CN104552236B - 一种基于并联六自由度运动机构的足轮式自主运动平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于并联六自由度运动机构的足轮式自主运动平台，属于机器人技术领域。包括控制系统、能源系统和平台机构；平台机构是整个自主运动平台的主干，包含了平台的载体和驱动机构；驱动机构采用足轮组合式结构，驱动机构的主体是六自由度并联运动机构，在六自由度并联运动机构的可动端面上安装车轮，从而形成足轮组合式的驱动机构；驱动机构安装在平台载体下面，控制系统及能源系统安装在平台载体之上，此外平台载体还可以承载其它负重；驱动机构用来完成运动平台的行走驱动，驱动机构为带有车轮的并联六自由度运动机构。本发明兼具轮式运动平台运动速度快、足式运动平台通过性好的优点，可以用在野外侦查、恶劣环境下的物资运输等场合。

Description

一种基于并联六自由度运动机构的足轮式自主运动平台

技术领域

本发明涉及一种基于并联六自由度运动机构的足轮式自主运动平台，属于机器人技术领域。

背景技术

自主运动平台不需要人工驾驶而自主行走，将驾驶人员解放出来。另外，一些特制的自主运动平台可以深入到恶劣甚至危险环境中进行作业，完成野外侦查、排爆等任务，因此自主运动平台得到了越来越多的关注和研究。目前常见的自主运动平台包括轮式和足式等。轮式运动平台结构比较简单，运动速度快，但是其通过性受到限制，尤其是在野外环境时，受地形限制较大，越障能力差。足式运动平台则具有较好的通过性和很强的越障能力，但是一般常见的足式运动平台其足部一般是多自由度的串联机构，而串联式机构的承载能力差，所以足式机器人其承载能力要相对小一些，并且足式运动平台的速度也相对较慢。

发明内容

本发明的目的是为了克服常规的足式机器人承载能力差的缺陷，提出一种基于并联六自由度运动机构的足轮式自主运动平台。本发明兼具轮式运动平台运动速度快、足式运动平台通过性好的优点，可以用在野外侦查、恶劣环境下的物资运输等场合。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种基于并联六自由度运动机构的足轮式自主运动平台，包括平台机构、控制系统和能源系统；其中控制系统完成机器人的行走控制，包括其行走步态、方向、速度等。能源系统则为机器人的驱动机构、控制系统提供必需的能源。对于控制系统与能源系统的具体实现方式可以借鉴现有机器人中的实现方式，在本发明中就不再对其具体的实现进行描述。

平台机构部分是整个自主运动平台的主干，包含了平台的载体和驱动机构。其中驱动机构安装在平台载体下面，控制系统及能源系统安装在平台载体之上，此外平台载体还可以承载其它负重。驱动机构用来完成运动平台的行走驱动，驱动机构为带有车轮的并联六自由度运动机构，驱动机构通过其自身的基座与平台载体连接。一个自主运动平台上需要至少两套或以上完全相同的驱动机构，它们在平台载体上的安装分布具有较大的自由度，但是需要保证能够完全支撑起平台载体，且有足够的稳定性。较佳的是采用偶数个驱动机构，在平台载体上对称分布安装，这样比较有利于控制系统对其进行运动规律的规划。

2.驱动机构的组成与结构

驱动机构是自主平台运动的关键部分，本发明提出的驱动机构采用足轮组合式结构。驱动机构的主体是六自由度并联运动机构，在六自由度并联运动机构的可动端面上安装车轮，从而形成足轮组合式的驱动机构。驱动机构的组成与结构描述如下：

(1)并联六自由度运动机构

并联六自由度运动机构作为驱动机构的主体构成了自主运动平台的足部，可以通过各个并联六自由度运动机构的活动，带动运动平台行走。并联六自由度运动机构的结构为典型的Stewart平台结构，这种并联运动机构的优点是承载能力强，姿态控制精度高，运动自由度多。其包括基座、六根执行机构(可以是电动缸、液压缸或气缸)、可动端面(以下简称足端)。所述的六根执行机构一端通过万向联轴器与基座连接，另一端通过万向联轴器与足端连接。

定义自主运动平台的中心为坐标原点，沿运动平台长度方向为Y轴，宽度方向为X轴，垂直于XY平面的方向为Z轴,并定义沿Y轴正方向运动为前进方向。那么并联六自由度运动机构可以保证其足端中心沿空间X、Y、Z三个坐标轴任意平移，绕X、Y、Z三个坐标轴任意旋转。也就是说足端具有六个运动自由度，分别为沿X轴的平移(对应自主运动平台的左右侧移)，沿Y轴的平移(对应自主运动平台的前进和后退)、沿Z轴的平移(对应自主运动平台的高度调整)，绕X轴的旋转(对应自主运动平台的前后俯仰)、绕Y轴的旋转(对应自主运动平台的左右侧倾)，绕Z轴的旋转(对应自主运动平台的转向)。

(2)足端结构

驱动机构的足端下表面安装车轮，从而形成足轮式结构。所述车轮可以通过连接机构安装到足端的下表面上。在连接机构上安装有驱动电机，驱动电机的输出轴与车轮的旋转轴相连接，可以带动车轮旋转。所述的连接结构具体形式不限，只要能将车轮安装到足端上节课。所述驱动电机上自带电磁制动器，可将电机输出轴锁定，使其不能转动，从而将车轮锁定。当车轮被锁定不转时，可以将自主运动平台作为足式平台进行控制，当解除车轮锁定时，可以通过电机驱动车轮转动，此时自主运动平台就可以作为轮式平台进行控制。

3.自主运动平台的运动控制

自主运动平台的运动由控制系统完成，控制系统接收到运动指令后，首先规划出各个驱动机构的运动轨迹，然后再根据所规划的运动轨迹具体的控制各个驱动机构，包括足端的Z空间姿态和运动轨迹、车轮的运动速度和旋转方向。对于驱动机构运动轨迹的规划，需要综合考虑路面障碍物情况及运动平台的自身稳定性等因素，这部分内容可以借鉴现有的轨迹规划方法，不属于本发明的考虑内容。对于足端的空间姿态控制，主要是利用并联六自由度运动机构的逆解算法将足端的姿态换算成六根执行机构的位移，然后再对各个执行机构进行位置闭环控制。

如前所述，本发明提出的自主运动平台具有两种运动模式，分别是足式运动模式和轮式运动模式。而且在这两种运动模式下，还可以实现运动平台的姿态调整、减振等功能。具体模式如下：

(1)足式运动模式

通过车轮的驱动电机上自带的电磁制动器将车轮锁定，使其不能转动，进入足式运动模式。在这种运动模式下，控制系统通过控制驱动机构的足端姿态及位置实现自主运动平台的运动。定义沿Y轴正方向为自主运动前进方向，那么在足式运动模式下，自主运动平台的运动具体包括前进、后退、侧移、转弯，对于四足机构的运动平台可实现单腿运动(漫步)、双腿运动(对角步)、跑步和跳跃运动等。

运动时，控制系统首先规划出各个驱动机构的足端姿态及运动轨迹，然后再对各个驱动机构进行控制。根据轨迹规划方法的不同，各个驱动机构可能会产生不同的动作顺序和运行轨迹。

(2)轮式运动模式

将驱动车轮的电机解锁，使得车轮可以在电机的驱动下转动，进入轮式运动模式。在轮式运动模式下自主运动平台的运动包括前进、后退、转弯、原地转向等。与足式运动模式相比，轮式运动模式下多了一个原地转向的功能，因为各个车轮的驱动电机转速及方向可以独立控制，因此在转向时，如果控制一个车轮固定不动或者反向旋转，就可以实现原地转向。

由于每一个车轮上均安装有驱动电机，因此轮式驱动模式下可以选择其中几个电机驱动，也可以选择所有电机同时进行驱动以增加驱动能力。

运动时，控制系统首先根据运动指令规划出需要几个电机进行驱动，并结合自主运动平台的当前运动状态、设定的运动速度和运动路线，实时规划出各个车轮的运动轨迹、车轮的驱动电机的转速，然后再对相应的电机转速进行控制。

本发明提出的足轮式自主运动平台，其车轮自身没有独立的转向机构，车轮安装时一般是平行于Y轴的。如果车轮的安装方向和其自身的运动轨迹不一致的话，运动过程中，车轮就会和地面之间产生滑动摩擦，一方面增加转向的阻力，另一方面车轮的磨损加剧。对于这种情况，本发明可通过控制系统和规划的车轮运行轨迹，实时控制六自由度驱动机构足端绕Z轴的旋转角度，从而调节车轮的方向，使其始终和其自身的运动轨迹重合，从而消除滑动摩擦。

还可以实现运动平台的姿态调整和足端间距调整；具体调整如下：

1)、自主运动平台姿态调整

由于运动平台的每一个驱动机构都可以沿Z轴平移，因此可以借此调节自主运动平台的姿态，具体包括：

高度调整：控制系统控制所有驱动机构的足端都统一沿Z轴伸出或缩回相同的长度，就可以调整自主运动平台的重心高度。

水平姿态调整：在野外路面上，有可能会因为地势或路面颠簸等原因，导致运动平台不是水平状态甚至出现剧烈的振动。此时控制系统可以通过调节各个驱动机构足端沿Z轴的伸出长度，抵消因为路面不平造成的运动平台倾斜或振动，使得运动平台处于水平状态。

2)运动平台的足端间距调整

一般运动车辆的车轮间距是固定的，能通过的最窄路面宽度是固定的。而本发明提出的自主运动平台，由于其驱动机构的足端可以沿X方向平移运动，所以当通过狭窄路面时，控制系统可以控制各个驱动机构的足端沿X轴向靠近车体中心的方向平移，即收缩足端在宽度方向上的间距，从而可以通过狭窄路面。

有益效果

本发明提出的足轮式运动平台，一方面结合了足式运动平台通过性好、越障能力强，轮式运动平台运动速度快的优点，另一方面，由于其驱动机构为并联式结构，又具备了承载能力强的优点。另外，由于驱动机构的足端具有六个运动自由度，可以任意调节其姿态，所以其运动过程更加灵活，可以实现车体减振、高度调节、轮间距调节等功能。

附图说明

图1为足轮式运动平台的总体结构图；

图2为驱动机构的结构图；

图中，100-平台载体，101-第一驱动机构、102-第二驱动机构、103第三-驱动机构、104-第四驱动机构、201-基座、202-足端、203-电动缸、204-第一万向联轴器、205-第二万向联轴器、206-车轮、207-连接杆、208-蜗轮蜗杆减速器、209-驱动电机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

实施例

如图1所示，为一个纯电动驱动的，具有四个驱动机构的足轮式运动平台。其具体构成为驱动机构101至104安装在平台载体100的下面。平台载体100为长方体结构，定义平台载体100的中心处为坐标原点，沿长度方向为Y轴，宽度方向为X轴，高度方向为Z轴，各个坐标轴的正方向如图1所示规定。驱动机构101至104相互之间关于X轴和Y轴对称分布。

如图2所示为其中一个驱动机构的结构。其中六自由度运动机构的六根执行机构为电动缸，他们的结构和连接方式完全相同，以其中一个为例，电动缸203的外壳通过万向联轴器204固定在基座201上，电动缸203的杆通过万向联轴器205固定在足端202上。足端202为平面结构，其中间部位被掏空，车轮207的一部分嵌入到该部分空间中，车轮206的安转方向与Y轴平行。在足端202的下表面上伸出一个接杆207，连接杆207的另一侧与车轮206的旋转轴连接，该旋转轴为蜗轮蜗杆208的蜗杆部分，与其相配合的蜗轮与电机209的输出轴相连接。电机209的外壳固定在足端202的下表面。所用的驱动电机209具有电磁锁定机构，当向锁定机构通电时，电机解锁，可以在控制系统的控制下进行旋转运动，否则电机不能旋转。

在本实施例中，所有的执行机构(包括六根电动缸203和车轮的驱动电机209)均为电动执行机构，因此只需要向执行机构提供必要的电能即可实现执行机构的驱动与控制。

本足轮式运动平台的运动过程实现如下：

(1)足式前进运动

当进行足式运动时，控制车轮的驱动电机209上的电磁锁定机构，将电机锁定，从而使得车轮206也被锁定，不能旋转。当需要沿Y轴前进时，其过程如下：

a.控制驱动机构103将足端沿Z轴抬起；

b.控制驱动机构103足端沿Y轴正方向产生一定的平移量；

c.在保持这一平移量的基础上，控制驱动机构103足端沿Z轴落下，直至接触到地面；

d.驱动机构102、104、101依次重复动作a,b,c，这样运动平台完成了一次前进运动；

e.连续执行动作a，b，c，d就可以形成持续的前进动作。

(2)足式后退运动

对于本实施例而言，四个驱动机构是对称布置，其后退运动和前进运动过程也是对称的，其过程如下：

a.控制驱动机构102将足端沿Z轴抬起；

b.控制驱动机构102足端沿Y轴负方向产生一定的平移量；

c.在保持这一平移量的基础上，控制驱动机构102足端沿Z轴落下，直至接触到地面；

d.驱动机构103、101、104依次重复动作a,b,c，这样运动平台完成了一次后退运动。

e.连续执行动作a，b，c，d就可以形成持续的后退动作。

(3)足式沿X轴正向侧移运动

同样也是锁定车轮的驱动电机，按照如下的过程进行操作：

a.控制驱动机构104将足端沿Z轴抬起；

b.控制驱动机构104足端沿X轴正方向产生一定的平移量；

c.在保持这一平移量的基础上，控制驱动机构104足端沿Z轴落下，直至接触到地面；

d.驱动机构101、102、103依次重复动作a,b,c，这样运动平台完成了一次沿X轴正向的侧移运动。

e.连续执行动作a，b，c，d就可以形成持续的侧移动作。

(4)足式沿X轴负向侧移运动

运动过程和沿X轴正向侧移类似，按照如下的过程进行操作：

a.控制驱动机构101将足端沿Z轴抬起；

b.控制驱动机构101足端沿X轴负方向产生一定的平移量；

c.在保持这一平移量的基础上，控制驱动机构101足端沿Z轴落下，直至接触到地面；

d.驱动机构104、103、102依次重复动作a,b,c，这样运动平台完成了一次沿X轴负方向的侧移运动。

e.连续执行动作a，b，c，d就可以形成持续的侧移动作。

(5)足式运动下绕Z轴顺时针转向运动

根据需要旋转的角度，以及自主运动平台的结构尺寸，由控制系统计算出各个驱动机构足端需要绕Z轴转过的角度，并同时控制四个驱动机构101至104进行同步逆时针旋转，由于驱动机构的足端和地面接触，可以看做是和地面一体，所以足端绕Z轴的逆时针旋转就转换成了运动平台载体100绕Z轴的顺时针旋转。从而完成转向动作。

(6)足式运动下绕Z轴逆时针转向运动

这个运动过程和绕Z轴的顺时针转动类似，只是驱动机构绕足端的逆时针旋转变成了顺时针旋转。

(7)轮式运动前进或后退

控制驱动机构101至104的足端姿态，使其绕各个坐标轴的旋转角度均为零度，沿X轴的和Y轴的平移量也均为零，沿Z轴的平移量为其最大平移量的一半，此时车轮的运动方向与Y轴平行。

将驱动电机209的电磁锁定机构解锁。此时有两种轮式驱动模式，分别为两轮驱动和四轮驱动。

两轮驱动时，需要同时控制驱动机构103和104或者驱动机构101和102的车轮的驱动电机正传或反转，使车轮转动从而使自主运动平台前进或者后退。而四轮驱动时则同时控制所有的驱动电机。在控制过程中，需要协调各个电机的转速，使运动平台保持直线前进或后退。

(8)轮式运动侧移

控制驱动机构101至104的足端姿态，使其绕X轴和Y轴的旋转角度均为零度，沿X轴的和Y轴的平移量也均为零，沿Z轴的平移量为其最大平移量的一半，绕Z轴的旋转角度为90度，此时车轮的运动方向刚好和X轴平行。

将驱动电机209的电磁锁定机构解锁。此时也有两种轮式驱动模式，分别为两轮驱动和四轮驱动。

其中两轮驱动时，需要同时控制驱动机构102和104或者驱动机构101和103的车轮的驱动电机正传或反转，使车轮转动从而使运动平台正向或反向侧移。而四轮驱动时则同时控制所有的驱动电机。在控制过程中，同样需要协调各个电机的转速，使运动平台保持直线侧移。

(9)轮式运动转向

如果是两轮驱动时，通过控制两个驱动轮的转速，使之产生一定的转速差，就可以实现运动平台的转向运动。为了保证车轮的方向始终和运动平台的运动轨迹一致，需要控制运动机构的足端绕Z轴旋转一定的角度，以适应车体运动方向的改变。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于并联六自由度运动机构的足轮式自主运动平台，包括控制系统和能源系统，其特征在于：还包括平台机构；平台机构是整个自主运动平台的主干，包含了平台载体和驱动机构；驱动机构用来完成运动平台的行走驱动，驱动机构采用足轮组合式结构，驱动机构的主体是并联六自由度运动机构，在并联六自由度运动机构的可动端面上安装车轮，从而形成足轮组合式的驱动机构；驱动机构通过其自身的基座安装在平台载体下面，控制系统及能源系统安装在平台载体之上，此外平台载体还可以承载其它负重；

并联六自由度运动机构作为驱动机构的主体构成了自主运动平台的足部，包括基座、六根执行机构、可动端面，可动端面简称足端；六根执行机构的每根一端分别通过万向联轴器与并联六自由度运动机构的基座连接，另一端分别通过万向联轴器与足端连接；

驱动机构的足端下表面安装车轮，从而形成足轮式结构；车轮通过连接机构安装到足端的下表面上；在连接机构上安装有驱动电机，驱动电机的输出轴与车轮的旋转轴相连接，带动车轮旋转；所述的连接机构具体形式不限，只要能将车轮安装到足端上即可；

所述驱动电机上自带电磁制动器，可将驱动电机输出轴锁定，使其不能转动，从而将车轮锁定；当车轮被锁定不转时，可以将自主运动平台作为足式平台进行控制，当解除车轮锁定时，可以通过驱动电机驱动车轮转动，此时自主运动平台就可以作为轮式平台进行控制；

自主运动平台具有两种运动模式，分别是足式运动模式和轮式运动模式；

(1)足式运动模式

通过车轮的驱动电机上自带的电磁制动器将车轮锁定，使其不能转动，进入足式运动模式；在这种运动模式下，控制系统通过控制驱动机构的足端姿态及位置实现自主运动平台的运动；在足式运动模式下，自主运动平台的运动具体包括前进、后退、侧移、转弯，对四足机构的运动平台实现单腿运动；

运动时，控制系统首先规划出各个驱动机构的足端姿态及运动轨迹，然后再对各个驱动机构进行控制；根据轨迹规划方法的不同，各个驱动机构会产生不同的动作顺序和运行轨迹；

(2)轮式运动模式

将驱动车轮的驱动电机解锁，使得车轮可以在驱动电机的驱动下转动，进入轮式运动模式；在轮式运动模式下自主运动平台的运动包括前进、后退、转弯、原地转向；与足式运动模式相比，轮式运动模式下多了一个原地转向的功能，因为各个车轮的驱动电机转速及方向可以独立控制，因此在转向时，如果控制一个车轮固定不动或者反向旋转，就可以实现原地转向；

由于每一个车轮上均安装有驱动电机，因此轮式驱动模式下可根据所需要的驱动力选择合适数量的驱动电机进行驱动；

运动时，控制系统首先根据运动指令规划出需要几个驱动电机进行驱动，并结合自主运动平台的当前运动状态、设定的运动速度和运动路线，实时规划出各个车轮的运动轨迹、车轮的驱动电机的转速，然后再对相应的驱动电机转速进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于并联六自由度运动机构的足轮式自主运动平台，其特征在于：还可以实现运动平台的姿态调整和足端间距调整；具体调整方法如下：

1)自主运动平台姿态调整

由于运动平台的每一个驱动机构都可以沿上下平移，因此可以借此调节自主运动平台的姿态，具体调整包括：

高度调整：控制系统控制所有驱动机构的足端都统一伸出或缩回相同的长度，从而调整自主运动平台的重心高度；

水平姿态调整：在野外路面上地势或路面颠簸导致运动平台不是水平状态甚至出现剧烈的振动；此时控制系统可以通过调节各个驱动机构足端的伸出长度，抵消因为路面不平造成的运动平台倾斜或振动，使得运动平台处于水平状态；

2)运动平台的足端间距调整

当通过狭窄路面时，控制系统可以控制各个驱动机构的足端向靠近车体中心的方向平移，即收缩足端在宽度方向上的间距，从而可以通过狭窄路面。