一種六足機器人及足部控制方法和步態控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種六足機器人及足部控制方法和步態控制方法。該包括軀干及在軀干兩側對稱設置的行走機構（前足、中足和后足）。行走機構包括：胯關節直線油缸、螺旋擺動油缸、大腿、軸、膝關節直線油缸、膝關節軸、膝關節擺動盤、擋油板、軸承、連接法蘭、小腿、腳掌及緊固件等。根據不同的步態控制胯關節直線油缸、螺旋擺動油缸、膝關節直線油缸之間的協調工作，實現行走機構（前足、中足和后足）的行走動作，從而越過復雜的地形。
【專利說明】
一種六足機器人及足部控制方法和步態控制方法
技術領域
[0001]本發明屬于機器人領域，特別是涉及一種六足機器人及足部控制方法和步態控制方法。
【背景技術】
[0002]隨著科技進步，機器人技術的飛速發展，其應用領域也越來越廣。作為移動機器人的重要成員，多足步行機器人主要被應用于以下幾個領域，其一是遠程勘探，如火山勘探，太空探索，海底探索；其二是危險環境，如核電站或高輻射環境，礦業勘探和開發，排雷排爆，災區重建，搜救，戰區;此外還有工地現場，如伐木及運輸等工程領域。在以后的發展中，多足步行機器人必將在更多的領域大放異彩。
[0003]移動機器人通常可分為輪式移動機器人和多足步行機器人。到目前為止，雖然輪式移動機器人占主導地位，但是其通病是只能應用于相對平坦的地面，這就導致在部分區域傳統的輪式移動機器人難以抵達。即便是世界上最先進的越野車，也只能越過一般崎嶇的區域，而且能耗巨大，還會對地形、環境造成破壞。
[0004]多足步行機器人在自然地形下優越的機動性顯而易見，因為它們的運動只需要離散的落足點作為支撐點，而不像輪式移動機器人那樣只能在連續的支撐面上運動。即便是在柔軟的地表行走，多足步行機器人也能利用其落足點離散的特性以較低的能耗運動。此夕卜，利用其多自由度的特性，多足步行機器人能輕而易舉的實現原地轉彎;通過重心高度的實時調整，多足步行機器人能降低與不規則地形間的沖擊，甚至可以與地面間斷性的緊貼，從而增加其負載能力同時提高其運動穩定性。
[0005]多足機器人雖然具有諸多優點，但在非結構化境下難以用特定的數據去描述障礙物特征，其工作仍面臨許多挑戰，為了提高多足機器人的地形適應及越障能力，就需要從機構學角度、足部控制方法和步態時序方面研究更加靈活、可靠的機器人行走裝置。
【發明內容】
[0006]為了提高多足機器人的地形適應及越障能力，本發明提供一種六足機器人及足部控制方法和步態控制方法。
[0007]為實現上述目的，本發明采用如下技術方法:六足機器人包括軀干及在軀干兩側對稱設置的行走機構(前足、中足和后足)。行走機構包括:胯關節直線油缸、螺旋擺動油缸、大腿、軸、膝關節直線油缸、膝關節軸、膝關節擺動盤、擋油板、軸承、連接法蘭、小腿、腳掌及緊固件等。下面對行走機構的具體工作原理作闡述:螺旋擺動油缸通過其上的耳軸和軀干鉸接，另一端通過軸和胯關節直線油缸鉸接，胯關節直線油缸的另一端通過軸和軀干鉸接，各鉸接處形成可以自由轉動的轉動副，胯關節直線油缸根據機器人的運動需要，在油壓的驅動下，帶動螺旋擺動油缸繞其上的鉸接耳軸擺動，從而帶動行走機構(前足、中足和后足)在主機左右方向擺動，實現轉向；大腿通過緊固件和螺旋擺動油缸內部的擺動軸端面緊固，螺旋擺動油缸在油壓的作用下，其內部的擺動軸相對于外殼轉動，從而帶動大腿、小腿等在前后方向運動;膝關節直線油缸安裝于大腿內部，膝關節軸的兩側，其一端通過軸和大腿鉸接，形成轉動副，另一端通過軸和膝關節擺動盤鉸接，形成轉動副，膝關節擺動盤對稱中心處有正六邊形孔，膝關節軸和膝關節擺動盤配合處截面同為正六邊形，兩者配合到一起，使其不能在周向產生相對運動，膝關節軸兩端用安裝于大腿上的軸承支撐，膝關節軸和連接法蘭配合處的截面為正六邊形，膝關節軸和連接法蘭中心處的正六邊形孔配合，進而限制兩者在周向的運動，小腿通過緊固件和連接法蘭緊固，膝關節直線油缸在油壓的作用下伸縮運動，驅動膝關節擺動盤繞其中心轉動，進而通過膝關節軸、連接法蘭將扭矩傳遞給小腿，實現小腿在前后方向的運動;根據不同的步態控制胯關節直線油缸、螺旋擺動油缸、膝關節直線油缸之間的協調工作，實現行走機構(前足、中足和后足)的行走動作，通過各行走機構之間的協調工作，從而可以越過各種復雜的非結構化環境;連接法蘭、擋油板、大腿及膝關節軸之間形成的型腔用于儲存潤滑脂潤滑軸承;為了減小機器人和地面之間的接觸壓強，提高地形適應能力，在小腿下端安裝了腳掌，腳掌和小腿之間通過軸鉸接。
[0008]為了使行走機構靈活運動，下面根據行走機構的結構特點及其工作原理闡述各足控制方法:情況一，六足機器人直行的過程中，前足各關節動作順序一致(僅存在步態時序差，即左前足和右前足存在先后動作的情況)，中足和后足各關節動作順序一致(僅存在步態時序差)。機器人向前直行的過程中，以左前足各關節的動作順序與控制原理為例闡述前足的工作過程:由螺旋擺動油缸驅動大腿順時針轉動，完成抬大腿的動作，完成抬大腿之后，在膝關節直線油缸的驅動下踢小腿(順時針轉動)，再由螺旋擺動油缸驅動大腿逆時針轉動直至腳掌觸地(此時完成跨步)，接下來，小腿在膝關節直線油缸的驅動下逆時針轉動，小腿在逆時針轉動的過程中，大腿在螺旋擺動油缸的驅動下作逆時針動作，始終保持腳掌觸地(此時完成一步的跨步、行走);機器人向前直行的過程中，以左后足各關節的動作順序與控制原理為例闡述中足、后足的工作過程:膝關節直線油缸驅動小腿順時針轉動，到預定位置后，螺旋擺動油缸驅動大腿順時針轉動，到預定位置后，膝關節直線油缸驅動小腿逆時針轉動，腳掌觸地后，螺旋擺動油缸驅動大腿逆時針轉動，同時，膝關節直線油缸驅動小腿逆時針轉動，始終保持腳掌觸地。當六足機器人向反方向直線行走的情況下，前足和中足、后足各關節動作順序互換。情況二，六足機器人在轉向的過程中，行走機構所包含的前足和后足動作原理一致，下面以左前足向左轉向的工作過程作簡要闡述:螺旋擺動油缸驅動大腿抬腿(逆時針轉動)，胯關節直線油缸驅動螺旋擺動油缸繞其上的耳軸轉動，使得左前足向左移動，到預定位置后，螺旋擺動油缸驅動大腿落腿(順時針轉動)，使得腳掌觸地，然后，胯關節直線油缸驅動螺旋擺動油缸繞其上的耳軸轉動，使得左前足向右移動，在移動的過程中，始終保持腳掌觸地;六足機器人在轉向的過程中，中足的腳掌和地面接觸的工況下，胯關節直線油缸處于浮動狀態，使得中足在左右方向的移動是跟隨主機的需要從動，在中足在左右方向的跨步過程中，胯關節直線油缸驅動螺旋擺動油缸繞其上的耳軸轉動，調節中足使其在豎直方向。
[0009]為了使行走機構之間協調動作，在六足機器人直行的過程中，假設步距為A1(指支撐相時足端相對于機體在前后方向移動的距離)，由于機器人向前直行和向后直行步態原理一致(都是通過支撐相時足端相對于機體在前后方向移動的距離為節點控制各足之間的動作順序，向前行走和向后行走僅跨步方向相反，各足動作順序一致，步態時序差均為1/5λι)，下面以機器人向前行走為例，闡述各足步態之間的關系:在初始狀態，行走機構(前足、中足、后足)的腳掌位于，準備行走前，機器人原地調整各足腳掌和地面接觸的位置，為了便于理解跨步過程，規定跨步動作是各足完成從OA^IjU1的過程。動作一:原地調整各足姿態，此時，左前足位于&處、右中足位于4/5&處、左后足位于3/5&處、右前足位于2/5A1、左中足位于ΙΛλ!#、右后足位于OA1處；動作二:在各關節油缸的協調驅動下(前足、中足、左后足和地面接觸驅動機體向前移動)，左前足移動至VSA1*、右中足移動至3/δλ!處、左后足移動至2/5λι處、右如足移動至1/5λι、左中足移動至Ολι處、右后足抬足跨步至λι處；動作三:在各關節油缸的協調驅動下(前足、右中足、后足和地面接觸驅動機體向前移動)，左前足移動至3/5λ^、右中足移動至2/5λ^、左后足移動至1/5λ^、右前足移動至(^、左中足抬足跨步至&處、右后足移動至4/5Μ處;動作四:在各關節油缸的協調驅動下(左前足、中足、后足和地面接觸驅動機體向前移動)，左前足移動至2/51!*、右中足移動至Ι/δλ!處、左后足移動至Ολι處、右如足抬足跨步至λι、左中足移動至4/5λι處、右后足移動至3/5λι處；動作五:在各關節油缸的協調驅動下(前足、中足、右后足和地面接觸驅動機體向前移動)，左如足移動至I/5λι處、右中足移動至Ολι處、左后足抬足跨步至λι處、右肖U足移動至4/5λι、左中足移動至3/5&處、右后足移動至2/5Μ處;動作六:在各關節油缸的協調驅動下(前足、左中足、后足和地面接觸驅動機體向肖U移動)，左肖U足移動至0λ處、右中足抬足跨步至λ處、左后足移動至4/51!#、右前足移動至3/51!、左中足移動至2/51!#、右后足移動至Ι/δλ!處；動作七:在各關節油缸的協調驅動下(前足、左中足、后足和地面接觸驅動機體向前移動)，左如足抬足跨步至λι處、右中足移動至4/5λι處、左后足移動至3/5λι處、右肖U足移動至2/5入1、左中足移動至I/5λι處、右后足移動至Ολι處(此時彳丁走機構完成 ^完整的足循環，機體重心向前移動A1的距離)。
[0010]為了使行走機構之間協調動作，在六足機器人原地轉向的過程中，假設步距為λ2(指支撐相時足端相對于機體在左右方向移動的距離)，由于機器人向左轉向和向右轉向步態原理一致(都是通過支撐相時足端相對于機體在左右方向移動的距離為節點控制各足之間的動作順序，向左轉向和向右轉向僅跨步方向相反，各足動作順序一致，步態時序差均為1/5λ2)，下面以機器人向左轉向為例，闡述各足步態之間的關系:在初始狀態，行走機構(前足、中足、后足)的腳掌位于1/2&處，規定行走機構在右極限位置為0λ2，左極限位置為λ2。動作一:原地調整各足姿態，此時，左前足位于&處、右中足浮動(胯關節直線油缸不具有約束作用)、左后足位于4/5&處、右前足位于2/5λ2、左中足浮動(胯關節直線油缸不具有約束作用)、右后足位于1/5λ2處;動作二:在各關節油缸的協調驅動下(前足、左中足、后足和地面接觸驅動機體向左轉動)，左前足移動至4/5&處、右中足跨步至1/2&處、左后足移動至入2處、右前足移動至1/5λ2、左中足浮動、右后足移動至2/5λ2處;動作三:在各關節油缸的協調驅動下(前足、中足、右后足和地面接觸驅動機體向左轉動)，左前足移動至3/5&處、右中足浮動、左后足跨步至0λ2處、右如足移動至0λ2、左中足浮動、右后足移動至3/5λ2處；動作四:在各關節油缸的協調驅動下(左前足、中足、后足和地面接觸驅動機體向左轉動)，左前足移動至2/5λ2處、右中足浮動、左后足跨步至I/5λ2處、右如足跨步至λ2、左中足浮動、右后足移動至4/5λ2處;動作五:在各關節油缸的協調驅動下(前足、右中足、后足和地面接觸驅動機體向左轉動)，左如足移動至1/5λ2處、右中足浮動、左后足跨步至2/5λ2處、右肖U足移動至4/5λ2、左中足跨步至1/2λ2、右后足移動至λ2處;動作六:在各關節油缸的協調驅動下(前足、中足、左后足和地面接觸驅動機體向左轉動)，左如足移動至0λ2處、右中足浮動、左后足跨步至3/5λ2處、右如足移動至3/5λ2、左中足浮動、右后足跨步至Ολ2處;動作七:在各關節油缸的協調驅動下(右前足、中足、后足和地面接觸驅動機體向左轉動)，左前足跨步至λ2處、右中足浮動、左后足跨步至4/5λ2處、右如足移動至2/5λ2、左中足浮動、右后足移動至1/5入2處;(此時行走機構完成一個完整的足循環動作)。
[0011]為了使機器人能夠應用于工程領域，就需要較強的負重的能力，因此各關節采用液壓元件驅動，為了較小的空間輸出較大的扭矩，胯關節的擺動采用螺旋擺動油缸驅動，根據空間特點，小腿采用兩個膝關節直線油缸驅動，兩油缸的對稱布置，增加了驅扭矩的同時，避免了因單個油缸驅動軸承受力過大導致損壞的現象；為了使行走更加平穩、承載力大，就需要多足同時觸地，因此采用各足依次動作的控制方法。
【附圖說明】
[0012]圖1是六足機器人的整體結構示意圖。
[0013]圖2是軀干101的結構示意圖。
[0014]圖3是行走機構102的結構示意圖。
[0015]圖4是螺旋擺動油缸的三維示意圖。
[0016]圖5是行走機構102局部三維示意圖。
[0017]圖6是行走機構102的正視圖。
[0018]圖7是沿圖6中F—F線的剖視圖。
[0019I圖8是行走機構102的結構示意圖。
[0020]圖9各足動作順序及步態示意簡圖。
[0021]圖10直行動作一步態時序圖。
[0022]圖11直行動作二步態時序圖。
[0023]圖12直行動作三步態時序圖。
[0024]圖13直行動作四步態時序圖。
[0025]圖14直行動作五步態時序圖。
[0026]圖15直行動作六步態時序圖。
[0027]圖16直行動作七步態時序圖。
[0028]圖17左轉動作一步態時序圖。
[0029]圖18左轉動作二步態時序圖。
[0030]圖19左轉動作三步態時序圖。
[0031]圖20左轉動作四步態時序圖。
[0032]圖21左轉動作五步態時序圖。
[0033]圖22左轉動作六步態時序圖。
[0034]圖23左轉動作七步態時序圖。
【具體實施方式】
[0035]附圖標記說明:
101.軀干102.行走機構103.前足104.中足105.后足Α.胯關節B.膝關節
1.胯關節直線油缸2.軸3.螺旋擺動油缸4.大腿5.小腿6.腳掌7.緊固件 8.擺動軸9.外殼10.耳軸11.膝關節直線油缸12.膝關節擺動盤13.膝關節軸
14.軸承15.連接法蘭16.擋油板
下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步說明。
[0036]—種六足機器人包括軀干101及在軀干101兩側對稱設置的行走機構102(前足
103、中足104和后足105)。行走機構102包括:胯關節直線油缸1、軸2、螺旋擺動油缸3、大腿
4、小腿5、腳掌6、緊固件7、膝關節直線油缸11、膝關節擺動盤12、膝關節軸13、軸承14、連接法蘭15及擋油板16等。行走機構102的結構、工作原理一致，下面對其具體的工作原理作詳細闡述:螺旋擺動油缸3通過其上的耳軸10和軀干101鉸接，另一端通過軸2和胯關節直線油缸I鉸接，胯關節直線油缸I的另一端通過軸2和軀干101鉸接，各鉸接處形成可以自由轉動的轉動副，胯關節直線油缸I根據機器人的運動需要，在油壓的驅動下，帶動螺旋擺動油缸3繞其上的鉸接耳軸10擺動，從而帶動行走機構102(前足103、中足104和后足105)在主機左右方向擺動運動，實現轉向；大腿4通過緊固件7和螺旋擺動油缸3內部的擺動軸8端面緊固，螺旋擺動油缸3在油壓的作用下，其內部的擺動軸8相對于外殼9擺動，從而帶動大腿4、小腿5等在前后方向運動;膝關節直線油缸11安裝于大腿4內部，膝關節軸13的兩側，其一端通過軸2和大腿4鉸接，形成轉動副，另一端通過軸2和膝關節擺動盤12鉸接，形成轉動副，膝關節擺動盤12對稱中心處有正六邊形孔，膝關節軸13和膝關節擺動盤12配合處截面同為正六邊形，兩者配合到一起，使其不能在周向產生相對運動，膝關節軸13兩端用安裝于大腿4上的軸承14支撐，膝關節軸13和連接法蘭15配合處的截面為正六邊形，膝關節軸13和連接法蘭15中心處的正六邊形孔配合，進而限制兩者在周向的運動，小腿5通過緊固件7和連接法蘭15緊固，膝關節直線油缸11在油壓的作用下伸縮運動，驅動膝關節擺動盤12繞其中心轉動，進而通過膝關節軸13、連接法蘭15將扭矩傳遞給小腿5，實現小腿5在前后方向的運動;根據不同的步態控制胯關節直線油缸1、螺旋擺動油缸3、膝關節直線油缸11之間的協調工作，實現行走機構102(前足103、中足104和后足105)的行走動作，通過各行走機構102之間的協調工作，從而可以越過各種復雜的非結構化環境;連接法蘭15、擋油板16、大腿4及膝關節軸13之間形成的型腔用于儲存潤滑脂潤滑軸承14;為了減小機器人和地面之間的接觸壓強，提高地形適應能力，在小腿5下端安裝了腳掌6，腳掌6和小腿5之間通過軸2鉸接。
[0037]六足機器人各關節采用油缸驅動具有較強的負重能力。胯關節在前后方向的擺動采用螺旋擺動油缸驅動，其特點是能夠輸出較大的扭矩、零泄漏，因此能夠長時間鎖定某個姿態，并且負重能力強;根據空間特點，小腿采用兩個膝關節直線油缸驅動，兩油缸的對稱布置，增加了驅扭矩的同時，避免了因單個油缸驅動軸承受力過大導致損壞的現象。
[0038]下面章節對六足機器人行走機構各關節動作順序(單足行走原理)及各足之間的步態時序進行詳細說明，為了便于闡述，如圖9，規定前足103的左前足標記為a、右前足標記為b，中足104的左中足標記為c、右中足標記為d，后足105的左后足標記為e、右后足標記為
fo
[0039]為了使行走機構102(前足103、中足104和后足105)靈活運動，下面根據行走機構102的結構特點及其工作原理闡述控制方法:情況一，六足機器人直行的過程中，前足103各關節動作順序一致(僅存在步態時序差，即左前足a和右前足b存在先后動作的情況)，中足104和后足105各關節動作順序一致(僅存在步態時序差)。機器人向前直行的過程中，以左前足a各關節的動作順序與控制原理為例闡述前足103的工作過程:由螺旋擺動油缸3驅動大腿4順時針轉動，完成大腿4的抬腿動作(螺旋擺動油缸3行程結束)，完成抬大腿4的動作之后，在膝關節直線油缸11的驅動下踢小腿5至豎直狀態(順時針轉動)，再由螺旋擺動油缸3驅動大腿4逆時針轉動直至腳掌6觸地(此時完成跨步)，接下來，小腿5在膝關節直線油缸11的驅動下逆時針轉動至和水平地面之間的夾角為45°，小腿5在逆時針轉動的過程中，大腿4在螺旋擺動油缸3的驅動下作逆時針動作，始終保持腳掌6觸地(此時完成一步的跨步、行走)；機器人向前直行的過程中，以左后足e各關節的動作順序與控制原理為例闡述中足
104、后足105的工作過程:膝關節直線油缸11驅動小腿5順時針轉動至和水平地面之間的夾角為45°，到該位置后，螺旋擺動油缸3驅動大腿4順時針轉動至螺旋擺動油缸3行程結束，到該位置后，膝關節直線油缸11驅動小腿5逆時針轉動至腳掌6觸地，然后，螺旋擺動油缸3驅動大腿4逆時針轉動，同時，膝關節直線油缸11驅動小腿5逆時針轉動至豎直狀態，始終保持腳掌6觸地。當六足機器人向反方向直線行走的情況下，前足103和中足104、后足105各關節動作順序互換(即六足機器人向前直行與向后直行足部控制方法的區別是前足103的工作步驟和中足104、后足105的工作步驟互換)。情況二，六足機器人在轉向的過程中，行走機構102所包含的前足103和后足105動作原理一致，下面以左前足a向左轉向的工作過程作闡述:螺旋擺動油缸3驅動大腿4抬腿至螺旋擺動油缸3行程結束(逆時針轉動)，胯關節直線油缸I驅動螺旋擺動油缸3繞其上的耳軸10轉動，使得左前足a向左移動，直至胯關節直線油缸I行程結束，螺旋擺動油缸3驅動大腿4落腿(順時針轉動)，使得腳掌6觸地，然后，胯關節直線油缸I驅動螺旋擺動油缸3繞其上的耳軸10轉動，使得左前足a向右移動，至胯關節直線油缸(I)行程結束，在移動的過程中，始終保持腳掌6觸地;六足機器人在轉向的過程中，中足104的腳掌6和地面接觸的工況下，胯關節直線油缸I處于浮動狀態，使得中足104在左右方向的移動是跟隨主機的需要從動，當中足104在左右方向的跨步過程中，胯關節直線油缸I驅動螺旋擺動油缸3繞其上的耳軸10轉動，調節中足104使其在豎直方向。
[0040]為了使行走機構102之間協調動作，就需要規劃各足之間的步態時序，在六足機器人直行的過程中，假設步距為A1(指支撐相時足端相對于機體在前后方向移動的距離)，由于機器人向前直行和向后直行步態原理一致(都是通過支撐相時足端相對于機體在前后方向移動的距離為節點控制各足之間的動作順序，向前行走和向后行走僅跨步方向相反，各足動作順序一致，步態時序差均為1/5&)，下面以機器人向前行走為例，闡述各足步態之間的關系:在初始狀態，行走機構102(前足103、中足104、后足105)的腳掌6位于IAA1*，準備行走前，機器人原地調整各足腳掌和地面接觸的位置，為了便于理解跨步過程，規定跨步動作是各足完成從OA^IjU1的過程。動作一(圖，10):原地調整各足姿態，左前足a調整至A1處、右中足d調整至4/51!#、左后足e調整至3/51!#、右前足b調整至2/51!、左中足c調整至1/5λι處、右后足f調整至(^!處;動作二(圖11):在各關節油缸的協調驅動下(前足103、中足104、左后足e和地面接觸驅動機體向前移動)，左前足a移動至VSA1*、右中足d移動至3/δλ!處、左后足e移動至2/5λι處、右如足b移動至I/5λι、左中足c移動至Ολι處、右后足f抬足跨步至λι處;動作三(圖12):在各關節油缸的協調驅動下(前足103、右中足d、后足105和地面接觸驅動機體向前移動)，左前足a移動至3/51!#、右中足d移動至2/51!#、左后足e移動至處、右如足b移動至Ολι、左中足c抬足跨步至λι處、右后足f移動至4/5λι處;動作四(圖13):在各關節油缸的協調驅動下(左前足a、中足104、后足105和地面接觸驅動機體向前移動)，左BU足a移動至2/5λι處、右中足d移動至1/5λι處、左后足e移動至Ολι處、右肖U足b抬足跨步至λι、左中足c移動至4/5λι處、右后足f移動至3/5λι處;動作五(圖14):在各關節油缸的協調驅動下(前足103、中足104、右后足f和地面接觸驅動機體向前移動)，左前足a移動至l/δλ!處、右中足d移動至Ολι處、左后足e抬足跨步至λι處、右如足b移動至4/5λι、左中足c移動至3/5λι處、右后足f移動至2/5λι處;動作八(圖15):在各關節油缸的協調驅動下(如足103、左中足c、后足105和地面接觸驅動機體向肖U移動)，左肖U足a移動至0λ處、右中足d抬足跨步至λ處、左后足e移動至4/51!#、右前足b移動至3/51!、左中足c移動至2/51!#、右后足f移動至1/5λι處;動作七(圖16):在各關節油缸的協調驅動下(右前足b、中足104、后足105和地面接觸驅動機體向肖U移動)，左肖U足a抬足跨步至λι處、右中足d移動至4/5λι處、左后足e移動至3/5λι處、右前足b移動至2/51!、左中足c移動至Ι/δλχ#、右后足f移動至(^!處(此時行走機構完成一個完整的足循環，機體重心向前移動A1的距離)。
[0041]為了使行走機構之間協調動作，在六足機器人原地轉向的過程中，假設步距為λ2(指支撐相時足端相對于機體在左右方向移動的距離)，由于機器人向左轉向和向右轉向步態原理一致(都是通過支撐相時足端相對于機體在左右方向移動的距離為節點控制各足之間的動作順序，向左轉向和向右轉向僅跨步方向相反，各足動作順序一致，步態時序差均為1/5λ2)，下面以機器人向左轉向為例，闡述各足步態之間的關系:在初始狀態，行走機構102(前足103、中足104、后足105)的腳掌6位于1/2λ2處，規定行走機構102在右極限位置為O入2，左極限位置為λ2(圖9)。動作一(圖17):原地調整各足姿態，此時，左前足a位于λ2處、右中足d浮動(胯關節直線油缸I不具有約束作用)、左后足e位于4/5&處、右前足b位于2/5λ2、左中足c浮動(胯關節直線油缸I不具有約束作用)、右后足f位于1/5λ2處;動作二(圖18):在各關節油缸的協調驅動下(前足103、左中足C、后足105和地面接觸驅動機體向左轉動)，左前足a移動至4/5λ2處、右中足d跨步至1/2λ2處、左后足e移動至λ2處、右前足b移動至1/5入2、左中足c浮動、右后足f移動至2/5λ2處;動作二(圖19):在各關節油缸的協調驅動下(BU足103、中足104、右后足f和地面接觸驅動機體向左轉動)，左前足a移動至3/5λ2處、右中足d浮動、左后足e跨步至0λ2處、右如足b移動至0λ2、左中足c浮動、右后足f移動至3/5λ2處;動作四(圖20):在各關節油缸的協調驅動下(左如足a、中足104、后足105和地面接觸驅動機體向左轉動)，左如足a移動至2/5λ2處、右中足d浮動、左后足e跨步至1/5λ2處、右肖U足b跨步至λ2、左中足c浮動、右后足f移動至4/5λ2處;動作五(圖21):在各關節油缸的協調驅動下(如足103、右中足d、后足105和地面接觸驅動機體向左轉動)，左前足a移動至1/5λ2處、右中足d浮動、左后足e跨步至2/5λ2處、右如足b移動至4/5λ2、左中足c跨步至1/2λ2、右后足f移動至λ〗處；動作六(圖22):在各關節油缸的協調驅動下(前足103、中足104、左后足e和地面接觸驅動機體向左轉動)，左如足a移動至0λ2處、右中足d浮動、左后足e跨步至3/5λ2處、右肖U足b移動至3/5λ2、左中足c浮動、右后足f跨步至0λ2處;動作七(圖23):在各關節油缸的協調驅動下(右BU足b、中足104、后足105和地面接觸驅動機體向左轉動)，左肖U足a跨步至λ2處、右中足d浮動、左后足e跨步至4/5λ2處、右如足b移動至2/5λ2、左中足c浮動、右后足f移動至1/5λ2處；(此時行走機構102完成一個完整的足循環動作)。
【主權項】
1.一種六足機器人，包括軀干(101)及在軀干(101)兩側對稱布置的三對行走機構(102)，其特征在于:三對行走機構(102)分別是前足(103)、中足(104)和后足(105)。2.根據權利要求1所述的一種六足機器人，其特征在于:所述的行走機構(102)在六足機器人左右方向的擺動由胯關節直線油缸(1)驅動；行走機構(102)的大腿(4)在六足機器人前后方向的擺動由螺旋擺動油缸(3)驅動；行走機構(102)的小腿(5)在六足機器人前后方向的擺動由膝關節直線油缸(11)驅動。3.根據權利要求2所述的一種六足機器人，其特征在于:所述的螺旋擺動油缸(3)通過其上的耳軸(10)和軀干(101)鉸接，另一端通過軸(2)和胯關節直線油缸(1)鉸接，胯關節直線油缸(1)的另一端通過軸(2)和軀干(101)鉸接。4.根據權利要求2所述的一種六足機器人，其特征在于:所述的大腿(4)通過緊固件(7)和螺旋擺動油缸(3)內部的擺動軸(8)端面緊固。5.根據權利要求2所述的一種六足機器人，其特征在于:所述的膝關節直線油缸(11)安裝于大腿(4)的內部、膝關節軸(13)軸線的兩側，其一端通過軸(2)和大腿(4)鉸接，另一端通過軸(2)和膝關節擺動盤(12)鉸接。6.根據權利要求5所述的一種六足機器人，其特征在于:所述的膝關節擺動盤(12)和膝關節軸(13)配合處的截面為正六邊形，膝關節軸(13)和連接法蘭(15)配合處的截面為正六邊形，膝關節軸(13)兩端由安裝于大腿(4)上的軸承(14)支撐，小腿(5)通過緊固件(7)和連接法蘭(15)緊固。7.根據權利要求2所述的一種六足機器人，其特征在于:所述的連接法蘭(15)、擋油板(16)、大腿(4)及膝關節軸(13)之間形成封閉的型腔，型腔中安裝軸承(14)。8.根據權利要求2所述的一種六足機器人，其特征在于:所述的小腿(5)下端安裝腳掌(6)，腳掌(6)和小腿(5)之間通過軸(2)鉸接。9.一種六足機器人足部控制方法，其特征在于: 六足機器人向前直行與向后直行足部控制方法的區別是前足(103)的工作步驟和中足(104)、后足(105)的工作步驟互換； 六足機器人向前直行的過程中，左前足(a)和右前足(b)的控制方法相同，下面以左前足(a)的各關節動作順序，說明該方法，步驟如下: .1、螺旋擺動油缸(3)驅動大腿(4)順時針轉動，直至螺旋擺動油缸(3)行程結束，完成抬大腿(4)的動作； .2、膝關節直線油缸(11)的驅動小腿(5)順時針轉動至豎直位置； .3、螺旋擺動油缸(3)驅動大腿(4)逆時針轉動直至腳掌(6)觸地； .4、膝關節直線油缸(11)驅動小腿(5)逆時針轉動至和水平地面之間的夾角為45°，同時，螺旋擺動油缸(3)驅動大腿(4)逆時針轉動，始終保持腳掌(6)觸地； 六足機器人向前直行的過程中，中足(104)、后足(105)的控制方法相同，下面以左后足(e)的各關節動作順序，說明該方法，步驟如下: .1、膝關節直線油缸(11)驅動小腿(5)順時針轉動至和水平地面之間的夾角為45°; .2、螺旋擺動油缸(3)驅動大腿(4)順時針轉動，直至螺旋擺動油缸(3)行程結束； .3、膝關節直線油缸(11)驅動小腿(5)逆時針轉動，直至腳掌(6)觸地； .4、螺旋擺動油缸(3)驅動大腿(4)逆時針轉動，同時，膝關節直線油缸(11)驅動小腿(5)逆時針轉動至豎直位置，始終保持腳掌(6)觸地； 六足機器人向左轉向與向右轉向控制方法的區別是胯關節直線油缸(1)驅動行走機構(102)向左擺動與向右擺動，各關節動作順序是一致的，下面以左前足(a)驅動六足機器人向左動作的工作步驟說明該方法: .1、螺旋擺動油缸(3)驅動大腿(4)抬腿，胯關節直線油缸(I)驅動螺旋擺動油缸(3)繞其上的耳軸(10)轉動，使得左前足(a)向左移動至胯關節直線油缸(1)行程結束； .2、螺旋擺動油缸(3)驅動大腿(4)落腿，使得腳掌(6)觸地； .3、胯關節直線油缸(I)驅動螺旋擺動油缸(3)繞其上的耳軸(IO)轉動，使得左前足(a)相對機器人向右移動，至胯關節直線油缸(1)行程結束，在移動的過程中，始終保持腳掌(6)觸地； .4、六足機器人在轉向的過程中，中足(104)的腳掌(6)和地面接觸的工況下，胯關節直線油缸(I)處于浮動狀態，使得中足(104)在左右方向的移動是跟隨主機的需要從動，當中足(104)在左右方向的跨步過程中，胯關節直線油缸(I)驅動螺旋擺動油缸(3)繞其上的耳軸(10)轉動，調節中足(104)使其在豎直方向。10.一種六足機器人步態控制方法，其特征在于: 六足機器人向前直行和向后直行步態原理一致，都是通過支撐相時足端相對于機體在前后方向移動的距離為節點控制各足之間的動作順序，向前行走和向后行走僅跨步方向相反，各足動作順序一致，步態時序差均為1/5λ1 ； 六足機器人向前直行步態時序如下: .1、初始狀態，行走機構(102)的腳掌(6)位于1/2λ I處； .2、機器人原地調整各足腳掌和地面接觸的位置，左前足(a)調整至λ?處、右中足(d)調整至4/5λ1處、左后足(e)調整至3/5λ1處、右前足(b)調整至2/5λ1、左中足(c)調整至1/5λ1處、右后足(f)調整至0λ1處； .3、各足行走順序為，左前足(a)、右中足(d)、左后足(e)、右前足(b)、左中足(C)、右后足(f)、左前足(a)，步態時序差為1/5λ1 ； .4、一步行走結束，向前跨步，步幅為λ1; 六足機器人向左轉向和向右轉向步態原理一致，都是通過支撐相時足端相對于機體在左右方向移動的距離為節點控制各足之間的動作順序，向左轉向和向右轉向僅跨步方向相反，各足動作順序一致，步態時序差均為1/5λ2 ； 六足機器人向左轉向步態時序如下: .1、初始狀態，行走機構(102)的腳掌(6)位于1/2λ2處； .2、原地調整各足姿態，左前足(a)位于λ2處、右中足(d)浮動、左后足(e)位于4/5λ2處、右前足(b)位于2/5λ2、左中足(c)浮動、右后足(f)位于1/5λ2處；.3、各足行走順序為，左前足(a)、右中足(d)、左后足(e)、右前足(b)、左中足(C)、右后足(f)、左前足(a)，步態時序差為1/5λ2; .4、一步彳丁走結束，如足(103)向左跨步、后足(105)向右跨步，步幅為λ2，中足(103)跨步至1/2λ2處。
【文檔編號】B62D57/032GK105857432SQ201610211130
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月5日
【發明人】趙德朝, 朱凌云
【申請人】趙德朝