一种基于生物学特征的四足仿生机器人平台制造技术

本发明专利技术公开了一种基于生物学特征的四足仿生机器人平台，包括躯干和四个下肢，四个下肢均匀对称地分布在躯干下方的四角，且四个下肢的结构完全相同；躯干包括四个驱动单元、用于支撑驱动单元的躯干底板、深度视觉器和激光雷达；下肢包括踝关节、脚掌和腿部；腿部的上端固定连接驱动单元，腿部下端可转动连接踝关节的上端；踝关节的下端可转动连接脚掌的上端。本发明专利技术能提高仿生型腿足式机器人对不同地形的适应能力和抗干扰能力，增强与地面接触的稳定性和可靠性，融合机器人深度视觉技术对机器人行走轨迹做出合理的路径规划，融合激光雷达技术进一步增强机器人与环境的交互能力，并简化了躯干及下肢的机械复杂度，降低控制难度、提高控制精度。

A Quadruped Bionic Robot Platform Based on Biological Characteristics

The invention discloses a quadruped bionic robot platform based on biological characteristics, which comprises a trunk and four lower limbs, four lower limbs are evenly and symmetrically distributed in the four corners below the trunk, and the structure of the four lower limbs is identical; the trunk includes four driving units, a trunk bottom plate for supporting the driving unit, and a depth vision device. The lower limbs include ankle joint, sole and leg; the upper end of the leg is fixed to connect the driving unit, and the lower end of the leg can rotate to connect the upper end of the ankle joint; the lower end of the ankle joint can rotate to connect the upper end of the foot. The invention can improve the adaptability and anti-jamming ability of the bionic leg-foot robot to different terrain, enhance the stability and reliability of contact with the ground, make reasonable path planning for the robot's trajectory by integrating the depth vision technology of the robot, and further enhance the interaction between the robot and the environment by integrating the laser radar technology. It also simplifies the mechanical complexity of the trunk and lower limbs, reduces the control difficulty and improves the control accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种基于生物学特征的四足仿生机器人平台
本专利技术属于机器人领域，具体涉及一种基于生物学特征的四足仿生机器人平台。
技术介绍
目前，机器人依据移动方式分为仿生型腿足式机器人、轮式机器人、履带式机器人，其研究的主要目的是增强机器人移动系统的运动性能和机器人平台的搭载能力。其中，履带式机器人与轮式机器人的能源利用效率较高，机械复杂度低，控制简便，但在面对复杂地形环境时，传统的轮式机器人的静态稳定性和触地性能大大降低，而履带式机器人虽然能适当降低对地形及环境的要求，但也存在运动精度低、灵活性差、稳定性弱等劣势。然而，仿生型腿足式机器人则能较好的克服上述难题并使机器人整体性能得到极大提高。腿足式机器人将机器人腿部与地面的接触由连续态转变为离散点式，使其受力分布在脚掌与地面接触的离散点上，且其每条腿可执行不同的动作，并能够借助各腿之间的协作配合维持机器人整体稳定性及相应的操作，因此，腿足式机器人能够适应更复杂的地形，拥有良好的机器与环境的交互能力和较强的抗干扰能力。因此，是否能设计出功能更加多元、机构更加灵活、控制更加精确的腿足式机器人成为推动其发展的关键因素。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷和不足，本专利技术提供了一种基于生物学特征的四足仿生机器人平台，克服现有机器人对不同地形的适应能力差、与地面接触的稳定性与可靠性差的缺陷。为达到上述目的，本专利技术采取如下的技术方案：一种基于生物学特征的四足仿生机器人平台，包括躯干和四个下肢，四个下肢均匀对称地分布在躯干下方的四角，且四个下肢的结构完全相同；所述躯干包括用于分别驱动每个下肢运动的四个驱动单元、用于支撑驱动单元的躯干底板、用于采集环境数据的深度视觉器和用于感知外部障碍的激光雷达；所述下肢包括踝关节、脚掌和腿部；腿部的上端固定连接驱动单元，腿部下端可转动连接所述踝关节的上端；踝关节的下端可转动连接所述脚掌的上端；所述踝关节包括与脚掌连接的支撑板、与支撑板前后两端可转动连接的支撑框、与支撑框左右两端可转动连接的支撑架、丝杆传动单元和用于控制踝关节的踝关节控制单元；所述丝杆传动单元上端固定在支撑架上部，丝杆传动单元下端的两个连接端通过两个第一连杆铰接支撑板的左右两端、通过两个第二连杆铰接支撑架的左右两端，用以实现控制支撑板的俯仰运动和翻转运动；所述脚掌包括与踝关节连接的脚跟、倾斜布设的足弓、设于足弓上表面的脚掌控制单元和位于足弓端部的脚趾；所述足弓的两端通过扭簧分别与脚跟的上部和脚趾连接，扭簧能实现足弓与脚跟、脚趾之间的相对转动，使脚跟底面和脚趾能作为承重点与地面接触。本专利技术还具有如下技术特征：可选地，所述踝关节控制单元包括控制盒和传感器；控制盒安装在支撑架上，控制盒用于接收、处理踝关节上的传感器信息，并发出相应控制指令以使踝关节执行相应操作；所述丝杆传动单元包括从下至上依次连接的连接端、丝杆、自锁主轴螺母机构、电机、与丝杆同轴的丝杆运动导轨和连接支座；所述丝杆一端通过螺纹与连接端实现固定连接，丝杆另一端与配置在电机的输出轴上的自锁主轴螺母机构相连，实现由电机输出动力，带动自锁主轴螺母机构转动，进而带动丝杆上下运动，并通过踝关节控制单元中的增量编码器和数字式霍尔传感器检测电机转动角度、控制电机的正反转，实现踝关节的上下运动和翻转运动；所述丝杆与自锁主轴螺母机构啮合后引导入丝杆运动导轨内，丝杆运动导轨上端与连接支座铰接，连接支座固定在支撑架上部；所述自锁主轴螺母机构连接所述电机，所述电机为带减速器的线性无刷直流电机，在电机上部设有用于连接配重减振棒的连接口，配重减振棒用于丝杆传动单元运动时为第一连杆和第二连杆提供一定侧向力以使其稳定运动并缓解系统振动对四足机器人本体的影响。可选地，所述丝杆传动单元的连接端、丝杆、自锁主轴螺母机构、电机和丝杆运动导轨均为平行并列设置的两个，两个丝杆运动导轨上端均与同一个连接支座铰接，连接支座固定在支撑架上部。可选地，所述支撑板前后两端设有可旋转的第一支撑轴，在支撑板的左右两端设有可旋转的第二支撑轴，在第二支撑轴上开设有贯通的限位孔，支撑板下端设有脚掌连接件；所述支撑架为倒Y形结构，支撑架的上端为腿部连接环，支撑架的倒Y形结构的交点位置左右两侧设有两个第二连杆铰接件。可选地，所述支撑框为方形结构，支撑板通过第一支撑轴安装在支撑框的前后两条边上，第一支撑轴通过过盈配合与支撑框的前后两条边上的连接孔固定连接；所述支撑架下方的两个端部通过支架连接件连接在支撑框的左右两条边上，支架连接件与支撑架采用螺栓固定连接，支撑框相对于支撑架和支架连接件能够转动。可选地，所述第一连杆上下两端均设有安装孔，第一连杆的下端安装孔套在第二支撑轴外且通过连杆连接轴实现相互连接，连杆连接轴穿过限位孔并通过过盈配合与第一连杆实现固定连接；所述第二连杆为H形结构，第二连杆的上端通过连杆连接轴与支撑架的第二连杆铰接件铰接；所述第一连杆的上端、第二连杆的下端与丝杆传动单元下端的连接端通过连杆连接轴铰接。可选地，所述脚掌控制单元通过螺钉与足弓固定连接，脚掌控制单元与足弓的上表面之间嵌套有橡胶材料以保护脚掌控制单元不受外界环境的干扰；在扭簧的安装位置均设有足弓绝对编码器，用于检测足弓与脚跟、脚趾的相对转动角度，并将检测的信号传递到脚掌控制单元；进而为整个系统的控制与优化策略提供依据，为脚掌控制单元判断脚掌当前状态提供状态参数；所述脚跟下方设有位移传感器和膜片式压力传感器，用以测量脚跟与地面的距离以及机器人脚部的空间力分布；所述脚趾部位设置有膜片式压力传感器和加速度传感器，用以获取机器人脚部的空间力分布以及机器人前进速度。可选地，在脚跟与足弓的端部之间设有弹性缆绳，弹性缆绳能够保证脚掌部分遇到复杂地形时仍然与地面保持良好的接触以保证四足机器人本体的移动稳定性和静态稳定性。可选地，在脚跟的上端设有能将脚掌与踝关节可旋转连接的踝关节连接件，使两者有一定角度的偏转自由度，以缓解机器人遇到碰撞或干扰时对机器人稳定性的影响。可选地，所述踝关节连接件与脚掌连接件可转动连接。可选地，所述第一连杆与支撑板的左右两端能够采用球铰机构连接用以实现第一连杆与支撑板绕第一支撑轴做翻转运动。可选地，所述四个驱动单元均匀对称地分布在躯干底板的四角；所述驱动单元包括电机、与电机连接并用于驱动腿部运动的电机转换构件、为电机供电的电源和电池；电机通过电机固定件安装在躯干底板上，电机连接所述电机转换构件，电机转换构件下端固定连接所述腿部的上端；所述电池通过电池固定件安装在躯干底板的下部；所述电源通过电源连接件安装在电机上端。可选地，在电源上端安装有为激光雷达和深度视觉器提供支撑的躯干顶板；深度视觉器通过深度视觉支撑件连接在躯干顶板的前端，深度视觉器能采集其前进方向环境的相关数据并识别环境特征，可为四足机器人行走提供精确的路径规划；激光雷达通过雷达固定件安装在躯干顶板的上表面，雷达固定件在设置在激光雷达的前后两侧面，雷达固定件通过螺栓与躯干顶板连接，激光雷达可感知机器人所处位置的外部障碍物情况，为机器人避障提供一定的参考并能保持机器人动态与静态稳定性。可选地，所述躯干底板为王字形结构且两端为横杆结构，中间为横板结构；四个电机安装在中间横板的四角，四个电机转换构件位于两个横杆和中间横板之间的四个空位；电机转换构件的一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于生物学特征的四足仿生机器人平台，包括躯干(2)和四个下肢(1)，四个下肢(1)均匀对称地分布在躯干(2)下方的四角，且四个下肢(1)的结构完全相同；其特征在于，所述躯干(2)包括用于分别驱动每个下肢(1)运动的四个驱动单元(40)、用于支撑驱动单元(40)的躯干底板(50)、用于采集环境数据的深度视觉器(60)和用于感知外部障碍的激光雷达(70)；所述下肢(1)包括踝关节(10)、脚掌(20)和腿部(30)；腿部(30)的上端固定连接驱动单元(40)，腿部(30)下端可转动连接所述踝关节(10)的上端；踝关节(10)的下端可转动连接所述脚掌(20)的上端；所述踝关节(10)包括与脚掌(20)连接的支撑板(11)、与支撑板(11)前后两端可转动连接的支撑框(12)、与支撑框(12)左右两端可转动连接的支撑架(13)、丝杆传动单元(14)和用于控制踝关节(10)的踝关节控制单元(15)；所述丝杆传动单元(14)上端固定在支撑架(13)上部，丝杆传动单元(14)下端的两个连接端(141)通过两个第一连杆(16)铰接支撑板(11)的左右两端、通过两个第二连杆(17)铰接支撑架(13)的左右两端，用以实现控制支撑板(11)的俯仰运动和翻转运动；所述脚掌(20)包括与踝关节(10)连接的脚跟(21)、倾斜布设的足弓(22)、设于足弓(22)上表面的脚掌控制单元(23)和位于足弓(22)端部的脚趾(24)；所述足弓(22)的两端通过扭簧分别与脚跟(21)的上部和脚趾(24)连接，扭簧能实现足弓(22)与脚跟(21)、脚趾(24)之间的相对转动，使脚跟(21)底面和脚趾(24)能作为承重点与地面接触。...

【技术特征摘要】
1.一种基于生物学特征的四足仿生机器人平台，包括躯干(2)和四个下肢(1)，四个下肢(1)均匀对称地分布在躯干(2)下方的四角，且四个下肢(1)的结构完全相同；其特征在于，所述躯干(2)包括用于分别驱动每个下肢(1)运动的四个驱动单元(40)、用于支撑驱动单元(40)的躯干底板(50)、用于采集环境数据的深度视觉器(60)和用于感知外部障碍的激光雷达(70)；所述下肢(1)包括踝关节(10)、脚掌(20)和腿部(30)；腿部(30)的上端固定连接驱动单元(40)，腿部(30)下端可转动连接所述踝关节(10)的上端；踝关节(10)的下端可转动连接所述脚掌(20)的上端；所述踝关节(10)包括与脚掌(20)连接的支撑板(11)、与支撑板(11)前后两端可转动连接的支撑框(12)、与支撑框(12)左右两端可转动连接的支撑架(13)、丝杆传动单元(14)和用于控制踝关节(10)的踝关节控制单元(15)；所述丝杆传动单元(14)上端固定在支撑架(13)上部，丝杆传动单元(14)下端的两个连接端(141)通过两个第一连杆(16)铰接支撑板(11)的左右两端、通过两个第二连杆(17)铰接支撑架(13)的左右两端，用以实现控制支撑板(11)的俯仰运动和翻转运动；所述脚掌(20)包括与踝关节(10)连接的脚跟(21)、倾斜布设的足弓(22)、设于足弓(22)上表面的脚掌控制单元(23)和位于足弓(22)端部的脚趾(24)；所述足弓(22)的两端通过扭簧分别与脚跟(21)的上部和脚趾(24)连接，扭簧能实现足弓(22)与脚跟(21)、脚趾(24)之间的相对转动，使脚跟(21)底面和脚趾(24)能作为承重点与地面接触。2.如权利要求1所述的基于生物学特征的四足仿生机器人平台，其特征在于，所述踝关节控制单元(15)包括控制盒(151)和传感器；控制盒(151)安装在支撑架(13)上，控制盒(151)用于接收、处理踝关节(10)上的传感器信息，并发出相应控制指令以使踝关节(10)执行相应操作；所述丝杆传动单元(14)包括从下至上依次连接的连接端(141)、丝杆(142)、自锁主轴螺母机构(143)、电机(144)、与丝杆(142)同轴的丝杆运动导轨(145)和连接支座(146)；所述丝杆(142)一端通过螺纹与连接端(141)实现固定连接，丝杆(142)另一端与配置在电机(144)的输出轴上的自锁主轴螺母机构(143)相连，实现由电机输出动力，带动自锁主轴螺母机构(143)转动，进而带动丝杆(142)上下运动，并通过踝关节控制单元(15)中的增量编码器和数字式霍尔传感器检测电机(144)转动角度、控制电机(144)的正反转，实现踝关节(10)的上下运动和翻转运动；所述丝杆(142)与自锁主轴螺母机构(143)啮合后引导入丝杆运动导轨(145)内，丝杆运动导轨(145)上端与连接支座(146)铰接，连接支座(146)固定在支撑架(13)上部；所述自锁主轴螺母机构(143)连接所述电机(144)，所述电机(144)为带减速器的线性无刷直流电机，在电机(144)上部设有用于连接配重减振棒(147)的连接口，配重减振棒(147)用于丝杆传动单元(14)运动时为第一连杆(16)和第二连杆(17)提供一定侧向力以使其稳定运动并缓解系统振动对四足机器人本体的影响。3.如权利要求1所述的基于生物学特征的四足仿生机器人平台，其特征在于，所述支撑板(11)前后两端设有可旋转的第一支撑轴(111)，在支撑板(11)的左右两端设有可旋转的第二支撑轴(112)，在第二支撑轴(112)上开设有贯通的限位孔(113)，支撑板(11)下端设有脚掌连接件(114)；所述支撑架(13)为倒Y形结构，支撑架(13)的上端为腿部连接环(131)，支撑架(13)的倒Y形结构的交点位置左右两侧设有两个第二连杆铰接件(132)。4.如权利要求3所述的基于生物学特征的四足仿生机器人平台，其特征在于，所述支撑框(12)为方形结构，支撑板(11)通过第一支撑轴(111)安装在支撑框(...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱雅光，刘琼，宋运动，秦瑞，王超，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61