偏心轮腿六足机器人.pdf

1、10申请公布号CN102107685A43申请公布日20110629CN102107685ACN102107685A21申请号201110005710X22申请日20110112B62D57/0220060171申请人西南大学地址400715重庆市北碚区天生路2号72发明人王宇俊谭兴军何新强74专利代理机构重庆华科专利事务所50123代理人康海燕54发明名称偏心轮腿六足机器人57摘要偏心轮腿六足机器人，采用偏心轮结构作为腿的形式，机身结构采用对称设计并呈扁平狭长体型。该机器人包括机身框架、偏心轮、电机、电源、光电编码器、控制电路、遥控器。机器人能克服传统腿结构的功耗剧烈振荡，并保证了前进、后退

2、、左右转向功能完整性。该机器人地表适应性强，较宽的偏心轮腿不仅适合平整硬质地表，草地、沙滩、碎石等地表都能行走；该机器人越障能力强，能轻松跨越略低于机身高度的障碍物。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书5页附图4页CN102107688A1/2页21偏心轮腿六足机器人，其由手持遥控器28与机器人本体构成；其特征在于所述机器人本体包括机身框架、行走腿、电机9、电源19、光电编码器21和控制电路；所述电机（9）、电源19和控制电路固定安装在机身框架中；所述行走腿有六个，采用偏心轮（3）结构形式，安装在电机（9）的输出轴上，并对称位于机身框架的左右两侧，

3、形成三组，一个电机（9）对应一个偏心轮（15），采用独立驱动方式；所述电源19通过电源线与电机（9）连接，控制电路通过控制线与电机（9）连接；所述光电编码器21对应每一个偏心轮（15）各设置一个，其信号输出线连接控制电路；所述控制电路与手持遥控器28通过红外信号进行通讯；所述六个偏心轮（15）分成两组，左侧的前、后偏心轮与右侧的中间的一个偏心轮分成一组，右侧的前、后偏心轮与右侧的中间的一个偏心轮分成一组，通过控制电路控制行走过程中的任意时刻都有一组偏心轮（15）着地并支撑机器人本体，另一组偏心轮（15）则向前跨出。2根据权利要求1所述的偏心轮腿六足机器人，其特征在于所述位于机身框架同一侧偏心轮

4、（15），相邻的偏心轮（15）之间位置左右错开布置。3根据权利要求1所述的偏心轮腿六足机器人，其特征在于所述偏心轮（15）的轮宽在10MM15MM。4根据权利要求1所述的偏心轮腿六足机器人，其特征在于所述机身框架整体呈扁平狭长型。5根据权利要求14之任一项所述的偏心轮腿六足机器人，其特征在于所述光电编码器21由码盘17、红外收发对管16和放大转换电路26组成；所述码盘17分别固定在偏心轮15的内侧，随偏心轮（3）转动，红外收发对管16分别固定在机身框架上，与各自的码盘17位置相对，红外收发对管16的信号线连接放大转换电路26，放大转换电路26将接收到的红外信号转换成标准TTL电信号输出。6根据

5、权利要求14之任一项所述的偏心轮腿六足机器人，其特征在于所述控制电路包括MCU及周边电路18、驱动电路20、红外通讯接收电路22；所述MCU及周边电路18与光电编码器21的放大转换电路26连接，对光电编码器21的信号进行识别与计数，以检测各偏心轮（15）所处状态；MCU及周边电路18又与红外通讯接收电路22连接，红外通讯接收电路22与手持遥控器28进行通信，将接收到的信号经进行滤波、调制、解码后送入到MCU及周边电路18，所述MCU及周边电路18连接驱动电路20，MCU及周边电路18对红外通讯接收电路22输入的信号进行指令识别，并执行与该指令对应的控制程序，将各路控制信号输出给驱动电路20，由

6、驱动电路（20）去控制电机（9）工作。7根据权利要求14之任一项所述的偏心轮腿六足机器人，其特征在于所述偏心轮腿六足机器人共有六种动作方式复位、前进、后退、原地左转向、原地右转向和停止；机器人每行走一步所有腿都会转过一周，将这个周期分成两个阶段进行控制腿离开地面在空中旋转阶段称为空转阶段，此阶段中腿绕其轴心的转速为0，即电机空转速度；腿接触地面驱动机器人行走阶段称为驱动阶段，此阶段中腿绕其轴心的转速为，与0满足关系权利要求书CN102107685ACN102107688A2/2页3转过角度为，的范围为/6,5/6；驱动阶段又分为一般状态、触地点状态和离地点状态，触地点状态为腿刚刚接触地面即将进

7、入驱动阶段时的状态，离地点状态为腿即将离开地面进入空转阶段时的状态，两组偏心轮的两个阶段相互交替进行，最终驱动机器人行走。权利要求书CN102107685ACN102107688A1/5页4偏心轮腿六足机器人技术领域0001本发明属于移动机器人领域，具体涉及多足机器人的行走机构，特别是六足移动机器人。背景技术0002多足机器人是移动机器人领域的重要分支，其中的六足机器人仿生六足纲昆虫的行走机构与步态，以其强大的地形适应性、冗余结构与日趋成熟的步态规划方法，已经成为移动机器人领域的重点研究对象。美、日、德等发达国家从上个世纪八十年代就开始大规模投入六足机器人的研发。截至目前，六足机器人已经被成功

8、应用于星球探测、地雷排爆、海底探测、消防营救等多个领域。随着材料科学、控制理论与嵌入式技术的进一步发展，六足机器人的研究与应用还有很广阔的前景。0003现有六足机器人从驱动结构上可分为单一驱动和独立驱动。采用单一驱动方式的机器人所有动力仅来自一部电机，通过复杂的传动结构同时驱动六只腿的动作。这种方式的优势是机身轻便，控制电路简单，成本低；缺点是机构复杂，步调单一，可控性差，大大削弱了六足机器人地形适应性强大的这一优势。采用独立驱动方式的机器人每只腿由至少一部电机单独驱动，由控制器控制各腿协调一致完成步态动作。这种方式的优势是可控性高，柔性好，保证了机器人的地形适应性和冗余性；缺点是成本高，控制

9、电路复杂，机身笨重。不过随着新型材料的出现，小体积、大功率的电机和高密度大容量的电池正在出现，机身结构也可采用质量更轻的合金、树脂等材料，机身笨重这一缺点正在得到改善。发明内容0004本发明的目的是要提供一种机构简洁、地表适应性好、越障能力强的六足移动机器人。0005本发明提出的偏心轮腿六足机器人由手持遥控器与机器人本体构成；所述机器人本体包括机身框架、行走腿、电机、电源、光电编码器和控制电路。0006所述电机、电源和控制电路固定安装在机身框架中。采用偏心轮结构形式，安装在电机的输出轴上，并对称位于机身框架的左右两侧，形成三组，一个电机对应一个偏心轮，采用独立驱动方式。0007所述位于机身框架

10、同一侧偏心轮，相邻的偏心轮之间位置左右错开布置，这样可以避免相互干涉，减小机器人的体积。所述偏心轮的轮宽在10MM15MM范围，可以增加与柔性地表的接触面，提高地表适应性。所述机身框架整体呈扁平狭长型，使其更加稳定。0008所述电源通过电源线与电机连接，控制电路通过控制线与电机连接。光电编码器对应每一个偏心轮各设置一个，其信号输出线连接控制电路。控制电路与手持遥控器通过红外信号进行通讯。0009所述控制电路由MCU及周边电路、驱动电路、红外通讯接收电路组成。所述光电编码器共6套，结构均一样，都由码盘、红外收发对管和放大转换电路组成。说明书CN102107685ACN102107688A2/5页

11、50010所述遥控器由该偏心轮腿六足机器人的操作人员手持，上面有各功能键与前后左右方向键，并通过红外信号与机器人本身通讯。0011本发明具有以下特点1、采用偏心轮式的行走腿结构，可以缓冲传统腿结构由空载直接跳变到最大负载带来的功耗振荡，同时也可以保证机器人前进、后退、左右转向功能完整性。00122、机身主体结构呈扁平狭长型，机身结构对称，发生侧翻也能行走，稳定性好。00133、偏心轮位于同一侧的采用左右错开分布，保证了各腿之间不会发生碰撞，机器人行走采用仿生三角步态；机器人机身框架采用对称结构并呈扁平狭长体型，4、机器人采用独立驱动方式，可动态调节机器人的步距和速度。00145、采用较宽的偏心

12、轮腿，增大触地面积以适应柔软性地表和碎石类地表，不仅适合平整硬质地表，草地、沙滩、碎石等地表都能行走。00156、通过呈扁平狭长的身体框架设计来增大同侧相邻偏心轮腿轴心之间的距离，以便安装更大尺寸的偏心轮腿，从而提高行走速度和越障能力。00167、模块化设计，机械结构和各电路模块独立设计，采用标准接口，方便扩展与替换。00178、机器人的每个腿采用独立驱动方式，可控性好，可运行时动态调整机器人的步距与速度。00189、电机输出轴与腿直接相连，简化了传动机构，提高了可靠性。附图说明0019图1是偏心轮腿六足机器人的整体结构图；图2是机器人机身底板结构图；图3是机器人腿结构爆炸视图；图4是机器人电

13、路框图；图5是机器人控制流程图。具体实施方式0020参见图1、图2和图3，本发明提出的偏心轮腿六足机器人，包括机身框架、偏心轮15、电机9、电源19、光电编码器21、控制电路和遥控器28。偏心轮15为行走腿，安装于机身框架两侧；电机、电源19、控制电路均安装于机身框架内部；遥控器28与机器人本体分离且由机器人操作者手持。0021其中所述机身框架最优的结构如下其由顶板2、底板1和6个连接板10组成，整体呈扁平狭长型，这样既减轻重量，又具有很好的稳定性。顶板2和底板1的结构一样，均为长方形，两边均匀分布着6个凹槽11，分别对应6只偏心轮15的安装位置。其中位于中间的两个凹槽11向外凸出，该凸出部分

14、12宽于偏心轮15的宽度，以使同一侧前后相邻的另两个偏心轮15之间位置左右错开，不发生碰撞。各凹槽11内壁上均有2个螺纹孔13以便连接连接板10。6个连接板10通过嵌入凹槽11将顶板2和底板1连接固定起来，使机身框架程长方体状。各连接板10中心均有1个大孔，大孔附近有2个小螺纹孔，这3个孔用于固定电机9和光电编码器21。说明书CN102107685ACN102107688A3/5页60022所述偏心轮3共有6个，结构均一样，均匀分布在机身框架两侧，与6个凹槽11的位置对应。偏心轮15的轴心位于圆周内侧附近，轴心上有一通孔以便与电机9轴相连。偏心轮15有10MM15MM的宽度以适应柔软性地面。偏

15、心轮15圆内挖空以减轻重量。0023所述电机9共有6个，带有减速箱，结构均一样，均匀分布在机身框架6个连接板10内侧。电机9的轴穿过对应连接板10中心的大孔并穿进对应偏心轮15的轴心上的孔，与偏心轮15相连。电机9通过连接板10中心处的两2个小螺纹孔固定在机身框架上。电机9与顶板2、底板1之间的间隙用泡沫填充，以将电机9固定并缓冲振动。0024参见图3，所述光电编码器21共6套，结构均一样，都由码盘17、红外收发对管16和放大转换电路26组成。6只码盘17分别固定在6只偏心轮15内侧上，随偏心轮15转动。每只码盘17中心都有一孔，与偏心轮15上的孔同心同大小，电机轴14也会穿过这个孔。6只红外

16、收发对管16分别固定在6个连接板10的外侧上，与各自的码盘17位置相对。红外收发对管16的信号线连接放大转换电路26，放大转换电路26将接收到的红外信号转换成标准TTL电信号输出。0025参见图4，所述控制电路由MCU及周边电路18、驱动电路20、红外通讯接收电路22组成。所述电源19由电源适配器23、电线和稳压电路24组成。电源适配器23将220V交流转换为12V直流输出。稳压电路24一部分输出12V直流供驱动电机9，一部分输出5V供控制电路使用。0026所述遥控器28由该偏心轮腿六足机器人的操作人员手持，上面有各功能键与前后左右方向键，并通过红外信号与机器人本身通讯。0027所述MCU及周

17、边电路18与光电编码器21的放大转换电路26连接，对光电编码器21的信号进行识别与计数，以检测各偏心轮15所处状态；MCU及周边电路18又与红外通讯接收电路22连接，红外通讯接收电路22与手持遥控器28进行通信，将接收到的信号经进行滤波、调制、解码后送入到MCU及周边电路18，所述MCU及周边电路18连接驱动电路20，MCU及周边电路18对红外通讯接收电路22输入的信号进行指令识别，并执行与该指令对应的控制程序，将各路控制信号输出给驱动电路20，由驱动电路20去控制电机9工作。0028本发明所述偏心轮腿六足机器人共有6种动作方式复位、前进、后退、原地左转向、原地右转向和停止。机器人的6个个偏心

18、轮15将分成两组，左侧的前足3、后足5与右边的中足7分成一组，右边的前足8、后足6与左边的中足4分成一组。行走过程中的任意时刻都有一组着地并支撑机器人本体，另一组则向前跨出。0029机器人每行走一步所有腿都会转过一周。将这个周期分成两个阶段进行控制腿离开地面在空中旋转阶段称为空转阶段，此阶段中腿绕其轴心的转速为0，即电机9空转速度。腿接触地面驱动机器人行走阶段称为驱动阶段，此阶段中腿绕其轴心的转速为，与0满足关系转过角度为。0030驱动阶段又分为一般状态、触地点状态和离地点状态，触地点状态为腿刚刚接触说明书CN102107685ACN102107688A4/5页7地面即将进入驱动阶段时的状态，

19、离地点状态为腿即将离开地面进入空转阶段时的状态。两组偏心轮的两个阶段相互交替进行，最终驱动机器人行走。0031其中与步距、速度成正比，与越障能力成反比。的范围为/6,5/6，调整角度的大小即可以控制机器人的行走速度和越障能力。0032机器人开始运行后自动进入复位操作，复位操作将测试各功能部件是否工作正常，并将任意放置于地面的机器人支撑起来，各部件处于预备状态等待控制信号。0033当接收到前进信号后，控制电路运行前进算法程序，机器人向前行走，直到接到其它控制信号。前进算法程序如下初始状态左侧的前足3、后足5与右边的中足7处于其触地点状态，右边的前足8、后足6与左边的中足4处于其离地点状态。003

20、4第一步，设置方向与速度设置左侧的前足3、后足5的电机以的速度顺时针转动，右边的中足7电机以的速度逆时针转动。同时设置右边的前足8、后足6的电机以0的速度逆时针转动，左边的中足4的电机以0的速度顺时针转动。0035第二步，检测位置检测左侧的前足3、后足5与右边的中足7的电机是否到达其离地点状态，如果到达则立即停止对应的电机。同时检测右边的前足8、后足6与左边的中足4的电机是否到达其触地点状态，如果到达则立即停止对应的电机。0036第三步，设置方向与速度设置左侧的前足3、后足5的电机以0的速度顺时针转动，右边的中足7的电机以0的速度逆时针转动，同时设置右边的前足8、后足6的电机以的速度逆时针转动

21、，左边的中足4的电机以的速度顺时针转动。0037第四步，检测位置检测左侧的前足3、后足5与右边的中足7的电机是否到达其触地点状态，如果到达则立即停止对应的电机。同时检测右边的前足8、后足6与左边的中足4的电机是否到达其离地点状态，如果到达则立即停止对应的电机。0038第五步，判断是否接到新的控制信号，若是，则停止执行前进算法，否则，返回到第一步。0039当接收到后退信号后，控制电路运行后退算法程序，机器人向后退行，直到接到其它控制信号。后退算法程序与前进算法程序相似，不同的地方在于各电机与前进算法中的旋转方向相反。0040当接收到左转向信号后，控制电路运行左转向算法程序，机器人原地左转向，直到

22、接到其它控制信号，左转向算法程序如下初始状态左侧的前足3、后足5与右边的中足7处于其触地点状态，右边的前足8、后足6与左边的中足4处于其离地点状态。0041第一步，设置方向与速度设置左侧的前足3、后足5与右边的中足7的电机以的速度顺时针转动。同时设置右边的前足8、后足6与左边的中足4的电机以0的速度顺时针转动。0042第二步，检测位置检测左侧的前足3、后足5与右边的中足7的电机是否到达其离地点状态，如果到达则立即停止对应的电机。同时检测右边的前足8、后足6与左边的中足4的电机是否到达其触地点状态，如果到达则立即停止对应的电机。0043第三步，设置方向与速度设置左侧的前足3、后足5与右边的中足7

23、的电机以0的速度顺时针转动。同时设置右边的前足8、后足6与左边的中足4的电机以的速度顺说明书CN102107685ACN102107688A5/5页8时针转动。0044第四步，检测位置检测左侧的前足3、后足5与右边的中足7的电机是否到达其触地点状态，如果到达则立即停止对应的电机。同时检测右边的前足8、后足6与左边的中足4的电机是否到达其离地点状态，如果到达则立即停止对应的电机。0045第五步，判断是否接到新的控制信号，若是，则停止执行左转向算法，否则，返回到第一步。0046当接收到右转向信号后，控制电路运行右转向算法程序，机器人原地右转向，直到接到其它控制信号。右转向算法程序与左转向算法程序相似，不同的地方在于各电机与左转向算法中的旋转方向相反。0047当接收到停止信号后，控制电路运行停机程序取消各路与驱动电路20联接的驱动控制信号，切断电机驱动电源。说明书CN102107685ACN102107688A1/4页9图1说明书附图CN102107685ACN102107688A2/4页10图2图3说明书附图CN102107685ACN102107688A3/4页11图4说明书附图CN102107685ACN102107688A4/4页12图5说明书附图CN102107685A