CN1191150C - 多足步行机器人及其控制装置 - Google Patents

Abstract

多足步行机器人，包括前中后足各两条，分两排并列分布在机架左右两侧，各足结构相同，由脚、小腿、大腿、髋部及驱动和传动装置构成，并通过其髋部中心转轴与机架连接。驱动和传动装置包括固定在机架上的髋部伺服电机，它通过齿轮传动副带动髋部旋转；大腿伺服电机依次通过齿轮传动副、钢丝绳线轮传动副带动大腿转动；小腿伺服电机依次通过齿轮传动副、钢丝绳线轮传动副和钢丝绳线轮传动副带动小腿转动。其控制装置包括位于髋部中心转轴、大、小腿关节传动轴上的电位计、位于脚上的接触开关及压力传感器，以及位于机架前端的测距传感器和视觉传感器，由计算机控制机器人操作。本发明占有空间小，结构紧凑，关节回转角度大，并且具有良好的机动性、灵活性、抗冲击性及对环境的适应能力。

Description

多足步行机器人及其控制装置

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种多足步行机器人及其控制装置。

背景技术

由于多足步行机器人能够在不平的路面上稳定地行走，可以取代轮式车完成一些非结构性环境中的运输作业，而且如果再设计适当的腿/臂融合结构，则借助相应的末端工具该机器人亦可以在危险或恶劣环境中代替人工作，或完成一些轮式机械不易完成的任务，所以这类机器人在许多行业有着非常广阔的应用前景，例如军事运输及探测、矿山开采、水下建筑、核工业、星球探测、农业、林业、教育及娱乐等。有鉴于此，目前世界上许多发达国家都已投入相当的人力和财力开展这类特种机器人基础技术的研究。多足机器人的技术发展经历了以下几个阶段：早在二十世纪六十年代初，美国的Shigley(1960)和Baldwin(1966)都使用凸轮连杆机构设计出比轮式车或履带车更为机动的步行车，但由于当时技术水平尤其是控制技术的限制，这些步行机效率低而且对地面的适应性也差。Mosher(美国)于1968年设计开发了由人直接驾驶的四足车“Walking Truck”，但这种要人跟随操纵的步行机并没有实质性的意义。电子计算机技术的快速发展引发了多足机器人技术进入了其第二发展阶段，即基于计算机控制的机器人技术阶段。其中最具典型和开创性的工作是美国的McGhee等人以及前苏联的Kugushev等人成功地设计了由计算机控制腿脚运动的多自由度的四足和六足步行机器人***，但这类机器人的设计并没有考虑其能量消耗的问题，因而其有效性和实用性都受到很大的限制。在意识到这个问题后多足机器人的技术开发进入了第三阶段，即基于能量效率和自动控制等综合因素的机器人技术阶段，特别是自二十世纪八十年代以来得到了迅猛发展，不少学者研制了多足机器人机械***或其试验模型，如美国的ASV(六足)和MECANT(六足)、日本的TITAN(大力神)系列(四足)和TLR(六足)、德国的BISAM(四足)等等，国内清华大学的五足机器人和双三足步行机器人，以及上海交通大学的四足机器人研究模型JTUWM等。

尽管国内外开发了不少多足机器人样机或研究模型，然而其目的只局限于多足机器人简单步行运动的控制与实现，无论是在机械结构上还是在控制***上它们都无法突破功能的单一性，而且在全方位、快速、自适应动态步行等运动控制方面还存在许多不足和限定条件，这都是制约多足机器人技术更进一步和更广泛地工程实用化的关键性的基础技术问题。尽管多足机器人技术早为大家所重视，但研究的重点还停留在步行机械的设计和步行运动的控制上，还缺乏具有普遍指导性的有着多机器人作业功能开发的基础性研究，特别缺乏相关的机械结构与控制设计的理论和方法；现有的多足机器人大多结构简单、运动自由度少、对非结构性环境的适应性差，尤其它们缺乏柔性的“筋肉”结构以吸收快速动态步行所产生的振动和冲击，这样的腿结构很难实现实用的具有合理的足式步行机械结构及控制***。如上海交通大学2002年提出了一种微型六足仿生机器人，是基于仿生学原理，采用微型电动机蜗轮蜗杆装置连接，通过皮带又与皮带传动装置连接，皮带传动装置的轴分别与四杆机构分别与前足、中足和后足连接，并带动六足步行。这种结构虽然简单，但每个足不能单独控制，步态单一，且缺乏柔性，无抗冲击能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能克服上述缺陷的多足步行机器人，该机器人每个足能够单独控制，具有较好的柔性和较强的抗冲击能力；本发明还提供了该机器人的控制装置。

为实现上述发明目的，提供了一种多足步行机器人，包括前足、中足和后足各两条，分两排并列分布在机架的左右两侧，其特征在于：每条足的结构相同，均由脚、小腿、大腿、髋部及位于髋部的驱动和传动装置构成，并通过其髋部中心转轴与机架连接。所述驱动和传动装置包括固定在机架上的驱动髋部转动的髋部伺服电机，它通过第一齿轮传动副带动髋部绕髋部中心转轴旋转；大腿伺服电机、小腿伺服电机均固定在髋部的机架上，大腿伺服电机依次通过第二齿轮传动副、第一钢丝绳线轮传动副带动大腿绕大腿关节传动轴转动；小腿伺服电机依次通过第三齿轮传动副、第二钢丝绳线轮传动副和第三钢丝绳线轮传动副带动小腿绕小腿关节传动轴转动。

本发明与现有技术相比有以下优点：(1)驱动电机及传动部件都安装在髋部里面，具有较大的传动比且占有空间小，结构紧凑；(2)关节回转角度大：髋部可绕髋部中心转轴向前回转90°，向后回转60°，大腿可绕其关节向上翻转87°，向下翻转90°，小腿可绕其关节向内翻转45°，向外向上翻转225°；(3)由于每一条足具有相同的结构而且可单独控制，因而，任何一足可根据作业需要作为行走的足或抓取工件的臂使用，即腿臂可互换，易于协调分工，能够实现在不平地面上多自由度全方位快速步行，具有良好的机动性、灵活性及对环境的适应能力；(4)传动机构采用柔韧的钢丝绳线轮传动与刚性大的齿轮传动相结合，具有较好的抗冲击性。

附图说明

图1为本发明提供的机器人总体分布示意图；

图2为本发明的一种具体实施方式的结构示意图；

图3为本发明的另一种具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

所谓“4+2”是指机器人由六条结构相同的腿组成，分成左右两排并列分布。在非结构性步行区域，这种机器人最多可利用六条腿实现稳健的步行运动，而在工作区域，机器人只用任意四足步行或支撑躯体，腾出空余的两条腿作为两条工作臂，这两条工作臂可借助相应的末端工具完成指定的任务。主要特征是：腿臂融合；“4+2”灵活的分工模式；大腿、小腿和髋分别用一个电机驱动；每足可单独由计算机通过运动控制卡控制。

下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明：

实施例1

如图1所示，机器人由机架10，前足两条5、6，中足两条3、4及后足两条1、2组成。这六条足分成左右两排并列分布。其中每一条足由小腿7、大腿8、髋部9及驱动和传动装置构成。每一条足通过其髋部中心的转轴11与机架10连接。每一条足拥有如图2所示的一套机械传动装置。

机器人各足的具体实施方式之一如图2所示，机器人任一条足由脚12、小腿7、连杆13、大腿8、小腿关节传动轴14、第一线轮18、大腿关节传动轴16、第一传动轴17、第二线轮15、第一带线轮齿轮19、第一小齿轮20、小腿伺服电机21、大腿伺服电机22、第二小齿轮23、第二带线轮齿轮24、第三线轮25、髋部9、髋部伺服电机26、第三小齿轮27及髋部中心转轴11组成。其中第三线轮25与大腿关节传动轴16固定，连杆13、线轮15与小腿关节传动轴14固定，第一带线轮齿轮19和第二带线轮齿轮24空套于第一传动轴17，第一线轮18空套于大腿关节传动轴16，大腿8空套于小腿关节传动轴14。

其控制原理为：

小腿伺服电机21通过第一小齿轮20和第一线轮齿轮19的齿轮啮合驱动第一带线轮齿轮19，第一带线轮齿轮19又通过钢丝绳传动带动第一线轮18，继而带动第二线轮15、小腿关节传动轴14和连杆13，在小腿7、大腿8的齿轮啮合作用下，连杆13的转动致使小腿7绕小腿关节传动轴14作行星轮运动。

大腿伺服电机22通过第二小齿轮23和第二带线轮齿轮24的齿轮啮合带动第二带线轮齿轮24，它通过钢丝绳传动带动第三线轮25，继而带动大腿8绕大腿关节传动轴16上下翻转。

髋部伺服电机26通过第三小齿轮27和髋部9的齿轮啮合带动足的髋部绕髋部中心转轴11转动。

计算机控制机器人方法是：在每一条足的髋部中心转轴11(可称之为髋关节)、大腿关节传动轴16(可称之为大腿驱动关节)和小腿关节传动轴14(可称之为小腿驱动关节)上各装有测量关节位置的电位计，在脚12上装有接触开关及测量脚底受力的压力传感器，在机器人机架(10)前端安装障碍物测距传感器以及视觉传感器等，所有这些传感器和开关信号被传入运动控制卡的转接板，然后送入计算机。计算机程序对这些反馈信息和人的操作命令进行分析整理，然后输出控制信号来指挥机器人作相应的动作。

实施例2

本实施例的机器人六足总体分布如图1所示，机器人其中某一足的结构原理如图3所示。从图中可看出，本实施例与实施例1所述的机器人机械装置及控制方法基本相同。所不同的是：在图3中，大腿8由同步转动的两根平行杆组成，为II型结构，在大腿8与小腿7的连接处，小腿7在第二线轮15的驱动下，直接绕小腿关节传动轴14转动。

其控制装置与实施例一相同。

Claims (2)

1、一种多足步行机器人，包括前足、中足和后足各两条，分两排并列分布在机架的左右两侧，其特征在于：每条足的结构相同，均由脚(12)、小腿(7)、大腿(8)、髋部(9)及位于髋部的驱动和传动装置构成，并通过其髋部中心转轴(11)与机架(10)连接；所述驱动和传动装置包括固定在机架(10)上的驱动髋部(9)转动的髋部伺服电机(26)，它通过第一齿轮传动副(26、27)带动髋部(9)绕髋部中心转轴(11)旋转；大腿伺服电机(22)、小腿伺服电机(21)均固定在髋部(9)的机架上，大腿伺服电机(22)依次通过第二齿轮传动副(23、24)、第一钢丝绳线轮传动副(24、25)带动大腿(8)绕大腿关节传动轴(16)转动；小腿伺服电机(21)依次通过第三齿轮传动副(20、19)、第二钢丝绳线轮传动副(19、18)和第三钢丝绳线轮传动副(18、15)带动小腿(7)绕小腿关节传动轴(14)转动。

2、根据权利要求1所述的机器人，其特征在于：所述大腿(8)由同步转动的两根平行杆组成，所述小腿伺服电机(21)依次通过第三齿轮传动副(20、19)、第二钢丝绳线轮传动副(19、18)、第三钢丝绳线轮传动副(18、15)和行星齿轮传动副(8、13、7)带动小腿(7)绕小腿关节传动轴(14)转动。

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