一種用于六足機器人的多自由度行走系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于六足機器人的多自由度行走系統(tǒng)，包括第一關節(jié)、第二關節(jié)、第三關節(jié)、第四關節(jié)、第五關節(jié)、電子艙、脛節(jié)和足部，通過轉換四個自由度的配合方式可提高機器人斜坡、窄道、溝、坎等復雜地形的適應能力，使運動靈活且時降低能耗；關節(jié)內部加裝諧波減速器，減速比大且準，降低了機器人控制系統(tǒng)的設計難度；噪音小，傳動平穩(wěn)，采用鈦合金材料，降低自重，節(jié)約能量，提高載重能力，體積小、重量輕，便于實現(xiàn)機構的輕量化；腿部電子艙可搭載信息收集系統(tǒng)或腿部局部控制系統(tǒng)，降低了機器人整體控制系統(tǒng)的復雜性；零件通適性較高，便于零件維修、替換，降低維護難度。
【專利說明】—種用于六足機器人的多自由度行走系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種仿生機器人，特別涉及一種用于六足機器人的多自由度行走系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002]近年來，隨著仿生學理論與計算機技術的飛速發(fā)展，對多足仿生機器人的研究，尤其是六足機器人的研究，逐漸成為大家關注的焦點。而國內外多所大學和研究機構，也相繼研究制作出了多款性能優(yōu)良的六足仿生機器人行走系統(tǒng)。
[0003]由美國麻省理工學院人工智能實驗室于1989年研制的六足機器人Genghis，其主要用途為在地外行星表面進行科學探測任務。其每條腿擁有兩個旋轉自由度，采用基于位置反饋的伺服電機驅動，集成了電流測量單元以獲取力矩信息，裝備了兩個觸須傳感器、兩個單軸加速度計，可在復雜路面上行走。但由于未采用節(jié)肢動物常有的關節(jié)設計，其地形適應性大打折扣；而且限于當時的科技水平，未使用傳感器進行數(shù)據(jù)收集，對于環(huán)境變化的反饋調節(jié)能力較弱。
[0004]由美國凱斯西儲大學機械及航天工程學院仿生機器人實驗室研制的六足機器人Robot II，每條腿有四個獨立的自由度，三個旋轉主動自由度，一個沿脛節(jié)軸線方向的被動柔順自由度，采用電位計測量關節(jié)角位置，應變片則用于測量脛節(jié)上的軸向力，結合了足底反射機制以應對復雜的地形。腿上較多的自由度使其越障能力得到極大的提高，同時在信息收集進行反饋調節(jié)方面有了很大的進步。
[0005]由德國杜伊斯堡大學機械工程學院研制的六足機器人Tarry II，每條腿有三個旋轉自由度，采用舵機驅動，配備了足端接觸覺傳感器，用于測量姿態(tài)的兩軸加速度計，股節(jié)安裝的用于獲取載荷信息的應變測量電路，以及軀干前端用于避障的超聲波傳感器，可實現(xiàn)崎嶇地形全方位步行。外形、關節(jié)和足部設計略顯粗糙，對于防滑等細節(jié)也未考慮。
[0006]由美國加州伯克利分校等單位研制的六足機器人RHex，每腿僅有一個驅動器，但實現(xiàn)了動力與控制的自主。同時裝備了一個三軸加速度計和一個三軸光纖陀螺儀，可在受外力擾動后調整姿態(tài)，通過各腿的應變測量單元獲取軀干的瞬時姿態(tài)，并迅速使能新的自主步態(tài)控制以減少驅動載荷，實現(xiàn)自適應奔跑。其輪腿融合創(chuàng)意為解決多足機器人行進速度緩慢等問題提供了新思路。
[0007]由于多關節(jié)機構具有活動范圍大，靈活性好的優(yōu)點，所以為近幾年步行機器人采用。但是目前的關節(jié)式機器人，存在結構復雜、機體笨重的問題。六足步行機器人要實現(xiàn)全方位的行走，需要每條腿至少擁有三個自由度。因為這種結構與昆蟲的肢體結構最為接近，可實現(xiàn)穩(wěn)定的姿態(tài)控制，行動也更為靈活。多自由度腿部設計為步行機器人提供足夠的動力，并保證了運動的獨立性；但每增加一個自由度需增加一個電機，使得運動的能耗大大增多。


【發(fā)明內容】

[0008]本實用新型的目的是提供一種用于六足機器人的多自由度行走系統(tǒng)，它具有多自由度、結構緊湊、可控性良好等特點，可以幫助六足機器人適應非結構環(huán)境。
[0009]本實用新型包括第一關節(jié)、第二關節(jié)、第三關節(jié)、第四關節(jié)、第五關節(jié)、電子艙、脛節(jié)和足部；其中第一關節(jié)耳環(huán)套在第二關節(jié)定子上端的第二關節(jié)凸臺上，并以數(shù)個第一螺釘固定；第二關節(jié)耳環(huán)套在第三關節(jié)的定子外殼301上端的第三關節(jié)凸臺上，并以第二螺釘固定；第三關節(jié)的轉子外殼上的第三關節(jié)凸棱，嵌入第四關節(jié)上端的第四關節(jié)凹槽內，并以數(shù)個第三螺釘固定；第四關節(jié)耳環(huán)套設在第五關節(jié)的第五關節(jié)凸臺上，并以數(shù)個第四螺釘固定；第五關節(jié)上的第五關節(jié)凸棱，嵌入電子艙上端的電子艙凹槽內，并以數(shù)個第五螺釘固定；電子艙的下部設置有脛節(jié)，脛節(jié)的下部設置有足部。
[0010]所述的第三關節(jié)包括定子外殼、殼蓋、電機、聯(lián)軸器、傳動軸、第一軸承、第二軸承、諧波減速器、防塵蓋、花鍵軸和轉子外殼，其中定子外殼設置在第三關節(jié)的前段，定子外殼上端設置有第三關節(jié)凸臺，殼蓋上設置有第一耳板，定子外殼上設置有第二耳板，數(shù)個第一螺栓穿過第一耳板和第二耳板將定子外殼和殼蓋固定在一起，并用第一螺母擰緊；定子外殼的內部開設有數(shù)個第一通孔，電機的底座上開設有數(shù)個第二通孔，第二通孔與第一通孔向對應，電機穿套在定子外殼內，第二螺栓穿過第一通孔和第二通孔，并用第二螺母擰緊，將電機和定子外殼固定在一起；電機的輸出端通過聯(lián)軸器與傳動軸連接，傳動軸、第一軸承、諧波減速器、第二軸承、防塵蓋、花鍵軸和轉子外殼依次同軸穿套在一起，傳動軸與諧波減速器之間使用第一鍵連接，防塵蓋由第六螺釘固定在定子外殼上，封閉第二軸承；轉子外殼與第二軸承內側無間隙配合，第二軸承外側與定子外殼過盈配合；花鍵軸與諧波減速器之間使用第二鍵連接。
[0011]所述的第一關節(jié)、第二關節(jié)和第五關節(jié)的內部結構與第三關節(jié)的內部結構完全相同，故不再贅述。
[0012]本實用新型的工作原理及工作過程:
[0013]所述第三關節(jié)的工作原理為定子外殼內的電機輸出動力，經聯(lián)軸器傳給傳動軸，經諧波減速器的減速增扭作用，傳遞到花鍵軸，再經轉子外殼內花鍵槽帶動轉子外殼旋轉；通過電子艙內控制系統(tǒng)，控制電機按照一定規(guī)律運轉，使定子外殼在靜止時，轉子外殼按照給定命令做回轉運動。
[0014]所述第一關節(jié)、第二關節(jié)和第五關節(jié)的工作原理與第三關節(jié)的工作原理完全相同，故不再贅述。
[0015]本實用新型的應用過程如下:
[0016]足部在接觸地面時，通過壓力傳感器將地面信息傳遞給電子艙，電子艙6判斷分析所處地形，進行步態(tài)調整:
[0017]1、當接觸平整地形時，第三關節(jié)和第五關節(jié)旋轉，使腿部收緊，減小腿部跨度后第一關節(jié)、第三關節(jié)、第四關節(jié)和第五關節(jié)鎖死，同時第二關節(jié)旋轉，實現(xiàn)小幅度擺腿動作，適應平整地形同時節(jié)約能量。
[0018]2、當接觸崎嶇地形時，第三關節(jié)和第五關節(jié)旋轉，使腿部伸展，增大腿部跨度后第一關節(jié)、第三關節(jié)、第四關節(jié)和第五關節(jié)鎖死，同時第二關節(jié)旋轉，實現(xiàn)大幅度擺腿動作，增強避障能力。
[0019]3、當接觸斜坡地形時，左右足部存在較大高度差，處于相對較高側足部第三關節(jié)和第五關節(jié)旋轉，使腿部收緊，減小腿部跨度后第一關節(jié)、第三關節(jié)、第四關節(jié)和第五關節(jié)鎖死，同時第二關節(jié)旋轉；處于相對較低側足部第三關節(jié)和第五關節(jié)旋轉，使腿部伸展，增大腿部跨度后第一關節(jié)、第三關節(jié)、第四關節(jié)和第五關節(jié)鎖死，同時第二關節(jié)旋轉，通過左右腿之間腿部跨度的調整，使得六足機器人身體保持水平，適用斜坡地形。
[0020]4、當六足機器人需要橫向行走時，第一關節(jié)和第二關節(jié)鎖死，同時第三關節(jié)和第五關節(jié)旋轉，實現(xiàn)水平地面橫向行走。
[0021]本實用新型的有益效果:
[0022]1、通過轉換四個自由度的配合方式可提高機器人斜坡、窄道、溝、坎等復雜地形的適應能力，使運動靈活且時降低能耗；
[0023]2、關節(jié)內部加裝諧波減速器，減速比大且準，降低了機器人控制系統(tǒng)的設計難度；
[0024]3、噪音小，傳動平穩(wěn)，采用鈦合金材料，降低自重，節(jié)約能量，提高載重能力，體積小、重量輕，便于實現(xiàn)機構的輕量化；
[0025]4、腿部電子艙可搭載信息收集系統(tǒng)或腿部局部控制系統(tǒng)，降低了機器人整體控制系統(tǒng)的復雜性；
[0026]5、零件通適性較高，便于零件維修、替換，降低維護難度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本實用新型實施例的整體立體示意圖圖。
[0028]圖2是本實用新型實施例第三關節(jié)立體分解示意圖。
[0029]圖3是本實用新型實施例第三關節(jié)內部結構示意圖。
[0030]圖4是本實用新型實施例第三關節(jié)剖視圖。
[0031]圖5是本實用新型實施例第一關節(jié)立體示意圖。
[0032]圖6是本實用新型實施例第二關節(jié)立體示意圖。
[0033]圖7是本實用新型實施例第三關節(jié)立體示意圖。
[0034]圖8是本實用新型實施例第四關節(jié)立體示意圖。
[0035]圖9是本實用新型實施例第五關節(jié)立體示意圖。
[0036]圖10是本實用新型實施例第三關節(jié)和第四關節(jié)連接示意圖。
[0037]圖11是本實用新型實施例第五關節(jié)和電子艙連接示意圖。
[0038]其中:1_第一關節(jié)，2-第二關節(jié)，3-第三關節(jié)，4-第四關節(jié)，5-第五關節(jié)，6_電子艙，7-脛節(jié)，8-足部，9-第一螺釘，10-第二螺釘，101-第一關節(jié)耳環(huán)，11-第三螺釘，12-第四螺釘，13-第五螺釘，201-第二關節(jié)耳環(huán)，202-第二關節(jié)凸臺，301-定子外殼，302-殼蓋，303-第一螺栓,304-第一螺母,305-第一耳板,306-第二耳板，307-第一通孔,308-電機，309-第二螺栓，311-第二通孔，312-聯(lián)軸器，313-傳動軸，314-第一鍵，315-第一軸承，316-第二軸承，317-諧波減速器，318-防塵蓋，319-第三通孔，320-第七螺釘，321-花鍵軸，322-轉子外殼，323-第二鍵，324-第三關節(jié)凸臺，325-第三關節(jié)凸棱，401-第四關節(jié)耳環(huán)，402-第四關節(jié)凹槽，501-第五關節(jié)凸臺，502-第五關節(jié)凸棱，601-電子艙凹槽。

【具體實施方式】
[0039]請參閱圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10和圖11所示，為本實用新型的實施例，其包括第一關節(jié)1、第二關節(jié)2、第三關節(jié)3、第四關節(jié)4、第五關節(jié)5、電子艙6、脛節(jié)7和足部8 ;其中第一關節(jié)耳環(huán)101套在第二關節(jié)2定子上端的第二關節(jié)凸臺202上，并以四個第一螺釘9固定；第二關節(jié)耳環(huán)201套在第三關節(jié)3的定子外殼301上端的第三關節(jié)凸臺324上，并以第二螺釘10固定；第三關節(jié)3的轉子外殼322上的第三關節(jié)凸棱325嵌入第四關節(jié)4上端的第四關節(jié)凹槽402內，并以四個第三螺釘11固定；第四關節(jié)耳環(huán)401套設在第五關節(jié)5的第五關節(jié)凸臺501上，并以四個第四螺釘12固定；第五關節(jié)5上的第五關節(jié)凸棱502嵌入電子艙6上端的電子艙凹槽601內，并以四個第五螺釘13固定；電子艙6的下部設置有脛節(jié)7，脛節(jié)7的下部設置有足部8。
[0040]所述的第三關節(jié)3包括定子外殼301、殼蓋302、電機308、聯(lián)軸器312、傳動軸313、第一軸承315、第二軸承316、諧波減速器317、防塵蓋318、花鍵軸321和轉子外殼322，其中定子外殼301設置在第三關節(jié)3的前段，定子外殼301上端設置有第三關節(jié)凸臺324，殼蓋302上設置有第一耳板305，定子外殼301上設置有第二耳板306，四個第一螺栓303穿過第一耳板305和第二耳板306將定子外殼301和殼蓋302固定在一起，并用第一螺母304擰緊；定子外殼301的內部開設有四個第一通孔307，電機308的底座上開設有四個第二通孔311，第二通孔311與第一通孔307向對應，電機308穿套在定子外殼301內，第二螺栓309穿過第一通孔307和第二通孔311，并用第二螺母310擰緊，將電機308和定子外殼301固定在一起；電機308的輸出端通過聯(lián)軸器312與傳動軸313連接，傳動軸313，第一軸承315、諧波減速器317、第二軸承316、防塵蓋318、花鍵軸321和轉子外殼322依次同軸穿套在一起，傳動軸313與諧波減速器317之間使用第一鍵314連接，防塵蓋318由第六螺釘320固定在定子外殼301上，封閉第二軸承316 ;轉子外殼322與第二軸承316內側無間隙配合，第二軸承316外側與定子外殼301過盈配合；花鍵軸321與諧波減速器317之間使用第二鍵323連接。
[0041]所述的第一關節(jié)1、第二關節(jié)2和第五關節(jié)5的內部結構與第三關節(jié)3的內部結構完全相同，故不再贅述。
[0042]本實施例的工作原理及工作過程:
[0043]所述第三關節(jié)3的工作原理為定子外殼301內的電機308輸出動力，經聯(lián)軸器312傳給傳動軸313，經諧波減速器317的減速增扭作用，傳遞到花鍵軸321，再經轉子外殼322內花鍵槽帶動轉子外殼322旋轉；通過電子艙6內控制系統(tǒng)，控制電機308按照一定規(guī)律運轉，使定子外殼301在靜止時，轉子外殼322按照給定命令做回轉運動。
[0044]所述第一關節(jié)1、第二關節(jié)2和第五關節(jié)5的工作原理與第三關節(jié)3的工作原理完全相同，故不再贅述。
[0045]本實施例的應用過程如下:
[0046]足部8在接觸地面時，通過壓力傳感器將地面信息傳遞給電子艙6，電子艙6判斷分析所處地形，進行步態(tài)調整:
[0047]1、當接觸平整地形時，第三關節(jié)3和第五關節(jié)5旋轉，使腿部收緊，減小腿部跨度后第一關節(jié)1、第三關節(jié)3、第四關節(jié)4和第五關節(jié)5鎖死，同時第二關節(jié)2旋轉，實現(xiàn)小幅度擺腿動作，適應平整地形同時節(jié)約能量。
[0048]2、當接觸崎嶇地形時，第三關節(jié)3和第五關節(jié)5旋轉，使腿部伸展，增大腿部跨度后第一關節(jié)1、第三關節(jié)3、第四關節(jié)4和第五關節(jié)5鎖死，同時第二關節(jié)2旋轉，實現(xiàn)大幅度擺腿動作，增強避障能力。
[0049]3、當接觸斜坡地形時，左右足部存在較大高度差，處于相對較高側足部第三關節(jié)3和第五關節(jié)5旋轉，使腿部收緊，減小腿部跨度后第一關節(jié)1、第三關節(jié)3、第四關節(jié)4和第五關節(jié)5鎖死，同時第二關節(jié)2旋轉；處于相對較低側足部第三關節(jié)3和第五關節(jié)5旋轉，使腿部伸展，增大腿部跨度后第一關節(jié)1、第三關節(jié)3、第四關節(jié)4和第五關節(jié)5鎖死，同時第二關節(jié)2旋轉，通過左右腿之間腿部跨度的調整，使得六足機器人身體保持水平，適用斜坡地形。
[0050]4、當六足機器人需要橫向行走時，第一關節(jié)I和第二關節(jié)2鎖死，同時第三關節(jié)3和第五關節(jié)5旋轉，實現(xiàn)水平地面橫向行走。
【權利要求】
1.一種用于六足機器人的多自由度行走系統(tǒng)，包括第一關節(jié)(I)、第二關節(jié)(2)、第三關節(jié)(3)、第四關節(jié)(4)、第五關節(jié)(5)、電子艙￠)、脛節(jié)(7)和足部(8)，其特征在于:第一關節(jié)耳環(huán)(101)套在第二關節(jié)(2)定子上端的第二關節(jié)凸臺(202)上，并以數(shù)個第一螺釘(9)固定；第二關節(jié)耳環(huán)(201)套在第三關節(jié)(3)的定子外殼(301)上端的第三關節(jié)凸臺(324)上，并以第二螺釘(10)固定；第三關節(jié)(3)的轉子外殼(322)上的第三關節(jié)凸棱(325)嵌入第四關節(jié)(4)上端的第四關節(jié)凹槽(402)內，并以數(shù)個第三螺釘(11)固定；第四關節(jié)耳環(huán)(401)套設在第五關節(jié)(5)的第五關節(jié)凸臺(501)上，并以數(shù)個第四螺釘(12)固定；第五關節(jié)(5)上的第五關節(jié)凸棱(502)嵌入電子艙(6)上端的電子艙凹槽(601)內，并以數(shù)個第五螺釘(13)固定；電子艙(6)的下部設置有脛節(jié)(7)，脛節(jié)(7)的下部設置有足部⑶； 所述的第三關節(jié)(3)包括定子外殼(301)、殼蓋(302)、電機(308)、聯(lián)軸器(312)、傳動軸(313)、第一軸承(315)、第二軸承(316)、諧波減速器(317)、防塵蓋(318)、花鍵軸(321)和轉子外殼(322)，其中定子外殼(301)設置在第三關節(jié)(3)的前段，定子外殼(301)上端設置有第三關節(jié)凸臺(324)，殼蓋(302)上設置有第一耳板(305)，定子外殼(301)上設置有第二耳板(306)，數(shù)個第一螺栓(303)穿過第一耳板(305)和第二耳板(306)將定子外殼(301)和殼蓋(302)固定在一起，并用第一螺母(304)擰緊；定子外殼(301)的內部開設有數(shù)個第一通孔(307)，電機(308)的底座上開設有數(shù)個第二通孔(311)，第二通孔(311)與第一通孔(307)向對應，電機(308)穿套在定子外殼(30)內，第二螺栓(309)穿過第一通孔(307)和第二通孔(311)，并用第二螺母(310)擰緊，將電機(308)和定子外殼(301)固定在一起；電機(308)的輸出端通過聯(lián)軸器(312)與傳動軸(313)連接，傳動軸(313)，第一軸承(315)、諧波減速器(317)、第二軸承(316)、防塵蓋(318)、花鍵軸(321)和轉子外殼(322)依次同軸穿套在一起，傳動軸(313)與諧波減速器(317)之間使用第一鍵(314)連接，防塵蓋(318)由第六螺釘(320)固定在定子外殼(301)上，封閉第二軸承(316);轉子外殼(322)與第二軸承(316)內側無間隙配合，第二軸承(316)外側與定子外殼(301)過盈配合；花鍵軸(321)與諧波減速器(317)之間使用第二鍵(323)連接； 所述的第一關節(jié)(I)、第二關節(jié)(2)和第五關節(jié)(5)的內部結構與第三關節(jié)(3)的內部結構完全相同。
【文檔編號】B62D57/032GK204110201SQ201420600199
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月15日 優(yōu)先權日:2014年10月15日
【發(fā)明者】林垟缽, 張澤, 王翔, 王繼新, 張百慧, 張印, 裴永臣, 尤爽, 柳少康, 王天晴 申請人:吉林大學