专利名称：仿壁虎机器人机械结构及其机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种仿壁虎机器人机械结构及其机器人，属于特种机器人领域。可应 用于反恐、搜救、狭小空间探测、安全保卫、航空宇航和城市服务业等领域。
背景技术：
非结构环境下的机器人具有广泛而迫切的需求。其中3维空间无障碍运动机器人 (简称3D0F机器人)技术难度最大，科技含量最高，需求最为迫切。目前3D0F机器人运动 系统的机构分为轮式，如中国专利CN1739925公开的一种非接触磁吸附轮式爬壁机器人； 履带式，如中国专利CN1709654公开的基于同步齿形带的磁吸附履带式爬壁机器人；杆式， 如中国专利CN1511681公开的五足爬壁机器人，CN1966337A。其中，杆式机器人结构复杂， 越障能力强，粘附更加可靠，具有更高的运动和适应能力，但运动控制复杂，自由度多，驱动 和控制难度大，是3D0F机器人发展的方向。美国MIT，UC Berkeley, Harvard和Carnige Mellon等单位合作研制的仿壁虎机器人Stickybot共有四肢，每肢只有2个自由度，每个自 由度由一个舵机驱动，实现了在规则的平面的运动。仿生机器人的腿机构在自由度的分配上一般存在两种形式一种是仿哺乳动物的 腿机构，腿位于身体下方，此类机器人自由度的安排在地面上运动时具有较大的工作空间， 能以较大的步幅运动，此类机器人由于中心离接触面过高，不宜进行爬壁运动。另一类是类 爬行动物的自由度分布，此类机器人在壁面上运动时重心较低，而在地面上运动时由于重 心较低，容易与地面之间产生摩擦。腿机构机器人在运动过程中，当双足以上处于支撑相 时，系统为过驱动状态，支撑相足之间往往存在相互作用力，可能使地面运动的机器人支撑 相足之间形成相对滑动，或者使爬壁机器人由于支撑相足之间的相对滑动而脱落壁面，造 成严重损失；而且驱动舵机为克服该力的作用而造成能源的浪费。而上述机器人，没有对这 类问题提出一个很好的解决办法。
发明内容
基于上述背景，本发明提出了一种仿壁虎机器人机械结构及其机器人，合理安排 每条腿上自由度的位置，使机器人具有很好的在地面和墙面上的运动能力。一种仿壁虎机器人机械结构，其特征在于包括机身框架、安装于机身框架上的四 条肢体，及被动式尾巴；其中每条肢体依次由二自由度髋关节、大腿连杆、单自由度膝关节、 小腿、三自由度被动式球铰链踝关节及足组成；上述的二自由度髋关节由控制肢体抬起和 下落的髋关节抬腿舵机和控制肢体前后摆动的髋关节摆腿舵机组成；上述单自由度膝关节 由膝关节舵机组成。所述的髋关节抬腿舵机安装于所述机身框架上，髋关节摆腿舵机框架安装于髋关 节抬腿舵机输出轴上，膝关节摆腿舵机安装于舵机框架内，小腿与足之间通过踝关节连接。 整体的框架结构减轻了机器人机体的总体重量。所述髋关节抬腿舵机的装轴线与机器人体平面成60°夹角；这样可以在不影响舵机运动范围的同时缩小机体的宽度，有利于以后的爬壁的稳定性。所述三自由度被动式球铰链踝关节具体结构为一带有连杆的球体，连杆用于与 小腿连接，球体嵌于足的球形凹槽内。所述的壁虎机器人机械结构，其特征在于足底具有用于监测足与接触面之间接 触状况和受力情况的一维弹性力传感器。小腿即为二维力传感器，该二维力传感器用于检 测垂直于足端平面内的二维力，或者为三维力传感器。所述的壁虎机器人机械结构，其特征在于所述机身框架包括前部框架、腰部框架 和后部框架，其中前部框架和后部框架结构相同，具有互换性。腰部框架为弹性杆或刚性 杆。所述的控制部分由上位机控制系统、机器人控制系统和电源模块组成；上位机控 制系统与机器人控制系统之间采用无线通信模式。机器人控制系统为分布式控制系统，由主机控制模块、四个肢体从机控制模块、传 感器信号调理模块、无线收发模块和载体电源；主机控制模块和无线收发模块通过SPI总 线相连，与上位机控制部分实现无线遥控；载体电源模块为整个机器人控制系统及舵机供
^^ o本发明的优势在于模拟大自然中爬行动物大壁虎的腿机构进行自由度分配，使 其兼有哺乳动物和爬行动物的机构特征，满足在地面以及墙面上运动的优势。机器人整体 结构为框架结构，减轻了机体的总体重量。弹性尾巴安装于机器人机身后部，使其具有更好 的稳定性。用一个一维接触力传感器和二维力传感器组成的三维测力系统或者一个三维力 传感器感知机器人足端的受力，有效降低了支撑相足之间的相互作用力。在机器人腿上组 合了力传感器，使其具有感知空间三维力的能力，通过力反馈，实现了支撑相各足的运动协 调。机器人后部的弹性尾巴有效增强了机器人的稳定性。机器人舵机固定在框架结构内， 减少了舵机的输出轴的弯矩。大腿机构采用平行的板机构组成，保证强度的同时减少了整 机重量。机器人由在体电源供电，实现了无线遥控，减少了电缆对机器人的干扰，机器人运 动由分布式控制系统控制，可以实现直行，转弯，加速，减速，暂停，恢复等动作。
图1本发明机器人整机结构示意图。图2(a)本发明机器人整机主视结构示意图。图2(b)本发明机器人整机左视结构示意图。图3本发明机器人(半)机身部分结构示意图。图4本发明机器人髋关节结构示意图。图5本发明机器人膝关节结构示意图。图6本发明机器人大腿结构示意图。图7本发明机器人控制部分结构图。图8本发明机器人控制系统主机程序流程图。图9本发明机器人控制系统从机程序流程图。图中标号名称1、前部框架，2、脚掌，3、二维力传感器，4、膝关节，6、大腿连杆，7、 髋关节，8、小腿连杆，9、尾巴，10、腰部框架，11、髋关节抬腿舵机，12、髋关节摆腿舵机，13、
4膝关节舵机，14、脚掌控制舵机孔，15、髋关节定位孔，16、髋关节抬腿舵机机安装孔，17、机 身连杆安装孔，18、髋关节抬腿舵机轴孔，19、髋关节摆腿舵机安装孔，20、髋关节定位轴， 21、大腿关节定位轴，22、小腿连接孔，23、舵机连接孔。
具体实施例方式如图1和图2所示，机器人由机身、四条相同的腿、和尾巴9组成。单条腿由机器 人脚掌2，二维力传感器3，小腿连杆8，小腿关节4，大腿连杆6，髋关节7和三个控制关节运 动的舵机(髋关节抬腿舵机11、髋关节摆腿舵机12、膝关节舵机13)组成。本实例采用的 是前后对称的机身，即前部框架1和后部框架并通过机身连杆10相连，组成前后对称的机 器人身体部分。机器人单条腿有三个自由度，每个自由度均通过一个舵机控制其运动。因 此共有12个舵机控制整个机器人的运动。同时在机身上共预留了四个舵机的位置，以扩展 机器人脚掌的运动控制。如图3，图4，图5，图6分别为机器人机身，髋关节，膝关节和大腿连杆。髋关节抬 腿舵机11安装在机身上髋关节抬腿舵机安装孔16上，调整其输出轴与髋关节定位孔15轴 线一致。为减小机器人机身宽度和调整机器人的运动步态，该舵机的初始位置与身体平面 呈一定角度安装，控制肢体的上下运动。髋关节上的髋关节定位轴20对准安装在髋关节定 位孔15中，髋关节抬腿舵机轴孔对准舵机11的输出轴并固定连接在一起。髋关节摆腿舵 机12安装在髋关节摆腿舵机安装孔19中，控制肢体的前后摆动。膝关节舵机13安装在小 腿关节的框架结构中，控制大小腿之间的伸展角。两个同样的机器人大腿连杆分别与髋关 节摆腿舵机12的输出轴和髋关节上大腿关节定位轴21相配合并固定在一起。小腿连杆8 通过膝关节的小腿连接孔与其固定在一起，二维力传感器3作为小腿通过小腿连杆8与膝 关节4固连。两片弹性钢片一段交叉固定在一起作为尾巴末梢，另一端分开固定在机器人 机身后部并与机身呈一定角度，使尾巴末梢落在脚掌所在平面内。前或后机身为一整体结构，在头部设计了控制脚掌微细运动的安装舵机位置，髋 关节、膝关节为整体框架结构。传感部分包括一个二维力传感器和置于机器人脚掌底部的弹性的力传感器。二维 传感器测量垂直于腿根平面内脚掌的受力情况。在运动过程中，通过力传感器感知支撑足 之间的相互作用力，并据此调整舵机角度，使支撑各足见的相互作用力减小到一定范围内。 弹性微纳米里传感器用于判断足与地面的接触情况和足与接触面之间的压力的大小。如图7所示的机器人控制部分结构图，机器人控制部分由上位机控制系统、机器 人控制系统、电源模块和舵机组成。上位机控制系统主要功能是与机器人控制系统之间的 无线通信，由单片机、无线通信模块和外围电路组成。通过USB电缆与计算机相连，并由USB 供电，通过计算机发送机器人控制指令。单片机与无线模块采用SPI接口通信。机器人控制整体为一个上下结构的分布式控制系统，主机控制模块包括单片机、 无线通信模块和外围电路，负责与主机控制系统的无线通信，接受控制指令，解析指令，并 分配控制任务给下层从机，通过接收各个下层从机的肢体状态协调各个肢体的协调运动。 四个下层从机控制模块每个独立控制一条腿的运动，上下层控制系统通过RS485或I2C进 行通信。传感器信号调理模块把传感器输出的模拟信号经过放大和预处理转换为AD相应的信号范围内。电源模块包括电池和电源转换电路，电池供给机器人控制系统以及动力系统的用 电，电源转换电路用于把电池的电压转换为机器人控制系统各用电部分需要的电压范围。图8所示为机器人控制系统主机程序流程图。系统上电后初始PWM工作模式、 UART、SPI、I2C和I/O接口，之后使能中断，以中断方式接收上位机控制系统的控制指令，解 析控制指令并分配各个肢体的控制任务。主机分配控制任务给从机采用握手的方式，如果 三次发送不成功则自动更换另一种通信方式，继续三次，不成功则故障报警。同时，主机接 收从机的状态信息，并根据此信息调整肢体的运动。图9所示为机器人控制系统从机程序流程图。系统初始化之后使能中断。力信号 采集，与主机的通信和PWM的参数调整均通过中断完成。从机控制模块接收主机的控制指 令，分解为抬腿、落腿和驱动身体三部分。前伸时如果达到预定的位置则等待与其他肢体的 同步信号；落体过程中把足的触地状态作为停止信号；驱动身体运动过程中要判断力信号 的范围，如果满足大于预定的作用力，则机器人腿在驱动身体前行的同时调整速度，以改变 腿之间作用力的大小。各种运动在运行过程中在每步完成后即发送状态给主机，往复循坏 执行。机器人支撑相腿分配同样大小的驱动力，根据机器人的运动计算驱动机器人所需的 驱动力，并平均分配在各支撑相腿上。力的大小为期望的输出值，根据足端的三维受力计算 机体髋关节处受力大小，并调节舵机的运动调节腿的输出力大小。在垂直面上爬行，根据动 物的运动规律，上肢保持身体的稳定，主要由下肢提供机器人向上爬行的驱动力。系统首先 通过计算机器人运动所需的作用力，根据爬行步态分布各肢体所需提供的力。通过力传感 器的返回值与计算值进行比较计算误差值，并调节腿的运动。本发明中预留了控制机器人脚掌的舵机安装位置及控制信号。在机器人机身头部 和尾部，各预留了两个舵机的安装位置，在机器人控制系统中，主机控制模块上预留了四路 舵机控制信号，供以后拓展机器脚掌的精细调控。主机和从机配合工作完成整个机器人的各种动作，根据计算机通过上位机控制系 统发送的控制指令，完成控制任务。
权利要求
一种仿壁虎机器人机械结构，其特征在于包括机身框架、安装于机身框架上的四条肢体，及被动式尾巴；其中每条肢体依次由二自由度髋关节、大腿连杆、单自由度膝关节、小腿、三自由度被动式球铰链踝关节及足组成；上述的二自由度髋关节由控制肢体抬起或下落的髋关节抬腿舵机(11)和控制肢体前后摆动的髋关节摆腿舵机(12)组成；上述单自由度膝关节由膝关节舵机(13)组成。
2.根据权利要求1所述的壁虎机器人机械结构，其特征在于所述的髋关节抬腿舵机 (11)安装于所述机身框架上，髋关节摆腿舵机框架安装于髋关节抬腿舵机输出轴上，膝关 节摆腿舵机(12)安装于舵机框架内。
3.根据权利要求1所述的壁虎机器人机械结构，其特征在于上述髋关节抬腿舵机 (11)的装轴线与机器人体平面成60°夹角。
4.根据权利要求1所述的壁虎机器人机械结构，其特征在于上述三自由度被动式球 铰链踝关节具体结构为一带有连杆的球体，连杆用于与小腿连接，球体嵌于足的球形凹槽 内。
5.根据权利要求1所述的壁虎机器人机械结构，其特征在于足底具有用于监测足与 接触面之间接触状况和受力情况的一维弹性力传感器。
6.根据权利要求1所所述的壁虎机器人机械结构，其特征在于上述小腿即为二维力 传感器，该二维力传感器用于检测垂直于足端平面内的二维力。
7.根据权利要求1所述的壁虎机器人本体，其特征在于上述小腿即为三维力传感器。
8.根据权利要求1至7任一所述的壁虎机器人机械结构，其特征在于所述机身框架 包括前部框架(1)和后部框架，并通过机身连杆(10)相连，其中前部框架和后部框架结构 相同。
9.根据权利要求6所述的壁虎机器人机械结构，其特征在于所述的腰部框架为弹性 杆或刚性杆。
10.一种包含权利要求1所述壁虎机器人机械结构的机器人，其特征在于还包括传感部分和控制部分；所述的传感部分由一个二维力传感器和一个微纳米传感器组成，或一个三维力传感器；所述的控制部分由上位机控制系统、机器人控制系统和载体电源模块组成；上位机控制系统与机器人控制系统之间采用无线通信模式；机器人控制系统为分布式控制系统，由主机控制模块、四个肢体从机控制模块、传感器 信号调理模块、无线收发模块；主机控制模块和无线收发模块通过SPI总线相连，与上位机 控制部分实现无线遥控；载体电源模块为整个机器人控制系统及舵机供电。
全文摘要
本发明公开了一种仿壁虎机器人机械结构及其机器人，属于特种机器人领域。其特征在于包括机身框架、安装于机身框架上的四条肢体，及被动式尾巴；其中每条肢体依次由二自由度髋关节、大腿连杆、单自由度膝关节、小腿、被动式三自由度球铰链踝关节及足组成；上述的二自由度髋关节由控制肢体抬起或下落的髋关节抬腿舵机(11)和控制肢体前后摆动的髋关节摆腿舵机(12)组成；上述单自由度膝关节由膝关节舵机(13)组成。本发明合理安排每条腿上自由度的位置，加入了力传感器反馈控制，使机器人具有很好的在地面和墙面上的运动能力。
文档编号B62D57/024GK101870310SQ20101019020
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月2日 优先权日2010年6月2日
发明者俞志伟, 张昊, 戴振东, 李宏凯 申请人:南京航空航天大学