[发明专利]交叉空翻式三足机器人

说明书

技术领域

本发明属于仿生机器人应用领域，具体涉及一种交叉空翻式三足机器人运动设计。

背景技术

在实验室和生活中机器人大都采用两足或四足六足等多足行走或者采用相对传统的轮式移动。轮式机器人相对于足式机器人的越障能力要逊色许多，对地形的适应性能不如足式机器人。两足机器人行动较为灵活，但稳定性欠缺，行走时容易失去平衡而摔倒，四足六足等多足机器人虽然相对于两足更为稳定，但却失去了两足的灵活性，腿与腿之间会相互干扰、控制起来也比较复杂。三角形具有很好的稳定性，三足行走机器人自然也具有四足、六足机器人的稳定性。同时，由于采用三足的驱动方式，三足机器人便拥有了两足机器人的灵活性。常见的机器人在平面内大都是在前后左右四个方向运动，而釆用三足的机器人，通过腿部的调整和大幅度的步伐，使其更灵活，更稳定。

因此设计一款可灵活运动的三足机器人是一个有较好应用前景的工作。

事实上弗吉尼亚理工大学的丹尼斯·洪教授的团队首次提出了一种被动动力的三足机器人，但是机器太重，太多的电机和笨重的材料使得运动很难实现。因此转而研究纯机械驱动步态的三足机器人，结果是缺乏控制的组织，该三足机器人仅能迈出第一步，没有实现灵活连续运动的目的。

发明内容

本发明的内容在于提供一种可以实现交叉空翻运动方式的三足机器人的设计。该设计采用了闭环控制结构，机器人整体共有10个主动自由度，其中的1个主动自由度驱动3个被动自由度。用于完整的确定机器人的姿态，每个自由度都由舵机(直流角位移伺服电机)驱动完成。其中用于连接小腿和大腿关节的舵机，能够在竖直方向上在0-180度的范围内任意转动，三者的角度在装配时，必须保持相对位置协调一致，运动过程中三者的角度，必须相互协调一致，以保持整个机器人机身的水平状态，调整此三个电机的角位置，即可方便改变该三足机器人的相对地面竖直方向的高度，使作为安装传感器功能区的顶盘的高度可以方便调节，便于实现相关探测的自主功能；另外在腿部用于将自身连接到顶盘的电机，数量为1组3个，同样需要达到0-180度位置伺服，且额定负载下的输出扭力相对前者大，三者装配需要协调一致，调整此三电机的角位置，亦可实现顶盘的高度的竖直微调，在摩擦系数相对小的运动平面上，确保使下部小腿保持竖直，减小机器人主体保持站立需要的最小静摩擦力，实现对运动环境更强的适应性，因能够调节机器人本体的实际高度。此外位于顶盘上用于连接腿部的电机，由于对称性，共有1组3个，亦能够在水平0-180度的范围内实现位置伺服运动，三者的初始角度在装配时保持对称协调，在两者共轴条件下的运动过程中，使其中每两个电机的运动实现相对镜面对称转动，进而使同时转动的两个电机形成一条旋转轴，以此状态下未涉及的另一条腿及顶盘绕此旋转轴实现转动，实现交叉空翻的效果；另外三个被动自由度，由中心电机提供动力，由尼龙套筒减小转动摩阻，使顶盘的电机能够带动三条腿实现水平方向的绕轴转动，经计算转动的范围为60度，以实现顶盘不同侧边为轴，机器人向不同方向运动的目的；最后一个自由度在顶盘中央，是整个机器人姿态调整，运动协调，动力提供的核心驱动，该电机需要具有较好的动态性能，较宽的频率响应范围，无静差或静差小，机械性能良好，输出力矩大，无电机振颤抖动，运动平稳，该电机能够实现绕轴360度连续转动的位置伺服功能，在本设计的顶盘结构单元单自由度实现三臂联合控制基础上，使机器人的三足中相邻两足依次实现作为运动旋转轴，起到选择姿态的驱动作用。

腿部的设计采用类似生物体的设计方案，采用大腿带动小腿的模式，将腿部分成两段，增强了机器人运动的灵活性，在腿部的下半段增加了具有较大刚度的弹性减震装置，使得运动过程中不会因为存在机械装配时的缝隙，当机器人足部接触地面时对关节的配合处造成不可逆转的损坏，此外从另一方面讲能够使姿态的运动更加平稳灵活连贯。在足部考虑到原有支撑杆底部平面与大地平面的面面接触不稳定的缺点，在机器人小腿的端部安装了球状橡胶质的足部，不仅在接触的过程中起到了缓冲的作用，而且保证了接触的平稳的性能。在腿部两部分长度比例的考量上，借鉴了整条腿部能够从下部空间翻转的适当长度比，并留有一定裕量，最终选择小腿与大腿的长度比为2：1。三足机器人的结构比例及运动方式设计，使其自身具有较强的越障能力，其本身占有的空间小；具有较大的前进步伐，且相对于平移挪步式的机器人在伸缩升降方面具有更加灵活，足端可达域广、抗干扰能力强的特点。