專利名稱：小型仿生四足機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種機(jī)器人，尤其是一種小型仿生四足機(jī)器人。
背景技術(shù)：
機(jī)器人作為一項(xiàng)近年來(lái)飛速發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)，正在快速運(yùn)用到軍事、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。從運(yùn)動(dòng)方式來(lái)看，機(jī)器人可分為，輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人和足式機(jī)器人三類。最初，輪式或履帶式的機(jī)器人系統(tǒng)由于能夠很好地適應(yīng)平坦和堅(jiān)硬的表面(如實(shí)驗(yàn)室或公路)而廣受人們的青睞，并取得了很大的進(jìn)展。近年來(lái)，隨著人類活動(dòng)范圍的擴(kuò)大，對(duì)機(jī)器人的活動(dòng)范圍提出了更高的要求。很多情況下，機(jī)器人需要在山地等崎嶇復(fù)雜的路面上行進(jìn)，這是輪式和履帶機(jī)器人難以勝任的。20世紀(jì)60年代，隨著仿生學(xué)的出現(xiàn)，科學(xué)家基于人和動(dòng)物可以在幾乎一切路面行 走的事實(shí)，開(kāi)展了足式仿生機(jī)器人的研制。自1968年由美國(guó)通用電氣公司的Mosher研制出了世界上第一臺(tái)現(xiàn)代意義上的、具有控制功能的四足步行機(jī)器人至今，包括美國(guó)、日本、加拿大、瑞士、德國(guó)等多個(gè)國(guó)家都在不同程度上進(jìn)行了足式機(jī)器人的研究，很多成果也相繼面世。其中，美國(guó)波士頓動(dòng)力公司研制的BigDog已經(jīng)可以成功地實(shí)現(xiàn)不同的步態(tài),如Walk步態(tài)、Trot步態(tài)和Bound步態(tài)，還可以負(fù)載最多達(dá)154千克行進(jìn)2. 5小時(shí)，并可以在山地、冰面、廢墟等復(fù)雜路面上行走，可以看做當(dāng)今四足機(jī)器人發(fā)展的最高成就。此外，美國(guó)波士頓動(dòng)力公司與多家機(jī)構(gòu)共同研制的AlphaDog也已經(jīng)進(jìn)入戶外測(cè)試階段,其性能較BigDog也會(huì)有較大提升。此外，在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)、山東大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和華中科技大學(xué)等高校也在從事四足仿生機(jī)器人的研發(fā)工作，并取得了一定的成果。2011年2月發(fā)表于《機(jī)械》的文獻(xiàn)《舵機(jī)驅(qū)動(dòng)仿生四足機(jī)器人設(shè)計(jì)》一文中提出過(guò)用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人的想法，但其機(jī)器人的自由度相對(duì)較少，也未提及具體的步態(tài)實(shí)施方案，在較為復(fù)雜的地面運(yùn)動(dòng)以及步態(tài)的靈活性上(尤其是轉(zhuǎn)彎時(shí))還略顯不足。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種小型仿生四足機(jī)器人，此機(jī)器人基于仿生學(xué)原理，自帶控制器，并以舵機(jī)為執(zhí)行器，模擬四足哺乳動(dòng)物的步態(tài)和腿部結(jié)構(gòu)，具備步態(tài)靈活，行動(dòng)穩(wěn)定，控制方式相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可以靈活的實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用下述技術(shù)方案一種小型仿生四足機(jī)器人，包括軀干，所述軀干上設(shè)有控制系統(tǒng)和電源，控制系統(tǒng)和電源相連，軀干下部設(shè)有四條腿，每條腿上均有三個(gè)自由度，分別處于膝蓋處的一個(gè)自由度和髖關(guān)節(jié)處的兩個(gè)自由度；所述每個(gè)自由度均通過(guò)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)。所述控制系統(tǒng)采用兩層結(jié)構(gòu)，分別為電連接的上位機(jī)和下位機(jī)。所述上位機(jī)為PC機(jī)，下位機(jī)為飛思卡爾微控制單元。[0011 ] 所述電源設(shè)置于軀干和控制系統(tǒng)之間的夾層中。所述電源為L(zhǎng)i-ion電池。所述每條腿的末端均有半圓柱形橡膠墊。本實(shí)用新型的每條腿上均有三個(gè)自由度(關(guān)節(jié))，分別處于膝蓋處(ー個(gè)自由度，用于小腿的前后擺動(dòng))和髖關(guān)節(jié)處(兩個(gè)自由度，用于大腿的前后擺動(dòng)和側(cè)向擺動(dòng))。該機(jī)器人的控制器位于機(jī)器人軀體上，以電池供電，無(wú)需外部電源。電池位于機(jī)器人軀體與控制單元的夾層之中。該機(jī)器人采用步態(tài)控制的方式，可靈活實(shí)現(xiàn)多種動(dòng)靜步態(tài)(walk, trot, bound, gallop, circling gait, spinning gait 等)。步態(tài)的切換可以依4 軟 件完成，通過(guò)上位機(jī)與微控制器之間的信息傳送，可以方便的在多種步態(tài)之間進(jìn)行切換。整個(gè)控制系統(tǒng)采用兩層結(jié)構(gòu)上位機(jī)為PC機(jī)，下位機(jī)為飛思卡爾微控制單元。在工作過(guò)程中，上位機(jī)與下位機(jī)之間依照程序進(jìn)行信息的交互，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的相應(yīng)動(dòng)作。整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)具有可編程控制接ロ，可以為程序的開(kāi)發(fā)和升級(jí)提供了極大地方便。在軀干上底層電路板上的單片機(jī)插座安裝單片機(jī)，打開(kāi)撥碼開(kāi)關(guān)，電源開(kāi)關(guān)，電池通過(guò)電源接ロ給單片機(jī)供電，電源指示燈亮，單片機(jī)已起控制作用，經(jīng)過(guò)5V穩(wěn)壓片作用的蜂鳴器正常工作，同時(shí)經(jīng)過(guò)6V穩(wěn)壓片作用的數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。通過(guò)舵機(jī)接ロ與機(jī)器人四條腿相連，調(diào)節(jié)可側(cè)向旋轉(zhuǎn)的髖關(guān)節(jié)、可前后旋轉(zhuǎn)的髖關(guān)節(jié)、可前后旋轉(zhuǎn)的膝關(guān)節(jié)，機(jī)器人可以行走。在步態(tài)靈活性方面，機(jī)器人四條腿的髖關(guān)節(jié)處均添加了一個(gè)外擺的自由度，即每條腿使用三個(gè)舵機(jī)(髖關(guān)節(jié)兩個(gè)，分別用于內(nèi)外擺動(dòng)和前后擺動(dòng)，膝關(guān)節(jié)ー個(gè)，用于前后擺動(dòng))，這樣不僅更進(jìn)一歩接近了四足動(dòng)物的真實(shí)情況，而且極大程度上提高了機(jī)器人步態(tài)的靈活性。在PWM的產(chǎn)生原理方面，機(jī)器人共擁有12個(gè)自由度，需要12個(gè)舵機(jī)，因此需要12個(gè)可以產(chǎn)生PWM的輸出端ロ。本系統(tǒng)采用的是MC9S12XS128單片機(jī)，其本身具備8個(gè)PWM輸出端ロ。然而，為了達(dá)到滿意的控制精度，需要將PWM ロ兩兩級(jí)聯(lián)，因此，8個(gè)PWM輸出口只能控制四個(gè)舵機(jī)。要精準(zhǔn)控制所有的12個(gè)舵機(jī)，且不增加額外的硬件電路，則需要將部分I/O ロ通過(guò)定時(shí)器用作PWM ロ，使其輸出固定周期且寬度適宜的脈沖信號(hào)。然而，這樣會(huì)產(chǎn)生新的問(wèn)題本舵機(jī)需要20ms為周期的PWM信號(hào)，從理論上講，若利用單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生周期為0.01ms的定時(shí)中斷，在特定的時(shí)間段內(nèi)控制某I/O ロ輸出高電平或低電平，這樣就可以輸出特定占空比的PWM波，且在舵機(jī)的控制脈沖寬度(O. 5ms-2. 5ms)內(nèi)有200個(gè)等級(jí)可以調(diào)，控制精度可以保證。然而，這樣ー來(lái)，可能會(huì)由于中斷過(guò)于頻繁而導(dǎo)致程序無(wú)法正常運(yùn)行。要解決這ー問(wèn)題，可以設(shè)置兩個(gè)中斷ー個(gè)周期為IOms的大中斷，ー個(gè)周期為O. Olms小中斷。在程序運(yùn)行時(shí)，每隔ー個(gè)IOms的大中斷，使能一次小中斷。這樣ー來(lái)，每?jī)蓚€(gè)大中斷構(gòu)成ー個(gè)20ms的周期，且在ー個(gè)周期特定的半周上產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。本實(shí)用新型為電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的小型仿生四足機(jī)器人，此機(jī)器人基于仿生學(xué)原理，自帶控制器，并以舵機(jī)為執(zhí)行器，模擬四足哺乳動(dòng)物的步態(tài)和腿部結(jié)構(gòu)，具備步態(tài)靈活，行動(dòng)穩(wěn)定，控制方式相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可以靈活的實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作。使用功率較小的舵機(jī)代替液壓裝置可以大幅減小機(jī)器人主體的體積和重量及其能量消耗。此外，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，機(jī)器人的電池等能源機(jī)構(gòu)全部置于機(jī)器人上，大大提高了機(jī)器人的活動(dòng)范圍和靈活性。該機(jī)器人可以應(yīng)用于教學(xué)、娛樂(lè)等領(lǐng)域，并且可以作為一個(gè)成本低廉的試驗(yàn)平臺(tái)，以供對(duì)大型四足機(jī)器人的步態(tài)等進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究。機(jī)器人模仿四足哺乳動(dòng)物(如貓、狗等)的腿部結(jié)構(gòu)，在步態(tài)實(shí)現(xiàn)上采用位置控制的方式。系統(tǒng)采用兩塊Li-ion電池供電，位于機(jī)器人軀體上，不占用額外的空間，使得整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)顯得緊湊。軀體的運(yùn)動(dòng)控制以飛思卡爾微控制器為控制核心，控制器及外圍電路全部集成在機(jī)器人的軀體上，既滿足了系統(tǒng)的小型化，又保證了系統(tǒng)的可靠性。

圖I是本實(shí)用新型單條腿結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型電源控制關(guān)系圖；·圖4是PWM輸出波形圖；圖5是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；其中I.軀干，2.髖關(guān)節(jié)自由度(舵機(jī))，3.膝關(guān)節(jié)自由度(舵機(jī))。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1-5所示，小型仿生四足機(jī)器人，包括軀干1，所述軀干I上設(shè)有控制系統(tǒng)和電源，控制系統(tǒng)和電源相連，軀干I下部設(shè)有四條腿，每條腿上均有三個(gè)自由度(關(guān)節(jié))，分別處于膝蓋處(一個(gè)膝關(guān)節(jié)自由度3，用于小腿的前后擺動(dòng))和髖關(guān)節(jié)處(兩個(gè)髖關(guān)節(jié)自由度2，用于大腿的前后擺動(dòng)和側(cè)向擺動(dòng))。每個(gè)自由度均通過(guò)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)。每條腿的結(jié)構(gòu)如圖I所示，其中
LI 33mmL2 50mmL3 55mm控制系統(tǒng)采用兩層結(jié)構(gòu)，分別為電連接的上位機(jī)和下位機(jī)。上位機(jī)為PC機(jī)，下位機(jī)為飛思卡爾微控制單元。在工作過(guò)程中，上位機(jī)與下位機(jī)之間依照程序進(jìn)行信息的交互，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的相應(yīng)動(dòng)作。該機(jī)器人的控制器位于機(jī)器人軀體上，以電池供電，無(wú)需外部電源。電源為L(zhǎng)i-ion電池。電池位于機(jī)器人軀體與控制單元的夾層之中。每條腿的末端均有半圓柱形橡膠墊。該機(jī)器人采用步態(tài)控制的方式，可靈活實(shí)現(xiàn)多種動(dòng)靜步態(tài)(walk, trot, bound, gallop, circling gait, spinning gait 等)。步態(tài)的切換可以依靠軟件完成，通過(guò)上位機(jī)與微控制器之間的信息傳送，可以方便的在多種步態(tài)之間進(jìn)行切換。整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)具有可編程控制接口，可以為程序的開(kāi)發(fā)和升級(jí)提供了極大地方便。在軀干上底層電路板上的單片機(jī)插座安裝單片機(jī)，打開(kāi)撥碼開(kāi)關(guān)，電源開(kāi)關(guān)，電池通過(guò)電源接ロ給單片機(jī)供電，電源指示燈亮，單片機(jī)已起控制作用，經(jīng)過(guò)5V穩(wěn)壓片作用的蜂鳴器正常工作，同時(shí)經(jīng)過(guò)6V穩(wěn)壓片作用的數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。通過(guò)舵機(jī)接ロ與機(jī)器人四條腿相連，調(diào)節(jié)可側(cè)向旋轉(zhuǎn)的髖關(guān)節(jié)、可前后旋轉(zhuǎn)的髖關(guān)節(jié)、可前后旋轉(zhuǎn)的膝關(guān)節(jié)，機(jī)器人可以行走。在步態(tài)靈活性方面，機(jī)器人四條腿的髖關(guān)節(jié)處均添加了一個(gè)外擺的自由度，即每條腿使用三個(gè)舵機(jī)(髖關(guān)節(jié)兩個(gè)，分別用于內(nèi)外擺動(dòng)和前后擺動(dòng)，膝關(guān)節(jié)ー個(gè)，用于前后擺動(dòng))，這樣不僅更進(jìn)一歩接近了四足動(dòng)物的真實(shí)情況，而且極大程度上提高了機(jī)器人步態(tài)的靈活性。在PWM的產(chǎn)生原理方面，機(jī)器人共擁有12個(gè)自由度，需要12個(gè)舵機(jī)，因此需要12個(gè)可以產(chǎn)生PWM的輸出端ロ。本系統(tǒng)采用的是MC9S12XS128單片機(jī)，其本身具備8個(gè)PWM 輸出端ロ。然而，為了達(dá)到滿意的控制精度，需要將PWM ロ兩兩級(jí)聯(lián)，因此，8個(gè)PWM輸出口只能控制四個(gè)舵機(jī)。要精準(zhǔn)控制所有的12個(gè)舵機(jī)，且不增加額外的硬件電路，則需要將部分I/O ロ通過(guò)定時(shí)器用作PWM ロ，使其輸出固定周期且寬度適宜的脈沖信號(hào)。然而，這樣會(huì)產(chǎn)生新的問(wèn)題本舵機(jī)需要20ms為周期的PWM信號(hào)，從理論上講，若利用單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生周期為0.01ms的定時(shí)中斷，在特定的時(shí)間段內(nèi)控制某I/O ロ輸出高電平或低電平，這樣就可以輸出特定占空比的PWM波，且在舵機(jī)的控制脈沖寬度(O. 5ms-2. 5ms)內(nèi)有200個(gè)等級(jí)可以調(diào)，控制精度可以保證。然而，這樣ー來(lái)，可能會(huì)由于中斷過(guò)于頻繁而導(dǎo)致程序無(wú)法正常運(yùn)行。要解決這ー問(wèn)題，可以設(shè)置兩個(gè)中斷ー個(gè)周期為IOms的大中斷，ー個(gè)周期為
O.Olms小中斷。在程序運(yùn)行時(shí)，每隔ー個(gè)IOms的大中斷，使能一次小中斷。這樣ー來(lái)，每?jī)蓚€(gè)大中斷構(gòu)成ー個(gè)20ms的周期，且在ー個(gè)周期特定的半周上產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實(shí)用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍以內(nèi)。
權(quán)利要求1.ー種小型仿生四足機(jī)器人，其特征是，包括軀干，所述軀干上設(shè)有控制系統(tǒng)和電源，控制系統(tǒng)和電源相連，軀干下部設(shè)有四條腿，每條腿上均有三個(gè)自由度，分別處于膝蓋處的ー個(gè)自由度和髖關(guān)節(jié)處的兩個(gè)自由度；所述每個(gè)自由度均通過(guò)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)。
2.如權(quán)利要求I所述的小型仿生四足機(jī)器人，其特征是，所述控制系統(tǒng)采用兩層結(jié)構(gòu)，分別為電連接的上位機(jī)和下位機(jī)。
3.如權(quán)利要求2所述的小型仿生四足機(jī)器人，其特征是，所述上位機(jī)為PC機(jī)，下位機(jī)為飛思卡爾微控制単元。
4.如權(quán)利要求I所述的小型仿生四足機(jī)器人，其特征是，所述電源設(shè)置于軀干和控制系統(tǒng)之間的夾層中。
5.如權(quán)利要求I或4所述的小型仿生四足機(jī)器人，其特征是，所述電源為L(zhǎng)i-ion電池。
6.如權(quán)利要求I所述的小型仿生四足機(jī)器人，其特征是，所述每條腿的末端均有半圓柱形橡膠墊。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種小型仿生四足機(jī)器人，包括軀干，所述軀干上設(shè)有控制系統(tǒng)和電源，控制系統(tǒng)和電源相連，軀干下部設(shè)有四條腿，每條腿上均有三個(gè)自由度，分別處于膝蓋處的一個(gè)自由度和髖關(guān)節(jié)處的兩個(gè)自由度；所述每個(gè)自由度均通過(guò)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)。此機(jī)器人基于仿生學(xué)原理，自帶控制器，并以舵機(jī)為執(zhí)行器，模擬四足哺乳動(dòng)物的步態(tài)和腿部結(jié)構(gòu)，具備步態(tài)靈活，行動(dòng)穩(wěn)定，控制方式相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可以靈活的實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作。
文檔編號(hào)B62D57/032GK202657138SQ20122034452
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月16日
發(fā)明者張國(guó)騰, 李貽斌, 孟健, 柴匯, 劉斌 申請(qǐng)人:山東大學(xué)