[发明专利]具有综合移动功能的五足步行载体

说明书

本发明涉及一种具有综合移动功能的五足步行载体，属机器人技术领域。

在很多作业环境中，一些危险有害的工作需要可移动的机器人代替人类来完成，这类机器人通常采用的移动方式有轮式、履带式和腿式，其中轮式和履带式移动机构适宜于在较平坦、相对连续的地面上移动，腿式机构不仅适宜于地面步行，还能跨越障碍和壕沟，攀登台阶和桁架等非连续的空间地形，而且对环境造成的破坏较小，所以腿式移动方式在环境适应能力方面有显著的优越性，以这种腿式步行方式移动的载体有广泛的应用前景。

目前，国内外有关腿式移动载体主要是针对具体的、单一的作业环境而开发的，其中大部分仅适合地面行走，还有少数专门设计的机型可在连续墙壁上爬行。对于能够适应一定的综合非结构作业环境的移动载体，国内外的研究涉及甚少。复杂的结构环境大致可分为一般的地面地形和包括大坡度的斜面、墙壁、桁架、台阶等空间意义上的结构地形，其中桁架结构是一种人类经常面临的作业环境，在这种作业环境下的移动机构的研究在国内外几乎都是空白，更没有能实现攀登桁架功能的移动载体问世，特别是兼具一般地面移动又能攀登桁架，而且能够从地面移动状态自主过渡到桁架攀登状态的多功能足式移动载体及相关的研究更未有报道，但是具有这种移动能力是机器人在许多应用环境中进行自主作业所必需的。

对于腿式移动机构的静稳定步行而言，传统的步行机设计采用偶数条腿，而且对称分布，这是人们受自然界动物的行走方式的启发，直观仿生而设计出的。实际上动物的行走不仅依靠各腿的循环交替运动，而且很大程度上还依赖于躯体脊椎、颈椎等部位的自由度的配合协调运动，特别是在非常规行走、爬行或攀登运动时，表现得尤为显著。因此，在模仿动物行走机理进行步行机设计时，不能简单的从形式上进行仿生，应综合考虑各部分的运动功能的影响进行功能仿生。现在的步行机一般有偶数条腿，且相对车体对称分布，每条腿有三个自由度，车体为一刚性结构。这种步行机在静稳定行走或攀登时，因缺乏必要的车体协调自由度，使得在支撑图形或攀登握持状态不对称时得不到必要的运动协调，从而影响了其移动性能。

1995年9月12日，特开平7-237154号技术文件公开了一种用于移动和搬运的步行机器人，共有五条腿，每条腿上设置一个或多个关节，包括转动关节和移动关节，其中至少用三条腿实现稳定支撑，可用另外一到两条腿完成支撑车体以外的作业，机器人在运动过程中采取静稳定行走方式，使用腿根部的转弯关节实现转向，结合移动关节可以在斜坡、台阶等不平地面上保持车体的水平姿态。该步行机器人的静稳定性能优于其它的一、二、三、四腿步行机器人，在结构、重量、能耗和体积上优于六腿步行机器人，对于凹凸起伏，且不适于连续地面运动的工作环境具有较好的适应性。但该机器人关节较多，结构复杂，控制较难。

本发明的目的是基于功能仿生开发一种融合地面行走、桁架攀登及从地面行走状态到攀登状态的自主过渡等综合移动功能的五足步行载体，且结构简单合理，较易实现要求的功能。

本发明五足步行载体由车体、五条腿，五只足和控制系统四部分组成。车体由前体、左、右翼体、尾体组成，在前体和左、右翼体上各设置一条腿，在尾体上设置二条腿。每条腿的下部各设置一只足，控制系统设置在车体内。在前体和尾体上的腿各有三个关节，依次为转弯关节，髋关节和膝关节。在左、右翼体上的腿只有髋关节和膝关节两个关节。在尾体上的腿的下端设置被动足，可用作地面行走和支撑在横杆上，其横杆支撑功能由足后部的圆弧槽实现。在前体和左、右翼体上的腿下端设置有抓握功能的主动足，可用作地面行走，又可抓握横杆，其抓握功能由抓握机构实现，抓握机构由三个轴线相互平行的辊柱组成，其中一个辊注可以上、下移动，实现抓持或松开功能。活动辊柱由电机驱动一丝杆滑块机构实现上、下移动。

为实现较大足端可达空间，满足多种攀登姿态要求，膝关节的驱动电机设置在大腿内，抓握电机设置在足掌内。

说明附图如下：

图1是本发明步行载体的整机结构示意图。

图2是本发明步行载体的车体结构示意图。

图3是设置在前体上的腿结构示意图。

图4是设置在尾体上的腿结构示意图。

图5是设置在左、右翼体上的腿结构示意图。

图6是本发明步行载体的转弯关节结构示意图。

图7是本发明步行载体的髋关节结构示意图。

图8是本发明步行载体的膝关节结构示意图。

图9是本发明步行载体的主动足结构示意图。

图10是本发明步行载体的被动足结构示意图。

图11是控制系统结构框图。

图12是本发明在典型地面静稳定行走的示意图。