專利名稱：小型仿生四足機器人的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種機器人，尤其是一種小型仿生四足機器人。
背景技術：
機器人作為一項近年來飛速發展的新興產業，正在快速運用到軍事、工業等各個領域。從運動方式來看，機器人可分為，輪式機器人、履帶式機器人和足式機器人三類。最初，輪式或履帶式的機器人系統由于能夠很好地適應平坦和堅硬的表面(如實驗室或公路)而廣受人們的青睞，并取得了很大的進展。近年來，隨著人類活動范圍的擴大，對機器人的活動范圍提出了更高的要求。很多情況下，機器人需要在山地等崎嶇復雜的路面上行進，這是輪式和履帶機器人難以勝任的。20世紀60年代，隨著仿生學的出現，科學家基于人和動物可以在幾乎一切路面行 走的事實，開展了足式仿生機器人的研制。自1968年由美國通用電氣公司的Mosher研制出了世界上第一臺現代意義上的、具有控制功能的四足步行機器人至今，包括美國、日本、加拿大、瑞士、德國等多個國家都在不同程度上進行了足式機器人的研究，很多成果也相繼面世。其中，美國波士頓動力公司研制的BigDog已經可以成功地實現不同的步態,如Walk步態、Trot步態和Bound步態，還可以負載最多達154千克行進2. 5小時，并可以在山地、冰面、廢墟等復雜路面上行走，可以看做當今四足機器人發展的最高成就。此外，美國波士頓動力公司與多家機構共同研制的AlphaDog也已經進入戶外測試階段,其性能較BigDog也會有較大提升。此外，在國內，清華大學、山東大學、哈爾濱工業大學和華中科技大學等高校也在從事四足仿生機器人的研發工作，并取得了一定的成果。2011年2月發表于《機械》的文獻《舵機驅動仿生四足機器人設計》一文中提出過用舵機驅動四足機器人的想法，但其機器人的自由度相對較少，也未提及具體的步態實施方案，在較為復雜的地面運動以及步態的靈活性上(尤其是轉彎時)還略顯不足。
發明內容本實用新型的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種小型仿生四足機器人，此機器人基于仿生學原理，自帶控制器，并以舵機為執行器，模擬四足哺乳動物的步態和腿部結構，具備步態靈活，行動穩定，控制方式相對簡單的特點，可以靈活的實現前進、后退、轉向等動作。為實現上述目的，本實用新型采用下述技術方案一種小型仿生四足機器人，包括軀干，所述軀干上設有控制系統和電源，控制系統和電源相連，軀干下部設有四條腿，每條腿上均有三個自由度，分別處于膝蓋處的一個自由度和髖關節處的兩個自由度；所述每個自由度均通過舵機實現。所述控制系統采用兩層結構，分別為電連接的上位機和下位機。所述上位機為PC機，下位機為飛思卡爾微控制單元。[0011 ] 所述電源設置于軀干和控制系統之間的夾層中。所述電源為Li-ion電池。所述每條腿的末端均有半圓柱形橡膠墊。本實用新型的每條腿上均有三個自由度(關節)，分別處于膝蓋處(ー個自由度，用于小腿的前后擺動)和髖關節處(兩個自由度，用于大腿的前后擺動和側向擺動)。該機器人的控制器位于機器人軀體上，以電池供電，無需外部電源。電池位于機器人軀體與控制單元的夾層之中。該機器人采用步態控制的方式，可靈活實現多種動靜步態(walk, trot, bound, gallop, circling gait, spinning gait 等)。步態的切換可以依4 軟 件完成，通過上位機與微控制器之間的信息傳送，可以方便的在多種步態之間進行切換。整個控制系統采用兩層結構上位機為PC機，下位機為飛思卡爾微控制單元。在工作過程中，上位機與下位機之間依照程序進行信息的交互，從而實現機器人的相應動作。整個機器人系統具有可編程控制接ロ，可以為程序的開發和升級提供了極大地方便。在軀干上底層電路板上的單片機插座安裝單片機，打開撥碼開關，電源開關，電池通過電源接ロ給單片機供電，電源指示燈亮，單片機已起控制作用，經過5V穩壓片作用的蜂鳴器正常工作，同時經過6V穩壓片作用的數碼管顯示數據。通過舵機接ロ與機器人四條腿相連，調節可側向旋轉的髖關節、可前后旋轉的髖關節、可前后旋轉的膝關節，機器人可以行走。在步態靈活性方面，機器人四條腿的髖關節處均添加了一個外擺的自由度，即每條腿使用三個舵機(髖關節兩個，分別用于內外擺動和前后擺動，膝關節ー個，用于前后擺動)，這樣不僅更進一歩接近了四足動物的真實情況，而且極大程度上提高了機器人步態的靈活性。在PWM的產生原理方面，機器人共擁有12個自由度，需要12個舵機，因此需要12個可以產生PWM的輸出端ロ。本系統采用的是MC9S12XS128單片機，其本身具備8個PWM輸出端ロ。然而，為了達到滿意的控制精度，需要將PWM ロ兩兩級聯，因此，8個PWM輸出口只能控制四個舵機。要精準控制所有的12個舵機，且不增加額外的硬件電路，則需要將部分I/O ロ通過定時器用作PWM ロ，使其輸出固定周期且寬度適宜的脈沖信號。然而，這樣會產生新的問題本舵機需要20ms為周期的PWM信號，從理論上講，若利用單片機定時器產生周期為0.01ms的定時中斷，在特定的時間段內控制某I/O ロ輸出高電平或低電平，這樣就可以輸出特定占空比的PWM波，且在舵機的控制脈沖寬度(O. 5ms-2. 5ms)內有200個等級可以調，控制精度可以保證。然而，這樣ー來，可能會由于中斷過于頻繁而導致程序無法正常運行。要解決這ー問題，可以設置兩個中斷ー個周期為IOms的大中斷，ー個周期為O. Olms小中斷。在程序運行時，每隔ー個IOms的大中斷，使能一次小中斷。這樣ー來，每兩個大中斷構成ー個20ms的周期，且在ー個周期特定的半周上產生觸發脈沖。本實用新型為電路結構相對簡單、易于實現的小型仿生四足機器人，此機器人基于仿生學原理，自帶控制器，并以舵機為執行器，模擬四足哺乳動物的步態和腿部結構，具備步態靈活，行動穩定，控制方式相對簡單的特點，可以靈活的實現前進、后退、轉向等動作。使用功率較小的舵機代替液壓裝置可以大幅減小機器人主體的體積和重量及其能量消耗。此外，在設計過程中，機器人的電池等能源機構全部置于機器人上，大大提高了機器人的活動范圍和靈活性。該機器人可以應用于教學、娛樂等領域，并且可以作為一個成本低廉的試驗平臺，以供對大型四足機器人的步態等進行學習和研究。機器人模仿四足哺乳動物(如貓、狗等)的腿部結構，在步態實現上采用位置控制的方式。系統采用兩塊Li-ion電池供電，位于機器人軀體上，不占用額外的空間，使得整個系統結構顯得緊湊。軀體的運動控制以飛思卡爾微控制器為控制核心，控制器及外圍電路全部集成在機器人的軀體上，既滿足了系統的小型化，又保證了系統的可靠性。

圖I是本實用新型單條腿結構示意圖；圖2是本實用新型結構示意圖；圖3是本實用新型電源控制關系圖；·圖4是PWM輸出波形圖；圖5是控制系統結構框圖；其中I.軀干，2.髖關節自由度(舵機)，3.膝關節自由度(舵機)。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。如圖1-5所示，小型仿生四足機器人，包括軀干1，所述軀干I上設有控制系統和電源，控制系統和電源相連，軀干I下部設有四條腿，每條腿上均有三個自由度(關節)，分別處于膝蓋處(一個膝關節自由度3，用于小腿的前后擺動)和髖關節處(兩個髖關節自由度2，用于大腿的前后擺動和側向擺動)。每個自由度均通過舵機實現。每條腿的結構如圖I所示，其中
LI 33mmL2 50mmL3 55mm控制系統采用兩層結構，分別為電連接的上位機和下位機。上位機為PC機，下位機為飛思卡爾微控制單元。在工作過程中，上位機與下位機之間依照程序進行信息的交互，從而實現機器人的相應動作。該機器人的控制器位于機器人軀體上，以電池供電，無需外部電源。電源為Li-ion電池。電池位于機器人軀體與控制單元的夾層之中。每條腿的末端均有半圓柱形橡膠墊。該機器人采用步態控制的方式，可靈活實現多種動靜步態(walk, trot, bound, gallop, circling gait, spinning gait 等)。步態的切換可以依靠軟件完成，通過上位機與微控制器之間的信息傳送，可以方便的在多種步態之間進行切換。整個機器人系統具有可編程控制接口，可以為程序的開發和升級提供了極大地方便。在軀干上底層電路板上的單片機插座安裝單片機，打開撥碼開關，電源開關，電池通過電源接ロ給單片機供電，電源指示燈亮，單片機已起控制作用，經過5V穩壓片作用的蜂鳴器正常工作，同時經過6V穩壓片作用的數碼管顯示數據。通過舵機接ロ與機器人四條腿相連，調節可側向旋轉的髖關節、可前后旋轉的髖關節、可前后旋轉的膝關節，機器人可以行走。在步態靈活性方面，機器人四條腿的髖關節處均添加了一個外擺的自由度，即每條腿使用三個舵機(髖關節兩個，分別用于內外擺動和前后擺動，膝關節ー個，用于前后擺動)，這樣不僅更進一歩接近了四足動物的真實情況，而且極大程度上提高了機器人步態的靈活性。在PWM的產生原理方面，機器人共擁有12個自由度，需要12個舵機，因此需要12個可以產生PWM的輸出端ロ。本系統采用的是MC9S12XS128單片機，其本身具備8個PWM 輸出端ロ。然而，為了達到滿意的控制精度，需要將PWM ロ兩兩級聯，因此，8個PWM輸出口只能控制四個舵機。要精準控制所有的12個舵機，且不增加額外的硬件電路，則需要將部分I/O ロ通過定時器用作PWM ロ，使其輸出固定周期且寬度適宜的脈沖信號。然而，這樣會產生新的問題本舵機需要20ms為周期的PWM信號，從理論上講，若利用單片機定時器產生周期為0.01ms的定時中斷，在特定的時間段內控制某I/O ロ輸出高電平或低電平，這樣就可以輸出特定占空比的PWM波，且在舵機的控制脈沖寬度(O. 5ms-2. 5ms)內有200個等級可以調，控制精度可以保證。然而，這樣ー來，可能會由于中斷過于頻繁而導致程序無法正常運行。要解決這ー問題，可以設置兩個中斷ー個周期為IOms的大中斷，ー個周期為
O.Olms小中斷。在程序運行時，每隔ー個IOms的大中斷，使能一次小中斷。這樣ー來，每兩個大中斷構成ー個20ms的周期，且在ー個周期特定的半周上產生觸發脈沖。上述雖然結合附圖對本實用新型的具體實施方式
進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內。
權利要求1.ー種小型仿生四足機器人，其特征是，包括軀干，所述軀干上設有控制系統和電源，控制系統和電源相連，軀干下部設有四條腿，每條腿上均有三個自由度，分別處于膝蓋處的ー個自由度和髖關節處的兩個自由度；所述每個自由度均通過舵機實現。
2.如權利要求I所述的小型仿生四足機器人，其特征是，所述控制系統采用兩層結構，分別為電連接的上位機和下位機。
3.如權利要求2所述的小型仿生四足機器人，其特征是，所述上位機為PC機，下位機為飛思卡爾微控制単元。
4.如權利要求I所述的小型仿生四足機器人，其特征是，所述電源設置于軀干和控制系統之間的夾層中。
5.如權利要求I或4所述的小型仿生四足機器人，其特征是，所述電源為Li-ion電池。
6.如權利要求I所述的小型仿生四足機器人，其特征是，所述每條腿的末端均有半圓柱形橡膠墊。
專利摘要本實用新型公開了一種小型仿生四足機器人，包括軀干，所述軀干上設有控制系統和電源，控制系統和電源相連，軀干下部設有四條腿，每條腿上均有三個自由度，分別處于膝蓋處的一個自由度和髖關節處的兩個自由度；所述每個自由度均通過舵機實現。此機器人基于仿生學原理，自帶控制器，并以舵機為執行器，模擬四足哺乳動物的步態和腿部結構，具備步態靈活，行動穩定，控制方式相對簡單的特點，可以靈活的實現前進、后退、轉向等動作。
文檔編號B62D57/032GK202657138SQ20122034452
公開日2013年1月9日 申請日期2012年7月16日 優先權日2012年7月16日
發明者張國騰, 李貽斌, 孟健, 柴匯, 劉斌 申請人:山東大學