一种水平关节四足机器人的制作方法

技术领域：

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种水平关节四足机器人。

背景技术：
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传统的四足机器人腿部多设计为肘或膝式，其主要运动的方式是依靠电机作为驱动元件带动腿部运动，而这种设计的缺点是机器人腿部结构复杂，并且机器人的重心难以平衡，在行走时腿部容易攀附地面上的杂物，造成机器人机身不平衡。针对以上的缺点，本发明对肘或膝式机器人进行结构性的优化设计，将传统四足机器人单腿三自由度的结构优化为具有两个转动自由度和一个移动自由度的腿部，其中在髋关节结构中创造性地使用了直线滑台模组来实现机器人的移动自由度。

根据目前四足机器人的研究情况，其控制系统多采用单片机或者plc，并搭配运动控制卡来实现各电机的协调控制。但是这些方法都有不可避免的缺点：线路繁琐，编程语言复杂，且通讯不稳定等。综合考虑，本发明最终选择上位机+can总线分析仪的系统架构。用上位机来保证算法计算和处理的速度，用can总线分析仪来保证数据发送的实时性。其中上位机为装有labview的pc机。选用labview的pc机作为上位机的原因是labview是一种基于流程图的图形化编程形式，以图标代码来代替编程语言创建应用程序的开发环境，使程序更加直观清晰。labview内置环境提供丰富的模块，并且可以调用设备底部驱动函数，通讯更加方便快捷。

技术实现要素：
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本发明所要解决的技术问题是针对现有四足机器人提供一种结构更为简单，更加稳定的十二自由度的水平关节四足机器人，并对其进行控制方法的改进。

本发明提供的一种水平关节四足机器人包括主体框架1、四个结构相同的腿部机构、电源及控制系统；所述四个结构相同的腿部机构相对所述主体框架1呈前后对称、左右对称固连于所述主体框架1；所述腿部机构包括腿部伸缩机构2、髋关节机构3及腿部摆动机构4；所述电源固定于所述主体框架1正下方。

所述主体框架1包括桥板5、侧板6、第一六角直通柱7、上位板8及辅助固定架9；所述侧板6与所述桥板5固连，所述上位板8通过螺钉与所述第一六角直通柱7固连，所述第一六角直通柱7与所述侧板6固连，所述辅助固定架9与所述侧板6固连。

所述腿部伸缩机构2包括直线滑台模组导轨10、直线滑台模组地脚11、直线滑台模组滑块12、大同步带轮13、直动关节电机轴14、圆台电机转接座15、小同步带轮16、第一驱动电机17及第二六角直通柱18；所述直线滑台模组导轨10固连于所述直线滑台模组地脚11，所述直线滑台模组滑块12安装于所述直线滑台模组导轨10上并保证滑动，所述直线滑台模组地脚11固连于所述侧板6上，所述大同步带轮13用无头螺钉套接固定在所述直动关节电机轴14上，所述第一驱动电机17通过所述第二六角直通柱18与所述桥板5固连，所述圆台电机转接座15与所述第一驱动电机17固连，所述小同步带轮16用无头螺钉套接固定在所述圆台电机转接座15的轴部。

所述髋关节结构3包括髋关节转接座19、髋关节电机转接架20、行星减速机21、减速机-电机连接架22、第二驱动电机23；所述髋关节转接座19固连于所述腿部伸缩机构中的直线滑台模组滑块12，所述行星减速机21与所述髋关节转接座19固连，所述减速机-电机连接架22与所述行星减速机21固连，所述第二驱动电机23与所述减速机-电机连接架22固连，所述髋关节电机转接架20通过销套接固定在所述行星减速机21的输出端。

所述腿部摆动机构4包括电机转接座24、电机支架25、第三驱动电机26、大腿27、仿生蹄28及减震脚垫29；所述电机转接座24与所述髋关节电机转接架20固连，所述电机支架25与所述电机转接座24固连，所述第三驱动电机26与电机支架25固连，所述大腿27与所述第三驱动电机26固连，所述仿生蹄28与固连在所述大腿27的末端平面上，所述减震脚垫29固连于所述仿生蹄28的底部。

所述控制系统包括上位机、can总线分析仪、电源电路及串口通信电路；所述控制系统的硬件部分设置在所述主体框架1上方，所述上位机为装有labview2016软件的pc机。

本发明中的腿部伸缩机构为本水平四足机器人提供用于直线运动的移动自由度；所述髋关节机构为本水平关节四足机器人提供抬腿，放腿的旋转自由度；所述腿部摆动机构为本水平关节四足机器人提供侧摆的旋转自由度。所述控制系统采用上位机+can总线分析仪的系统架构；利用所述上位机来保证算法计算和处理的速度，用所述can总线分析仪来保证数据发送的实时性。

本发明具有以下技术特点：

1、通过在四足机器人腿部伸缩机构处使用直线滑台模组为机器人提供移动自由度，该四足机器人相较传统四足机器人更容易获得前进运动的方式。可以根据实际步长需要，通过控制第一驱动电机使得腿部伸缩机构获得相应的运动距离，从而实现机器人直线运动的精确控制。

2、该四足机器人第二驱动电机和第三驱动电机为机器人提供两个转动自由度，相较传统四足机器人，该机器人腿部结构更为简单，抬腿放腿动作控制更便捷，活动范围更广。

3、该四足机器人控制系统利用了装有labview的pc机作为上位机，辅助can总线分析仪对12个电机进行运动控制，控制系统精度高，且实时性强，为四足机器人环境决策提供有力的保障。

附图说明：

图1为本发明水平关节四足机器人的结构示意图；

图2为本发明机器人中的主体框架结构示意图；

图3为本发明机器人中的腿部伸缩机构结构示意图；

图4为本发明机器人中的髋关节机构结构示意图；

图5为本发明机器人中的腿部摆动机构结构示意图；

图6(a)为水平四足机器人行走过程中腿部的姿态示意图之一；

图6(b)为水平四足机器人行走过程中腿部的姿态示意图之二；

图6(c)为水平四足机器人行走过程中腿部的姿态示意图之三；

图6(d)为水平四足机器人行走过程中腿部的姿态示意图之四；

图6(e)为水平四足机器人行走过程中腿部的姿态示意图之五；

图7为本发明水平关节四足机器人控制系统框图。

图中：1：主体框架；2：腿部伸缩机构；3：髋关节机构；4：腿部摆动机构；5：桥板；6：侧板；7：第一六角直通柱；8：上位板；9：辅助固定架；10：直线滑台模组导轨；11：直线滑台模组地脚；12：直线滑台模组滑块；13：大同步带轮；14：直动关节电机轴；15：圆台电机转接座；16：小同步带轮；17：第一驱动电机；18：第二六角直通柱；19：髋关节转接座；20：髋关节电机转接架；21：行星减速机；22：减速机-电机连接架；23：第二驱动电机；24：电机转接座；25：电机支架；26：第三驱动电机；27：大腿；28：仿生蹄；29：减震脚垫。

具体实施方式：

下面将结合实施例及附图，对本发明作进一步说明。

如图1所示：本发明技术方案提出的水平关节四足机器人，包括作为四足机器人主体框架、四个结构相同的腿部机构、控制系统及电源。四个腿部机构相对主体框架呈前后对称、左右对称固连于主体框架1。所述的腿部机构包括腿部伸缩机构2、髋关节机构3、腿部摆动机构4。所述电源固定于所述主体框架1正下方。

如图2所示，所述主体框架1包括桥板5、侧板6、第一六角直通柱7、上位板8及辅助固定架9；所述侧板6与所述桥板5固连，所述上位板8通过螺钉与所述第一六角直通柱7固连，所述第一六角直通柱7与所述侧板6固连，所述辅助固定架9与所述侧板6固连；

如图3所示，所述腿部伸缩机构2包括直线滑台模组导轨10、直线滑台模组地脚11、直线滑台模组滑块12、大同步带轮13、直动关节电机轴14、圆台电机转接座15、小同步带轮16、第一驱动电机17及第二六角直通柱18；所述直线滑台模组导轨10固连于所述直线滑台模组地脚11，所述直线滑台模组滑块12安装于所述直线滑台模组导轨10上并保证滑动，所述直线滑台模组导轨10通过所述直线滑台模组地脚11连于所述侧板6上，所述大同步带轮13用无头螺钉套接固定在所述直动关节电机轴14上，所述第一驱动电机17通过所述第二六角直通柱18与所述桥板5固连，所述圆台电机转接座15与所述第一驱动电机17固连，所述小同步带轮16用无头螺钉套接固定在所述圆台电机转接座15的轴部。

如图4所示，所述髋关节结构3包括髋关节转接座19、髋关节电机转接架20、行星减速机21、减速机-电机连接架22、第二驱动电机23；所述髋关节转接座19固连于所述腿部伸缩机构中的直线滑台模组滑块12，所述行星减速机21与所述髋关节转接座19固连，所述减速机-电机连接架22与所述行星减速机21固连，所述第二驱动电机23与所述减速机-电机连接架22固连，所述髋关节电机转接架20通过销套接固定在所述行星减速机21的输出端。

如图5所示，所述腿部摆动机构4包括电机转接座24、电机支架25、第三驱动电机26、大腿27、仿生蹄28及减震脚垫29；所述电机转接座24与所述髋关节电机转接架20固连，所述电机支架25与所述电机转接座24固连，所述第三驱动电机26与电机支架25固连，所述大腿27与所述第三驱动电机26固连，所述仿生蹄28与固连在所述大腿27的末端平面上，所述减震脚垫29固连于所述仿生蹄28的底部。

本发明水平关节四足机器人行走等动作具体实现方法如下：

水平关节四足机器人默认的姿势为四条腿都垂直地面，如图6(a)所示。图6(a)，6(b)，6(c)，6(d)依次为四足机器人前进时腿部的状态。本水平关节四足机器人前进采用对角步态，前进过程如下：首先左前腿和右后腿保持默认站立姿态，右前腿和左后腿中所述第二驱动电机23经运动控制驱动所述髋关节电机转接架20转动θ1度，此时所述腿部摆动机构4已上抬，该动作记为动作1。此时右前腿和左后腿姿态如图6(b)所示。在所述髋关节电机转接架20开始转动之后，右前腿和左后腿的所述第一驱动电机17经运动控制驱动所述小同步带轮16，再经同步带轮带动所述大同步带轮13，最后通过所述直线滑台模组导轨10内部同步带驱使所述直线滑台模组滑块12产生距离为d的直线运动，此时右前腿和左后腿的姿态如图6(c)所示。随后右前腿和左后腿中所述第二驱动电机23经运动控制驱动所述髋关节电机转接架20反向转动，使得所述腿部摆动机构4回归默认站立姿态，此时右前腿和左后腿姿态如图6(d)所示。经上述步骤，所述腿部摆动机构4实现上抬与放下动作，且所述腿部摆动机构4产生距离为d的直线运动。但该阶段机器人并未移动，只是仅仅改变了腿部与机身的相对位置。上述过程为第一运动步态。相应地，在第一运动步态结束后，左前腿和右后腿的协同运动称为第二运动步态。在第二运动步态中，左前腿和右后腿的运动步骤与第一运动步态类似，区别只是在于加入右前腿和左后腿的所述第一驱动电机17经运动控制驱动相较第一运动步态的反向旋转，实现所述腿部伸缩机构4中所述直线滑台模组滑块12回到初始位置，此时主体框架实现向前移动d的直线运动。两种运动步态交替进行，由此实现该水平关节四足机器人的前进运动。

本发明中的水平关节四足机器人在前进过程中，可以绕过腿部前方的障碍物，具体实现方法如下：在上述的水平关节四足机器人直线运动过程中，腿部所述的腿部摆动机构4通过第三驱动电机26经运动控制驱动所述大腿27转动θ2度，实现所述大腿斜上方抬起，从而绕过障碍物，如图6(e)所示。

本发明中的水平关节四足机器人既可以实现直线运动，也可以实现转弯运动，具体实现方法如下：在上述的水平关节四足机器人直线运动过程中，左前腿的所述直线滑台模组滑块12移动距离长于右前腿的所述直线滑台模组滑块12，从而该机器人在前进过程中可以实现向右转弯。

本发明水平关节四足机器人控制系统具体实现方法如下：

如图7所示，本发明的水平关节四足机器人控制系统包括装有labview2016的上位机以及canalyst-ii分析仪等硬件。本发明中的12个关节电机采用的是某公司生产的ht-02机械狗伺服电机，其优点在于集成驱动器和编码器于一体，简化接线，体积小，并且其拥有封装好的底部驱动函数。上位机可以直接调用其底部驱动函数，方便进行运动控制。上位机与电机之间通过canalyst-ii分析仪连接，并通过can的应用层协议canopen实现数据编码传输以及解析。具体方法为先把应用层协议canopen协议编写成一个动态链接库，然后在labview中调用这个动态链接库。在上位机通过canalyst-ii分析仪与电机进行通信后，上位机首先计算各电机所需转角，然后发送如下表1所示格式的电机驱动报文，之后通过canalyst-ii分析仪传递给电机的驱动器，驱动器通过内置的电流环实现电机输出给定的力矩。

表1电机驱动报文