一种六轮腿移动操作机器人实验平台 |
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| 申请号 | CN201610389714.5 | 申请日 | 2016-06-02 | 公开(公告)号 | CN105966488A | 公开(公告)日 | 2016-09-28 |
| 申请人 | 北京航空航天大学; | 发明人 | 丁希仑; 郑羿; 齐静; 尹业成; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开一种六轮腿移动操作 机器人 实验平台，包括 机器人本体 以及6条机器人单腿结构，6条机器人单腿结构周向均匀安装于机器人本体上；单腿结构能设计为两种结构：一种为具有步行与轮行功能的轮腿结构；另一种为具有步行及操作功能的腿臂操作结构。上述两种单腿结构，可根据不同任务需求来具体选择。同时机器人本体内部由隔板分割为传感层、驱动层、控制层及动 力 层，用于安装控制系统；实现对机器人的运动控制。本发明的优点在于：兼具步行轮行功能，对路面环境的适应性较好，并且具有特殊的操作腿，可配置不同的 末端执行器 完成不同任务需求。 | ||||||
| 权利要求 | 1. 一种六轮腿移动操作机器人实验平台，包括机器人本体以及6条机器人单腿结构，6 条机器人单腿结构周向均匀安装于机器人本体上;其特征在于： 单腿结构能设计为两种结构： 结构一：具有步行与轮行功能的轮腿结构，包括三根腿节，以及4个驱动舵机;令三根腿 节分别为第一腿节、第二腿节、第三腿节，4个驱动舵机分别为第一舵机、第二舵机、第三舵 机、第四舵机;其中，第一腿节一端固定安装在第一舵机的输出轴上，形成髋关节;第一舵机 输出轴轴线与水平面垂直，由第一舵机驱动第一腿节横向摆动;第二舵机固定安装于第一 腿节另一端，第二舵机输出轴与第二腿节一端固定，形成膝关节;第二舵机输出轴轴线与第 一舵机输出轴轴线垂直，由第二舵机驱动第二腿节纵向摆动;第二腿节另一端与第三舵机 输出轴固定，形成踝关节;第三舵机输出轴轴线与第二舵机输出轴轴线平行，由第三舵机驱 动第三腿节纵向摆动;第四舵机位于第三腿节中部，第四舵机的输出轴轴线与第三舵机输 出轴轴线平行，第四舵机输出轴上通过花键同轴固定安装有轮子，通过第四舵机驱动轮子 转动;第三腿节另一端安装有足地检测机构，用于单腿结构与地面间的接触，同时可实现足 地接触状态的检测； 结构二：具有步行及操作功能的腿臂操作结构，在结构一的基础上去掉第四舵机与轮 子;同时去掉第三腿节与足地检测机构，并分别由执行器连接件与末端执行器替换，则末端 执行器通过执行器连接件与第三舵机固连，具体连接方式为:执行器连接件采用可替换接 口的执行器连接件，使执行器连接件可连接末端执行器； 机器人本体内部由隔板分割为四层，由上至下依次为传感层、驱动层、控制层及动力 层，用于安装控制系统；其中，传感层上安装有Xtion PRO LIVE摄像头与IMU;Xtion PRO LIVE摄像头用来采集环境信息，实现同时定位及地图创建，以及获取人的信息，用于人机交 互；MU用于获得机器人的自身姿态，辅助定位和创建环境地图；驱动层上安装有六块舵机 驱动板，分别用于控制6条单腿结构上的各个舵机运动;控制层上安装有主控板，实现通讯 管理、传感器数据采集、数据处理与驱动管理等功能;动力层上安装有电池盒，电池盒内安 装机器人供电电池； 机器人本体与远程控制端进行无线通信，由远程控制端进行控制；远程控制端具有安 全认证模块、音视频播放模块、操控模块与信息显示模块;各个模块均分为前端与后台；前 端为人机交互接口；后台负责网络通信、数据处理;其中，安全认证模块用于获取用户输入 的用户信息，经后台封装成数据包发送至机器人的控制主控板中，由主控板反馈登录结果 至安全认证模块进行显示;音视频播放模块通过后台接收Xtion PRO LIVE摄像头返回的声 音信息和相机采集的图像，经后台解码后在音视频播放模块中进行显示;信息显示模块接 收頂U返回的六组机器人传感信息，如姿态、关节角度和关节力矩信息用于显示六足机器人 传感信息;操控模块由运动控件组成，可控制机器人运动；同时可以设置机器人行进模式。 |
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| 说明书全文 | -种六轮腿移动操作机器人实验平台技术领域背景技术[0002] 足式机器人是现代机器人学领域一个重要分支，其按腿的数目机器人可分为双足 机器人、四足机器人及六足机器人。六足机器人因为其运动的高稳定性及高冗余度而备受 各国学者关注，被广泛应用于野外探测、抢先救援等任务，但是其运动速度受到当前技术的 限制，工作效率较为低下，而传统的轮式机器人运动速度、工作效率较高，但对工作环境的 要求较为苛刻。所W轮腿结合式机器人，将两种机器人的优点结合在一起，其具有很高的研 究价值。未来的机器人仅仅具有移动功能是不够的，其应还具有一定的对目标物体进行操 作的功能，肢体可W实现腿臂融合操作功能将是足式机器人单腿结构设计的趋势，近年来 对于足式机器人单腿实现操作功能的结构设计成果日益增多，典型的代表有日本东京工业 大学研制的Ti化n-IX机器人、日本大阪大学工程科技研究院研制的Asterisk等，但运些机 器人的腿结构都有结构复杂，控制困难等缺点。一般在机器人物理机械结构完成后，控制系 统的构架方式对机器人能否按照预期的目标运作有很大影响。在机器人平台搭建完成的基 础上，如何方便地对机器人进行远程操作也是一个研究热点。 发明内容[0003] 针对上述问题，本发明提出一种六轮腿移动操作机器人实验平台，对六轮腿机器 人进行新的构建;其物理机械结构主要包括五条移动轮腿组件、一条腿臂操作组件及本体 组件；在物理机械结构的基础上搭建六轮腿机器人的控制系统、传感系统，并配置动力原 件。 [0005] 结构一:具有步行与轮行功能的轮腿结构，包括Ξ根腿节，W及4个驱动舱机。令 Ξ根腿节分别为第一腿节、第二腿节、第Ξ腿节，4个驱动舱机分别为第一舱机、第二舱机、 第Ξ舱机、第四舱机。其中，第一腿节一端固定安装在第一舱机的输出轴上，形成髓关节;第 一舱机输出轴轴线与水平面垂直，由第一舱机驱动第一腿节横向摆动。第二舱机固定安装 于第一腿节另一端，第二舱机输出轴与第二腿节一端固定，形成膝关节;第二舱机输出轴轴 线与第一舱机输出轴轴线垂直，由第二舱机驱动第二腿节纵向摆动。第二腿节另一端与第 Ξ舱机输出轴固定，形成踩关节;第Ξ舱机输出轴轴线与第二舱机输出轴轴线平行，由第Ξ 舱机驱动第Ξ腿节纵向摆动。第四舱机位于第Ξ腿节中部，第四舱机的输出轴轴线与第Ξ 舱机输出轴轴线平行，第四舱机输出轴上通过花键同轴固定安装有轮子，通过第四舱机驱 动轮子转动;第Ξ腿节另一端安装有足地检测机构，用于单腿结构与地面间的接触，同时可 实现足地接触状态的检测。 [0006] 结构二:具有步行及操作功能的腿臂操作结构，在结构一的基础上去掉第四舱机 与轮子；同时去掉第Ξ腿节与足地检测机构，并分别由执行器连接件与末端执行器替换，贝U 末端执行器通过执行器连接件与第Ξ舱机固连，具体连接方式为:执行器连接件采用可替 换接口的执行器连接件，使执行器连接件可连接末端执行器。 [0007] 机器人本体内部由隔板分割为四层，由上至下依次为传感层、驱动层、控制层及动 力层，用于安装控制系统。其中，传感层上安装有Xtion PRO LIVE摄像头与IMU;Xtion PRO LIVE摄像头用来采集环境信息，实现同时定位及地图创建，W及获取人的信息，用于人机交 互。IMU用于获得机器人的自身姿态，辅助定位和创建环境地图。驱动层上安装有六块舱机 驱动板，分别用于控制6条单腿结构上的各个舱机运动。控制层上安装有主控板，实现通讯 管理、传感器数据采集、数据处理与驱动管理等功能。动力层上安装有电池盒，电池盒内安 装机器人供电电池。 [0008] 机器人本体与远程控制端进行无线通信，由远程控制端进行控制。远程控制端具 有安全认证模块、音视频播放模块、操控模块与信息显示模块。各个模块均分为前端与后 台；前端为人机交互接口；后台负责网络通信、数据处理。其中，安全认证模块用于获取用户 输入的用户信息，经后台封装成数据包发送至机器人的控制主控板中，由主控板反馈登录 结果至安全认证模块进行显示。音视频播放模块通过后台接收Xtion PRO LIVE摄像头返回 的声音信息和相机采集的图像，经后台解码后在音视频播放模块中进行显示。信息显示模 块接收IMU返回的六组机器人传感信息，如姿态、关节角度和关节力矩信息用于显示六足 机器人传感信息。操控模块由运动控件组成，可控制机器人运动；同时可W设置机器人行进 模式。 [0009] 本发明的优点在于： [0010] 1、本发明六轮腿移动操作机器人实验平台，兼具步行轮行功能，对路面环境的适 应性较好，并且具有特殊的操作腿，可配置不同的末端执行器完成不同任务需求； [0012] 3、本发明六轮腿移动操作机器人实验平台的控制不再仅仅局限于PC端，还可使用 普通手机、平板电脑等进行控制，由于手机端、平板端Amlroid控制软件的拓展，使机器人的 控制更加方便。附图说明 [0013] 图1为本发明六轮腿移动操作机器人实验平台整体结构示意图； [0014] 图2为本发明六轮腿移动操作机器人实验平台中结构一的单腿结构示意图； [0015] 图3为单腿结构中舱机与腿节间的安装方式示意图； [0016] 图4为本发明六轮腿移动操作机器人实验平台中结构二的单腿结构示意图； [0017] 图5为本发明六轮腿移动操作机器人实验平台站立时单腿结构示意图； [0018] 图6为本发明六轮腿移动操作机器人实验平台中轮行时单腿结构示意图； [0019] 图7为本发明六轮腿移动操作机器人实验平台中机器人主体结构示意图； [0022] 1-机器人本体 2-单腿结构 3-舱盘 [0023] 4-伸出轴 5-轴承 6-轮子 [0024] 7-执行器连接件 8-末端执行器 9-Xtion PRO LIVE摄像头 [0027] 101-外壳 102-周边罩 201-第一腿节[002引 202-第二腿节 203-第Ξ腿节 204-第一舱机 [00巧]205-第二舱机 206-第Ξ舱机 207-第四舱机 [0030] 208-足地检测机构 901-底座 902-倒U型支架 具体实施方式[0031 ]下面结合附图对本发明做进一步详细说明。 [0032] 本发明六轮腿移动操作机器人实验平台，包括机器人本体及6条机器人单腿结 构2,如图1所示，6条机器人单腿结构2周向均匀安装于机器人本体1上。 [0033] -般机器人步行时为了实现足端在空间中的自由移动，单腿结构2自由度至少为 3,机器人单腿结构2自由度越多，腿就越灵活，但其设计、控制难度和腿的质量将逐步地增 大。本发明中6条机器人单腿结构2均采用Ξ个舱机输出Ξ个自由度，实现基本步行功能。 [0034] 本发明中单腿结构2按功能类型设计为两种结构： [0035] 结构一为具有步行与轮行功能的轮腿结构，如图2所示，具有Ξ根腿节，W及4个驱 动舱机。令Ξ根腿节分别为第一腿节、第二腿节、第Ξ腿节，4个驱动舱机分别为第一舱机、 第二舱机、第Ξ舱机、第四舱机。其中，第一腿节一端固定安装在第一舱机的输出轴上，形成 髓关节;第一舱机204输出轴轴线与水平面垂直，由第一舱机204驱动第一腿节201横向摆 动。第二舱机205固定安装于第一腿节201另一端，第二舱机205输出轴与第二腿节202-端 固定，形成膝关节;第二舱机205输出轴轴线与第一舱机204输出轴轴线垂直，由第二舱机 205驱动第二腿节202纵向摆动。第二腿节202另一端与第Ξ舱机206输出轴固定，形成踩关 节;第Ξ舱机206输出轴轴线与第二舱机205输出轴轴线平行，由第Ξ舱机206驱动第Ξ腿节 203纵向摆动。 [0036] 对于上述髓关节、膝关节与踩关节处的舱机与第一腿节201、第二腿节202、第Ξ腿 节203间的连接方式相同，如图3所示，其中舱机输出轴上通过螺钉固定安装有舱盘3,舱盘3 嵌入腿节的端部一侧连接位上设计的凹槽内定位;舱机的输出轴同轴固定安装有伸出轴4， 伸出轴4端部通过轴承5与腿节端部另一侧连接位相连。由此舱机通过上述连接方式将动力 传递至腿节，减少了轴承的使用，达到减重的目的。 [0037] 上述第Ξ腿节203设计为向机器人主体1方向弯曲，弯曲夹角为140度;使第四舱机 207位于弯曲处，第四舱机207的输出轴轴线与第Ξ舱机203输出轴轴线平行，第四舱机207 输出轴上通过花键同轴固定安装有轮子6,通过第四舱机207驱动轮子6转动。 [0038] 第Ξ腿节203另一端安装有足地检测机构208,用于单腿结构2与地面间的接触，同 时可实现足地接触状态的检测。上述足地检测机构208可采用公开号为CN104816766A的发 明专利中公开的一种适用于腿式机器人的足端触地检测机构，运种足地接触检测装置实质 是在足端安装接触开关。 [0039] 结构二为具有步行及操作功能的腿臂操作结构，如图4所示，在结构一的基础上去 掉第四舱机207与轮子6;同时去掉第Ξ腿节203与足地检测机构208,并分别由执行器连接 件7与末端执行器8替换，则末端执行器8通过执行器连接件7与第Ξ舱机206固连，具体连接 方式为:执行器连接件7采用可替换接口的执行器连接件，使执行器连接件7可连接不同结 构形式的末端执行器8。末端执行器8根据操作任务具体选择，如:在核福射区域需夹持某物 体，末端执行器8可采用夹持结构，便可控制机器人完成夹持操作；如需让机器人剪断某物 体，则末端执行器8采用剪切结构，便可控制机器人将特定物体剪断。本发明中将末端执行 器8设计为夹持结构。末端执行器8由小型电机进行驱动，完成相应的操作任务。 [0040] 在上述结构一和结构一的单腿结构2与机器人本体间的安装方式相同，直接将第 一舱机204固定与机器人本体1上即可；而6条腿的结构选择上，可选择5个结构一的单腿结 构2与1个结构二的单腿结构2;则当机器人进行步行前进时，6条单腿结构2的支撑形式根据 不同的关节位姿也不尽相同，根据仿生学原理，仿制蜂卿步行时的单腿支撑构型，如图5所 示，由第一舱机201、第二舱机202、第Ξ舱机203分别驱动髓关节、膝关节和踩关节转动，调 节Ξ个关节的位姿，实现单腿结构2的前后摆动或纵向移动，按照不同的步态前进；同时，结 构二的单腿结构2中末端执行器8作为步行足足端来支撑机器人进行行走。6条腿的结构选 择上，也可采用4个结构一和2个结构二的单腿结构2,通过2个结构二的单腿结构2实现双肢 体协调操作。当机器人进行轮行前进时，可驱动其中至少3个单腿结构2中膝关节及踩关节 转动改变单腿结构2的构型，使单腿结构2中的轮子6着地，如图6所示，实现轮行运动。 [0041] 所述机器人本体1由外壳101、周边罩102构成，如图7所示;均使用3D打印制作，材 料为塑料，质量较轻硬度适宜，并且加工周期短，便于机器人本体1的造型控制。周边罩102 加装于外壳101外部，周向上预留单腿结构2的安装口；周边罩102用于保护外壳101及外壳 101内部控制系统。上述机器人本体1中，外壳101采用近圆柱体，且内部由具有减重孔的侣 合金板分割为四层，如图8所示，由上至下依次为传感层、驱动层、控制层及动力层，用于安 装控制系统。 [0042] 其中，传感层上安装有Xtion PRO LIVE摄像头9、IMU(惯性导航单元）10;Xtion PRO LIVE摄像头9位于外壳101外部，其底座901位于传感器层内，固定安装在倒U型支架 902上，倒U型支架902固定在传感层上表面。IMU10固定于传感器层上，位于倒U型支架902 内，由此实现紧凑设计，减少机器人的体积。上述Xtion PRO LIVE摄像头9有两个作用:一是 采集环境信息，实现同时定位及地图创建（Simultaneous Localization and Mapping， SLAM,同时定位及地图创建）；二是获取人的信息，用于人机交互。Xtion PRO LIVE摄像头9 包含2个相机，分别为一个RGB相机及一个深度相机;深度相机有效距离在0.8m至3.5m之间。 另外Xtion PRO LIVE摄像头9两侧的麦克组成麦克阵列，能够有效地获取环境中的声音信 息，可用于实现语音控制等自然人机交互方式。IMU10采用惯性导航单元，用于获得机器人 的自身姿态，辅助定位和创建环境地图。本发明中IMU10采用MTI-300AHRS，能输出Ξ轴线加 速度、Ξ轴角速度、Ξ轴偏角，内部采用突破性的传感器融合算法XEE(Xsens Estimation 化gine)，一定程度上克服了 Kalman滤波的限制，性能接近于光学巧螺仪。 [0043] 驱动层上安装有六块舱机驱动板11，分别用于控制6条单腿结构2上的各个舱机运 动。六块舱机驱动板11并排设置在驱动层上表面上，可W实现并行计算，实时性好。 [0044] 控制层上安装有主控板12,主控板12为机器人的控制中屯、，可实现通讯管理、传感 器数据采集、数据处理、驱动管理等功能。主控板12采用MI0-2263系列嵌入式单板电脑，为 搭载嵌入式化松颇CeleronJ1900四核处理器的工业级嵌入式单板电脑。主控板12为x86架 构，对各类软硬件具有良好的兼容性，同时其较高的性能可W满足大运算量需求，并且使用 R0S框架进行开发。 [0045] 动力层上安装有电池盒13,电池盒13安装有一块12V裡电池和一块7.4V裡电池，使 机器人不用外接电源，独立自主，扩大机器人适用范围。 [0046] 上述控制层上还设计有充电接口 14与电源开关15;充电导线两端分别与充电接口 14和动力层中两块裡电池相连；由此使外接电源通过充电接口 14来为裡电池充电。电源开 关15来用来控制每条单腿结构2中的各个舱机及主控板12的上电下电。 [0047] 本发明在wlan无线网络环境下，与远程控制端(手机端或平板端)进行无线通信， 由远程控制端进行控制。控制端采用Amlroid系统，设计有控制模块;控制模块包括安全认 证模块、音视频播放模块、操控模块、信息显示模块，如图9所示。控制端中各个模块均分为 前端与后台。前端为人机交互接口；后台负责网络通信、数据处理。其中，安全认证模块用于 获取用户输入的用户信息，经后台封装成数据包发送至机器人的控制主控板12中，由主控 板反馈登录结果至安全认证模块进行显示。音视频播放模块通过后台接收六足机器人中 Xtion PRO LIVE摄像头返回的声音信息和相机采集的图像，经后台解码后在音视频播放 模块中进行显示。信息显示模块接收IMU返回的六组机器人传感信息，如姿态、关节角度和 关节力矩信息用于显示六足机器人传感信息，如姿态、关节角度和关节力矩。操控模块由多 个控件组成，可控制六足机器人前进、后退、左转、右转、暂停、停止等动作。同时可W设置机 器人行进模式，如腿式行进模式或轮式行进模式。 |
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