一种六足仿蜘蛛机器人及其步态规划方法技术

本发明专利技术公开了一种六足仿蜘蛛机器人及其步态规划方法，所述机器人包括躯干、端盖、行走机构、操作平台和驱动系统，行走机构通过螺栓连接在躯干上，操作平台和驱动系统放置在躯干内部，端盖安装在躯干上，将操作平台和驱动系统封闭；机器人躯干采用菱形结构设计，行走机构是由均匀分布在躯干两侧的六条相同腿组成，每条腿设计成三连杆结构的串联的形式，每条腿包括三个肢节及三个关节。本发明专利技术整体结构紧凑、性能可靠、运动灵活、对各种复杂地形的适应性强，能广泛的应用在多种领域。

A Hexapod Spider-like Robot and Its Gait Planning Method

The invention discloses a hexapod spider-like robot and its gait planning method. The robot comprises a trunk, an end cover, a walking mechanism, an operating platform and a driving system. The walking mechanism is connected to the trunk through bolts. The operating platform and the driving system are placed inside the trunk, and the end cover is installed on the trunk, and the operating platform is installed on the trunk. The trunk of the robot is designed with diamond structure, and the walking mechanism is composed of six identical legs evenly distributed on both sides of the trunk. Each leg is designed as a series of three-link structure, each leg consists of three limbs and three joints. The invention has compact overall structure, reliable performance, flexible movement, strong adaptability to various complex terrain, and can be widely applied in various fields.

【技术实现步骤摘要】
一种六足仿蜘蛛机器人及其步态规划方法
本专利技术属于仿生机器人
，具体涉及一种六足仿蜘蛛机器人及其步态规划方法。
技术介绍
大数据和智能时代已经到来，科学技术水平日新月异，机器人的功能越来越强大，各行各业对智能机器人的需求日趋广泛而深入。多足步行机器人特别是六足仿蜘蛛机器人凭借其强大的环境适应能力、超高的灵活性在众多类型的机器人中脱颖而出，成为大家关注的热点。在一些相对危险的环境下，经常被用来执行高难度任务，广泛应用于工业、航天、军事、抢险救灾等多项领域，充分显示了其广阔的应用前景。和其他国家相比，我国对多足移动机器人的研究时间相对较短，近些年来，国内的一些高校和单位对足式移动机器人持续不断的研究探索，使得多足移动机器人的技术水平有了显著的提升，然而在对复杂地形的适应性上还存在很大不足，还是和其他先进的多足机器人存在一定差距。因而，本专利技术对仿蜘蛛机器人的研究具有一定是理论价值和工程应用意义。
技术实现思路
目的：为解决现有技术的不足，提供一种六足仿蜘蛛机器人及其步态规划方法，该六足仿蜘蛛机器人整体结构紧凑、性能可靠、运动灵活、对各种复杂地形的适应性强，能广泛的应用在多种领域。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种六足仿蜘蛛机器人，其特征在于：所述机器人包括躯干、端盖、行走机构、操作平台和驱动系统，所述行走机构通过螺栓连接在躯干上，所述操作平台和驱动系统放置在躯干内部，所述端盖安装在躯干上，将操作平台和驱动系统封闭。所述的六足仿蜘蛛机器人，其特征在于：所述机器人躯干采用菱形结构，躯干中间部分上下两面均向内切除一圆形凹槽，上部凹槽主要用于布置所述操作平台和驱动系统硬件，并提供与上层系统的接口；用于连接行走机构的六个圆孔呈圆周阵列均匀分布在一定厚度的扇形平台上面，行走机构的一端通过螺栓与躯干铰接形成基关节，边缘位置的扇形平台同样呈圆周阵列均匀分布，而且与躯干主体为一体化结构。所述的六足仿蜘蛛机器人，其特征在于：所述机器人行走机构为均匀分布在躯干两侧的六条相同腿L1、L2、L3、R1、R2、R3，每条腿为三连杆结构形式，每条腿包括三个肢节及三个关节，三个肢节为基节、股节和胫节；三个关节为基关节、髋关节和膝关节；每条腿包括三个关节，第一个关节为腿部结构和躯干结构连接的转动副称为基关节；第二个关节为基节和股节连接的转动副称为髋关节，第三个关节为股节和胫节连接的转动副称为膝关节，每个关节具有一个自由度。作为优选方案，所述的六足仿蜘蛛机器人，其特征在于：所述机器人的腿中基节、股节、胫节的长度比例为0.09：0.455：0.455，腿部总长度为1000mm，根据以上比例计算得出基节长为90mm，股节和胫节的长度均为455mm。本专利技术还提供所述的六足仿蜘蛛机器人的步态规划方法，其特征在于：六足仿蜘蛛机器人具有代表性的规则步态按同时支撑的腿数可以分为三种：三足步态、四足步态和五足步态；所述六足仿蜘蛛机器人的三足步态表示在任意运动时刻处于支撑相的腿的数目有三条，在仿蜘蛛机器人行走时保持稳定的前提下，三足步态步行速度最快的一种步态；将仿蜘蛛机器人的六条腿分为两组，第Ⅰ组为L1、R2、L3，第Ⅱ组为R1、L2、R3，任意一组都可以先行摆动，下面以第Ⅰ组先摆动为例，对机器人以三足步态行走时的几个阶段做如下阐述，说明该步态规划方法，步骤如下：(1)第一阶段：机器人的六条腿着地，处于起步状态；(2)第二阶段：第Ⅰ组腿向行进方向摆动，第Ⅱ组腿支撑躯体重心前移；(3)第三阶段：第Ⅰ组腿着地，第Ⅱ组腿开始向前摆动；(4)第四阶段：收回第Ⅰ组腿，机器人恢复静止状态；所述六足仿蜘蛛机器人的四足步态表示在任意运动时刻处于支撑相的腿的数目有四条，仿蜘蛛机器人以四足步态运动的速度处于三足、五足步态之间，其速度、稳定性和承载能力相对适中；将仿蜘蛛机器人的六条腿分成三组，每组两条腿，第Ⅰ组腿包括L1、R2，第Ⅱ组腿包括L2、R3，第Ⅲ组腿包括R1、R3，任意一组都可先摆动，以下以第Ⅰ组腿先摆动为例，对机器人以四足步态行走时的几个阶段做如下阐述，说明该步态规划方法，步骤如下：(1)第一阶段：机器人的六条腿着地，处于起步状态；(2)第二阶段：第Ⅰ组腿先摆动，第Ⅱ组、第Ⅲ组腿支撑机器人躯体重心前移；(3)第三阶段：第Ⅱ组腿摆动，第Ⅰ组、第Ⅲ组腿支撑机器人躯体重心前移；(4)第四阶段：第Ⅲ组腿摆动，第Ⅰ组、第Ⅱ组腿支撑躯体重心前移；(5)第五阶段：仿蜘蛛机器人恢复静止。波动步态又称五足步态，所述六足仿蜘蛛机器人的五足步态表示在任意运动时刻处于支撑相的腿的数目有五条；相对于三足、四足步态，仿蜘蛛机器人的五足步态步行速度最低，但是这种步态的稳定裕度和承载能力都是最大的；六足仿蜘蛛机器人在以波动步态向前运动时，其六条腿依次摆动并循环，每次只摆动一条腿；为了便于控制和机器人在行走时保持协调性，仿蜘蛛机器人的六条腿按照L1→R1→L2→R2→L3→R3的顺序进行摆动。原地转弯步态，用五足步态来实现机器人的原地转弯，因为这种步态不会出现三足步态那样在运动过程中重心偏移而导致失稳的现象，能够很好地保证机器人在运动过程中的稳定性；在一个运动周期内，仿蜘蛛机器人的六条腿的足端位置交替变换：起步时，L1腿开始摆动并落到终止位置姿态的足端目标点，其余腿足端位置不改变，身体转过θ/6；接着L2腿开始摆动并落到位置姿态的足端目标点，其余腿足端位置不改变，身体再转过θ/6；之后按L3→R1→R2→R3→L1→L2的顺序交替旋转过一定角度，最终机器人的身体原地转动θ角度。有益效果：本专利技术提供的六足仿蜘蛛机器人及其步态规划方法，整体结构紧凑、性能可靠、运动灵活、对各种复杂地形的适应性强，能广泛的应用在多种领域。与其他的六足机器人相比，具有以下优点：1、本专利技术的仿蜘蛛机器人足端的工作空间结构紧凑，没有空腔和空洞，而且单腿工作空间较大，灵活度较好。2、本专利技术的仿蜘蛛机器人的步态对复杂地形的适应性强，能更好的应对各种复杂环境。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术的腿部标注示意图；图3是本专利技术的躯干示意图；图4是本专利技术的腿部示意图；图5是本专利技术的三足步态腿部相位图；图6是本专利技术的三足步态行进示意图；图7是本专利技术的四足步态腿部相位图；图8是本专利技术的四足步态行进示意图；图9是本专利技术的波动步态腿部相位图；图10是本专利技术的波动步态行进示意图；图11是本专利技术的原地转圈步态行进示意图；图中标记的含义：1、躯干，2、端盖，3、基节，4、股节，5、胫节，6、扇形平台。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。如图1-图4所示，一种六足仿蜘蛛机器人，所述机器人包括躯干1、端盖2、行走机构、操作平台和驱动系统，所述行走机构通过螺栓连接在躯干1上，所述操作平台和驱动系统放置在躯干1内部，所述端盖2安装在躯干1上，将操作平台和驱动系统封闭。如图1、图3所示，所述机器人躯干1采用菱形结构设计，躯干中间部分上下两面均向内切除一圆形凹槽，上部凹槽主要用于布置所述操作平台和驱动系统硬件，并提供与其他上层系统的接口，连接基节的六个圆孔呈圆周阵列均匀分布在一定厚度的扇形平台6上面，基节3的一端通过螺栓与躯干铰接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种六足仿蜘蛛机器人，其特征在于：所述机器人包括躯干、端盖、行走机构、操作平台和驱动系统，所述行走机构通过螺栓连接在躯干上，所述操作平台和驱动系统放置在躯干内部，所述端盖安装在躯干上，将操作平台和驱动系统封闭。

【技术特征摘要】
1.一种六足仿蜘蛛机器人，其特征在于：所述机器人包括躯干、端盖、行走机构、操作平台和驱动系统，所述行走机构通过螺栓连接在躯干上，所述操作平台和驱动系统放置在躯干内部，所述端盖安装在躯干上，将操作平台和驱动系统封闭。2.根据权利要求1所述的六足仿蜘蛛机器人，其特征在于：所述机器人躯干采用菱形结构，躯干中间部分上下两面均向内切除一圆形凹槽，上部凹槽主要用于布置所述操作平台和驱动系统硬件，并提供与上层系统的接口；用于连接行走机构的六个圆孔呈圆周阵列均匀分布在一定厚度的扇形平台上面，行走机构的一端通过螺栓与躯干铰接形成基关节，边缘位置的扇形平台同样呈圆周阵列均匀分布，而且与躯干主体为一体化结构。3.根据权利要求1所述的六足仿蜘蛛机器人，其特征在于：所述机器人行走机构为均匀分布在躯干两侧的六条相同腿L1、L2、L3、R1、R2、R3，每条腿为三连杆结构形式，每条腿包括三个肢节及三个关节，三个肢节为基节、股节和胫节；三个关节为基关节、髋关节和膝关节；第一个关节为腿部结构和躯干结构连接的转动副称为基关节；第二个关节为基节和股节连接的转动副称为髋关节，第三个关节为股节和胫节连接的转动副称为膝关节，基关节、髋关节和膝关节每个关节具有一个自由度。4.根据权利要求3所述的六足仿蜘蛛机器人，其特征在于：所述机器人的腿中基节、股节、胫节的长度比例为0.09：0.455：0.455，腿部总长度为1000mm，基节长为90mm，股节和胫节的长度均为455mm。5.根据权利要求1-4任一项所述的六足仿蜘蛛机器人的步态规划方法，其特征在于：六足仿蜘蛛机器人具有代表性的规则步态按同时支撑的腿数可以分为三种：三足步态、四足步态和五足步态。6.根据权利要求5所述的六足仿蜘蛛机器人的步态规划方法，其特征在于：所述六足仿蜘蛛机器人的三足步态表示在任意运动时刻处于支撑相的腿的数目有三条，在仿蜘蛛机器人行走时保持稳定的前提下，三足步态步行速度最快的一种步态；将仿蜘蛛机器人的六条腿分为两组，第Ⅰ组为L1、R2、L3，第Ⅱ组为R1、L2、R3，任意一组都可以先行摆动，下面以第Ⅰ组先摆动为例，对机器...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑明海，王松，周灼，蔡仙仙，陈高翔，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏,32