一种具有自断肢功能的六足越障机器人及其控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种具有自断肢功能的六足越障机器人，包括整机支架，两只带有扭转弹簧的能单向弯曲的前足，两只由同步带驱动的中足，两只带有扭转弹簧的能单向弯曲的后足和能转动的前腰部和后腰部；两只前足通过前支架和前腰部连接在整机支架前部，两只中足安装在整机支架两侧，两只后足通过后支架和后腰部连接在整机支架后部；前、中、后足的中部均安装有热敏感液体驱动的解锁机构；当解锁机构接收到中央处理器发送的断肢指令时，执行断肢动作，整机进入断肢行走状态。本发明专利技术的越障能力更强，系统复杂度和控制难度降低，提高了稳定性和实用性；能识别足部是否被困，自行断肢后可继续行走，提高了生存能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机器人
，涉及ー种具有在困境中能切断肢体的六足越障机器人及其控制系统。
技术介绍
相对于轮式机器人，足式机器人在崎岖路面，恶劣路况下具有更好的适应性和避障行走能力。相对于履带机器人，足式机器人具有重量更轻，行走机构耦合性更弱，在一定自由度的机构失灵后仍能继续行走等特点。特别是六足机器人，有良好的路面适应能力，高速机动性和行走稳定性，结构可靠性，能比较轻松的跨越障碍。被广泛用于危险区域探測，灾难救援等领域。目前，已经出现了许多六足机器人，此类机器人一般采用连杆驱动，能实现越障等 功能，但是很难越过超过自己身高的障碍。并且系统比较复杂，控制难度大。此外，美国波士顿动力开发的半圆环腿的六足机器人RHEX具有良好的越障能力，但是在崎岖路面行走时，一旦某足被卡住，无法脱出，整个机器人即陷入困境。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术通过仿生的方法，利用六足机器人的系统冗余性，在某足被卡时可以像动物一样自行断掉此足，完成逃生；同时通过改进设计，加强越障能力，使其可以越过超过身高的障碍；利用欠驱动方式，降低系统的复杂度和控制难度。ー种具有自断肢功能的六足越障机器人，包括有整机支架1，两只带有扭转弹簧的能单向弯曲的前足2、3，两只由同步带驱动的中足4、5，两只带有扭转弹簧的能单向弯曲的后足6、7和能转动的如腰部8和后腰部9 ；其中，两只前足2、3通过前支架11和前腰部8连接在整机支架I前部，两只中足4、5安装在整机支架I两侧，两只后足6、7通过后支架12和后腰部9连接在整机支架I后部;所述的前、中、后足的中部均安装有热敏感液体驱动的解锁机构22 ;当解锁机构22接收到中央处理器发送的断肢指令时，执行断肢动作，整机进入断肢行走状态；所述的解锁机构22包括有与上肢体固连的壳体39，通过制退杆41固定在壳体39内腔中的活塞38，活塞38端面与壳体39内腔密封形成的燃料腔体40，通过滚珠43与壳体39左侧端面固连的内壁加工有轨道37的前端盖36，以及左侧通过被压缩的弹簧34顶在后端盖45上、右侧顶在活塞38上、右侧外端面将滚珠43压紧在轨道37内的顶杆44，其中，前端盖36与后端盖45通过螺纹连接35固定在一起,后端盖45与下肢体固连，燃料腔体40内安装有加热装置和热敏性液体,制退杆41通过固定螺丝42和制退弹簧46滑动连接在壳体39的侧壁径向孔内；正常状态下，弹簧34压紧顶杆44，迫使滚珠43进入前端盖36的轨道37中，使上肢体和下肢体无法分离；当接到触发信号后，燃料腔体40内的加热装置迅速加热热敏性液体，使其汽化，体积迅速膨胀，推动活塞38向左运动，活塞推动顶杆44后退，滚珠43失去约束，从轨道37中脱落，当顶杆44把弹簧34压缩到极限时，后端盖45开始带动前端盖36向左移动，当活塞38运动到最左侧时，前端盖36脱离壳体39，完成脱离动作；此时活塞38的端面已经超过制退杆41，制退杆41在制退弹簧46作用下落入腔体，阻止活塞倒退，防止由于意外而引起机构脱离后再次锁紧。采用了上述解锁机构22后，大大提高了本专利技术在恶劣环境中的生存能力。 所述的前足由驱动电机28，上肢29，下肢30，和开放自由度的膝关节31组成。驱动电机28固定在前支架11前端部，并通过前足连接件32和上肢29相连。膝关节31安装有扭转弹簧和限位装置，使膝关节31只可单方向转动。当遇到障碍物吋，驱动电机28带动上肢29向上转动，下肢30碰到障碍物，膝关节31发生弯曲，当越过障碍物后，压缩的膝关节31扭转弹簧释放，使下肢30伸直，此时驱动电机28带动上肢29、下肢30向下转动，膝关节31伸直后由于限位装置而保持伸直状态，腿此时停止转动，前支架11由腰肢驱动向上运动，完成越障。所述的后足与前足结构相同；前、后足的结构，使其可以完成其他六足机器人无法完成的动作——跨越高于身高的障碍物，同时零件易于加工，便于生产。所述的前腰部8包括有固定在电机支架17上的电机16，由电机16驱动的蜗杆13，固定在轴15上的蜗轮14，其中轴15通过轴承架18旋转连接在整机支架I上，轴15通过连接法兰19带动前支架11上下摆动；所述的后腰部9的结构与前腰部8相同；所述的中足包括有安装于整机支架I上的转向电机26，带动转向支架27转动，同步轮25旋转连接在转向支架27上，升降电机20法兰和中足支撑架24连接，升降电机20输出轴和同步轮25连接，两同步轮25通过同步带21连接，连接件23上端固定在第二个同步轮25的端面上，下端固定有解锁机构22以及下肢体；工作吋，转向电机26通过转向支架27带动中足前后挥动，升降电机20带动中足上下摆动；中足由于采用了欠驱动方式，将抬腿的电机由两个減少为ー个，降低了控制难度，同时也提高了系统的稳定性。—种具有自断肢功能的六足越障机器人的控制系统，包括有整机控制器CPU、收集前方路况的摄像头10、视觉处理器MCU、检测整机姿态的惯性测量单元IMU以及各电机配置的伺服驱动器；摄像头10采集视频信息，视觉处理器MCU负责视频处理，将路况信息传输给中央处理器CPU，中央处理器CPU根据视觉信息和惯性测量単元MU获得的整机运动信息做出歩态调整与规划，通过总线发送给各电机的伺服驱动器；通过接受中央控制器CPU的指令，伺服驱动器控制各电机转动相应的角度，进而实现各腿的相关位移。此外，伺服驱动器的电流单元实时检测通过电机的电流，如果处于堵转状态，并且编码器的输出也指示为堵转，会将堵转信息发送给中央处理器CPU，中央处理器CPU会做出调整，控制其他腿，协助解脱；如果几次尝试无效后，会向解锁机构22发送指令，执行断肢动作，同时中央处理器CPU控制整机进入断肢行走状态。整机控制系统采用分散式控制模式，为每个电机配置単独的伺服驱动器，提高了运动控制的定位精度，降低了中央处理器CPU的负担，中央处理器CPU只负责路径和步态的规划，将每个关节需要的状态通过总线发送给伺服驱动器即可。在传感器方面，配置CMOS摄像头，通过专用的视觉处理器MCU进行视觉处理运算，将适时的路况信息传送给中央处理器CPU。同时机载由陀螺仪和加速度传感器组成的惯性测量単元IMU，实时反馈整机的姿态信息，中央处理器CPU根据此信息做出步态调整。本专利技术的有益效果在于越障能力更强，可以翻越高于身高的障碍；中腿采用欠驱动方式，減少了驱动单元数量，系统复杂度和控制难度降低，提高了稳定性和实用性；能识别足部是否被困，采取相应措施从困境中解脱，继续行走，提高了装置的生存能力。 附图说明图I为本专利技术的整机结构图；图2为腰部结构局部放大图；图3为中足结构局部放大图；图4为前足结构局部放大图；图5为解锁机构局部放大图；图6为本专利技术的控制系统框图。图中I :整机支架;2、3 :如足;4、5 :中足;6、7 :后足；8 :如腰部；9 :后腰部；10 :摄像头；11 :前支架；12 :后支架;13 :蜗杆；14 :蜗轮；15 :轴；16 :电机；18 :轴承架；19 :连接法兰；20 :升降电机；21 :同步带；22 :解锁机构；23 :连接件；24 :中足支撑架；25 :同步轮；26 :转向电机；27 :转向支架；28 :驱动电机；29 :上肢；30 :下肢；31 :膝关节；32 :前足连接件；34 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有自断肢功能的六足越障机器人，包括有整机支架（1），两只带有扭转弹簧的能单向弯曲的前足（2）、（3），两只由同步带驱动的中足（4）、（5），两只带有扭转弹簧的能单向弯曲的后足（6）、（7）和能转动的前腰部（8）和后腰部（9）；其中，两只前足（2）、（3）通过前支架（11）和前腰部（8）连接在整机支架（1）前部，两只中足（4）、（5）安装在整机支架（1）两侧，两只后足（6）、（7）通过后支架（12）和后腰部（9）连接在整机支架（1）后部；其特征在于：所述的前、中、后足的中部均安装有热敏感液体驱动的解锁机构（22）；当解锁机构（22）接收到中央处理器发送的断肢指令时，执行断肢动作，整机进入断肢行走状态。

【技术特征摘要】
1.一种具有自断肢功能的六足越障机器人，包括有整机支架(I)，两只带有扭转弹簧的能单向弯曲的前足(2)、(3)，两只由同步带驱动的中足(4)、(5)，两只带有扭转弹簧的能单向弯曲的后足(6)、(7)和能转动的如腰部(8)和后腰部(9)； 其中，两只前足(2)、(3)通过前支架(11)和前腰部(8)连接在整机支架(I)前部，两只中足(4)、(5)安装在整机支架(I)两侧，两只后足(6)、(7)通过后支架(12)和后腰部(9)连接在整机支架(I)后部； 其特征在于 所述的前、中、后足的中部均安装有热敏感液体驱动的解锁机构(22);当解锁机构(22)接收到中央处理器发送的断肢指令时，执行断肢动作，整机进入断肢行走状态。2.根据权利要求I所述的一种具有自断肢功能的六足越障机器人，其特征在于所述的解锁机构(22)包括有 与上肢体固连的壳体(39)， 通过制退杆(41)固定在壳体(39)内腔中的活塞(38)， 活塞(38)端面与壳体(39)内腔密封形成的燃料腔体(40)， 通过滚珠(43)与壳体(39)左侧端面固连的内壁加工有轨道(37)的前端盖(36)，以及左侧通过被压缩的弹簧(34)顶在后端盖(45)上、右侧顶在活塞(38)上、右侧外端面将滚珠(43)压紧在轨道(37)内的顶杆(44)， 其中，前端盖(36)与后端盖(45)通过螺纹连接(35)固定在一起,后端盖(45)与下肢体固连，燃料腔体(40)内安装有加热装置和热敏性液体，制退杆(41)通过固定螺丝(42)和制退弹簧(46)滑动连接在壳体(39)的侧壁径向孔内； 正常状态下，弹簧(34 )压紧顶杆(44 )，迫使滚珠(43 )进入前端盖(36 )的轨道(37 )中，使上肢体和下肢体无法分离； 当接到触发信号后，燃料腔体(40)内的加热装置迅速加热热敏性液体，使其汽化，体积迅速膨胀，推动活塞(38)向左运动，活塞推动顶杆(44)后退，滚珠(43)失去约束，从轨道(37)中脱落，当顶杆(44)把弹簧(34)压缩到极限时，后端盖(45)开始带动前端盖(36)向左移动，当活塞(38 )运动到最左侧时，前端盖(36 )脱离壳体(39 )，完成脱离动作； 此时活塞(38 )的端面已经超过制退杆(41)，制退杆(41)在制退弹簧(46 )作用下落入腔体，阻止活塞倒退，防止由于意外而引起机构脱离后再次锁紧。3.根据权利要求I所述的一种具有自断肢功能的六足越障机器人，其特征在于所述的前足由驱动电机(28)，上肢(29)，下肢(30)和开放自由度的膝关节(31)组成；驱动电机(28 )固定在前支架(11)前端部，并通过前足连接件(32 )和上肢(29 )相...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海龙，张先彪，周威，尹婷婷，刘春杰，张永成，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：