專(zhuān)利名稱(chēng)：一種實(shí)現(xiàn)足型機(jī)器人行走及轉(zhuǎn)向的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種實(shí)現(xiàn)足型機(jī)器人行走及轉(zhuǎn)向的控制裝置，屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)研究了許多足型及多足機(jī)器人試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?br> 這些機(jī)器人大都可以實(shí)現(xiàn)行走前進(jìn)功能，但有的受到機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎功能，如上海交通大學(xué)開(kāi)發(fā)的SMA絲驅(qū)動(dòng)的仿螳螂式六足步行機(jī)器人。
能夠?qū)崿F(xiàn)足型機(jī)器人尤其是多足機(jī)器人的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)一般有兩種情況若機(jī)器人的軀體是剛性的，則其轉(zhuǎn)向一般通過(guò)腿部動(dòng)作來(lái)完成，那么每條腿至少應(yīng)該有髖關(guān)節(jié)大腿和小腿3個(gè)自由度，只就直接導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)復(fù)雜且需要的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)過(guò)多。若多足機(jī)器人的軀體采用分段式連接，為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，各段軀體之間就需要有俯仰和搖擺兩個(gè)自由度，這仍然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
上海交大于2002年研發(fā)出了形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的微型雙三足步行機(jī)器人，利用形狀記憶合金在通電加熱后能夠伸縮的特性來(lái)驅(qū)動(dòng)身體轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，從而達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。但是，此發(fā)明受到材料的限制，只適用于體重較輕的微型機(jī)器人，不具備廣泛的適用性；而且，其控制系統(tǒng)仍然很復(fù)雜。
設(shè)計(jì)內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對(duì)目前技術(shù)上的不足，提出一種新的思路，設(shè)計(jì)了一種能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)足型機(jī)器人行走及轉(zhuǎn)向功能的控制機(jī)構(gòu)裝置，尤其適合多足機(jī)器人。
本發(fā)明跳出實(shí)現(xiàn)機(jī)器人轉(zhuǎn)向要由機(jī)器人腿部關(guān)節(jié)來(lái)完成的思維模式，而是利用欠驅(qū)動(dòng)學(xué)等原理，將機(jī)器人的行走和轉(zhuǎn)向功能在一個(gè)統(tǒng)一的控制裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。
可以假設(shè)足型及多足仿生機(jī)器人的腳運(yùn)動(dòng)一周為一個(gè)周期，由仿生學(xué)的發(fā)現(xiàn)可知多足生物對(duì)稱(chēng)足之間相位差為180度，且在轉(zhuǎn)彎時(shí)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橄喾?，本發(fā)明的轉(zhuǎn)向功能即是因此原理而設(shè)計(jì)。
由本發(fā)明裝置的兩端輸出端口來(lái)連接機(jī)器人的足部結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制輸出端口的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)決定足型機(jī)器人整體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。此裝置和足部結(jié)構(gòu)連接，即可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在行走功能的同時(shí)，能夠進(jìn)行靈巧的轉(zhuǎn)彎。本發(fā)明利用了機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使控制方法更加簡(jiǎn)單可靠，并具有廣泛的適用性。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種實(shí)現(xiàn)足型機(jī)器人行走及轉(zhuǎn)向的控制裝置，主要包括驅(qū)動(dòng)部分、離合部分、輸出部分和機(jī)架構(gòu)成。
其具體特征如下驅(qū)動(dòng)部分構(gòu)成動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置固定在機(jī)架上，由一個(gè)馬達(dá)控制齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，由這一齒輪連接兩個(gè)相對(duì)稱(chēng)的相同的齒輪，分布在機(jī)架的兩邊。當(dāng)馬達(dá)連接的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，分布在機(jī)架兩邊的齒輪進(jìn)行速度相同但是方向相反的轉(zhuǎn)動(dòng)。其中一邊的齒輪連接上一個(gè)輸出軸，不可以相對(duì)旋轉(zhuǎn)；另外一邊的齒輪也連接上一個(gè)輸出軸，可以相對(duì)旋轉(zhuǎn)。
離合部分構(gòu)成離合驅(qū)動(dòng)裝置固定在機(jī)架上，可以控制撥叉，撥叉又作用到離合裝置上。離合裝置與可以與齒輪相對(duì)旋轉(zhuǎn)的軸進(jìn)行連接，不可相對(duì)旋轉(zhuǎn)但可以軸向運(yùn)動(dòng)。離合裝置可以且只能與機(jī)架兩邊齒輪進(jìn)行定點(diǎn)嚙合。
輸出部分構(gòu)成輸出部分主要由機(jī)架兩邊的輸出端組成。
兩邊的輸出端可與機(jī)器人的足相連接，即可構(gòu)成一個(gè)完整的機(jī)器人。
機(jī)器人的前進(jìn)功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的齒輪旋轉(zhuǎn)；繼而帶動(dòng)兩邊的齒輪旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，離合驅(qū)動(dòng)裝置作用于撥叉，撥叉決定了離合裝置和機(jī)架兩邊的齒輪嚙合的狀況。倘若與離合裝置連接的不可相對(duì)旋轉(zhuǎn)的軸通過(guò)離合裝置與對(duì)邊齒輪進(jìn)行單點(diǎn)連接，則兩個(gè)輸出端的旋轉(zhuǎn)方向一致，通過(guò)與足的連接即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)功能。此時(shí)，若動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置反轉(zhuǎn)，則可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的后退功能。
轉(zhuǎn)向功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)離合裝置帶動(dòng)與其連接的不可相對(duì)旋轉(zhuǎn)的軸，與此邊的齒輪進(jìn)行單點(diǎn)嚙合。若動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)輸出端的旋轉(zhuǎn)方向相反，此時(shí)，通過(guò)與足的連接即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向功能。
本發(fā)明應(yīng)用到足型及多足機(jī)器人時(shí)應(yīng)有以下三點(diǎn)需要注意一、安裝兩側(cè)齒輪時(shí)，設(shè)阻型機(jī)器人身體處于水平，則兩齒輪與離合結(jié)構(gòu)的嚙合點(diǎn)與齒輪軸線所構(gòu)成的兩個(gè)平面應(yīng)以過(guò)齒輪軸線的水平面為對(duì)稱(chēng)面相互對(duì)稱(chēng)；二、兩側(cè)的輸出端分別與多足機(jī)器人兩側(cè)的足相連；三、安裝足型機(jī)器人的足時(shí)，應(yīng)保證機(jī)器人對(duì)稱(chēng)足之間相位差為180度。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少了大量的控制環(huán)節(jié)，減少能耗且能夠更加協(xié)調(diào)的實(shí)現(xiàn)行走及轉(zhuǎn)彎功能，且可靠性、穩(wěn)定性更高；且由于本發(fā)明控制裝置可以模塊化，故通過(guò)使用本發(fā)明可以大大降低機(jī)器人的成本。
由于以上所述的特點(diǎn)，本發(fā)明也可以較好的應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域；同樣可以用于航天探測(cè)、軍事、工業(yè)、考古勘探、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域；還可以用于玩具開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域或作為收藏裝飾品，具有較高的實(shí)用價(jià)值。


圖一、圖二為一種實(shí)現(xiàn)足型機(jī)器人行走及轉(zhuǎn)向的控制裝置的運(yùn)動(dòng)原理示意圖。
圖一中，1為支架；2為離合驅(qū)動(dòng)裝置；3為撥叉；4、7、9皆為齒輪；5、10皆為輸出桿；6為離合裝置；8為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置。
圖二中，1為支架；2為離合驅(qū)動(dòng)裝置；3為撥叉；11、12、13、14皆為齒輪；5、10皆為輸出桿；6為離合裝置；8為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明最佳實(shí)施方案如實(shí)施例一，如圖一所示。
以下關(guān)于實(shí)施例一結(jié)合圖一對(duì)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)施方案作詳細(xì)說(shuō)明。
動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置8固定在機(jī)架1上。當(dāng)驅(qū)動(dòng)裝置8帶動(dòng)齒輪7進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪7即可帶動(dòng)齒輪9和齒輪4旋轉(zhuǎn)。齒輪9與齒輪4的軸線處于同一條線上，其旋轉(zhuǎn)速度一樣但旋轉(zhuǎn)方向相反。齒輪9與輸出桿10連接，不可以相對(duì)旋轉(zhuǎn)；齒輪4與輸出桿5連接，可以相對(duì)旋轉(zhuǎn)。輸出桿10的轉(zhuǎn)動(dòng)方向由齒輪9控制，轉(zhuǎn)動(dòng)方向與齒輪9相同，而輸出桿5與離合裝置6控制，兩者不可相對(duì)旋轉(zhuǎn)但可以進(jìn)行軸向移動(dòng)。
若離合裝置6與齒輪4單點(diǎn)嚙合，則輸出桿5的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與齒輪4相同，此時(shí)與本發(fā)明連接的足型及多足機(jī)器人的狀態(tài)為轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因?yàn)楫?dāng)驅(qū)動(dòng)裝置8帶動(dòng)齒輪7進(jìn)行順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(自下往上看)，齒輪7即可帶動(dòng)齒輪9和齒輪4旋轉(zhuǎn)。從左往右望去，齒輪9為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，齒輪4為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；則輸出桿5為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；而輸出桿10與齒輪9旋轉(zhuǎn)方向相同，皆為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，狀態(tài)向右轉(zhuǎn)彎。同樣的道理，若當(dāng)驅(qū)動(dòng)裝置8帶動(dòng)齒輪7進(jìn)行逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，則狀態(tài)為向左轉(zhuǎn)彎。
若當(dāng)離合裝置6與齒輪9單點(diǎn)嚙合時(shí)，則輸出桿5的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與齒輪9相同，此時(shí)與本發(fā)明連接的足型機(jī)器人處于前進(jìn)或后退運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因?yàn)楫?dāng)驅(qū)動(dòng)裝置8帶動(dòng)齒輪7進(jìn)行順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(自下往上看)，齒輪7即可帶動(dòng)齒輪9和齒輪4旋轉(zhuǎn)。從左往右望去，齒輪9為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則輸出桿5和輸出桿10都與齒輪9旋轉(zhuǎn)方向相同，為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，狀態(tài)為前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。同樣的道理，若當(dāng)驅(qū)動(dòng)裝置8帶動(dòng)齒輪7進(jìn)行逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(自下往上看)，則狀態(tài)為后退運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明實(shí)施方案還有實(shí)施例二，如圖二所示。
以下關(guān)于實(shí)施例二結(jié)合圖二對(duì)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)施方案作詳細(xì)說(shuō)明。
動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置8固定在機(jī)架1上。當(dāng)驅(qū)動(dòng)裝置8帶動(dòng)齒輪12進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪12同時(shí)帶動(dòng)齒輪13和齒輪11旋轉(zhuǎn)；齒輪13又帶動(dòng)齒輪14旋轉(zhuǎn)。齒輪13和齒輪12大小相同旋轉(zhuǎn)速度一樣且方向相反；齒輪11與齒輪14的軸線處于同一條線上，其旋轉(zhuǎn)速度一樣且旋轉(zhuǎn)方向相反。齒輪14與輸出桿10連接，不可以相對(duì)旋轉(zhuǎn)；齒輪11與輸出桿5連接，可以相對(duì)旋轉(zhuǎn)。輸出桿10的轉(zhuǎn)動(dòng)方向由齒輪14控制，轉(zhuǎn)動(dòng)方向與齒輪14相同，而輸出桿5與離合裝置6控制，兩者不可相對(duì)旋轉(zhuǎn)但可以進(jìn)行軸向移動(dòng)。
若離合裝置6與齒輪11單點(diǎn)嚙合，則輸出桿5的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與齒輪11相同，此時(shí)與本發(fā)明連接的足型及多足機(jī)器人的狀態(tài)為轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。若當(dāng)離合裝置6與齒輪14單點(diǎn)嚙合時(shí)，則輸出桿5的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與齒輪14相同，此時(shí)與本發(fā)明連接的足型機(jī)器人處于前進(jìn)或后退運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
本發(fā)明實(shí)施方案不局限于以上兩種方案的實(shí)施，只要能實(shí)現(xiàn)兩邊齒輪能夠帶動(dòng)輸出端進(jìn)行反向和同向旋轉(zhuǎn)，即符合本發(fā)明的原理，而對(duì)具體的外邊形式?jīng)]有嚴(yán)格的限制。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)現(xiàn)足型機(jī)器人行走及轉(zhuǎn)向的控制裝置，主要包括機(jī)架(1)、離合裝置(6)、驅(qū)動(dòng)部分和兩邊的輸出桿(5)和輸出桿(10)，其特征在于離合驅(qū)動(dòng)裝置(2)固定在機(jī)架(1)上，通過(guò)撥叉(3)作用在離合裝置(6)上，驅(qū)動(dòng)部分包括動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置(8)固定在機(jī)架(1)上，通過(guò)齒輪(7)與齒輪(9)和齒輪(4)嚙合。
2.根據(jù)權(quán)力要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)足型機(jī)器人行走及轉(zhuǎn)向的控制裝置，其特征在于齒輪(9)與輸出桿(10)連接，不可相對(duì)旋轉(zhuǎn)，齒輪(4)與輸出桿(5)連接可相對(duì)旋轉(zhuǎn)，離合裝置(6)與輸出桿(5)連接，不可相對(duì)旋轉(zhuǎn)可軸向移動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)力要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)足型機(jī)器人行走及轉(zhuǎn)向的控制裝置，其特征在于離合裝置(6)分別與齒輪(4)，齒輪(9)只能定點(diǎn)嚙合。
4.根據(jù)權(quán)力要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)足型機(jī)器人行走及轉(zhuǎn)向的控制裝置，其特征在于動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置(8)帶動(dòng)齒輪(4)和齒輪(9)同速反向旋轉(zhuǎn)，所以，把齒輪(4)換為齒輪(11)，把齒輪(9)換為齒輪(14)把齒輪(7)換為齒輪(12)和齒輪(13)，可實(shí)現(xiàn)同樣功能。
全文摘要
一種實(shí)現(xiàn)足型機(jī)器人行走及轉(zhuǎn)向的控制裝置，屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明跳出實(shí)現(xiàn)機(jī)器人轉(zhuǎn)向要由機(jī)器人腿部關(guān)節(jié)來(lái)完成的思維模式，而是利用欠驅(qū)動(dòng)學(xué)等原理將機(jī)器人的行走和轉(zhuǎn)向功能在一個(gè)統(tǒng)一的控制裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少了大量的控制環(huán)節(jié)，減少能耗且能夠更加協(xié)調(diào)的實(shí)現(xiàn)行走及轉(zhuǎn)彎功能，且可靠性、穩(wěn)定性更高；且由于本發(fā)明控制裝置可以模塊化，故通過(guò)使用本發(fā)明可以大大降低機(jī)器人的成本。本發(fā)明在汽車(chē)領(lǐng)域、航天探測(cè)、玩具開(kāi)發(fā)、軍事、工業(yè)、考古勘探、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域同樣具有較高的實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)B62D57/032GK1730309SQ20051010247
公開(kāi)日2006年2月8日 申請(qǐng)日期2005年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月14日
發(fā)明者鄭世杰, 喬萬(wàn)里, 鄧鐵軍 申請(qǐng)人:鄭世杰, 鄧鐵軍