多自由度脊柱关节四足机器人及其刚度自适应控制方法技术

本发明专利技术公开了多自由度脊柱关节四足机器人及其刚度自适应控制方法，包括躯干,多自由度脊柱关节和机械腿；前躯干通过多自由度脊柱关节与后躯干连接，通过多自由度脊柱关节实现前躯干相对于后躯干进行俯仰与横滚运动；多自由度脊柱关节设置为三个关节，包含两个俯仰关节与一个横滚关节，每个关节均包含刚度自适应主动调节组件，所述多自由度脊柱关节与前后躯干铰接；机械腿设置为四组，本发明专利技术能够融合机体多传感器系统感知自身姿态以及周围地形的复杂变化，通过相关信息计算出各关节需要的刚度，可以减少地面对机器人的剧烈冲击，减小关节电机损耗，使机器人保持运动的稳定性，防止由于不规则地形空间变化或者环境扰动导致的倾覆问题。倾覆问题。倾覆问题。

【技术实现步骤摘要】
多自由度脊柱关节四足机器人及其刚度自适应控制方法


[0001]本专利技术涉及机器人
，具体涉及多自由度脊柱关节四足机器人及其刚度自适应控制方法。

技术介绍

[0002]近年来机器人技术有了很大的发展，尤其是足式机器人，相比于轮式、履带式移动机器人，足式机器人具有显著的灵活性、越障能力以及环境适应能力。足式机器人一般分为两足式、四足式、六足式、八足式等，其中四足机器人结构简单，具有良好的灵活性、承载能力和稳定性，在抢险救灾、探险勘测、娱乐及军事等多方面有很好的应用前景。
[0003]目前，国内外四足机器人研究平台有很多，市场上也开始出现许多四足机器人产品，但是现有的四足机器人大多数采用刚性躯干作为机身，这种设计方式结构与控制简单，但是确与动物自身特性相去甚远，科研人员在观察猎豹的运动模式时发现，猎豹能够具备高速运动能力很大一部分与脊柱的协调运动有关。
[0004]因此研究具有脊柱关节的刚度自适应四足机器人变得更为关键。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题中的至少之一，本专利技术提供多自由度脊柱关节四足机器人，可以提高机器人动作的灵活性，同时减少高速运动中产生的冲击。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]多自由度脊柱关节四足机器人包括躯干,多自由度脊柱关节和机械腿。所述躯干包括前躯干与后躯干。所述前躯干通过多自由度脊柱关节与后躯干连接，通过多自由度脊柱关节实现前躯干相对于后躯干进行俯仰与横滚运动。
[0008]进一步的，所述多自由度脊柱关节设置为三个关节，包含两个俯仰关节与一个横滚关节，每个关节均包含刚度自适应主动调节组件，所述多自由度脊柱关节与前后躯干铰接。
[0009]进一步的，所述机械腿设置为四组，采用全肘式配置在前躯干与后躯干，每组机械腿包含一个侧摆关节组件，一个髋部关节组件，一个膝部关节组件，每个组件均包含刚度自适应主动调节组件，通过侧摆关节组件实现大小腿侧摆动作，通过髋部关节组件实现大腿转动，通过膝部关节组件实现小腿转动。
[0010]进一步的，所述前躯干包括前躯干前板，前躯干左板，前躯干右板，前躯干底板，前躯干后板，其中前躯干前板，前躯干后板与前躯干左板，前躯干后板通过螺钉固定连接，前躯干后板与所述多自由度脊柱关节固定连接，前躯干前板，前躯干后板，前躯干左板，前躯干右板均安装在前躯干底板上。
[0011]进一步的，所述前躯干还包括电池，前躯干控制系统，前躯干惯性测量单元，摄像头。电池，前躯干控制系统，前躯干惯性测量单元均固定安装在前躯干底板上方，摄像头固定安装在前躯干前板上。
[0012]进一步的，所述后躯干包括后躯干前板，后躯干左板，后躯干右板，后躯干底板，后躯干后板，其中后躯干前板，后躯干后板与后躯干左板，后躯干后板通过螺钉固定连接，后躯干前板与所述多自由度脊柱关节固定连接，后躯干前板，后躯干后板，后躯干左板，后躯干右板均安装在后躯干底板上。
[0013]进一步的，所述后躯干还包括后躯干控制系统，后躯干惯性测量单元。后躯干控制系统，后躯干惯性测量单元均固定安装在后躯干底板上方。
[0014]进一步的，所述多自由度脊柱组件具体包括前躯干俯仰电机，前躯干俯仰变刚度组件，前躯干俯仰关节连接件，横滚关节电机，后躯干俯仰关节连接件，后躯干俯仰变刚度组件，后躯干俯仰电机。所述前躯干俯仰电机固定端通过螺栓安装在所述前躯干后板上，所述前躯干俯仰变刚度组件与所述前躯干俯仰电机输出端通过螺栓连接，与所述俯仰关节连接件通过螺栓固定连接，所述横滚关节电机固定端与所述俯仰关节连接件通过螺栓固定连接，输出端与后躯干俯仰关节连接件通过螺栓固定连接，所述后躯干俯仰变刚度组件与所述后躯干俯仰关节连接件通过螺栓固定连接，与所述后躯干俯仰电机输出端通过螺栓固定连接，所述后躯干俯仰电机与所述后躯干前板通过螺栓固定安装。
[0015]进一步的，所述机械腿具体包括躯干连接件，侧摆电机，侧摆连接件，髋部电机，髋部变刚度组件，大腿板，膝部电机，膝部变刚度组件，小腿板，球状足端，磁编码器，磁铁。所述侧摆电机固定端通过螺栓安装在所述躯干连接件上，所述磁编码器通过螺钉固定在所述侧摆电机固定端上，所述磁铁通过胶接固定在所述侧摆电机轴上，所述侧摆连接件通过螺栓固定安装在所述侧摆电机输出端，所述髋部电机固定端通过螺栓安装在所述侧摆电机连接件上，所述磁编码器通过螺钉固定在所述髋部电机固定端上，所述磁铁通过胶接固定在所述髋部电机轴上，所述髋部变刚度组件固定安装在所述髋部电机输出端，所述大腿板与所述髋部变刚度组件固定连接，所述膝部电机固定端通过螺栓安装在所述大腿板上，所述磁编码器通过螺钉固定在所述膝部电机固定端上，所述磁铁通过胶接固定在所述膝部电机轴上，所述膝部变刚度组件固定端通过螺栓安装在所述膝部电机输出端，所述小腿板与所述膝部变刚度组件外壳通过螺栓固定连接，所述球状足端通过胶接在小腿板末端。
[0016]进一步的，所述刚度自适应主动调节组件包括壳体、动力输入端和变刚度调节组件，动力输出端。所述壳体包括与动力输入端连接的变刚度关节底座和保护变刚度组件的变刚度关节壳体。所述动力输入端用于驱动动力输出端围绕其回转中心进行转动，其包括关节电机组件，电机输出法兰盘，组件由电机和减速器组成。
[0017]进一步的，所述变刚度调节组件用于根据动力输出端的实际需要调节关节的刚度值，其包括一个卷簧底座，设置在所述变刚度关节底座上，与所述关节电机输出轴通过螺栓固定连接；一个卷簧，设置在所述底座中；卷簧连接件，与卷簧中心连接，可以绕中心轴转动并带动卷簧进行刚度调节；一对蜗轮蜗杆，蜗轮与卷簧连接件通过键连接，带动卷簧连接件旋转，蜗杆通过轴承安装在所述变刚度关节底座上，与所述蜗杆啮合；一个电机安装座，通过螺钉固定安装在所述变刚度关节底座上。一个刚度调节电机，设置在所述电机安装座上，与所述蜗杆通过同步带轮连接。其中所述卷簧连接件下端轴设有连接槽，与卷簧中心输入端连接，上端轴与所述蜗轮通过平键连接，由蜗轮带动连接件，并通过连接槽顺时针旋转带动卷簧向内卷曲增大刚度，逆时针旋转使卷簧向外扩张减小刚度。其中所述卷簧底座上设有安装槽，与卷簧外圈折弯处输出端固定连接，可以由卷簧带动动力输出端旋转。
[0018]进一步的，所述球状足端表面设置有橡胶软垫部件。
[0019]进一步的，所述橡胶软垫部件上贴有足端压力传感器，与所述橡胶软垫部件采用胶接的方式。
[0020]进一步的，所述四足机器人根据摄像头，足端传感器，惯性测量单元，前、后躯干控制系统等部件共同工作，融合采集到的信息，计算出机器人前方地形的地形落差高度h1等信息，再计算出所述四足机器人各变刚度关节所需要的关节刚度，通过控制多自由度脊柱关节使前后躯干蜷缩运动降低重心，通过所述刚度调节电机调整所述变刚度关节内部卷簧扭转量，来动态调整脊柱以及各腿部关节的刚度，在落地后，利用足端压力传感器感知地面对机器人足端冲击力，结合所述摄像头及惯性测量单元等采集到的信息，再次调整关节刚度，以应对高速运动或高落差地形中，复杂凹凸不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.多自由度脊柱关节四足机器人，其特征在于，包括躯干、多自由度脊柱关节及机械腿；所述躯干包括前躯干及后躯干，所述前躯干通过多自由度脊柱关节与后躯干连接，通过多自由度脊柱关节实现前躯干相对于后躯干进行俯仰与横滚运动；所述机械腿设置为四组，并分别配置在前躯干与后躯干上。2.根据权利要求1所述的多自由度脊柱关节四足机器人，其特征在于，所述多自由度脊柱关节设置为三个关节，包含前躯干俯仰关节、后躯干俯仰关节及横滚关节，所述前躯干俯仰关节与后躯干俯仰关节之间通过横滚关节连接；所述前躯干俯仰关节、后躯干俯仰关节分别与前躯干、后躯干铰接。3.根据权利要求1所述的多自由度脊柱关节四足机器人，其特征在于，所述机械腿采用全肘式，每组机械腿包含侧摆关节组件、髋部关节组件及膝部关节组件，通过侧摆关节组件实现大小腿侧摆动作，通过髋部关节组件实现大腿转动，通过膝部关节组件实现小腿转动。4.根据权利要求1所述的多自由度脊柱关节四足机器人，其特征在于：所述前躯干包括前躯干前板，前躯干左板，前躯干右板，前躯干底板，前躯干后板，其中前躯干前板，前躯干后板与前躯干左板，前躯干后板通过螺钉固定连接，前躯干后板与所述多自由度脊柱关节固定连接，前躯干前板，前躯干后板，前躯干左板，前躯干右板均安装在前躯干底板上；前躯干还包括电池、前躯干控制系统、前躯干惯性测量单元及摄像头；所述电池、前躯干控制系统及前躯干惯性测量单元均固定安装在前躯干底板上方，摄像头固定安装在前躯干前板上。5.根据权利要求1所述的多自由度脊柱关节四足机器人，其特征在于：所述后躯干包括后躯干前板，后躯干左板，后躯干右板，后躯干底板，后躯干后板，其中后躯干前板，后躯干后板与后躯干左板，后躯干后板通过螺钉固定连接，后躯干前板与所述多自由度脊柱关节固定连接，后躯干前板，后躯干后板，后躯干左板，后躯干右板均安装在后躯干底板上；所述后躯干还包括后躯干控制系统、后躯干惯性测量单元；所述后躯干控制系统及后躯干惯性测量单元均固定安装在后躯干底板上方。6.根据权利要求3所述的多自由度脊柱关节四足机器人，其特征在于：所述多自由度脊柱关节中的前躯干俯仰关节包括前躯干俯仰电机、前躯干俯仰变刚度组件及前躯干俯仰关节连接件；所述后躯干俯仰关节包括后躯干俯仰变刚度组件、后躯干俯仰电机及后躯干俯仰关节连接件；所述横滚关节包括横滚关节电机；所述前躯干俯仰电机固定端通过螺栓安装在前躯干后板上，所述前躯干俯仰变刚度组件与所述前躯干俯仰电机输出端通过螺栓连接，与所述前躯干俯仰关节连接件通过螺栓固定连接，所述横滚关节电机固定端与所述前躯干俯仰关节连接件通过螺栓固定连接，输出端与后躯干俯仰关节连接件通过螺栓固定连接，所述后躯干俯仰变刚度组件与所述后躯干俯仰关节连接件通过螺栓固定连接，与所述后躯干俯仰电机输出端通过螺栓固定连接，所述后躯干俯仰电机与后躯干前板通过螺栓固定安装。7.根据权利要求6所述的多自由度脊柱关节四足机器人，其特征在于：所述机械腿的侧摆关节组件包括侧摆电机、侧摆连接件、磁编码器及磁铁；所述髋部关节组件包括髋部电机、髋部变刚度组件、大腿板、磁编码器及磁铁；所述膝部关节组件包括膝部电机、膝部变刚度组件、小腿板、球状足端、磁编码器及磁铁；所述侧摆电机固定端通过螺栓安装在躯干连接件上，所述磁编码器通过螺钉固定在所述侧摆电机固定端上，所述磁铁通过胶接固定在
所述侧摆电机轴上，所述侧摆连接件通过螺栓固定安装在所述侧摆电机输出端，所述髋部电机固定端通过螺栓安装在所述侧摆电机连接件上，所述磁编码器通过螺钉固定在所述髋部电机固定端上，所述磁铁通过胶接固定在所述髋部电机轴上，所述髋部变刚度组件固定安装在所述髋部电机输出端，所述大腿板与所述髋部变刚度组件固定连接，所述膝部电机固定端通过螺栓安装在所述大腿板上，所述磁编码器通过螺钉固定在所述膝部电机固定端上，所述磁铁通过胶接固定在所述膝部电机轴上，所述膝部变刚度组件固定端通过螺栓安装在所述膝部电机输出端，所述小腿板与所述膝部变刚度组件外壳通过螺栓固定连接，所述球状足端通过胶接在小腿板末端。8.根据权利要求7所述的多自由度脊柱关节四足机器人，其特征在于：所述前躯干俯仰变刚度组件、后躯干俯仰变刚度组件、髋部变刚度组件及膝部变刚度组件均采用刚度自适应主动调节组件，包括壳体及变刚度调节组件；所述壳体包括变刚度关节底座及变刚度关节壳体；所述变刚度调节组件包括卷簧底座、卷簧、卷簧连接件、蜗轮蜗杆、电机底座及刚度调节电机，所述卷簧底座设置在所述变刚度关节底座上且与所述关节电机输出轴通过螺栓固定连接；卷簧设置在卷簧底座中；卷簧连接件与卷簧中心连接，可绕中心轴转动并带动卷簧进行刚度调节；蜗轮蜗杆的蜗轮与卷簧连接件通过键连接，带动卷簧连接件旋转，蜗杆通过轴承安装在所述变刚度关节底座上，与所述蜗杆啮合；电机底座通过螺钉固定安装在所述变刚度关节底座上；刚度调节电机设置在所述电机底座上，与所述蜗杆通过同步带轮连接；所述卷簧连接件下端轴设有连接槽，与卷簧中心输入端连接，上端轴与所述蜗轮通过平键连接，由蜗轮带动连接件，并通过连接槽顺时针...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾青林，祝劭楦，刘元宵，宋国正，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：