專利名稱：具有綜合移動功能的五足步行載體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有綜合移動功能的五足步行載體，屬機器人技術(shù)領(lǐng)域。
在很多作業(yè)環(huán)境中，一些危險有害的工作需要可移動的機器人代替人類來完成，這類機器人通常采用的移動方式有輪式、履帶式和腿式，其中輪式和履帶式移動機構(gòu)適宜于在較平坦、相對連續(xù)的地面上移動，腿式機構(gòu)不僅適宜于地面步行，還能跨越障礙和壕溝，攀登臺階和桁架等非連續(xù)的空間地形，而且對環(huán)境造成的破壞較小，所以腿式移動方式在環(huán)境適應能力方面有顯著的優(yōu)越性，以這種腿式步行方式移動的載體有廣泛的應用前景。
目前，國內(nèi)外有關(guān)腿式移動載體主要是針對具體的、單一的作業(yè)環(huán)境而開發(fā)的，其中大部分僅適合地面行走，還有少數(shù)專門設(shè)計的機型可在連續(xù)墻壁上爬行。對于能夠適應一定的綜合非結(jié)構(gòu)作業(yè)環(huán)境的移動載體，國內(nèi)外的研究涉及甚少。復雜的結(jié)構(gòu)環(huán)境大致可分為一般的地面地形和包括大坡度的斜面、墻壁、桁架、臺階等空間意義上的結(jié)構(gòu)地形，其中桁架結(jié)構(gòu)是一種人類經(jīng)常面臨的作業(yè)環(huán)境，在這種作業(yè)環(huán)境下的移動機構(gòu)的研究在國內(nèi)外幾乎都是空白，更沒有能實現(xiàn)攀登桁架功能的移動載體問世，特別是兼具一般地面移動又能攀登桁架，而且能夠從地面移動狀態(tài)自主過渡到桁架攀登狀態(tài)的多功能足式移動載體及相關(guān)的研究更未有報道，但是具有這種移動能力是機器人在許多應用環(huán)境中進行自主作業(yè)所必需的。
對于腿式移動機構(gòu)的靜穩(wěn)定步行而言，傳統(tǒng)的步行機設(shè)計采用偶數(shù)條腿，而且對稱分布，這是人們受自然界動物的行走方式的啟發(fā)，直觀仿生而設(shè)計出的。實際上動物的行走不僅依靠各腿的循環(huán)交替運動，而且很大程度上還依賴于軀體脊椎、頸椎等部位的自由度的配合協(xié)調(diào)運動，特別是在非常規(guī)行走、爬行或攀登運動時，表現(xiàn)得尤為顯著。因此，在模仿動物行走機理進行步行機設(shè)計時，不能簡單的從形式上進行仿生，應綜合考慮各部分的運動功能的影響進行功能仿生?，F(xiàn)在的步行機一般有偶數(shù)條腿，且相對車體對稱分布，每條腿有三個自由度，車體為一剛性結(jié)構(gòu)。這種步行機在靜穩(wěn)定行走或攀登時，因缺乏必要的車體協(xié)調(diào)自由度，使得在支撐圖形或攀登握持狀態(tài)不對稱時得不到必要的運動協(xié)調(diào)，從而影響了其移動性能。
本發(fā)明的目的是基于功能仿生開發(fā)一種融合地面行走、桁架攀登及從地面行走狀態(tài)到攀登狀態(tài)的自主過渡等綜合移動功能的五足步行載體。
本發(fā)明五足步行載體由車體、五條腿，五只足和控制系統(tǒng)四部分組成。車體由前體、左、右翼體、尾體組成，在前體和左、右翼體上各設(shè)置一條腿，在尾體上設(shè)置二條腿。每條腿的下部各設(shè)置一只足，控制系統(tǒng)設(shè)置在車體內(nèi)。在前體和尾體上的腿各有三個關(guān)節(jié)，依次為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)。在左、右翼體上的腿只有髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)兩個關(guān)節(jié)。在尾體上的腿的下端設(shè)置被動足，可用作地面行走和支撐在橫桿上，其橫桿支撐功能由足后部的圓弧槽實現(xiàn)。在前體和左、右翼體上的腿下端設(shè)置有抓握功能的主動足，可用作地面行走，又可抓握橫桿，其抓握功能有抓握機構(gòu)實現(xiàn)，抓握機構(gòu)有三個軸線相互平行的輥柱組成，其中一個輥注可以上、下移動，實現(xiàn)抓持或松開功能?；顒虞佒呻姍C驅(qū)動一絲桿滑塊機構(gòu)實現(xiàn)上、下移動。
為實現(xiàn)較大足端可達空間，滿足多種攀登姿態(tài)要求，膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動電機設(shè)置在大腿內(nèi)，抓握電機設(shè)置在足掌內(nèi)。
說明附圖如下圖1是本發(fā)明步行載體的整機結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明步行載體的車體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是設(shè)置在前體上的腿結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是設(shè)置在尾體上的腿結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是設(shè)置在左、右翼體上的腿結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本發(fā)明步行載體的轉(zhuǎn)彎關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是本發(fā)明步行載體的髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8是本發(fā)明步行載體的膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9是本發(fā)明步行載體的主動足結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10是本發(fā)明步行載體的被動足結(jié)構(gòu)示意圖。
圖11是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖12是本發(fā)明在典型地面靜穩(wěn)定行走的示意圖。
圖13是本發(fā)明從地面行走到桁架攀登的過渡過程示意圖。
圖14是本發(fā)明攀登桁架運動的示意圖。
圖15為程序框圖。
結(jié)合


實施例如下圖1是本發(fā)明五足步行載體整機結(jié)構(gòu)示意圖，其中1是梯子，3，5，8，10，12是五條步行腿；2，6，7，9，13是五只足；11是控制系統(tǒng)，4是車體。
圖2是車體結(jié)構(gòu)示意圖，其中，14是前體；15是右翼體；16是左翼體；17是尾體；18是上、下基板。
前體14，右翼體15，左翼體16和尾體17與上、下基板18聯(lián)結(jié)于一體，并相對車體縱向軸線呈左右對稱，目的是使步行載體在行走或攀登時，可得到較好的受力狀態(tài)及穩(wěn)定性。前體14，右翼體15，左翼體16，尾體13兩端分別供安置圖1中的8，5，10，3，12五條腿。翼體和尾體的距離構(gòu)成步行載體的有效長度。較小的車體有效長度，保證從地面行走狀態(tài)到攀登狀態(tài)的順利過渡。
圖3為圖1中設(shè)置在前體上的腿8的結(jié)構(gòu)示意圖，該腿含有轉(zhuǎn)彎關(guān)節(jié)19，髖關(guān)節(jié)20和膝關(guān)節(jié)21三個關(guān)節(jié)，并由轉(zhuǎn)彎關(guān)節(jié)19連在車體上，足22為主動足結(jié)構(gòu)(如圖9)。
圖4為圖1中設(shè)置在尾體上的腿的結(jié)構(gòu)示意圖，該種腿含有轉(zhuǎn)彎關(guān)節(jié)23，髖關(guān)節(jié)24和膝關(guān)節(jié)25三個關(guān)節(jié)，并由轉(zhuǎn)彎關(guān)節(jié)23連在車體上，足26為被動足結(jié)構(gòu)(如圖10)。
圖5為圖1中設(shè)置在左、右翼體上的腿的結(jié)構(gòu)示意圖，該種腿只含有髖關(guān)節(jié)27和膝關(guān)節(jié)28兩個關(guān)節(jié)，而沒有轉(zhuǎn)彎關(guān)節(jié)，整個腿由髖關(guān)節(jié)27直接固聯(lián)于車體上，足29為主動足結(jié)構(gòu)(如圖9)。
圖3、圖4、圖5所示的各腿均為內(nèi)置電機式關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)，即膝關(guān)節(jié)21、25、28的驅(qū)動電機內(nèi)置入大腿20中，主動足22、29的驅(qū)動電機內(nèi)置于小腿31中。這些腿的結(jié)構(gòu)都類似哺乳動物的腿結(jié)構(gòu)形式，有較大靈活性，且可實現(xiàn)較大足端可達空間，避免了腿和腿、腿和桁架的干涉，能滿足任意攀登姿態(tài)的要求。
圖6是轉(zhuǎn)彎關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖，其中32是髖關(guān)節(jié)，33是傳動齒輪對，34是關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸，35是關(guān)節(jié)檢測器，36是驅(qū)動電機，37是齒輪減速器。
圖7是髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖，其中38是傳動齒輪，39是關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸，40是關(guān)節(jié)檢測器，41是關(guān)節(jié)驅(qū)動電機，42是大腿。髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動電機41經(jīng)過一級蝸輪和二級齒輪減速器驅(qū)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸39帶動大腿42繞關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸39相對轉(zhuǎn)動。關(guān)節(jié)檢測器40位于關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸39的軸端，用以檢測髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動位置及轉(zhuǎn)動速度等狀態(tài)信息。
圖8是膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖，其中，43是驅(qū)動電機，44是大腿，45是減速器，46是膝關(guān)節(jié)檢測器，47是關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸，48是小腿。膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動電機43經(jīng)過一級蝸輪和二級齒輪減速器45驅(qū)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸47帶動小腿48相對繞關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸47轉(zhuǎn)動。驅(qū)動電機43內(nèi)置于大腿44中。關(guān)節(jié)檢測器46位于關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸47的軸端，用以檢測膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動位置及轉(zhuǎn)動速度等狀態(tài)信息。
圖9是主動足結(jié)構(gòu)示意圖，其中，49是聯(lián)軸器，50是絲杠，51是滑塊，52是導軌，53是活動尼龍輥柱，54是驅(qū)動電機，55是側(cè)基板，56是固定尼龍輥柱，57是弧形尼龍塊，58是膠皮墊。本足結(jié)構(gòu)兼具有抓握功能，故稱為主動足結(jié)構(gòu)。其抓握功能由抓握機構(gòu)實現(xiàn)。抓握機構(gòu)由三個軸線相互平行的尼龍輥柱53，56組成，其中活動尼龍輥柱53聯(lián)結(jié)于滑塊51上。驅(qū)動電機54經(jīng)聯(lián)軸器49驅(qū)動絲杠50轉(zhuǎn)動，絲杠50帶動滑塊51沿導軌52上下移動，滑塊51帶動活動尼龍輥柱53運動，從而完成抓握功能。導軌52具有精確導向及承載雙重功能。絲杠50與電機軸由聯(lián)軸器49浮動聯(lián)結(jié)，以使足端載荷作用于腿上而不是在電機軸上。足底部為弧形尼龍塊57，外覆彈性材料膠皮墊58。圓弧形的足底設(shè)計可使腿在繞地面轉(zhuǎn)動時保持較小的車體高度變化，并與地面有良好的接觸狀態(tài)。外覆的彈性材料層膠皮墊58的作用是減小行走時的足端沖擊力和增加摩擦力，防止足端滑動。
圖10是被動足結(jié)構(gòu)示意圖，其中，59是側(cè)基板，60是膠皮墊，61是弧形尼龍塊。本足結(jié)構(gòu)不具有主動抓握功能，但可在桁架橫桿上被動支撐，故稱為被動足結(jié)構(gòu)。它與主動足在外形上類似，內(nèi)部不含抓握機構(gòu)?；⌒文猃垑K61和膠皮墊60的作用與圖9中的弧形尼龍塊57和膠皮墊58的作用相同。
圖11所示的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖中，采用了分級分布式的控制結(jié)構(gòu)。規(guī)劃協(xié)調(diào)層的作用為；進行系統(tǒng)編程與人機信息交互；步態(tài)選擇與規(guī)劃；接收與處理伺服控制層反饋來的狀態(tài)信息；生成關(guān)節(jié)伺服控制指令等。伺服控制層計算機接受協(xié)調(diào)計算機發(fā)來的控制指令，對腿上各關(guān)節(jié)進行控制，實現(xiàn)所規(guī)劃的運動，同時把各關(guān)節(jié)檢測器與足端傳感器的感知信息反饋給協(xié)調(diào)層計算機，以對下一步控制指令作修正與補償。通訊層為集中管理與分布式郵箱處理結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)規(guī)劃協(xié)調(diào)層計算機和伺服控制層計算機的數(shù)據(jù)交互通訊。對象層的傳感系統(tǒng)對關(guān)節(jié)運動狀態(tài)和足端接觸或抓握狀態(tài)等進行在線檢測。
圖12是本發(fā)明五足步行載體在典型地面靜穩(wěn)定行走的示意圖。在圖中a圖為水平地面靜穩(wěn)定行走的示意圖，b圖為斜坡地面靜穩(wěn)定行走的示意圖，c圖為靜穩(wěn)定攀登臺階運動的示意圖，d圖為丘陵地面靜穩(wěn)定行走的示意圖。
圖13是本發(fā)明五足步行載體從地面行走到桁架攀登的過渡過程示意圖。a圖-1圖分別為各個過渡狀態(tài)示意圖。其過渡過程實際為擺腿、推進車體、調(diào)整車體姿態(tài)等幾個基本運動組合而成。用圖1標定的腿號，具體過程為進行車體初態(tài)調(diào)整后，擺腿8抓握到橫桿上，至圖a狀態(tài)；擺腿5抓握到橫桿上，至圖b狀態(tài)；擺腿10抓握到橫桿上，至圖c狀態(tài)；松開腿8并抬起，進行車體姿態(tài)調(diào)整，如圖d狀態(tài)；擺腿8抓握到上一階橫桿上，擺5腿抓握到上一階橫桿上，至圖e狀態(tài)；擺腿10抓握到上一階橫桿上；松開腿8并抬起，進行車體姿態(tài)調(diào)整，如圖g狀態(tài)；擺腿8抓握到再上一階橫桿上，擺5腿抓握到再上一階橫桿上，至圖h狀態(tài)；擺腿10抓握到再上一階橫桿上，擺動腿3跨步，至圖i狀態(tài)；擺腿12跨步，松開腿8并抬起，進行車體姿態(tài)調(diào)整，如圖j狀態(tài)；擺腿8抓握到再上一階橫桿上，擺5腿抓握到再上一階橫桿上，至圖k狀態(tài)；擺腿10抓握到再上一階橫桿上，擺動腿3支撐到橫桿上，擺動腿12支撐到橫桿上，至圖1狀態(tài)；從而完成從地面行走到桁架攀登的過渡。
圖14是本發(fā)明攀登桁架運動的示意圖。圖a-圖d分別為各個攀登狀態(tài)示意圖。用圖1標定的腿號，從圖a狀態(tài)開始，其攀登過程為進行車體姿態(tài)調(diào)整，至圖b狀態(tài)；轉(zhuǎn)換腿5，腿10抓握到上一階橫桿上，再轉(zhuǎn)換腿3抓握到上一階橫桿上，至圖c狀態(tài)；再轉(zhuǎn)換腿12抓握到上一階橫桿上，進行車體姿態(tài)調(diào)整，至圖d狀態(tài)；按照此順序循環(huán)運動下去，實現(xiàn)攀登桁架的運動。
圖15是程序框圖。
本發(fā)明具有以下效果1.較強的綜合移動功能與多地形適用性。本發(fā)明具有靈活的地面行走功能、桁架和臺階攀登功能、地面爬行狀態(tài)與攀登狀態(tài)的自主過渡功能、跨越障礙和壕溝功能，可作為實現(xiàn)工廠自動化或野外作業(yè)環(huán)境中的移動載體，用于物體搬運或移動檢測。
2.較好的移動性能.本發(fā)明克服了現(xiàn)有步行機在行走或攀登時因支撐圖形或攀登握持狀態(tài)不對稱造成的較差的移動性能，并實現(xiàn)了較多的靜穩(wěn)定行走步態(tài)種類，具有較強的抗失穩(wěn)性、更快的步行速度和較好的靈活性。
權(quán)利要求
1.一種具有綜合移動功能的五足步行載體，其特征是由車體、五條腿，五只足和控制系統(tǒng)四部分組成，車體由前體、左、右翼體、尾體組成，在前體和左、右翼體上備設(shè)置一條腿，在尾體上設(shè)置二條腿，每條腿的下部各設(shè)置一只足，控制系統(tǒng)設(shè)置在車體內(nèi)，在前體和尾體上的腿各有三個關(guān)節(jié)，依次為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，在左、右翼體上的腿只有髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)兩個關(guān)節(jié)，在尾體上的腿的下端設(shè)置被動足，在前體和左、右翼體上的腿下端設(shè)置有抓握功能的主動足，其抓握功能有抓握機構(gòu)實現(xiàn)，抓握機構(gòu)有三個軸線相互平行的輥柱組成，其中一個輥注可以上、下移動，實現(xiàn)抓持或松開功能，活動輥柱由電機驅(qū)動一絲桿滑塊機構(gòu)實現(xiàn)上、下移動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有綜合移動功能的五足步行載體，其特征是膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動電機設(shè)置在大腿內(nèi)，抓握電機設(shè)置在足掌內(nèi)。
全文摘要
一種具有綜合移動功能的五足步行載體，屬機器人領(lǐng)域。本五步行載體由車體、五條腿，五只足和控制系統(tǒng)四部分組成，車體由前體、左、右翼體、尾體組成。在前體和左、右翼體上各設(shè)置一條腿，在尾體上設(shè)置二條腿，每條腿的下部各設(shè)置一只足?？刂葡到y(tǒng)設(shè)置在車體內(nèi)，在前體和尾體上的腿各有三個關(guān)節(jié)，依次為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，在左、右翼體上的腿只有髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)兩個關(guān)節(jié)，在尾體上的腿的下端設(shè)置被動足，在前體和左、右翼體上的腿下端設(shè)置有抓握功能的主動足，其抓握功能有抓握機構(gòu)實現(xiàn)。
文檔編號B62D57/00GK1164491SQ9710410
公開日1997年11月12日 申請日期1997年4月18日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月18日
發(fā)明者汪勁松, 張伯鵬, 張江紅, 孟慶國, 鄭浩峻, 陳懇, 王維 申請人:清華大學