[發(fā)明專(zhuān)利]一種電驅(qū)動(dòng)小型仿生四足機(jī)器人

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510273138.3
• 申請(qǐng)日: 2015-05-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104875813B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-04-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 賈文川;王興興;蒲華燕;李龍
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B62D57/032
• 分類(lèi)號(hào): B62D57/032
• 代理公司: 上海上大專(zhuān)利事務(wù)所(普通合伙)31205
• 代理人: 陸聰明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種小型四足機(jī)器人。更明確地，本發(fā)明涉及一種能匍匐、行走、小跑、奔跑的電機(jī)驅(qū)動(dòng)小型哺乳類(lèi)仿生四足機(jī)器人。

背景技術(shù)

四足機(jī)器人因其優(yōu)越的地形適應(yīng)能力，近年來(lái)一直是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。其中最卓越的莫過(guò)于美國(guó)波士頓動(dòng)力公司（Boston Dynamics）的大狗系列機(jī)器人（BigDog）和美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的獵豹系列機(jī)器人（Cheetah）。

目前相對(duì)主流的四足機(jī)器人技術(shù)方案，動(dòng)力系統(tǒng)主要采用純液壓動(dòng)力系統(tǒng)（BigDog）、純電動(dòng)力系統(tǒng)（Cheetah ）或電液混合動(dòng)力系統(tǒng)（Spot）。BigDog主要用于復(fù)雜地形下的負(fù)載運(yùn)輸，Cheetah 用于追求高效快速奔跑，都屬于中型的仿生四足機(jī)器人。上述機(jī)器人結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，成本高，尤其是采用液壓動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)器人更是具有較大的工作噪聲；而對(duì)于典型小型四足機(jī)器人——索尼“愛(ài)寶” (Aibo)機(jī)器狗，由于其采用了非常傳統(tǒng)的小型電機(jī)加減速器的動(dòng)力結(jié)構(gòu)，使得其只能實(shí)現(xiàn)緩慢的靜態(tài)步態(tài)，運(yùn)動(dòng)及地形適應(yīng)能力較弱。

對(duì)于復(fù)雜狹小的地形（如地震災(zāi)區(qū)、叢林、房屋室內(nèi)等），小型并且運(yùn)動(dòng)靈活的四足機(jī)器人，就像貓、狗等小型哺乳類(lèi)四足動(dòng)物，更加適合于這種場(chǎng)合下的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)復(fù)雜狹小的地形，提供一種電驅(qū)動(dòng)小型仿生四足機(jī)器人。依據(jù)交流永磁同步電機(jī)（PMSM）直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)、精簡(jiǎn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和高度集成的小型化實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，使得本發(fā)明具有超低的運(yùn)動(dòng)噪聲、豐富的運(yùn)動(dòng)步態(tài)（匍匐、行走、小跑、奔跑）、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種電驅(qū)動(dòng)小型仿生四足機(jī)器人，包括機(jī)械系統(tǒng)、動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；其特征在于：所述機(jī)械系統(tǒng)包括Body模塊和4個(gè)Leg模塊；所述動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)Ⅱ包括運(yùn)動(dòng)控制模塊、第一電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制模塊、第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制模塊、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)、第四電機(jī)、第五電機(jī)、第六電機(jī)、第七電機(jī)、第八電機(jī)、第九電機(jī)、第十電機(jī)、第十一電機(jī)、第十二電機(jī)；所述Body模塊作為四足機(jī)器人的身體；所述第一Leg模塊、第二Leg模塊、第三Leg模塊、第四Leg模塊分別對(duì)稱(chēng)安裝在Body模塊上；所述動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)也固定安裝在Body模塊上；所述4個(gè)Leg模塊機(jī)械原理完全相同，實(shí)際安裝布置方式根據(jù)機(jī)器人對(duì)不同運(yùn)動(dòng)性能的優(yōu)化會(huì)有所不同。

所述四足機(jī)器人4個(gè)Leg模塊的實(shí)際的安裝布置方式，劃分為a、b、c、d這4種；①當(dāng)為使四足機(jī)器人具有較好的被控性能時(shí)，選用a這種布置方式，因?yàn)樵谒淖銠C(jī)器人典型的對(duì)角步態(tài)時(shí)，機(jī)器人的左前Leg模塊與右后Leg模塊和右前Leg模塊與左后Leg模塊的運(yùn)動(dòng)是關(guān)于機(jī)器人中心完全對(duì)稱(chēng)的，這將明顯削弱腿部運(yùn)動(dòng)慣性力；②當(dāng)為使機(jī)器人具有較多的載貨空間時(shí)，選用b這種布置方式，此時(shí)機(jī)器人4個(gè)Leg模塊都較遠(yuǎn)離機(jī)器人身體，這給貨物騰出了更多的空間；③當(dāng)為了提升機(jī)器人奔跑的速度、跳躍的高度時(shí)，選用c這種布置方式，由于兩連桿腿在動(dòng)力學(xué)上的特點(diǎn)，使得這種結(jié)構(gòu)形式有利于提升機(jī)器人在奔跑、跳躍等步態(tài)的性能；④當(dāng)機(jī)器人在復(fù)雜地形（如爬樓梯）運(yùn)動(dòng)時(shí)，選用d這種布置方式，此時(shí)腿各膝關(guān)節(jié)靠后，以盡量避免膝關(guān)節(jié)與其前方的障礙物相碰撞。

所述各Leg模塊，其具有3個(gè)自由度，即3個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié)分別記為、、；與是兩個(gè)相互正交的髖關(guān)節(jié)，為膝關(guān)節(jié)；經(jīng)過(guò)足端點(diǎn)并與軸線平行的軸線記為；其中軸線與軸線正交，軸線與軸線相平行；所述Leg模塊的大腿長(zhǎng)記為，小腿長(zhǎng)記為，左右兩腿間距記為，前后兩腿間距記為；所述與基本等長(zhǎng)；所述四足機(jī)器人，這模仿了4足哺乳動(dòng)物的腿長(zhǎng)與腿間距的比值，四足哺乳動(dòng)物一般都具有狹窄的身體，這有助于四足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)較好的運(yùn)動(dòng)性能，并且能較容易的通過(guò)狹小地形；當(dāng)為使四足機(jī)器人具有較好的穩(wěn)定性及具有較大的載貨空間時(shí)，取，此時(shí)機(jī)器人的身體相比身高較長(zhǎng)；當(dāng)為使四足機(jī)器人具有較好的運(yùn)動(dòng)性能時(shí)，取，此時(shí)機(jī)器人的身體較短，機(jī)器人整體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較??；所述每個(gè)Leg模塊理想的足端點(diǎn)是在軸線在軸線的垂直投影點(diǎn)上，但實(shí)際由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，足端點(diǎn)會(huì)有在沿軸線上向身體外側(cè)的稍許偏移。