[发明专利]能适应复杂崎岖地形的高负载能力的电驱动四足机器人

说明书

本发明适用于机器人技术领域，提供了一种能适应复杂崎岖地形的高负载能力的电驱动四足机器人，本发明的四足机器人的电机——减速器动力系统的输出端与负载相连接。相比于需要泵站来提供动力的液压驱动系统，复杂性大大降低，可以实现高精度位置、速度的控制，响应速度快，便于四足机器人获得更好的动态响应能力。另外，电驱动系统运行过程不产生噪声，不排放气体，体积小、质量轻、便于运输和携带。本发明机器人的电机与减速机连接，通过输出端驱动各个关节转动进而带动支腿运动。电机经减速器降速后，输出端扭矩进一步加大，使得该机器人不仅能在崎岖路面上实现慢走、小跑、各项运动及自平衡外，还具有较高的负载能力。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种能适应复杂崎岖地形的高负载能力的电驱动四足机器人。

背景技术

能够在复杂非结构地形环境下运行的移动机器人是当今机器人领域研究的热点。现有的移动机器人主要分为轮式、履带式和足式等几种类型。轮式机器人在运动过程中需要连续平整的地面，较难适应未知的复杂路面。履带式机器人运动需要较大的转弯半径，灵活度较低。足式机器人具有较高的自由度，使其可以灵活地跨过崎岖程度较高的障碍，具备较高的越障能力。

足式机器人按照腿的数量可分为双足机器人、四足机器人和多足机器人等。双足机器人主要是仿照人类的结构设计的，其外观和运动形式都和人类较为接近，但在运动速度、负载能力及稳定性方面的性能都不满足在复杂非结构地形环境下作为运送物资的载体的要求；多足机器人主要是仿照昆虫设计的，其结构和运动特性都和昆虫较为接近，多足机器人在崎岖地形上的运动能力相比于双足机器人有一定的提高，但其速度较慢，体型庞大，在狭窄空间的越障灵活度较低；四足机器人主要是仿造自然界中的哺乳动物的结构进行设计的，自然界中的四足动物例如猎豹、狗和马等，其在移动速度和环境适应性方面都有极佳的表现，四足机器人运动步态丰富，不仅能克服复杂地形对机器人稳定性的影响，而且能在动态的情况下实现高速运动，非常适合作为在复杂非结构化地形环境下的运送载体。发明专利公开号为US 8126592B2的专利文献公开了一种由汽油内燃机提供动力的高负载四足机器人装置，该机器人在复杂非结构化地形环境下具有较高的运动灵活性和环境适应性。其设计原理为通过陀螺仪和加速度仪等传感器感知环境并由机载计算机规划步态，它的主动平衡性使其可以保持稳定。该装置由每段肢体对应的液压执行器根据当前运动控制系统所发出的指令参数，借助各自电液伺服阀的调压功能，获取恰好满足各自肢体所需要的动力输出。液压的特性是有负载才有油压输出，没有负载则油压消失，发动机转数下降至零，因此BigDog的驱动系统无法满足在野外崎岖路况下瞬间油压值大幅度增加的要求。(在机器人奔跑跳跃时间段内，当四条腿处于腾空状态时，四腿各个肢体的载荷均大幅降低。汽油发动机的转数必然呈下降趋势，四腿腾空时间越长，油压总路油压值下降越明显。而落地时腿部与地面接触时间短并且冲击载荷巨大，需要液压系统提供和起跳前接近的油压输出。由于时间太短，汽油发动机无法瞬间给油压总路实现大幅度增压。所以腿部的液压执行器无法提供足够的支撑力，满足落地瞬间的动力输出要求。腿部必然变软，造成机器人瘫倒)另外，液压驱动系统组件较为庞大笨重且工作过程中噪声较大，这些都限制了该四足机器人的商业发展前景。

另外，电驱动系统运行过程不产生噪声，不排放气体，相比于液压系统体积小、质量轻，具备较好的商业发展前景，也是四足机器人的研究热点和发展趋势。较典型的电机驱动四足机器人如Cheetah，具有仿生式的柔性背部关节，在奔跑过程中可如猎豹般伸曲自如，还可保持稳定、高速的前进步伐，最高运动速度可达46km/h，是世界上奔跑最快的机器人，但目前该机器人的控制系统和电力系统仍然外置，显然不适合在野外崎岖路面自主行走，整个机器人还处在实验室原理样机研发阶段，并未见其投入到商业运用。另一较典型的电驱动四足机器人ANYmal，由集成化的关节模块驱动腿部运动，同时可以自主规划其导航路径，具备较好的越障能力，目前已经投入商业化使用，可以进行巡逻和救援，但其不具备负载能力，所以商业化前景进一步受到限制。

发明内容