一种电驱动小型仿生四足机器人的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种小型四足机器人。更明确地，本发明涉及一种能匍匐、行走、小跑、 奔跑的电机驱动小型哺乳类仿生四足机器人。
【背景技术】
[0002] 四足机器人因其优越的地形适应能力，近年来一直是国内外研宄的重点。其中最 卓越的莫过于美国波士顿动力公司（Boston Dynamics)的大狗系列机器人（BigDog)和美国 麻省理工学院（MIT)的猎豹系列机器人（Cheetah)。
[0003] 目前相对主流的四足机器人技术方案，动力系统主要采用纯液压动力系统 (BigDog)、纯电动力系统（Cheetah )或电液混合动力系统（Spot)。BigDog主要用于复杂地 形下的负载运输，Cheetah用于追求高效快速奔跑，都属于中型的仿生四足机器人。上述机 器人结构相对复杂，成本高，尤其是采用液压动力系统的机器人更是具有较大的工作噪声； 而对于典型小型四足机器人一一索尼"爱宝"（Aibo)机器狗，由于其采用了非常传统的小 型电机加减速器的动力结构，使得其只能实现缓慢的静态步态，运动及地形适应能力较弱。
[0004] 对于复杂狭小的地形(如地震灾区、丛林、房屋室内等)，小型并且运动灵活的四足 机器人，就像猫、狗等小型哺乳类四足动物，更加适合于这种场合下的应用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对复杂狭小的地形，提供一种电驱动小型仿生四足机器人。依 据交流永磁同步电机（PMSM)直接驱动技术、精简的机械结构和高度集成的小型化实时运动 控制系统，使得本发明具有超低的运动噪声、丰富的运动步态(匍匐、行走、小跑、奔跑)、结 构简单、成本低等特点。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是： 一种电驱动小型仿生四足机器人，包括机械系统、动力与运动控制系统；其特征在于： 所述机械系统包括Body模块和4个Leg模块；所述动力与运动控制系统II包括运动控制模 块、第一电机驱动与控制模块、第二电机驱动与控制模块、第一电机、第二电机、第三电机、 第四电机、第五电机、第六电机、第七电机、第八电机、第九电机、第十电机、第十一电机、第 十二电机；所述Body模块作为四足机器人的身体；所述第一 Leg模块、第二Leg模块、第三 Leg模块、第四Leg模块分别对称安装在Body模块上；所述动力与运动控制系统也固定安 装在Body模块上；所述4个Leg模块机械原理完全相同，实际安装布置方式根据机器人对 不同运动性能的优化会有所不同。
[0007] 所述四足机器人4个Leg模块的实际的安装布置方式，划分为a、b、c、d这4种；① 当为使四足机器人具有较好的被控性能时，选用a这种布置方式，因为在四足机器人典型 的对角步态时，机器人的左前Leg模块与右后Leg模块和右前Leg模块与左后Leg模块的 运动是关于机器人中心完全对称的，这将明显削弱腿部运动惯性力；②当为使机器人具有 较多的载货空间时，选用b这种布置方式，此时机器人4个Leg模块都较远离机器人身体， 这给货物腾出了更多的空间；③当为了提升机器人奔跑的速度、跳跃的高度时，选用C这种 布置方式，由于两连杆腿在动力学上的特点，使得这种结构形式有利于提升机器人在奔跑、 跳跃等步态的性能；④当机器人在复杂地形(如爬楼梯）运动时，选用d这种布置方式，此时 腿各膝关节靠后，以尽量避免膝关节与其前方的障碍物相碰撞。
[0008] 所述各Leg模块，其具有3个自由度，即3个运动关节，各关节分别记为 /*、;/*与/=?是两个相互正交的髋关节，J 3为膝关节；经过足端点并与/3轴线平 行的轴线记为J3 ;其中轴线与轴线正交，/=*轴线与轴线相平行；所述Leg模块的 大腿长记为?，小腿长记为，左右两腿间距记为?*，前后两腿间距记为I 3 ;所述厶与心 基本等长；所述四足机器人(h + ??) / > 2，这模仿了 4足哺乳动物的腿长与腿间距的 比值，四足哺乳动物一般都具有狭窄的身体，这有助于四足机器人实现较好的运动性能，并 且能较容易的通过狭小地形；当为使四足机器人具有较好的稳定性及具有较大的载货空间 时，取(it + ￡S) / i3 < 1，此时机器人的身体相比身高较长；当为使四足机器人具有较好的 运动性能时，取(i* + is) / > 1，此时机器人的身体较短，机器人整体的转动惯量较小； 所述每个Leg模块理想的足端点是在轴线在A轴线的垂直投影点上，但实际由于机械 结构的限制，足端点会有在沿A轴线上向身体外侧的稍许偏移。
[0009] 以第四Leg模块为例来说明每个Leg模块的机械结构（4个Leg模块的机械结构完 全相同）：所述关节由第七电机通过第七主电机摇臂拉动第四从摇臂驱动；所述第七电 机的定子固定在机器人机身上；所述第七主电机摇臂固定在第七电机的转子上；所述第七 主电机摇臂通过第四拉杆拉动第四从摇臂；所述第四从摇臂的转轴铰接在机器人机身上； 所述第四从摇臂通过第四联轴器驱动第四腿固定架；所述第四腿固定架两端的转轴铰接在 机器人机身上；所述第八电机的定子固定在第四腿固定架上；第一大腿板固定在第八电机 的转子上；所述关节由第八电机直接驱动；第二大腿板通过第一支撑板固定在第一大腿 板上；上诉/ 3关节由第九电机通过第9主电机摇臂拉动小腿来驱动；所述第9主电机摇臂 固定在第九电机的转子上；所述第九电机的定子固定在第三大腿板上；所述第三大腿板通 过第二支撑板和第三支撑板固定在第一大腿板上；所述第9主电机摇臂通过第九拉杆拉动 小腿上的摇臂；所述小腿通过转轴铰接在第一大腿板和第二大腿板上；所述/ 3关节的驱动 方式还可以更换为同步带传动方式，这使得可简单通过同步带轮不同的齿数比实现不同的 减速比，并且使得/ 3关节的运动空间接近于360度，这将使得机器人能自行在a、b、c、d这 四种不同的机器人腿布置方式中切换；所述第八电机、第九电机、/ 3轴线三者共轴线安装， 这样整个Leg模块的质量将主要就集中在/a轴线附近，这使得整个Leg模块具有较小的 转动惯量，故在相同的关节驱动力矩下，Leg模块具有了较好的动态响应能力；所述第一大 腿板与小腿之间安装有第四弹簧储能器；所述第四弹簧储能器的一端通过固定在第一大腿 板上的第四储能器固定架铰接在第一大腿板上；所述第四弹簧储能器的另一端铰接在小腿 上；所述第四弹簧储能器在弯曲/=?关节时长度缩短而储存能量，伸展/ 3关节时释放能量， 这样有助于提升机器人在行走、奔跑等步态时的能量利用效率，并有助于提升机器人跳跃 的高度；所述提升机器人能量利用效率是指，如在奔跑时，可以在腿触地弯曲时把机器人身 体的重力势能及动能转化为弹簧储能器的弹性势能而储存起来，而在腿随后发力而使身体 腾空的过程中再释放能量，这样就实现了能量的再生重复利用；所述有助于提升机器人跳 跃的高度是指，如在原地下蹲起跳时，可以先通过关节电机主动弯曲关节，使弹簧储能器储 存电机输出的能量，接着关节电机的驱动力矩结合储存的弹性势能共同发力伸长腿以实现 弹跳，这样相比没有弹簧储能器将显著提升机器人的跳跃高度；所述第四足通过第四应变 式力传感器固定在小腿板上；所述小腿板固定在小腿上；所述第四足上覆盖有由耐磨橡胶 构成的足垫； 所述动力与运动控制系统，包括一个运动控制模块，2个电机驱动与控制模块和12个 电机；其中第一第二两个电机驱动与控制模块内共包含12块电机控制板，第一电机驱动与 控制模块其包括6块结构相同的电机控制板，第二电机驱动与控制模块其也包括6块结构 相同的电机控制板；所述12块电机控制板与12个电机--对应，构成12个关节驱动单元， 各电机控制板接收运动控制模块的命令实现对各自电机的运动控制；所述12个电机都是 交流永磁同步电机；所述交流永磁同步电机为盘式外转子力矩电机或带低减速比行星减速 器的内转子盘式力矩电机；所述每个交流永磁同步电机带有磁旋转编码器和温度传感器； 所述磁旋转编码器采用绝对式无接触磁旋转编码器(如AS5045);所述各条腿/*关节的第 一电机、第四电机、第七电机、第十电机共轴线安装在机器人机身Body模块内。
[0010] 所述动力与运动控制系统采用多层次架构；其中包括12个电机及与之对应的12 块电机控制板、运动控制器、4个足端应变式力传感器、3轴陀螺仪、3轴加速度计、遥控通讯 设备、数据记录模块和可选扩展设备；其中运动控制器采用高性能DSP处理器或RAM处理 器；运动控制器通过多组高速串行总线（如多组UART)实现与所述各电机驱动板的实时通 讯；所述4个足端应变式力传感器用于采集各个Leg模块的足端接触力信号；所述3轴陀螺 仪和3轴加速度计安装在机器人机身中心位置附近；所述3轴陀螺仪和3轴加速度计分别 用于感受四足机器人机身的3个正交轴向的角速度信号和3个正交轴向的加速度信号；所 述数据记录模块用于记录机器人的各种实时运行参数及报告；所述遥控通讯设备用于观测 机器人当前的运行参数并给运动控制器发送机器人控制指令；所述可选扩展设备用于给四 足机器人提供高层决策能力，如用kinect的深度数据对机器人前方的场景进行3D建模，然 后实现路