[发明专利]一种六自由度可进行腿臂融合操作的步行机器人单腿结构

说明书

本发明公开一种六自由度可进行腿臂融合操作的步行机器人单腿结构，设计前三个进行步行运动的髋、小腿与大腿关节，并分别通过一个舵机驱动。同时在前三个关节的基础上增加具有三个自由度的执行模块，包括任务切换关节，操作器旋转关节，操作器驱动旋转关节，也分别通过一个舵机驱动。由此使单腿结构输出自由度为六。当单腿结构使用步行模式运动时，任务切换舵机控制步行足端旋转至小腿杆前端，操作器收进小腿中。当机器人使用操作模式工作时，任务执行舵机控制步行足端收进小腿中，操作器旋转至小腿杆前端。本发明单腿结构输出自由度高，灵活度高，工作范围广，可进行较为复杂的任务操作；且步行模式和操作模式之间无干涉，切换迅速平顺。

技术领域

本发明涉及机器人技术、机构学及仿生学，可应用于多足机器人领域，具体来说，是一种既可以作为步行足进行支撑行走又可以变换结构作为操作臂进行任务操作的腿臂融合机构。

背景技术

机器人的研制作为一个朝阳产业，越来越受到人们的重视，其中足式移动机器人由于其运动灵活，承载能力高，应用领域广，其在人类生产生活中扮演着越来越多的角色。一般的足式机器人可以在应用在地震救援、外星探测、资源探索、看护陪伴以及国防安全等多个领域，由于其多足结构的机构特殊性，机器人可以利用离散的地面支撑来实现非完全接触的障碍规避、障碍跨越、爬升台阶、在粗糙地面运动以及翻倒自恢复功能，所以其对杂乱地形有较好的的顺应能力。同时，对于未来的移动机器人，其步行运载能力也不是唯一衡量其工作能力的指标，操作性能也是设计足式步行机器人应该考虑到的一个重要因素。目前对于步行机器人的操作性能的添加，一般都是在足部增加冗余驱动来进行任务操作，如JPL实验室联合NASA等众多研究机构研制的ATHLETE系列机器人便是这种结构的代表。对于这种设计思想，其难点在于如何将增加的冗余驱动融合到腿部结构而不影响机器人的正常步行，并且尽可能在不影响操作性能的前提下减少冗余驱动成为目前研究的难点。

发明内容

针对上述提出的足式步行机器人操作性能添加的问题，本发明基于机器人学、机构学、仿生学设计了一种六自由度可进行腿臂融合操作的步行机器人单腿结构，将操作机构与步行机构之间简单结合，使步行模式与操作模式之间的切换流畅，操作模式时的输出自由度较高。

本发明六自由度可进行腿臂融合操作的步行机器人单腿结构，由末端至前端分别为髋部连接件、大腿杆与小腿杆，共三个腿节；通过髋部舵机控制髋部连接件绕竖直的空间z轴转动；通过大腿杆舵机控制大腿杆绕空间x轴在竖直平面上转动；通过小腿杆舵机控制小腿杆绕空间x轴在竖直平面上转动。

上述小腿杆前端安装有执行模块；执行模块包括任务切换舵机、步行足端、操作器位姿调整舵机、操作器控制舵机与操作器；其中，任务切换舵机输出轴沿空间x轴设置；步行足端与操作器分别位于任务切换舵机的下侧面与上侧面处；任务切换舵机与小腿杆前端相连；通过控制任务切换舵机，实现步行足端与操作器同时绕空间x轴同向转动，实现步行足端与操作器在小腿杆前端端部的切换；

上述步行足端用于实现触地时的缓冲；操作器通过操作器位姿调整舵机控制，实现操作器绕空间x轴转动，实现操作器的位姿调整；同时，操作器通过操作器控制舵机控制进行操作。

本发明中，当机器人使用步行模式运动时，通过任务执行舵机控制操作器与步行足端同步同相旋转，使步行足端旋转至小腿杆前端，此时操作器可以收进小腿中。当机器人使用操作模式工作时，关节旋转，任务执行舵机控制操作器与步行足端同步同相旋转，会收起步行足端至小腿结构中，而操作器旋转至小腿杆前端，并且对于操作器还可以根据目标的任务不同进行更换。

本发明的优点在于：

1、本发明步行机器人单腿结构，输出自由度高，灵活度高，工作范围广，可进行较为复杂的任务操作，并且这种单腿构型的负载支撑能力高；

2、本发明步行机器人单腿结构，步行模式和操作模式之间无干涉，切换迅速平顺，并且对于操作端的执行器可以根据目标任务的不同进行更换，应用面广；