一种开放式竞走机器人的制作方法
【专利摘要】本实用新型的开放式竞走机器人，包括躯干部、右腿胯部舵机、右腿膝部舵机、右腿脚部舵机、左腿胯部舵机、左腿膝部舵机、左腿脚部舵机；左腿结构与右腿结构相同；特征在于：右腿胯部舵机、右腿膝部舵机、右腿脚部舵机的壳体和输出轴与相应的U形架固定后，实现对人体的髋关节、膝关节和踝关节的模拟。本实用新型的开放式竞走机器人，将人体髋关节、膝关节和踝关节的运动简化为一个自由度，可实现竞走运动，同时使得机器人的结构得到简化，制作成本低，运动控制简单。学生通过这个平台能够了解机电产品开发的方法和流程，对提高学生的动手能力、激发学生的创造能力都有十分明显的作用。
【专利说明】一种开放式竞走机器人
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种开放式竞走机器人，更具体的说，尤其涉及一种利用三个舵机来分别模拟人体腿部的髋关节、膝关节和踝关节的开放式竞走机器人。
【背景技术】
[0002]机器人技术是一门新兴的综合性学科，涉及了机械、电子、计算机、材料、传感器、控制技术及人工智能等众多学科，体现了一个国家的智能化和自动化研究水平。双足机器人是机器家族中最重要的成员之一，它涉及仿生学、人工智能、机械创新、计算机仿真学、通讯等相关学科，在科研、生产、生活方面的价值都十分突出。双足机器人具有传统的轮式、履带式机器人的无法比拟的优越性，传统的轮式、履带式机器人在不平坦的地面工作时，会大增加其能耗，而在松软地面或者严重崎岖不平的地形上行进时，它们就举步维艰了，双足机器人在该地形的推进有独特的优越性能。双足机器人对环境的适应能力强，不仅可以在狭窄的空间中工作，还能够跨越障碍、上下台阶、甚至在不平整地面上运动，这些优势使其具有更广阔的应用前景。
[0003]竞走机器人是双足机器人中的一种，也是全国机器人大赛的指定比赛项目，在机器人设计的教与学的过程中，还没有一种有效的教学工具，能形象、直观地使学生领会竞走机器人的工作原理，并同时能提高学生的动手能力、激发学生的创造能力。
【发明内容】
[0004]本实用新型为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种利用三个舵机来分别模拟人体腿部的髋关节、膝关节和踝关节的开放式竞走机器人。
[0005]本实用新型的开放式竞走机器人，包括躯干部、右腿胯部舵机、右腿膝部舵机、右腿脚部舵机、左腿胯部舵机、左腿膝部舵机、左腿脚部舵机以及用于提供动力的蓄电池；所述机器人的左腿结构与右腿结构相同；其特别之处在于:机器人的右腿结构包括第一大U形架、第一小U形架、第二小U形架、第二大U形架和第三大U形架，第一大U形架的开口朝下且其上端固定于躯干部上；右腿胯部舵机的输出轴与第一大U形架的侧板相固定，右腿胯部舵机的壳体与第一小U形架相固定，第二小U形架固定于第一小U形架的下方且开口朝下；右腿膝部舵机位于第二小U形架的下方并与其相固定，第二大U形架的开口朝上，右腿膝部舵机的输出轴固定于第二大U形架的侧板上；第三大U形架固定于第二大U形架的下方且开口朝下，右腿脚部舵机的壳体规定与右脚底板上，右腿脚部舵机的输出轴固定于第三大U形架的侧板上。
[0006]由于机器人的作用是实现竞走，在设计时只需考虑下肢的结构即可，躯干部可用简单的平板结构来代替。左腿与右腿的结构相同，第一大U形架固定于躯干部的下方；右腿胯部舵机的输出轴与第一大U形架相固定，壳体与第一小U形架相固定，通过右腿胯部舵机的驱动，相当于人体的髋关节。第二小U形架固定于第一小U形架的下方，右腿膝部电机的壳体固定于第二小U形架的下方，输出轴与第二大U形架相固定，通过右腿膝部电机的驱动，相当于人体的膝关节。第三大U形架固定于第二大U形架的下方，右腿脚部舵机的输出轴与第三大U形架相固定，外壳固定于右脚底板上，通过右腿脚部舵机的驱动，相当于人体的踝关节在活动。
[0007]本实用新型的开放式竞走机器人，建立空间直角坐标系0-XYZ，X轴方向与竞走机器人所要行走的正前方相一致，Y轴方向与竞走机器人站立的竖直方向相一致，Z轴垂直于X轴和Y轴所在的平面并指向机器人的右侧；所述右腿胯部舵机、右腿膝部舵机、左腿胯部舵机、左腿膝部舵机的输出轴所在的方向均与Z轴的方向相一致，右腿脚部舵机、左腿脚部舵机的输出轴所在的方向均与X轴相一致。为了简化机器人的运动形式，竞走机器人的每个髋关节、膝关节和踝关节均只保留一个自由度。
[0008]本实用新型的开放式竞走机器人，包括用于控制舵机运行的电路部分，所述电路部分包括电源、单片机、无线串口通信数据模块以及上位机；电源用于提供电能，单片机产生控制舵机运行的脉冲信号，单片机通过无线串口通信数据模块与上位机相通讯。
[0009]本实用新型的开放式竞走机器人，所述蓄电池包括分别固定于躯干部左右两端的左侧蓄电池和右侧蓄电池。
[0010]本实用新型的有益效果是:本实用新型的开放式竞走机器人，通过胯部舵机、膝部舵机和脚部舵机来模拟人体的髋关节、膝关节和踝关节，并将人体髋关节、膝关节和踝关节的每处运动均简化为一个自由度，可实现竞走运动，同时使得机器人的结构得到简化，制作成本低，运动控制简单。
[0011]本实用新型的开放式竞走机器人是双足机器人中的一种，它没有上身，是双足机器人研究的理想平台，同时也是全国机器人大赛的指定比赛项目，通过本设计所搭建的教学平台，可以进行双足机器人的机构、控制及步态等方面的研究。该平台也是机电一体化方向学生机电产品实训的重要工具，学生通过这个平台能够了解机电产品开发的方法和流程，提高学生的动手能力、激发学生的创造能力都有十分明显的作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本实用新型的开放式竞走机器人的自由度配置示意图；
[0013]图2为本实用新型的开放式竞走机器人的结构示意图；
[0014]图3为本实用新型中电路部分的原理图。
[0015]图中:I躯干部，2右侧蓄电池，3左侧蓄电池，4第一大U形架，5第一大U形架，6右腿胯部舵机，7左腿胯部舵机，8第一小U形架，9第一小U形架，10第二小U形架，11第二小U形架，12右腿膝部舵机，13左腿膝部舵机，14第二大U形架，15第二大U形架，16第三大U形架，17第三大U形架，18右腿脚部舵机，19左腿脚部舵机，2 O右脚底板，21左脚底板。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
[0017]在双足竞走机器人的自由度的配置过程中，既要求自由度尽量少，也要求完成的基本动作尽量多，同时机器人运动要求尽量自然美观。机器人按照设计要求，该机器人要完成直线行走及向前、向后的翻跟斗等动作，不需要进行转变等复杂动作，因此只需要在每条腿配置3个自由度即可。人体的髋关节虽然有3个自由度，本设计只需要控制前向运动的自由度，所以髋关节简化为一个前向运动的自由度；膝关节按照运动的要求配置一个前向运动的自由度；踝关节只需要完成侧向运动，因而配置一个控制侧向运动的自由度，保证机器人行走过程中的平衡。因此双足竞走机器人自由度的配置为髋关节、膝关节、踝关节各一个自由度，自由度配置图1所示。
[0018]如图2所示，给出了本实用新型的开放式竞走机器人的结构示意图，其包括躯干部1、右侧蓄电池2、左侧蓄电池3，形成右腿结构的第一大U形架4、右腿胯部舵机6、第一小U形架8、第二小U形架10、右腿膝部舵机12、第二大U形架14、第三大U形架16、右腿脚部舵机18、右脚底板20，以及形成左腿结构的第一大U形架5、左腿胯部舵机7、第一小U形架9、第二小U形架11、左腿膝部舵机13、第二大U形架15、第三大U形架17、左腿脚部舵机19、左脚底板21。由于竞走机器人只涉及腿部的运动，不涉及人体躯干和头部的运动，因此躯干部I采用简单的平板结构即可；右侧蓄电池2、左侧蓄电池3固定于躯干部I下方的两侧。
[0019]由于左腿结构与右腿结构相同，下面只对左腿的结构进行分析，所示左腿上的第一大U形架4固定于躯干部I的下方，第一大U形架5的开口朝下，左腿膝部舵机7的输出轴固定于第一大U形架5的侧板上，第一小U形架9位于左腿膝部舵机7的下方并与其壳体相固定，这样，通过左腿胯部舵机7的转动，即可实现第一大U形架5和躯干部I的同时转动，相当于形成了人体的髋关节。所示的第二小U形架11位于第一小U形架9的下方并与之相固定，左腿膝部舵机13位于第二小U形架11的下方，第二大U形架15位于左腿膝部舵机15的下方；左腿膝部舵机13的壳体与第二小U形架相固定，左腿膝部舵机13的输出轴与第二大U形架15相固定；通过左腿膝部舵机13的转动，可驱使左腿膝部舵机13及其以上部位相对于第二大U形架15发生转动，相当于人体的膝关节。所示的第三大U形架17固定于第二大U形架15的下方且开口朝下，左脚底板21位于第三大U形架17的下方，左腿脚部舵机19的壳体固定于左脚底板21上,左腿脚部舵机19的输出轴固定于第三大U形架17上，通过左腿脚部舵机19的转动，可驱使第三大U形架及其上方部件相对于左脚底板21转动,相当于人体的踝关节。
[0020]建立空间直角坐标系0-XYZ，X轴方向与竞走机器人所要行走的正前方相一致，Y轴方向与竞走机器人站立的竖直方向相一致，Z轴垂直于X轴和Y轴所在的平面并指向机器人的右侧；则右腿胯部舵机6、右腿膝部舵机12、左腿胯部舵机7、左腿膝部舵机13的输出轴所在的方向均与Z轴的方向相一致，右腿脚部舵机18、左腿脚部舵机19的输出轴所在的方向均与X轴相一致。
[0021]如图3所示，给出了本实用新型中电路部分的原理图，所示的电源用于给各个舵机、单片机的工作提供稳定的电源，单片机发出PWM脉冲信号对舵机的转动角度进行控制。单片机通过无线串口通信数据模块与上位机通信，单片机根据接收的上位机的控制指令对舵机的运行进行控制，还可将运行状态信息上传至上位机。
[0022]双足竞走机器人前进，后退，前翻，后翻，【具体实施方式】如下:
[0023]在双足竞走机器人向前行走方式中:开始时双足竞走机器人处于立正状态，右腿脚部舵机18输出轴逆时针旋转40度同时左腿脚部舵机19输出轴逆时针旋转25度(右腿脚部舵机18、左腿脚部舵机19输出轴旋转方向的判断，均是沿垂直于纸面向里的方向看去)，此刻双足竞走机器人向左偏，右腿胯部舵机6输出轴顺时针旋转50度、左腿胯部舵机7输出轴顺时针旋转50度、右腿膝部舵机12输出轴顺时针旋转50度、左腿膝部舵机13输出轴顺时针旋转50度(右腿胯部舵机6、右腿膝部舵机12输出轴的转动方向，均是从右向左看去的方向来判断；左腿胯部舵机7左腿膝部舵机13输出轴的转动方向，均是从左向右看去的方向来判断)，与此同时右腿脚部舵机18输出轴顺时针旋转40度左腿脚部舵机19输出轴顺时针旋转25度，完成从立正到右腿向前跨一步称为动作一；右腿脚部舵机18输出轴顺时针旋转25度同时左腿脚部舵机19输出轴顺时针旋转40度，此刻双足竞走机器人向右偏，右腿胯部舵机6输出轴逆时针旋转100度、左腿胯部舵机7输出轴逆时针旋转100度、右腿膝部舵机12输出轴逆时针旋转100度、左腿膝部舵机13输出轴逆时针旋转100度，同时右腿脚部舵机18输出轴逆时针旋转25度同时左腿脚部舵机19输出轴逆时针旋转40度，完成左腿向前跨一步称为动作二，右腿脚部舵机18输出轴逆时针旋转40度同时左腿脚部舵机19输出轴逆时针旋转25度，此刻双足竞走机器人向左偏，右腿胯部舵机6输出轴顺时针旋转100度、左腿胯部舵机7输出轴顺时针旋转100度、右腿膝部舵机12输出轴顺时针旋转100度、左腿膝部舵机13输出轴顺时针旋转100度，同时右腿脚部舵机18输出轴顺时针旋转40度左腿脚部舵机19输出轴顺时针旋转25度，完成右腿再向前跨一步称为动作三，动作二与动作三循环执行即可完成双足竞走机器人向前行走的动作。
[0024]在双足竞走机器人向后行走方式中:开始时双足竞走机器人处于立正状态，右腿脚部舵机18输出轴逆时针旋转40度同时左腿脚部舵机19输出轴逆时针旋转25度，此刻双足竞走机器人向左偏，右腿胯部舵机6输出轴逆时针旋转50度、左腿胯部舵机7输出轴逆时针旋转50度、右腿膝部舵机12输出轴逆时针旋转50度、左腿膝部舵机13输出轴逆时针旋转50度，同时右腿脚部舵机18输出轴顺时针旋转40度左腿脚部舵机19输出轴顺时针旋转25度，完成从立正到右腿向后跨一步称为动作一，右腿脚部舵机18输出轴顺时针旋转25度同时左腿脚部舵机19输出轴顺时针旋转40度，此刻双足竞走机器人向右偏，右腿胯部舵机6输出轴顺时针旋转100度、左腿胯部舵机7输出轴顺时针旋转100、度右腿膝部舵机12输出轴顺时针旋转100度、左腿膝部舵机13输出轴顺时针旋转100度，同时右腿脚部舵机18输出轴逆时针旋转25度同时左腿脚部舵机19输出轴逆时针旋转40度，完成左腿向后跨一步称为动作二，右腿脚部舵机18输出轴逆时针旋转40度同时左腿脚部舵机19输出轴逆时针旋转25度，此刻双足竞走机器人向左偏，右腿胯部舵机6输出轴逆时针旋转100度、左腿胯部舵机7输出轴逆时针旋转100度、右腿膝部舵机12输出轴逆时针旋转100度、左腿膝部舵机13输出轴逆顺时针旋转100度，同时右腿脚部舵机18输出轴顺时针旋转40度左腿脚部舵机19输出轴顺时针旋转25度，完成右腿再向后跨一步称为动作三，动作二与动作三循环执行即可完成双足竞走机器人向后行走的动作。
[0025]在双足竞走机器人前翻方式中:开始双足竞走机器人处于立正状态，右腿胯部舵机6输出轴顺时针旋转90度同时左腿胯部舵机7输出轴逆时针旋转90度完成动作一，右腿膝部舵机12输出轴逆时针旋转90度同时左腿膝部舵机13输出轴顺时针旋转90度完成动作二，右腿胯部舵机6输出轴逆时针旋转180度同时右腿膝部舵机12输出轴顺时针旋转180度完成动作三，左腿胯部舵机7输出轴顺时针旋转180度同时左腿膝部舵机13输出轴逆时针旋转180度完成动作四，右腿膝部舵机12输出轴逆时针旋转90度同时左腿膝部舵机13输出轴顺时针旋转90度完成动作五，右腿胯部舵机6输出轴顺时针旋转90度同时左腿胯部舵机7输出轴逆时针旋转90度完成动作六，依次循环执行动作一，二，三，四，五，六完成双足竞走机器人前翻动作。
[0026]在双足竞走机器人后翻方式中:开始双足竞走机器人处于立正状态，右腿胯部舵机6输出轴逆时针旋转90度同时左腿胯部舵机7输出轴顺时针旋转90度完成动作一，右腿膝部舵机12输出轴顺时针旋转90度同时左腿膝部舵机13输出轴逆时针旋转90度完成动作二，右腿胯部舵机6输出轴顺时针旋转180度同时右腿膝部舵机12输出轴逆时针旋转180度完成动作三，左腿胯部舵机7输出轴逆时针旋转180度同时左腿膝部舵机13输出轴顺时针旋转180度完成动作四，右腿膝部舵机12输出轴顺时针旋转90度同时左腿膝部舵机13输出轴逆时针旋转90度完成动作五，右腿胯部舵机6输出轴逆时针旋转90度同时左腿胯部舵机7输出轴顺时针旋转90度完成动作六，依次循环执行动作一，二，三，四，五，六完成双足竞走机器人后翻动作。
【权利要求】
1.一种开放式竞走机器人，包括躯干部(I)、右腿胯部舵机(6)、右腿膝部舵机(12)、右腿脚部舵机(18)、左腿胯部舵机(7)、左腿膝部舵机(13)、左腿脚部舵机(19)以及用于提供动力的蓄电池；所述机器人的左腿结构与右腿结构相同；其特征在于:机器人的右腿结构包括第一大U形架(4)、第一小U形架(8)、第二小U形架(10)、第二大U形架(14)和第三大U形架(16)，第一大U形架的开口朝下且其上端固定于躯干部上；右腿胯部舵机的输出轴与第一大U形架的侧板相固定，右腿胯部舵机的壳体与第一小U形架相固定，第二小U形架固定于第一小U形架的下方且开口朝下；右腿膝部舵机位于第二小U形架的下方并与其相固定，第二大U形架的开口朝上，右腿膝部舵机的输出轴固定于第二大U形架的侧板上；第三大U形架固定于第二大U形架的下方且开口朝下，右腿脚部舵机的壳体规定与右脚底板上，右腿脚部舵机的输出轴固定于第三大U形架的侧板上。
2.根据权利要求1所述的开放式竞走机器人，其特征在于:建立空间直角坐标系0-XYZ，X轴方向与竞走机器人所要行走的正前方相一致，Y轴方向与竞走机器人站立的竖直方向相一致，Z轴垂直于X轴和Y轴所在的平面并指向机器人的右侧；所述右腿胯部舵机(6)、右腿膝部舵机(12)、左腿胯部舵机(7)、左腿膝部舵机(13)的输出轴所在的方向均与Z轴的方向相一致，右腿脚部舵机(18)、左腿脚部舵机(19)的输出轴所在的方向均与X轴相—致。
3.根据权利要求1或2所述的开放式竞走机器人，其特征在于:包括用于控制舵机运行的电路部分，所述电路部分包括电源、单片机、无线串口通信数据模块以及上位机；电源用于提供电能，单片机产生控制舵机运行的脉冲信号，单片机通过无线串口通信数据模块与上位机相通讯。
4.根据权利要求1或2所述的开放式竞走机器人，其特征在于:所述蓄电池包括分别固定于躯干部(I)左右两端的左侧蓄电池(3)和右侧蓄电池(2)。
【文档编号】B62D57/032GK203544189SQ201320748517
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年11月25日 优先权日:2013年11月25日
【发明者】王功, 孙亚军, 王志, 张曙旻, 郭明春, 关慧, 尤在勇 申请人:滨州学院