二維運動c形腿和仿生沙基機器人及其運動控制方法

二維運動c形腿和仿生沙基機器人及其運動控制方法
【專利摘要】本發明涉及仿生沙基機器人(利用仿生學原理設計的在流動顆粒介質地面上用輪足行走的機器人)C形腿，尤其是一種仿生沙基機器人及其二維運動C形腿及其運動控制方法。包括C形腿本體(4)，其特點是：該C形腿本體(4)與一曲拐(8)的輸出軸連接，而該曲拐(8)的輸入軸通過減速器(12)與電機(11)連接，還包括一連桿(7)，該連桿(7)的一端通過軸承套裝在前述曲拐(8)的曲柄銷上，而其另一端鉸接在仿生沙基機器人的身體上；另外前述的電機(11)固定在一滑軌(9)的滑塊(10)上，該滑軌(9)則固定在仿生沙基機器人的身體上。本發明的仿生沙基機器人C形腿克服了仿生機器人C形腿在松軟沙基中滑轉率過大的缺點。
【專利說明】二維運動c形腿和仿生沙基機器人及其運動控制方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及仿生沙基機器人（利用仿生學原理設計的在流動顆粒介質地面上用 輪足行走的機器人）C形腿，尤其是一種仿生沙基機器人及其二維運動C形腿及其運動控制 方法。

【背景技術】
[0002] 2001 年美國賓夕法尼亞大學教授 Daniel E. Koditscheki與 Martin Buehler 2 (當 時任加拿大麥吉爾大學教授，后在波±頓動力研究所帶領團隊負責機器人的Bi曲og研究 計劃，現任Covidien公司的高級總監）、叫UC Saranli3(當時為美國密歇根大學博±生， 現任±耳其比爾肯大學副教授）發明了機器人RHex (仿生六足機器人），在2002年申請到 了美國專利（專利號=6481513)。2001至2006年期間Daniel E.Koditschek教授的團隊 對RHex進行了改進，最后將仿生六足機器人的腿定形為C形腿。2007年至2009年Daniel E.Koditschek教授與美國佐治亞理工學院教授Daniel Goldman教授的CRAB L油(Complex 化eology And Biomechanics L油，復雜的流變學和生物力學實驗室）合作研制出San地ot, 并測試了其在流動顆粒介質地面上的通過特性。2009年后至今，Daniel Goldman教授的團 隊一直在研究行走與流動沙基上的機器人。2013年3月該團隊在科學雜志上發表了論文 "A Terradynamics of Legged Locomotion on Granular Media",文中作者證明了在各種 異構的沙基機器人腿中，C形腿在松軟的沙基中的抓地能力最好，并首次提出了地面動力學 (Terradynamics)理論，為沙基機器人的研究在方法上指明了方向。
[000引 C形腿仿生六足機器人每條腿只有一個自由度，由一個電機控制，克服了一般仿生 機器人自由度多、控制復雜的缺點。其基本步法是模仿沙漠甲蟲的H腳架步法，其步態具有 沙漠晰賜在沙漠快速奔跑時的特點。C形腿仿生六足機器人雖然是目前在松軟沙子上行走 性能最好的機器人，但它在松軟沙基的滑轉率仍然過大。


【發明內容】

[0004] 本發明的目的之一是提供一種仿生沙基機器人二維運動C形腿，能夠克服現有仿 生機器人C形腿在松軟沙基中滑轉率過大的缺點，在不增加驅動電機和控制難度情況下提 高機器人在松軟沙基上的通過能力；
[0005] 本發明的目的之二是提供一種采用上述二維運動C形腿的仿生沙基機器人；
[0006] 本發明的目的之H是提供一種上述仿生沙基機器人二維運動C形腿的運動控制 方法。
[0007] -種仿生沙基機器人二維運動C形腿，包括C形腿本體，其特別之處在于；該C形 腿本體與一曲拐的輸出軸連接，而該曲拐的輸入軸通過減速器與電機連接，還包括一連桿， 該連桿的一端通過軸承套裝在前述曲拐的曲柄銷上，而其另一端較接在仿生沙基機器人的 身體上；另外前述的電機固定在一滑軌的滑塊上，該滑軌則固定在仿生沙基機器人的身體 上。
[0008] 其中曲柄銷兩端分別通過曲柄臂與曲拐的輸入軸和輸出軸連接。
[0009] 其中電機和減速器均安裝在滑塊上。
[0010] 其中C形腿本體與一曲拐的輸出軸通過緊固件連接。
[0011] 其中在連桿的一端固定有圓環，該圓環通過軸承套裝在曲拐的曲柄銷上。
[0012] 所述C形腿本體的形狀基本為英文字母C的弧形。
[0013] 所述C形腿本體采用上述記載的二維運動C形腿。
[0014] 二維運動C形腿的C形腿本體在隨其轉軸進行旋轉運動的同時還隨其轉軸進行往 復平動。
[0015] 其中C形腿本體在隨其轉軸的往復平動中，當C形腿本體與沙基地面接觸時其轉 軸向后平動，而當C形腿本體離開沙基地面后其轉軸向前平動。
[0016] 其中C形腿本體在隨其轉軸的旋轉運動外，還隨其轉軸進行往復平動，當C形腿本 體與沙基地面接觸時在隨其轉軸向后轉動的同時，也隨其轉軸向后平動。
[0017] 其中C形腿本體在隨其轉軸的旋轉運動外，還隨其轉軸進行往復平動，當C形腿本 體離開沙基地面時在隨其轉軸向前轉動的同時，也隨其轉軸向前平動。
[0018] 本發明的仿生沙基機器人C形腿是應用地面動力學的研究成果和仿生學原理，設 計出了一種全新的仿生沙基機器人二維運動C形腿及其運動控制方法，它在松軟沙基行走 時的動作狀態要比一維運動C形腿更接近晰賜后肢在沙上奔跑時的狀態，進而可克服了仿 生機器人C形腿在松軟沙基中滑轉率過大的缺點。使用該C形腿的輕巧靈便的沙基機器人 不但可W完成沙漠、草原、山脈等復雜地形的探險、營救和軍事偵察工作，而且可用于月球 表面和火星表面的探測。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 附圖1為本發明中采用二維運動C形腿的仿生六足機器人示意圖；
[0020] 附圖2為本發明中二維運動C形腿的運動原理圖；
[0021] 附圖3為本發明中二維運動C形腿的結構示意圖；
[0022] 附圖4為一維運動C形腿軸的運動軌跡；
[0023] 附圖5為二維運動C形腿安裝時與曲拐曲柄臂的相對位置關系示意圖；
[0024] 附圖6為口二271/3的一維運動C形H腳架步法切換示意圖；
[00巧]附圖7為0二271^時二維運動C形腿H腳架步法切換示意圖；
[0026] 附圖8為^二271^時一維運動C形腿在無滑硬路面運行軌跡；
[0027] 附圖9為時二維運動C形腿在無滑硬路面運行軌跡。

【具體實施方式】
[0028] 如圖1、2、3所示，本發明提供了一種仿生沙基機器人二維運動C形腿，包括C形腿 本體4,該C形腿本體4與一曲拐8的輸出軸連接，而該曲拐8的輸入軸通過減速器12與電 機11連接，還包括一連桿7,該連桿7的一端通過軸承套裝在前述曲拐8的曲柄銷上，而其 另一端較接在仿生沙基機器人的身體上；另外前述的電機11固定在一滑軌9的滑塊10上， 該滑軌9則固定在仿生沙基機器人的身體上。
[0029] 其中曲柄銷兩端分別通過曲柄臂與曲拐8的輸入軸和輸出軸連接。電機11和減 速器12均安裝在滑塊10上。C形腿本體4與一曲拐8的輸出軸通過緊固件連接。另外在 連桿7的一端固定有圓環，該圓環通過軸承套裝在曲拐8的曲柄銷上。C形腿本體4的形狀 基本為英文字母C的弧形。
[0030] 一種仿生沙基機器人，包括C形腿本體4,所述C形腿本體4采用上述記載的二維 運動C形腿。
[0031] 一種仿生沙基機器人二維運動C形腿的運動控制方法，二維運動C形腿的C形腿 本體4在隨其轉軸進行旋轉運動的同時還隨其轉軸進行往復平動。其中C形腿本體4在隨 其轉軸的往復平動中，當C形腿本體4與沙基地面接觸時其轉軸向后平動，而當C形腿本體 4離開沙基地面后其轉軸向前平動。其中C形腿本體4在隨其轉軸的旋轉運動外，還隨其轉 軸進行往復平動，當C形腿本體4與沙基地面接觸時在隨其轉軸向后轉動的同時，也隨其轉 軸向后平動。其中C形腿本體4在隨其轉軸的旋轉運動外，還隨其轉軸進行往復平動，當C 形腿本體4離開沙基地面時在隨其轉軸向前轉動的同時，也隨其轉軸向前平動。
[0032] 二維運動C形腿仿生六足機器人如圖1所示，六足機器人的基本步法是H腳架步 法。其中1足（或稱1腿或1腳，其它足也可W此類推，下同）、4足、5足可構成一個H腳 架，2足、3足、6足可構成另外一個H腳架。圖2、圖3是W足4為例的二維運動C形腿的運 動原理圖和結構示意圖。
[0033] 為克服仿生機器人C形腿在松軟沙基中滑轉率過大的缺點，提高機器人在松軟沙 基上的通過能力， 申請人:利用滑軌9和反裝曲柄連桿7機構，在不增加驅動電機的情況下， 將原來的只有一維運動的C形腿變為既有平動又有轉動的二維運動C形腿，如圖2、3所示： 圖中包括曲拐8,其半徑為r，連桿7,其長度為1。C形腿本體4通過曲拐8連于減速器12 上，減速器12與（驅動）電機11相連接，電機11和減速器12安裝在滑軌9的滑塊10之 上，連桿7 -端與機器人身體相連，另一端與曲拐8相連。
[0034] 如圖2、3所示。當驅動電機11通過減速器12和曲拐8帶動C形腿本體4旋轉時， 會帶動C形腿本體4產生一個前后方向的往復運動，使C形腿本體4在與沙基地面接觸時， 除了有旋轉運動外，還有水平向后的平動（其余各腿結構均與圖2、3相同），其在松軟沙基 奔跑時的步態將比一維運動C形腿更接近于晰賜后肢在沙上奔跑時的狀態，進而可克服仿 生機器人C形腿在松軟沙基中滑轉率過大的缺點。
[00巧]本發明的工作原理是：
[0036] -維運動C形腿仿生六足機器人的基本步法是H腳架步法，當一維運動C形腿在 地面做純滾動時，一維運動C形腿軸的運動軌跡為擺線，如圖4所示。擺線的參數方程為 (1)式。
[0037] X = R( C0 t-sin co t)
[0038] (1)
[0039] y = R(l_cos w 1：)
[0040] 式中《為C形腿的旋轉角速度。
[0041] 在c形腿仿生六足機器人運動控制中，為使兩套H腳架平穩切換，需控制兩套C形 腿的旋轉角速度滿足一定的關系。當C形腿夢角（圖4中的口角）不同時，角速度關系不 同，設觸地的C形腿角速度為《1，不觸地的C形腿的角速度為《2。由幾何關系可知，《1、 ?2需滿足（2)式。
[0042] ^ = ^ (2) 嗎 9
[004引圖6為皆=2^/3的一維運動C形腿S腳架步法切換情況（為使圖面簡潔，圖中只 畫了部分C形腿）。由0)式可得"1= ? 2/2。圖6從上至下分別是，1、4、5(足）H腳架， 向2、3、6(足）H腳架過度的情況；2、3、6腿W角速度旋轉ji/3，l、4、5腿W角速度《 2 =2 ? 1旋轉2 JI /3時的情況；2、3、6腿旋轉2 JI /3,1、4、5腿旋轉4 JI /3,由2、3、6 (足）S 腳架，向1、4、5(足）H腳架過度的情況。
[0044] 圖7為餐=2;r/3的二維運動C形腿立腳架步法切換圖（為使圖面簡潔，圖中只畫 了部分C形腿）。圖7從上至下分別是，1、4、5(足）H腳架，向2、3、6(足）H腳架過度的 情況；2、3、6腿W角速度旋轉n/3，l、4、5腿W角速度《 2= 2? 1旋轉2JI/3時的情況； 2、3、6腿旋轉2n/3，l、4、5腿旋轉4n/3，由2、3、6(足）H腳架，向l、4、5(足）H腳架過 度的情況。
[0045] 圖8為^ = 2巧/3的一維運動C形腿，C形腿半徑R = 0. 2m時，機器人在無滑硬路 面行走，其重也運動的軌跡。重也運動的軌跡方程為（3)式
[0046] X = R( C0 t-sin co t)
[0047] 當 2 31 /3《w t《4 31 /3 (3)
[0048] y = R(l-cos?t)
[0049] 圖9為皆=2巧/3的二維運云力C形腿，C形腿半徑R = 0. 2m，r = 0. 07m，入=r/1 = 0.226時，機器人在無滑硬路面行走，其重也運動的軌跡。重也運動的軌跡方程為（4)式
[0050]

【權利要求】
1. 一種仿生沙基機器人二維運動C形腿，包括C形腿本體（4)，其特征在于：該C形腿 本體⑷與一曲拐⑶的輸出軸連接，而該曲拐⑶的輸入軸通過減速器（12)與電機（11) 連接，還包括一連桿（7)，該連桿（7)的一端通過軸承套裝在前述曲拐（8)的曲柄銷上，而 其另一端鉸接在仿生沙基機器人的身體上；另外前述的電機（11)固定在一滑軌（9)的滑塊 (10)上，該滑軌（9)則固定在仿生沙基機器人的身體上。
2. 如權利要求1所述的仿生沙基機器人二維運動C形腿，其特征在于：其中曲柄銷兩 端分別通過曲柄臂與曲拐（8)的輸入軸和輸出軸連接。
3. 如權利要求1所述的仿生沙基機器人二維運動C形腿，其特征在于：其中電機（11) 和減速器（12)均安裝在滑塊（10)上。
4. 如權利要求1所述的仿生沙基機器人二維運動C形腿，其特征在于：其中C形腿本 體⑷與一曲拐⑶的輸出軸通過緊固件連接。
5. 如權利要求1所述的仿生沙基機器人二維運動C形腿，其特征在于：其中在連桿（7) 的一端固定有圓環，該圓環通過軸承套裝在曲拐（8)的曲柄銷上。
6. 如權利要求1所述的仿生沙基機器人二維運動C形腿，其特征在于：所述C形腿本 體（4)的形狀基本為英文字母C的弧形。
7. -種仿生沙基機器人，包括C形腿本體（4)，其特征在于：所述C形腿本體（4)采用 權利要求1至6中任意一項記載的二維運動C形腿。
8. -種仿生沙基機器人二維運動C形腿的運動控制方法，其特征在于：二維運動C形 腿的C形腿本體（4)在隨其轉軸進行旋轉運動的同時還隨其轉軸進行往復平動。
9. 如權利要求8所述的仿生沙基機器人二維運動C形腿的運動控制方法，其特點在于：其中C形腿本體（4)在隨其轉軸的往復平動中，當C形腿本體（4)與沙基地面接觸時其轉 軸向后平動，而當C形腿本體（4)離開沙基地面后其轉軸向前平動。
10. 如權利要求8所述的仿生沙基機器人二維運動C形腿的運動控制方法，其特點在 于：其中C形腿本體（4)在隨其轉軸的旋轉運動外，還隨其轉軸進行往復平動，當C形腿本 體（4)與沙基地面接觸時在隨其轉軸向后轉動的同時，也隨其轉軸向后平動。
11. 如權利要求8所述的仿生沙基機器人二維運動C形腿的運動控制方法，其特點在 于：其中C形腿本體（4)在隨其轉軸的旋轉運動外，還隨其轉軸進行往復平動，當C形腿本 體（4)離開沙基地面時在隨其轉軸向前轉動的同時，也隨其轉軸向前平動。
【文檔編號】G05D1/02GK104503234SQ201410721484
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月3日 優先權日:2014年12月3日
【發明者】胡鋼墩, 潘歡, 李學豐 申請人:寧夏大學