一种空中任意姿态至落地姿态自调整的四足机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种空中任意姿态至落地姿态自调整的四足机器人，其包括有舵机控制单元、舵机和四足机器人。该四足机器人具有躯干本体与能进行空间二自由度运动的腿单元，通过腿单元不同方向的圆锥摆运动，使其从空间的任何姿态都能调整为落地姿态到达地面。四足机器人的四条腿单元上分别安装有舵机，舵机受控于舵机控制单元输出的舵机指令。舵机控制单元采用X轴→Y轴→Z轴的调节顺序进行各个舵机控制。采用本发明专利技术机器人承载卫星结构体时，能够实现卫星平稳落地的无外力作用下的姿态调整。

A quadruped robot with arbitrary attitude to landing attitude adjustment in the air

The invention discloses a quadruped robot with arbitrary attitude to landing attitude in the air, which comprises a steering gear control unit, a steering gear and a quadruped robot. The quadruped robot has the trunk body and the leg unit which can carry out the two degree of freedom motion of the space. Through the conical swing in different directions of the leg unit, the quadruped robot can adjust to the ground from any attitude of the space to the ground posture. The quadruped robot's four leg units are equipped with steering gear respectively, and the steering gear is controlled by the steering gear output from the steering control unit. The steering gear control unit adopts the adjusting sequence of X axis, Y axis and Z axis to control each steering gear. When the robot carries the satellite structure, the satellite can adjust the attitude of the satellite smoothly without any external force.

【技术实现步骤摘要】
一种空中任意姿态至落地姿态自调整的四足机器人
本专利技术涉及一种四足机器人，更特别地说，是指一种空中任意姿态至落地姿态自调整的四足机器人。本专利技术机器人能够实现卫星平稳落地在空间无外力情况下的姿态调整。
技术介绍
近些年来，在机器人的研究中，特别是仿生四足机器人的研究一直倍受人们关注。随着机器人工作环境和工作任务的复杂化，要求机器人具有更高的运动灵活性和在特殊未知环境的适应性，如跳跃、高空作业下落过程中需要对机器人的姿态进行控制。申请公布号CN103112513A，申请公布日2013年05月22日，公布了“一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人”，该仿蝗虫机器人利用尾部的摆动使机器人进行俯仰偏转。但是，由于在空中没有外力作用目前机器人的空中姿态控制较为困难，一般局限在单自由度、小范围调整运动上，无法实现机器人整体的任意姿态调整；而如通过使用飞轮等器件使机器人进行姿态调整，则增大了机器人的体积、质量以及系统复杂性。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种空中任意姿态至落地姿态自调整的四足机器人。该四足机器人通过四个腿单元的圆锥摆运动对其空中姿态进行控制与调整，无需增加额外的调整机构或设备，能够广泛运用到机器人与航天器领域中。本专利技术四足机器人可用于具有多个工作机械臂卫星在太空无重力环境下的姿态调整。本专利技术的另一目的是提出一种适用于四足机器人的空中姿态变换的姿态控制方法，该姿态控制方法只利用四足机器人的四肢的圆锥摆运动来实现无外力作用下任意姿态的调整。本专利技术将空间任意姿态调整分解为正交的三个方向(X、Y、Z轴指向)的转动，最终使机器人调整到一个合适的(固定的，能减小损害的)姿态迎接落地(或其他所需姿态)，然后通过腿部不同方式的摆动达到目标姿态。在本专利技术设计的四足机器人机构上每一个腿单元的自由度数大于2，利用关节架承载舵机实现腿单元的圆锥摆运动(即腿单元绕某一定点转动，腿单元掠过的路径为圆锥表面)。该姿态控制方法简单明了，无需引入额外机构与空间，能较好地应用于各类四足机器人的设计和控制中，增加机器人在空中的灵活性。本专利技术中的控制方法适用于高空作业等有掉落风险的四足机器人，实现机器人与承担物的自保，也可运用于具有工作机械臂的航天器的姿态调整。本专利技术四足机器人从任意姿态旋转至落地姿态时，先绕X轴进行翻转，从初始姿态1开始，随后四个腿单元同时各自绕与X轴平行的直线相对于躯干本体1做圆锥摆运动，而四个腿单元的圆锥摆运动是同步同方向的；根据角动量守恒原理，躯干本体1将会朝与四个腿单元的圆锥摆运动相反的方向绕X轴旋转θx角度至准备围绕Y轴旋转的初始姿态2，实现了机器人整体的绕X轴翻转运动。随后机器人准备进入下一阶段(绕Y轴旋转)的调整阶段，此时四条腿单元均位于同一平面并平行于X轴，需要将腿单元摆动至均位于同一平面并平行于Y轴的姿态。因此在四个腿单元沿X轴布置的情况下，将四个腿单元与本体相连的舵机分别顺时针、逆时针旋转90度就能得到四个腿单元沿Y轴布置的姿态。接着机器人进行绕Y轴的翻转，此时躯干本体1与四个腿单元平铺，且四个腿单元平行于Y轴，然后四个腿单元同时向上抬起；随后四个腿单元同时各自绕平行于Y轴的直线做圆锥摆运动，而四个腿单元的圆锥摆运动是同步同方向的；根据角动量守恒原理，躯干本体1将会朝与四个腿单元的圆锥摆运动相反的方向绕Y轴旋转θy角度至准备围绕Z轴旋转的初始姿态3，实现了机器人整体的绕Y轴翻转运动。随后机器人准备进入下一阶段(绕Z轴旋转)的调整阶段，随后机器人准备进入下一阶段(绕Z轴旋转)的调整阶段，此时四条腿单元均位于同一平面并平行于Y轴，需要将腿单元摆动至均平行于Z轴，并且两个腿单元朝上，两个腿单元朝下的姿态，腿单元经过90度转动后达到该姿态，此时躯干本体1平铺，两个腿单元向上，两个腿单元向下，且四个腿单元均平行于Z轴。然后四个腿单元分别同时绕各自的过铰链中心点且与Z轴平行的直线做圆锥摆运动，四个腿单元的圆锥摆运动是同步同方向的；根据角动量守恒原理，躯干本体1将会朝与四个腿单元的圆锥摆运动相反的方向绕Z轴旋转，当躯干本体1围绕Z轴旋转θz角度时，腿单元停止圆锥摆运动，随后均同时回到平行于Z轴，并且两个腿单元朝上，两个腿单元朝下的姿态，接着向上的两个腿单元向下摆动180度，与指向下的两个腿单元指向相同，使机器人调整至落地姿态，此时四个腿单元向下，准备好迎接落地。本专利技术的一种空中任意姿态至落地姿态自调整的四足机器人，其特征在于：四足机器人由躯干本体(1)、左前肢(2)、左后肢(3)、右前肢(4)、右后肢(5)、第一关节架(6)、第二关节架(7)、第三关节架(8)、第四关节架(9)以及(8)个舵机构成；其中，左前肢(2)、左后肢(3)、右前肢(4)和右后肢(5)的结构相同；其中，第一关节架(6)、第二关节架(7)、第三关节架(8)和第四关节架(9)的结构相同；其中，(8)个舵机是指A舵机(10A)、B舵机(10B)、C舵机(10C)、D舵机(10D)、E舵机(10E)、F舵机(10F)、G舵机(10G)和H舵机(10H)；左前腿单元(11A)由左前肢(2)、第一关节架(6)和两个舵机(10A、10B)构成；躯干本体(1)的AA支臂(1A)与第一关节架(6)之间安装有A舵机(10A)，第一关节架(6)与左前肢(2)之间安装有B舵机(10B)；A舵机(10A)的A舵盘(10A1)固定在躯干本体(1)的AA支臂(1A)的AA舵盘槽(1A1)中，A舵机(10A)的壳体固定在第一关节架(6)的A舵机腔(6B)中；B舵机(10B)的B舵盘(10B1)固定在第一关节架(6)的BA支臂(6A)的B舵盘槽(6A1)中，B舵机(10B)的壳体固定在左前肢(2)的B舵机腔(2A1)中；左后腿单元(11B)由左后肢(3)、第二关节架(7)和两个舵机(10C、10D)构成；躯干本体(1)的AB支臂(1B)与第二关节架(7)之间安装有C舵机(10C)，第二关节架(7)与左后肢(3)之间安装有D舵机(10D)；C舵机(10C)的C舵盘(10C1)固定在躯干本体(1)的AB支臂(1B)的AB舵盘槽(1B1)中，C舵机(10C)的壳体固定在第二关节架(7)的C舵机腔(7B)中；D舵机(10D)的D舵盘(10D1)固定在第二关节架(7)的BB支臂(7A)的D舵盘槽(7A1)中，D舵机(10D)的壳体固定在左后肢(3)的D舵机腔(3A1)中；右前腿单元(11C)由右前肢(4)、第三关节架(8)和两个舵机(10E、10F)构成；躯干本体(1)的AC支臂(1C)与第三关节架(8)之间安装有E舵机(10E)，第三关节架(8)与右前肢(4)之间安装有F舵机(10F)；E舵机(10E)的E舵盘(10E1)固定在躯干本体(1)的AD支臂(1D)的AD舵盘槽(1D1)中，E舵机(10E)的壳体固定在第三关节架(8)的E舵机腔8B中；F舵机(10F)的F舵盘(10F1)固定在第三关节架(8)的BC支臂(8A)的F舵盘槽(8A1)中，F舵机(10F)的壳体固定在右前肢(4)的F舵机腔(4A1)中；右后腿单元(11D)由右后肢(5)、第四关节架(9)和两个舵机(10G、10H)构成；躯干本体(1)的AD支臂(1D)与第四关节架(9)之间安装有G舵机(10G)，第四关本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种四足机器人空中姿态调整方法，其特征在于：四足机器人处于任意姿态，接着四个腿单元摆动，使四个腿单元均位于同一平面；通过测量此时躯干本体相对于落地姿态在X,Y,Z三轴上的夹角，按欧拉角公式分解为依次绕X轴→Y轴→Z轴的顺序运动所转的转动角度θx,θy,θz；在绕X、Y、Z轴翻转过程中，在无外力作用下，整个机器人的角动量守恒，腿单元与躯干本体围绕X轴旋转的角动量应始终不变，而在初始状态下角动量为0，因此四足机器人在绕轴旋转的过程中角动量始终为0，通过分别计算四个腿单元与躯干本体绕轴的角动量之和，即可分别计算得到躯干本体的绕X、Y、Z转体角速度。

【技术特征摘要】
1.一种四足机器人空中姿态调整方法，其特征在于：四足机器人处于任意姿态，接着四个腿单元摆动，使四个腿单元均位于同一平面；通过测量此时躯干本体相对于落地姿态在X,Y,Z三轴上的夹角，按欧拉角公式分解为依次绕X轴→Y轴→Z轴的顺序运动所转的转动角度θx,θy,θz；在绕X、Y、Z轴翻转过程中，在无外力作用下，整个机器人的角动量守恒，腿单元与躯干本体围绕X轴旋转的角动量应始终不变，而在初始状态下角动量为0，因此四足机器人在绕轴旋转的过程中角动量始终为0，通过分别计算四个腿单元与躯干本体绕轴的角动量之和，即可分别计算得到躯干本体的绕X、Y、Z转体角速度。2.根据权利要求书1所述的四足机器人空中姿态调整方法，其特征在于：躯干本体的转体角速度与腿单元做圆锥摆运动时的角速度为：ω1为躯干本体1的转体角速度；ω2为腿单元做圆锥摆运动时的角速度；m1为躯干本体1的质量；m2为腿单元的质量；L为腿单元的长度；a为第一关节与第三关节的距离；R为腿单元的横截面半径；ψ为绕X轴运动的摆角；J0′为躯干本体1围绕X轴旋转的转动惯量。3.根据权利要求书1所述的四足机器人空中姿态调整方法，其特征在于：腿单元的圆锥摆运动分解为一组舵机的角度变化函数有：θ10A为A舵机10A的转动角度；θ10B为B舵机10B的转动角度；ψ为绕X轴运动的摆角；β为绕Y轴运动的摆角；为绕Z轴运动的摆角；θx是根据欧拉角公式腿绕X轴的转动角度；θy是根据欧拉角公式腿绕Y轴的转动角度；θz是根据欧拉角公式腿绕Z轴的转动角度；t为四足机器人保持在同一平面时的姿态时间；tx为四足机器人绕X轴摆动至落地姿态时的时间；ty为四足机器人绕Y轴摆动至落地姿态时的时间；tz为四足机器人绕Z轴摆动至落地姿态时的时间。4.能够实现权利要求书1姿态控制的一种空中任意姿态至落地姿态自调整的四足机器人，其特征在于：四足机器人由躯干本体(1)、左前肢(2)、左后肢(3)、右前肢(4)、右后肢(5)、第一关节架(6)、第二关节架(7)、第三关节架(8)、第四关节架(9)以及(8)个舵机构成；其中，左前肢(2)、左后肢(3)、右前肢(4)和右后肢(5)的结构相同；其中，第一关节架(6)、第二关节架(7)、第三关节架(8)和第四关节架(9)的结构相同；其中，(8)个舵机是指A舵机(10A)、B舵机(10B)、C舵机(10C)、D舵机(10D)、E舵机(10E)、F舵机(10F)、G舵机(10G)和H舵机(10H)；左前腿单元(11A)由左前肢(2)、第一关节架(6)和两个舵机(10A、10B)构成；躯干本体(1)的AA支臂(1A)与第一关节架(6)之间安装有A舵机(10A)，第一关节架(6)与左前肢(2)之间安装有B舵机(10B)；A舵机(10A)的A舵盘(10A1)固定在躯干本体(1)的AA支臂(1A)的AA舵盘槽(1A1)中，A舵机(10A)的壳体固定在第一关节架(6)的A舵机腔(6B)中；B舵机(10B)的B舵盘(10B1)固定在第一关节架(6)的BA支臂(6A)的B舵盘槽(6A1)中，B舵机(10B)的壳体固定在左前肢(2)的B舵机腔(2A1)中；左后腿单元(11B)由左后肢(3)、第二关节架(7)和两个舵机(10C、10D)构成；躯干本体(1)的AB支臂(1B)与第二关节架(7)之间安装有C舵机(10C)，第二关节架(7)与左后肢(3)之间安装有D舵机(10D)；C舵机(10C)的C舵盘(10C1)固定在躯干本体(1)的AB支臂(1B)的AB舵盘槽(1B1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴旭，欧阳若愚，周威，陈逸农，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11