[發明專利]一種平衡性能穩定的機器人及其控制方法

有效

• 申請號: 201610187944.3
• 申請日: 2016-03-29
• 公開（公告）號: CN105619392B
• 公開（公告）日: 2017-06-23
• 發明（設計）人: 劉子騫
• 申請（專利權）人: 劉子騫
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00;B25J9/18
• 代理公司: 北京金蓄專利代理有限公司11544
• 代理人: 孫巍

1.一種控制機器人在鐵板上行走的方法，其特征在于:其使用一種平衡性能穩定的機器人；該所述一種平衡性能穩定的機器人包括設置在鐵板上方的軀殼(7)、分別鉸接在軀殼(7)下端兩側的左腿驅動裝置(2)與右腿驅動裝置(5)、鉸接在左腿驅動裝置(2)下端的左腳驅動裝置(1)、鉸接在右腿驅動裝置(5)下端的右腳驅動裝置(4)以及電氣控制單元，左腿驅動裝置(2)與右腿驅動裝置(5)的結構相同，左腿驅動裝置(2)與右腿驅動裝置(5)相對于軀殼(7)中心線對稱設置，右腳驅動裝置(4)與左腳驅動裝置(1)的結構相同，右腳驅動裝置(4)與左腳驅動裝置(1)相對于軀殼(7)中心線對稱設置；左腳驅動裝置(1)包括設置在鐵板上方且與左腿驅動裝置(2)鉸接的左腳架(12)以及設置在左腳架(12)上的左腳電磁鐵(11)，左腳電磁鐵(11)與鐵板的上表面相對應；右腳驅動裝置(4)包括設置在鐵板上方且與右腿驅動裝置(5)鉸接的右腳架以及設置在右腳架上的右腳電磁鐵(58)，右腳電磁鐵(58)與鐵板的上表面相對應；左腿驅動裝置(2)包括至少兩個模仿人體腿部關節的控制電機以及設置在控制電機之間模仿人體的腿骨連機架；電氣控制單元包括設置在軀殼(7)內的電機控制器(37)與邏輯控制主板(41)、用于檢查左腳電磁鐵(11)與鐵板的上表面接觸的左檢測模塊以及用于檢查右腳電磁鐵(58)與鐵板的上表面接觸的右檢測模塊，左檢測模塊與右檢測模塊分別將各自采集的電信號傳遞給邏輯控制主板(41)，邏輯控制主板(41)通過電機控制器(37)控制相應的控制電機主軸轉動，邏輯控制主板(41)分別控制左腳電磁鐵(11)的線圈和/或右腳電磁鐵(58)的線圈通斷電；所述左檢測模塊包括設置在左腳電磁鐵(11)一側的左前趾尖接觸元件(9)與設置在左腳電磁鐵(11)另一側的左后腳跟接觸元件(10)或設置在左腳電磁鐵(11)一側的左前趾尖接觸元件(9)與用于檢查左腳電磁鐵(11)水平的左水平儀元件；所述右檢測模塊包括設置在右腳電磁鐵(58)一側的右前趾尖接觸元件(56)與設置在右腳電磁鐵(58)另一側的右后腳跟接觸元件(57)或設置在右腳電磁鐵(58)一側的設置在右前趾尖接觸元件(56)與用于檢查右腳電磁鐵(58)水平的右水平儀元件；所述一種平衡性能穩定的機器人還包括鉸接在軀殼(7)上端一側的左臂驅動裝置(3)、鉸接設置在軀殼(7)上端另一側的右臂驅動裝置(6)和/或鉸接設置在軀殼(7)上端的頭部驅動裝置(8)；

左腿驅動裝置(2)包括第一方案的左腿驅動裝置(2)或左腿驅動裝置(2)包括第二方案的左腿驅動裝置(2)：

所述第一方案的左腿驅動裝置(2)包括帶動左腳電磁鐵(11)前后擺動的左跖趾關節電機(13)、左腳連接架(14)、帶動左腳連接架(14)擺動的左腳踝關節電機(15)、左小腿連接架(16)、帶動左小腿連接架(16)前后擺動的左膝關節前后擺動電機(17)、左大腿連接架(18)、帶動左大腿連接架(18)前后擺動的左髖關節擺動電機(19)、髖骨上連接架(21)、左腿轉軸(22)、左腿聯軸器(23)以及固定設置在軀殼(7)左下端的左髖關節轉動電機(24)；左腳架(12)與左跖趾關節電機(13)的電機軸鉸接，左跖趾關節電機(13)的殼體與左腳連接架(14)固定連接，左腳連接架(14)與左腳踝關節電機(15)的殼體固定連接，左腳踝關節電機(15)的電機軸與左小腿連接架(16)鉸接，左小腿連接架(16)與左膝關節前后擺動電機(17)的殼體固定連接，左膝關節前后擺動電機(17)的電機軸與左大腿連接架(18)鉸接，左大腿連接架(18)與左髖關節擺動電機(19)的殼體固定連接，左髖關節擺動電機(19)的電機軸與髖骨上連接架(21)鉸接，髖骨上連接架(21)通過左腿轉軸(22)與左腿聯軸器(23)傳動連接，左腿聯軸器(23)與左髖關節轉動電機(24)連接；

所述第二方案的左腿驅動裝置(2)包括帶動左腳電磁鐵(11)前后擺動的左跖趾關節電機(13)、左腳連接架(14)、帶動左腳連接架(14)擺動的左腳踝關節電機(15)、左小腿連接架(16)、左膝蓋側擺連接架(43)、帶動左膝蓋側擺連接架(43)左右擺動的左膝關節左右擺動電機(44)、左膝關節轉動連接架(45)、左膝轉動關節電機(46)、帶動左膝蓋側擺連接架(43)前后擺動的左膝關節前后擺動電機(17)、左大腿連接架(18)、帶動左大腿連接架(18)前后擺動的左髖關節擺動電機(19)、髖骨上連接架(21)、左腿轉軸(22)、左腿聯軸器(23)以及固定設置在軀殼(7)左下端的左髖關節轉動電機(24)；左腳架(12)與左跖趾關節電機(13)的電機軸鉸接，左跖趾關節電機(13)的殼體與左腳連接架(14)固定連接，左腳連接架(14)與左腳踝關節電機(15)的殼體固定連接，左腳踝關節電機(15)的電機軸與左小腿連接架(16)鉸接，左小腿連接架(16)與左膝轉動關節電機(46)的殼體固定連接，左膝轉動關節電機(46)的電機軸與左膝關節轉動連接架(45)轉動連接，左膝關節轉動連接架(45)與左膝關節前后擺動電機(17)的殼體固定連接，左膝關節前后擺動電機(17)的電機軸與左大腿連接架(18)鉸接，左大腿連接架(18)與左膝關節左右擺動電機(44)殼體固定連接，左膝關節左右擺動電機(44)的電機軸與左膝蓋側擺連接架(43)鉸接，左膝蓋側擺連接架(43)與左髖關節擺動電機(19)的殼體固定連接，左髖關節擺動電機(19)的電機軸與髖骨上連接架(21)鉸接，髖骨上連接架(21)通過左腿轉軸(22)與左腿聯軸器(23)傳動連接，左腿聯軸器(23)與左髖關節轉動電機(24)連接；

左臂驅動裝置(3)包括左手指關節電機(25)、左手掌連接架(26)、左腕關節電機(27)、左小臂連接架(28)、左肘關節電機(29)、左大臂連接架(30)、左肩關節擺動電機(31)、左肩胛骨連接架(32)、左肩轉軸(33)、左臂聯軸器(34)以及固定設置在軀殼(7)上的左臂關節轉動電機(35)，

左手指關節電機(25)的電機軸與左手掌連接架(26)鉸接，左手掌連接架(26)與左腕關節電機(27)的殼體固定連接，左腕關節電機(27)的電機軸與左小臂連接架(28)鉸接，左小臂連接架(28)與左肘關節電機(29)的殼體固定連接，左肘關節電機(29)的電機軸與左大臂連接架(30)鉸接，左大臂連接架(30)與左肩關節擺動電機(31)的殼體固定連接，左肩關節擺動電機(31)的電機軸與左肩胛骨連接架(32)鉸接，左肩胛骨連接架(32)通過左肩轉軸(33)與左臂聯軸器(34)傳動連接，左臂聯軸器(34)與左臂關節轉動電機(35)連接；

右臂驅動裝置(6)與左臂驅動裝置(3)的結構相同，右臂驅動裝置(6)與左臂驅動裝置(3)相對于軀殼(7)中心線對稱設置；

所述電氣控制單元還包括設置在軀殼(7)上的人機交互界面(38)、無線通訊模塊(39)以及動力電源(40)；動力電源(40)用于提供電源，邏輯控制主板(41)將信號傳送到人機交互界面(38)，無線通訊模塊(39)將電信號傳遞給邏輯控制主板(41)，邏輯控制主板(41)通過電機控制器(37)控制左跖趾關節電機(13)、左腳踝關節電機(15)、左膝關節左右擺動電機(44)、左膝轉動關節電機(46)、左膝關節前后擺動電機(17)、左髖關節擺動電機(19)、左髖關節轉動電機(24)、左手指關節電機(25)、左腕關節電機(27)、左肘關節電機(29)、左肩關節擺動電機(31)、左臂關節轉動電機(35)、右臂驅動裝置(6)相應的控制電機和/或右腳驅動裝置(4)相應的控制電機的轉動；

所述電氣控制單元還包括傳感器控制模塊(42)，傳感器控制模塊(42)設置在左腳驅動裝置(1)、左腿驅動裝置(2)、左臂驅動裝置(3)、右腳驅動裝置(4)、右腿驅動裝置(5)、右臂驅動裝置(6)、軀殼(7)和/或頭部驅動裝置(8)上；

其包括預備階段以及在預備階段之后的第一行走階段；

預備階段包括如下步驟：

步驟a：執行機器人立正，左前趾尖接觸元件(9)、左后腳跟接觸元件(10)、右前趾尖接觸元件(56)以及右后腳跟接觸元件(57)分別與鐵板相接觸，邏輯控制主板(41)控制左腳電磁鐵(11)和/或右腳電磁鐵(58)通電后與鐵板相接觸；

步驟b：在執行完步驟a后，執行機器人起步；邏輯控制主板(41)控制左腳電磁鐵(11)斷電且右腳電磁鐵(58)通電，邏輯控制主板(41)通過電機控制器(37)分別控制左髖關節擺動電機(19)前擺、左腳踝關節電機(15)上擺以及左膝關節前后擺動電機(17)后擺，邏輯控制主板(41)通過電機控制器(37)分別控制左前趾尖接觸元件(9)、左后腳跟接觸元件(10)以及左腳電磁鐵(11)向上抬起離開鐵板；

第一行走階段包括如下步驟：

步驟c：在執行步驟b同時或在執行完步驟b后，執行機器人水平邁步；邏輯控制主板(41)通過電機控制器(37)分別控制左髖關節擺動電機(19)前擺，左膝關節前后擺動電機(17)復位伸直、左腳踝關節電機(15)擺動以及左跖趾關節電機(13)擺動，

同時，以右腳電磁鐵(58)的電磁吸力為支點，右腿驅動裝置(5)的右腳踝關節電機與右跖趾關節電機帶動軀殼(7)向前位移轉動，右腿驅動裝置(5)的右髖關節擺動電機做出與右腳踝關節電機、右跖趾關節電機軸轉動方向相反動作，保持軀殼(7)豎直狀態；

步驟d：在執行完步驟c后，執行機器人前腳水平觸地動作；邏輯控制主板(41)以單位脈沖通過電機控制器(37)控制左髖關節擺動電機(19)、左腳踝關節電機(15)、左跖趾關節電機(13)、右腿驅動裝置(5)的右髖關節擺動電機、右腳踝關節電機和/或右跖趾關節電機做出驅動左腳電磁鐵(11)與鐵板形成面接觸的調整動作，直到左前趾尖接觸元件(9)與左后腳跟接觸元件(10)與鐵板上表面相接觸，左前趾尖接觸元件(9)與左后腳跟接觸元件(10)反饋電信號給邏輯控制主板(41)，邏輯控制主板(41)通過電機控制器(37)控制所述調整動作停止，左腳電磁鐵(11)到達相對于鐵板上表面的預制高度；

步驟e：在執行完步驟d后，執行機器人電磁吸力倒換；左前趾尖接觸元件(9)與左后腳跟接觸元件(10)將電信號傳遞給邏輯控制主板(41)，邏輯控制主板(41)控制右腳電磁鐵(58)斷電且左腳電磁鐵(11)通電；

步驟f：在執行完步驟e后，執行機器人重心前移推送；邏輯控制主板(41)通過電機控制器(37)控制右腿驅動裝置(5)相應的控制電機，以右腳驅動裝置(4)為支點，向前做出重心推送動作，同步邏輯控制主板(41)通過電機控制器(37)控制左腿驅動裝置(2)和左腳驅動裝置(1)相應的控制電機，以左腳電磁鐵(11)的電磁吸力為支點，做出重心前拉動作，將重心推送到左腳驅動裝置(1)上方，左腳電磁鐵(11)與鐵板上表面吸合；

步驟g：在執行完步驟f后，執行機器人向前收后腳；以左腳驅動裝置(1)支點，邏輯控制主板(41)通過電機控制器(37)控制右腿驅動裝置(5)和/或右腳驅動裝置(4)相應的控制電機，帶動右腳驅動裝置(4)向前擺動或向前收腳；

在執行完步驟g后，第一行走階段執行完畢。