模块（I -1、I -2、 I -3、I -4)的机械结构完全相同，第四Leg模块（I -4)机械结构的特征在于：所述关 节由第七电机（II -4-7)通过第七主电机摇臂（4-17)拉动第四从摇臂（4-18)驱动；所述第 七电机（II -4-7)的定子固定在机器人机身上；所述第七主电机摇臂（4-17)固定在第七电 机（II -4-7)的转子上；所述第七主电机摇臂（4-17)通过第四拉杆（4-16)拉动第四从摇臂 (4-18);所述第四从摇臂（4-18)的转轴铰接在机器人机身上；所述第四从摇臂（4-18)通过 第四联轴器（4-15)驱动第四腿固定架（4-14);所述第四腿固定架（4-14)两端的转轴铰接 在机器人机身上；所述第八电机（II -4-8)的定子固定在第四腿固定架（4-14)上；第一大腿 板（4-20)固定在第八电机（II -4-8)的转子上；所述/3关节由第八电机（II -4-8)直接驱 动；第二大腿板（4-6)通过第一支撑板（4-9)固定在第一大腿板（4-20)上；上诉/3关节由 第九电机（II -4-9)通过第9主电机摇臂（4-13)拉动小腿（4-4)来驱动；所述第9主电机摇 臂（4-13)固定在第九电机（II -4-9)的转子上；所述第九电机（II -4-9)的定子固定在第三 大腿板（4-10 )上；所述第二大腿板（4-10 )通过第二支撑板（4-8 )和第二支撑板（4-12 )固定 在第一大腿板（4-20)上；所述第9主电机摇臂（4-13)通过第九拉杆（4-19)拉动小腿（4-4) 上的摇臂；所述小腿（4-4)通过转轴（4-5)铰接在第一大腿板（4-20)和第二大腿板（4-6) 上；所述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（II -4-8)、第 九电机（II-4-9)、/=?轴线三者共轴线安装，这样整个Leg模块的质量将主要集中在/s?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（4-20)与小腿（4-4)之间安装有第四弹簧储能 器（4-7);所述第四弹簧储能器（4-7)的一端通过固定在第一大腿板（4-20)上的第四储能 器固定架（4-11)铰接在第一大腿板（4-20)上；所述第四弹簧储能器（4-7)的另一端铰接 在小腿（4-4)上；所述第四弹簧储能器（4-7)在弯曲/ 3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、跳跃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（4-2)通过第四应变式力传感器（4)固定在小腿板（4-3)上；所述小腿板（4-3) 固定在小腿（4-4)上；所述第四足（4-2)上覆盖有由耐磨橡胶构成的足垫（4-1)。
5.根据权利要求1所述的电驱动小型仿生四足机器人，其特征在于：所述动力与运动 控制系统（II)包括一个运动控制模块（II -1)，2个电机驱动与控制模块（II -2、II -3)和 12 个电机（II -4-1、II -4-2、II -4-3、II -4-4、II -4-5、II -4-6、II -4-7、II -4-8、II -4-9、 II -4-10、II -4-11、II -4-12);其中第一第二两个电机驱动与控制模块（II -2、II -3)内 共包含12块电机控制板，第一电机驱动与控制模块（II -2)其包括6块结构相同的电机 控制板（II _2-1、II H、II H、II H、II H、II H)，第二电机驱动与控制模块 (II -3)其也包括6块结构相同的电机控制板（II -2-7、II -2-8、II -2-9、II -2-10、II -2-11、 II -2-12);所述12块电机控制板与12个电机一一对应，构成12个关节驱动单元，各电 机控制板接收运动控制模块（II -1)的命令实现对各自电机的运动控制；所述12个电机 (II -4-1、II -4-2、II -4-3、II -4-4、II -4-5、II -4-6、II -4-7、II -4-8、II -4-9、II -4-10、 II -4-11、II -4-12)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；所述各条腿 关节的驱动电机（II -4-1、II -4-4、II -4-7、II -4-10)共轴线安装在机器人机身Body模 块（I -0)内。
6. 根据权利要求5所述的电驱动小型仿生四足机器人，其特征在于：所述动力与运动 控制系统（II)采用多层次架构；其中包括12个电机（II -4-1、II -4-2、II -4-3、II -4-4、 11 -4-5、II -4-6、II -4-7、II -4-8、II -4-9、II -4-10、II -4-11、II -4-12)及与之对应的 12 块电机控制板（II ?、II U、II H、II H、II H、II H、II -2-7、II H、 II _2-9、II -2-10、II -2-11、II _2-12)、运动控制器（II _1-1)、4个足端应变式力传感器（1、 2、3、4)、3轴陀螺仪（II _1_2)、3轴加速度计（II _1_3)、遥控通讯设备（II _1_4)、数据记录 模块（II -1-5)和可选扩展设备（II -1-6);其中运动控制器（II -1-1)采用高性能DSP处理 器或RAM处理器；运动控制器（II -1-1)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（1、2、3、4)用于采集各个Leg模 块（I -1、I -2、I -3、I -4)的足端接触力信号；所述3轴陀螺仪（II -1-2)和3轴加速度 计（II -1-3)安装在机器人机身中心位置附近；所述3轴陀螺仪（II -1-2)和3轴加速度计 (Π -1-3)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（II -1-5)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（II -1-4)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（II -1-6)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，然后实现路径规划、避障等运动控制策略，然 后把策略结果发送给运动控制器（II -1-1)执行；所述可选扩展设备（II -1-6)还提供很多 通用接口，如WIFI、UART、SPI、GPIO等，方便机器人使用者扩展机器人功能。
7. 根据权利要求5所述的电驱动小型仿生四足机器人，其特征在于：所述12个关节驱 动单元，均采用带前馈控制的直接力矩控制技术，实现对电机的力矩控制、速度控制、位置 控制；所述各PMSM电机上都装有温度传感器；所述各电机控制板通过温度传感器监测对应 电机的温度，防止电机过热；所述各电机控制板在当前各电机温度较低时，允许对各电机实 施超额定电流驱动，使电机瞬时获得较大的驱动电流而瞬时输出较大的力矩；所述超额定 电流工作的电机，是为了提升机器人腿部间歇性发力运动步态下(如奔跑、跳跃）的性能。
【专利摘要】本发明涉及一种电驱动小型仿生四足机器人。本发明是一种12自由度纯电驱动小型哺乳类仿生四足机器人。本发明是基于四足哺乳动物的仿生结构和运动特征设计的四足机器人机构构型。本发明包括机械系统和动力与运动控制系统。本发明采用精简的机械结构和高度集成的小型化实时运动控制系统。本发明的每条腿具有3个由交流永磁同步电机（PMSM）直接驱动的低阻尼力矩控制关节，并且每条腿都具有弹簧储能机构，使得本四足机器人具有较高的能量利用效率。本发明能实现匍匐、行走、小跑、奔跑等多种运动步态，具有机械结构简单，超低噪声，动态自平衡，成本低等优点。
【IPC分类】B62D57-032
【公开号】CN104875813
【申请号】CN201510273138
【发明人】贾文川, 王兴兴, 蒲华燕, 李龙
【申请人】上海大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月26日