专利名称：小型仿生四足机器人的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种机器人，尤其是一种小型仿生四足机器人。
背景技术：
机器人作为一项近年来飞速发展的新兴产业，正在快速运用到军事、工业等各个领域。从运动方式来看，机器人可分为，轮式机器人、履带式机器人和足式机器人三类。最初，轮式或履带式的机器人系统由于能够很好地适应平坦和坚硬的表面(如实验室或公路)而广受人们的青睐，并取得了很大的进展。近年来，随着人类活动范围的扩大，对机器人的活动范围提出了更高的要求。很多情况下，机器人需要在山地等崎岖复杂的路面上行进，这是轮式和履带机器人难以胜任的。20世纪60年代，随着仿生学的出现，科学家基于人和动物可以在几乎一切路面行 走的事实，开展了足式仿生机器人的研制。自1968年由美国通用电气公司的Mosher研制出了世界上第一台现代意义上的、具有控制功能的四足步行机器人至今，包括美国、日本、加拿大、瑞士、德国等多个国家都在不同程度上进行了足式机器人的研究，很多成果也相继面世。其中，美国波士顿动力公司研制的BigDog已经可以成功地实现不同的步态,如Walk步态、Trot步态和Bound步态，还可以负载最多达154千克行进2. 5小时，并可以在山地、冰面、废墟等复杂路面上行走，可以看做当今四足机器人发展的最高成就。此外，美国波士顿动力公司与多家机构共同研制的AlphaDog也已经进入户外测试阶段,其性能较BigDog也会有较大提升。此外，在国内，清华大学、山东大学、哈尔滨工业大学和华中科技大学等高校也在从事四足仿生机器人的研发工作，并取得了一定的成果。2011年2月发表于《机械》的文献《舵机驱动仿生四足机器人设计》一文中提出过用舵机驱动四足机器人的想法，但其机器人的自由度相对较少，也未提及具体的步态实施方案，在较为复杂的地面运动以及步态的灵活性上(尤其是转弯时)还略显不足。
发明内容本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种小型仿生四足机器人，此机器人基于仿生学原理，自带控制器，并以舵机为执行器，模拟四足哺乳动物的步态和腿部结构，具备步态灵活，行动稳定，控制方式相对简单的特点，可以灵活的实现前进、后退、转向等动作。为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案一种小型仿生四足机器人，包括躯干，所述躯干上设有控制系统和电源，控制系统和电源相连，躯干下部设有四条腿，每条腿上均有三个自由度，分别处于膝盖处的一个自由度和髋关节处的两个自由度；所述每个自由度均通过舵机实现。所述控制系统采用两层结构，分别为电连接的上位机和下位机。所述上位机为PC机，下位机为飞思卡尔微控制单元。[0011 ] 所述电源设置于躯干和控制系统之间的夹层中。所述电源为Li-ion电池。所述每条腿的末端均有半圆柱形橡胶垫。本实用新型的每条腿上均有三个自由度(关节)，分别处于膝盖处(ー个自由度，用于小腿的前后摆动)和髋关节处(两个自由度，用于大腿的前后摆动和侧向摆动)。该机器人的控制器位于机器人躯体上，以电池供电，无需外部电源。电池位于机器人躯体与控制单元的夹层之中。该机器人采用步态控制的方式，可灵活实现多种动静步态(walk, trot, bound, gallop, circling gait, spinning gait 等)。步态的切换可以依4 软 件完成，通过上位机与微控制器之间的信息传送，可以方便的在多种步态之间进行切換。整个控制系统采用两层结构上位机为PC机，下位机为飞思卡尔微控制单元。在工作过程中，上位机与下位机之间依照程序进行信息的交互，从而实现机器人的相应动作。整个机器人系统具有可编程控制接ロ，可以为程序的开发和升级提供了极大地方便。在躯干上底层电路板上的单片机插座安装单片机，打开拨码开关，电源开关，电池通过电源接ロ给单片机供电，电源指示灯亮，单片机已起控制作用，经过5V稳压片作用的蜂鸣器正常工作，同时经过6V稳压片作用的数码管显示数据。通过舵机接ロ与机器人四条腿相连，调节可侧向旋转的髋关节、可前后旋转的髋关节、可前后旋转的膝关节，机器人可以行走。在步态灵活性方面，机器人四条腿的髋关节处均添加了一个外摆的自由度，即每条腿使用三个舵机(髋关节两个，分别用于内外摆动和前后摆动，膝关节ー个，用于前后摆动)，这样不仅更进一歩接近了四足动物的真实情况，而且极大程度上提高了机器人步态的灵活性。在PWM的产生原理方面，机器人共拥有12个自由度，需要12个舵机，因此需要12个可以产生PWM的输出端ロ。本系统采用的是MC9S12XS128单片机，其本身具备8个PWM输出端ロ。然而，为了达到满意的控制精度，需要将PWM ロ两两级联，因此，8个PWM输出口只能控制四个舵机。要精准控制所有的12个舵机，且不增加额外的硬件电路，则需要将部分I/O ロ通过定时器用作PWM ロ，使其输出固定周期且宽度适宜的脉冲信号。然而，这样会产生新的问题本舵机需要20ms为周期的PWM信号，从理论上讲，若利用单片机定时器产生周期为0.01ms的定时中断，在特定的时间段内控制某I/O ロ输出高电平或低电平，这样就可以输出特定占空比的PWM波，且在舵机的控制脉冲宽度(O. 5ms-2. 5ms)内有200个等级可以调，控制精度可以保证。然而，这样ー来，可能会由于中断过于频繁而导致程序无法正常运行。要解决这ー问题，可以设置两个中断ー个周期为IOms的大中断，ー个周期为O. Olms小中断。在程序运行时，每隔ー个IOms的大中断，使能一次小中断。这样ー来，每两个大中断构成ー个20ms的周期，且在ー个周期特定的半周上产生触发脉沖。本实用新型为电路结构相对简单、易于实现的小型仿生四足机器人，此机器人基于仿生学原理，自带控制器，并以舵机为执行器，模拟四足哺乳动物的步态和腿部结构，具备步态灵活，行动稳定，控制方式相对简单的特点，可以灵活的实现前进、后退、转向等动作。使用功率较小的舵机代替液压装置可以大幅减小机器人主体的体积和重量及其能量消耗。此外，在设计过程中，机器人的电池等能源机构全部置于机器人上，大大提高了机器人的活动范围和灵活性。该机器人可以应用于教学、娱乐等领域，并且可以作为一个成本低廉的试验平台，以供对大型四足机器人的步态等进行学习和研究。机器人模仿四足哺乳动物(如猫、狗等)的腿部结构，在步态实现上采用位置控制的方式。系统采用两块Li-ion电池供电，位于机器人躯体上，不占用额外的空间，使得整个系统结构显得紧凑。躯体的运动控制以飞思卡尔微控制器为控制核心，控制器及外围电路全部集成在机器人的躯体上，既满足了系统的小型化，又保证了系统的可靠性。
图I是本实用新型单条腿结构示意图；图2是本实用新型结构示意图；图3是本实用新型电源控制关系图；·图4是PWM输出波形图；图5是控制系统结构框图；其中I.躯干，2.髋关节自由度(舵机)，3.膝关节自由度(舵机)。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。如图1-5所示，小型仿生四足机器人，包括躯干1，所述躯干I上设有控制系统和电源，控制系统和电源相连，躯干I下部设有四条腿，每条腿上均有三个自由度(关节)，分别处于膝盖处(一个膝关节自由度3，用于小腿的前后摆动)和髋关节处(两个髋关节自由度2，用于大腿的前后摆动和侧向摆动)。每个自由度均通过舵机实现。每条腿的结构如图I所示，其中
LI 33mmL2 50mmL3 55mm控制系统采用两层结构，分别为电连接的上位机和下位机。上位机为PC机，下位机为飞思卡尔微控制单元。在工作过程中，上位机与下位机之间依照程序进行信息的交互，从而实现机器人的相应动作。该机器人的控制器位于机器人躯体上，以电池供电，无需外部电源。电源为Li-ion电池。电池位于机器人躯体与控制单元的夹层之中。每条腿的末端均有半圆柱形橡胶垫。该机器人采用步态控制的方式，可灵活实现多种动静步态(walk, trot, bound, gallop, circling gait, spinning gait 等)。步态的切换可以依靠软件完成，通过上位机与微控制器之间的信息传送，可以方便的在多种步态之间进行切换。整个机器人系统具有可编程控制接口，可以为程序的开发和升级提供了极大地方便。在躯干上底层电路板上的单片机插座安装单片机，打开拨码开关，电源开关，电池通过电源接ロ给单片机供电，电源指示灯亮，单片机已起控制作用，经过5V稳压片作用的蜂鸣器正常工作，同时经过6V稳压片作用的数码管显示数据。通过舵机接ロ与机器人四条腿相连，调节可侧向旋转的髋关节、可前后旋转的髋关节、可前后旋转的膝关节，机器人可以行走。在步态灵活性方面，机器人四条腿的髋关节处均添加了一个外摆的自由度，即每条腿使用三个舵机(髋关节两个，分别用于内外摆动和前后摆动，膝关节ー个，用于前后摆动)，这样不仅更进一歩接近了四足动物的真实情况，而且极大程度上提高了机器人步态的灵活性。在PWM的产生原理方面，机器人共拥有12个自由度，需要12个舵机，因此需要12个可以产生PWM的输出端ロ。本系统采用的是MC9S12XS128单片机，其本身具备8个PWM 输出端ロ。然而，为了达到满意的控制精度，需要将PWM ロ两两级联，因此，8个PWM输出口只能控制四个舵机。要精准控制所有的12个舵机，且不增加额外的硬件电路，则需要将部分I/O ロ通过定时器用作PWM ロ，使其输出固定周期且宽度适宜的脉冲信号。然而，这样会产生新的问题本舵机需要20ms为周期的PWM信号，从理论上讲，若利用单片机定时器产生周期为0.01ms的定时中断，在特定的时间段内控制某I/O ロ输出高电平或低电平，这样就可以输出特定占空比的PWM波，且在舵机的控制脉冲宽度(O. 5ms-2. 5ms)内有200个等级可以调，控制精度可以保证。然而，这样ー来，可能会由于中断过于频繁而导致程序无法正常运行。要解决这ー问题，可以设置两个中断ー个周期为IOms的大中断，ー个周期为
O.Olms小中断。在程序运行时，每隔ー个IOms的大中断，使能一次小中断。这样ー来，每两个大中断构成ー个20ms的周期，且在ー个周期特定的半周上产生触发脉沖。上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式
进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。
权利要求1.ー种小型仿生四足机器人，其特征是，包括躯干，所述躯干上设有控制系统和电源，控制系统和电源相连，躯干下部设有四条腿，每条腿上均有三个自由度，分别处于膝盖处的ー个自由度和髋关节处的两个自由度；所述每个自由度均通过舵机实现。
2.如权利要求I所述的小型仿生四足机器人，其特征是，所述控制系统采用两层结构，分别为电连接的上位机和下位机。
3.如权利要求2所述的小型仿生四足机器人，其特征是，所述上位机为PC机，下位机为飞思卡尔微控制単元。
4.如权利要求I所述的小型仿生四足机器人，其特征是，所述电源设置于躯干和控制系统之间的夹层中。
5.如权利要求I或4所述的小型仿生四足机器人，其特征是，所述电源为Li-ion电池。
6.如权利要求I所述的小型仿生四足机器人，其特征是，所述每条腿的末端均有半圆柱形橡胶垫。
专利摘要本实用新型公开了一种小型仿生四足机器人，包括躯干，所述躯干上设有控制系统和电源，控制系统和电源相连，躯干下部设有四条腿，每条腿上均有三个自由度，分别处于膝盖处的一个自由度和髋关节处的两个自由度；所述每个自由度均通过舵机实现。此机器人基于仿生学原理，自带控制器，并以舵机为执行器，模拟四足哺乳动物的步态和腿部结构，具备步态灵活，行动稳定，控制方式相对简单的特点，可以灵活的实现前进、后退、转向等动作。
文档编号B62D57/032GK202657138SQ20122034452
公开日2013年1月9日 申请日期2012年7月16日 优先权日2012年7月16日
发明者张国腾, 李贻斌, 孟健, 柴汇, 刘斌 申请人:山东大学