專(zhuān)利名稱(chēng)：一種穩(wěn)定步行機(jī)器人裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人領(lǐng)域，特別地涉及一種穩(wěn)定步行機(jī)器人裝置。
背景技術(shù)：
機(jī)器人能夠代替人完成許多工作，尤其是極端惡劣環(huán)境下的工作或者是枯燥乏味重復(fù)性的工作，因此成為近幾十年來(lái)研究的熱點(diǎn)。步行機(jī)器人，尤其是仿人步行機(jī)器人，行走時(shí)跟地面是在有限區(qū)域內(nèi)接觸的，因此比較適合某些特定場(chǎng)合下應(yīng)用。比如在田地里采摘水果，由于不需要連續(xù)滾動(dòng)，所以比滾動(dòng)機(jī)器人對(duì)農(nóng)作物的損壞小得多，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。目前常見(jiàn)的步行機(jī)器人一般具有多個(gè)關(guān)節(jié)，且每個(gè)關(guān)節(jié)是獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的。 比如中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利文獻(xiàn)CN101229826A公開(kāi)了一種10自由度的雙足機(jī)器人的下肢機(jī)構(gòu)，合理布置了電動(dòng)機(jī)的位置且優(yōu)化了腿部質(zhì)量，并有效降低了電動(dòng)機(jī)輸出軸的回轉(zhuǎn)間隙對(duì)機(jī)器人行走穩(wěn)定性的影響，但由于需要多個(gè)電動(dòng)機(jī)對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，變量之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題對(duì)機(jī)器人的控制系統(tǒng)提出了較高的要求，同時(shí)由于多個(gè)電動(dòng)機(jī)的存在，對(duì)機(jī)器人的安裝結(jié)構(gòu)，動(dòng)平衡等方面均具有諸多限制。另一方面為了不產(chǎn)生奇異位姿，許多機(jī)器人對(duì)初始狀態(tài)都具有某些要求，這些要求使得機(jī)器人在每次應(yīng)用前都要調(diào)節(jié)其初始狀態(tài)，應(yīng)用場(chǎng)合受到了較大限制。在機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用中，要求其具有較高的速度、精度與良好的穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的穩(wěn)定行走，目前也提出了許多解決方案。例如中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利文獻(xiàn)CN1883994A公開(kāi)了一種擬人雙足機(jī)器人人工腿，由于提高了腿離地的高度，所以增強(qiáng)了行走的穩(wěn)定性和高效性，但由于每條腿上都安裝了電動(dòng)機(jī)，仍然涉及到多變量協(xié)調(diào)與初始狀態(tài)等問(wèn)題，因此增加了機(jī)器人的復(fù)雜性，降低了其實(shí)用性。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種通過(guò)一個(gè)電動(dòng)機(jī)就可實(shí)現(xiàn)多腿運(yùn)動(dòng)、不需考慮協(xié)調(diào)與初始狀態(tài)問(wèn)題、具有較高運(yùn)動(dòng)速度與精度、具有良好穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊的步行機(jī)器人裝置的解決方案。本發(fā)明的技術(shù)方案為—種穩(wěn)定步行機(jī)器人裝置，包括支撐架、電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)軸、帶座軸承組、配重組、凸輪組、腿部件一、腿部件二、腿部件三和腿部件四。其中帶座軸承組包括帶座軸承一和帶座軸承二，凸輪組包括凸輪一、凸輪二、凸輪三和凸輪四。轉(zhuǎn)軸通過(guò)帶座軸承組安裝在支撐架上，凸輪組安裝在轉(zhuǎn)軸上。腿部件帶有滾子的一端和凸輪組保持接觸，帶有連接座的一端和支撐架在合理的位置進(jìn)行固定連接，腿部件的另一端連接在與穩(wěn)定步行機(jī)器人裝置相連接的裝置上。電動(dòng)機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)凸輪組轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)四個(gè)腿部件運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。優(yōu)選地，所述支撐架包括“ 口 ”字形框架、安裝架和螺桿。在“口”字形框架上端的兩側(cè)分別安裝一個(gè)“U”形的安裝架，在安裝架上固定螺桿用于安裝配重二和配重三?！翱凇弊中慰蚣茏笥覂啥说膬?nèi)側(cè)分別安裝帶座軸承一和帶座軸承二，“ 口”字形框架左右兩端的外側(cè)分別安裝電動(dòng)機(jī)和螺桿，此處的螺桿和配重一相連。優(yōu)先地，配重組和支撐架的連接方式為螺紋連接，為了使機(jī)器人具有最大穩(wěn)定域，通過(guò)選擇合適質(zhì)量的配重組使得機(jī)器人處于最大平衡狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定行走。優(yōu)選地，所述機(jī)器人裝置的凸輪一、凸輪二、凸輪三和凸輪四的結(jié)構(gòu)完全相同。凸輪一和凸輪四分別安裝在轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)且安裝角度相同，凸輪二和凸輪三分別安裝在轉(zhuǎn)軸的中間且安裝角度相同。凸輪一、凸輪四和凸輪二、凸輪三在轉(zhuǎn)軸上的安裝角度相差180度，這樣就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人裝置雙腿的交替運(yùn)動(dòng)。上述凸輪的形狀可以設(shè)置為自動(dòng)變化的也可以設(shè)置為固定的，其材料可以是剛性的也可以是彈性的，以便從多方面改變機(jī)器人的行走模式。優(yōu)選地，所述機(jī)器人裝置具有四個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的腿部件，每個(gè)腿部件均包括滾子、腿本體、連接銷(xiāo)、連接座和電磁鐵。腿本體通過(guò)連接銷(xiāo)和連接座連接。電磁鐵由兩部分組成，其中一部分安裝在腿本體上，另一部分安裝在連接座上，電磁鐵通電后可形成引力使得滾子和凸輪組一直保持接觸。另外，為了使得機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)便，電磁鐵也可由彈簧代替。 優(yōu)選地，所述機(jī)器人裝置可通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)機(jī)器人的速度。另外，改變凸輪一、凸輪二、凸輪三和凸輪四的形狀，或調(diào)節(jié)連接座和支撐架之間的連接位置，均可以改變機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。與現(xiàn)有采用的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是(I)通過(guò)一個(gè)電動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)所有腿部件的運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用方便。因?yàn)橛梢粋€(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)所有腿部件的運(yùn)動(dòng)，不涉及運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性問(wèn)題，所以控制方便；由于不用考慮運(yùn)動(dòng)的初始狀態(tài)，所以應(yīng)用方便。(2)可實(shí)現(xiàn)較高的行走速度。通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就可調(diào)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，因此機(jī)器人可以達(dá)到較高的運(yùn)動(dòng)速度。(3)具有良好的運(yùn)動(dòng)精度與穩(wěn)定性。由于凸輪組固定連接在轉(zhuǎn)軸上，且與腿部件的滾子始終保持零間隙接觸，因此運(yùn)動(dòng)精度高。運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)器人的重心始終在四個(gè)腿部件之間，所以行走過(guò)程比較穩(wěn)定。(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、可操作性強(qiáng)。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例的穩(wěn)定步行機(jī)器人裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的穩(wěn)定步行機(jī)器人裝置的支撐架及配重組結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的穩(wěn)定步行機(jī)器人裝置的電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)軸、帶座軸承組和凸輪組結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例的穩(wěn)定步行機(jī)器人裝置的腿部件結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)記說(shuō)明I-支撐架；1A- “ 口 ”字形框架；1B-安裝架；1C_螺桿；2_電動(dòng)機(jī)；3_轉(zhuǎn)軸；4_帶座軸承組；4A-帶座軸承一 ；4B-帶座軸承二 ；5_配重組；5A-配重一 ；5B_配重二 ；5C_配重三；6_凸輪組；6A-凸輪一 ；6B-凸輪二 ；6C-凸輪三；6D-凸輪四；7-滾子；8_連接座；9_電磁鐵；10_連接銷(xiāo)；11-腿本體；I-腿部件一 ；II-腿部件二 ； III-腿部件三；IV-腿部件四。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。相反，本發(fā)明涵蓋任何由權(quán)利要求定義的在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進(jìn)一步，為了使公眾對(duì)本發(fā)明有更好的了解，在下文對(duì)本發(fā)明的細(xì)節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)沒(méi)有這些細(xì)節(jié)部分的描述也可以完全理解本發(fā)明。參照?qǐng)D1，所示為本發(fā)明實(shí)施例的穩(wěn)定步行機(jī)器人裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。包括支撐架I、電動(dòng)機(jī)2、轉(zhuǎn)軸3、帶座軸承組4、配重組5、凸輪組6、腿部件一 I、腿部件二 II、腿部件三III和腿部件四IV。其中帶座軸承組4包括帶座軸承一 4A和帶座軸承二 4B，凸輪組6 包括凸輪一 6A、凸輪二 6B、凸輪三6C和凸輪四6D。轉(zhuǎn)軸3通過(guò)帶座軸承組4安裝在支撐架I上，凸輪組6安裝在轉(zhuǎn)軸3上。腿部件一 I、腿部件二 II、腿部件三III和腿部件四IV帶滾子7的一端分別和凸輪一 6A、凸輪二 6B、凸輪三6C和凸輪四6D保持接觸，帶連接座8的一端和支撐架I在合理的位置進(jìn)行固定連接，腿部件的另一端連接在與穩(wěn)定步行機(jī)器人裝置相連接的裝置上。電動(dòng)機(jī)2通過(guò)轉(zhuǎn)軸3帶動(dòng)凸輪一 6A、凸輪二 6B、凸輪三6C和凸輪四6D轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)腿部件一 I、腿部件二 II、腿部件三III和腿部件四IV運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)腿部件一 I和腿部件四IV與其它裝置配合支撐機(jī)器人時(shí)，腿部件二II和腿部件三III作為擺動(dòng)腿向前擺動(dòng)；當(dāng)腿部件二 II和腿部件三III與其它裝置配合支撐機(jī)器人時(shí)，腿部件一 I和腿部件四IV作為擺動(dòng)腿向前擺動(dòng)。兩組腿部件交替運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的連續(xù)行走。參照?qǐng)D2，所示為本發(fā)明實(shí)施例的穩(wěn)定步行機(jī)器人裝置的支撐架及配重組結(jié)構(gòu)示意圖。支撐架I包括“口”字形框架1A、安裝架IB和螺桿1C。在“口”字形框架IA上端的兩側(cè)分別安裝一個(gè)“U”形的安裝架1B，在安裝架IB上固定螺桿IC用于安裝配重二 5B和配重三5C?！?口”字形框架IA左右兩端的內(nèi)側(cè)分別安裝帶座軸承一 4A和帶座軸承二 4B，“口”字形框架IA左右兩端的外側(cè)分別安裝電動(dòng)機(jī)2和螺桿1C，此處的螺桿IC和配重一 5A相連。為方便更換不同的配重組，優(yōu)先考慮配重組5和支撐架I的連接方式為螺紋連接。為了使機(jī)器人具有最大穩(wěn)定域，選擇合適質(zhì)量的配重組5使得機(jī)器人處于最大平衡狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定行走。參照?qǐng)D3所示為本發(fā)明實(shí)施例的穩(wěn)定步行機(jī)器人裝置的電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)軸、帶座軸承組和凸輪組結(jié)構(gòu)示意圖。帶座軸承組4固定安裝在支撐架I上，對(duì)轉(zhuǎn)軸3和凸輪組6起固定作用。凸輪一 6A、凸輪二 6B、凸輪三6C和凸輪四6D的結(jié)構(gòu)完全相同，凸輪一 6A和凸輪四6D分別安裝在轉(zhuǎn)軸3的兩側(cè)且安裝角度相同，凸輪二 6B和凸輪三6C分別安裝在轉(zhuǎn)軸3的中間且安裝角度相同。凸輪一 6A、凸輪四6D和凸輪二 6B、凸輪三6C在轉(zhuǎn)軸3上的安裝角度相差180度，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人雙腿的交替運(yùn)動(dòng)。凸輪組6的形狀可以設(shè)置為自動(dòng)變化的也可以是固定的，其材料可以是剛性的也可以是彈性的，以便從多方面改變機(jī)器人的行走模式。所示機(jī)器人裝置中的電動(dòng)機(jī)2帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸3轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)軸3帶動(dòng)固定在其上面的凸輪組6轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)四個(gè)腿部件I，II，III，IV運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)
參照?qǐng)D4所示為本發(fā)明實(shí)施例的腿部件結(jié)構(gòu)示意圖。機(jī)器人裝置的腿部件一 I、腿部件二 II、腿部件三III和腿部件四IV的結(jié)構(gòu)完全相同，每個(gè)腿部件均包括滾子7、腿本體11、連接銷(xiāo)10、連接座8和電磁鐵9。腿本體11通過(guò)連接銷(xiāo)10和連接座8連接。電磁鐵9由兩部分組成，其中一部分安裝在腿本體11上，另一部分安裝在連接座8上，電磁鐵9通電后可形成引力使得滾子7和凸輪組6—直保持零間隙接觸。在其它的應(yīng)用實(shí)例中，為了使得機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)便，電磁鐵9也可由彈簧代替。該穩(wěn)定步行機(jī)器人裝置中的電動(dòng)機(jī)2帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸3上的凸輪組6轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪組6帶動(dòng)腿部件一 I、腿部件二 II、腿部件三III和腿部件四IV擺動(dòng)，從而使得機(jī)器人行走。其中腿部件一 I和腿部件四IV的運(yùn)動(dòng)完全一樣，腿部件二 II和腿部件三III的運(yùn)動(dòng)完全一樣，且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)器人的重心始終在四個(gè)腿部件之間，因此保證了機(jī)器人的穩(wěn)定性。該穩(wěn)定步行機(jī)器人裝置可通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)2的轉(zhuǎn)速改變凸輪組6的轉(zhuǎn)速，從而驅(qū)動(dòng)腿部件一 I、腿部件二 II、腿部件三III和腿部件四IV以不同的速度向前行走。另外，由于改變凸輪一 6A、凸輪二 6B、凸輪三6C和凸輪四6D的形狀，或者改變連接座8和支撐架I·之間的連接位置均可以改變支撐架I和腿部件一 I、腿部件二 II、腿部件三III和腿部件四IV間的相對(duì)位置，因此通過(guò)上述兩種方法均可以改變機(jī)器人的行走軌跡。特別地，在其它應(yīng)用實(shí)例中，把凸輪一 6A、凸輪二 6B、凸輪三6C和凸輪四6D的形狀設(shè)為可自動(dòng)變化的，這樣就可以通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)改變上述凸輪的形狀改變機(jī)器人的行走模式。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種穩(wěn)定步行機(jī)器人裝置，其特征在于，包括支撐架(I)、電動(dòng)機(jī)(2)、轉(zhuǎn)軸(3)、帶座軸承組(4)、配重組(5)、凸輪組(6)和四個(gè)腿部件(I，II，III，IV);其中帶座軸承組⑷包括帶座軸承一(4A)和帶座軸承二(4B)，凸輪組(6)包括凸輪一(6A)、凸輪二(6B)、凸輪三(6C)和凸輪四(6D);轉(zhuǎn)軸(3)通過(guò)帶座軸承組⑷安裝在支撐架⑴上，凸輪組(6)安裝在轉(zhuǎn)軸(3)上；腿部件(I，II，III，IV)帶有滾子(7)的一端分別和凸輪組(6)保持接觸，帶有連接座(8)的一端和支撐架(I)固定連接；電動(dòng)機(jī)(2)通過(guò)轉(zhuǎn)軸(3)帶動(dòng)凸輪組(6)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)四個(gè)腿部件(I，II，III，IV)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種穩(wěn)定步行機(jī)器人裝置，其特征在于，所述支撐架(I)包括“口”字形框架(1A)、安裝架(IB)和螺桿(IC);在“口”字形框架(IA)上端的兩側(cè)分別安裝一個(gè)“U”形的安裝架(IB)，在安裝架(IB)上固定螺桿(IC)用于安裝配重二(5B)和配重三(5C) 口”字形框架(IA)左右兩端的內(nèi)側(cè)分別安裝帶座軸承一(4A)和帶座軸承二(4B)，“口”字形框架(IA)左右兩端的外側(cè)分別安裝電動(dòng)機(jī)(2)和螺桿(1C)，此處的螺桿(IC)和配重一(5A)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種穩(wěn)定步行機(jī)器人裝置，其特征在于，所述機(jī)器人裝置的凸輪組(6)包括四個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的凸輪(6A，6B，6C，6D);凸輪一(6A)和凸輪四(6D)分別安裝在轉(zhuǎn)軸(3)的兩側(cè)且安裝角度相同，凸輪二(6B)和凸輪三(6C)分別安裝在轉(zhuǎn)軸(3)的中間且安裝角度相同；凸輪一(6A)、凸輪四(6D)和凸輪二(6B)、凸輪三(6C)在轉(zhuǎn)軸(3)上的安裝角度相差180度，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人裝置雙腿的交替運(yùn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種穩(wěn)定步行機(jī)器人裝置，其特征在于，所述機(jī)器人裝置具有四個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的腿部件(I，II，III，IV)，每個(gè)腿部件均包括滾子(7)、腿本體(11)、連接銷(xiāo)(10)、連接座(8)和電磁鐵(9);腿本體(11)通過(guò)連接銷(xiāo)(10)和連接座(8)連接；電磁鐵(9)由兩部分組成，其中一部分安裝在腿本體(11)上，另一部分安裝在連接座(8)上，電磁鐵(9)通電后可形成引力使得滾子(7)和凸輪組(6) —直保持接觸。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種穩(wěn)定步行機(jī)器人裝置，該機(jī)器人裝置由支撐架、電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)軸、帶座軸承組、配重組、凸輪組和腿部件組成。凸輪組包括四個(gè)凸輪，每?jī)蓚€(gè)凸輪組成一小組，每小組間呈180度固定連接在轉(zhuǎn)軸上。通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸上凸輪組的轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)四個(gè)腿部件的運(yùn)動(dòng)。同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)控制一個(gè)電動(dòng)機(jī)即可實(shí)現(xiàn)所有腿部件的運(yùn)動(dòng)，因不涉及電動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)與初始狀態(tài)等問(wèn)題，所以控制方便；可實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)精度高；運(yùn)動(dòng)安全可靠，穩(wěn)定性好；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，可操作性強(qiáng)；適合于穩(wěn)定快速運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合。
文檔編號(hào)B62D57/032GK102897243SQ20121039287
公開(kāi)日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月16日
發(fā)明者楊世錫, 丁長(zhǎng)濤, 甘春標(biāo), 徐安定 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)