專利名稱：具有雙足步行與輪式移動互變功能的仿人機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種仿人機器人，更具體的說，涉及一種具有雙足步行與輪式移動功能結合的仿人機器人。
背景技術：
機器人作為人類探索自然的工具的延伸，在社會經(jīng)濟、文化、生產(chǎn)、生活等眾多方面發(fā)揮著重要的作用。機器人應該是能在現(xiàn)實世界中執(zhí)行各種任務的結構，所以機器人的最佳形態(tài)應該取決于對機器人功能的要求。仿人機器人具有人類的外觀，可以適應人類的生活和工作環(huán)境，代替人類完成各種作業(yè)，并可以在很多方面擴展人類的能力，能在服務，醫(yī)療，教育，娛樂等多個領域得到廣泛應用。運動，是機器人的一項重要功能。仿人機器人采用雙足步行移動方式，兼顧下肢雙足步行與上肢雙臂操作能力，由于其采用類人結構，適用于人類的工作和生活環(huán)境，能使用人類所使用的工具，完成各種移動和操作任務。但其依然面臨移動速度較低、平衡控制困難等難題。而目前普遍采用的輪式移動方式，在平坦路面具有移動速度快、穩(wěn)定性好、效率高的優(yōu)點。經(jīng)對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國發(fā)明專利(申請?zhí)?00510004969. 7)，提出了一種輪式、履帶式及腿式的復合機構，但它所設計的機器人結構還是以輪式和履帶式為主，腿式機構僅起到輔助越障作用，不具備仿人機器人的移動和操作能力。因此，復合機構的結構和控制復雜性仍然是現(xiàn)代移動機動性的一個重要研究方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術中存在的技術問題，提供一種具有雙足步行與輪式移動互變功能的仿人機器人，結合仿人機器人和輪式機器人的特點，在雙足步行與輪式移動兩種移動形式之間實現(xiàn)自主切換，不僅可以通過遙控、也可以根據(jù)所在地面環(huán)境的外部信息來改變機器人當前的移動形態(tài)以選擇最佳移動方式，提高機器人的環(huán)境適應性和工作效率。為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案如下一種具有雙足步行與輪式移動互變功能的仿人機器人，包括機器人本體由具有仿人特點的機械結構連接而成，所述機械結構由驅(qū)動器驅(qū)動運動，所述驅(qū)動器包括驅(qū)動機器人雙足步行運動的舵機伺服電機和驅(qū)動機器人輪式移動的直流伺服電機，所述驅(qū)動器通過總線連接控制器，接受所述控制器輸出的驅(qū)動控制信號；遙控設備與機器人本體的控制器通過無線通訊方式下發(fā)控制命令，遙控機器人本體運動；測距傳感器安裝在機器人本體上，通過總線與機器人本體的控制器相連，檢測前方一定距離內(nèi)是否有障礙物，為機器人提供所在環(huán)境的外部信息以自主變換運動模式。
所述仿人特點的機械結構包括踝關節(jié)、膝關節(jié)、髖關節(jié)、腰關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)、 頭部和腳部，各關節(jié)的運動由舵機伺服電機實現(xiàn)。所述機器人雙腿髖關節(jié)和雙腿踝關節(jié)均裝有車輪，由直流伺服電機驅(qū)動，實現(xiàn)機器人輪式移動的前進、倒退和轉(zhuǎn)彎。所述車 輪包括驅(qū)動輪和從動輪，所述驅(qū)動輪以直流伺服電機驅(qū)動，控制輪式移動狀態(tài)機器人的前進、后退；所述從動輪通過所在關節(jié)的轉(zhuǎn)動控制輪式移動狀態(tài)機器人的轉(zhuǎn)向。所述機器人雙腿踝關節(jié)裝有車輪，由雙腿踝關節(jié)同時向左或向右實現(xiàn)機器人輪式移動的轉(zhuǎn)彎。所述測距傳感器安裝在機器人的踝關節(jié)處，使機器人可以通過環(huán)境信息自主變換當前移動方式，增加移動效率。所述機器人由雙足步行到輪式移動的轉(zhuǎn)換過程中機器人重心在地面的投影點始終保持在機器人接觸地面的支撐平面內(nèi)，保證轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性，并且所述的轉(zhuǎn)換過程完全可逆。所述機器人腳底裝有壓力傳感器，實時檢測機器人雙足接觸地面時的重心投影點位置。由雙足步行到輪式移動的轉(zhuǎn)換過程為初始姿態(tài)仿人機器人從站立過渡到深蹲，此過程中機器人要保持重心在地面的投影點在兩個腳底板構成的支撐平面內(nèi)，即機器人始終保持豎直平衡，不能向前后或向兩側(cè)摔倒；中間姿態(tài)(a)機器人髖關節(jié)和腰關節(jié)同時向后運動，使雙臂觸到地面。即機器人由雙足支撐狀態(tài)變?yōu)殡p足、雙臂支撐狀態(tài)，此過程要保證在重心運動方向上，雙足、雙臂所形成的支撐平面的面積不超過之前雙足支撐平面的面積；(b)保持雙足、雙臂支撐狀態(tài)，雙臂向后運動，雙腿向前伸直，即擴大支撐平面的面積，伸直雙腿后使腳底板垂直于地面，使踝關節(jié)處的車輪著地，以雙臂和踝關節(jié)處車輪組成支撐平面的支撐點；(c)雙臂向兩側(cè)抬起，放平髖關節(jié)，機器人呈仰面躺倒姿態(tài)，使髖關節(jié)處車輪完全著地，以髖關節(jié)和踝關節(jié)處的車輪作為支撐平面的支撐點；最終姿態(tài)向上折起腰關節(jié)，雙臂平行于地面向前伸直緊靠身體兩側(cè)，使機器人車形姿態(tài)的重心在地面的投影點盡可能移動到當前支撐平面的中間部位，以提高車形機器人行駛過程中的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)機器人從雙足步行到輪式移動的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明所提供的具有雙足步行與輪式移動互變功能的仿人機器人，能實現(xiàn)“雙足步行與輪式移動”的自由轉(zhuǎn)換，為保證轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)換過程中機器人自平衡條件定義為在變形過程中機器人的重心在地面的投影始終控制在機器人接觸地面的支撐平面內(nèi)。 機器人人形雙足支撐階段的重心投影點位置由安裝在足底的壓力傳感器確定。具有雙足步行與輪式移動互變功能的仿人機器人的運動受遙控設備操作，機器人不僅可以通過當前遙控設置的指令完成移動或改變移動方式的任務，還可以通過機器人踝關節(jié)處的測距傳感器(如紅外、聲納等)，使機器人通過環(huán)境信息自主變換當前移動方式。該發(fā)明對提高仿人機器人的環(huán)境適應性和移動效率具有重要意義。以雙足步行和輪式移動結合的辦法明顯提高了仿人機器人的移動效率，而不是一味提高仿人機器人的步距、步速，從而降低系統(tǒng)復雜度和成本。



圖1是本發(fā)明機器人的系統(tǒng)結構圖；圖2是本發(fā)明機器人本體的結構示意圖；圖3 (1)是本發(fā)明機器人雙足步行到輪式移動轉(zhuǎn)換過程初始狀態(tài)示意圖；圖3(2)是本發(fā)明機器人雙足步行到輪式移動轉(zhuǎn)換過程中間狀態(tài)一示意圖；圖3(3)是本發(fā)明機器人雙足步行到輪式移動轉(zhuǎn)換過程中間狀態(tài)二示意圖；圖3(4)是本發(fā)明機器人雙足步行到輪式移動轉(zhuǎn)換過程中間狀態(tài)三示意圖；圖3 (5)是本發(fā)明機器人雙足步行到輪式移動轉(zhuǎn)換過程的最終狀態(tài)示意圖；圖4是本發(fā)明機器人利用測距傳感器自主轉(zhuǎn)換移動方式示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明所提供的具有雙足步行與輪式移動互變功能的仿人機器人， 屬于仿人的智能移動機器人系統(tǒng)，包括機器人本體1，由驅(qū)動器2和控制器3組成，驅(qū)動器 2通過總線連接控制器3，接受控制器3輸出的驅(qū)動控制信號；遙控設備4通過無線通訊方式與機器人本體1的控制器3連接；測距傳感器5通過總線與機器人本體1的控制器3相連。機器人本體1由機械結構連接組成，具有仿人機器人的特點，包括踝關節(jié)13、膝關節(jié)12、髖關節(jié)11、腰關節(jié)14、肩關節(jié)和肘關節(jié)15以及頭部16，各關節(jié)運動由舵機伺服電機實現(xiàn)。機器人混合雙足步行和輪式移動的移動方式，能在雙足步行與輪式移動兩種移動形式之間實現(xiàn)切換，可根據(jù)地面環(huán)境和操作任務的需要，選擇最佳的移動方式，提高機器人的環(huán)境適應性和工作效率。如圖2所示，具有雙足步行與輪式移動互變功能的仿人機器人結構如下1.髖關節(jié)11由兩個驅(qū)動軸正交的舵機伺服電機組成。髖關節(jié)和人體一樣具有懸臂類型結構，因為懸臂類型結構在兩個大腿內(nèi)側(cè)之間有比較小碰撞，并且能夠?qū)崿F(xiàn)雙腿的交叉。另一方面，懸臂類型結構能夠使得髖關節(jié)之間的長度變短，從而可使得與地面水平軸的落地點更短。2.膝關節(jié)12由一個舵機伺服電機組成，可以實現(xiàn)和人體一樣屈膝、深蹲、大步幅行走，甚至跨越障礙等動作。3.踝關節(jié)13結構與髖關節(jié)類似，由兩個驅(qū)動軸正交的舵機伺服電機組成。在踝關節(jié)采用正交結構設計，能夠極大的方便機器人的控制。4.腰關節(jié)14采用一個舵機伺服電機，可實現(xiàn)彎腰動作，協(xié)調(diào)機器人運動過程中的上半身運動，增加機器人人形姿態(tài)的擬人程度，并且使機器人的車形姿態(tài)更加逼真。5.手臂部分15由三個舵機伺服電機構成，分別為肩關節(jié)、肘關節(jié)。其中肩關節(jié)與踝關節(jié)類似，由兩個驅(qū)動軸正交的舵機伺服電機組成。6.頭部16由一個舵機伺服電機構成，實現(xiàn)類人的搖頭動作。7.仿人機器人的腿部踝關節(jié)13和髖關節(jié)11處，分別裝有驅(qū)動輪17和從動輪18。驅(qū)動輪以直流伺服電機驅(qū)動，控制輪式移動狀態(tài)機器人的前進、后退；從動輪通過所在關節(jié)的轉(zhuǎn)動控制輪式移動狀態(tài)機器人的轉(zhuǎn)向。具有雙足步行與輪式移動互變功能的仿人機器人能實現(xiàn)“雙足步行與輪式移動” 的自由轉(zhuǎn)換，為保證轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)換過程中機器人自平衡條件定義為在變形過程中機器人的重心在地面的投影始終控制在機器人接觸地面的支撐平面內(nèi)。機器人人形雙足支撐階段的重心投影點位置由安裝在足底的壓力傳感器確定。圖3(1) 圖3 (5)所示轉(zhuǎn)換過程， 如下1、雙足步行到輪式移動轉(zhuǎn) 換過程初始姿態(tài)如圖3(1)所示，仿人機器人從站立過渡到深蹲，此過程中機器人要保持重心在地面的投影點在兩個腳底板構成的支撐平面內(nèi)，即機器人始終保持豎直平衡，不能向前后或向兩側(cè)摔倒；中間姿態(tài)如圖3(2)所示，機器人髖關節(jié)11和腰關節(jié)14同時向后運動，使雙臂觸到地面。即機器人由雙足支撐狀態(tài)變?yōu)殡p足、雙臂支撐狀態(tài)。此過程要保證在重心運動方向(徑向)上，雙足、雙臂所形成的支撐平面的面積不超過之前雙足支撐平面的面積；如圖3(3)所示，保持雙足、雙臂支撐狀態(tài)，雙臂向后運動，雙腿向前伸直，即擴大支撐平面的面積。伸直雙腿后使腳底板垂直于地面，使踝關節(jié)13處的驅(qū)動輪17著地，以雙臂和踝關節(jié)處驅(qū)動輪組成支撐平面的支撐點；如圖3(4)所示，雙臂向兩側(cè)抬起，放平髖關節(jié)11，機器人呈仰面躺倒姿態(tài)，使髖關節(jié)處從動輪18完全著地，以髖關節(jié)11和踝關節(jié)13處的車輪作為支撐平面的支撐點；最終姿態(tài)如圖3(5)所示，向上折起腰關節(jié)14，雙臂平行于地面向前伸直緊靠身體兩側(cè)，使機器人車形姿態(tài)的重心在地面的投影點盡可能移動到當前支撐平面的中間部位，以提高車形機器人行駛過程中的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)機器人從雙足步行到輪式移動的轉(zhuǎn)換。2、機器人從輪式移動到雙足步行轉(zhuǎn)換過程在上述過程中，機器人重心在地面的投影點始終保持在機器人與地面接觸的支撐平面內(nèi)，并且機器人支撐平面由雙足構成向雙足、雙臂構成過度的過程是靜態(tài)平衡，即上述雙足步行到輪式移動轉(zhuǎn)換過程完全可逆。所以機器人從輪式移動到雙足步行的轉(zhuǎn)換，就是雙足步行到輪式移動轉(zhuǎn)換的逆序動作。具有雙足步行與輪式移動互變功能的仿人機器人的運動受遙控設備操作，遙控設備與機器人本體的控制器通過無線設備通訊，下發(fā)控制命令。機器人不僅可以通過當前遙控設置的指令完成移動或改變移動方式的任務，還可以通過機器人踝關節(jié)處的測距傳感器 (如紅外、聲納等)，使機器人可以通過環(huán)境信息自主變換當前移動方式，提高機器人的環(huán)境適應性和工作效率。如圖4所示，仿人機器人在雙足步行狀態(tài)移動過程中，當踝關節(jié)13處測距傳感器檢測到前方一定距離內(nèi)沒有障礙物，則機器人判斷前方地面狀況適合輪式移動，機器人自主改變當前移動方式，以提高移動效率。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點本發(fā)明的機器人具有完整的仿人機器人的特征，采用雙足步行移動方式，兼顧下肢雙足步行與上肢雙臂操作能力，適用于人類的工作和生活環(huán)境，能使用人類所使用的工具，完成各種移動和操作任務。又兼顧輪式移動方式，在平坦路面具有移動速度快、穩(wěn)定性好、效率高的優(yōu)點。能在雙足步行與輪式移動兩種移動形式之間實現(xiàn)切換，根據(jù)地面環(huán)境和操作任務的需要，選擇最佳的移動方式，提高機器人的環(huán)境適應性和工作效率。 本發(fā)明還可以有其他多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領域的技術人員可根據(jù)本發(fā)明做出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發(fā)明所附的權 利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種具有雙足步行與輪式移動互變功能的仿人機器人，包括機器人本體由具有仿人特點的機械結構連接而成，所述機械結構由驅(qū)動器驅(qū)動運動， 所述驅(qū)動器包括驅(qū)動機器人雙足步行運動的舵機伺服電機和驅(qū)動機器人輪式移動的直流伺服電機，所述驅(qū)動器通過總線連接控制器，接受所述控制器輸出的驅(qū)動控制信號；遙控設備與機器人本體的控制器通過無線通訊方式下發(fā)控制命令，遙控機器人本體運動；測距傳感器安裝在機器人本體上，通過總線與機器人本體的控制器相連，檢測前方一定距離內(nèi)是否有障礙物，為機器人提供所在環(huán)境的外部信息以自主變換運動模式。
2.如權利要求1所述的具有雙足步行與輪式移動互變功能的仿人機器人，其特征在于，所述仿人特點的機械結構包括踝關節(jié)、膝關節(jié)、髖關節(jié)、腰關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)、頭部和腳部，各關節(jié)的運動由舵機伺服電 機實現(xiàn)。
3.如權利要求2所述的具有雙足步行與輪式移動互變功能的仿人機器人，其特征在于，所述機器人雙腿髖關節(jié)和雙腿踝關節(jié)處均裝有車輪，由直流伺服電機驅(qū)動，實現(xiàn)機器人輪式移動的前進、倒退和轉(zhuǎn)彎。
4.如權利要求3所述的具有雙足步行與輪式移動互變功能的仿人機器人，其特征在于，所述車輪包括驅(qū)動輪和從動輪，所述驅(qū)動輪以直流伺服電機驅(qū)動，控制輪式移動狀態(tài)機器人的前進、后退；所述從動輪通過所在關節(jié)的轉(zhuǎn)動控制輪式移動狀態(tài)機器人的轉(zhuǎn)向。
5.如權利要求3或4所述的具有雙足步行與輪式移動互變功能的仿人機器人，其特征在于，所述測距傳感器安裝在機器人的踝關節(jié)處，使機器人可以通過環(huán)境信息自主變換當前移動方式，增加移動效率。
6.如權利要求5所述的具有雙足步行與輪式移動互變功能的仿人機器人，其特征在于，所述機器人由雙足步行到輪式移動的轉(zhuǎn)換過程中機器人重心在地面的投影點始終保持在機器人接觸地面的支撐平面內(nèi)，保證轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性，并且所述的轉(zhuǎn)換過程完全可逆。
7.如權利要求6所述的具有雙足步行與輪式移動互變功能的仿人機器人，其特征在于，所述機器人腳底裝有壓力傳感器，實時檢測機器人雙足接觸地面時的重心投影點位置。
8.如權利要求6所述的具有雙足步行與輪式移動互變功能的仿人機器人，其特征在于，由雙足步行到輪式移動的轉(zhuǎn)換過程為初始姿態(tài)仿人機器人從站立過渡到深蹲，此過程中機器人要保持重心在地面的投影點在兩個腳底板構成的支撐平面內(nèi)，即機器人始終保持豎直平衡，不能向前后或向兩側(cè)摔倒；中間姿態(tài)(a)機器人髖關節(jié)和腰關節(jié)同時向后運動，使雙臂觸到地面，即機器人由雙足支撐狀態(tài)變?yōu)殡p足、雙臂支撐狀態(tài)，此過程要保證在重心運動方向上，雙足、雙臂所形成的支撐平面的面積不超過之前雙足支撐平面的面積；(b)保持雙足、雙臂支撐狀態(tài)，雙臂向后運動，雙腿向前伸直，即擴大支撐平面的面積， 伸直雙腿后使腳底板垂直于地面，使踝關節(jié)處的車輪著地，以雙臂和踝關節(jié)處車輪組成支撐平面的支撐點；(c)雙臂向兩側(cè)抬起，放平髖關節(jié)，機器人呈仰面躺倒姿態(tài)，使髖關節(jié)處車輪完全著地， 以髖關節(jié)和踝關節(jié)處的車輪作為支撐平面的支撐點；最終姿態(tài)向上折起腰關節(jié)，雙臂平行于地面向前伸直緊靠身體兩側(cè)，使機器人車形姿態(tài)的重心在地面的投影 點盡可能移動到當前支撐平面的中間部位，以提高車形機器人行駛過程中的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)機器人從雙足步行到輪式移動的轉(zhuǎn)換。
全文摘要
具有雙足步行與輪式移動互變功能的仿人機器人，包括機器人本體，由驅(qū)動器和控制器組成，驅(qū)動器通過總線連接控制器，接受控制器輸出的驅(qū)動控制信號；遙控設備通過無線通訊方式與機器人本體的控制器連接；測距傳感器通過總線與機器人本體的控制器相連。本發(fā)明所提供的機器人，是仿人機器人與輪式機器人的結合，不僅可以遙控機器人改變當前形態(tài)，而且可以通過安裝在機器人本體上的測距傳感器，監(jiān)測前方地形特征，根據(jù)地面環(huán)境和操作任務的需要，自主選擇最佳的移動方式，提高機器人的環(huán)境適應性和工作效率。
文檔編號B62D57/028GK102431604SQ201110353199
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月9日 優(yōu)先權日2011年11月9日
發(fā)明者劉海春, 陳衛(wèi)東, 魏之暄 申請人:上海交通大學