[發明專利]一種雙足機器人平面約束與位姿測量裝置

無效

• 申請號: 200710178139.5
• 申請日: 2007-11-27
• 公開（公告）號: CN101221051A
• 公開（公告）日: 2008-07-16
• 發明（設計）人: 陳懇;黃元林;付成龍;王健美
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01D5/26
• 分類號: G01D5/26;G01D5/347
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司
• 代理人: 張慧

技術領域

本發明涉及一種雙足機器人的平面約束及位姿測量裝置，屬于機器人技術領域。

背景技術

平面雙足機器人抑制了機器人的側向運動，使研究對象限定在平面內，不需考慮機器人前向與側向運動的耦合問題，可使研究的穩定性理論、控制理論和步態規劃理論等更為簡單和突出，是雙足機器人領域常用的基礎研究平臺。平面約束的實現方法通常有以下幾種：一種是加裝冗余腿，將兩條外腿在小腿處固連，使它們的作用相當于一條腿，不僅可以與內腿相互配合，而且還解決了向兩側傾倒的問題，從而使機器人成為實質上的平面機器人，如日本大阪大學的Koh?Hosoda等研制的2D?biped；一種是將機器人軀干用裝置固定，使其在跑步機上原地跑動，如美國Iguana?Robotics公司研制的Runningman；另外一種是使機器人繞中心運動，通過較大比例的平衡桿長與腿長之比來使機器人實現近似的平面運動，如美國MIT腿實驗室Raibert研制的Planar?Biped等采取的形式。第一、二種方法一般通過在機器人的軀干上安裝陀螺儀等傳感器來測量其位姿信息，標定和安裝比較復雜，且第一種方法由于安裝了冗余腿，其額外質量改變了機器人本體的動力學特征，而且從外形上和人或動物的雙腿也有區別；現有的采用第三種方法的約束裝置雖起到了側向支撐的作用，但不具備或僅具備部分姿態測量功能。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有平面機器人采用的方法的上述缺陷，提供了一種實用的平面約束與位姿測量裝置，該裝置采用平衡桿抑制機器人的側向自由度，使其繞中心轉塔轉動而實現近似的平面運動，在中心轉塔的三個自由度上還分別安裝了光電碼盤對機器人軀干進行測量，能實時地、完整地獲得其位置和姿態信息。

為了實現上述目的，本發明采取了如下技術方案。包括有平衡桿1和轉塔。所述的轉塔為三自由度中心轉塔1，中心轉塔1包括有光電碼盤a2、光電碼盤b10、光電碼盤c8、支座7、U形連接板5和立柱6。其中，平衡桿1的一端與機器人髖關節連接，另一端穿過光電碼盤a2的中心軸并與之緊固；光電碼盤a2的圓周與同軸的左轉軸4和右轉軸12連接，左轉軸4和右轉軸12通過軸承分別與U形連接板5連接；右轉軸12與光電碼盤b10同軸安裝；U形連接板5的底部與立柱6固定連接，立柱6與光電碼盤c8同軸安裝；光電碼盤c8的安裝孔與支座7固定連接。

光電碼盤b10的軸線與光電碼盤a2和光電碼盤c8的軸形成的平面保持垂直，三條軸線在空間上交于一點。

所述的平衡桿1為采用碳纖維制成的碳纖維管。

在左轉軸4和右轉軸12的外端面分別設置有左端蓋3和右端蓋9。

所述的平衡桿1為中空桿。

所述的光電碼盤a的中心軸與平衡桿1的緊固處到機器人髖關節之間的長度為機器人腿長的5倍以上。

與現有機器人相比，本發明具有以下優點：

1)本發明裝置用第三種方式實現雙足機器人的平面約束。與MIT的PlanarBiped相比，本發明不僅實現了其所具備的側面支撐功能，而且實現了機器人的位姿測量功能。具體方法如下：通過實時采集三個自由度上光電碼盤的信息可以獲得三個方向上的角度值，通過微分處理，即能獲得相應方向上的角速度、角加速度；通過簡單的幾何計算，即能獲得軀干的位姿信息。假設機器人并腿站立時平衡桿處于水平，則運動時，軀干髖關節所處的高度(約等于中間桿長乘以光電碼盤b所測角度的正弦)、軀干前進的距離或步數(前進的弧長等于中間桿長乘以光電碼盤c所測角度，步數約為弧長除以步幅)、軀干的俯仰角(即為光電碼盤a所測角度)，因此本裝置可以為控制系統提供機器人軀干位姿方面完整的反饋信息。

2)本發明平衡桿采用碳纖維管，質量輕、強度高，可以減少約束裝置對機器人本體的動力學影響，平衡桿中空的特性還為走線預留了空間，這是前者均不具備的。

3)本發明特別適用于結構較小、傳感器安裝空間不足的平面機器人，它在實現近似平面約束的同時，還能實現在機器人本體外測量其位姿信息的功能，也適用于需要類似測量手段的其他場合。整個裝置結構緊湊，運動靈活，實用性好。

附圖說明

圖1是本發明裝置顯示各部分安裝和連接方式的正視圖；

圖2是本發明裝置顯示各部分安裝和連接方式的側視圖；

圖3是本發明裝置在機器人系統中所處形態的原理圖正視圖；

圖4是本發明裝置在機器人系統中所處形態的原理圖俯視圖；