一種電驅(qū)動(dòng)小型仿生四足機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種小型四足機(jī)器人。更明確地，本發(fā)明涉及一種能匍匐、行走、小跑、 奔跑的電機(jī)驅(qū)動(dòng)小型哺乳類(lèi)仿生四足機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002] 四足機(jī)器人因其優(yōu)越的地形適應(yīng)能力，近年來(lái)一直是國(guó)內(nèi)外研宄的重點(diǎn)。其中最 卓越的莫過(guò)于美國(guó)波士頓動(dòng)力公司（Boston Dynamics)的大狗系列機(jī)器人（BigDog)和美國(guó) 麻省理工學(xué)院（MIT)的獵豹系列機(jī)器人（Cheetah)。
[0003] 目前相對(duì)主流的四足機(jī)器人技術(shù)方案，動(dòng)力系統(tǒng)主要采用純液壓動(dòng)力系統(tǒng) (BigDog)、純電動(dòng)力系統(tǒng)（Cheetah )或電液混合動(dòng)力系統(tǒng)（Spot)。BigDog主要用于復(fù)雜地 形下的負(fù)載運(yùn)輸，Cheetah用于追求高效快速奔跑，都屬于中型的仿生四足機(jī)器人。上述機(jī) 器人結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，成本高，尤其是采用液壓動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)器人更是具有較大的工作噪聲； 而對(duì)于典型小型四足機(jī)器人一一索尼"愛(ài)寶"（Aibo)機(jī)器狗，由于其采用了非常傳統(tǒng)的小 型電機(jī)加減速器的動(dòng)力結(jié)構(gòu)，使得其只能實(shí)現(xiàn)緩慢的靜態(tài)步態(tài)，運(yùn)動(dòng)及地形適應(yīng)能力較弱。
[0004] 對(duì)于復(fù)雜狹小的地形(如地震災(zāi)區(qū)、叢林、房屋室內(nèi)等)，小型并且運(yùn)動(dòng)靈活的四足 機(jī)器人，就像貓、狗等小型哺乳類(lèi)四足動(dòng)物，更加適合于這種場(chǎng)合下的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)復(fù)雜狹小的地形，提供一種電驅(qū)動(dòng)小型仿生四足機(jī)器人。依 據(jù)交流永磁同步電機(jī)（PMSM)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)、精簡(jiǎn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和高度集成的小型化實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng) 控制系統(tǒng)，使得本發(fā)明具有超低的運(yùn)動(dòng)噪聲、豐富的運(yùn)動(dòng)步態(tài)(匍匐、行走、小跑、奔跑)、結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是： 一種電驅(qū)動(dòng)小型仿生四足機(jī)器人，包括機(jī)械系統(tǒng)、動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；其特征在于： 所述機(jī)械系統(tǒng)包括Body模塊和4個(gè)Leg模塊；所述動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)II包括運(yùn)動(dòng)控制模 塊、第一電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制模塊、第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制模塊、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)、 第四電機(jī)、第五電機(jī)、第六電機(jī)、第七電機(jī)、第八電機(jī)、第九電機(jī)、第十電機(jī)、第十一電機(jī)、第 十二電機(jī)；所述Body模塊作為四足機(jī)器人的身體；所述第一 Leg模塊、第二Leg模塊、第三 Leg模塊、第四Leg模塊分別對(duì)稱(chēng)安裝在Body模塊上；所述動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)也固定安 裝在Body模塊上；所述4個(gè)Leg模塊機(jī)械原理完全相同，實(shí)際安裝布置方式根據(jù)機(jī)器人對(duì) 不同運(yùn)動(dòng)性能的優(yōu)化會(huì)有所不同。
[0007] 所述四足機(jī)器人4個(gè)Leg模塊的實(shí)際的安裝布置方式，劃分為a、b、c、d這4種；① 當(dāng)為使四足機(jī)器人具有較好的被控性能時(shí)，選用a這種布置方式，因?yàn)樵谒淖銠C(jī)器人典型 的對(duì)角步態(tài)時(shí)，機(jī)器人的左前Leg模塊與右后Leg模塊和右前Leg模塊與左后Leg模塊的 運(yùn)動(dòng)是關(guān)于機(jī)器人中心完全對(duì)稱(chēng)的，這將明顯削弱腿部運(yùn)動(dòng)慣性力；②當(dāng)為使機(jī)器人具有 較多的載貨空間時(shí)，選用b這種布置方式，此時(shí)機(jī)器人4個(gè)Leg模塊都較遠(yuǎn)離機(jī)器人身體， 這給貨物騰出了更多的空間；③當(dāng)為了提升機(jī)器人奔跑的速度、跳躍的高度時(shí)，選用C這種 布置方式，由于兩連桿腿在動(dòng)力學(xué)上的特點(diǎn)，使得這種結(jié)構(gòu)形式有利于提升機(jī)器人在奔跑、 跳躍等步態(tài)的性能；④當(dāng)機(jī)器人在復(fù)雜地形(如爬樓梯）運(yùn)動(dòng)時(shí)，選用d這種布置方式，此時(shí) 腿各膝關(guān)節(jié)靠后，以盡量避免膝關(guān)節(jié)與其前方的障礙物相碰撞。
[0008] 所述各Leg模塊，其具有3個(gè)自由度，即3個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié)分別記為 /*、;/*與/=?是兩個(gè)相互正交的髖關(guān)節(jié)，J 3為膝關(guān)節(jié)；經(jīng)過(guò)足端點(diǎn)并與/3軸線平 行的軸線記為J3 ;其中軸線與軸線正交，/=*軸線與軸線相平行；所述Leg模塊的 大腿長(zhǎng)記為?，小腿長(zhǎng)記為，左右兩腿間距記為?*，前后兩腿間距記為I 3 ;所述厶與心 基本等長(zhǎng)；所述四足機(jī)器人(h + ??) / > 2，這模仿了 4足哺乳動(dòng)物的腿長(zhǎng)與腿間距的 比值，四足哺乳動(dòng)物一般都具有狹窄的身體，這有助于四足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)較好的運(yùn)動(dòng)性能，并 且能較容易的通過(guò)狹小地形；當(dāng)為使四足機(jī)器人具有較好的穩(wěn)定性及具有較大的載貨空間 時(shí)，取(it + ￡S) / i3 < 1，此時(shí)機(jī)器人的身體相比身高較長(zhǎng)；當(dāng)為使四足機(jī)器人具有較好的 運(yùn)動(dòng)性能時(shí)，取(i* + is) / > 1，此時(shí)機(jī)器人的身體較短，機(jī)器人整體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較??； 所述每個(gè)Leg模塊理想的足端點(diǎn)是在軸線在A軸線的垂直投影點(diǎn)上，但實(shí)際由于機(jī)械 結(jié)構(gòu)的限制，足端點(diǎn)會(huì)有在沿A軸線上向身體外側(cè)的稍許偏移。
[0009] 以第四Leg模塊為例來(lái)說(shuō)明每個(gè)Leg模塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)（4個(gè)Leg模塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)完 全相同）：所述關(guān)節(jié)由第七電機(jī)通過(guò)第七主電機(jī)搖臂拉動(dòng)第四從搖臂驅(qū)動(dòng)；所述第七電 機(jī)的定子固定在機(jī)器人機(jī)身上；所述第七主電機(jī)搖臂固定在第七電機(jī)的轉(zhuǎn)子上；所述第七 主電機(jī)搖臂通過(guò)第四拉桿拉動(dòng)第四從搖臂；所述第四從搖臂的轉(zhuǎn)軸鉸接在機(jī)器人機(jī)身上； 所述第四從搖臂通過(guò)第四聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)第四腿固定架；所述第四腿固定架兩端的轉(zhuǎn)軸鉸接在 機(jī)器人機(jī)身上；所述第八電機(jī)的定子固定在第四腿固定架上；第一大腿板固定在第八電機(jī) 的轉(zhuǎn)子上；所述關(guān)節(jié)由第八電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)；第二大腿板通過(guò)第一支撐板固定在第一大腿 板上；上訴/ 3關(guān)節(jié)由第九電機(jī)通過(guò)第9主電機(jī)搖臂拉動(dòng)小腿來(lái)驅(qū)動(dòng)；所述第9主電機(jī)搖臂 固定在第九電機(jī)的轉(zhuǎn)子上；所述第九電機(jī)的定子固定在第三大腿板上；所述第三大腿板通 過(guò)第二支撐板和第三支撐板固定在第一大腿板上；所述第9主電機(jī)搖臂通過(guò)第九拉桿拉動(dòng) 小腿上的搖臂；所述小腿通過(guò)轉(zhuǎn)軸鉸接在第一大腿板和第二大腿板上；所述/ 3關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng) 方式還可以更換為同步帶傳動(dòng)方式，這使得可簡(jiǎn)單通過(guò)同步帶輪不同的齒數(shù)比實(shí)現(xiàn)不同的 減速比，并且使得/ 3關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)空間接近于360度，這將使得機(jī)器人能自行在a、b、c、d這 四種不同的機(jī)器人腿布置方式中切換；所述第八電機(jī)、第九電機(jī)、/ 3軸線三者共軸線安裝， 這樣整個(gè)Leg模塊的質(zhì)量將主要就集中在/a軸線附近，這使得整個(gè)Leg模塊具有較小的 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，故在相同的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩下，Leg模塊具有了較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力；所述第一大 腿板與小腿之間安裝有第四彈簧儲(chǔ)能器；所述第四彈簧儲(chǔ)能器的一端通過(guò)固定在第一大腿 板上的第四儲(chǔ)能器固定架鉸接在第一大腿板上；所述第四彈簧儲(chǔ)能器的另一端鉸接在小腿 上；所述第四彈簧儲(chǔ)能器在彎曲/=?關(guān)節(jié)時(shí)長(zhǎng)度縮短而儲(chǔ)存能量，伸展/ 3關(guān)節(jié)時(shí)釋放能量， 這樣有助于提升機(jī)器人在行走、奔跑等步態(tài)時(shí)的能量利用效率，并有助于提升機(jī)器人跳躍 的高度；所述提升機(jī)器人能量利用效率是指，如在奔跑時(shí)，可以在腿觸地彎曲時(shí)把機(jī)器人身 體的重力勢(shì)能及動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈簧儲(chǔ)能器的彈性勢(shì)能而儲(chǔ)存起來(lái)，而在腿隨后發(fā)力而使身體 騰空的過(guò)程中再釋放能量，這樣就實(shí)現(xiàn)了能量的再生重復(fù)利用；所述有助于提升機(jī)器人跳 躍的高度是指，如在原地下蹲起跳時(shí)，可以先通過(guò)關(guān)節(jié)電機(jī)主動(dòng)彎曲關(guān)節(jié)，使彈簧儲(chǔ)能器儲(chǔ) 存電機(jī)輸出的能量，接著關(guān)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩結(jié)合儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能共同發(fā)力伸長(zhǎng)腿以實(shí)現(xiàn) 彈跳，這樣相比沒(méi)有彈簧儲(chǔ)能器將顯著提升機(jī)器人的跳躍高度；所述第四足通過(guò)第四應(yīng)變 式力傳感器固定在小腿板上；所述小腿板固定在小腿上；所述第四足上覆蓋有由耐磨橡膠 構(gòu)成的足墊； 所述動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，包括一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制模塊，2個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制模塊和12個(gè) 電機(jī)；其中第一第二兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制模塊內(nèi)共包含12塊電機(jī)控制板，第一電機(jī)驅(qū)動(dòng)與 控制模塊其包括6塊結(jié)構(gòu)相同的電機(jī)控制板，第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制模塊其也包括6塊結(jié)構(gòu) 相同的電機(jī)控制板；所述12塊電機(jī)控制板與12個(gè)電機(jī)--對(duì)應(yīng)，構(gòu)成12個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元， 各電機(jī)控制板接收運(yùn)動(dòng)控制模塊的命令實(shí)現(xiàn)對(duì)各自電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制；所述12個(gè)電機(jī)都是 交流永磁同步電機(jī)；所述交流永磁同步電機(jī)為盤(pán)式外轉(zhuǎn)子力矩電機(jī)或帶低減速比行星減速 器的內(nèi)轉(zhuǎn)子盤(pán)式力矩電機(jī)；所述每個(gè)交流永磁同步電機(jī)帶有磁旋轉(zhuǎn)編碼器和溫度傳感器； 所述磁旋轉(zhuǎn)編碼器采用絕對(duì)式無(wú)接觸磁旋轉(zhuǎn)編碼器(如AS5045);所述各條腿/*關(guān)節(jié)的第 一電機(jī)、第四電機(jī)、第七電機(jī)、第十電機(jī)共軸線安裝在機(jī)器人機(jī)身Body模塊內(nèi)。
[0010] 所述動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用多層次架構(gòu)；其中包括12個(gè)電機(jī)及與之對(duì)應(yīng)的12 塊電機(jī)控制板、運(yùn)動(dòng)控制器、4個(gè)足端應(yīng)變式力傳感器、3軸陀螺儀、3軸加速度計(jì)、遙控通訊 設(shè)備、數(shù)據(jù)記錄模塊和可選擴(kuò)展設(shè)備；其中運(yùn)動(dòng)控制器采用高性能DSP處理器或RAM處理 器；運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)多組高速串行總線（如多組UART)實(shí)現(xiàn)與所述各電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的實(shí)時(shí)通 訊；所述4個(gè)足端應(yīng)變式力傳感器用于采集各個(gè)Leg模塊的足端接觸力信號(hào)；所述3軸陀螺 儀和3軸加速度計(jì)安裝在機(jī)器人機(jī)身中心位置附近；所述3軸陀螺儀和3軸加速度計(jì)分別 用于感受四足機(jī)器人機(jī)身的3個(gè)正交軸向的角速度信號(hào)和3個(gè)正交軸向的加速度信號(hào)；所 述數(shù)據(jù)記錄模塊用于記錄機(jī)器人的各種實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)及報(bào)告；所述遙控通訊設(shè)備用于觀測(cè) 機(jī)器人當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)并給運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送機(jī)器人控制指令；所述可選擴(kuò)展設(shè)備用于給四 足機(jī)器人提供高層決策能力，如用kinect的深度數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器人前方的場(chǎng)景進(jìn)行3D建模，然 后實(shí)現(xiàn)路