可分解重构的多足步行机器人.pdf

本发明公开了一种可分解重构的步行机器人，包括分两排并列分布在机架单元左右两侧的足单元结构，其特征在于：机器人是由组单元结构、机身单元结构和主动关节单元结构构成。各个单元结构可以方便、独立的与其他单元结构分离和组合。本发明通过调整机架连接架的位置和数量改变步行机器人足的数量的布置方式，进而改变步行机器人的结构和功能。本发明在步行机器人的结构和运动功能上都具有更大的扩展空间，并可以方便替换失效单元，重新组合新的运动结构，对各种不同的运动环境具有更强的适应能力。该步行机器人可以满足各种环境和任务的需要，同时简化机器人的结构和控制，降低研制和使用成本。

1、  一种可分解重构的多足步行机器人，包括第一足单元(1)、第二足单元(2)、第三足单元(3)、第四足单元(4)以及机身支架(5)，其中机身支架(5)上设置有第一至第四上支架梁(5a、5b、5c、5d)和第一至第四下支架梁(5e、5f、5g、5h)；
第一足单元(1)的上、下机架的尾端与第二足单元(2)的上、下机架的尾端相连，第三足单元(3)的上、下机架的尾端和第四足单元(4)的上、下机架的尾端相连；第一、第二上支架梁(5a、5b)和第一、第二下支架梁(5e、5f)依次安装在第一足单元(1)和第三足单元(3)的上机架和下机架上，第三、第四上支架梁(5c、5d)和第三、第四下支架梁(5g、5h)依次安装在第二足单元(2)和第四足单元(4)上机架和下机架上；
第一至第四足单元(1、2、3、4)的结构相同，均包括足末端、小腿关节、大腿关节、髋关节、上机架和下机架；其中，小腿关节、大腿关节和髋关节为串联组合的结构相同的关节；足末端包括足尖、足节杆和第三连接支架；其中，足尖的后端与足节杆的前端相连，足节杆后端与第三连接支架相连；足末端的第三连接支架与小腿关节的连接盘相连；小腿关节后部的连接支架与大腿关节的连接盘相连；大腿关节的壳体两侧分别与上机架、下机架相连，上机架、下机架分别与髋关节的连接盘两侧相连；
上述小腿关节、大腿关节和髋关节的结构相同，均包括电动机、齿轮减速器、直齿轮和转向减速器；电机支架位于壳体内，电动机和齿轮减速器位于电机支架的腔体中，齿轮减速器位于电动机的前端；齿轮减速器的前端输出轴与第一直齿轮相连；第二、第三直齿轮分别与第一直齿轮相啮合；转向减速器支架连接在电机支架的前端；第一、第二转向减速器分别位于转向减速器支架的两侧；第二、第三直齿轮分别与第一、第二转向减速器的末端相连；第一、第二连接支架分别安装在壳体尾部；第一、第二连接盘分别位于第一、第二转向减速器的外侧；光电编码器位于电动机的尾端，电位器位于连接盘上。

2、  根据权利要求1所述的多足步行机器人，其特征在于：它还包括第五足单元(6)和第六足单元(7)；第五足单元(6)的上、下机架的尾端和第六足单元(7)的上、下机架的尾端相连；第一、第二上支架梁(5a、5b)和第一、第二下支架梁(5e、5f)依次安装在第一足单元(1)、第三足单元(3)和第五足单元(6)的上机架和下机架上；第三、第四上支架梁(5c、5d)和第三、第四下支架梁(5g、5h)依次安装在第二足单元(2)、第四足单元(4)和第六足单元(7)的上机架和下机架上。

可分解重构的多足步行机器人
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种可分解重构的多足步行机器人。
背景技术
传统移动机器人主要包括轮式、履带式、足式、混合式等运动形式。其中，轮式和履带式机器人结构简单，但其运动受环境因素所限，运动能力较弱。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，而且如果再设计适当的腿/臂融合结构，则借助相应的末端工具可以使机器人在危险或者险恶环境中代替人工作，完成一些轮式机器人不易完成的任务。因此，这类机器人有着非常广阔的应用前景。有鉴于此，自二十世纪六十年代以来世界上许多发达国家都已投入相当的人力和财力开展这类机器人技术的研究。随着计算机控制技术的进步，机器人技术更是快速发展。
目前，在工业机器人领域，已经有通过模块化机器人单元组合结构的研究在降低工业机械臂研制和使用成本的前提上提高工业机械臂的适应能力，然而针对步行机器人的类似研究成果还非常少见。国内外关于步行机人的研究主要集中在单一工作环境下的控制方法和运动结构与功能上，而针对如何降低步行机器人的研究成本以及提高步行机器人扩展性的研究成果非常有限，集中表现在绝大多数的机器人以实现适合于多种工作环境的高效而丰富的运动为目标，并通过采用复杂的运动结构和控制方法实现上述目标。这些运动结构和控制方法不仅非常复杂，而且通常这种结构一经确定就很能做出更改，当机器人的工作环境或者工作任务发生变化时，机器人的适应能力明显下降甚至无法工作。此外，日趋复杂的结构也会导致运行过程中的故障发生率显著增高，机器人的研制费用和使用成本也因此大大增加。因此，通过增加运动结构的功能和复杂度的方法，不能根本上满足步行机器人经常变化的环境和任务需要，也不能解决丰富机器人功能与降低研制和使用成本之间的矛盾。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，提供一种可分解重构的步行机器人，该步行机器人可以动态组合成具有多种运动结构和运动形式的步行机器人，以满足各种环境和任务的需要，同时简化机器人的结构和控制，降低研制和使用成本。
本发明提供的可分解重构的多足步行机器人，其特征在于：它包括第一足单元、第二足单元、第三足单元、第四足单元以及机身支架，其中机身支架上设置有第一至第四上支架梁和第一至第四下支架梁；
第一足单元的上、下机架的尾端与第二足单元的上、下机架的尾端相连，第三足单元的上、下机架的尾端和第四足单元的上、下机架的尾端相连；第一、第二上支架梁和第一、第二下支架梁依次安装在第一足单元和第三足单元的上机架和下机架上，第三、第四上支架梁和第三、第四下支架梁依次安装在第二足单元和第四足单元上机架和下机架上；
四个足单元的结构相同，均包括足末端、小腿关节、大腿关节、髋关节、上机架和下机架；其中，小腿关节、大腿关节和髋关节为串联组合的结构相同的关节；足末端包括足尖、足节杆和第三连接支架；其中，足尖的后端与足节杆的前端相连，足节杆后端与第三连接支架相连；足末端的第三连接支架与小腿关节的连接盘相连；小腿关节后部的连接支架与大腿关节的连接盘相连；大腿关节的壳体两侧分别与上机架、下机架相连，上机架、下机架分别与髋关节的连接盘两侧相连；
上述小腿关节、大腿关节和髋关节的结构相同，均包括电动机、齿轮减速器、直齿轮和转向减速器；电机支架位于壳体内，电动机和齿轮减速器位于电机支架的腔体中，齿轮减速器位于电动机的前端；齿轮减速器的前端输出轴与第一直齿轮相连；第二、第三直齿轮分别与第一直齿轮相啮合；转向减速器支架连接在电机支架的前端；第一、第二转向减速器分别位于转向减速器支架的两侧；第二、第三直齿轮分别与第一、第二转向减速器的末端相连；第一、第二连接支架分别安装在壳体尾部；第一、第二连接盘分别位于第一、第二转向减速器的外侧；光电编码器位于电动机的尾端，电位器位于连接盘上。
同单机运行的步行机器人相比，本发明在步行机器人的结构和运动功能上都具有更大的扩展空间，并可以方便替换失效单元，重新组合新的运动结构，对各种不同的运动环境具有更强的适应能力。同时，由于系统的组合单元采用统一的模块化标准结构，可以使组合步行机器人系统得使用和制造成本大大降低。以这种形式组成的步行机器人系统是移动机器人领域的的一个新研究方向，具有广泛的发展空间和应用前景。具体而言，本发明具有以下效果：
1、本发明打破了已有的各种步行机器人在单机结构和功能上的限制，利用多个具有相同结构的简单机器人单元，根据环境和任务需要，快速便捷地组合成各种具有不同结构和运动形式的步行机器人系统。这种可分解重构的单元采用适于组合的模块化结构设计，通过单电机驱动的关节模块构成多自由度的足单元，通过多个足单元构成具有多种运动形式的步行机器人。这种构造方式最大限度地发挥了系统组合单元在结构和功能上的扩展能力，并可以尽量避免在结构和功能上的冗余。
2、本发明采用了同一的模块化标准结构组成各种类型的步行机器人，可以批量制造生产，并灵活组合成多种适于各种环境和任务要求的步行机器人系统，从而降低了步行机器人系统在结构和控制上的复杂程度。
3、同不可分解重构的单机步行机器人相比，本发明在步行机器人的结构上和运动功能上都具有更大的扩展空间，并可以方便地替换失效单元，重新组合成新的步行机器人结构，对不同的环境具有更强的适应能力。同时，由于各种类型的系统组合单元均采用统一的模块化标准结构，可使组合步行机器人系统的使用和制造成本大大降低。以这种形式组成的步行机器人系统是机器人技术领域的一个新研究方向，具有广泛的发展空间和应用前景。
附图说明
图1是本发明的四足构型步行机器人系统示意图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图。
图2是本发明的六足构型步行机器人系统示意图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图。
图3是本发明的足单元结构实施例示意图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图。
图4是本发明的关节示意图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明，
如图1所示，四足构型包括第一足单元1、第二足单元2、第三足单元3、第四足单元4以及机身支架5，其中机身支架上设置有上支架梁和下支架梁，分别为第一至第四上支架梁5a、5b、5c、5d和第一至第四下支架梁5e、5f、5g、5h。
第一足单元1的上、下机架的尾端与第二足单元2的上、下机架的尾端相连，第三足单元3的上、下机架的尾端和第四足单元4的上、下机架的尾端相连。第一、第二上支架梁5a、5b和第一、第二下支架梁5e、5f依次安装在第一足单元1和第三足单元3上机架和下机架上，第三、第四上支架梁5c、5d和第三、第四下支架梁5g、5h依次安装在第二足单元2和第四足单元4上机架和下机架上。通过安装不同长度的支架梁5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h可以改变机器人的结构尺寸。
四足构型是最简单的步行机器人构型，其控制原理是，通过控制四个足单元的各个关节运动，可以使足单元完成抬起、摆动和落下等动作。而控制器通过规划四个足单元按照一定的顺序依次完成抬起、摆动和落下，便可以实现步行运动。安装在机器人关节内的传感器装置为控制器提供必要的状态信息，控制器根据状态信息和人的操作命令进行分析整理，然后输出控制信号来指挥机器人完成相应的动作。
本发明的六足构型的结构与四足构型相似，如图2所示，仅增加了第五足单元6和第六足单元7。第五足单元6的上、下机架的尾端和第六足单元7的上、下机架的尾端相连。第一、第二上支架梁5a、5b和第一、第二下支架梁5e、5f依次安装在第一足单元1、第三足单元3和第五足单元6的上机架和下机架上。第三、第四上支架梁5c、5d和第三、第四下支架梁5g、5h依次安装在第二足单元2、第四足单元4和第六足单元7的上机架和下机架上。
六足构型的步行机器人的步行运动与四足构型类似，同样是通过控制器规划六只足单元按照一定的顺序依次完成抬起、摆动和落下实现步行运动。然而与四足构型不同的是，六足构型的步行机器人功能更加丰富。它不仅可以利用全部的六只足单元实现稳健的步行运动，还可以仅利用其中的四只足步行或支撑身体，而利用剩余的两只足完成类似于手臂的工作，例如样品的采集和搬运等。
通过改变足单元的数目，还可以构造出其它构型的多足步行机器人。
如图3所示，由本发明机器人关节所组合成的足单元包括足末端8、小腿关节9、大腿关节10、髋关节11、上机架12和下机架13。小腿关节9、大腿关节10和髋关节11为串联组合的结构相同的关节。
足末端8包括足尖8a、足节杆8b、第三连接支架8c。足尖8a的后端与足节杆8b的前端相连，足节杆8b后端与第三连接支架8c相连。
足末端8后部的第三连接支架与小腿关节9的连接盘通过连接螺钉相连。小腿关节9后部的连接支架与大腿关节10的连接盘通过连接螺钉相连。大腿关节10的壳体的两侧分别与上机架12、下机架13相连，上机架12、下机架13分别与髋关节11的连接盘两侧相连。
足单元的三个关节在控制器的控制下协调动作，使足末端8的足尖在三维空间中以一定的轨迹移动。多个足单元的协调动作就可以实现机器人的运动功能。
通过改变大腿关节10的壳体与上、下机架的安装位置、小腿关节9的连接支架在壳体上的安装位置或者通过添加新的关节的方法来改变关节的组合方式。在壳体或连接盘上的安装位置可以为前后二侧或上下二侧。
本发明可以采用其他组合方式，构成多种形式的机器人足单元。
如图4所示，本发明机器人关节包括传动装置和传感装置二部分。
传动装置主要包括电动机20、齿轮减速器19、第一直齿轮18、第二直齿轮17、第三直齿轮28、第一转向减速器25和第二转向减速器27。
电机支架16位于壳体14内，电动机20和齿轮减速器19安装在电机支架16的腔体中，齿轮减速器19位于电动机20的前端。齿轮减速器19的前端输出轴与第一直齿轮18相连。第二、第三直齿轮17、28与第一直齿轮18相啮合。转向减速器支架15通过螺钉连接在电机支架16的前端。第一转向减速器25、第二转向减速器27安装在转向减速器支架15的两侧。第二直齿轮17、第三直齿轮28分别与第一转向减速器25、第二转向减速器27的末端相连。第一、第二连接支架22a、22b分别安装在壳体14尾部。第一、第二连接盘23、29分别位于第一、第二转向减速器25、27的外侧。第一、第二连接支架22a、22b通过连接螺钉26分别与下一级关节的二个连接盘相连。
电动机20主轴的旋转运动经过齿轮减速器19减速，再通过各直齿轮17、18和28分别与两组并列布置的第一、第二转向减速器25、27相连，二个转向减速器将旋转方向由沿关节中轴方向变换为垂直于关节轴方向。
传感装置包括安装在电动机20尾端的光电编码器21和安装在连接盘23上的电位器24，光电编码器21用于获得电动机20的转速信号，电位器24用于获得连接盘23转动的绝对位置信息。
第一、第二连接支架22a、22b在壳体14上的安装位置，可以选择在其尾部的前后二侧或上下二侧，以改变与下一级关节的转动轴所成的角度，实现两种组合方式。
关节的工作和控制原理是，电动机20主轴在关节控制器控制下高速旋转，主轴的运动经过传动装置减速和变换方向后，驱动连接盘23转动，实现关节的转动。关节控制器通过测量光电编码器21获得的电动机转速信号、通过测量电位器24获得的连接盘绝对转角位置信号计算与目标位置的偏差，并控制电动机20主轴以一定的速度和加速度转动到目标位置。
齿轮减速器19可采用行星减速器或直齿轮减速器；转向减速器25、27可采用蜗轮蜗杆、螺旋齿轮副或锥齿轮副，均能构成本发明机器人关节。