CN104058014B - 一种半轮足式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半轮足式机器人，包括机体、安装在机体内部的控制系统及对称安装在机体侧面的行走装置，所述控制系统包括中央控制器、电机驱动控制器、无线通信单元、位置检测器和电池；所述行走装置为半轮足式结构，主要由半轮足和电机组成，半轮足通过驱动孔安装在电机的输出轴上，电机通过电机固定板安装在机体上；所述位置检测器的数量与半轮足的数量相同，且位置检测器安装在半轮足与电机固定板之间。本发明采用半轮结构作为足的形式，使得机器人能够兼顾在规整地形系统功耗的平稳性和行走的高效性，同时能满足在非规整地形下的越障能力；该机器人地形适应性强，能够在复杂环境下行走且在规整地形下具有轮子的运动效率。

Description

一种半轮足式机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体是涉及一种半轮足式机器人。

背景技术

随着人类对未知领域的不断探索，人类工作的环境越来越非结构化；再加上自然灾害、森林火灾、核事故、地震救援等事件频发，人类迫切希望感知这些环境，以达到收集信息、缓解灾难、抢救伤员等目的。为此，越障机器人应运而生来帮助人们去解决这个问题。

目前，越障机器人所使用的运动机构主要有轮式、履带式、混合式、足式等结构，在这些运动机构中当属轮式运动机构应用最为广泛。轮式机构具有效率高、速度快、行动稳定等优点而历经了几千年的实际应用。如公开号为CN101947776B的中国专利公开了一种轮式越障机器人，包括机器人车架、三组移动吸附机构及其对应的直线滑轨、丝杠及驱动电机，三组直线滑轨以及丝杠竖直设置于机器人车架下方且两端分别与机器人车架及移动吸附机构相连，驱动电机与移动吸附机构固定连接。该技术方案解决现有爬壁机器人在垂直壁面作业时存在的问题，机器人既具有轮式移动机器人速度快和转向灵活、履带式移动机器人磁吸附力大的特点，但该发明对行走地形有一定的要求，只能在平坦地形上面连续行走；再如，公开号为CN203528629U的中国专利公开了一种类轮式爬壁越障机器人，包括机体，在机体的尾端设有平衡装置，机体包括前后依次串接的至少2个机体分部，相邻的两个机体分部之间通过转动副连接，转动副的轴线与机体的上表面平行；在每个机体分部的左右两侧设有对称布置的类轮结构，每个类轮结构均安装在一驱动轴上，驱动轴安装在对应的机体分部上；类轮 结构设有套装在对应驱动轴上的轮轴座和周向均布固定在轮轴座上的3～5个轮辐，轮辐采用弧形曲面结构，且在弧形曲面结构的外侧设有吸附结构，吸附结构与墙面的接触面积大于轮辐与吸附结构的接触面积，相邻的两个轮辐之间设有跨距。该技术虽然具有运动速度快、接触面积大、吸附性能强等优点，但是需要根据其行走地形特点才能获得上述优点，要求地形平坦、连续，从而使其应用范围受到限制。

履带式机器人增加了适应环境的能力，扩大了机器人的使用范围，但它也这也为此付出了笨重的履带、功耗高和对地形的破环等代价。如公开号为CN203266628U的中国专利公开了一种履带式工业机器人，它由上部的机械臂、中间的转台和底部的底座构成，所述底座上设置有旋转盘，转台设置在旋转盘上，所述机械臂下方设呈有横梁，所述机械臂由后端的后座、中间的前臂和前段的腕部端构成，所述转台内设置有转轮和伺服电机，所述底座下设置有履带式行走机构。该技术方案通过设置履带式行走机构，使得工业机器人能够在不平坦的地面上行走，提高了工业机器人对环境的适应力；但是它所使用的履带极其笨重、功耗高、对地形的破环及其严重。

足式机器人能够在非规整地形下很好地行走，在航空航天、军事国防、山地搜救以及工农业生产等领域具有广泛的应用价值。如公开号为CN202593677U的中国专利公开了一种六轮足式串并混联机器人，包括运载平台、电池、控制系统、摄像头和3个6自由度的轮足组合式运动支链，所述运载平台上安装电池、控制系统和摄像头，在所述运载平台下方安装所述轮足组合式运动支链，所述轮足组合式运动支链包括偏航关节、偏航关节支架、上俯仰关节、大腿、中俯仰关节、中俯仰关节支架，上横滚关节、小腿、下俯仰关节、下俯仰关节支架、下横滚关节、动力轮支架和动力轮。该机器人具有良好的灵活性和快速性；但是控制和结构较复杂。

混合式机构机器人综合使用了上述各种机构的优点，尽量使其适 应各种地形。如公开号为CN203293183U的中国专利公开了一种具有径向伸缩车轮的轮臂混合式越障机器人，它由驱动轮、车体、机械臂、辅助轮、机械手五部分组成。两个驱动轮对称设置在车体左右两侧，并与车体连接构成转动副,机械臂与车体前端铰接,辅助轮安装在机械臂的小臂上,机械手与机械臂腕关节末端固接。该技术方案主要是通过其自身的轮臂位姿变换和车轮径向尺寸调节来适应地形。但是其结构和控制较为复杂，且越障能力不够理想。

公开号为CN103373404A的中国专利公开了一种轮履腿复合式移动机器人，它的基本结构由两条主履带、两条前摆臂履带、两条后摆臂履带和车体组成；所述前摆臂履带和后摆臂履带的两端分别通过履带轴与车体及主履带活动连接形成平行四边形传动机构并置于车体的两侧；所述后摆臂履带的履带轴与驱动装置传动连接；并通过动力传递实现前、后摆臂履带架的转动。该机器人的优点是利用前摆臂履带和后摆臂履带来进行越障、爬坡，从而具有较好的越障能力。但其结构复杂，不能自适应地形，在遇到障碍物时需人为切换。

公开号为CN102107685A的中国专利公开了一种偏心轮腿六足机器人，该机器人采用偏心轮结构作为腿的形式，机身结构采用对称设计并呈扁平狭长体型。该机器人包括机身框架、偏心轮、电机、电源、光电编码器、控制电路、遥控器。机器人能克服传统腿结构的功耗剧烈振荡，并保证了前进、后退、左右转向功能完整性。该机器人地表适应性强，较宽的偏心轮腿不仅适合平整硬质地表，草地、沙滩、碎石等地表都能行走；该机器人越障能力强，能轻松跨越略低于机身高度的障碍物。这种机器人在非规整地形下的越障效果好，但在非规整地形下的运动效率较低，其运行效率只有轮式机器人1/3左右。由于采用了偏心轮结构，它的行走功率相对于轮式机器人来说波动较大，行走过程中能耗较大，同时也对电源的寿命有一定的影响。

综上所述，上述机器人各有其优缺点，但在实际应用中，现有的 越障机器人存在运动效率低、能耗大、控制复杂、越障能力不理想等不足，这些严重限制了机器人的应用范围；使用轮子的机器人具有运动的高效率和控制的简单性，但其缺乏越障能力。因此，如何提高使用轮子机器人的越障能力，能够兼顾在规整地形系统功耗的平稳性和行走的高效性，是目前机器人技术领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有机器人所存在的不足，提供了一种半轮足式机器人，该机器人能兼顾在规整地形系统功耗的平稳性和行走的高效性，以及非规整地形下的越障能力。

本发明是通过如下技术方案予以实现的。

一种半轮足式机器人，包括机体、安装在机体内部的控制系统及对称安装在机体侧面的行走装置，所述控制系统包括中央控制器、电机驱动控制器、无线通信单元、位置检测器和电池；其中，电池通过电源线分别连接中央控制器、电机驱动控制器、无线通信单元和位置检测器；中央控制器使用控制线分别与电机驱动控制器、无线通信单元和位置检测器连接；电机驱动控制器通过控制线与电机连接；所述行走装置为半轮足式结构，主要由半轮足和电机组成，半轮足通过驱动孔安装在电机的输出轴上，电机通过电机固定板安装在机体上；所述位置检测器的数量与半轮足的数量相同，且位置检测器安装在半轮足与电机固定板之间。

所述机体呈扁平状结构。采用该结构使得机器人在发生侧翻后不影响其行走。

所述半轮足为偶数个对称安装在机体两侧的电机的输出轴上。

所述半轮足为扇形结构，且扇形结构的弧度不小于π。

所述驱动孔位于扇形结构的圆心角上。

所述扇形结构的半径上设置有防滑层或裹覆一层防滑材料。

所述防滑材料为硅橡胶、树脂摩擦材料或铝基复合材料。

本发明的有益效果是：

本发明通过采用半轮足结构形式，使得越障机器人能够兼顾在规整地形系统功耗的平稳性和行走的高效性，同时能满足在非规整地形下的越障能力；与现有技术相比，具有如下显著优点：

(1)采用半轮足式结构行走，可以改善足结构的机器人在规整地形运动效率低的劣势而又不丧失越障能力，使得环境适应能力较高；

(2)采用半轮足式结构行走，不但可以改善足结构在行走时功耗的震荡，而且能保证行走的可靠性；

(3)采用半轮足式结构和安装的对称性，对于发生倾覆时也能够正常行走，使得容错能力提高；

(4)根据负重的大小和环境可以方便地选用不同个数的半轮足；

(5)机械结构简单、实现容易、控制方便；

(6)应用于工作环境中无需模式切换。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中行走装置的结构示意图；

图3为本发明中控制系统的原理框图。

图中：1-机体1，2-控制系统，3-行走装置，21-中央控制器，22-电机驱动控制器，23-无线通信单元，24-位置检测器，25-电池，31-半轮足，32-电机，33-电机固定板，311-驱动孔，312-防滑齿。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

如图1、图2、图3所示，本发明所述的一种半轮足式机器人，包括机体1、安装在机体1内部的控制系统2及对称安装在机体1侧面的行走装置3，所述控制系统2包括中央控制器21、电机驱动控制器22、无线通信单元23、位置检测器24和电池25；其中，电池25通过电源线分别连接中央控制器21、电机驱动控制器22、无线通信单元23和位置检测器24，用于为整个机器人提供能量；中央控制器21使用控制线分别与电机驱动控制器22、无线通信单元23和位置检测器24连接，通过位置检测器24的信号控制电机驱动控制器22的工作，无线通信单元23用于接收用户命令并将命令传递至中央控制器21；电机驱动控制器22通过控制线与电机32连接；所述行走装置3为半轮足式结构，主要由半轮足31和电机32组成，半轮足31通过驱动孔311安装在电机32的输出轴上，电机32通过电机固定板33安装在机体1上；所述位置检测器24的数量与半轮足31的数量相同，且位置检测器24安装在半轮足31与电机固定板33之间，用于检测半轮足31的状态并将状态信号传递至中央控制器21。

所述机体1呈扁平状结构。采用该结构使得机器人在发生侧翻后不影响其行走。

所述半轮足31为偶数个对称安装在机体1两侧的电机32的输出轴上。

所述驱动孔(311)位于扇形结构的圆心角上。

所述一个电机32对应一个半轮足31，采用独立驱动方式。

本发明在实际应用中，走行半轮足31设置有n个(n＝4，6，8，10…)，以左右侧对称方式安装于机体1两侧电机32的输出轴上，为了保证达到理想越障高度，左右侧对称组可以以不大于轮子半径的位置安装；机器人使用两组半轮足31行走，一组是左侧序号为偶数轮子和右侧序号为奇数的轮子组成，另一组是左侧序号为奇数轮子和右侧序号为偶数的轮子组成。两组轮子通过控制系统的步态控制保证机 器人运动。这样在保证机器人在非规整地形下的越障能力外还保证了机器人在规整地形下运动的高效性和功耗稳定性。

所述半轮足31为扇形结构，且扇形结构的弧度不小于π。扇形结构的弧度可根据它在越障环境中需要越过的高度确定。设半轮足31的弧度为W，理想越障高度为L，轮子的半径r。其中，W在π和2π之间取值，W值越大，则可翻越的高度也就越低。最大理想越障高度为两倍轮子的半径，即最大理想越障高度为2r。半轮足31扇形结构的弧度W与理想越障高度L之间的关系为：

该半轮足式机器人在运行时，控制系统2中的中央控制器21根据位置检测器24检测出半轮足31实时运行状态信号进行综合分析，然后生成相应的步态控制信号分别对两组半轮足31进行控制，从而使得半轮足式机器人协调运动。本系统利用位置检测器的位置反馈不仅可以实现半轮足式机器人运动的行走控制，而且还可以使机器人运动更具有视觉冲击力。

如图1可以看出，电机32置于机体1内并使用螺钉等紧固件将其和电机固定板33固定起来。中央控制器21、电机驱动控制器22、无线通信单元23和电池25固定安装于机体中，为了避免机器人运动时重心失衡，最好将它们安装于靠近机器人重心位置；在本技术方案中，将它们装于重心位置并使其靠近重心的重量前后左右尽可能均衡。如图2所示，位置检测器24通过螺纹安装在电机固定板33上，并位于电机固定板33和半轮足31之间。

如图1、图2所示，半轮足31依靠电机32进行驱动，其中电机轴直接连接半轮足31的驱动孔311，电机32另一端连接至机器人的控制系统2；电机32由电机固定板33固定在机体1上，电机固定板 33和机体1使用螺纹连接。所述驱动孔311的大小和形状与电机轴相匹配，在安装时，将半轮足31的驱动孔311和电机轴进行套接后通过螺纹固定。这样电机32的输出轴带动半轮足31运动，从而为机器人依步态行走奠定了基础。

如图2所示，为了使机器人达到理想的越障高度，在安装电机固定板33时，机体1前后的对称侧固定件可以以错开方式安装，错开的距离以不超过轮子半径的长度为宜。在实际中为了达到更好的越障效果，所述半轮足31扇形结构的半径上设置有防滑层312或裹覆一层防滑材料。其防滑材料可以采用硅橡胶、树脂摩擦材料,或铝基复合材料等摩擦力较好的材料。

Claims (7)

1.一种半轮足式机器人，包括机体(1)、安装在机体(1)内部的控制系统(2)及对称安装在机体(1)侧面的行走装置(3)，所述控制系统(2)包括中央控制器(21)、电机驱动控制器(22)、无线通信单元(23)、位置检测器(24)和电池(25)；其中，电池(25)通过电源线分别连接中央控制器(21)、电机驱动控制器(22)、无线通信单元(23)和位置检测器(24)；中央控制器(21)使用控制线分别与电机驱动控制器(22)、无线通信单元(23)和位置检测器(24)连接；电机驱动控制器(22)通过控制线与电机(32)连接；其特征在于：所述行走装置(3)为半轮足式结构，主要由半轮足(31)和电机(32)组成，半轮足(31)通过驱动孔(311)安装在电机(32)的输出轴上，电机(32)通过电机固定板(33)安装在机体(1)上；所述位置检测器(24)的数量与半轮足(31)的数量相同，且位置检测器(24)安装在半轮足(31)与电机固定板(33)之间。

2.根据权利要求1所述的一种半轮足式机器人，其特征在于：所述机体(1)呈扁平状结构。

3.根据权利要求1所述的一种半轮足式机器人，其特征在于：所述半轮足(31)为偶数个对称安装在机体(1)两侧的电机(32)的输出轴上。

4.根据权利要求1所述的一种半轮足式机器人，其特征在于：所述半轮足(31)为扇形结构，且扇形结构的弧度不小于π。

5.根据权利要求1所述的一种半轮足式机器人，其特征在于：所述驱动孔(311)位于扇形结构的圆心角上。

6.根据权利要求4所述的一种半轮足式机器人，其特征在于：所述扇形结构的半径上设置有防滑层(312)或裹覆一层防滑材料。

7.根据权利要求6所述的一种半轮足式机器人，其特征在于：所述防滑材料为硅橡胶、树脂摩擦材料或铝基复合材料。