[發明專利]一種電驅動小型仿生四足機器人

有效

• 申請號: 201510273138.3
• 申請日: 2015-05-26
• 公開（公告）號: CN104875813B
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發明（設計）人: 賈文川;王興興;蒲華燕;李龍
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: B62D57/032
• 分類號: B62D57/032
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙)31205
• 代理人: 陸聰明

1.一種電驅動小型仿生四足機器人，包括機械系統（Ⅰ）、動力與運動控制系統（Ⅱ）；其特征在于：所述機械系統（Ⅰ）包括Body模塊（Ⅰ-0）和4個Leg模塊（Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4）；所述動力與運動控制系統（Ⅱ）包括運動控制模塊（Ⅱ-1）、第一電機驅動與控制模塊（Ⅱ-2）、第二電機驅動與控制模塊（Ⅱ-3）、第一電機（Ⅱ-4-1）、第二電機（Ⅱ-4-2）、第三電機（Ⅱ-4-3）、第四電機（Ⅱ-4-4）、第五電機（Ⅱ-4-5）、第六電機（Ⅱ-4-6）、第七電機（Ⅱ-4-7）、第八電機（Ⅱ-4-8）、第九電機（Ⅱ-4-9）、第十電機（Ⅱ-4-10）、第十一電機（Ⅱ-4-11）、第十二電機（Ⅱ-4-12）；其中第一第二兩個電機驅動與控制模塊（Ⅱ-2、Ⅱ-3）內共包含12塊電機控制板，第一電機驅動與控制模塊（Ⅱ-2）包括6塊結構相同的電機控制板（Ⅱ-2-1、Ⅱ-2-2、Ⅱ-2-3、Ⅱ-2-4、Ⅱ-2-5、Ⅱ-2-6），第二電機驅動與控制模塊（Ⅱ-3）也包括6塊結構相同的電機控制板（Ⅱ-2-7、Ⅱ-2-8、Ⅱ-2-9、Ⅱ-2-10、Ⅱ-2-11、Ⅱ-2-12）；所述12塊電機控制板與12個電機一一對應，構成12個關節驅動單元，各電機控制板接收運動控制模塊（Ⅱ-1）的命令實現對各自電機的運動控制；所述12個電機（Ⅱ-4-1、Ⅱ-4-2、Ⅱ-4-3、Ⅱ-4-4、Ⅱ-4-5、Ⅱ-4-6、Ⅱ-4-7、Ⅱ-4-8、Ⅱ-4-9、Ⅱ-4-10、Ⅱ-4-11、Ⅱ-4-12）都是交流永磁同步電機；所述交流永磁同步電機為盤式外轉子力矩電機或帶低減速比行星減速器的內轉子盤式力矩電機；所述每個交流永磁同步電機帶有磁旋轉編碼器和溫度傳感器；所述磁旋轉編碼器采用絕對式無接觸磁旋轉編碼器；所述Body模塊（Ⅰ-0）作為四足機器人的身體；第一Leg模塊（Ⅰ-1）、第二Leg模塊（Ⅰ-2）、第三Leg模塊（Ⅰ-3）、第四Leg模塊（Ⅰ-4）分別對稱安裝在Body模塊（Ⅰ-0）上；所述動力與運動控制系統（Ⅱ）也固定安裝在Body模塊（Ⅰ-0）上；所述各Leg模塊（Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4）具有3個自由度，即3個運動關節，這三個運動關節分別記為J₁、J₂、J₃；各條腿J₁關節的驅動電機（Ⅱ-4-1、Ⅱ-4-4、Ⅱ-4-7、Ⅱ-4-10）共軸線安裝在機器人機身Body模塊（Ⅰ-0）內；J₁與J₂是兩個相互正交的髖關節，J₃為膝關節；經過足端點并與J₃軸線平行的軸線記為A₃；其中J₁軸線與J₂軸線正交，J₂軸線與J₃軸線相平行；所述各個Leg模塊（Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4）的大腿長記為L₁，小腿長記為L₂，左右兩腿間距記為L₀，前后兩腿間距記為L₃；所述L₁與L₂基本等長；所述四足機器人(L₁+L₂)/L₀＞2，這模仿了4足哺乳動物的腿長與腿間距的比值，四足哺乳動物一般都具有狹窄的身體，這有助于四足機器人實現較好的運動性能，并且能較容易的通過狹小地形；當為使四足機器人具有較好的穩定性及具有較大的載貨空間時，取(L₁+L₂)/L₃＜1，此時機器人的身體相比身高較長；當為使四足機器人具有較好的運動性能時，取(L₁+L₂)/L₃＞1，此時機器人的身體較短，機器人整體的轉動慣量較小；所述每個Leg模塊理想的足端點是在J₁軸線在A₃軸線的垂直投影點上，但實際由于機械結構的限制，足端點會有在沿A₃軸線上向身體外側的稍許偏移；所述4個Leg模塊（Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4）機械原理完全相同；其中第四Leg模塊中的J₁關節由第七電機（Ⅱ-4-7）通過第七主電機搖臂（4-17）拉動第四從搖臂（4-18）驅動；所述第七電機（Ⅱ-4-7）的定子固定在機器人機身上；所述第七主電機搖臂（4-17）固定在第七電機（Ⅱ-4-7）的轉子上；所述第七主電機搖臂（4-17）通過第四拉桿（4-16）拉動第四從搖臂（4-18）；所述第四從搖臂（4-18）的轉軸鉸接在機器人機身上；所述第四從搖臂（4-18）通過第四聯軸器（4-15）驅動第四腿固定架（4-14）；所述第四腿固定架（4-14）兩端的轉軸鉸接在機器人機身上；所述第八電機（Ⅱ-4-8）的定子固定在第四腿固定架（4-14）上；第一大腿板（4-20）固定在第八電機（Ⅱ-4-8）的轉子上；所述J₂關節由第八電機（Ⅱ-4-8）直接驅動；第二大腿板（4-6）通過第一支撐板（4-9）固定在第一大腿板（4-20）上；上述J₃關節由第九電機（Ⅱ-4-9）通過第9主電機搖臂（4-13）拉動小腿（4-4）來驅動；所述第9主電機搖臂（4-13）固定在第九電機（Ⅱ-4-9）的轉子上；所述第九電機（Ⅱ-4-9）的定子固定在第三大腿板（4-10）上；所述第三大腿板（4-10）通過第二支撐板（4-8）和第三支撐板（4-12）固定在第一大腿板（4-20）上；所述第9主電機搖臂（4-13）通過第九拉桿（4-19）拉動小腿（4-4）上的搖臂；所述小腿（4-4）通過轉軸（4-5）鉸接在第一大腿板（4-20）和第二大腿板（4-6）上；所述第八電機（Ⅱ-4-8）、第九電機（Ⅱ-4-9）、J₂軸線三者共軸線安裝，這樣整個Leg模塊的質量將主要集中在J₂軸線附近，這使得整個Leg模塊具有較小的轉動慣量，故在相同的關節驅動力矩下，Leg模塊具有了較好的動態響應能力；所述第一大腿板（4-20）與小腿（4-4）之間安裝有第四彈簧儲能器（4-7）；所述第四彈簧儲能器（4-7）的一端通過固定在第一大腿板（4-20）上的第四儲能器固定架（4-11）鉸接在第一大腿板（4-20）上；所述第四彈簧儲能器（4-7）的另一端鉸接在小腿（4-4）上；所述第四彈簧儲能器（4-7）在彎曲J₃關節時長度縮短而儲存能量，伸展J₃關節時釋放能量；動力與運動控制系統還包括4個應變式力傳感器，用于采集4個Leg模塊的足端接觸力信號，其中，第四足（4-2）通過第四應變式力傳感器（4）固定在小腿板（4-3）上；所述小腿板（4-3）固定在小腿（4-4）上；所述第四足（4-2）上覆蓋有由耐磨橡膠構成的足墊（4-1）。