CN103273980A - 可自组装为多足轮腿式机器人的模块机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可自组装为多足轮腿式机器人的模块机器人，包括左腿部件、主体框架、和右腿部件，其中左腿部件和右腿部件结构相同，对称安装于主体框架(II)的左右两侧，分别具有五个自由度；主体框架前后都安装有快速接头，与其他模块机器人进行快速连接，形成多足轮腿式机器人。本发明具有多种运动方式以达到良好的地形适应能力以及地形利用率，可以分体的特性使得本发明具有更好的维修特性以及更好的故障容差性，并且带来较高的功能可定制性，而且单一模块本身仍然具有完成一定任务的能力，具有较好的市场前景。

Description

可自组装为多足轮腿式机器人的模块机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种可自组装为多足轮腿式机器人的模块机器人。

背景技术

轮腿式多足机器人相对于轮式机器人与多足式机器人在地形利用及适应方面有着更好的灵活性。相对于轮式机器人，轮腿式多足机器人可以在复杂地形上行走；相对于多足式机器人，轮腿式机器人可以在用更少的能量在平整路面上以更高的速度前进。

模块机器人运动方式灵活、可组织形式复杂，能更好的完成不同任务的需要。相对普通机器人具有重量小，任务适应程度高的优点。

目前，已经出现了多种轮腿机器人与模块机器人，如轮腿式机器人有NASA的ATHLETE轮腿式机器人；模块机器人有北航的SamBot。ATHLETE虽然具有地形适应性及利用率优越，但是体型庞大，仅可作为载具使用，任务适应度低，灵活性差；而SamBot则可以使用多种任务，具有很好的灵活性，但是单一模块本身几乎没有任何能力。并且组合之后运动效率低下。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足，提供一种具有良好的地形适应性及利用率，同时又可以灵活组装为多足轮腿式机器人以适应不同任务需要的模块机器人，而且单一模块本身仍然具有完成一定任务的能力。

本发明为解决上述技术问题，通过以下技术方案实现：

一种可自组装为多足轮腿式机器人的模块机器人，包括左腿部件I、主体框架II和右腿部件III，其中左腿部件I、右腿部件III结构相同，对称安装于主体框架II的左右两侧；

所述的左腿部件I包括有足部减速电机1、第一舵机2、第二舵机3、小腿杆件4、第三舵机5、大腿杆件6和双舵机关节7；

其中，双舵机关节7包括有垂直连接到一起的第一单轴舵机7-1和第二单轴舵机7-2，第一单轴舵机7-1与主体框架II相连接，第二单轴舵机7-2与大腿杆件6相连接，进而实现大腿杆件6可以绕两轴旋转的两个自由度；

小腿杆件4通过第三舵机5与大腿杆件6连接，具有一个旋转自由度；

足部减速电机1通过第一舵机2、第二舵机3与小腿杆件4相连，具有两个旋转自由度；

足部减速电机1的输出轴与轮子1-1相连，进而形成轮腿式机器人。

上述的具有多自由度的轮腿设计，可以实现将足部减速电机1朝向空间中任意方向，以方便于模块机器人组装成为多轮腿式机器人，并使得以多轮车式前进时可以向各个方向转向，以足式行走前进时可以着落于各种朝向的地形。在实际使用时，可以视实际情况增减自由度。

所述的主体框架II前后各安装有前快速接头8和后快速接头9，与其他模块机器人进行快速连接，形成多足轮腿式机器人。

该模块机器人单体工作可以有以下几种模式：

当该模块机器人单体独自运行时，可以在主体框架II上安装加速度计以及角速度计，利用PID算法控制足部减速电机1驱动轮子1-1进行平衡，实现二轮平衡行走；

当模块机器人的主体框架II负重较大时，可以在主体框架II上安装万向轮及支架，实现三轮车式的行走；

当模块机器人搜素其他单体时，可以使用安装于主体框架II上的红外测距装置，利用三角定位的方式确定其他模块机器人的位置，然后控制主体框架II前往与之对接；对接时，前快速接头8和后快速接头9可以与前后的其他模块机器人固连，从而形成多足式轮腿机器人。

一种多轮腿式机器人,可以由多于2个的上述模块机器人组合而成，例如由三个模块机器人可组成了六足轮腿式机器人；每个模块机器人之间通过前快速接头8和后快速接头9结合在一起；

不同的模块机器人可以在各自的主体框架II上安装不同的功能模块，实现不同的功能；例如，在位于前方的模块机器人A安装摄像头模块，在中间的模块机器人B安装烟雾传感模块。

当轮腿式机器人行走时，可以采用三种方式：第一种是用于复杂崎岖地形的足式仿生行走，第二种用于平坦人造路面的多轮车式行走，第三种是前两种运动方式的复合。

本发明的控制系统分为三个级别：

第一级控制系统是最高级，为用户处的PC机终端，利用无线通信与第二级控制系统相互通信；

第二级控制系统为安装于模块机器人主体框架II上的MCU模块，不同的模块机器人可以使用不同的MCU，这样在各个模块机器人中便有了等级体现，载有更高级MCU的模块机器人成为第二级控制系统的中心，可以由其控制其他模块机器人的运动；第二级控制系统可以通过I2C通讯协议（即Inter－Integrated Circuit总线，是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备）与第三级控制系统通信；

第三级控制系统包括安装于各个舵机上的电机控制器，安装于结构件上的底层控件，如环境传感器等。

本发明的有益效果在于：

本发明具有多种运动方式以达到良好的地形适应能力以及地形利用率。可以分体的特性使得本发明具有更好的维修特性以及更好的故障容差性，并且带来较高的功能可定制性。并且可以通过狭小的空间，完成任务。同时本发明的每个模块机器人本身即可完成一定任务，具有一定的单体处理任务能力。

附图说明

图1为本发明的模块机器人单体的结构示意图；

图2为左腿部件的示意图；

图3为双舵机关节的示意图；

图4为组装成的六足轮腿式机器人的示意图；

图5为系统控制框图。

图中：

I、左腿部件；II、主体框架；III、右腿部件；

1、足部减速电机；2、第一舵机；3、第二舵机；4、小腿杆件；

5、第三舵机；6、大腿杆件；7、双舵机关节；8、前快速接头；9、后快速接头；

1-1、轮子；7-1、第一单轴舵机；7-2、第二单轴舵机；

A、第一模块机器人；B、第二模块机器人；C、第三模块机器人。

具体实施方式

下面结合附图对发明进行详细介绍。

如图1所示，为本发明的一种可自组装为多足轮腿式机器人的模块机器人单体，包括左腿部件I、主体框架II和右腿部件III，其中左腿部件I、右腿部件III结构相同，对称安装于主体框架II的左右两侧；

图2为左腿部件I的示意图，包括有足部减速电机1、第一舵机2、第二舵机3、小腿杆件4、第三舵机5、大腿杆件6和双舵机关节7；

图3为双舵机关节7的示意图，包括有垂直连接到一起的第一单轴舵机7-1和第二单轴舵机7-2，第一单轴舵机7-1与主体框架II相连接，第二单轴舵机7-2与大腿杆件6相连接，进而实现大腿杆件6可以绕两轴旋转的两个自由度；

小腿杆件4通过第三舵机5与大腿杆件6连接，具有一个旋转自由度；

足部减速电机1通过第一舵机2、第二舵机3与小腿杆件4相连，具有两个旋转自由度；

足部减速电机1的输出轴与轮子1-1相连，进而形成轮腿式机器人。

上述的具有多自由度的轮腿设计，可以实现将足部减速电机1朝向空间中任意方向，以方便于模块机器人组装成为多轮腿式机器人，并使得以多轮车式前进时可以向各个方向转向，以足式行走前进时可以着落于各种朝向的地形。在实际使用时，可以视实际情况增减自由度。

所述的主体框架II前后各安装有前快速接头8和后快速接头9，与其他模块机器人进行快速连接，形成多足轮腿式机器人。

该模块机器人单体工作可以有以下几种模式：

当该模块机器人单体独自运行时，可以在主体框架II上安装加速度计以及角速度计，利用PID算法控制足部减速电机1驱动轮子1-1进行平衡，实现二轮平衡行走；

当模块机器人的主体框架II负重较大时，可以在主体框架II上安装万向轮及支架，实现三轮车式的行走；

当模块机器人搜素其他单体时，可以使用安装于主体框架II上的红外测距装置，利用三角定位的方式确定其他模块机器人的位置，然后控制主体框架II前往与之对接；对接时，前快速接头8和后快速接头9可以与前后的其他模块机器人固连，从而形成多足式轮腿机器人。

一种多轮腿式机器人，可以由多于2个的上述模块机器人组合而成，如图,4所示，为三个模块机器人组成的六足轮腿式机器人；每个模块机器人之间通过前快速接头8和后快速接头9结合在一起；

不同的模块机器人可以在各自的主体框架II上安装不同的功能模块，实现不同的功能；例如，在位于前方的模块机器人A安装摄像头模块，在中间的模块机器人B安装烟雾传感模块。

当轮腿式机器人行走时，可以采用三种方式：第一种是用于复杂崎岖地形的足式仿生行走，第二种用于平坦人造路面的多轮车式行走，第三种是前两种运动方式的复合。

如图5所示，本发明的控制系统分为三个级别：

第一级控制系统是最高级，为用户处的PC机终端，利用无线通信与第二级控制系统相互通信；

第二级控制系统为安装于模块机器人主体框架II上的MCU模块，不同的模块机器人可以使用不同的MCU，这样在各个模块机器人中便有了等级体现，载有更高级MCU的模块机器人成为第二级控制系统的中心，可以由其控制其他模块机器人的运动；第二级控制系统可以通过I2C通讯协议与第三级控制系统通信；

第三级控制系统包括安装于各个舵机上的电机控制器，安装于结构件上的底层控件，如环境传感器等。

上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，例如可以变换末端轮子和足部机构、增减模块机器人单体的数量，可以实现多足轮腿式的各种机器人。凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种可自组装为多足轮腿式机器人的模块机器人，包括左腿部件(I)、主体框架(II)和右腿部件(III)，其特征在于：

所述的左腿部件(I)和右腿部件(III)结构相同，对称安装于主体框架(II)的左右两侧；

所述的左腿部件(I)包括有足部减速电机(1)、第一舵机(2)、第二舵机(3)、小腿杆件(4)、第三舵机(5)、大腿杆件(6)和双舵机关节(7)；小腿杆件(4)通过第三舵机(5)与大腿杆件(6)连接，具有一个旋转自由度；足部减速电机(1)通过第一舵机(2)、第二舵机(3)与小腿杆件(4)相连，具有两个旋转自由度；足部减速电机(1)的输出轴与轮子(1-1)相连，进而形成轮腿式机器人；

所述的主体框架(II)前后各安装有前快速接头(8)和后快速接头(9)，与其他模块机器人进行快速连接，形成多足轮腿式机器人。

2.根据权利要求1所述的一种可自组装为多足轮腿式机器人的模块机器人，其特征在于：

所述的双舵机关节(7)包括有垂直连接到一起的第一单轴舵机(7-1)和第二单轴舵机(7-2)，第一单轴舵机(7-1)与主体框架(II)相连接，第二单轴舵机(7-2)与大腿杆件(6)相连接，进而大腿杆件(6)具有绕两轴旋转的两个自由度。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的一种可自组装为多足轮腿式机器人的模块机器人，其特征在于：

所述的主体框架(II)上安装加速度计以及角速度计，利用PID算法控制足部减速电机(1)驱动轮子(1-1)进行平衡，实现二轮平衡行走。

4.根据权利要求1或2中任一项所述的一种可自组装为多足轮腿式机器人的模块机器人，其特征在于：

所述的主体框架(II)上安装万向轮及支架，实现三轮车式的行走。

5.根据权利要求1或2中任一项所述的一种可自组装为多足轮腿式机器人的模块机器人，其特征在于：

所述的主体框架(II)上安装红外测距装置；

当模块机器人搜素其他单体时，使用红外测距装置利用三角定位的方式确定其他模块机器人的位置，然后控制主体框架(II)前往与之对接；对接时，前快速接头(8)和后快速接头(9)分别与前后的其他模块机器人固连，从而形成多足式轮腿机器人。

6.一种多轮腿式机器人，其特征在于：包含有多于两个的上述模块机器人，每个模块机器人之间通过前快速接头(8)和后快速接头(9)结合在一起。

7.根据权利要求6所述的一种多轮腿式机器人，其特征在于：

其为由三个模块机器人组成的六足轮腿式机器人；每个模块机器人之间通过前快速接头(8)和后快速接头(9)结合在一起。

8.根据权利要求6或7中任一项所述的一种多轮腿式机器人，其特征在于：

不同的模块机器人单体在各自的主体框架(II)上安装不同的功能模块，实现不同的功能；在位于前方的模块机器人A安装摄像头模块，在中间的模块机器人B安装烟雾传感模块。

9.根据权利要求6或7中任一项所述的一种多轮腿式机器人，其特征在于：当轮腿式机器人行走时，可以采用三种方式：第一种是用于复杂崎岖地形的足式仿生行走，第二种用于平坦人造路面的多轮车式行走，第三种是前两种运动方式的复合。

10.一种多轮腿式机器人的控制系统，其特征在于：其包含有三个级别：

第一级控制系统是最高级，为用户处的PC机终端，利用无线通信与第二级控制系统相互通信；

第二级控制系统为安装于模块机器人主体框架II上的MCU模块，不同的模块机器人可以使用不同的MCU，这样在各个模块机器人中便有了等级体现，载有更高级MCU的模块机器人成为第二级控制系统的中心，可以由其控制其他模块机器人的运动；第二级控制系统可以通过I2C通讯协议与第三级控制系统通信；

第三级控制系统包括安装于各个舵机上的电机控制器，安装于结构件上的底层控件。

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