CN103538644B - 一种具有滚动运动与足式行走功能的机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有滚动运动与足式行走功能的机器人。它由球形壳体模块、足部模块、驱动模块，配重模块以及附加功能模块组成，并通过各模块间的协作实现多种形态的运动。本发明在机械结构上深入融合球体形态的快速滚动运动能力，以及仿生多肢体行走的复杂地形适应能力。通过设计兼具球形滚动和仿生肢体行走的可变形机器人结构，并设计机器人的滚动运动、仿生肢体行走、运动形态切换以及稳定姿态等控制方案，可实现机器人在平坦地形的快速滚动与在复杂地形中的可靠行走运动，提升机器人在真实复杂地形环境中的运动性能与可靠性。

Description

一种具有滚动运动与足式行走功能的机器人

技术领域

本发明涉及一种可变形机器人。更明确地，本发明涉及一种具有滚动运动以及四足行走功能的变形机器人。属于机器人技术领域。

背景技术

移动机器人在军事、科研、教育、生活等方面已获得广泛的研究和应用。按照其移动形式的不同，通常分为轮式、履带式、足式、蠕动式、滚动式、游动式等。

作为滚动式移动机器人的代表形态，球形机器人具有球形或近似球形的外壳结构，当机器人发生碰撞或从高处跌落时,球形外壳不仅能有效保护机器人的内部结构与元件，也易使机器人姿态快速回复至静平衡状态，因而具有良好的抗干扰性。球形机器人的主要运动方式为滚动,即通过内部驱动装置的运动改变球体结构的静平衡状态从而产生旋转运动,这样的运动方式使其具有较高的运动效率和运动速度。球形机器人的驱动原理可分为两种：一种是驱动单元直接接触并驱动球壳转动。芬兰赫尔辛基科技大学和流浪者公司的AarneHalme等人采用此原理研制了第一款球形机器人Rollo，该类型的机器人结构相对简单，易于控制，但是转向能力较差，受到碰撞之后驱动单元与球壳之间的接触容易被破坏。另一种是通过驱动单元的运动改变机器人的重心位置，从而驱动机器人运动。北京航空航天大学的战强等人采用该原理研制了球形机器人BHQ-2，该类型的机器人运动灵活，抗震性强，但控制难度大[1-2]。与传统的轮式、足式移动机器人相比,球形机器人具有运动快速、高效以及抗干扰性强的独特优势，但其目前的研究重点依旧集中在驱动方式的验证与机器人结构的设计与改进上。受限于现有技术水平，球形机器人潜在的运动性能优势尚没有得到最大程度上的发挥。

相比球形机器人，足式步行机器人具有运动形态多样、承载能力强、地形适应性好以及静态稳定性好的特点，在军事、探测、抢险救灾、文教娱乐等领域已取得了很好的应用并具有广阔的发展前景，其研制工作一直受到国内外的重视，并已有大量相关专利（专利号：US6484068B1、US8126592B2、ZL201010569579.5、ZL201010538211.2等）。但另一方面，足式机器人也有控制较难、运动效率低等不足。

球形机器人与足式步行机器人具有各自的优缺点，融合两者核心优势能使机器人对真实地形的适应性更好，并有效改善各自的不足。2012年，挪威工程师KareHalvorsen研制了MorpHex[3]，实现了机器人滚动运动与足式行走功能的结合。该机器人可以实现六足仿生爬行、球形滚动以及两者之间的状态切换。其六足结构被分为相互间隔的两组，既可通过组间交替运动实现行走，亦可借助肢体伸缩与地面接触所提供的摩擦力实现球形的滚动，但其滚动运动速度较低，且控制难度大。现有的兼具滚动和仿生行走功能的机器人非常少见，其具体原因在于：

（1）球形机器人作为一种较新型的移动机器人形态，相关技术尚处研究阶段，其驱动方式、运动灵活性均有待提高。

（2）球形机器人与足式机器人在结构上差异很大，难以在仅保留各自优点的基础上强制直接结合。

参考文献

[1]RhodriH.Armour,JulianF.V.Vincent.RollinginNatureandRobotics:AReview.JournalofBionicEngineering,2006,vol3,pp195-208.

[2]赵勃,孙立宁,李满天.球形机器人研究综述[J].机械与电子,2010(009):63-68.

[3]MorpHex相关资料网页http://robot-kits.org/2013/01/02/morphex-iii-becomes-boca-bearing-companys-innovation-contest-winner/

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种具有滚动运动和足式行走功能的机器人，实现在平坦地形中的快速滚动与在复杂地形中的可靠运动，提升机器人对于真实复杂地形环境的适应能力和运动效率。

为了实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案：一种具有滚动运动与足式行走功能的机器人,包括球形壳体模块、足部模块、驱动模块、配重模块以及附加功能模块，其特征在于：所述驱动模块位于球形壳体模块内腔的中心，驱动模块中一根主轴的两端与球形壳体模块的一个上半球壳体固连，主轴中部与所述足部模块中的四个足部模块子单元一端分别固连，每个足部模块子单元的另一端与球形壳体模块中四个相应的下半球壳体子单元相固连，所述配重模块与驱动模块中的一根转向轴连接，位于球形壳体模块内腔的下半球体腔内，有摄像头和传感器作为附加功能模块与驱动模块固连，位于球形壳体模块内腔的上半球体腔内。

该结构使机器人具有球形滚动与四足行走两种运动模式，并能实现模式间的切换。在球形滚动模式下，所述足部模块呈收缩状态，使得与其相连的球形壳体模块构成封闭的圆球形，球形壳体模块、足部模块以及驱动模块中主轴的相对位置始终保持不变，通过驱动模块中设有的电机和舵机驱动配重模块摆动产生的力矩实现球体的滚动和转向；在四足行走模式下，所述足部模块向外展开形成足式运动肢体，球形壳体模块的四个下半球壳体子单元则相应地变为肢体的脚部，机器人通过四个足部模块子单元中各关节设有舵机的相互配合实现四足行走；运动模式的切换通过控制四个足部模块子单元的伸展与收缩来实现。

上述机器人的球形壳体模块，由空心薄壁球壳的一个所述上半球壳体和四个等分下半球壳体为四份的下半球壳体子单元组成。

上述机器人的足部模块，包含四组相同且独立的足部模块子单元，每个足部模块子单元的主体结构为具有三自由度的串联式组合机构，其结构具体包括髋关节、大腿关节、小腿关节、两个U型支架、足部末端、下半球连接件、三个舵机、三个舵盘和三个电位器；舵机安装于髋关节或小腿关节内部，U型支架和足部末端两端通过舵盘、轴承及螺栓与舵机输出轴相连，大腿关节两端分别与两个U型支架的中部固连，三个电位器分别安装在三个舵盘上，足部末端与下半球连接件之间固连。

上述机器人的驱动模块，由电机、主轴、舵机、转向轴、两个陀螺仪、两个足部连接板、两个法兰、电机支架、电机支撑板、舵机支架、舵机支撑板、框架、端盖、四个齿轮和四个轴承组成。所述电机通过电机支架安装于电机支撑板上，安装在电机输出轴上的小齿轮与安装在主轴上的大齿轮啮合；舵机通过舵机支架安装在舵机支撑板上，安装在舵机输出轴上的小齿轮与安装在转向轴上的大齿轮啮合；两个陀螺仪分别固定在主轴与转向轴上，两个足部连接板和两个法兰安装在主轴上，电机支撑板和舵机支撑板固定于框架内,主轴和转向轴通过四个轴承安装于框架上，端盖安装于框架外侧。

上述机器人的配重模块，由配重安装轴、配重安装轴套、两根悬挂杆、固定杆和配重框架组成。所述配重安装轴穿过转向轴的中心孔与配重安装轴套安装，两根悬挂杆安装于配重安装轴与配重安装轴套的外侧，并通过固定杆固定连接，配重框架固定在两根悬挂杆上。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

本发明提供的机器人，以可伸缩式的结构实现了其球形滚动与足式行走，以相互的核心优势弥补了球形机器人越障能力差以及足式机器人运动效率低的缺陷。该机器人可以根据不同的地形进行球形与四足状态的切换，以较高的效率穿越各种地形，迅速到达指定目标。由于这种机器人功能的融合是以实际应用需求为目标，因而具有广阔的发展空间与应用前景。具体而言，本发明具有以下优势：

（1）本发明将球形机器人与四足机器人在结构上进行内在融合，利用各自的核心优势弥补对方的不足，使机器人兼具有球形滚动与仿生四足行走的能力，在平坦地形中快速高效地运动，以及在非结构环境下的越障，提升机器人在多类型地形环境下的自由运动能力，实现机器人在复杂地形中的全方位快速运动。

（2）本发明以一种简洁的方式实现了球形机器人与四足机器人在结构上的融合，降低了机器人结构设计与控制的复杂度。

（3）本发明所提供的机器人事实上提供了一种能够在真实复杂地形中高效率可靠运动的移动平台和载体，通过搭载附加专用功能设备（例如视觉传感器）可以实现不同的功能，因而具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明提供的机器人球形状态整体结构示意图。

图2为本发明提供的机器人四足状态整体结构示意图。

图3为图1中机器人足部模块结构示意图。

图4为图1中机器人足部模块部分结构示意图。

图5为图1中机器人驱动模块结构示意图。

图6为图1中机器人驱动模块外观示意图。

图7为图1中机器人配重结构示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

实施例一

如图1所示，本具有滚动运动与足式行走功能的机器人包括球形壳体模块1、足部模块、驱动模块6以及配重模块7。所述驱动模块6位于球形壳体模块1内腔的中心，驱动模块6中一根主轴62的两端与球形壳体模块1的一个上半球壳体11固连，主轴62中部与所述足部模块中的四个足部模块子单元2、3、4、5一端分别固连，每个足部模块子单元2、3、4、5的另一端与球形壳体模块1中四个相应的下半球壳体子单元12、13、14、15相固连，所述配重模块7与驱动模块6中的一根转向轴64连接，位于球形壳体模块1内腔的下半球体腔内。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

如图2所示，本具有滚动运动与足式行走功能机器人所述的球形壳体模块1包括空心薄壁球壳的一个所述上半球壳体11和四个等分下半球壳体为四份的下半球壳体子单元12、13、14、15，每份上都安装固定块16，该固定块16是防止机器人在球形状态下产生变形的机械限位结构。

本具有滚动运动与足式行走功能机器人所述的足部模块包含四组相同且独立的足部模块子单元2、3、4、5，每个子单元的主体结构分别包含髋关节21、大腿关节22和小腿关节23，为具有三自由度的串联式组合机构，故该机器人具有12个运动自由度。

如图3、图4所示，所述足部模块子单元2由传动机构与传感设备组成，具体包括髋关节21、大腿关节22、小腿关节23、两个U型支架24、25、足部末端26、下半球连接件27、三个舵机28、29、210、三个舵盘211、212、213和三个电位器214、215、216。舵机28安装于髋关节21内部，U型支架24两端通过舵盘211、轴承及螺栓与舵机28输出轴相连，舵机28输出扭矩带动舵盘211转动，从而使与舵盘211固定的U型支架24转动，形成了U型支架24与髋关节21的相对转动，提供了机器人足部运动的动力输出；大腿关节22两端分别与两个U型支架24、25的中部固连，U型支架25和足部末端26的两端通过舵盘212、213、轴承及螺栓分别与安装于小腿关节23内部两个舵机29、210的输出轴相连，均形成转动副,三个电位器214、215、216分别安装在三个舵盘211、212、213上，实时记录舵盘211、212、213的角度数据，作为反馈信号提供给控制器，足部末端26与下半球连接件27之间固连。

如图5、图6所示，本具有滚动运动与足式行走功能机器人所述的驱动模块6包括电机61、主轴62、舵机63、转向轴64、两个陀螺仪65-66、两个足部连接板67-68、两个法兰69-610、电机支架611、电机支撑板612、舵机支架613、舵机支撑板614、框架615、端盖616、四个齿轮617-620和四个轴承621-624；所述电机61通过电机支架611安装于电机支撑板612上，安装在电机61输出轴上的小齿轮617与安装在主轴62上的大齿轮618啮合，实现电机61到主轴62的动力传递；舵机63通过舵机支架613安装在舵机支撑板614上，安装在舵机63输出轴上的小齿轮619与安装在转向轴64上的大齿轮620啮合，实现舵机63到转向轴64的动力传递。两个陀螺仪65、66分别固定在主轴62与转向轴64上，检测机器人当前的位置状态，两个足部连接板67、68和两个法兰69、610安装在主轴62上，电机支撑板612和舵机支撑板614固定于框架615内,主轴62和转向轴64通过四个轴承621-624安装于框架615上，端盖616安装于框架615外侧。

如图7所示，本具有滚动运动与足式行走功能机器人所述的配重模块7为机器人球形滚动的必要因素，其组成包括配重安装轴71、配重安装轴套72、两根悬挂杆73-74、固定杆75和配重框架76。所述配重安装轴71穿过转向轴64的中心孔与配重安装轴套72安装，悬挂杆73、74安装于配重安装轴71与配重安装轴套72的外侧，并通过固定杆75固定连接，配重框架76固定在两根悬挂杆73、74上。

上述机器人具有球形滚动与四足行走两种运动模式，并能实现模式间的切换。在球形滚动模式下，所述足部模块呈收缩状态，使得与其相连的球形壳体模块1构成封闭的圆球形，球形壳体模块1、足部模块以及驱动模块6中主轴62的相对位置始终保持不变，驱动模块6中设有的电机61和舵机63驱动配重模块7摆动，即通过重心偏移产生的力矩实现球体的滚动和转向。在四足行走模式下，所述足部模块向外展开形成足式运动肢体，球形壳体模块1的四个下半球壳体子单元12、13、14、15则相应地变为肢体的脚部，机器人通过四个足部模块子单元2、3、4、5中各关节设有舵机28、29、210的相互配合实现四足行走。例如，机器人可一足迈步，其余三足以固定姿态支撑自身重量，循环交替实现稳态行走。两种运动模式的切换通过控制四个足部模块子单元2、3、4、5的伸展与收缩来实现。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构及控制方式做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种具有滚动运动与足式行走功能的机器人,机械结构包括球形壳体模块（1）、足部模块、驱动模块（6）、配重模块（7）以及附加功能模块，其特征在于：所述驱动模块（6）位于球形壳体模块（1）内腔的中心，驱动模块（6）中一根主轴（62）的两端与球形壳体模块（1）的一个上半球壳体（11）固连，主轴（62）中部与所述足部模块中的四个足部模块子单元（2、3、4、5）一端分别固连，每个足部模块子单元（2、3、4、5）的另一端与球形壳体模块（1）中四个相应的下半球壳体子单元（12、13、14、15）相固连，所述配重模块（7）与驱动模块（6）中的一根转向轴（64）连接，位于球形壳体模块（1）内腔的下半球体腔内，有摄像头和传感器作为附加功能模块与驱动模块（6）固连，位于球形壳体模块（1）内腔的上半球体腔内；

在球形滚动模式下，所述足部模块呈收缩状态，使得与其相连的球形壳体模块（1）构成封闭的圆球形，球形壳体模块（1）、足部模块以及驱动模块（6）中主轴（62）的相对位置始终保持不变，通过驱动模块（6）中设有的电机（61）和舵机（63）驱动配重模块（7）摆动产生的力矩实现球体的滚动和转向；在四足行走模式下，所述足部模块向外展开形成足式运动肢体，球形壳体模块（1）的四个下半球壳体子单元（12、13、14、15）则相应地变为肢体的脚部，机器人通过四个足部模块子单元（2、3、4、5）中各关节设有舵机的相互配合实现四足行走；运动模式的切换通过控制四个足部模块子单元（2、3、4、5）的伸展与收缩来实现。

2.根据权利要求1所述的具有滚动运动与足式行走功能的机器人，其特征在于：所述球形壳体模块（1）包括空心薄壁球壳的一个所述上半球壳体（11）和四个等分下半球壳体为四份的下半球壳体子单元（12、13、14、15）。

3.根据权利要求1所述的具有滚动运动与足式行走功能的机器人，其特征在于：所述足部模块包含四组相同且独立的足部模块子单元（2、3、4、5），每个足部模块子单元（2、3、4、5）的主体结构为具有三自由度的串联式组合机构，其结构具体包括髋关节（21）、大腿关节（22）、小腿关节（23）、两个U型支架（24、25）、足部末端（26）、下半球连接件（27）、三个舵机（28、29、210）、三个舵盘（211、212、213）和三个电位器（214、215、216）；舵机（28）安装于髋关节（21）内部，U型支架（24）两端通过舵盘（211）、轴承及螺栓与舵机（28）输出轴相连，大腿关节（22）两端分别与两个U型支架（24、25）的中部固连，U型支架（25）和足部末端（26）的两端通过舵盘（212、213）、轴承及螺栓分别与安装于小腿关节（23）内部两个舵机（29、210）的输出轴相连，三个电位器（214、215、216）分别安装在三个舵盘（211、212、213）上，足部末端（26）与下半球连接件（27）之间固连。

4.根据权利要求1所述的具有滚动运动与足式行走功能的机器人，其特征在于：所述驱动模块（6）包括电机（61）、主轴（62）、舵机（63）、转向轴（64）、两个陀螺仪（65、66）、两个足部连接板（67、68）、两个法兰（69、610）、电机支架（611）、电机支撑板（612）、舵机支架（613）、舵机支撑板（614）、框架（615）、端盖（616）、四个齿轮（617-620）和四个轴承（621-624）；所述电机（61）通过电机支架（611）安装于电机支撑板（612）上，安装在电机（61）输出轴上的小齿轮（617）与安装在主轴（62）上的大齿轮（618）啮合；舵机（63）通过舵机支架（613）安装在舵机支撑板（614）上，安装在舵机（63）输出轴上的小齿轮（619）与安装在转向轴（64）上的大齿轮（620）啮合；两个陀螺仪（65、66）分别固定在主轴（62）与转向轴（64）上，两个足部连接板（67、68）和两个法兰（69、610）安装在主轴（62）上，电机支撑板（612）和舵机支撑板（614）固定于框架（615）内,主轴（62）和转向轴（64）通过四个轴承（621-624）安装于框架（615）上，端盖（616）安装于框架（615）外侧。

5.根据权利要求1所述的具有滚动运动与足式行走功能的机器人，其特征在于：所述配重模块（7）包括配重安装轴（71）、配重安装轴套（72）、两根悬挂杆（73、74）、固定杆（75）和配重框架（76）；所述配重安装轴（71）穿过转向轴（64）的中心孔与配重安装轴套（72）安装，两根悬挂杆（73、74）安装于配重安装轴（71）与配重安装轴套（72）的外侧，并通过固定杆（75）固定连接，配重框架（76）固定在两根悬挂杆（73、74）上。