專利名稱：可分解重構的多足步行機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于機器人技術領域，具體涉及一種可分解重構的多足步行機器人。
背景技術：
傳統(tǒng)移動機器人主要包括輪式、履帶式、足式、混合式等運動形式。其中，輪式和履帶式機器人結構簡單，但其運動受環(huán)境因素所限，運動能力較弱。而多足步行機器人能夠在不平的路面上穩(wěn)定行走，可以取代輪式和履帶式機器人完成一些非結構性的復雜環(huán)境中的運輸作業(yè)，而且如果再設計適當?shù)耐?臂融合結構，則借助相應的末端工具可以使機器人在危險或者險惡環(huán)境中代替人工作，完成一些輪式機器人不易完成的任務。因此，這類機器人有著非常廣闊的應用前景。有鑒于此，自二十世紀六十年代以來世界上許多發(fā)達國家都已投入相當?shù)娜肆拓斄﹂_展這類機器人技術的研究。隨著計算機控制技術的進步，機器人技術更是快速發(fā)展。
目前，在工業(yè)機器人領域，已經(jīng)有通過模塊化機器人單元組合結構的研究在降低工業(yè)機械臂研制和使用成本的前提上提高工業(yè)機械臂的適應能力，然而針對步行機器人的類似研究成果還非常少見。國內(nèi)外關于步行機人的研究主要集中在單一工作環(huán)境下的控制方法和運動結構與功能上，而針對如何降低步行機器人的研究成本以及提高步行機器人擴展性的研究成果非常有限，集中表現(xiàn)在絕大多數(shù)的機器人以實現(xiàn)適合于多種工作環(huán)境的高效而豐富的運動為目標，并通過采用復雜的運動結構和控制方法實現(xiàn)上述目標。這些運動結構和控制方法不僅非常復雜，而且通常這種結構一經(jīng)確定就很能做出更改，當機器人的工作環(huán)境或者工作任務發(fā)生變化時，機器人的適應能力明顯下降甚至無法工作。此外，日趨復雜的結構也會導致運行過程中的故障發(fā)生率顯著增高，機器人的研制費用和使用成本也因此大大增加。因此，通過增加運動結構的功能和復雜度的方法，不能根本上滿足步行機器人經(jīng)常變化的環(huán)境和任務需要，也不能解決豐富機器人功能與降低研制和使用成本之間的矛盾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有技術的不足之處，提供一種可分解重構的步行機器人，該步行機器人可以動態(tài)組合成具有多種運動結構和運動形式的步行機器人，以滿足各種環(huán)境和任務的需要，同時簡化機器人的結構和控制，降低研制和使用成本。
本發(fā)明提供的可分解重構的多足步行機器人，其特征在于它包括第一足單元、第二足單元、第三足單元、第四足單元以及機身支架，其中機身支架上設置有第一至第四上支架梁和第一至第四下支架梁；第一足單元的上、下機架的尾端與第二足單元的上、下機架的尾端相連，第三足單元的上、下機架的尾端和第四足單元的上、下機架的尾端相連；第一、第二上支架梁和第一、第二下支架梁依次安裝在第一足單元和第三足單元的上機架和下機架上，第三、第四上支架梁和第三、第四下支架梁依次安裝在第二足單元和第四足單元上機架和下機架上；四個足單元的結構相同，均包括足末端、小腿關節(jié)、大腿關節(jié)、髖關節(jié)、上機架和下機架；其中，小腿關節(jié)、大腿關節(jié)和髖關節(jié)為串聯(lián)組合的結構相同的關節(jié)；足末端包括足尖、足節(jié)桿和第三連接支架；其中，足尖的后端與足節(jié)桿的前端相連，足節(jié)桿后端與第三連接支架相連；足末端的第三連接支架與小腿關節(jié)的連接盤相連；小腿關節(jié)后部的連接支架與大腿關節(jié)的連接盤相連；大腿關節(jié)的殼體兩側分別與上機架、下機架相連，上機架、下機架分別與髖關節(jié)的連接盤兩側相連；上述小腿關節(jié)、大腿關節(jié)和髖關節(jié)的結構相同，均包括電動機、齒輪減速器、直齒輪和轉向減速器；電機支架位于殼體內(nèi)，電動機和齒輪減速器位于電機支架的腔體中，齒輪減速器位于電動機的前端；齒輪減速器的前端輸出軸與第一直齒輪相連；第二、第三直齒輪分別與第一直齒輪相嚙合；轉向減速器支架連接在電機支架的前端；第一、第二轉向減速器分別位于轉向減速器支架的兩側；第二、第三直齒輪分別與第一、第二轉向減速器的末端相連；第一、第二連接支架分別安裝在殼體尾部；第一、第二連接盤分別位于第一、第二轉向減速器的外側；光電編碼器位于電動機的尾端，電位器位于連接盤上。
同單機運行的步行機器人相比，本發(fā)明在步行機器人的結構和運動功能上都具有更大的擴展空間，并可以方便替換失效單元，重新組合新的運動結構，對各種不同的運動環(huán)境具有更強的適應能力。同時，由于系統(tǒng)的組合單元采用統(tǒng)一的模塊化標準結構，可以使組合步行機器人系統(tǒng)得使用和制造成本大大降低。以這種形式組成的步行機器人系統(tǒng)是移動機器人領域的的一個新研究方向，具有廣泛的發(fā)展空間和應用前景。具體而言，本發(fā)明具有以下效果1、本發(fā)明打破了已有的各種步行機器人在單機結構和功能上的限制，利用多個具有相同結構的簡單機器人單元，根據(jù)環(huán)境和任務需要，快速便捷地組合成各種具有不同結構和運動形式的步行機器人系統(tǒng)。這種可分解重構的單元采用適于組合的模塊化結構設計，通過單電機驅動的關節(jié)模塊構成多自由度的足單元，通過多個足單元構成具有多種運動形式的步行機器人。這種構造方式最大限度地發(fā)揮了系統(tǒng)組合單元在結構和功能上的擴展能力，并可以盡量避免在結構和功能上的冗余。
2、本發(fā)明采用了同一的模塊化標準結構組成各種類型的步行機器人，可以批量制造生產(chǎn)，并靈活組合成多種適于各種環(huán)境和任務要求的步行機器人系統(tǒng)，從而降低了步行機器人系統(tǒng)在結構和控制上的復雜程度。
3、同不可分解重構的單機步行機器人相比，本發(fā)明在步行機器人的結構上和運動功能上都具有更大的擴展空間，并可以方便地替換失效單元，重新組合成新的步行機器人結構，對不同的環(huán)境具有更強的適應能力。同時，由于各種類型的系統(tǒng)組合單元均采用統(tǒng)一的模塊化標準結構，可使組合步行機器人系統(tǒng)的使用和制造成本大大降低。以這種形式組成的步行機器人系統(tǒng)是機器人技術領域的一個新研究方向，具有廣泛的發(fā)展空間和應用前景。


圖1是本發(fā)明的四足構型步行機器人系統(tǒng)示意圖，其中(a)為主視圖，(b)為俯視圖。
圖2是本發(fā)明的六足構型步行機器人系統(tǒng)示意圖，其中(a)為主視圖，(b)為俯視圖。
圖3是本發(fā)明的足單元結構實施例示意圖，其中(a)為主視圖，(b)為俯視圖。
圖4是本發(fā)明的關節(jié)示意圖，其中(a)為主視圖，(b)為俯視圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實例對本發(fā)明作進一步詳細的說明，如圖1所示，四足構型包括第一足單元1、第二足單元2、第三足單元3、第四足單元4以及機身支架5，其中機身支架上設置有上支架梁和下支架梁，分別為第一至第四上支架梁5a、5b、5c、5d和第一至第四下支架梁5e、5f、5g、5h。
第一足單元1的上、下機架的尾端與第二足單元2的上、下機架的尾端相連，第三足單元3的上、下機架的尾端和第四足單元4的上、下機架的尾端相連。第一、第二上支架梁5a、5b和第一、第二下支架梁5e、5f依次安裝在第一足單元1和第三足單元3上機架和下機架上，第三、第四上支架梁5c、5d和第三、第四下支架梁5g、5h依次安裝在第二足單元2和第四足單元4上機架和下機架上。通過安裝不同長度的支架梁5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h可以改變機器人的結構尺寸。
四足構型是最簡單的步行機器人構型，其控制原理是，通過控制四個足單元的各個關節(jié)運動，可以使足單元完成抬起、擺動和落下等動作。而控制器通過規(guī)劃四個足單元按照一定的順序依次完成抬起、擺動和落下，便可以實現(xiàn)步行運動。安裝在機器人關節(jié)內(nèi)的傳感器裝置為控制器提供必要的狀態(tài)信息，控制器根據(jù)狀態(tài)信息和人的操作命令進行分析整理，然后輸出控制信號來指揮機器人完成相應的動作。
本發(fā)明的六足構型的結構與四足構型相似，如圖2所示，僅增加了第五足單元6和第六足單元7。第五足單元6的上、下機架的尾端和第六足單元7的上、下機架的尾端相連。第一、第二上支架梁5a、5b和第一、第二下支架梁5e、5f依次安裝在第一足單元1、第三足單元3和第五足單元6的上機架和下機架上。第三、第四上支架梁5c、5d和第三、第四下支架梁5g、5h依次安裝在第二足單元2、第四足單元4和第六足單元7的上機架和下機架上。
六足構型的步行機器人的步行運動與四足構型類似，同樣是通過控制器規(guī)劃六只足單元按照一定的順序依次完成抬起、擺動和落下實現(xiàn)步行運動。然而與四足構型不同的是，六足構型的步行機器人功能更加豐富。它不僅可以利用全部的六只足單元實現(xiàn)穩(wěn)健的步行運動，還可以僅利用其中的四只足步行或支撐身體，而利用剩余的兩只足完成類似于手臂的工作，例如樣品的采集和搬運等。
通過改變足單元的數(shù)目，還可以構造出其它構型的多足步行機器人。
如圖3所示，由本發(fā)明機器人關節(jié)所組合成的足單元包括足末端8、小腿關節(jié)9、大腿關節(jié)10、髖關節(jié)11、上機架12和下機架13。小腿關節(jié)9、大腿關節(jié)10和髖關節(jié)11為串聯(lián)組合的結構相同的關節(jié)。
足末端8包括足尖8a、足節(jié)桿8b、第三連接支架8c。足尖8a的后端與足節(jié)桿8b的前端相連，足節(jié)桿8b后端與第三連接支架8c相連。
足末端8后部的第三連接支架與小腿關節(jié)9的連接盤通過連接螺釘相連。小腿關節(jié)9后部的連接支架與大腿關節(jié)10的連接盤通過連接螺釘相連。大腿關節(jié)10的殼體的兩側分別與上機架12、下機架13相連，上機架12、下機架13分別與髖關節(jié)11的連接盤兩側相連。
足單元的三個關節(jié)在控制器的控制下協(xié)調(diào)動作，使足末端8的足尖在三維空間中以一定的軌跡移動。多個足單元的協(xié)調(diào)動作就可以實現(xiàn)機器人的運動功能。
通過改變大腿關節(jié)10的殼體與上、下機架的安裝位置、小腿關節(jié)9的連接支架在殼體上的安裝位置或者通過添加新的關節(jié)的方法來改變關節(jié)的組合方式。在殼體或連接盤上的安裝位置可以為前后二側或上下二側。
本發(fā)明可以采用其他組合方式，構成多種形式的機器人足單元。
如圖4所示，本發(fā)明機器人關節(jié)包括傳動裝置和傳感裝置二部分。
傳動裝置主要包括電動機20、齒輪減速器19、第一直齒輪18、第二直齒輪17、第三直齒輪28、第一轉向減速器25和第二轉向減速器27。
電機支架16位于殼體14內(nèi)，電動機20和齒輪減速器19安裝在電機支架16的腔體中，齒輪減速器19位于電動機20的前端。齒輪減速器19的前端輸出軸與第一直齒輪18相連。第二、第三直齒輪17、28與第一直齒輪18相嚙合。轉向減速器支架15通過螺釘連接在電機支架16的前端。第一轉向減速器25、第二轉向減速器27安裝在轉向減速器支架15的兩側。第二直齒輪17、第三直齒輪28分別與第一轉向減速器25、第二轉向減速器27的末端相連。第一、第二連接支架22a、22b分別安裝在殼體14尾部。第一、第二連接盤23、29分別位于第一、第二轉向減速器25、27的外側。第一、第二連接支架22a、22b通過連接螺釘26分別與下一級關節(jié)的二個連接盤相連。
電動機20主軸的旋轉運動經(jīng)過齒輪減速器19減速，再通過各直齒輪17、18和28分別與兩組并列布置的第一、第二轉向減速器25、27相連，二個轉向減速器將旋轉方向由沿關節(jié)中軸方向變換為垂直于關節(jié)軸方向。
傳感裝置包括安裝在電動機20尾端的光電編碼器21和安裝在連接盤23上的電位器24，光電編碼器21用于獲得電動機20的轉速信號，電位器24用于獲得連接盤23轉動的絕對位置信息。
第一、第二連接支架22a、22b在殼體14上的安裝位置，可以選擇在其尾部的前后二側或上下二側，以改變與下一級關節(jié)的轉動軸所成的角度，實現(xiàn)兩種組合方式。
關節(jié)的工作和控制原理是，電動機20主軸在關節(jié)控制器控制下高速旋轉，主軸的運動經(jīng)過傳動裝置減速和變換方向后，驅動連接盤23轉動，實現(xiàn)關節(jié)的轉動。關節(jié)控制器通過測量光電編碼器21獲得的電動機轉速信號、通過測量電位器24獲得的連接盤絕對轉角位置信號計算與目標位置的偏差，并控制電動機20主軸以一定的速度和加速度轉動到目標位置。
齒輪減速器19可采用行星減速器或直齒輪減速器；轉向減速器25、27可采用蝸輪蝸桿、螺旋齒輪副或錐齒輪副，均能構成本發(fā)明機器人關節(jié)。
權利要求
1.一種可分解重構的多足步行機器人，包括第一足單元(1)、第二足單元(2)、第三足單元(3)、第四足單元(4)以及機身支架(5)，其中機身支架(5)上設置有第一至第四上支架梁(5a、5b、5c、5d)和第一至第四下支架梁(5e、5f、5g、5h)；第一足單元(1)的上、下機架的尾端與第二足單元(2)的上、下機架的尾端相連，第三足單元(3)的上、下機架的尾端和第四足單元(4)的上、下機架的尾端相連；第一、第二上支架梁(5a、5b)和第一、第二下支架梁(5e、5f)依次安裝在第一足單元(1)和第三足單元(3)的上機架和下機架上，第三、第四上支架梁(5c、5d)和第三、第四下支架梁(5g、5h)依次安裝在第二足單元(2)和第四足單元(4)上機架和下機架上；第一至第四足單元(1、2、3、4)的結構相同，均包括足末端、小腿關節(jié)、大腿關節(jié)、髖關節(jié)、上機架和下機架；其中，小腿關節(jié)、大腿關節(jié)和髖關節(jié)為串聯(lián)組合的結構相同的關節(jié)；足末端包括足尖、足節(jié)桿和第三連接支架；其中，足尖的后端與足節(jié)桿的前端相連，足節(jié)桿后端與第三連接支架相連；足末端的第三連接支架與小腿關節(jié)的連接盤相連；小腿關節(jié)后部的連接支架與大腿關節(jié)的連接盤相連；大腿關節(jié)的殼體兩側分別與上機架、下機架相連，上機架、下機架分別與髖關節(jié)的連接盤兩側相連；上述小腿關節(jié)、大腿關節(jié)和髖關節(jié)的結構相同，均包括電動機、齒輪減速器、直齒輪和轉向減速器；電機支架位于殼體內(nèi)，電動機和齒輪減速器位于電機支架的腔體中，齒輪減速器位于電動機的前端；齒輪減速器的前端輸出軸與第一直齒輪相連；第二、第三直齒輪分別與第一直齒輪相嚙合；轉向減速器支架連接在電機支架的前端；第一、第二轉向減速器分別位于轉向減速器支架的兩側；第二、第三直齒輪分別與第一、第二轉向減速器的末端相連；第一、第二連接支架分別安裝在殼體尾部；第一、第二連接盤分別位于第一、第二轉向減速器的外側；光電編碼器位于電動機的尾端，電位器位于連接盤上。
2.根據(jù)權利要求1所述的多足步行機器人，其特征在于它還包括第五足單元(6)和第六足單元(7)；第五足單元(6)的上、下機架的尾端和第六足單元(7)的上、下機架的尾端相連；第一、第二上支架梁(5a、5b)和第一、第二下支架梁(5e、5f)依次安裝在第一足單元(1)、第三足單元(3)和第五足單元(6)的上機架和下機架上；第三、第四上支架梁(5c、5d)和第三、第四下支架梁(5g、5h)依次安裝在第二足單元(2)、第四足單元(4)和第六足單元(7)的上機架和下機架上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可分解重構的步行機器人，包括分兩排并列分布在機架單元左右兩側的足單元結構，其特征在于機器人是由組單元結構、機身單元結構和主動關節(jié)單元結構構成。各個單元結構可以方便、獨立的與其他單元結構分離和組合。本發(fā)明通過調(diào)整機架連接架的位置和數(shù)量改變步行機器人足的數(shù)量的布置方式，進而改變步行機器人的結構和功能。本發(fā)明在步行機器人的結構和運動功能上都具有更大的擴展空間，并可以方便替換失效單元，重新組合新的運動結構，對各種不同的運動環(huán)境具有更強的適應能力。該步行機器人可以滿足各種環(huán)境和任務的需要，同時簡化機器人的結構和控制，降低研制和使用成本。
文檔編號A63H11/20GK1974300SQ20061012521
公開日2007年6月6日 申請日期2006年12月1日 優(yōu)先權日2006年12月1日
發(fā)明者陳學東, 孫翊, 蒲華燕, 周明皓, 賈文川, 趙軍, 曾理湛, 何學明 申請人:華中科技大學