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原文传递一种基于柔性脊柱技术的仿生四足机器人

专利名称：	一种基于柔性脊柱技术的仿生四足机器人
摘要：	本发明公开了一种基于柔性脊柱技术的仿生四足机器人，包括头部环境感知模块、控制及通讯模块、柔性脊柱以及支腿；本仿生四足机器人通过柔性脊柱以及在相应控制的协同作用下，可实现现有的四足机器人难以完成的动作，如大步幅的奔跑、原地转向等动作，由于柔性脊柱的作用，机器人能通过弹簧的弹性势能与前后腿部之间动能的循环转换，使躯干更平稳，减小了复杂地形上由于躯体的惯性而导致的运动失稳，提高稳定性。并且还将其运动性能与环境感知模块以及机器人控制及通讯模块的结合下，能实现四足机器人自主避障与路径规划的功能。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	广东;44
申请人：	广东省智能制造研究所
发明人：	文享龙;周雪峰;李帅;徐志浩;唐观荣;苏泽荣;蔡奕松
专利状态：	有效
申请日期：	2019-06-04T00:00:00+0800
发布日期：	2019-09-17T00:00:00+0800
申请号：	CN201910481457.1
公开号：	CN110239644A
代理机构：	广州科粤专利商标代理有限公司
代理人：	邓潮彬;莫瑶江
分类号：	B62D57/032(2006.01);B;B62;B62D;B62D57
申请人地址：	510070 广东省广州市越秀区先烈中路100号大院13号楼612室
主权项：	1.一种基于柔性脊柱技术的仿生四足机器人，其特征在于，包括头部环境感知模块、控制及通讯模块、柔性脊柱以及支腿；其中，所述柔性脊柱由多块脊椎骨串接而成；所述脊椎骨包括头锥骨、尾椎骨以及中间椎骨，头锥骨与中间椎骨靠近尾椎骨的一面凸设有球关节，尾椎骨与中间椎骨靠近头锥骨的一面凸设有凸块，凸块上开设有与球关节匹配的球面凹槽，球面凹槽上加设有两个通过螺钉固定的压垫，两个压垫组合形成垫圈，以装配组合球关节与凹槽，将每块脊椎骨两两连接；每块脊椎骨的侧平面都设有四个凸台，每两块脊椎骨的凸台位置一一对应并且之间连接有压簧，且凸台上均开设有通孔，用于穿设钢丝绳，钢丝绳在柔性脊柱的首端固定，另一端穿过所有脊椎骨上位于同一对应位置的凸台的通孔，柔性脊柱的尾端加设绳驱脊椎电机，钢丝绳在柔性脊柱的尾端穿出后连接至绳驱脊椎电机主轴上，在绳驱脊椎电机上安装有旋转编码器；在所述柔性脊柱首端、中部以及尾端分别装配安装有电子陀螺仪，安装在首端位置处的电子陀螺仪作为基点陀螺仪，三个电子陀螺仪用以测量仿生脊柱的姿态变化；在所述述柔性脊柱的首端和尾端均装配有力矩传感器；所述支腿设置有四条，在所述柔性脊柱的首端和尾端各装配由两条；每一所述支腿具有三自由度，以实现髋关节侧摆、正摆以及膝关节转动，三个自由度的运动由三个支腿电机来驱动完成，在每一支腿电机中均安装有旋转编码器；在每一所述支腿的足端均安装有力矩传感器，用以收集足端的力矩变化；所述头部环境感知模块用于监测机器人所处位置的周边障碍物情况，并传输至所述控制及通讯模块；所述控制及通讯模块包括十六块电机驱动板以及机器人中央控制器；所述十六块电机驱动板由十二个支腿电机驱动板以及四个绳驱脊椎电机驱动板组成；所述机器人中央控制器用于接收各个电子陀螺仪、力矩传感器以及旋转编码器所检测到的信息，以生成下一时刻机器人的步态规划，所述机器人中央控制器还用于根据头部环境感知模块所监测到的障碍物情况来生成的机器人避障行走路线，并对绳驱脊椎电机驱动板及支腿电机驱动板下达控制指令实施上述所生成的步态规划以及机器人避障行走路线。 2.如权利要求1所述的基于柔性脊柱技术的仿生四足机器人，其特征在于，所述生成下一时刻机器人的步态规划通过位置控制和力矩控制实现。 3.如权利要求2所述的基于柔性脊柱技术的仿生四足机器人，其特征在于，所述位置控制包括：通过基点陀螺仪以及柔性脊柱中部、尾端的电子陀螺仪位姿数据推算得到柔性脊柱首尾两端的位姿状态，以及通过支腿电机上的旋转编码器所测量到的电机转动角度数据使用D-H矩阵参数法来计算得到前、后支腿足端的空间位置。 4.如权利要求2或3所述的基于柔性脊柱技术的仿生四足机器人，其特征在于，所述力矩控制包括：在每个支腿着地时刻，前后支腿足端的所受力矩与柔性脊柱首尾两端力矩的矢量差为髋关节和膝关节必须提供的最小力矩，并根据跃奔步态的仿真模拟确定柔性脊柱与四足耦合运动的动力学模型以确定腿部电机的力矩输出。 5.如权利要求1所述的基于柔性脊柱技术的仿生四足机器人，其特征在于，所述控制及通讯模块还包括电控箱体、电源管理电路板及锂电池，所述十六块电机驱动板、机器人中央控制器、电源管理电路板及锂电池均安装在电控箱体内，所述电控箱体安装在所述柔性脊柱前端，所述电源管理电路板及锂电池用于对所述十六块电机驱动板及机器人中央控制器提供电能分配。 6.如权利要求3所述的基于柔性脊柱技术的仿生四足机器人，其特征在于，所述头部环境感知模块包括二自由度云台、双目摄像头、毫米波雷达以及处理器；所述二自由度云台安装在所述电控箱体的表面上，拥有俯仰和回转两个自由度；所述双目摄像头、毫米波雷达均安装在所述二自由度云台，以用于监测机器人所处位置的周边障碍物情况，并将所监测到的障碍物情况传输至中央处理器，由中央处理器生成机器人避障行走路线。 7.如权利要求1所述的基于柔性脊柱技术的仿生四足机器人，其特征在于，所述支腿包括髋关节正摆电机、大腿杆、小腿杆、膝关节电机、髋关节侧摆电机、膝关节摇杆以及膝关节驱动连杆；所述髋关节正摆电机的转子与支腿的大腿杆装配固定，大腿杆通过膝关节转轴与小腿杆装配连接，小腿杆相对于大腿杆转动；膝关节电机的转子主轴与膝关节摇杆通过平键过盈装配，膝关节驱动连杆通过转动销轴一端与膝关节摇杆装配连接一端与小腿杆装配连接；膝关节摇杆、膝关节驱动连杆及小腿杆组成一个双摇杆机构，当膝关节电机转子转动，膝关节摇杆同步转动，推动膝关节驱动连杆及小腿杆跟随运动；所述膝关节电机与髋关节正摆电机同轴，髋关节侧摆电机主轴与髋关节正摆电机主轴呈90°，两者由髋关节固定件将髋关节侧摆电机的转子和髋关节正摆电机的定子装配固定。
所属类别：	发明专利