专利名称：六足步行机器人的制作方法
技术领域：
本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及一种六足步行机器人。
背景技术：
移动机器人所采用的运动方式主要包括轮式、履带式、足式、混合式等运动形式，其中以轮式机器人应用最为广泛。众所周知，轮式机器人具有速度快、稳定性好、易控制等优点，但是其对环境要求较高，要求地面状况相对平坦、连续，因而其应用有其局限性。虽然履带式机器人一定程度上弱化了这一问题，但并不能从本质上克服，同时相对笨重而触地面积较大的履带往往还带来了破坏地表原状等一系列新的问题。而多足步行机器人能够在不平的路面上稳定行走，可以取代轮式和履带式机器人完成一些非结构性的复杂环境中的运输作业。相比轮式和履带式的行走车辆和机构，多足步行机器人仅需要一些断续、离散的落足点，因而可以像动物一样跨越障碍，通过崎岖、松软或泥泞的地面，因而多足步行机器人具有更强的对在复杂地表上行走的适应能力，其良好的环境适应性和运动灵活性使的多足步行机器人的研究在近一个世纪得到了广泛的重视。自20世纪80年代机器人学开拓者、美国著名机器人学家R. B. McGhee等开始研究四足步行机器人以来，多足步行机器人的研究一直受到众多学者关注。在国外，近年来涌现出了一大批技术日渐进步的多足步行机器人，日本东京工业大学Shigeo Hirose团队的四足步行机器人TITAN，美国密歇根大学、卡内基梅隆大学、UC伯克利大学和加拿大McGitl大学组成的研究组的仿生自主机器人Rhex,西班牙CSIC研究议会的IAI研究中心Gonzalezde Santos团队研制的Silo4和Silo6扫雷机器人，Boston Dynamics公司推出的BigDog军用机器人等。在国内，中国科学院长春光学精密机械研究所、中科院沈阳自动化研究所、清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学等单位和院校都先后开展了机器人技术的研究，并在多足步行机器人技术的发展上也取得了较大的成果，例如中国科学院长春光学精密机械研究所采用平行四边形和凸轮机构研制出一台八足螃蟹式步行机；中科院沈阳自动化所研制成功的水下六足步行机；清华大学开发出了 DTWN框架式双三足步行机器人和五足爬杆机器人；上海交通科技大学研究开发了 JTUWM系列四足行走机器人；华中科技大学研制的“4+2”多足步行机器人、MiniQuad可重构多足步行机器人。多足步行机器人因其突出的优越性而得到众多研究机构的关注，但是现有多足步行机器人存在一些亟待解决的问题，如机械结构复杂，能量消耗大，控制复杂，不适应地形复杂、障碍丛生的非结构化环境。多足步行机器人技术还需要更进一步的研究和提升。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种克服以上问题的六足步行机器人。本实用新型由六足步行机器人机械本体和六足步行机器人控制系统组成。六足步行机器人机械本体包括机架和机器人腿。机架包括机身和6个腿固定板组。机身包括机身上板和机身下板，机身上板位于机身下板正上方，机身上板和机身下板上分布有等间隔上下对称的孔，方便腿固定板组安装位置进行调节。一个腿固定板组包括两个结构相同的腿固定板，腿固定板呈直角形，腿固定板与机器人腿螺纹连接的面上分布有等间隔的孔，方便机器人腿安装位置进行调节；机身上板与腿固定板组的上端螺纹连接，机身下板与腿固定板组的下端螺纹连接；机器人腿总共6条包括第一前腿、第二前腿、第一中腿、第二中腿、第一后腿和第二后腿，每条机器人腿具有三个自由度，且结构相同，每条机器人腿与机架上的一个腿固定板组螺纹连接，每条机器人腿包括臀部、大腿、小腿和脚。其中在六足步行机器人的第一前腿、第二前腿和第一后腿、第二后腿的高度固定后，第一中腿、第二中腿的高度可以根据需要进行调整，从而使六足步行机器人行走更加平稳、灵活。机器人腿的臀部包括第一伺服电机、第一连接件和第二连接件。第一伺服电机外壳与腿固定板组螺纹连接，第一伺服电机的输出轴与第一连接件的叉部螺纹连接，第一连接件的基部与第二连接件的基部正交且螺纹连接。第一伺服电机的输出轴转动带动第一连接件运动，从而实现机器人腿的外摆和内摆运动。机器人腿的大腿包括第二伺服电机、第一连接板、第二连接板和第三伺服电机。第二伺服电机的输出轴与第二连接件的叉部螺纹连接，第二伺服电机的外壳同时与第一连接板和第二连接板的一端螺纹连接，第一连接板和第二连接板的另一端同时与第三伺服电机的外壳螺纹连接。第二伺服电机的输出轴转动带动大腿整体运动，实现机器人大腿的前摆和后摆运动从而完成大腿的抬起和落下动作。机器人腿的小腿包括第三连接件、第一连接圆筒和力传感器。第三连接件的叉部与第三伺服电机的输出轴螺纹连接，第三连接件的基部与第一连接圆筒的一端螺纹连接，第一连接圆筒的另一端与力传感器的外壳螺纹连接。第三伺服电机的输出轴转动带动第三连接件运动，从而实现机器人小腿的前摆和后摆运动。机器人腿的脚包括第二连接圆筒和足端。第二连接圆筒的一端与力传感器外壳螺纹连接，足端为半球形，第二连接圆筒的另一端与足端的半球形截面通过螺纹连接，此足端采用橡胶材料制造，其落足后与地面为柔性接触而非刚性接触，既可以防止六足步行机器人在行走时打滑又可以减小地面冲击，有效的提高了机器人对环境的适应性。六足步行机器人控制系统包括中央控制器、电子罗盘、力传感器、电池和编码器。中央控制器、电子罗盘和电池安装在机身下板的上侧面，六个力传感器分别装于六条机器人腿的小腿之上，编码器为伺服电机自带，其与伺服电机封装在一起。六足步行机器人控制系统中电池为六足步行机器人提供能量；电子罗盘用于测量六足步行机器人的姿态，并将所测结果输入到中央控制器中；六个力传感器分别测量六条机器人腿与地面之间的作用力，并将所测结果输入到中央控制器中；中央控制器对得到的测量信号进行综合分析，然后生成相应的步态控制信号分别对六条机器人腿进行控制，从而使六足步行机器人协调运动。本实用新型利用编码器的伺服电机位置反馈和六个力传感器的力反馈，不仅可以实现六足步行机器人运动闭环控制而且使六足步行机器人具有力觉。本实用新型可以达到的有益效果(I)采用将伺服电机作为六足步行机器人腿结构一部分的设计方式，大大简化了六足步行机器人腿的机械结构，使六足步行机器人结构简单、紧凑，具有更高的可靠性；[0016](2)采用仿哺乳动物腿结构设计，六条机器人腿合理规划生成六足步行机器人行走步态，可以有效提高六足步行机器人的能量利用率；(3)采用六足步行机器人两条中腿高度可调节设计，使六足步行机器人在行走过程中各条机器人腿受力均匀性大大提高，同时使六足步行机器人在转弯等步态中整个六足步行机器人的运动协调性得到有效的提高，使六足步行机器人具有优越的运动灵活性；(4)运用中央控制器分别对六条机器人腿进行控制，同时对整个六足步行机器人六条机器人腿进行协调控制，中央控制器中任务分工明确、协调一致，大大降低了控制难 度，提高了控制的可靠性，从而可以有效提高机器人对环境的适应性。
图I本实用新型的总体结构示意图；图2本实用新型的第一前腿的结构示意图。图中1.第一前腿，2.第二前腿，3.第一中腿，4.第二中腿，5.第一后腿，6.第二前腿，7.机身上板，8.机身下板，9.腿固定板组，10.第一伺服电机，11.第二伺服电机，12.第三伺服电机，13.第一连接件，14.第二连接件，15.第三连接件，16.第一连接板，17.第二连接板，18.第一连接圆筒，19.力传感器，20.第二连接圆筒，21.足端，22.中央控制器，23.电子罗盘，24.电池。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。如图I所示，本实用新型由六足步行机器人机械本体和六足步行机器人控制系统组成。六足步行机器人机械本体包括机架和机器人腿。机架包括机身和6个腿固定板组。机身包括机身上板7和机身下板8，机身上板7位于机身下板8正上方，机身上板7和机身下板8上分布有等间隔上下对称的孔，方便腿固定板组安装位置进行调节。一个腿固定板组包括两个结构相同的腿固定板，腿固定板呈直角形，腿固定板与机器人腿螺纹连接的面上分布有等间隔的孔，方便机器人腿安装位置进行调节；以腿固定板组9为例，机身上板7与腿固定板组9的上端螺纹连接，机身下板8与腿固定板组9的下端螺纹连接；机器人腿总共6条包括第一前腿I、第二前腿2、第一中腿3、第二中腿4、第一后腿5和第二后腿6,每条机器人腿具有三个自由度，且结构相同，每条机器人腿与机架上的一个腿固定板组螺纹连接，每条机器人腿包括臀部、大腿、小腿和脚。其中在六足步行机器人的第一前腿I、第二前腿2和第一后腿5、第二后腿6的高度固定后，第一中腿3、第二中腿4的高度可根据需要进行调整，从而使六足步行机器人行走更加平稳、灵活。下面以第一前腿I为例进行说明。如图2所示，机器人腿的臀部包括第一伺服电机10、第一连接件13和第二连接件14。第一伺服电机10外壳与腿固定板组螺纹连接,第一伺服电机10的输出轴与第一连接件13的叉部螺纹连接，第一连接件13的基部与第二连接件14的基部正交且螺纹连接。第一伺服电机10的输出轴转动带动第一连接件13运动，从而实现机器人腿的外摆和内摆运动。[0027]机器人腿的大腿包括第二伺服电机11、第一连接板16、第二连接板17和第三伺服电机12。第二伺服电机11的输出轴与第二连接件14的叉部螺纹连接，第二伺服电机11的外壳同时与第一连接板16和第二连接板17的一端螺纹连接,第一连接板16和第二连接板17的另一端同时与第三伺服电机12的外壳螺纹连接。第二伺服电机11的输出轴转动带动大腿整体运动，实现机器人大腿的前摆和后摆运动从而完成大腿的抬起和落下动作。机器人腿的小腿包括第三连接件15、第一连接圆筒18和力传感器19。第三连接件15的叉部与第三伺服电机12的输出轴螺纹连接，第三连接件15的基部与第一连接圆筒18的一端螺纹连接，第一连接圆筒18的另一端与力传感器19的外壳螺纹连接。第三伺服电机12的输出轴转动带动第三连接件15运动，从而实现机器人小腿的前摆和后摆运动。机器人腿的脚包括第二连接圆筒20和足端21。第二连接圆筒20的一端与力传感器19外壳螺纹连接，足端21为半球形，第二连接圆筒20的另一端与足端21的半球形截面 通过螺纹连接，此足端采用橡胶材料制造，其落足后与地面为柔性接触而非刚性接触，既可以防止六足步行机器人在行走时打滑又可以减小地面冲击，有效的提高了机器人对环境的适应性。如图1、2所示，六足步行机器人控制系统包括中央控制器22、电子罗盘23、力传感器19、电池24和编码器。中央控制器22、电子罗盘23和电池24安装在机身下板8的上侧面，六个力传感器分别装于六条机器人腿的小腿之上，编码器为伺服电机自带，其与伺服电
机封装在一起。六足步行机器人控制系统中电池24为六足步行机器人提供能量；电子罗盘23用于测量六足步行机器人的姿态，并将所测结果输入到中央控制器22中；六个力传感器分别测量六条机器人腿与地面之间的作用力，并将所测结果输入到中央控制器22中；中央控制器22对得到的测量信号进行综合分析，然后生成相应的步态控制信号对六条机器人腿分别进行控制，从而使六足步行机器人协调运动。伺服电机中编码器将伺服电机的位置实时反馈给中央控制器22，由中央控制器22对六足步行机器人各条机器人腿的运动进行闭环控制。本实用新型的六足步行机器人不仅可以实现运动闭环控制还具有力觉，六个力传感器将所测量的六条机器人腿与地面之间的作用力输入到中央控制器22中，中央控制器22对整个六足步行机器人受力状态进行分析，然后中央控制器22根据分析结果实现对机器人腿的力控制。本实用新型运用简单的控制装置实现了六足步行机器人的复杂有效控制，使六足步行机器人控制变的简单可靠，大大提高了六足步行机器人对环境的适应性。
权利要求1.六足步行机器人，包括六足步行机器人机械本体和六足步行机器人控制系统，其特征在于 六足步行机器人机械本体包括机架和机器人腿，机架包括机身和6个腿固定板组；机身包括机身上板和机身下板，机身上板位于机身下板正上方，机身上板和机身下板上分布有等间隔上下对称的孔，一个腿固定板组包括两个结构相同的腿固定板，腿固定板呈直角形，腿固定板与机器人腿螺纹连接的面上分布有等间隔的孔，机身上板与腿固定板组的上端螺纹连接，机身下板与腿固定板组的下端螺纹连接；机器人腿总共6条包括第一前腿、第二前腿、第一中腿、第二中腿、第一后腿和第二后腿，每条机器人腿具有三个自由度，且结构相同，每条机器人腿与机架上的一个腿固定板组螺纹连接，每条机器人腿包括臀部、大腿、小腿和脚； 机器人腿的臀部包括第一伺服电机、第一连接件和第二连接件；第一伺服电机外壳与腿固定板组螺纹连接，第一伺服电机的输出轴与第一连接件的叉部螺纹连接，第一连接件的基部与第二连接件的基部正交且螺纹连接，第一伺服电机的输出轴转动带动第一连接件运动； 机器人腿的大腿包括第二伺服电机、第一连接板、第二连接板和第三伺服电机；第二伺服电机的输出轴与第二连接件的叉部螺纹连接，第二伺服电机的外壳同时与第一连接板和第二连接板的一端螺纹连接，第一连接板和第二连接板的另一端同时与第三伺服电机的外壳螺纹连接；第二伺服电机的输出轴转动带动大腿整体运动； 机器人腿的小腿包括第三连接件、第一连接圆筒和力传感器；第三连接件的叉部与第三伺服电机的输出轴螺纹连接，第三连接件的基部与第一连接圆筒的一端螺纹连接，第一连接圆筒的另一端与力传感器的外壳螺纹连接；第三伺服电机的输出轴转动带动第三连接件运动； 机器人腿的脚包括第二连接圆筒和足端；第二连接圆筒的一端与力传感器外壳螺纹连接，足端为半球形，第二连接圆筒的另一端与足端的半球形截面通过螺纹连接，此足端采用橡胶材料制造； 六足步行机器人控制系统包括中央控制器、电子罗盘、力传感器、电池和编码器；中央控制器、电子罗盘和电池安装在机身下板的上侧面，六个力传感器分别装于六条机器人腿的小腿之上，编码器为伺服电机自带，其与伺服电机封装在一起，电池为六足步行机器人提供能量。
专利摘要本实用新型公开了一种六足步行机器人。现有步行机器人机械结构复杂，能量消耗大，控制复杂且不适应地形复杂环境。本实用新型包括六足步行机器人机械本体和六足步行机器人控制系统。六足步行机器人机械本体包括机架和机器人腿。机架包括机身和6个腿固定板组，机身包括机身上板和机身下板；每条机器人腿结构相同，包括臀部、大腿、小腿和脚，都具有三个自由度，六条机器人腿均匀分列于机架的两侧，控制系统包括中央控制器、电子罗盘、力传感器、电池和编码器。本实用新型机械结构简单、紧凑，能量利用率高，控制简单可靠，具有优越的灵活性和环境适应能力。
文档编号B62D57/032GK202378991SQ20112056430
公开日2012年8月15日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者金波, 陈刚, 陈诚, 陈鹰 申请人:浙江大学