交叉空翻式三足機(jī)器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種交叉空翻式三足機(jī)器人的設(shè)計，包括頂盤和腿部系統(tǒng)。本設(shè)計具有三足機(jī)器人運動靈活性，穩(wěn)定性特點，通過設(shè)計實現(xiàn)了以交叉翻轉(zhuǎn)為核心的運動方案。設(shè)計采用閉環(huán)分布控制結(jié)構(gòu)，共有10個主自由度，用于完整確定機(jī)器人運動姿態(tài)。腿部設(shè)計考慮了用戶在應(yīng)用中大范圍調(diào)整和小范圍微調(diào)的不同需求，利于實際中傳感裝置的安裝。頂盤設(shè)計在簡化控制難度目的下，設(shè)計了行星輪結(jié)構(gòu)，將自由度控制代以電機(jī)位置伺服控制，結(jié)構(gòu)緊湊。閉環(huán)結(jié)構(gòu)提高了執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制精度。該發(fā)明具有行進(jìn)于一般平面，崎嶇及光滑路面的特點，提出解決目前足式機(jī)器人設(shè)計瓶頸，成本高等方面問題，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活，在偵察感知、人員探測領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說明】交叉空翻式三足機(jī)器人
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本 發(fā)明屬于仿生機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種交叉空翻式三足機(jī)器人運動設(shè)計。
【背景技術(shù)】
[0002]在實驗室和生活中機(jī)器人大都采用兩足或四足六足等多足行走或者采用相對傳統(tǒng)的輪式移動。輪式機(jī)器人相對于足式機(jī)器人的越障能力要遜色許多，對地形的適應(yīng)性能不如足式機(jī)器人。兩足機(jī)器人行動較為靈活，但穩(wěn)定性欠缺，行走時容易失去平衡而摔倒，四足六足等多足機(jī)器人雖然相對于兩足更為穩(wěn)定，但卻失去了兩足的靈活性，腿與腿之間會相互干擾、控制起來也比較復(fù)雜。三角形具有很好的穩(wěn)定性，三足行走機(jī)器人自然也具有四足、六足機(jī)器人的穩(wěn)定性。同時，由于采用三足的驅(qū)動方式，三足機(jī)器人便擁有了兩足機(jī)器人的靈活性。常見的機(jī)器人在平面內(nèi)大都是在前后左右四個方向運動，而釆用三足的機(jī)器人，通過腿部的調(diào)整和大幅度的步伐，使其更靈活，更穩(wěn)定。
[0003]因此設(shè)計一款可靈活運動的三足機(jī)器人是一個有較好應(yīng)用前景的工作。
[0004]事實上弗吉尼亞理工大學(xué)的丹尼斯?洪教授的團(tuán)隊首次提出了一種被動動力的三足機(jī)器人，但是機(jī)器太重，太多的電機(jī)和笨重的材料使得運動很難實現(xiàn)。因此轉(zhuǎn)而研究純機(jī)械驅(qū)動步態(tài)的三足機(jī)器人，結(jié)果是缺乏控制的組織，該三足機(jī)器人僅能邁出第一步，沒有實現(xiàn)靈活連續(xù)運動的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的內(nèi)容在于提供一種可以實現(xiàn)交叉空翻運動方式的三足機(jī)器人的設(shè)計。該設(shè)計采用了閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，機(jī)器人整體共有10個主動自由度，其中的I個主動自由度驅(qū)動3個被動自由度。用于完整的確定機(jī)器人的姿態(tài)，每個自由度都由舵機(jī)(直流角位移伺服電機(jī))驅(qū)動完成。其中用于連接小腿和大腿關(guān)節(jié)的舵機(jī)，能夠在豎直方向上在0-180度的范圍內(nèi)任意轉(zhuǎn)動，三者的角度在裝配時，必須保持相對位置協(xié)調(diào)一致，運動過程中三者的角度，必須相互協(xié)調(diào)一致，以保持整個機(jī)器人機(jī)身的水平狀態(tài)，調(diào)整此三個電機(jī)的角位置，即可方便改變該三足機(jī)器人的相對地面豎直方向的高度，使作為安裝傳感器功能區(qū)的頂盤的高度可以方便調(diào)節(jié)，便于實現(xiàn)相關(guān)探測的自主功能；另外在腿部用于將自身連接到頂盤的電機(jī)，數(shù)量為I組3個，同樣需要達(dá)到0-180度位置伺服，且額定負(fù)載下的輸出扭力相對前者大，三者裝配需要協(xié)調(diào)一致，調(diào)整此三電機(jī)的角位置，亦可實現(xiàn)頂盤的高度的豎直微調(diào)，在摩擦系數(shù)相對小的運動平面上，確保使下部小腿保持豎直，減小機(jī)器人主體保持站立需要的最小靜摩擦力，實現(xiàn)對運動環(huán)境更強(qiáng)的適應(yīng)性，因能夠調(diào)節(jié)機(jī)器人本體的實際高度。此外位于頂盤上用于連接腿部的電機(jī)，由于對稱性，共有I組3個，亦能夠在水平0-180度的范圍內(nèi)實現(xiàn)位置伺服運動，三者的初始角度在裝配時保持對稱協(xié)調(diào)，在兩者共軸條件下的運動過程中，使其中每兩個電機(jī)的運動實現(xiàn)相對鏡面對稱轉(zhuǎn)動，進(jìn)而使同時轉(zhuǎn)動的兩個電機(jī)形成一條旋轉(zhuǎn)軸，以此狀態(tài)下未涉及的另一條腿及頂盤繞此旋轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)交叉空翻的效果；另外三個被動自由度，由中心電機(jī)提供動力，由尼龍?zhí)淄矞p小轉(zhuǎn)動摩阻，使頂盤的電機(jī)能夠帶動三條腿實現(xiàn)水平方向的繞軸轉(zhuǎn)動，經(jīng)計算轉(zhuǎn)動的范圍為60度，以實現(xiàn)頂盤不同側(cè)邊為軸，機(jī)器人向不同方向運動的目的；最后一個自由度在頂盤中央，是整個機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整，運動協(xié)調(diào)，動力提供的核心驅(qū)動，該電機(jī)需要具有較好的動態(tài)性能，較寬的頻率響應(yīng)范圍，無靜差或靜差小，機(jī)械性能良好，輸出力矩大，無電機(jī)振顫抖動，運動平穩(wěn)，該電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)繞軸360度連續(xù)轉(zhuǎn)動的位置伺服功能，在本設(shè)計的頂盤結(jié)構(gòu)單元單自由度實現(xiàn)三臂聯(lián)合控制基礎(chǔ)上，使機(jī)器人的三足中相鄰兩足依次實現(xiàn)作為運動旋轉(zhuǎn)軸，起到選擇姿態(tài)的驅(qū)動作用。
[0006]腿部的設(shè)計采用類似生物體的設(shè)計方案，采用大腿帶動小腿的模式，將腿部分成兩段，增強(qiáng)了機(jī)器人運動的靈活性，在腿部的下半段增加了具有較大剛度的彈性減震裝置，使得運動過程中不會因為存在機(jī)械裝配時的縫隙，當(dāng)機(jī)器人足部接觸地面時對關(guān)節(jié)的配合處造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞，此外從另一方面講能夠使姿態(tài)的運動更加平穩(wěn)靈活連貫。在足部考慮到原有支撐桿底部平面與大地平面的面面接觸不穩(wěn)定的缺點，在機(jī)器人小腿的端部安裝了球狀橡膠質(zhì)的足部，不僅在接觸的過程中起到了緩沖的作用，而且保證了接觸的平穩(wěn)的性能。在腿部兩部分長度比例的考量上，借鑒了整條腿部能夠從下部空間翻轉(zhuǎn)的適當(dāng)長度比，并留有一定裕量，最終選擇小腿與大腿的長度比為2:1。三足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)比例及運動方式設(shè)計，使其自身具有較強(qiáng)的越障能力，其本身占有的空間?。痪哂休^大的前進(jìn)步伐，且相對于平移挪步式的機(jī)器人在伸縮升降方面具有更加靈活，足端可達(dá)域廣、抗干擾能力強(qiáng)的特點。
[0007]頂盤的設(shè)計在簡化控制難度的目的下，設(shè)計了行星輪的機(jī)械結(jié)構(gòu)，巧妙將三個自由度的控制代之以一個中心電機(jī)的位置伺服控制，針對機(jī)器人的姿態(tài)變化，完全實現(xiàn)了各種運動要求，結(jié)構(gòu)緊湊。中心電機(jī)帶動的頂部外齒輪上端連桿連接塊作為整個機(jī)器人主架的動力傳輸機(jī)構(gòu)。具體方式為中心電機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動內(nèi)連桿以同樣的速度與方向轉(zhuǎn)動，內(nèi)連桿帶動外齒輪在與頂盤內(nèi)齒輪嚙合下旋轉(zhuǎn)，內(nèi)齒輪旋轉(zhuǎn)時，帶動外連桿實現(xiàn)平面運動，驅(qū)動與外連桿上的連接塊，實現(xiàn)在平衡位置與運動位置的相互轉(zhuǎn)化，經(jīng)仿真連接塊的運動軌跡為以中心電機(jī)為旋轉(zhuǎn)中心的三葉草形狀。實現(xiàn)了機(jī)器人的各條腿能在預(yù)定位置之間的變換。
[0008]在各處關(guān)節(jié)的設(shè)計上，本發(fā)明力圖使結(jié)構(gòu)進(jìn)行最大限度的簡化，在理論設(shè)計后去掉了不必要的齒輪比減速的冗余結(jié)構(gòu)，將U型架直接安裝在電機(jī)軸上，減少了安裝復(fù)雜度，減小了實際應(yīng)用成本，減輕了機(jī)構(gòu)的重量，經(jīng)強(qiáng)度校核與實際實驗達(dá)到預(yù)設(shè)功能目的。
[0009]閉環(huán)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，在頂盤安裝了水平傾角傳感器用以檢測頂盤的位置是否水平，在腿部一端安裝有力傳感器，用以檢測是否落地，在設(shè)定值與檢測反饋量不等時，由控制器驅(qū)動相關(guān)機(jī)構(gòu)繼續(xù)運動，直到設(shè)定位置為止。使每條腿構(gòu)成子系統(tǒng)，采用位于各子系統(tǒng)的分布式電源供電，另外利用子系統(tǒng)的控制器分別對位于各支撐腿上的三個電機(jī)進(jìn)行控制，在頂盤的中央安置主系統(tǒng)主控制器，主控制器通過無線通訊協(xié)議方式與子系統(tǒng)的控制器進(jìn)行信號的互連，進(jìn)而使系統(tǒng)對其總體目標(biāo)和任務(wù)可以進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)與分配，同時解決了在實際運動過程中空翻的運動方式可能使物理連接的數(shù)據(jù)線不斷纏繞的問題，在控制下放的前提下，減輕了主控制器的控制和運算的壓力，使主控制器專注于中心電機(jī)的控制，各條腿的協(xié)調(diào)運動和水平傾角傳感器的信號運算與采集，使子系統(tǒng)控制器專注于位于各腿部三個電機(jī)的控制和力傳感器的開關(guān)量的測量。[0010]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，交叉空翻式三足機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)由:頂部上中心板、頂部外齒輪上端連桿連接塊、頂部外齒輪上端連桿、頂部外齒輪、頂部舵機(jī)連桿、頂部隨動U型軌架、頂部中心舵機(jī)舵盤、頂部中心舵機(jī)、頂部下中心板、頂部內(nèi)齒輪、頂部邊緣舵機(jī)支撐架、頂部邊緣舵機(jī)U型包架、頂部邊緣外下尼龍?zhí)淄?、部邊緣?nèi)金屬套筒、頂部邊緣舵機(jī)、頂部邊緣外上尼龍?zhí)淄病⑼炔可线B桿上端U形架、腿部上連桿、腿部連接舵機(jī)支撐架、腿部連接舵機(jī)、腿部連接U形架、腿部下連桿、腿部連接舵機(jī)舵盤、腿部下連桿減震器、腿部下連桿末端防滑套、腿部上端舵機(jī)、六角銅柱組成。
[0011]主要設(shè)計包括以下結(jié)構(gòu):①舵機(jī)包圍結(jié)構(gòu):根據(jù)舵機(jī)的尺寸大小，來確定包圍結(jié)構(gòu)外殼的尺寸。并通過精細(xì)的測量來確定背板上和舵機(jī)對稱位置安裝軸的位置，從而保證了對稱性。此外，在設(shè)計時兩側(cè)預(yù)留出了誤差允許范圍的安裝間隙以方便調(diào)整。②連接舵機(jī)與腿部的U型架結(jié)構(gòu):根據(jù)舵機(jī)的尺寸，根據(jù)舵機(jī)的大小確定U型架的三維尺寸，通過精細(xì)的計算，并考慮到選用螺栓的Φ值機(jī)器裝配精度，適當(dāng)?shù)牧舫鱿鄳?yīng)的圓孔的安裝位置。③頂盤連接腿部舵機(jī)的支撐架相對頂盤定軸旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu):根據(jù)要旋轉(zhuǎn)的部分，在舵機(jī)外圍結(jié)構(gòu)留出安裝軸的位置，上下頂板也通過此軸相互固定，由于一方面需要牢固固定，另一方面需要軸的旋轉(zhuǎn)，在六角螺柱作為固定連接上下頂盤的連接軸的同時，在其外圍套上直徑大小略大于六角螺柱的輕質(zhì)金屬外殼，減小摩擦以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動的效果，在金屬外殼的上下端分別套上長度不同的尼龍?zhí)淄玻估@軸旋轉(zhuǎn)的舵機(jī)包圍結(jié)構(gòu)不能上下移動，在高度位置上相對固定。④頂部隨動U型軌架設(shè)計:當(dāng)頂部外齒輪上端連桿連接塊到達(dá)頂盤的邊緣時，以此極限位置留出相應(yīng)的誤差限度進(jìn)而核算U型軌架的長度，U型軌架的端部最好形成圓弧結(jié)構(gòu)，U型軌架的另一端通過螺栓連接于頂盤舵機(jī)包圍結(jié)構(gòu)的上端，連接處需保證有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度與可靠性，軌道的剛性應(yīng)保證一定的大小，使其盡量在帶動連接塊時不會變形。5 O頂盤中心行星輪系實現(xiàn)單自由度實現(xiàn)三腿聯(lián)合控制的設(shè)計:設(shè)計內(nèi)齒輪，外齒輪，內(nèi)連桿，外連桿及連接塊結(jié)構(gòu)，中心電機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動內(nèi)連桿以同樣的速度與方向轉(zhuǎn)動，內(nèi)連桿帶動外齒輪在與頂盤內(nèi)齒輪嚙合下旋轉(zhuǎn)，內(nèi)齒輪旋轉(zhuǎn)時，帶動外連桿實現(xiàn)平面運動，驅(qū)動與外連桿上的連接塊，實現(xiàn)在平衡位置與運動位置的相互轉(zhuǎn)化，以一個中心電機(jī)的旋轉(zhuǎn)自由度代替三條支撐腿共計三個繞豎直軸的水平轉(zhuǎn)動的自由度。經(jīng)計算校核，記內(nèi)連桿長度r I，外連桿的長度r2，外齒輪半徑r3，內(nèi)齒輪半徑R，齒輪與內(nèi)齒圈嚙合，尺寸關(guān)系rl = r2 = 2*r3，R= rl+r30內(nèi)齒輪通過法蘭結(jié)構(gòu)連接到頂盤上。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0013](I)結(jié)合自激式三足機(jī)器人的特點，具有兩足機(jī)器人的運動的靈活性，亦同時具備四、六足機(jī)器人的穩(wěn)定性，并且設(shè)計了一種新型的交叉空翻式運動的新方案。
[0014](2)設(shè)計了行星輪系結(jié)構(gòu)，利用頂盤滑槽的位置這一機(jī)械結(jié)構(gòu)，能夠有效地減少分別控制三條腿部的自由度，簡化了控制難度且穩(wěn)定性更強(qiáng)，實現(xiàn)了運動位置與平衡位置的轉(zhuǎn)化。
[0015](3)每一條腿是由三個自由度組成，除一個自由度用于反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)外，兩個自由度可分別實現(xiàn)頂盤的高度的豎直微調(diào)，在摩擦系數(shù)相對小的運動平面上或不便于調(diào)整支撐點位置時，確保使下部小腿保持豎直，減小機(jī)器人主體保持站立需要的最小靜摩擦力，實現(xiàn)對運動環(huán)境更強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠調(diào)節(jié)機(jī)器人本體的實際高度，達(dá)到機(jī)器人各種傳感功能實現(xiàn)的目的。[0016](4)每一條腿與頂盤連接處的軸一方面需要牢固固定，另一方面需要其自旋轉(zhuǎn)，設(shè)計了內(nèi)六角螺柱作為固定連接上下頂盤的連接軸的同時，在其外圍套上直徑大小略大于六角螺柱的輕質(zhì)金屬外殼作為雙層軸，同時實現(xiàn)了上述兩種功能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]附圖1為交叉空翻式三足機(jī)器人頂盤部設(shè)計示意圖；
[0018]附圖2為交叉空翻式三足機(jī)器人頂盤平衡位置俯視圖；
[0019]附圖3為交叉空翻式三足機(jī)器人頂盤邁步初始位置俯視圖；
[0020]附圖4為交叉空翻式三足機(jī)器人頂盤主視圖；
[0021]附圖5為交叉空翻式三足機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)圖；
[0022]附圖6為交叉空翻式三足機(jī)器人無頂板整體平衡位置空間三維圖；
[0023]附圖7為交叉空翻式三足機(jī)器人無頂板整體邁步初始位置空間三維圖；
[0024]附圖8為交叉空翻式三足機(jī)器人無頂板整體運動過程位置空間三維圖；
[0025]附圖9為交叉空翻式三足機(jī)器人空間三維圖；
[0026]附圖中:1一頂部上中心板，2—頂部外齒輪上端連桿連接塊，3—頂部外齒輪上端連桿，4-頂部外齒輪，5-頂部舵機(jī)連桿，6-頂部隨動U型軌架，7-頂部中心舵機(jī)舵盤，8—頂部中心舵機(jī)，9—頂部下中心板，10—頂部內(nèi)齒輪，11—頂部邊緣舵機(jī)支撐架，12—頂部邊緣舵機(jī)U型包架，13—頂部邊緣外下尼龍?zhí)淄玻?4—頂部邊緣內(nèi)金屬套筒，15—頂部邊緣舵機(jī)，16-頂部邊緣外上尼龍?zhí)淄玻?7-腿部上連桿上端U形架，18-腿部上連桿19—腿部連接舵機(jī)支撐架，20—腿部連接舵機(jī)，21—腿部連接U形架，22—腿部下連桿，23-腿部連接舵機(jī)舵盤，24-腿部下連桿減震器，25-腿部下連桿末端防滑套，26-腿部上端舵機(jī)，27—六角銅柱
【具體實施方式】
[0027]如圖1所示，為三足步態(tài)機(jī)器人頂部運動示意圖，包括上下兩個等邊三角形的中心板，板上每個角各自連有((I))號，((2))號和((3))號舵機(jī)，以及兩中心板之間的轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)。兩中心板之間的結(jié)構(gòu)有:在頂部上中心板(I)和頂部下中心板(9)有頂部外齒輪上端連桿連接塊(2)，頂部外齒輪上端連桿連接塊(2)與頂部外齒輪上端連桿(3)通過螺紋連接的方式固定在一起，頂部外齒輪(4)與頂部內(nèi)齒輪(10)齒齒之間相互嚙合，頂部舵機(jī)連桿(5)通過頂部中心舵機(jī)舵盤(7)以螺釘配合的方式與中心舵機(jī)相連接，同時，頂部外齒輪
(4)又與頂部外齒輪上端連桿(3)通過螺栓螺母固定，三根連桿分別套接在頂部外齒輪上端連桿連接塊(2)上。頂部內(nèi)齒輪(10)通過其周圍的三個孔用螺栓螺母固定在頂部下中心板(9)上。頂部中心舵機(jī)(8)通過其兩側(cè)板上的通孔與頂部下中心板(9)用4個螺栓螺母固定。通過以上機(jī)構(gòu)的組合使頂部中心舵機(jī)(8)的旋轉(zhuǎn)帶動頂部外齒輪(4)圍繞著頂部內(nèi)齒輪(10)旋轉(zhuǎn)，使連桿位于不同的位置，頂部外齒輪上端連桿連接塊(2)通過頂部隨動U型軌架(6)分別調(diào)節(jié)(a)，(b)，(c)號舵機(jī)的位置，在平面水平轉(zhuǎn)動。下面以((I))號舵機(jī)為例，介紹三角形中心板三個邊緣處舵機(jī)的鏈接和運動方式:((1))號舵機(jī)通過舵盤結(jié)構(gòu)與腿部上端舵機(jī)(26)相連，使用螺栓形式固接方便拆卸，腿部上端舵機(jī)(26)通過螺釘螺母結(jié)構(gòu)固定在頂部邊緣舵機(jī)U型包架(12)，另一方面，((I))號舵機(jī)以螺釘螺母連接的方式與頂部邊緣舵機(jī)支撐架(11)相連，頂部邊緣舵機(jī)支撐架(11)的邊緣加工有通孔，通孔處套有起其固定支撐作用的六角銅柱(27)，在通孔內(nèi)六角銅柱(27)的外側(cè)套有為了減小摩擦的頂部邊緣內(nèi)金屬套筒(14)，頂部邊緣內(nèi)金屬套筒(14)加持在頂部上中心板(I)和頂部下中心板(9)之間，在其外并同樣在通孔內(nèi)的上下邊緣分別有頂部邊緣外下尼龍?zhí)淄?13)和頂部邊緣外上尼龍?zhí)淄?16)起軸向定位的作用，避免頂部邊緣舵機(jī)支撐架(11)來回運動。頂部隨動U型軌架(6)的一端通過4個螺釘與頂部邊緣舵機(jī)支撐架(11)固連在一起，另一端與頂部外齒輪上端連桿連接塊(2)相互壓緊套連，使頂部外齒輪上端連桿連接塊(2)能夠在軌架中平穩(wěn)光滑的前后移動，通過以上結(jié)構(gòu)可以在頂部中心舵機(jī)8的帶動下，上下中心板以及腿部做平衡與初始運動位置的調(diào)節(jié)和180度的翻轉(zhuǎn)運動。
[0028]如圖2所示，為當(dāng)交叉空翻式三足機(jī)器人處于平衡狀態(tài)時，頂部下中心板所處的狀態(tài)，可以看到，頂部外齒輪上端連桿連接塊2處于正三角形的中心，三個互為對稱的頂部隨動U型軌架6相交形成120度角的中心對稱位置。
[0029]如圖3所示，為當(dāng)交叉空翻式三足機(jī)器人處于運動初始狀態(tài)時，頂部下中心板所處的狀態(tài)，可以看到，頂部外齒輪上端連桿連接塊2處于正三角形其中一邊的中點處，三個頂部隨動U型軌架6，其中兩者共軸重合，另一個軌架與前兩者成垂直相交形成90度角的鏡面對稱位置。
[0030]如圖4所示，頂盤的主視圖顯示了頂部上下中心板間距離及各頂盤部件相互之間的連接關(guān)系。
[0031]如圖5所示，舵盤通過螺釘與腿部上連桿上端U形架(17)相連，舵機(jī)支撐架通過螺釘與U型包架連接，實現(xiàn)腿部上連桿上端U形架(17)相對于腿部上端舵機(jī)支撐架(11)繞舵機(jī)軸的上下擺動。腿部上連桿上端U形架(17)與腿部上連桿(18)固結(jié)為一體。從而實現(xiàn)腿部上連桿(18)繞腿部 上端舵機(jī)(26)舵機(jī)軸做上下擺動。腿部連接舵機(jī)(20)的舵機(jī)軸與腿部連接舵機(jī)舵盤(23)通過齒嚙合相互連接，舵盤通過螺釘與腿部連接U形架相連，舵機(jī)支撐架通過螺釘與U型包架連接，實現(xiàn)腿部連接U形架(21)相對于腿部連接舵機(jī)支撐架(19)繞舵機(jī)軸的上下擺動。腿部連接U形架(21)與腿部下連桿(22)固結(jié)為一體，腿部連接舵機(jī)支撐架(19)與腿部上連桿(18)固結(jié)為一體。從而實現(xiàn)腿部下連桿(22)相對于腿部上連桿(18)繞腿部連接舵機(jī)(20)舵機(jī)軸做上下擺動。
[0032]如圖6所示，為無頂板整體平衡位置空間三維圖，為便于展示頂盤機(jī)構(gòu)，隱藏了頂部上中心板。直觀展示交叉空翻式三足機(jī)器人的兩大部分一頂盤和腿部在平衡時的姿態(tài)狀況。另外腿部下連桿(22)末端連接有腿部下連桿末端防滑套(25)，實現(xiàn)增大腿部下連桿
(22)末端與地面的摩擦力。腿部下連桿(22)中部安裝有腿部下連桿減震器(24)，實現(xiàn)對腿部運動的減震。
[0033]如圖7所示，為無頂板整體運動初始位置空間三維圖，為便于展示頂盤機(jī)構(gòu)，隱藏了頂部上中心板。直觀展示交叉空翻式三足機(jī)器人的兩大部分一頂盤和腿部在初始位置時的姿態(tài)狀況。
[0034]如圖8所示，為無頂板整體運動過程中某一位置空間三維圖，為便于展示頂盤機(jī)構(gòu)，隱藏了頂部上中心板。直觀展示交叉空翻式三足機(jī)器人的兩大部分一頂盤和腿部在運動過程中頂盤平面與地面垂直時的姿態(tài)狀況。
[0035]如圖9所示，為交叉空翻式三足機(jī)器人空間三維圖，完整展示了機(jī)器人的靜態(tài)全H.1
O
【權(quán)利要求】
1.一種交叉空翻式三足機(jī)器人，其特征在于，包括頂盤部與腿部兩大主體部分結(jié)構(gòu)，其中頂盤為正三角形，在正三角形的三個頂點內(nèi)側(cè)，分別與三條腿相連，頂盤中央具有行星輪系及其軌道結(jié)構(gòu)，三條腿由大腿帶動小腿進(jìn)行運動，交叉空翻運動通過閉環(huán)控制的方式，實現(xiàn)整體機(jī)構(gòu)的運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交叉空翻式三足機(jī)器人，其特征在于，所述的頂盤部系統(tǒng)為頂盤部系統(tǒng)核心部件為由行星輪系構(gòu)成的三自由度形成三臂聯(lián)合控制的實現(xiàn)方式及相關(guān)設(shè)計思路，由行星輪系構(gòu)成的三自由度形成三臂聯(lián)合控制的實現(xiàn)方式及相關(guān)設(shè)計思路，利用頂盤滑槽的位置這一機(jī)械結(jié)構(gòu)，能夠有效地減少分別控制三條腿部的自由度，簡化了控制難度，便于達(dá)到平衡位置與運動初始位置，且運動過程中無干涉，穩(wěn)定性更強(qiáng)，實現(xiàn)了從靜止，到運動初始狀態(tài)，到運動翻轉(zhuǎn)過程狀態(tài)，最后重回平衡狀態(tài)的整個流程。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交叉空翻式三足機(jī)器人，其特征在于，所述的腿部系統(tǒng)為腿部系統(tǒng)核心在于為了達(dá)到機(jī)器人各種傳感功能的有效實現(xiàn)的目的，需要靈活控制機(jī)器人高度的調(diào)節(jié)，腿部由三個自由度組成，除一個自由度用于反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)外，基于仿生學(xué)原理，兩個自由度可分別實現(xiàn)頂盤 的高度的豎直微調(diào)，在應(yīng)用中考慮了大范圍調(diào)整和小范圍微調(diào)的不同需求，在摩擦系數(shù)相對小的運動平面上或不便于調(diào)整支撐點位置時，確保使下部小腿保持豎直，減小機(jī)器人主體保持站立需要的最小靜摩擦力，實現(xiàn)對運動環(huán)境更強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠調(diào)節(jié)機(jī)器人本體的實際高度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交叉空翻式三足機(jī)器人，其特征在于，所述的控制為按照本設(shè)計提出基于交叉空翻式的行進(jìn)方式，閉環(huán)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)為，在頂盤安裝了水平傾角傳感器用以檢測頂盤的位置是否水平，在腿部一端安裝有力傳感器，用以檢測是否落地，在設(shè)定值與檢測反饋量不等時，由控制器驅(qū)動相關(guān)機(jī)構(gòu)繼續(xù)運動，直到設(shè)定位置為止。使每條腿構(gòu)成子系統(tǒng)，采用位于各子系統(tǒng)的分布式電源供電，另外利用子系統(tǒng)的控制器分別對位于各支撐腿上的三個電機(jī)進(jìn)行控制，在頂盤的中央安置主系統(tǒng)主控制器，主控制器通過無線通訊協(xié)議方式與子系統(tǒng)的控制器進(jìn)行信號的互連，進(jìn)而使系統(tǒng)對其總體目標(biāo)和任務(wù)可以進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)與分配，同時解決了在實際運動過程中空翻的運動方式可能使物理連接的數(shù)據(jù)線不斷纏繞的問題，在控制下放的前提下，減輕了主控制器的控制和運算的壓力，使主控制器專注于中心電機(jī)的控制，各條腿的協(xié)調(diào)運動和三軸加速度計傳感器的信號運算與采集，使子系統(tǒng)控制器專注于位于各腿部三個電機(jī)的控制和壓力傳感器的開關(guān)量的測量。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種交叉空翻式三足機(jī)器人，其特征在于，所述的頂盤部系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路為:頂盤部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由頂部上中心板(I)、頂部外齒輪上端連桿連接塊(2)、頂部外齒輪上端連桿(3)、頂部外齒輪(4)、頂部舵機(jī)連桿(5)、頂部隨動U型軌架(6)、頂部中心舵機(jī)舵盤(7)、頂部中心舵機(jī)(8)、頂部下中心板(9)、頂部內(nèi)齒輪(10)、頂部邊緣舵機(jī)支撐架(11)、頂部邊緣舵機(jī)U型包架(12)、頂部邊緣外下尼龍?zhí)淄?13)、頂部邊緣內(nèi)金屬套筒(14)、頂部邊緣舵機(jī)(15)、頂部邊緣外上尼龍?zhí)淄?16)、六角銅柱組成(27)組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種交叉空翻式三足機(jī)器人，其特征在于，所述的頂盤部系統(tǒng)各部分的裝配及運動關(guān)系為:在頂部上中心板(I)和頂部下中心板(9)有頂部外齒輪上端連桿連接塊(2)，頂部外齒輪上端連桿連接塊(2)與頂部外齒輪上端連桿(3)通過螺紋連接的方式固定在一起，頂部外齒輪(4)與頂部內(nèi)齒輪(10)齒齒之間相互嚙合，頂部舵機(jī)連桿(5)通過頂部中心舵機(jī)舵盤(7)以螺釘配合的方式與中心舵機(jī)相連接，同時，頂部外齒輪(4)又與頂部外齒輪上端連桿(3)通過螺栓螺母固定，三根連桿分別套接在頂部外齒輪上端連桿連接塊(2)上，頂部內(nèi)齒輪(10)通過其周圍的三個孔用螺栓螺母固定在頂部下中心板(9)上，頂部中心舵機(jī)(8)通過其兩側(cè)板上的通孔與頂部下中心板(9)用4個螺栓螺母固定，通過以上機(jī)構(gòu)的組合使頂部中心舵機(jī)(8)的旋轉(zhuǎn)帶動頂部外齒輪(4)圍繞著頂部內(nèi)齒輪(10)旋轉(zhuǎn)，使連桿位于不同的位置，頂部外齒輪上端連桿連接塊(2)通過頂部隨動U型軌架(6)分別調(diào)節(jié)(a)，(b)，(c)號舵機(jī)的位置，在平面水平轉(zhuǎn)動，下面以((I))號舵機(jī)為例，介紹三角形中心板三個邊緣處舵機(jī)的鏈接和運動方式:((1))號舵機(jī)通過舵盤結(jié)構(gòu)與腿部上端舵機(jī)(26)相連，使用螺栓形式固接方便拆卸，腿部上端舵機(jī)(26)通過螺釘螺母結(jié)構(gòu)固定在頂部邊緣舵機(jī)U型包架(12)，另一方面，((I))號舵機(jī)以螺釘螺母連接的方式與頂部邊緣舵機(jī)支撐架(11)相連，頂部邊緣舵機(jī)支撐架(11)的邊緣加工有通孔，通孔處套有起其固定支撐作用的六角銅柱(27)，在通孔內(nèi)六角銅柱(27)的外側(cè)套有為了減小摩擦的頂部邊緣內(nèi)金屬套筒(14)，頂部邊緣內(nèi)金屬套筒(14)加持在頂部上中心板(I)和頂部下中心板(9)之間，在其外并同樣在通孔內(nèi)的上下邊緣分別有頂部邊緣外下尼龍?zhí)淄?13)和頂部邊緣外上尼龍?zhí)淄?16)起軸向定位的作用，避免頂部邊緣舵機(jī)支撐架(11)來回運動，頂部隨動U型軌架(6)的一端通過4個螺釘與頂部邊緣舵機(jī)支撐架(11)固連在一起，另一端與頂部外齒輪上端連桿連接塊(2)相互壓緊套連，使頂部外齒輪上端連桿連接塊(2)能夠在軌架中平穩(wěn)光滑的前后移動。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種交叉空翻式三足機(jī)器人，其特征在于，所述的頂盤部腿部的連接方式實現(xiàn)為與每一條腿與頂盤連接處的軸一方面需要牢固固定，另一方面需要其自旋轉(zhuǎn)，設(shè)計了內(nèi)六角螺柱作為固定連接上下頂盤的連接軸，提供較強(qiáng)剛度的軸，在其外圍套上直徑大小略大于六角螺柱的輕質(zhì)金屬外殼作為雙層軸，同時實現(xiàn)了上述兩種功能，實現(xiàn)制作成本低且完全實現(xiàn)功能需求。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種交叉空翻式三足機(jī)器人，其特征在于，所述的腿部系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路為:腿部結(jié)構(gòu)由腿部上連桿上端U形架(17)、腿部上連桿(18)、腿部連接舵機(jī)支撐架(19)、腿部連接舵機(jī)(20)、腿部連接U形架(21)、腿部下連桿(22)、腿部連接舵機(jī)舵盤(23)、腿部下連桿減震器(24)、腿部下連桿末端防滑套(25)、腿部上端舵機(jī)(26)組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種交叉空翻式三足機(jī)器人，其特征在于，所述的頂盤部系統(tǒng)各部分的裝配及運動關(guān)系為:舵盤通過螺釘與腿部上連桿上端U形架(17)相連，舵機(jī)支撐架通過螺釘與U型包架連接，實現(xiàn)腿部上連桿上端U形架(17)相對于腿部上端舵機(jī)支撐架(11)繞舵機(jī)軸的上下擺動，腿部上連桿上端U形架(17)與腿部上連桿(18)固結(jié)為一體，從而實現(xiàn)腿部上連桿(18)繞腿部上端舵機(jī)(26)舵機(jī)軸做上下擺動，腿部連接舵機(jī)(20)的舵機(jī)軸與腿部連接舵機(jī)舵盤(23)通過齒嚙合相互連接，舵盤通過螺釘與腿部連接U形架相連，舵機(jī)支撐架通過螺釘與U型包架連接，實現(xiàn)腿部連接U形架(21)相對于腿部連接舵機(jī)支撐架(19)繞舵機(jī)軸的上下擺動，腿部連接U形架(21)與腿部下連桿(22)固結(jié)為一體，腿部連接舵機(jī)支撐架(19)與腿部上連桿(18)固結(jié)為一體，從而實現(xiàn)腿部下連桿(22)相對于腿部上連桿(18)繞腿部連接舵機(jī)(20)舵機(jī)軸做上下擺動，腿部下連桿(22)末端連接有腿部下連桿末端防滑套(25)，實現(xiàn)增大腿部下連桿(22)末端與地面的摩擦力，腿部下連桿(22)中部安裝有腿部下連桿減震器(24)，實現(xiàn)對腿部運動的減震。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種交叉空翻式三足機(jī)器人，其特征在于，所述的基于仿生學(xué)原理的大腿與小腿的設(shè)計為，為了達(dá)到機(jī)器人各種傳感功能的有效實現(xiàn)的目的，需要靈活控制機(jī)器人高度的調(diào)節(jié)，腿部為由三個自由度組成，除一個自由度用于反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)外，兩個自由度可分別實現(xiàn)頂盤的高度的豎直微調(diào)，在應(yīng)用中考慮了大范圍調(diào)整和小范圍微調(diào)的不同需求，在摩擦系數(shù)相對小的運動平面上或不便于調(diào)整支撐點位置時，確保使下部小腿保持豎直，減小機(jī)器人主體保持站立需要偶的最小靜摩擦力，實現(xiàn)對運動環(huán)境更強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠調(diào)節(jié)機(jī)器人本體的實際高度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交叉空翻式三足機(jī)器人，其特征在于，所述的三足機(jī)器人的整體特征為相較于傳統(tǒng)運動方式的多足或三足機(jī)器人的不同特點，本發(fā)明的交叉空翻式三足機(jī)器人通過的各項設(shè)計陳述的結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制設(shè)計實現(xiàn)了以交叉翻轉(zhuǎn)頂盤方式為核心的從靜止，到運動初始狀態(tài)，到運動翻轉(zhuǎn)過程狀態(tài)，最后重回平衡狀態(tài)運動的新方案。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種交叉空翻式三足機(jī)器人，其特征在于，所述的三足機(jī)器人的運動新方案在解決了目前足式機(jī)器人傳統(tǒng)行進(jìn)方式的弊端，一方面空翻式行進(jìn)方式能夠邁越過較大障礙物和適當(dāng)寬度的溝渠，另一方面步距加大減少了接觸地面的幾率，增強(qiáng)了其穩(wěn)定性，適應(yīng)于各類崎嶇路面的行進(jìn)，搭載各類傳感器后，在軍事，災(zāi)害，救援，地面?zhèn)蓽y領(lǐng)域具有廣泛的 實用價值與前景。
【文檔編號】B62D57/032GK103963868SQ201410196505
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)明者】趙曄, 王軍政, 張婷, 趙磊, 王天風(fēng), 張 浩, 婁偉鵬, 王天昊, 羅坤 申請人:北京理工大學(xué)