动的大腿关节控制机构和用于控制小腿关节运动的小腿关节控制机构；本发明通过主控器控制腿运动控制器工作，进而控制每条支撑腿的髋关节、大腿关节和小腿关节的运动，同时通过EtherCAT总线由主控器进行控制，使各个运动快捷且灵活。

Description

一种基于总线的四足机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种基于总线的四足机器人。

背景技术

目前人类的运输方式主要有三种：空中运输、陆地运输和河海运输。陆地运输工具的移动方式主要有轮式和履带式；轮式车辆自从出现到现在已经在人类的物资运输中应用数千年，其大大提升了人类物资运输的效率，在人类文明的发展中作出了难以估量的贡献。由于轮式车辆对地形的适应能力不足，于是随着近代科技的发展出现了履带式车辆。相对于轮式车辆，履带式车辆的地形适应能力大大提升，能够通过陡坡、宽壕、沼泽等复杂地形；但是美军在1967年的调查结果显示，还是有近二分之一的地面使用传统的履带式车辆也难以通行。在这种情况下，实现一种能到达传统轮式车辆、履带式车辆不能到达的地面的车辆的需求就产生了；哺乳动物能够通过腿足行走的方式适应很多轮式车辆、履带式车辆不能适应的地形，相应的腿足式车辆的地形适应能力也要比轮式车辆和履带式车辆更好；腿足式车辆有以下优点：能够利用离散的落足点选择来最优化支撑点，能够通过解耦足端运动轨迹和躯干运动轨迹来减弱从足端传向躯干的扰动，能过跨越障碍，从原理上考虑，腿足式车辆甚至可以适应所有地形。

腿足式车辆目前还在开发过程中，但腿足式机器人在逐步开发中，将为腿足式车辆建立足够的经验和概念，腿足式机器人按腿足数量可以分为单足机器人、双足机器人、四足机器人、六足机器人以及更多足机器人。相对于其它腿足机器人，四足机器人在机械结构复制度、稳定性和运动速度等方面有较好的取舍；从进化论的角度看，四足移动的方式几乎为所有的陆生哺乳动物所采用，这说明了四足移动方式对地球地形有较强的适应能力，同时这也为四足机器人的研究提供了足够多的研究样例，因此，四足移动方式成为了研究的热点；在目前四足机器人的研究中，其灵活性不好及体积大成为目前的大难题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于总线的四足机器人，通过主控器控制腿运动控制器工作，进而控制每条支撑腿的髋关节、大腿关节和小腿关节的运动，同时通过EtherCAT总线由主控器进行控制，使各个运动快捷且灵活。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于总线的四足机器人，其中，包括机器本体及设置在所述机器本体上的四条支撑腿；所述机器本体内安装有相连接的主控器和锂电池，所述主控器上连接有EtherCAT总线，所述支撑腿上设置有与所述EtherCAT总线进行电性连接的腿运动控制器，所述支撑腿的髋关节、大腿关节和小腿关节分别安装有用于控制髋关节运动的髋关节控制机构、用于控制大腿关节运动的大腿关节控制机构和用于控制小腿关节运动的小腿关节控制机构。

作为本发明的一种改进，所述髋关节控制机构包括用于带动髋关节运动的第一力矩电机和用于驱动所述第一力矩电机且与所述腿运动控制器电性连接的第一电机驱动器。

作为本发明的进一步改进，所述大腿关节控制机构包括于带动大腿关节运动的第二力矩电机和用于驱动所述第二力矩电机且与所述腿运动控制器电性连接的第二电机驱动器。

作为本发明的更进一步改进，所述小腿关节控制机构包括于带动小腿关节运动的第三力矩电机和用于驱动所述第三力矩电机且与所述腿运动控制器电性连接的第三电机驱动器。

作为本发明的更进一步改进，所述支撑腿的底部安装有与所述腿运动控制器电性连接的足端检测传感器。

作为本发明的更进一步改进，所述机器本体设置有通过所述EtherCAT总线与所述主控器连接的视觉导航控制器，所述视觉导航控制器与设置在所述机器本体上的双目视觉摄像头电性连接。

作为本发明的更进一步改进，所述视觉导航控制器还与设置在所述机器本体上的360°激光传感器电性连接。

作为本发明的更进一步改进，所述主控器与用于进行定位导航的惯性导航模块电性连接。

作为本发明的更进一步改进，所述主控器与用于进行采集音频信号的声源定位模块电性连接，所述声源定位模块内设置有音频传感器。

作为本发明的更进一步改进，所述主控器与用于监控所述主控器运行情况的环境监控模块电性连接，所述环境监控模块内设置有用于采集所述主控器运行情况的运行采集单元、用于对所述运行采集单元传输的数据进行分析的分析单元和用于进行报警的报警单元。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明通过主控器控制腿运动控制器工作，进而控制每条支撑腿的髋关节、大腿关节和小腿关节的运动，同时通过EtherCAT总线由主控器进行控制，使各个运动快捷且灵活；本发明由EtherCAT总线进行控制信号的快速传输，可控制每条支撑腿的髋关节、大腿关节和小腿关节快速灵活运动，每条支撑腿有3个自由度的控制，从而使得本发明可以进行12个自由度的控制，实现灵活性大大的加大。

附图说明

图1为本发明的连接框图；

图2为本发明内的远程监控模块的连接框图；

图3为本发明的环境监控模块的内部连接框图；

图4为本发明的麦克风模块的内部连接框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1至图4所示，本发明提供一种基于总线的四足机器人，包括机器本体及设置在机器本体上的四条支撑腿；机器本体内安装有相连接的主控器和锂电池，主控器上连接有EtherCAT总线，支撑腿上设置有与EtherCAT总线进行电性连接的腿运动控制器，支撑腿的髋关节、大腿关节和小腿关节分别安装有用于控制髋关节运动的髋关节控制机构、用于控制大腿关节运动的大腿关节控制机构和用于控制小腿关节运动的小腿关节控制机构。

在本发明内，通过主控器控制腿运动控制器工作，进而控制每条支撑腿的髋关节、大腿关节和小腿关节的运动，同时通过EtherCAT总线由主控器进行控制，使各个运动快捷且灵活；本发明由EtherCAT总线进行控制信号的快速传输，可控制每条支撑腿的髋关节、大腿关节和小腿关节快速灵活运动，每条支撑腿有3个自由度的控制，从而使得本发明可以进行12个自由度的控制，实现灵活性大大的加大。

在本发明内，采用EtherCAT总线进行连接传输信号控制，基于EtherCAT总线，EtherCAT在网络性能上达到了一个新的高度，1000个分布式I/O数据的刷新周期仅为30μs，其中包括端子循环时间；通过一个以太网帧，可以交换高达1486字节的过程数据，几乎相当于12000个数字量I/O。而这一数据量的传输仅用300μs；利用EtherCAT总线可以实现用传统现场总线***所无法实现的控制方法，这样，通过EtherCAT总线也可以形成超高速控制回路，以前需要本地专用硬件支持的功能现在可在软件中加以映射，巨大的带宽资源使状态数据与任何数据可并行传输，EtherCAT的高速循环，可以在两个控制循环之间完成。因此，控制器总有可用的最新输入数据，输出编址的延迟最小，在无需增强本身计算能力的基础上，控制器的响应行为得到显著改善，使得本发明的控制频率可以达到更高，控制精度具有很大的提升。

在本发明内，髋关节控制机构包括用于带动髋关节运动的第一力矩电机、用于驱动第一力矩电机且与腿运动控制器电性连接的第一电机驱动器、与第一电机驱动器电性连接的第一传感器、与第一力矩电机电性连接的第一温度传感器、与第一电机驱动器电性连接的第一绝对值编码器；第一电机驱动器驱动第一力矩电机从而带动髋关节运动，第一传感器与第一电机驱动器电性连接，从而将传感信号传输给第一电机驱动器，更好地控制第一力矩电机带动髋关节运动；第一温度传感器将温度信号传递到第一力矩电机进行工作，第一绝对值编码器可对第一电机驱动器进行控制，而且预留有外部接口，便于后续进行改进控制。

在本发明内，大腿关节控制机构包括于带动大腿关节运动的第二力矩电机、用于驱动所述第二力矩电机且与腿运动控制器电性连接的第二电机驱动器、与第二电机驱动器电性连接的第二传感器、与第二力矩电机电性连接的第二温度传感器、与第二电机驱动器电性连接的第二绝对值编码器；第二电机驱动器驱动第二力矩电机从而带动大腿关节运动，第二传感器与第二电机驱动器电性连接，从而将传感信号传输给第二电机驱动器，更好地控制第二力矩电机带动大腿关节运动；第二温度传感器将温度信号传递到第二力矩电机进行工作，第二绝对值编码器可对第二电机驱动器进行控制，而且预留有外部接口，便于后续进行改进控制。

在本发明内，小腿关节控制机构包括于带动小腿关节运动的第三力矩电机、用于驱动第三力矩电机且与腿运动控制器电性连接的第三电机驱动器、包括与第三电机驱动器电性连接的第三传感器、与第三力矩电机电性连接的第三温度传感器、与第三电机驱动器电性连接的第三绝对值编码器；第三电机驱动器驱动第三力矩电机从而带动小腿关节运动，第三传感器与第三电机驱动器电性连接，从而将传感信号传输给第三电机驱动器，更好地控制第三力矩电机带动小腿关节运动；第三温度传感器将温度信号传递到第三力矩电机进行工作，第三绝对值编码器可对第三电机驱动器进行控制，而且预留有外部接口，便于后续进行改进控制。

具体地讲，本发明具有12个自由度，每条支撑腿3个自由度，分别为髋关节、大腿关节、小腿关节；髋关节、大腿关节、小腿关节均采用大扭矩力矩电机直驱控制；主控器实现四足机器人运动规划、传感器数据采集等，每个关节电机采用伺服驱动器控制；本发明具有四足支撑，并且将驱动电机集中分布，腿部实现轻质腿结构，本发明具有非连续支撑特点，能够跨越崎岖复杂地形，具有较高的灵活性，越障、避障、多地形自适应等特点，实用性与适用性更高；本发明身体框架设计紧凑，将主要控制器、驱动器及传感器集成于身体内，整体设计较液压四足机器人相比更小巧灵活。

在本发明内，支撑腿的底部安装有与腿运动控制器电性连接的足端检测传感器，具体地说，支撑腿的足部触地检测选用足端检测传感器，通过足端检测传感器判断机器人是否落地，进行不太规划和平衡控制等。

在本发明内，机器本体设置有通过所述EtherCAT总线与主控器连接的视觉导航控制器，视觉导航控制器与设置在机器本体上的双目视觉摄像头电性连接；视觉导航控制器还与设置在机器本体上的360°激光传感器电性连接；具体地讲，本发明的机器人身体上方集成360°激光传感器和双目视觉摄像头，360°激光传感器与双目视觉摄像头主要实现本发明的运动导航功能，使得本发明可以在外部环境下进行自主行走，自主避障，路面障碍物识别越障，楼梯台阶等现实环境辨识功能，机器人具有视觉更智能灵活。主控器与用于进行定位导航的惯性导航模块电性连接，从而结合双目视觉摄像头进行自主导航。

在本发明内，主控器与用于进行采集音频信号的声源定位模块电性连接，声源定位模块内设置有音频传感器，具体地讲，本发明具有声音识别及采集功能，通过对周围声音进行感知，进行野外侦查，音频采集等工作的执行，收集野生动物音视频资料，丰富的声源定位模块，增加本发明的智能性，在平稳运动的基础上，更智能，更能为人类服务。

在本发明内，如图3所示，主控器与用于监控主控器运行情况的环境监控模块电性连接，环境监控模块内设置有用于采集主控器运行情况的运行采集单元、用于对运行采集单元传输的数据进行分析的分析单元和用于进行报警的报警单元；机器人监控功能，监控***在页面会将机器人发送的各项运行数据实时显示，并提供对某项参数设置阈值功能，当数值超出阈值则进行报警并记录，可以做为分析的依据。

在本发明内，如图2所示，主控器与远程监控模块电性连接，远程监控模块还与双目视觉摄像头电性连接，远程监控模块内设置有用于将双目视觉摄像头拍摄的视频发射出去的无线发射单元；本发明可用于室外侦查、军用物资运送、抢险救援、无人区探索等功能，本发明可实现远程监控，低噪音，较长的续航，对比于液压型四足机器人，更适合于野外应用。

在本发明内，如图4所示，主控器与麦克风模块连接，麦克风模块内设置有电性连接的扬声器和用于接收无线信号的无线接收单元，无线接收单元可接收音频信号，再由扬声器将该音频信号转换成声音发出。

本发明实现四足机器人多环境、多路况行走扩展功能开发，用于野外侦查等功能，增加机器人负载能力，用于野外物资运送；其还搭载激光、视觉等模块，应用于服务愉快等多领域；其可以通过预留的开发接口，对机器人的动作，指令，行走，功能等方面进行个性化的开发和设置。

本发明安全可靠，其运动方式也有很大的突破，可以实现对角小跑，跳跃，快速奔跑，上下楼梯，爬坡(30°)等，并且本发明具有监控***、总线控制等，实时控制得到更好应用；其相比于盲动四足机器人更具有灵活性、安全性，相比于轮式机器人可以更好的应用于崎岖路面。

本发明在二次开发平台接口预留，可编程性，可开发性；其结构的优化，腿足结构设计，力矩电机直驱关节开发，可变性腿部设计，可以实现全肘、全膝等多种腿型随意切换，算法自适应，搭载多传感器，实现自主避障行走功能，与国内开发的产品有明显不同。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于总线的四足机器人，其特征在于，包括机器本体及设置在所述机器本体上的四条支撑腿；所述机器本体内安装有相连接的主控器和锂电池，所述主控器上连接有EtherCAT总线，所述支撑腿上设置有与所述EtherCAT总线进行电性连接的腿运动控制器，所述支撑腿的髋关节、大腿关节和小腿关节分别安装有用于控制髋关节运动的髋关节控制机构、用于控制大腿关节运动的大腿关节控制机构和用于控制小腿关节运动的小腿关节控制机构。

2.根据权利要求1所述的一种基于总线的四足机器人，其特征在于，所述髋关节控制机构包括用于带动髋关节运动的第一力矩电机和用于驱动所述第一力矩电机且与所述腿运动控制器电性连接的第一电机驱动器。

3.根据权利要求1所述的一种基于总线的四足机器人，其特征在于，所述大腿关节控制机构包括于带动大腿关节运动的第二力矩电机和用于驱动所述第二力矩电机且与所述腿运动控制器电性连接的第二电机驱动器。

4.根据权利要求1所述的一种基于总线的四足机器人，其特征在于，所述小腿关节控制机构包括于带动小腿关节运动的第三力矩电机和用于驱动所述第三力矩电机且与所述腿运动控制器电性连接的第三电机驱动器。

5.根据权利要求1所述的一种基于总线的四足机器人，其特征在于，所述支撑腿的底部安装有与所述腿运动控制器电性连接的足端检测传感器。

6.根据权利要求1所述的一种基于总线的四足机器人，其特征在于，所述机器本体设置有通过所述EtherCAT总线与所述主控器连接的视觉导航控制器，所述视觉导航控制器与设置在所述机器本体上的双目视觉摄像头电性连接。

7.根据权利要求6所述的一种基于总线的四足机器人，其特征在于，所述视觉导航控制器还与设置在所述机器本体上的360°激光传感器电性连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于总线的四足机器人，其特征在于，所述主控器与用于进行定位导航的惯性导航模块电性连接。

9.根据权利要求1所述的一种基于总线的四足机器人，其特征在于，所述主控器与用于进行采集音频信号的声源定位模块电性连接，所述声源定位模块内设置有音频传感器。

10.根据权利要求1所述的一种基于总线的四足机器人，其特征在于，所述主控器与用于监控所述主控器运行情况的环境监控模块电性连接，所述环境监控模块内设置有用于采集所述主控器运行情况的运行采集单元、用于对所述运行采集单元传输的数据进行分析的分析单元和用于进行报警的报警单元。

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