專利名稱：偏心輪腿六足機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于移動機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及多足機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，特別是六足移動 機(jī)器人。
背景技術(shù)：
多足機(jī)器人是移動機(jī)器人領(lǐng)域的重要分支，其中的六足機(jī)器人仿生六足綱昆蟲的 行走機(jī)構(gòu)與步態(tài)，以其強(qiáng)大的地形適應(yīng)性、冗余結(jié)構(gòu)與日趨成熟的步態(tài)規(guī)劃方法，已經(jīng)成為 移動機(jī)器人領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對象。美、日、德等發(fā)達(dá)國家從上個世紀(jì)八十年代就開始大規(guī)模 投入六足機(jī)器人的研發(fā)。截至目前，六足機(jī)器人已經(jīng)被成功應(yīng)用于星球探測、地雷排爆、海 底探測、消防營救等多個領(lǐng)域。隨著材料科學(xué)、控制理論與嵌入式技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，六足 機(jī)器人的研究與應(yīng)用還有很廣闊的前景?，F(xiàn)有六足機(jī)器人從驅(qū)動結(jié)構(gòu)上可分為單一驅(qū)動和獨(dú)立驅(qū)動。采用單一驅(qū)動方式的 機(jī)器人所有動力僅來自一部電機(jī)，通過復(fù)雜的傳動結(jié)構(gòu)同時驅(qū)動六只腿的動作。這種方式 的優(yōu)勢是機(jī)身輕便，控制電路簡單，成本低；缺點(diǎn)是機(jī)構(gòu)復(fù)雜，步調(diào)單一，可控性差，大大削 弱了六足機(jī)器人地形適應(yīng)性強(qiáng)大的這一優(yōu)勢。采用獨(dú)立驅(qū)動方式的機(jī)器人每只腿由至少一 部電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動，由控制器控制各腿協(xié)調(diào)一致完成步態(tài)動作。這種方式的優(yōu)勢是可控性高， 柔性好，保證了機(jī)器人的地形適應(yīng)性和冗余性；缺點(diǎn)是成本高，控制電路復(fù)雜，機(jī)身笨重。不 過隨著新型材料的出現(xiàn)，小體積、大功率的電機(jī)和高密度大容量的電池正在出現(xiàn)，機(jī)身結(jié)構(gòu) 也可采用質(zhì)量更輕的合金、樹脂等材料，機(jī)身笨重這一缺點(diǎn)正在得到改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種機(jī)構(gòu)簡潔、地表適應(yīng)性好、越障能力強(qiáng)的六足移動機(jī) 器人。本發(fā)明提出的偏心輪腿六足機(jī)器人由手持遙控器與機(jī)器人本體構(gòu)成；所述機(jī)器人 本體包括機(jī)身框架、行走腿、電機(jī)、電源、光電編碼器和控制電路。所述電機(jī)、電源和控制電路固定安裝在機(jī)身框架中。采用偏心輪結(jié)構(gòu)形式，安裝在 電機(jī)的輸出軸上，并對稱位于機(jī)身框架的左右兩側(cè)，形成三組，一個電機(jī)對應(yīng)一個偏心輪， 采用獨(dú)立驅(qū)動方式。所述位于機(jī)身框架同一側(cè)偏心輪，相鄰的偏心輪之間位置左右錯開布置，這樣可 以避免相互干涉，減小機(jī)器人的體積。所述偏心輪的輪寬在10mm-15mm范圍，可以增加與柔 性地表的接觸面，提高地表適應(yīng)性。所述機(jī)身框架整體呈扁平狹長型，使其更加穩(wěn)定。所述電源通過電源線與電機(jī)連接，控制電路通過控制線與電機(jī)連接。光電編碼器 對應(yīng)每一個偏心輪各設(shè)置一個，其信號輸出線連接控制電路?？刂齐娐放c手持遙控器通過 紅外信號進(jìn)行通訊。所述控制電路由MCU及周邊電路、驅(qū)動電路、紅外通訊接收電路組成。所述光電編 碼器共6套，結(jié)構(gòu)均一樣，都由碼盤、紅外收發(fā)對管和放大轉(zhuǎn)換電路組成。
所述遙控器由該偏心輪腿六足機(jī)器人的操作人員手持，上面有各功能鍵與前后左 右方向鍵，并通過紅外信號與機(jī)器人本身通訊。本發(fā)明具有以下特點(diǎn)
1、采用偏心輪式的行走腿結(jié)構(gòu)，可以緩沖傳統(tǒng)腿結(jié)構(gòu)由空載直接跳變到最大負(fù)載帶來 的功耗振蕩，同時也可以保證機(jī)器人前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)向功能完整性。2、機(jī)身主體結(jié)構(gòu)呈扁平狹長型，機(jī)身結(jié)構(gòu)對稱，發(fā)生側(cè)翻也能行走，穩(wěn)定性好。3、偏心輪位于同一側(cè)的采用左右錯開分布，保證了各腿之間不會發(fā)生碰撞，機(jī)器 人行走采用仿生三角步態(tài)；機(jī)器人機(jī)身框架采用對稱結(jié)構(gòu)并呈扁平狹長體型，
4、機(jī)器人采用獨(dú)立驅(qū)動方式，可動態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)器人的步距和速度。5、采用較寬的偏心輪腿，增大觸地面積以適應(yīng)柔軟性地表和碎石類地表，不僅適 合平整硬質(zhì)地表，草地、沙灘、碎石等地表都能行走。6、通過呈扁平狹長的身體框架設(shè)計(jì)來增大同側(cè)相鄰偏心輪腿軸心之間的距離，以 便安裝更大尺寸的偏心輪腿，從而提高行走速度和越障能力。7、模塊化設(shè)計(jì)，機(jī)械結(jié)構(gòu)和各電路模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)，采用標(biāo)準(zhǔn)接口，方便擴(kuò)展與替換。8、機(jī)器人的每個腿采用獨(dú)立驅(qū)動方式，可控性好，可運(yùn)行時動態(tài)調(diào)整機(jī)器人的步 距與速度。9、電機(jī)輸出軸與腿直接相連，簡化了傳動機(jī)構(gòu)，提高了可靠性。


圖1是偏心輪腿六足機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)圖； 圖2是機(jī)器人機(jī)身底板結(jié)構(gòu)圖3是機(jī)器人腿結(jié)構(gòu)爆炸視圖； 圖4是機(jī)器人電路框圖； 圖5是機(jī)器人控制流程圖。
具體實(shí)施例方式參見圖1、圖2和圖3，本發(fā)明提出的偏心輪腿六足機(jī)器人，包括機(jī)身框架、偏心輪 15、電機(jī)9、電源19、光電編碼器21、控制電路和遙控器觀。偏心輪15為行走腿，安裝于機(jī) 身框架兩側(cè)；電機(jī)、電源19、控制電路均安裝于機(jī)身框架內(nèi)部；遙控器觀與機(jī)器人本體分離 且由機(jī)器人操作者手持。其中所述機(jī)身框架最優(yōu)的結(jié)構(gòu)如下其由頂板2、底板1和6個連接板10組成， 整體呈扁平狹長型，這樣既減輕重量，又具有很好的穩(wěn)定性。頂板2和底板1的結(jié)構(gòu)一樣， 均為長方形，兩邊均勻分布著6個凹槽11，分別對應(yīng)6只偏心輪15的安裝位置。其中位于 中間的兩個凹槽11向外凸出，該凸出部分12寬于偏心輪15的寬度，以使同一側(cè)前后相鄰 的另兩個偏心輪15之間位置左右錯開，不發(fā)生碰撞。各凹槽11內(nèi)壁上均有2個螺紋孔13 以便連接連接板10。6個連接板10通過嵌入凹槽11將頂板2和底板1連接固定起來，使 機(jī)身框架程長方體狀。各連接板10中心均有1個大孔，大孔附近有2個小螺紋孔，這3個 孔用于固定電機(jī)9和光電編碼器21。
所述偏心輪3共有6個，結(jié)構(gòu)均一樣，均勻分布在機(jī)身框架兩側(cè)，與6個凹槽11的 位置對應(yīng)。偏心輪15的軸心位于圓周內(nèi)側(cè)附近，軸心上有一通孔以便與電機(jī)9軸相連。偏 心輪15有10mm-15mm的寬度以適應(yīng)柔軟性地面。偏心輪15圓內(nèi)挖空以減輕重量。所述電機(jī)9共有6個，帶有減速箱，結(jié)構(gòu)均一樣，均勻分布在機(jī)身框架6個連接板 10內(nèi)側(cè)。電機(jī)9的軸穿過對應(yīng)連接板10中心的大孔并穿進(jìn)對應(yīng)偏心輪15的軸心上的孔， 與偏心輪15相連。電機(jī)9通過連接板10中心處的兩2個小螺紋孔固定在機(jī)身框架上。電 機(jī)9與頂板2、底板1之間的間隙用泡沫填充，以將電機(jī)9固定并緩沖振動。參見圖3，所述光電編碼器21共6套，結(jié)構(gòu)均一樣，都由碼盤17、紅外收發(fā)對管16 和放大轉(zhuǎn)換電路26組成。6只碼盤17分別固定在6只偏心輪15內(nèi)側(cè)上，隨偏心輪15轉(zhuǎn) 動。每只碼盤17中心都有一孔，與偏心輪15上的孔同心同大小，電機(jī)軸14也會穿過這個 孔。6只紅外收發(fā)對管16分別固定在6個連接板10的外側(cè)上，與各自的碼盤17位置相對。 紅外收發(fā)對管16的信號線連接放大轉(zhuǎn)換電路沈，放大轉(zhuǎn)換電路沈?qū)⒔邮盏降募t外信號轉(zhuǎn) 換成標(biāo)準(zhǔn)TTL電信號輸出。參見圖4，所述控制電路由MCU及周邊電路18、驅(qū)動電路20、紅外通訊接收電路 22組成。所述電源19由電源適配器23、電線和穩(wěn)壓電路M組成。電源適配器23將220V 交流轉(zhuǎn)換為12V直流輸出。穩(wěn)壓電路對一部分輸出12V直流供驅(qū)動電機(jī)9，一部分輸出5V 供控制電路使用。所述遙控器觀由該偏心輪腿六足機(jī)器人的操作人員手持，上面有各功能鍵與前 后左右方向鍵，并通過紅外信號與機(jī)器人本身通訊。所述MCU及周邊電路18與光電編碼器21的放大轉(zhuǎn)換電路沈連接，對光電編碼器 21的信號進(jìn)行識別與計(jì)數(shù)，以檢測各偏心輪15所處狀態(tài)；MCU及周邊電路18又與紅外通訊 接收電路22連接，紅外通訊接收電路22與手持遙控器觀進(jìn)行通信，將接收到的信號經(jīng)進(jìn) 行濾波、調(diào)制、解碼后送入到MCU及周邊電路18，所述MCU及周邊電路18連接驅(qū)動電路20， MCU及周邊電路18對紅外通訊接收電路22輸入的信號進(jìn)行指令識別，并執(zhí)行與該指令對應(yīng) 的控制程序，將各路控制信號輸出給驅(qū)動電路20，由驅(qū)動電路20去控制電機(jī)9工作。本發(fā)明所述偏心輪腿六足機(jī)器人共有6種動作方式復(fù)位、前進(jìn)、后退、原地左轉(zhuǎn) 向、原地右轉(zhuǎn)向和停止。機(jī)器人的6個個偏心輪15將分成兩組，左側(cè)的前足3、后足5與右 邊的中足7分成一組，右邊的前足8、后足6與左邊的中足4分成一組。行走過程中的任意 時刻都有一組著地并支撐機(jī)器人本體，另一組則向前跨出。機(jī)器人每行走一步所有腿都會轉(zhuǎn)過一周。將這個周期分成兩個階段進(jìn)行控制腿 離開地面在空中旋轉(zhuǎn)階段稱為空轉(zhuǎn)階段，此階段中腿繞其軸心的轉(zhuǎn)速為Qci，即電機(jī)9空轉(zhuǎn) 速度。腿接觸地面驅(qū)動機(jī)器人行走階段稱為驅(qū)動階段，此階段中腿繞其軸心的轉(zhuǎn)速為ω， ω與ω ^滿足關(guān)系
權(quán)利要求
1.偏心輪腿六足機(jī)器人，其由手持遙控器08)與機(jī)器人本體構(gòu)成；其特征在于所述 機(jī)器人本體包括機(jī)身框架、行走腿、電機(jī)(9)、電源(19)、光電編碼器和控制電路；所述電機(jī)(9)、電源(19)和控制電路固定安裝在機(jī)身框架中；所述行走腿有六個，采用 偏心輪(3)結(jié)構(gòu)形式，安裝在電機(jī)(9)的輸出軸上，并對稱位于機(jī)身框架的左右兩側(cè)，形成 三組，一個電機(jī)(9)對應(yīng)一個偏心輪(15)，采用獨(dú)立驅(qū)動方式；所述電源(19)通過電源線與電機(jī)(9)連接，控制電路通過控制線與電機(jī)(9)連接；所述光電編碼器對應(yīng)每一個偏心輪(15)各設(shè)置一個，其信號輸出線連接控制電路；所述控制電路與手持遙控器08)通過紅外信號進(jìn)行通訊；所述六個偏心輪(15)分成兩組，左側(cè)的前、后偏心輪與右側(cè)的中間的一個偏心輪分成 一組，右側(cè)的前、后偏心輪與右側(cè)的中間的一個偏心輪分成一組，通過控制電路控制行走過 程中的任意時刻都有一組偏心輪(15)著地并支撐機(jī)器人本體，另一組偏心輪(15)則向前 跨出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏心輪腿六足機(jī)器人，其特征在于所述位于機(jī)身框架同一 側(cè)偏心輪(15)，相鄰的偏心輪(15)之間位置左右錯開布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏心輪腿六足機(jī)器人，其特征在于所述偏心輪(15)的輪寬 在 10mm-15mmo
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏心輪腿六足機(jī)器人，其特征在于所述機(jī)身框架整體呈扁 平狹長型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1一4之任一項(xiàng)所述的偏心輪腿六足機(jī)器人，其特征在于所述光電編 碼器由碼盤(17)、紅外收發(fā)對管(16)和放大轉(zhuǎn)換電路06)組成；所述碼盤(17)分 別固定在偏心輪(1 的內(nèi)側(cè)，隨偏心輪(3)轉(zhuǎn)動，紅外收發(fā)對管(16)分別固定在機(jī)身框架 上，與各自的碼盤(17)位置相對，紅外收發(fā)對管(16)的信號線連接放大轉(zhuǎn)換電路( )，放 大轉(zhuǎn)換電路06)將接收到的紅外信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)TTL電信號輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1一4之任一項(xiàng)所述的偏心輪腿六足機(jī)器人，其特征在于所述控制電 路包括MCU及周邊電路(18)、驅(qū)動電路00)、紅外通訊接收電路0 ；所述MCU及周邊電路 (18)與光電編碼器的放大轉(zhuǎn)換電路06)連接，對光電編碼器的信號進(jìn)行識別與 計(jì)數(shù)，以檢測各偏心輪(15)所處狀態(tài)；MCU及周邊電路(18)又與紅外通訊接收電路02)連 接，紅外通訊接收電路0 與手持遙控器08)進(jìn)行通信，將接收到的信號經(jīng)進(jìn)行濾波、調(diào) 制、解碼后送入到MCU及周邊電路(18)，所述MCU及周邊電路(18)連接驅(qū)動電路(20)，MCU 及周邊電路(18)對紅外通訊接收電路0 輸入的信號進(jìn)行指令識別，并執(zhí)行與該指令對 應(yīng)的控制程序，將各路控制信號輸出給驅(qū)動電路00)，由驅(qū)動電路(20)去控制電機(jī)(9)工 作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1一4之任一項(xiàng)所述的偏心輪腿六足機(jī)器人，其特征在于所述偏心輪 腿六足機(jī)器人共有六種動作方式復(fù)位、前進(jìn)、后退、原地左轉(zhuǎn)向、原地右轉(zhuǎn)向和停止；機(jī)器 人每行走一步所有腿都會轉(zhuǎn)過一周，將這個周期分成兩個階段進(jìn)行控制腿離開地面在空 中旋轉(zhuǎn)階段稱為空轉(zhuǎn)階段，此階段中腿繞其軸心的轉(zhuǎn)速為ω ^，即電機(jī)空轉(zhuǎn)速度；腿接觸地 面驅(qū)動機(jī)器人行走階段稱為驅(qū)動階段，此階段中腿繞其軸心的轉(zhuǎn)速為ω，ω與Coci滿足關(guān) 系轉(zhuǎn)過角度為θ，θ的范圍為[Ji /6，5 π /6]；驅(qū)動階段又分為一般狀態(tài)、觸地點(diǎn)狀態(tài)和離地點(diǎn)狀態(tài)，觸地點(diǎn)狀態(tài)為腿剛剛接觸地面 即將進(jìn)入驅(qū)動階段時的狀態(tài)，離地點(diǎn)狀態(tài)為腿即將離開地面進(jìn)入空轉(zhuǎn)階段時的狀態(tài)，兩組 偏心輪的兩個階段相互交替進(jìn)行，最終驅(qū)動機(jī)器人行走。
全文摘要
偏心輪腿六足機(jī)器人，采用偏心輪結(jié)構(gòu)作為腿的形式，機(jī)身結(jié)構(gòu)采用對稱設(shè)計(jì)并呈扁平狹長體型。該機(jī)器人包括機(jī)身框架、偏心輪、電機(jī)、電源、光電編碼器、控制電路、遙控器。機(jī)器人能克服傳統(tǒng)腿結(jié)構(gòu)的功耗劇烈振蕩，并保證了前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)向功能完整性。該機(jī)器人地表適應(yīng)性強(qiáng)，較寬的偏心輪腿不僅適合平整硬質(zhì)地表，草地、沙灘、碎石等地表都能行走；該機(jī)器人越障能力強(qiáng)，能輕松跨越略低于機(jī)身高度的障礙物。
文檔編號B62D57/02GK102107685SQ201110005710
公開日2011年6月29日 申請日期2011年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月12日
發(fā)明者何新強(qiáng), 王宇俊, 譚興軍 申請人:西南大學(xué)