专利名称：一种双足机器人平面约束与位姿测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种双足机器人的平面约束及位姿测量装置，属于机器人技 术领域。
背景技术：
平面双足机器人抑制了机器人的侧向运动，使研究对象限定在平面内， 不需考虑机器人前向与侧向运动的耦合问题，可使研究的稳定性理论、控制 理论和步态规划理论等更为简单和突出，是双足机器人领域常用的基础研究 平台。平面约束的实现方法通常有以下几种 一种是加装冗余腿，将两条外 腿在小腿处固连，使它们的作用相当于一条腿，不仅可以与内腿相互配合， 而且还解决了向两侧倾倒的问题，从而使机器人成为实质上的平面机器人， 如日本大阪大学的Koh Hosoda等研制的2D biped; —种是将机器人躯千用装 置固定，使其在跑步机上原地跑动，如美国Iguana Robotics公司研制的 Runningman;另外一种是使机器人绕中心运动，通过较大比例的平衡杆长与 腿长之比来使机器人实现近似的平面运动，如美国MIT腿实验室Raibert研 制的Planar Biped等采取的形式。第一、二种方法一般通过在机器人的躯干 上安装陀螺仪等传感器来测量其位姿信息，标定和安装比较复杂，且第一种 方法由于安装了冗余腿，其额外质量改变了机器人本体的动力学特征，而且 从外形上和人或动物的双腿也有区别；现有的采用第三种方法的约束装置虽 起到了侧向支撑的作用，但不具备或仅具备部分姿态测量功能。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有平面机器人采用的方法的上述缺陷，提供 了一种实用的平面约束与位姿测量装置，该装置采用平衡杆抑制机器人的侧 向自由度，使其绕中心转塔转动而实现近似的平面运动，在中心转塔的三个 自由度上还分别安装了光电码盘对机器人躯干进行测量，能实时地、完整地获得其位置和姿态信息。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。包括有平衡杆1和转
塔。所述的转塔为三自由度中心转塔1，中心转塔1包括有光电码盘a2、光 电码盘b10、光电码盘c8、支座7、 U形连接板5和立柱6。其中，平衡杆l 的一端与机器人髋关节连接，另一端穿过光电码盘a2的中心轴并与之紧固； 光电码盘a2的圆周与同轴的左转轴4和右转轴12连接，左转轴4和右转轴 12通过轴承分别与U形连接板5连接；右转轴12与光电码盘b10同轴安装； U形连接板5的底部与立柱6固定连接，立柱6与光电码盘c8同轴安装；光 电码盘c8的安装孔与支座7固定连接。
光电码盘b10的轴线与光电码盘a2和光电码盘c8的轴形成的平面保持 垂直，三条轴线在空间上交于一点。
所述的平衡杆1为采用碳纤维制成的碳纤维管。
在左转轴4和右转轴12的外端面分别设置有左端盖3和右端盖9。
所述的平衡杆l为中空杆。 所述的光电码盘a的中心轴与平衡杆1的紧固处到机器人髋关节之间的长 度为机器人腿长的5倍以上。
与现有机器人相比，本发明具有以下优点
1)本发明装置用第三种方式实现双足机器人的平面约束。与MIT的Planar Biped相比，本发明不仅实现了其所具备的侧面支撑功能，而且实现了机器人 的位姿测量功能。具体方法如下通过实时采集三个自由度上光电码盘的信 息可以获得三个方向上的角度值，通过微分处理，即能获得相应方向上的角 速度、角加速度；通过简单的几何计算，即能获得躯干的位姿信息。假设机 器人并腿站立时平衡杆处于水平，则运动时，躯干髋关节所处的高度(约等 于中间杆长乘以光电码盘b所测角度的正弦)、躯干前进的距离或步数(前 进的弧长等于中间杆长乘以光电码盘c所测角度，步数约为弧长除以步幅)、 躯干的俯仰角(即为光电码盘a所测角度)，因此本装置可以为控制系统提供机器人躯干位姿方面完整的反馈信息。
2) 本发明平衡杆采用碳纤维管，质量轻、强度高，可以减少约束装置对 机器人本体的动力学影响，平衡杆中空的特性还为走线预留了空间，这是前 者均不具备的。
3) 本发明特别适用于结构较小、传感器安装空间不足的平面机器人，它 在实现近似平面约束的同时，还能实现在机器人本体外测量其位姿信息的功 能，也适用于需要类似测量手段的其他场合。整个装置结构紧凑，运动灵活， 实用性好。
图1是本发明装置显示各部分安装和连接方式的正视图2是本发明装置显示各部分安装和连接方式的侧视图3是本发明装置在机器人系统中所处形态的原理图正视图4是本发明装置在机器人系统中所处形态的原理图俯视图中1、平衡杆，2、光电码盘a， 3、左端盖，4、左转轴，5、 U形连
接板，6、立柱，7、支座，8、光电码盘c， 9、右端盖，10、光电码盘b， 11、
深沟球轴承，12、右转轴，13、机器人。
具体实施例方式
下面结合附图1 4对本发明作进一步详细描述。
为了解决平面机器人的约束和位姿测量问题，本实施例提供了相应的装 置，实现了需求。本实施例的双足机器人平面约束与位姿测量装置，由平衡 杆1和三自由度中心转塔组成，能实现对机器人近似平面的约束，而且能适 时测量机器人躯干的位姿信息。平衡杆1采用碳纤维材质，长度为机器人腿 长的5倍以上，约束机器人绕中心转塔作圆周运动。三自由度中心转塔由2 个空心轴光电码盘、l个实心轴光电码盘以及若干连接件构成，装置通过3个 码盘测量的角度值和一定的几何计算能获得机器人躯干的位姿信息。下面结 合附图详细说明本装置。如图l、图2所示，平衡杆l为碳纤维管， 一端通过连接块与机器人髋关 节连接，另一端穿过光电码盘a 2的中心轴并与之紧固，紧固处到机器人髋 关节之间的长度为机器人腿长的5倍以上。平衡杆1伸出的一端可以施加环 形配重以平衡机器人的重量，碳纤维管中空可用于走线。
光电码盘a 2通过内六角螺钉和垫圈与左转轴4、右转轴12固定连接， 左转轴4、右转轴12同轴并分别与2个深沟球轴承11内圈过盈配合，深沟球 轴承11外圈分别置于U形连接板5两侧的同轴孔中并与之过盈配合。U形连 接板5两个侧孔的外侧，分别用十字槽沉头螺钉将左端盖3、右端盖9与之连 接。
右转轴12轴心有安装孔，光电码盘b 10的实心轴与之配合，并通过紧 定螺钉紧固；通过十字槽沉头螺钉将光电码盘b上的安装孔与右端盖9连接。
U形连接板5的底部通过十字槽沉头螺钉与立柱6连接，立柱6穿过光电 码盘c 8的空心轴并用紧定螺钉与之紧固。光电码盘c的安装孔通过内六角 螺钉与支座7连接，支座7的底部与地面为面接触，轴心与地面垂直。
光电码盘a和光电码盘c的轴线组成竖直平面；光电码盘b的轴线处于 水平并始终垂直于光电码盘a和光电码盘c的轴线组成的平面；三个码盘的 轴线在空间上交于一点。
根据本发明所述的光电码盘a、光电码盘b和光电码盘c所测的角度值， 以及平衡杆的长度，可获得双足机器人躯干的位姿信息。
如图3、图4，显示了本发明装置在机器人系统中所处的形态。图中^为平 衡杆长度，保证了机器人沿一个相对其自身来说较大的圆周转动，因此双足 机器人可看成在作近似平面的运动。^为光电码盘a与平衡杆紧固处到机器人 髋关节之间的距离，为机器人腿长的5倍以上，、2为平衡杆伸出端长度。A， A，《'分别为光电码盘a、 b和c的测量值，表示机器人相对中心转塔的俯仰转 角度、垂直角度和水平角度。在已知、'、^， A， A的情况下，机器人躯干的 位姿信息即可完全确定。
权利要求
1、一种双足机器人平面约束与位姿测量装置，包括有平衡杆(1)和转塔，其特征在于所述的转塔为三自由度中心转塔(1)，中心转塔(1)包括有光电码盘a(2)、光电码盘b(10)、光电码盘c(8)、支座(7)、U形连接板(5)和立柱(6)，其中，平衡杆(1)的一端与机器人髋关节连接，另一端穿过光电码盘a(2)的中心轴并与之紧固；光电码盘a(2)的圆周与同轴的左转轴(4)和右转轴(12)连接，左转轴(4)和右转轴(12)通过轴承分别与U形连接板(5)连接；右转轴(12)与光电码盘b(10)同轴安装；U形连接板(5)的底部与立柱(6)固定连接，立柱(6)与光电码盘c(8)同轴安装；光电码盘c(8)的安装孔与支座(7)固定连接。
2、 根据权利要求1所述的一种双足机器人平面约束与位姿测量装置，其特征 在于光电码盘b (10)的轴线与光电码盘a (2)和光电码盘c (8)的轴形 成的平面保持垂直，三条轴线在空间上交于一点。
3、 根据权利要求1所述的一种双足机器人平面约束与位姿测量装置，其特征 在于所述的平衡杆(1)为采用碳纤维制成的碳纤维管。
4、 根据权利要求1或权利要求2所述的一种双足机器人平面约束与位姿测量 装置，其特征在于在左转轴(4)和右转轴(12)的外端面分别设置有左端 盖(3)和右端盖(9)。
5、 根据权利要求1或权利要求2所述的一种双足机器人平面约束与位姿测量 装置，其特征在于所述的平衡杆(1)为中空杆。
6、 根据权利要求l所述的一种双足机器人平面约束与位姿测量装置，其特征 在于所述的光电码盘a (2)的中心轴与平衡杆(1)的紧固处到机器人髋关 节之间的长度为机器人腿长的5倍以上。
全文摘要
本发明是一种双足机器人平面约束及位姿测量装置，属于机器人技术领域。该装置由平衡杆和三自由度中心转塔组成，能约束双足机器人使其沿圆周实现近似平面的运动，并能通过三个光电码盘测量的角度值来间接获得机器人躯干的位置和姿态信息。侧面平衡杆为碳纤维管状，其一端通过连接块与机器人髋关节连接，另一端穿过空心轴光电码盘并与之紧固，且向外伸出一定长度，用于施加环形配重。中心转塔由两个空心轴光电码盘、一个实心轴光电码盘以及连接件组成，三个码盘的轴线在空间上交于一点。该装置结构紧凑，运动灵活，不仅实现了对机器人近似平面运动的约束，而且实现了在机器人本体外对其躯干进行实时位姿、角速度及角加速度的测量。
文档编号G01D5/26GK101221051SQ200710178139
公开日2008年7月16日 申请日期2007年11月27日 优先权日2007年11月27日
发明者付成龙, 王健美, 恳 陈, 黄元林 申请人:清华大学