[发明专利]一种平衡性能稳定的机器人及其控制方法

摘要

本发明涉及一种平衡性能稳定的机器人及其控制方法，其包括设置在铁板上的躯壳、分别铰接在躯壳下端两侧的左腿驱动装置与右腿驱动装置、铰接在左腿驱动装置下端的左脚驱动装置、铰接在右腿驱动装置下端的右脚驱动装置以及电气控制单元，左腿驱动装置与右腿驱动装置的结构相同，左腿驱动装置与右腿驱动装置相对于躯壳中心线对称设置，右脚驱动装置与左脚驱动装置的结构相同，右脚驱动装置与左脚驱动装置相对于躯壳中心线对称设置；本发明结构紧凑，设计合理，可以实现负重工作，适合大规模推广。

主权项

一种控制机器人在铁板上行走的方法，其特征在于:其使用一种平衡性能稳定的机器人；该所述一种平衡性能稳定的机器人包括设置在铁板上方的躯壳(7)、分别铰接在躯壳(7)下端两侧的左腿驱动装置(2)与右腿驱动装置(5)、铰接在左腿驱动装置(2)下端的左脚驱动装置(1)、铰接在右腿驱动装置(5)下端的右脚驱动装置(4)以及电气控制单元，左腿驱动装置(2)与右腿驱动装置(5)的结构相同，左腿驱动装置(2)与右腿驱动装置(5)相对于躯壳(7)中心线对称设置，右脚驱动装置(4)与左脚驱动装置(1)的结构相同，右脚驱动装置(4)与左脚驱动装置(1)相对于躯壳(7)中心线对称设置；左脚驱动装置(1)包括设置在铁板上方且与左腿驱动装置(2)铰接的左脚架(12)以及设置在左脚架(12)上的左脚电磁铁(11)，左脚电磁铁(11)与铁板的上表面相对应；右脚驱动装置(4)包括设置在铁板上方且与右腿驱动装置(5)铰接的右脚架以及设置在右脚架上的右脚电磁铁(58)，右脚电磁铁(58)与铁板的上表面相对应；左腿驱动装置(2)包括至少两个模仿人体腿部关节的控制电机以及设置在控制电机之间模仿人体的腿骨连机架；电气控制单元包括设置在躯壳(7)内的电机控制器(37)与逻辑控制主板(41)、用于检查左脚电磁铁(11)与铁板的上表面接触的左检测模块以及用于检查右脚电磁铁(58)与铁板的上表面接触的右检测模块，左检测模块与右检测模块分别将各自采集的电信号传递给逻辑控制主板(41)，逻辑控制主板(41)通过电机控制器(37)控制相应的控制电机主轴转动，逻辑控制主板(41)分别控制左脚电磁铁(11)的线圈和/或右脚电磁铁(58)的线圈通断电；所述左检测模块包括设置在左脚电磁铁(11)一侧的左前趾尖接触元件(9)与设置在左脚电磁铁(11)另一侧的左后脚跟接触元件(10)或设置在左脚电磁铁(11)一侧的左前趾尖接触元件(9)与用于检查左脚电磁铁(11)水平的左水平仪元件；所述右检测模块包括设置在右脚电磁铁(58)一侧的右前趾尖接触元件(56)与设置在右脚电磁铁(58)另一侧的右后脚跟接触元件(57)或设置在右脚电磁铁(58)一侧的设置在右前趾尖接触元件(56)与用于检查右脚电磁铁(58)水平的右水平仪元件；所述一种平衡性能稳定的机器人还包括铰接在躯壳(7)上端一侧的左臂驱动装置(3)、铰接设置在躯壳(7)上端另一侧的右臂驱动装置(6)和/或铰接设置在躯壳(7)上端的头部驱动装置(8)；左腿驱动装置(2)包括第一方案的左腿驱动装置(2)或左腿驱动装置(2)包括第二方案的左腿驱动装置(2)：所述第一方案的左腿驱动装置(2)包括带动左脚电磁铁(11)前后摆动的左跖趾关节电机(13)、左脚连接架(14)、带动左脚连接架(14)摆动的左脚踝关节电机(15)、左小腿连接架(16)、带动左小腿连接架(16)前后摆动的左膝关节前后摆动电机(17)、左大腿连接架(18)、带动左大腿连接架(18)前后摆动的左髋关节摆动电机(19)、髋骨上连接架(21)、左腿转轴(22)、左腿联轴器(23)以及固定设置在躯壳(7)左下端的左髋关节转动电机(24)；左脚架(12)与左跖趾关节电机(13)的电机轴铰接，左跖趾关节电机(13)的壳体与左脚连接架(14)固定连接，左脚连接架(14)与左脚踝关节电机(15)的壳体固定连接，左脚踝关节电机(15)的电机轴与左小腿连接架(16)铰接，左小腿连接架(16)与左膝关节前后摆动电机(17)的壳体固定连接，左膝关节前后摆动电机(17)的电机轴与左大腿连接架(18)铰接，左大腿连接架(18)与左髋关节摆动电机(19)的壳体固定连接，左髋关节摆动电机(19)的电机轴与髋骨上连接架(21)铰接，髋骨上连接架(21)通过左腿转轴(22)与左腿联轴器(23)传动连接，左腿联轴器(23)与左髋关节转动电机(24)连接；所述第二方案的左腿驱动装置(2)包括带动左脚电磁铁(11)前后摆动的左跖趾关节电机(13)、左脚连接架(14)、带动左脚连接架(14)摆动的左脚踝关节电机(15)、左小腿连接架(16)、左膝盖侧摆连接架(43)、带动左膝盖侧摆连接架(43)左右摆动的左膝关节左右摆动电机(44)、左膝关节转动连接架(45)、左膝转动关节电机(46)、带动左膝盖侧摆连接架(43)前后摆动的左膝关节前后摆动电机(17)、左大腿连接架(18)、带动左大腿连接架(18)前后摆动的左髋关节摆动电机(19)、髋骨上连接架(21)、左腿转轴(22)、左腿联轴器(23)以及固定设置在躯壳(7)左下端的左髋关节转动电机(24)；左脚架(12)与左跖趾关节电机(13)的电机轴铰接，左跖趾关节电机(13)的壳体与左脚连接架(14)固定连接，左脚连接架(14)与左脚踝关节电机(15)的壳体固定连接，左脚踝关节电机(15)的电机轴与左小腿连接架(16)铰接，左小腿连接架(16)与左膝转动关节电机(46)的壳体固定连接，左膝转动关节电机(46)的电机轴与左膝关节转动连接架(45)转动连接，左膝关节转动连接架(45)与左膝关节前后摆动电机(17)的壳体固定连接，左膝关节前后摆动电机(17)的电机轴与左大腿连接架(18)铰接，左大腿连接架(18)与左膝关节左右摆动电机(44)壳体固定连接，左膝关节左右摆动电机(44)的电机轴与左膝盖侧摆连接架(43)铰接，左膝盖侧摆连接架(43)与左髋关节摆动电机(19)的壳体固定连接，左髋关节摆动电机(19)的电机轴与髋骨上连接架(21)铰接，髋骨上连接架(21)通过左腿转轴(22)与左腿联轴器(23)传动连接，左腿联轴器(23)与左髋关节转动电机(24)连接；左臂驱动装置(3)包括左手指关节电机(25)、左手掌连接架(26)、左腕关节电机(27)、左小臂连接架(28)、左肘关节电机(29)、左大臂连接架(30)、左肩关节摆动电机(31)、左肩胛骨连接架(32)、左肩转轴(33)、左臂联轴器(34)以及固定设置在躯壳(7)上的左臂关节转动电机(35)，左手指关节电机(25)的电机轴与左手掌连接架(26)铰接，左手掌连接架(26)与左腕关节电机(27)的壳体固定连接，左腕关节电机(27)的电机轴与左小臂连接架(28)铰接，左小臂连接架(28)与左肘关节电机(29)的壳体固定连接，左肘关节电机(29)的电机轴与左大臂连接架(30)铰接，左大臂连接架(30)与左肩关节摆动电机(31)的壳体固定连接，左肩关节摆动电机(31)的电机轴与左肩胛骨连接架(32)铰接，左肩胛骨连接架(32)通过左肩转轴(33)与左臂联轴器(34)传动连接，左臂联轴器(34)与左臂关节转动电机(35)连接；右臂驱动装置(6)与左臂驱动装置(3)的结构相同，右臂驱动装置(6)与左臂驱动装置(3)相对于躯壳(7)中心线对称设置；所述电气控制单元还包括设置在躯壳(7)上的人机交互界面(38)、无线通讯模块(39)以及动力电源(40)；动力电源(40)用于提供电源，逻辑控制主板(41)将信号传送到人机交互界面(38)，无线通讯模块(39)将电信号传递给逻辑控制主板(41)，逻辑控制主板(41)通过电机控制器(37)控制左跖趾关节电机(13)、左脚踝关节电机(15)、左膝关节左右摆动电机(44)、左膝转动关节电机(46)、左膝关节前后摆动电机(17)、左髋关节摆动电机(19)、左髋关节转动电机(24)、左手指关节电机(25)、左腕关节电机(27)、左肘关节电机(29)、左肩关节摆动电机(31)、左臂关节转动电机(35)、右臂驱动装置(6)相应的控制电机和/或右脚驱动装置(4)相应的控制电机的转动；所述电气控制单元还包括传感器控制模块(42)，传感器控制模块(42)设置在左脚驱动装置(1)、左腿驱动装置(2)、左臂驱动装置(3)、右脚驱动装置(4)、右腿驱动装置(5)、右臂驱动装置(6)、躯壳(7)和/或头部驱动装置(8)上；其包括预备阶段以及在预备阶段之后的第一行走阶段；预备阶段包括如下步骤：步骤a：执行机器人立正，左前趾尖接触元件(9)、左后脚跟接触元件(10)、右前趾尖接触元件(56)以及右后脚跟接触元件(57)分别与铁板相接触，逻辑控制主板(41)控制左脚电磁铁(11)和/或右脚电磁铁(58)通电后与铁板相接触；步骤b：在执行完步骤a后，执行机器人起步；逻辑控制主板(41)控制左脚电磁铁(11)断电且右脚电磁铁(58)通电，逻辑控制主板(41)通过电机控制器(37)分别控制左髋关节摆动电机(19)前摆、左脚踝关节电机(15)上摆以及左膝关节前后摆动电机(17)后摆，逻辑控制主板(41)通过电机控制器(37)分别控制左前趾尖接触元件(9)、左后脚跟接触元件(10)以及左脚电磁铁(11)向上抬起离开铁板；第一行走阶段包括如下步骤：步骤c：在执行步骤b同时或在执行完步骤b后，执行机器人水平迈步；逻辑控制主板(41)通过电机控制器(37)分别控制左髋关节摆动电机(19)前摆，左膝关节前后摆动电机(17)复位伸直、左脚踝关节电机(15)摆动以及左跖趾关节电机(13)摆动，同时，以右脚电磁铁(58)的电磁吸力为支点，右腿驱动装置(5)的右脚踝关节电机与右跖趾关节电机带动躯壳(7)向前位移转动，右腿驱动装置(5)的右髋关节摆动电机做出与右脚踝关节电机、右跖趾关节电机轴转动方向相反动作，保持躯壳(7)竖直状态；步骤d：在执行完步骤c后，执行机器人前脚水平触地动作；逻辑控制主板(41)以单位脉冲通过电机控制器(37)控制左髋关节摆动电机(19)、左脚踝关节电机(15)、左跖趾关节电机(13)、右腿驱动装置(5)的右髋关节摆动电机、右脚踝关节电机和/或右跖趾关节电机做出驱动左脚电磁铁(11)与铁板形成面接触的调整动作，直到左前趾尖接触元件(9)与左后脚跟接触元件(10)与铁板上表面相接触，左前趾尖接触元件(9)与左后脚跟接触元件(10)反馈电信号给逻辑控制主板(41)，逻辑控制主板(41)通过电机控制器(37)控制所述调整动作停止，左脚电磁铁(11)到达相对于铁板上表面的预制高度；步骤e：在执行完步骤d后，执行机器人电磁吸力倒换；左前趾尖接触元件(9)与左后脚跟接触元件(10)将电信号传递给逻辑控制主板(41)，逻辑控制主板(41)控制右脚电磁铁(58)断电且左脚电磁铁(11)通电；步骤f：在执行完步骤e后，执行机器人重心前移推送；逻辑控制主板(41)通过电机控制器(37)控制右腿驱动装置(5)相应的控制电机，以右脚驱动装置(4)为支点，向前做出重心推送动作，同步逻辑控制主板(41)通过电机控制器(37)控制左腿驱动装置(2)和左脚驱动装置(1)相应的控制电机，以左脚电磁铁(11)的电磁吸力为支点，做出重心前拉动作，将重心推送到左脚驱动装置(1)上方，左脚电磁铁(11)与铁板上表面吸合；步骤g：在执行完步骤f后，执行机器人向前收后脚；以左脚驱动装置(1)支点，逻辑控制主板(41)通过电机控制器(37)控制右腿驱动装置(5)和/或右脚驱动装置(4)相应的控制电机，带动右脚驱动装置(4)向前摆动或向前收脚；在执行完步骤g后，第一行走阶段执行完毕。